薄透镜激光器制造技术

本发明专利技术涉及光学、光学工程、激光器件与激光技术领域，主要是用优良性能的固态激光介质、谐振腔、半导体激光阵列或者其他均匀光源泵浦获得较大功率或者能量输出的固体激光器的构建方法及装置。其特征在于将固体激光介质块加工成薄透镜，薄透镜容易散热，薄透镜的前表面为镀膜全反射球面，薄透镜后表面球面除中央位置外为全反射面，中央位置为镀膜半反射面，激光由半反射面输出。

Thin lens laser

The invention relates to the field of Optics and optical engineering, laser and laser technology, is mainly used to construct method and device of solid state laser solid-state laser medium, the excellent performance of the resonant cavity, semiconductor laser array or other uniform light source obtained for the pump output large power or energy. It is characterized in that the solid laser medium is processed into thin lens, lens easy to heat front surface of thin lens coating for total reflection spherical thin lens surface in addition to the central location for the whole reflector, a central location for coating semi reflective surface, the laser output by semi reflector.

【技术实现步骤摘要】
薄透镜激光器
本专利技术涉及光学工程、激光工程、激光

技术介绍
固体激光器，主要有Nd:YAG激光器、钕玻璃激光器等。固体激光器一般采用棒状介质，两端磨平,抛光,在端面镀增透膜,采用外腔式工作。为了增大输出功率，一般采用串联式或者并联式，同时激励多个介质棒，也采用外腔式工作。由于介质棒存在热透镜效应，从而使激光束质量受到影响，人们采用薄板介质条或多个薄片介质来避免热效应，并提高注入功率或能量。采用薄板介质条或多个薄片介质和外腔工作可以获得较高的高光束质量激光输出。固体激光器之所以采用外腔工作，无内腔固体激激光器，相应的技术问题是：因为介质棒受热不均匀容易变形，加之热透镜效应则更难于考虑内腔结构，另一方面介质棒较长将整体作为光学元件加工不方便；薄板介质条采用Z形光路外腔工作对热畸变和热致双折射效应有补偿消除作用，但无合適的Z形光路内腔或没考虑内腔；多薄片结构只能采用外腔工作。
技术实现思路
本专利技术正是针对无内腔固体激激光器这一事实和相应技术问题而提出的。本专利技术固体激光介质薄透镜激光器，提供一种内腔固体激光器,激光器具有结构简单，输出功率或能量较大的特点。相应技术问题是按如下方案解决的。它以特性优良的固体激光介质作为薄透镜的材料，以薄透镜的厚度作为激光介质的长度，以薄透镜的宽度作为激光增益介质的长度；以薄透镜的两个表面经过镀膜后成为谐振腔的两个镜面，以其中一面的中央为部分反射面而作输出耦合；以半导体激光或其他均匀辐照光源为泵光，由半导体激光列阵泵浦可实现均匀辐照泵浦，并且激光介质对泵浦光的吸收率较高，废热较少，有利于克服固体激光介质的热畸变、热透镜效应；以薄片或者薄板条因薄而带来的良好散散热克服固体激光介质的热畸变、热透镜效应，可将其减到相当小的程度，或者仅仅在边缘有一定程度热畸变存在；透镜激光器的腔内Z形光路与薄板激光器外腔的Z形光路很接近，故对热畸变和热致双折射效应有补偿消除作用；原则上透镜的均匀变化引起的曲率半径的均匀变化对激光输出无负面影响；常用固态激光介质Nd:YG的热膨胀系数为8x10-6.oC-1,0-250oC,当透镜激光器厚度远远小于表面的曲率半径，将温度均匀情况适当控制，可使透镜曲率的变化不会使激光腔工作受到明显影响；即使透镜在中心区域外有局部特殊变化，透镜的其余对称部分仍可照常作为激光器工作；适当的厚度和支撑方式可以保持透镜的变形轻微，对激光的产生无明显影响。附图说明图1为薄透镜激光器的纵剖面示意图，薄透镜是圆形的，也可以是椭圆形的或方形的，1表示透镜激光器的前表面或者上表面，曲率半径为ρ1，2表示厚度为d的透镜激光介质，3为光路，4表示透镜激光器的后表面或者下表面，曲率半径为ρ2，5为透镜激光器的输出耦合面，直径为D0，位于后表面的中央,6为金属散热器或换热器，8为泵浦光源,图2为图1透镜激光器的前表面或者上表面的示意图，7为对称分布的条形磨毛面，宽为b,虚线圆表示与图1中5相对应的位置。现结合附图对其工作原理作进一步说明。在图中1为激光的全反射镀膜面，同时又是泵光的透射面,透镜介质厚度一般为6mm左右，4为激光全反射膜面，泵光能透射出该膜面，6的内表面也为球面，曲率半径近似与4一致，对泵光全反射以对激光介质作二次泵浦，在图1右侧振荡光沿3箭头方向在上下两球面间传输，传输至中间位置经输出耦合面5的部分透射而输出，耦合面的部分反射使光波继续在两表面间往返传输，当传输到左侧与右侧对称的位置时则光波返回，当返回到中央位置时再次部分透射而输出，部分反射使光波连续往返传输回到右则，然后又左右运作，直至光线精确回到原出发点和方位才开始新一轮往返传输。设一轮多程往返的总次数为N,波在两表面间传输N次后变为它自己。通过设计可使一轮只包含从右到左再从左到右这样一个单个多程往返，可精确回复到原出发点和方向。位于半径r0处的、方向取自于前表面曲率中心的光线经n次往返后到达半径0.5D0位置并且部分出射。设初始光线的坐标为（x0,y0），初始斜率为（x’0,y’0），在条件下x0=0和x’0=0有y0=r0,y’0=r’0，并且经往返矩阵的n次作用即可得到0.5D0位置光线的斜率，由此可得出射光线相对于光轴的斜率。实施方案：连续波或者准连续波透镜激光器采用Nd:YAG这种机械性能、光学性能、散热性能和硬度特性优良的材料及性能相近的新激光介质，低重复频率或者单脉冲透镜激光器可采用钕玻璃激光介质。这两类激光介质可进行光学加工。因为透镜激光器介质与普通透镜的接近，它们比较多的可加工的光学晶体介质硬度高，故透镜激光器的光学加工是容易进行的而且也应按光学透镜加工要求进行。选择激光波长为1.06μm，用于1.06μm的光反射和透射的镀膜原料均为硬质料，而且近年来对此膜的耐光冲击强度的大量研究成果使之有足够的强度作为腔镜面使用。用于泵光的波长一般选在0.81μm,0.75μm,是固体激光器已经实际使用的。泵光采用阵列半导体激光，也是现有固体激光器实用的和有长远意义方案，也可设计实用的氪灯等。散热器采用铝金属散热器，除中央位置打孔外，其余部分可采用与之连接的一些散热片。硬铝的上或前表面可先用机床铣成一个曲率半径与透镜凸面曲率半径相近的一个凹面，再用光学加工的方法对其加工，使其曲率半径与透镜曲率半径基本相等，这在实際上已经是完全解决了的问题，透镜激光器的上表面或者前表面可进行风冷等。散热器也可也可进行风冷，但宜采用较为恒定的冷却环境或者条件以使透镜激光器的温度较为均恒，并且可调节冷却条件，使透镜的热变化趋于均匀。实施举例：将直径为30mm的Nd:YAG棒切为长100mm，宽为30mm，厚为6.3mm的薄板，按光学元件要求将其前表面或者上表面加工为凹面，表面曲率半径为9600mm，后表面曲或者下表面加工为凸面，表面曲率半径为9560m的透镜，凹面表面镀1.06μm波长的全反射膜，凸面中央半径为2mm的区域镀1.06μm波长的半反射膜，透过率为10%。条形磨毛面宽b=0.3mm。选择多个矩阵阵列半导体激光器对其凹表面照明。散热器用一个长12cm、宽6cm、厚15mm的硬质合金铝块作为材料来进行加工，中间孔直径为4mm，先将其背面铣成长方形散热片阵列，散热片厚0.5mm、宽10mm、间距1mm，再将其正面加工为曲率半径近似为9560mm的凹面并且近似抛光。当泵光足够强和冷却足够好时可获得数百瓦发散角近似为20mrad的输出，若有更大直径的Nd：YAG则更好。钕玻璃材料可作为脉冲透镜激光器的介质，总之，可用连续波固体激光器的介质，就可以作为连续波输出或者脉冲输出的透镜激光器的介质，可用于脉冲固体激光器的介质就可以作为脉冲透镜激光器的介质，能适应的关键点在于它是薄的，易于散热和减少温度差。一种固态Nd:YAG薄透镜激光装置，由激光介质2、透镜前侧镀膜全反射凹面1、透镜后侧凸球面镀膜全反射面4、透镜后侧凸球面中央镀膜半反射面5、透镜前侧表面上的条形磨毛面7、散热器6和泵光光源8组成，凹凸镀膜面为透镜前后面，凸面中央与热交换器6的中央孔对齐，泵浦光光源8位于透镜凹面一侧，其特征在于激光介质区为透镜介质区，透镜的前后镀膜表面为激光器的谐振腔镜，输出耦合位于后表面中央。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种以固态激光材料为激光介质，镀膜镜面为腔镜，满足稳定条件，泵光泵浦，热交换器散热，以Z形光路克服热透镜效应和热畸变的泵光从介质凹面端面进入的固体激光器的构建方法，其特征在于激光材料块被加工成一个大尺寸的圆形凹凸薄透镜，或大尺寸椭圆形凹凸薄透镜，或大尺寸方形凹凸薄透镜，透镜的凹面为镀膜的全反射凹面，但以条形磨毛面将凹面分割成若干对称扇形条形区，透镜的凸球面中央为镀膜半反射面，其余区域为镀膜全反射面，从扇形条形区起始段镜面出发的光波在凹凸镜面间经多次反射而传到扇形区面末段镜面后沿原路返回到起始段镜面，形成Z形光路内腔振荡，各Z形光路内腔振荡光波从镜面中央的部分反射面输出，形成对称性输出光束。

【技术特征摘要】
1.一种以固态激光材料为激光介质，镀膜镜面为腔镜，满足稳定条件，泵光泵浦，热交换器散热，以Z形光路克服热透镜效应和热畸变的泵光从介质凹面端面进入的固体激光器的构建方法，其特征在于激光材料块被加工成一个大尺寸的圆形凹凸薄透镜，或大尺寸椭圆形凹凸薄透镜，或大尺寸方形凹凸薄透镜，透镜的凹面为镀膜的全反射凹面，但以条形磨毛面将凹面分割成若干对称扇形条形区，透镜的凸球面中央为镀膜半反射面，其余区域为镀膜全反射面，从扇形条形区起始段镜面出发的光波在凹凸镜面间经多次反射而传到扇形区面末段镜面后沿原路返回到起始段镜面，形成Z形光路内腔振荡，各Z形光路内腔振荡光波从镜面中央的部分反射面输出，形成对称性输出光束。2...

【专利技术属性】
技术研发人员：李育德，刘静伦，陈梅，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：四川,51