棱镜扩束技术和半导体激光泵浦的固体板条激光器制造技术

本发明专利技术公开了一种棱镜扩束技术和半导体激光泵浦的固体板条激光器，包括由半导体激光器和光导体组构成的泵浦结构、固体板条激光晶体、激光晶体冷却单元、谐振腔。谐振腔含有至少一组棱镜、输出耦合镜和高反射镜，棱镜组位于谐振腔输出耦合镜内侧，激光晶体设置于棱镜组与谐振腔高反镜之间，谐振腔内配置非线性晶体元件以实现二倍频、三倍频输出，或配置光学调制元件实现脉冲输出，泵浦结构与谐振腔相结合，谐振腔内位于输出耦合镜侧的光束经棱镜放大后与固体板条激光晶体的宽度一致，实现基模光斑与泵浦光之间的匹配，在激光器中产生大基模体积激光振荡。本发明专利技术能在１００Ｗ以上高功率激光器中获得近衍射极限光束和高效率激光输出。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种半导体激光泵浦的固体激光器，特别是涉及一种谐振腔内采用棱镜扩束技术和高功率、高质量光束输出的固体板条激光器。
技术介绍
在半导体激光泵浦的高功率固体激光器中，为获得高功率激光输出，需解决激光晶体的热透镜效应、应力双折射、自聚焦效应。采用宽度大于厚度的板条结构晶体作为激光工作介质，使工作时晶体内部的温度沿厚度方向近似呈一维分布，可大大改善晶体内部温度分布的均匀性，从而可以改善晶体内部应力分布的均匀性，减轻双折射效应。如将晶体两端加工成具有布儒斯特角结构，则激光在晶体中的路径为锯齿形，由于晶体内部的温度呈一维分布，每一束光线在经历一个锯齿路径时波前畸变相互抵消和补偿，这样可以减缓甚至消除因热引起的激光在光腔中传输所发生的波前畸变，因此固体激光器用板条结构替代棒状结构晶体。但是，这种板条结构的激光器存在两种缺陷一是输出光斑为长条形，在大多数情况下不可直接应用，光束必须整形；二是此种结构的激光器如果采用常规谐振腔，如稳腔和平-平腔，则尽管在厚度方向可获得低阶模或基模激光束，但在宽度方向一般为多模输出，总的输出光束质量较差。如果希望获得近衍射极限光束，则需添加光阑，那么激光输出的光-光转换效率低下。因此这种结构的激光器难于获得高转换效率、近衍射极限、高光束质量激光输出。此外，这种结构的激光器的性能还依赖于激光晶体的泵浦方式。为获得高功率、高效率，同时也为获得近衍射极限激光输出，目前激光器主要采用非稳腔技术。有报道谐振腔采用柱面输出耦合镜和平面高反射镜，在一个方向为平-平腔，在另一方向为非稳腔，激光器输出光斑为长条形，参见专利200410067696.6。专利200410067696.6的实施例采用宽7-10mm、厚为1mm的波导结构的激光器，获得光束质量因子为M2＝1.2×1.1，但光斑宽度方向尺寸大，约在7mm-10mm。在泵浦方面，有端面泵浦、面泵浦、侧边泵浦。端面泵浦中，泵浦光聚焦后从激光晶体的端面纵向进入，其入射方向与激光谐振腔的光轴相同，它的优势在于可实现激光振荡模式与泵浦光有效匹配，但端面泵浦方式因泵浦入射初始段注入能量密度高、其它部位较低，只适用于较低功率激光器。面泵浦是泵浦光从激光晶体的大面入射的泵浦方式，可获得均匀泵浦能量分布，但晶体吸收厚度有限，泵浦光不能充分被吸收，不过激光晶体注入的能量密度高，易获得较高功率激光输出。侧边泵浦时，泵浦光从晶体的厚度方向入射，宽度尺寸大于厚度，宽度所在面即大面，用于冷却。这种结构的优势是激光晶体的散热效果好，缺点是泵浦不均匀，因为激光晶体的两侧边泵浦光强度高，而激光晶体的中心泵浦光强度弱。最初的侧边泵浦方式，存在边缘注入能量密度高、中心密度小，因而中心增益系数比边缘小。近几年，出现角泵浦，见专利200410067696.6，激光晶体泵浦能量分布均匀性大大改善，但在获得连续几百瓦高功率输出时，激光的输出光束质量仍不理想。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种能实现泵浦光与激光基模匹配、具有高转换效率、高光束质量激光输出的棱镜扩束技术和半导体激光泵浦的固体板条激光器。为实现上述目的，本专利技术的技术方案是激光谐振腔采用一种棱镜扩束技术，工作介质采用板条结构激光晶体，构成一种谐振腔内具有棱镜扩束和半导体激光泵浦的固体板条激光器，它包括由半导体激光器和光导体组构成的泵浦结构、固体板条激光晶体、激光晶体冷却单元、谐振腔。谐振腔含有至少一组棱镜、输出耦合镜和高反射镜，棱镜组位于谐振腔输出耦合镜内侧，激光晶体设置于棱镜组与高反镜之间，谐振腔内配置非线性晶体元件以实现二倍频、三倍频输出，或配置光学调制元件实现脉冲输出，泵浦结构与所述谐振腔相结合，谐振腔内位于输出耦合镜侧的光束经棱镜放大后与固体板条激光晶体的宽度一致，实现基模光斑与泵浦光之间的匹配，在激光器中产生大基模体积激光振荡。上述泵浦结构是角泵浦、或面泵浦、或侧边泵浦结构。谐振腔采用稳定谐振腔或平-平谐振腔或非稳谐振腔。谐振腔内的棱镜为直角棱镜，每两块棱镜倒置构成一组，成对布置；所述谐振腔内的棱镜数量为奇数时，只有一组是由单块直角棱镜构成；所述直角棱镜斜面上的光线以布儒斯特角入射，所有直角棱镜底边锐角与布儒斯特角大小相等，从斜面上入射的光束经棱镜的一直角边射出被放大，每块直角棱镜的放大系数等于布儒斯特角的正切值并与棱镜材料的折射率相等，所有棱镜组的总放大倍数满足基模光束被放大后光斑尺寸等于或接近板条激光晶体的宽度。半导体激光泵浦的固体激光器采用角泵浦与棱镜组组合方式，其激光晶体两侧为未掺杂晶体，未掺杂晶体是蓝宝石或者高导热系数或者高透光系数的其它材料；所述激光晶体冷却与角泵浦在同侧或相互垂直方向上。半导体激光器或者采用侧边泵浦结构与棱镜组组合方式，以及采用面泵浦结构与棱镜组组合方式。固体板条激光晶体为长方体结构或者为具有布儒斯特角的梯形或具有布儒斯特角的平行六面体结构。本专利技术泵浦结构与所述谐振腔相结合，谐振腔内位于输出耦合镜侧的光束经棱镜放大后与固体板条激光晶体的宽度一致，实现基模光斑与泵浦光之间的匹配，在激光器中产生大基模体积激光振荡。激光器使用稳定谐振腔或平-平谐振腔或非稳谐振腔，不仅可在低功率而且可在100W以上高功率激光器中获得近衍射极限光束质量和高效率激光输出。附图说明图1是棱镜扩束原理和棱镜角度关系图；图2是角泵浦与棱镜组组合的激光器之一结构主视图；图3是角泵浦与棱镜组组合的激光器之一结构俯视图；图4是角泵浦与棱镜组组合的激光器之二结构主视图；图5是角泵浦与棱镜组组合的激光器之二结构俯视图；图6是横向侧边泵浦与棱镜组组合的激光器结构俯视图；图7是面泵浦与棱镜组组合的激光器结构主视图；图8是面泵浦与棱镜组组合的激光器结构俯视图。具体实施例方式以下结合附图与实施例对本专利技术作进一步详细描述。如图2至8所示，本专利技术包括由半导体激光器和光导体组构成的泵浦结构、固体板条激光晶体6、激光晶体冷却单元、谐振腔。谐振腔含有至少一组棱镜7、输出耦合镜8和高反射镜1，棱镜组7位于谐振腔输出耦合镜8内侧，激光晶体6设置于棱镜组7与谐振腔高反镜1之间，谐振腔内配置非线性晶体元件以实现二倍频、三倍频输出，或配置光学调制元件实现脉冲输出，泵浦结构与所述谐振腔相结合，谐振腔内位于输出耦合镜8侧的光束经棱镜放大后与固体板条激光晶体6的宽度一致，实现基模光斑与泵浦光之间的匹配，在激光器中产生大基模体积激光振荡。谐振腔中采用多块直角棱镜或直角棱镜组7。当激光器中的激光束从棱镜侧传向激光晶体6时，激光束被放大；当激光器中的激光束反向传输时，激光束被压缩。棱镜的光束尺寸放大原理和棱镜结构尺寸如图1所示，棱镜材料的折射率为n，其在底边的锐角等于斜边上的光束入射角i1，并等于布儒斯特角iB。这样在激光器中传输光为偏振光，而且光在直角棱镜斜面上入射光只发生折射，在斜面上没有反射损耗，这有利于激光器振荡。而棱镜中出光的直角面上镀减反膜，当光反方向传播时可减小光在直角面上的反射损耗。wa、wb为棱镜的入射和出射光束横截面尺寸，则单块棱镜的放大倍数为M=wbwa=cosi2/cosi1=tgi1=tgiB=n]]>多块棱镜的扩束系数为M=M1×M2×…&本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种棱镜扩束技术和半导体激光泵浦的固体板条激光器，包括由半导体激光器和光导体组构成的泵浦结构、固体板条激光晶体、激光晶体冷却单元、谐振腔，其特征在于：所述谐振腔含有至少一组棱镜（７）、输出耦合镜（８）和高反射镜（１），棱镜组（７）位于谐振腔输出耦合镜（８）内侧，激光晶体（６）设置于棱镜组（７）与谐振腔高反镜（１）之间，谐振腔内配置非线性晶体元件以实现二倍频、三倍频输出，或配置光学调制元件实现脉冲输出，所述泵浦结构与所述谐振腔相结合，谐振腔内位于输出耦合镜（８）内侧的光束经棱镜组（７）放大后与固体板条激光晶体（６）的宽度一致，实现基模光斑与泵浦光之间的匹配，在激光器中产生大基模体积激光振荡。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：夏金安，王又良，张同，杨光中，张伟，崔瑛，朱立汀，
申请(专利权)人：东华大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]