一种多光程薄片式激光振荡器制造技术

本发明专利技术公开了一种多光程薄片式激光振荡器，包括在一光路上依次安置的泵浦光源、光学耦合系统、双色分束镜、抛物面反射镜、激光增益介质薄片、其中，所述光路上，在激光增益介质薄片之后还依次安置有双直角反射棱镜组和耦合输出腔镜，所述双直角反射棱镜组由第一直角反射棱镜和第二个直角反射棱镜构成。本发明专利技术的多光程激光振荡器结构将泵浦腔与激光谐振腔合二为一，即泵浦光路和激光振荡光路合二为一，使泵浦光多次通过增益介质，提高了泵浦效率；又由于振荡激光多次通过增益介质薄片，使谐振腔中光束一次往返过程中的增益提高数倍甚至数十倍，从而提高了激光器输出功率。适合应用于科研和工业加工的激光器中。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光学
，具体地涉及了一种多光程薄片式激光振荡器。技术背景薄片式固体激光器及光纤激光器是当前激光技术的两个最重大的进展。激光介质 的热效应是限制固体激光器进展的最重要的因素，高的功率(能量)与高的光束质量是一 对互相制约的矛盾参量。当前灯泵浦或半导体激光器(LD)侧面泵浦的棒状固体激光器可 以达到千瓦量级的激光功率，但光束质量却很差；要获得较好的光束质量，可采用LD端面 泵浦，但其功率却不能太大，一般在数十瓦之内，因而既具有高功率(能量)又有高的光束 质量的激光器一直是很难实现。较为普遍的办法是采用高质量小型激光器加上激光振荡器 的办法。激光振荡器对于实现高功率激光具有重要的应用价值，是一种重要的方法。薄片激光器的概念及最早设计都是由德国斯图加特大学(Muttgart University)提出的。激光增益介质(％:YAG和NchYVO4等晶体)一般为圆盘状，厚度为 0. 2mm左右。薄片粘贴在热沉上，冷却效率极高，其热梯度为一维分布，热梯度方向沿光束方 向，因而减小了在横向截面上的热透镜效应、激光晶体热畸变、光束热偏折和双折射效应等 热致效应。目前德国通快公司已生产了 SkW的连续(CW)激光器。由于增益介质横向相位畸变小，因而偏振、单频、锁模、频率调谐、超短脉冲、频率 变换等都可以在薄片式激光系统的平台上进行，这些是一般固体激光器难以实现的。现在 已有商品化的薄片激光器。德国的ELS公司的Versa Disk激光器功率可以达到5W_100W，M2 < 1. 1，偏振比达100 LMono Disk激光器功率达到5W_50W，M2 < 1. 1。Trumpf公司的薄 片激光器功率已经达到了 lkW-8kW，BPP为8mm .mrad,每片Disk可产生的功率为3kW_4kW。基于以上原因，专利技术一种薄片式激光器结构和多光程激光振荡器相结合的多光程 激光振荡器的需求已成为本
中亟待解决的技术问题。
技术实现思路
为克服现有技术中的不足，本专利技术的目的在于提出一种多光程薄片式激光振荡 器，该专利技术解决了传统激光器的高功率和高的光束质量互相制约的问题，优化了泵浦光和 激光的模式匹配，提高了泵浦效率和有效增益，从而提高激光器输出功率。为解决上述技术问题，达到上述技术目的，本专利技术采用如下技术方案一种多光程薄片式激光振荡器，包括一振荡光路系统，所述振荡光路系统包括在 第一光路上依次安置的泵浦光源、光学耦合系统、双色分束镜、抛物面反射镜、激光增益介 质薄片，其中，所述光路上，在激光增益介质薄片之后还依次安置有双直角反射棱镜组和耦 合输出腔镜，所述双直角反射棱镜组和耦合输出腔镜在所述双直角反射棱镜组由第一直角 反射棱镜和第二个直角反射棱镜构成，所述直角反射棱镜包括第一反射面、第二反射面和 上表面，所述第一反射面和所述第二反射面相互垂直，所述第一反射面、所述第二反射面和 所述上表面三个面交于点P ；所述直角反射棱镜包括第三反射面、第四反射面、第一切割面和第二切割面，所述第三反射面和所述第四反射面相互垂直，所述第一切割面和所述第二 切割面分别与底面成α角度，且关于所述第二直角反射棱镜的中间轴对称分布，所述第一 切割面和所述第二切割面交于点0 ；所述第一直角反射棱镜的点P和所述第二个直角反射 棱镜的点0相抵合，所述上表面与所述第一切割面重合构成所述双直角反射棱镜组。优选的，所述泵浦光源为半导体激光器。优选的，所述泵浦光源为光纤耦合输出的半导体激光器。优选的，所述第一反射面、所述第二反射面、所述第三反射面、所述第四反射面均 经过镀膜处理。优选的，所述光学耦合系统为透镜。优选的，所述双色分束镜呈45°放置。优选的，所述激光增益介质薄片的一面设置有热沉系统。优选的，所述双直角反射棱镜组为角锥棱镜。本专利技术的多光程薄片式激光振荡器的工作流程如下以耦合输出腔镜为起点，对激光在谐振腔的往返振荡过程进行说明激光经过 45°放置的双色分束镜反射，入射到抛物面反射镜，所述的抛物面反射镜、增益介质薄片、 双直角反射棱镜的共同作用使激光多次通过增益介质薄片后，沿原路返回到耦合输出腔 镜，形成激光的闭环振荡。激光振荡的光功率由光在腔内一次闭环传输的总增益及总损耗 决定，而总增益由于η次折返变为如&1，其中为一次穿过薄片的小信号增益系数，1为增 益介质薄片厚度，而总损耗仍然主要是耦合输出的透过损耗和每次穿过薄片的损耗以及镜 面反射损耗。激光输出功率就取决于一次闭环传输中总增益(如&1)与总损耗之比。常规 的单程谐振腔结构的总增益为2&1，与之相比，本专利技术提出的谐振腔结构的总增益是常规 结构的2η倍，而损耗变化很小，所以该谐振腔结构的输出功率将大大增加。所述的泵浦腔和激光振荡腔中由抛物面反射镜、增益介质薄片和双直角反射棱镜 组组成的结构，使得泵浦光和激光每次经过双直角反射棱镜组的反射时入射面发生旋转， 从而使得泵浦光和激光经过抛物面反射镜聚焦后入射到增益介质薄片时的入射面和反射 面(入射面和反射面共面)发生旋转。一个往返过程中，泵浦光和激光在增益介质薄片的 入射面均勻地分布，相邻两个入射面之间的夹角全部相同，所以泵浦光和激光能够均勻地 多光程通过增益介质薄片，有利于增益介质薄片对泵浦光进行均勻地充分地吸收，提高泵 浦光利用效率，充分地提高反转粒子数，有利于提高增益介质薄片的利用效率，充分地消耗 反转粒子数，同时有利于消除热效应，有利于提高光束质量。泵浦光路和振荡光路的区别在于，泵浦光经过几次或者几十次增益介质吸收后将 被完全消耗掉，而振荡光单程经过增益介质次数越多，其增益越高，振荡功率越高。激光谐振腔增益和损耗的计算。假设一次激光闭环振荡过程中，振荡激光在增益 介质后表面经过2η次反射，即振荡激光共如次通过增益介质。设单次通过增益介质的小信 号增益系数为&，1为增益介质薄片厚度，则一次激光闭环振荡过程中的总的增益为如&1。 而损耗主要为耦合输出、增益介质吸收，以及抛物面反射镜、增益介质薄片和双直角反射棱 镜组的多次镜面反射损耗，其中耦合输出在损耗中占主要部分，其余损耗均远远小于耦合 输出损耗，所以振荡激光的多光程即经过增益介质的次数对往返损耗影响不大。本专利技术所提出的激光振荡器中，其激光输出功率P满足关系4？实《输出’错误！未找到引用源。V a& J其中α &为一次闭环传输中光的总损耗，包括耦合输出损耗α 、腔内吸收损耗 及镜面反射损耗。一般腔内吸收及镜面反射损耗远比耦合输出损耗小。由于多光程，谐振 腔结构的总增益是常规结构的2η倍，因而输出功率大大增加。关于本专利技术提出的多光程激光振荡器稳定性分析。将激光振荡光路展开，利 用激光传输ABCD矩阵理论，对所述的多光程激光振荡器的稳定性进行分析。所述谐振 腔的等效腔是一个平凹腔，经计算表明，实现多光程过程中产生的较长的有效腔长为-Id^Yll-If2Yi，其中Cl1为耦合输出腔镜到振荡激光第一次入射到增益介质薄片时的光 /=1程；1 < i < η-1时，Ii为单程过程中振荡激光第i次从增益介质薄片出射到第i+Ι次入射 到增益介质薄片时的光程；ln为单程过程中振荡激光第η次从增益介质薄片出射到入射本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多光程薄片式激光振荡器，包括在一光路上依次安置的泵浦光源（１０１）、光学耦合系统（１０２）、双色分束镜（１０３）、抛物面反射镜（１０４）、激光增益介质薄片（１０５），其特征在于：激光增益介质薄片的泵浦光路和产生的激光振荡光路为同一光路。所述光路上，在激光增益介质薄片（１０５）之后还依次安置有双直角反射棱镜组（１０７）和耦合输出腔镜（１０８），所述双直角反射棱镜组（１０７）由第一直角反射棱镜（７０１）和第二个直角反射棱镜（７０２）构成，所述直角反射棱镜（７０１）包括第一反射面（Ｓ１）、第二反射面（Ｓ２）和上表面（Ｓ３），所述第一反射面（Ｓ１）和所述第二反射面（Ｓ２）相互垂直，所述第一反射面（Ｓ１）、所述第二反射面（Ｓ２）和所述上表面（Ｓ３）三个面交于点Ｐ；所述直角反射棱镜（７０２）包括第三反射面（Ｓ６）、第四反射面（Ｓ７）、第一切割面（Ｓ４）和第二切割面（Ｓ５），所述第三反射面（Ｓ６）和所述第四反射面（Ｓ７）相互垂直，所述第一切割面（Ｓ４）和所述第二切割面（Ｓ５）分别与底面成α角度，且关于所述第二直角反射棱镜（７０２）的中间轴对称分布，所述第一切割面（Ｓ４）和所述第二切割面（Ｓ５）交于点Ｏ；所述第一直角反射棱镜（７０１）的点Ｐ和所述第二个直角反射棱镜（７０２）的点Ｏ相抵合，所述上表面（Ｓ３）与所述第一切割面（Ｓ４）重合构成所述双直角反射棱镜组（１０７）。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王宪涛，王勇，王斌，孙明营，王裕民，朱健强，
申请(专利权)人：苏州大恒光学精密机械有限公司，
类型：发明
国别省市：32[中国|江苏]