一种基于拼接技术的紧凑型多碟片串接固体激光器制造技术

本实用新型专利技术公开了一种基于拼接技术的紧凑型多碟片串接固体激光器，包括半导体激光器、光准直器、谐振腔输出单元以及两组以上的通过拼接方式组装在一起的多次泵浦单元，其中所述泵浦单元各自分别包括沿着泵浦光入射方向共轭设置的第一和第二抛物面反射镜，这两个抛物面反射镜相对于对方的焦点位置处分别安装有矫正镜和碟片激光晶体，并通过它们之间的角度及抛物面反射镜尺寸构造方面的配合来实现泵浦光在多组泵浦单元之间的偏移和耦合。通过本实用新型专利技术，可以解决现有碟片激光器串接过程中每个模块未完全吸收泵浦光的问题，并能在实现高功率、高光束质量激光输出的同时，使得系统转换效率大幅度地提高。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术属于激光器
，更具体地，涉及一种基于拼接技术的紧凑型多碟片串接固体激光器。
技术介绍
碟片激光器属于高端的高功率固体激光器之一,这种薄片状的结构(0.2mnT0.4mm的厚度)，采用轴向面冷却的方式，极大地降低了激光晶体的热畸变和热透镜效应，有利于获得高转换效率、高平均功率以及高光束质量的激光输出。此外，碟片激光器结构特点更容易实现高功率的激光输出:一种方法是在保持泵浦功率密度不变的条件下，增加泵浦光斑的面积来有效地提高激光功率；另一种方法是采用多碟片串接的技术来实现高功率的激光输出。由于ASE效应(放大的自发辐射)的影响,采用增大泵浦光斑面积获取更高功率激光输出的方法受到了极大地限制。因此串接技术获取更高功率的激光输出成为更为有效的途径。目前德国通快公司采用4个单元模块串接获得16kW的激光输出，在材料加工、激光医疗、科学研究等方面均有广阔应用。尤其是材料加工方面，因为其输出功率高，可聚焦光斑小、焦深长，并且能在光纤内传输，可以完成快速切割、远程焊接等高难度加工任务，已成为激光加工系统的主力光源。碟片固体激光器中的增益介质一一碟片激光晶体的前表面镀有对泵浦光和激光均高透的增透膜，后表面镀有对泵浦光和激光均高反射的高反膜，并封装在铜钨合金或金刚石基板上，端面采用液体冲击冷却或高效TEC冷却(半导体致冷技术)，实现有效地温控。这种轴向的温度场分布极大地消除了晶体热效应对激光输出的影响，便于获得更好光束质量的激光。然而这种薄片状的几何外形存在对泵浦光吸收长度小的缺点，为了提高泵浦光的吸收效率，多次泵浦技术和光斑匀化技术是高功率碟片激光器高效稳定运行的核心技术之一。1994年，A.Giesen教授提出了多次泵浦的概念，碟片固体激光器的思想得以实现。2003年，Steffen Erhard等提出了单抛物面和多棱镜构成的空间旋转多次泵浦的结构；2005年，Steffen Erhard等对上述方案进行改进提出了基于单抛物面和两个大型棱镜实现光束空间旋转多次泵浦技术的方案，实现泵浦光32次的泵浦，使得泵浦光得到有效地利用。2008年，朱晓等在CN101414728A提出一种碟片固体激光器，其中基于对称共轭双抛物面来实现泵浦光斑在自身内部的多次传输。2010年，朱广志等在CN102420386A中提出了基于离轴抛物面的碟片固体激光器，其中利用折叠镜系统的多次泵浦技术，实现矩形光斑在自身内部的多次泵浦，泵浦的次数与折叠镜的离轴平移量有关。上述多次泵浦技术在单碟片固体激光器系统中均能实现高效地激光输出。然而，在采用串接技术获得更高激光功率输出的过程中，上述方案仅能采用独立泵浦模块直接串联的方案，即将激光振荡的谐振腔串联起来实现激光的输出。而对于每一个多次泵浦模块，其内部泵浦光之间相互独立，不存在能量的传递和交换，未被吸收的泵浦光直接浪费掉了。这样造成了泵浦光的利用率受到较大的限制、系统整体的效率也同样不能进一步地提高；另一方面，这种各个模块间独立的串联耦合方法，系统地体积庞大，装配调整较为复杂。相应地，在相关领域中存在着对多碟片固体激光器的组成结构及其串接方式作出进一步改进的技术需求。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷和技术需求，本技术的目的在于提供一种基于拼接技术的紧凑型多碟片串接固体激光器，其通过对其关键构件的组成及设置方式的改进，可以解决现有碟片激光器串接过程中每个模块未完全吸收泵浦光的问题，将多个模块碟片之间的泵浦光能够耦合起来，由此在实现高功率、高光束质量激光输出的同时，能够使得系统转换效率大幅度地提高。按照本技术，提供了一种基于拼接技术的紧凑型多碟片串接固体激光器，该激光器包括半导体激光器、泵浦光准直器、两组以上的多次泵浦单元，以及谐振腔输出单元，其特征在于:所述半导体激光器用于发射泵浦光，并经泵浦光准直器执行准直后入射至各个多次泵浦单元；所述多次泵浦单元沿着与泵浦光入射方向相垂直的方向彼此拼接，它们各自分别包括沿着泵浦光入射方向共轭设置的第一抛物面反射镜和第二抛物面反射镜，其中:该第一抛物面反射镜具有第一通孔用于安装碟片激光晶体，所述第一通孔的位置对应于第二抛物面反射镜的焦点，所述碟片激光晶体的法线与光轴之间存在一定角度的安装夹角β，并且沿着多次泵浦单元拼接方向彼此相邻的碟片激光晶体的安装夹角β方向相反；该第二抛物面反射镜具有第二通孔，用于安装有矫正镜同时作为谐振腔激光传输的通道，所述第二通孔的位置对应于第一抛物面反射镜的焦点，所述矫正镜的法线与光轴相重合或存在一定角度的安装夹角α，其中各个多次泵浦单元中矫正镜与碟片激光晶体的安装夹角方向相反；对于彼此相邻的两组多次泵浦单元而言，其中一组多次泵浦单元的第一、第二抛物面反射镜之间的尺寸关系满足:两者左半部分的宽度相等，而前者右半部分的宽度与后者相比要大ΛΗ1 ;另外一组多次泵浦单元的第一、第二抛物面反射镜之间的尺寸关系满足:两者右半部分的宽度相等，而后者左半部分的宽度与前者相比要大ΛΗ2;所述ΛΗ1、ΔΗ2均大于一倍的光斑平移量且小于两倍的光斑平移量；所述谐振腔输出单元与所述激光晶体共同构成激光谐振腔，用于实现产生激光的多次振荡并执行激光输出。通过以上构思，由于将多组具备两个抛物面反射镜的泵浦单元予以拼接，同时对共轭设置的抛物面反射镜的碟片激光晶体和矫正镜的设置角度、相对位置关系以及相邻抛物面反射镜的具体尺寸构造进行研究和改进，可以实现泵浦光在多组泵浦单元中的相互传递，例如，在第一组泵浦单元多次传输后未被其碟片激光晶体吸收完的泵浦光可以进入相邻的第二组泵浦单元继续被其碟片激光晶体所吸收，相反亦然，这样能够以更为高效、灵活地方式来控制光束传输的过程，并有利于实现高功率、高效率和高光束质量的激光输出。作为进一步优选地，所述Λ Hl等于Λ Η2。作为进一步优选地，沿着多次泵浦单元拼接方向彼此相邻的碟片激光晶体的安装夹角β方向相反且大小相等，而彼此相邻的矫正镜的安装夹角α方向相反且大小相等。作为进一步优选地，当所述矫正镜的法线与光轴存在一定角度的安装夹角α时，该角度α满足:0〈 α〈 Ji /4。作为进一步优选地，所述碟片激光晶体的法线与光轴之间的安装夹角β满足:0〈β〈3 /4。作为进一步优选地，对于相邻两组多次泵浦单元，它们各自的第一、第二抛物面反射镜的面型函数分别对应相同；而对于各组多次泵浦单元，它的第一与第二抛物面反射镜的面型函数可以相同或不同。作为进一步优选地，所述谐振腔输出单元包括激光全反镜、激光连接镜和激光输出镜，并与对应的碟片激光晶体共同构成激光谐振腔。作为进一步优选地，所述碟片激光晶体的一面镀有对泵浦光和输出激光高反的膜层，另外一面镀有对泵浦光和输出激光高透的膜层，并且其厚度为0.2^0.4mm,直径为5 20mmo作为进一步优选地，所述矫正镜还配备有冷却元件，该冷却元件采用液体冲击冷却或半导体致冷技术来实现对矫正镜的冷却。按照本技术的基于拼接技术的紧凑型多碟片串接激光器与现有技术相比，主要具备以下的技术优点:1、通过采用拼接技术来将共轭设置的抛物面反射镜组装为多次泵浦单元，可以降低对泵浦光的准直特性及光斑形状的要求，使得泵浦光准直系统的设计难度得以降低，并能提高泵浦光的注入功率；2、通过对各组多次泵浦本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于拼接技术的紧凑型多碟片串接固体激光器，该激光器包括半导体激光器、泵浦光准直器、两组以上的多次泵浦单元，以及谐振腔输出单元，其特征在于：所述半导体激光器用于发射泵浦光，并经泵浦光准直器执行准直后入射至各自的多次泵浦单元；所述多次泵浦单元沿着与泵浦光入射方向相垂直的方向彼此拼接，它们各自分别包括沿着泵浦光入射方向共轭设置的第一抛物面反射镜和第二抛物面反射镜，其中：该第一抛物面反射镜具有第一通孔用于安装碟片激光晶体，所述第一通孔的位置对应于第二抛物面反射镜的焦点，所述碟片激光晶体的法线与光轴之间存在一定角度的安装夹角β，并且沿着多次泵浦单元拼接方向彼此相邻的碟片激光晶体的安装夹角β方向相反；该第二抛物面反射镜具有第二通孔，用于安装有矫正镜同时作为谐振腔激光传输的通道，所述第二通孔的位置对应于第一抛物面反射镜的焦点，所述矫正镜的法线与光轴相重合或存在一定角度的安装夹角α，其中各个多次泵浦单元中矫正镜与碟片激光晶体的安装夹角方向相反；对于彼此相邻的两组多次泵浦单元而言，其中一组多次泵浦单元的第一、第二抛物面反射镜之间的尺寸关系满足：两者左半部分的宽度相等，而前者右半部分的宽度与后者相比要大ΔH1；另外一组多次泵浦单元的第一、第二抛物面反射镜之间的尺寸关系满足：两者右半部分的宽度相等，而后者左半部分的宽度与前者相比要大ΔH2；所述ΔH1、ΔH2均大于一倍的光斑平移量且小于两倍的光斑平移量；所述谐振腔输出单元与所述激光晶体共同构成激光谐振腔，用于实现泵浦光的谐振放大并执行激光输出。...

【技术特征摘要】
1.一种基于拼接技术的紧凑型多碟片串接固体激光器，该激光器包括半导体激光器、泵浦光准直器、两组以上的多次泵浦单元，以及谐振腔输出单元，其特征在于: 所述半导体激光器用于发射泵浦光，并经泵浦光准直器执行准直后入射至各自的多次泵浦单元； 所述多次泵浦单元沿着与泵浦光入射方向相垂直的方向彼此拼接，它们各自分别包括沿着泵浦光入射方向共轭设置的第一抛物面反射镜和第二抛物面反射镜，其中: 该第一抛物面反射镜具有第一通孔用于安装碟片激光晶体，所述第一通孔的位置对应于第二抛物面反射镜的焦点，所述碟片激光晶体的法线与光轴之间存在一定角度的安装夹角β，并且沿着多次泵浦单元拼接方向彼此相邻的碟片激光晶体的安装夹角β方向相反； 该第二抛物面反 射镜具有第二通孔，用于安装有矫正镜同时作为谐振腔激光传输的通道，所述第二通孔的位置对应于第一抛物面反射镜的焦点，所述矫正镜的法线与光轴相重合或存在一定角度的安装夹角α，其中各个多次泵浦单元中矫正镜与碟片激光晶体的安装夹角方向相反； 对于彼此相邻的两组多次泵浦单元而言，其中一组多次泵浦单元的第一、第二抛物面反射镜之间的尺寸关系满足:两者左半部分的宽度相等，而前者右半部分的宽度与后者相比要大ΛΗ1 ;另外一组多次泵浦单元的第一、第二抛物面反射镜之间的尺寸关系满足:两者右半部分的宽度相等，而后者左半部分的宽度与前者相比要大八取；所述ΛΗ1、ΛΗ2均大于一倍的光斑平移量且小于两倍的光斑平移量； 所述谐振腔输出单元与所述激光晶体共同构成激光谐振腔，用于实现...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱广志，朱晓，朱长虹，郭飞，王海林，齐丽君，黄彦，李付广，许昌云，王文军，
申请(专利权)人：华中科技大学，武汉梅曼科技有限公司，
类型：实用新型
国别省市：