專利名稱：半導體泵浦的單模綠光激光器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種固體倍頻激光器，特別是涉及一種用半導體激光泵浦的單模大功率倍頻綠光激光器。
背景技術：
傳統上絕大部分固體激光器件和激光加工機均為燈泵浦的激光器。泵浦燈多為從紫外到紅外的連續寬光譜發光源，而激光介質，如Nd:YAG(滲釹離子釔鋁石榴石的簡稱)的吸收峰為560-600nm、720-770nm和780-820nm三個窄波段，因此，大量未被吸收的泵浦光會加熱Nd:YAG棒和泵浦腔體，使得Nd:YAG形成嚴重且不穩定的熱透鏡效應。縱向不穩定熱透鏡效應使激光產生多模，脈沖寬度展寬和功率不穩定；橫向熱透鏡效應使固體激光介質產生大的熱梯度，形成切向和徑向應力雙折射效應，使激光偏振態不穩定甚至退偏，導致激光輸出效率下降、功率降低和不穩定。此外，燈泵浦的效率低，需要大功率電源和大容量冷水機，溫控的起伏又造成激光輸出的不穩定。
近幾年來，隨著大功率半導體激光二極管列陣制造技術的日益成熟，使得半導體激光用作固體激光器的泵浦光源成為可能。半導體二極管列陣發射的激光光譜寬度為2.2nm，溫漂為0.25nm/℃，并可通過溫控把二極管激光光譜調到Nd:YAG最強吸收波段的中心光譜λc＝807.6±2nm，而在此波段Nd:YAG的吸收譜線寬度為2nm，即二極管激光泵浦光可被Nd:YAG全吸收。相比燈泵浦，激光二極管泵浦可大大降低Nd:YAG的熱透鏡效應和激光器的熱致不穩定性。同時，由于激光二極管泵浦效率高，節省了電源用電量，縮小了冷水機的容量，從而減小了激光整機的體積和重量。由于水溫控制精度可達到0.1℃，又大大提高了激光輸出的穩定性。
更進一步，伴隨著激光非線性晶體生長技術的發展，目前，全固態高功率固體激光器件及其在金屬打標、加工、晶圓片打標、切割、精細微加工、IC電路和元件修復、同位素分離、生物粒子探測、PCB(印刷線路板的簡稱)制造、TFT(液晶顯示器的簡稱)切割和激光演示等領域的應用發展極為迅速。據中國南方深圳的大族激光公司報道，該公司已發展了連續5-10W綠光、調Q 15-60W綠光和調Q 6W紫外固體激光器。但是，還未解決光束質量、穩定性和激光腔外光束調制問題。
另一方面，目前高功率諧波固體激光產品多數采用激光腔內倍頻技術。利用固體介質的熱透鏡效應或附加腔內插入透鏡，形成聚焦的高功率密度基波，作用在非線性諧波晶體上，產生高效率倍頻激光。這種方法結構簡單、工作穩定、諧波轉換效率高，可獲得高功率綠光輸出。但由于強聚焦作用，誘發了腔內大量高階模振蕩，使光束發散度增加，光束質量變差，一般M2＝10-20。所以，諧波激光在精細加工應用上受到一定限制。
發明內容
本實用新型的目的，是設計一種由半導體激光泵浦的單模倍頻綠光激光器，其輸出穩定，光束質量和倍頻效率高，工業應用性強，并且易于將激光輸出擴展到三倍頻的紫外波段。本實用新型的技術方案如下一種大功率半導體泵浦的單模綠光激光器，采用半導體激光泵浦，包括1064nm基波激光介質，光泵裝置，由包括平、凸鏡片組組成的激光諧振腔、調Q開關以及倍頻晶體，其特征在于在該激光諧振腔的平、凸鏡片組內還設有一對由鏡片2和鏡片3組成一擴孔望遠鏡的鏡片，連同該平、凸鏡片一起構成“Z”型腔結構，并且，所述擴孔望遠鏡的擴束端面向激光介質5，而其縮孔端則向著倍頻晶體8。由圖1可知，本實用新型綠光激光器包括固體激光介質5，由激光二極管構成的光泵裝置6，由鏡片1-4組成的激光諧振腔，調Q開關裝置7以及倍頻晶體8和起偏器9等組成。從激光二極管發出的光泵光耦合到激光介質5上，激光在諧振腔內受激放大，產生的高功率密度腔內基波作用到倍頻晶體8上，形成高功率高密度的倍頻綠光激光輸出。其中固體激光介質5采用的是能產生波長為1064nm激光的介質，因此通過倍頻就可以得到所需的綠光(532nm)輸出；光泵裝置6的光源采用激光二極管陣列10，包括九個半導體激光二極管，分成為三個線列陣，對稱環繞激光介質5；鏡片1、鏡片2、鏡片3和鏡片4組成的激光器諧振腔，如圖1所示，設計成“Z”型結構，分別是鏡片1為0°1064nm全反射凸鏡，鏡片2為15°1064nm全反射凹鏡，鏡片3為15°1064nm全反射和532nm高透射的凹鏡，鏡片4為0°1064nm，532nm雙色全反射平鏡。特點在于構成“Z”型腔中間斜臂光路的是鏡片2和鏡片3；位于諧振腔中的鏡片2和鏡片3構成一定倍率的擴孔望遠鏡，這樣的特殊腔結構可以很好地在很大的激光二極管光泵電流范圍(0-25A)內達到基模振蕩，提高光束質量；本實用新型中的擴孔望遠鏡的擴束端面向激光介質5，以增加基模體積；其縮孔端指向非線性晶體8，為準平行光束；倍頻晶體8設于鏡片3、4之間，是一種1064nm基波二倍頻晶體，在本發明中采用的是1類LBO，LBO放置在基波激光的光腰處，兩個垂直線偏振基波光子在LBO晶體中合成為一個水平線偏振二次諧波光子，從而用雙向雙程腔內倍頻方式得到高功率諧波激光，單向透過鏡片3輸出；調Q開關裝置7在本實用新型中采用的是高頻聲光衍射開關；起偏器9為垂直方向放置的57°平行玻璃平板，兩面不鍍膜；本實用新型在激光腔內設計了三個光腰，可兼容高功率二倍頻綠光和三倍頻紫外光產生。光腰的直徑也比通常的要小，因此，將二倍頻晶體放在基波光腰處，高功率密度基波將產生高轉換諧波效率。
本實用新型綠光激光器的積極效果有三點(1)由于采用擴束的腔體結構，可以平衡固體激光介質的熱透鏡效應，達到大尺度的基模振蕩，從而提高了激光光束質量；(2)本實用新型設計的擴束腔的擴束端面向固體激光介質，而縮孔端指向非線性倍頻晶體，從而可增加激光介質內的基模體積以及提高非線性晶體的倍頻效率；(3)由于本實用新型“Z”型腔內可設有三個光腰，因而可兼容高功率二倍頻綠光和三倍頻紫外光產生。
圖1是本實用新型半導體泵浦的單模綠光激光器的光路圖，圖2是本實用新型半導體泵浦的單模綠光激光器的半導體激光光泵腔體結構示意圖。
附圖中各圖例標記分別表示如下的意思1----鏡片 2----鏡片3----鏡片 4----鏡片5----激光介質 6----光泵裝置7----調Q開關 8----倍頻晶體9----起偏器10----激光二極管陣列 11----Nd:YAG棒具體實施方式
下面結合實施例對本實用新型半導體泵浦的單模綠光激光器的光路原理圖作進一步的說明由圖1可知，本實施例半導體泵浦的單模綠光激光器包括固體激光介質5，由激光二極管構成的光泵8等組成。從激光二極管發出的光泵光耦合到激光介質5上，激光在裝置6，由鏡片1-4組成的激光諧振腔，調Q開關裝置7以及倍頻晶體諧振腔內受激放大，產生的高功率密度腔內基波作用到倍頻晶體8上，形成高功率高密度的倍頻綠光激光輸出。下面對各部件作進一步的詳述
固體激光介質5在本實施例中采用的是能產生波長為1064nm激光的介質，因此通過倍頻就可以得到所需的綠光(532nm)輸出。本實施例中，激光介質5采用的是Nd:YAG棒11，其中Nd的濃度為0.6％，棒的尺寸為Φ2mm×63mm，并且在Nd:YAG棒11的兩端面鍍有1064nm的增透膜。
光泵裝置6的光源采用激光二極管陣列10，在本實施例中，激光二極管陣列10包括九個連續功率為17W的半導體激光二極管，分成為三個線列陣，對稱環繞Nd:YAG棒11，其總功率可達153W。圖2顯示的是本激光光泵腔的結構實例。
本實施例激光器的諧振腔由鏡片1-4組成，并且，如圖1所示，設計成“Z”型結構。在本實施例中，鏡片1為0°1064nm全反射凸鏡，鏡片2為15°1064nm全反射凹鏡，鏡片3為15°1064nm全反射和532nm高透射的凹鏡，鏡片4為0°1064nm，532nm雙色全反射平鏡。特別指出的是構成“Z”型腔中間斜臂光路的鏡片2、3組成一個擴縮望遠鏡，其擴孔端面向激光介質5，而其縮孔端則面向倍頻晶體8。
位于諧振腔中的鏡片2和鏡片3構成一定倍率的擴孔望遠鏡，這樣的特殊腔結構可以很好地在很大的激光二極管光泵電流范圍(0-25A)內達到基模振蕩，提高光束質量，使TEM模在激活介質內的直徑達到φ1.87mm，幾乎充滿直徑φ2mm的Nd:YAG棒11。綠光光束的M平方因子為1.14。而國際同類商用激光器的M平方因子一般在4-10，光束質量提高4-8倍。
本實施例中的擴孔望遠鏡的擴孔端面向激光介質5，以增加基模體積；其縮孔端指向倍頻晶體8，為準平行光束，光束直徑為φ0.6mm，發散角為2.2mrd，在倍頻晶體8上的基波功率密度是通常商用同類器件的2倍，基波對倍頻晶體8的入射角遠小于通常聚焦光束或光腰光束對倍頻晶體8的入射角，使倍頻效率高達90％，比通常的腔內倍頻效率高50％。
倍頻晶體8設于鏡片3、4之間，是一種1064nm基波二倍頻晶體，在本實施例中采用的是1類LBO，按θ＝90°，＝11.4°切割，尺寸為4mm×4mm×12mm(HWL)，兩端面鍍1064nm和532nm增透膜。LBO放置在基波激光的光腰處，兩個垂直線偏振基波光子在LBO晶體中合成為一個水平線偏振二次諧波光子，從而用雙向雙程腔內倍頻方式得到高功率諧波激光，單向透過鏡片3輸出。LBO按室溫25℃匹配切割，需冷卻、溫控。
本實施例的倍頻晶體8采用LBO，在高功率密度基波作用下，有很高的倍頻轉換效率，且其損傷閾值是KTP的5倍，對光的吸收比KTP小一倍，有利于提高綠光的穩定性。
調Q開關裝置7在本實施例中采用的是高頻聲光衍射開關，其射頻功率40W，頻率范圍27-51MHz，射頻阻抗為50歐姆。
起偏器9為垂直方向放置的57°平行玻璃平板，兩面不鍍膜。
本實施例在激光腔內設計了三個光腰，可兼容高功率二倍頻綠光和三倍頻紫外光產生。光腰的直徑也比通常的要小，因此，將二倍頻晶體放在基波光腰處，高功率密度基波將產生高轉換諧波效率。
權利要求1.一種半導體泵浦的單模綠光激光器，采用半導體激光泵浦，包括1064nm基波激光介質、光泵裝置，由包括平、凸鏡片組組成的激光諧振腔、調Q開關裝置以及倍頻晶體，其特征在于在該激光諧振腔的平、凸鏡片組內還設有一對鏡片[2]和鏡片[3]組成一擴孔望遠鏡的鏡片，連同該組平、凸鏡片一起構成“Z”型腔結構，并且，所述擴孔望遠鏡的擴束端面向激光介質[5]，而其縮孔端則向著倍頻晶體[8]。
2.根據權利要求1所述的半導體泵浦的單模綠光激光器，其特征在于所述的包括平、凸鏡片組組成的激光諧振腔內構成的“Z”型腔結構可設有三個光腰。
3.根據權利要求1所述的半導體泵浦的單模綠光激光器，其特征在于所述兩擴孔望遠鏡鏡片[2]和鏡片[3]之間形成所述“Z”型腔中間斜臂光路，其中鏡片[2]為鍍1064nm全反射凹鏡，鏡片[3]為鍍1064nm全反射和鍍532nm高透射凹鏡。
4.根據權利要求1所述的半導體泵浦的單模綠光激光器，其特征在于所述的光泵裝置包括九個半導體激光二極管，分成三個激光二極管陣列[10]，對稱環繞激光介質[5]。
5.根據權利要求1所述的半導體泵浦的單模綠光激光器，其特征在于所述倍頻晶體[8]是1類LBO。
6.根據權利要求1所述的半導體泵浦的單模綠光激光器，其特征在于所述倍頻晶體[8]位于諧振腔內激光基波的光腰處。
專利摘要本實用新型公開了一種大功率半導體泵浦單模倍頻綠光激光器，采用半導體激光泵浦，包括1064nm基波激光介質，光泵裝置，由平、凸鏡片組組成的激光諧振腔、調Q開關裝置以及倍頻晶體，其中，在該平、凸鏡片組組成的諧振腔內還設有一對組成一擴孔望遠鏡的鏡片，連同該平、凸鏡片組一起構成“Z”型腔結構，并且，所述擴孔望遠鏡的擴束端面向激光介質，而其縮孔端則向著倍頻晶體，本實用新型的積極效果可以提高激光光束質量、提高非線性晶體的倍頻效率，還可兼容高功率二倍頻綠光和三倍頻紫外光產生。
文檔編號H01S3/0941GK2833967SQ20052004190
公開日2006年11月1日 申請日期2005年5月26日 優先權日2005年5月26日
發明者金英杰, 施偉 申請人:上海致凱捷激光科技有限公司