專利名稱：單模調(diào)q固體激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種可變輸出功率范圍的單模調(diào)Q固體激光器。
背景技術(shù)：
近幾年來，隨著激光加工產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，激光加工已滲透進(jìn)各 種領(lǐng)域，而對不同的被加工材料，需求的激光功率是不同的，例如， 金屬材料需要較大的激光平均功率來加工；而薄膜材料需要較小平均 功率且是單模的激光來加工。對于普通的單模固體激光器由于受限于 激光介質(zhì)產(chǎn)生的熱透鏡效應(yīng)的影響，其穩(wěn)定輸出單模激光的功率范圍 是有限的。例如，在所有器件不變的情況下，單一10W輸出功率的腔 型可能只能滿足0-6W的單模輸出，而6-10W就變成了非單模輸出； 在器件不變的情況下，通過另外一個IOW輸出功率的腔形可能只能滿 足4-10W的單模輸出，而0-4W就變成了非單模輸出。因?yàn)樵趥鹘y(tǒng)的 固體激光設(shè)計(jì)中無法避免以上的問題，所以，在加工不同的材料時， 用戶通常需要兩臺激光器， 一臺大功率的單模固體激光器進(jìn)行金屬加 工，另外一臺小平均功率單模的激光來加工薄膜材料。這樣，加大了 客戶的購買負(fù)擔(dān)，也浪費(fèi)了資源。
美國Coherent公司的US6115402專利中采用了隨光軸方向移動 后腔鏡來實(shí)現(xiàn)激光的熱透鏡補(bǔ)償，達(dá)到保證基頻激光輸出尺寸不變的目的。其優(yōu)點(diǎn)在于在泵浦源功率變化時，通過后腔鏡的移動補(bǔ)償， 可實(shí)時保證基頻激光輸出尺寸不變。
但其缺點(diǎn)在于l.后腔鏡是單一的，只能是單一的曲率半徑；2.
隨光軸方向移動要求對光的準(zhǔn)確度，機(jī)械移動裝置的精度都非常高，
即對生產(chǎn)工藝的要求很高；3.由于隨光軸方向移動要求各方面的精
確度很高，其后腔鏡只能選用平鏡或凹鏡來弱化腔的敏感度，從而限 制了腔形的設(shè)計(jì)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所欲解決的技術(shù)問題是通過在腔形設(shè)計(jì)中的綜合考慮，對 傳統(tǒng)的固體激光器中多加入一個鏡片和一個移動裝置，做出一種可變 輸出功率范圍的單模固體激光器。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是 一種單模調(diào)Q固體 激光器，包括激光輸出端鏡、Q開關(guān)、可調(diào)節(jié)輸出功率大小的泵浦 模塊、 一機(jī)械滑臺、第一種諧振腔的端面全反鏡及第二種諧振腔的端 面全反鏡，其中，激光輸出端鏡、Q開關(guān)、泵浦模塊及第一種諧振腔 的端面全反鏡組成第一種激光諧振腔；激光輸出端鏡、Q開關(guān)、泵浦 模塊及第二種諧振腔的端面全反鏡組成第二種激光諧振腔；所述機(jī)械 滑臺搭載第二種諧振腔的端面全反鏡移進(jìn)腔內(nèi)和移出腔外，可實(shí)現(xiàn)第 二種激光諧振腔和第一種激光諧振腔的轉(zhuǎn)換，且第一種激光諧振腔和 第二種激光諧振腔的激光輸出穩(wěn)定區(qū)在激光熱透鏡可變范圍內(nèi)形成 互補(bǔ)。
其中，所述第一種激光諧振腔和第二種激光諧振腔在激光晶體上的模體積一致。
其中，第一種激光諧振腔與第二種激光諧振腔在前腔鏡位置上的 腔內(nèi)激光振蕩尺寸一致。
其中，泵浦模塊所使用的固體激光介質(zhì)為Nd: YAG、 Nd:YV04、 Nd:YLF、 Nd: Glass、 Yb: YAG或Er: YAG。
其中，Q開關(guān)為聲光開關(guān)、電光開關(guān)或飽和激收型被動Q開關(guān)。 其中，泵浦模塊里采用的泵浦光源為半導(dǎo)體激光二極管端面泵 浦、二極管側(cè)面泵浦、氪燈、或氙燈側(cè)面泵浦。
其中，所述機(jī)械滑臺是自動控制移動的、或手動控制移動的。 本發(fā)明通過在腔形設(shè)計(jì)中的綜合考慮，對傳統(tǒng)的固體激光器中多 加入一個鏡片和一個移動裝置，便實(shí)現(xiàn)了拓展單模輸出功率范圍的目 的，使得一臺激光器便可加工傳統(tǒng)兩臺激光器加工的材料范圍，達(dá)到 拓展單模輸出功率范圍的目的，本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)是1.后腔鏡是非單一 的，可以采用不同的曲率半徑鏡片充當(dāng)后腔鏡；2.鏡片移動方式是 垂直于光軸，只要事先調(diào)好，對腔型敏感度和移動裝置的精度要求低， 且生產(chǎn)工藝簡單；3.由于要求各方面的精確度不高，其后腔鏡可選用 平鏡凹鏡或凸鏡等各種曲率半徑的鏡片，對腔形的設(shè)計(jì)沒有太多限 制。


下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。
圖1為本發(fā)明激光器原理示意圖2為本發(fā)明激光器隨熱透鏡變化的穩(wěn)區(qū)示意圖；圖3為本發(fā)明激光器腔內(nèi)振蕩示意圖4為本發(fā)明激光器的兩個腔型的實(shí)際泵浦源電流與激光輸出 功率曲線；
圖5為本發(fā)明激光器輸出激光光場圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明涉及一種可變輸出功率范圍的單模調(diào)Q固體激光器，原理 示意圖如圖1所示，其包括激光輸出端鏡1、 Q開關(guān)2、可調(diào)節(jié)輸 出功率大小的泵浦模塊3、高精度的機(jī)械滑臺4;第二種諧振腔的端
面全反鏡5、第一種諧振腔的端面全反鏡6，其中，激光輸出端鏡l、 Q開關(guān)2、泵浦模塊3及第一種諧振腔6的端面全反鏡組成第一種激 光諧振腔；激光輸出端鏡1、 Q開關(guān)2、泵浦模塊3及第二種諧振腔 的端面全反鏡5組成第二種激光諧振腔；。
其中，高精度的機(jī)械滑臺4是自動控制移動的、或手動控制移動 的機(jī)械結(jié)構(gòu)，其作用是搭載第二種諧振腔的端面全反鏡5在腔內(nèi)和腔 外兩個位置移動。
第一種激光諧振腔與第二種激光諧振腔在前腔鏡位1置上的腔 內(nèi)激光振蕩尺寸一致。
所述泵浦模塊3所使用的固體激光介質(zhì)為Nd: YAG、 Nd:YV04、 Nd:YLF、 Nd: Glass、 Yb: YAG或Er: YAG，且泵浦模塊3里采用的泵 浦光源為大功率半導(dǎo)體激光二極管端面泵浦、二極管側(cè)面泵浦、氪燈、 或氙燈側(cè)面泵浦。
所述Q開關(guān)2為聲光開關(guān)、電光開關(guān)或飽和激收型被動Q開關(guān)。首先，根據(jù)可調(diào)節(jié)輸出功率大小的泵浦模塊3的特性利用矩陣光 學(xué)原理設(shè)計(jì)出第一種單模輸出激光諧振腔，其結(jié)構(gòu)由激光輸出端鏡l;
Q開關(guān)2;可調(diào)節(jié)輸出功率大小的泵浦模塊3;第一種諧振腔的端面
全反鏡6組成。
其次，再根據(jù)可調(diào)節(jié)輸出功率大小的泵浦模塊3的特性利用矩陣 光學(xué)原理設(shè)計(jì)出第二種單模輸出激光諧振腔，第二種單模輸出激光諧 振腔的設(shè)計(jì)要求是不改變激光輸出端鏡1的曲率和與可調(diào)節(jié)輸出功
率大小的泵浦模塊3的距離；不改變Q開關(guān)2;不改變可調(diào)節(jié)輸出功
率大小的泵浦模塊3的前提下，要求第二種單模輸出激光諧振腔的激
光輸出穩(wěn)定區(qū)在激光熱透鏡可變范圍內(nèi)與第一種單模輸出激光諧振 腔互補(bǔ)。
如圖2所示，圖2中x軸為熱透鏡焦距，y軸為腔穩(wěn)定性系數(shù)， 實(shí)線為第一種單模輸出激光諧振腔的激光輸出穩(wěn)定區(qū)，虛線為第二種 單模輸出激光諧振腔的激光輸出穩(wěn)定區(qū)，同時由于第二種單模輸出激 光諧振腔的激光輸出穩(wěn)定區(qū)比第一種單模輸出激光諧振腔的激光輸 出穩(wěn)定區(qū)所在的熱透鏡焦距更短，所以第二種單模輸出激光諧振腔可 以接收更高的泵浦功率，即最終的輸出功率也會更高。
在設(shè)計(jì)第二種單模輸出激光諧振腔還需要考慮端面全反射鏡5 距離可調(diào)節(jié)輸出功率大小的泵浦模塊3的距離應(yīng)該小于第一種單模 輸出激光諧振腔端面全反射鏡4距離可調(diào)節(jié)輸出功率大小的泵浦模 塊3的距離。當(dāng)需要普通功率輸出時，由第一種單模輸出激光諧振腔 產(chǎn)生激光輸出。當(dāng)需要更高的激光輸出功率時，由高精度機(jī)械滑臺4 搭載端面全反鏡5移動進(jìn)腔內(nèi)，由于端面全反鏡5具有達(dá)到99. 8%反射率，所以當(dāng)端面全反鏡5移入腔內(nèi)時，端面全反鏡6就被自動屏 蔽了，即第二種單模輸出激光諧振腔形成時，第一種單模輸出激光諧 振腔就被自動屏蔽了。如需要普通功率時，高精度機(jī)械滑臺4搭載端 面全反鏡5移動到腔外，便又形成了第一種單模輸出的激光諧振腔形 型。
兩種單模輸出激光諧振腔的腔內(nèi)激光振蕩軌跡如圖3所示，圖3 中10為第一種單模輸出激光諧振腔后腔鏡位置；2 0為第二種單模 輸出激光諧振腔后腔鏡位置；3 0為激光晶體位置；4 0為前腔鏡位 置。實(shí)線為第一種單模輸出激光諧振腔的腔內(nèi)激光振蕩軌；虛線為第 二種單模輸出激光諧振腔的腔內(nèi)激光振蕩軌跡。
圖中可看出，第一種激光諧振腔與第二種激光諧振腔在設(shè)計(jì)上實(shí) 現(xiàn)在30激光晶體上的模體積是一致，目的在于用同一個泵浦源可以 實(shí)現(xiàn)這兩個激光諧振腔的單模輸出；同時，對于第一種激光諧振腔與 第二種激光諧振腔在設(shè)計(jì)上實(shí)現(xiàn)在4 O前腔鏡位置上的腔內(nèi)激光振蕩 尺寸基本一致，達(dá)到輸出激光的尺寸基本一致的目的。
通過以上設(shè)計(jì)，我們得到了兩個腔型的實(shí)際泵浦源電流與激光輸 出功率曲線如圖4所示，工作調(diào)Q重復(fù)頻率為30kHz，實(shí)線為第一種 激光諧振腔，隨著泵浦源電流從15A到33A，激光單模輸出功率從OW 到6W，當(dāng)泵浦源電流大于33A時，第一種激光諧振腔進(jìn)入非穩(wěn)腔， 輸出功率隨電流上升反而下降，同時模式變成多模；虛線為第二種激 光諧振腔，隨著泵浦源電流從28A到32A，激光輸出多模，功率從OW 到5.8W，且功率上升陡峭，輸出不穩(wěn)定，當(dāng)泵浦源電流從32A到40A 時，激光出現(xiàn)單模輸出，功率從5.8W到12W，功率穩(wěn)定。最后通過本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了泵浦源電流從15A到40A,激光功率從0W到12W的連 續(xù)單模輸出。
輸出激光光場如圖5所示，圖為本發(fā)明激光器在30kHz的Q頻率， 37A的泵浦源電流，10W的激光輸出功率的條件下，采用光場分布儀 測量的輸出激光橫截面的能量分布三維圖。此圖說明本發(fā)明激光器輸 出激光的光場為單模高斯分布，即為TEM。。模。
本發(fā)明是在采用同一個可調(diào)節(jié)輸出功率大小的泵浦模塊和同一 個輸出腔鏡的條件下，利用矩陣光學(xué)原理設(shè)計(jì)出兩個激光輸出穩(wěn)定區(qū) 在激光熱透鏡可變范圍內(nèi)互補(bǔ)的激光諧振腔，同時，這兩個激光諧振 腔的區(qū)別只在于相對于激光工作物質(zhì)的非輸出鏡的一端的腔長和全 反射鏡曲率的不同。最后通過高精度機(jī)械滑臺搭載全反射鏡移動實(shí)現(xiàn) 這兩個激光諧振腔的互換，達(dá)到保證激光輸出單模的情況下，加寬輸 出功率范圍的目的。
本發(fā)明通過在腔形設(shè)計(jì)中的綜合考慮，對傳統(tǒng)的固體激光器中多 加入一個鏡片和一個移動裝置，便實(shí)現(xiàn)了拓展單模輸出功率范圍的目 的，使得一臺激光器便可加工傳統(tǒng)兩臺激光器加工的材料范圍，達(dá)到 拓展單模輸出功率范圍的目的，本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)是1.后腔鏡是非單一 的，可以采用不同的曲率半徑鏡片充當(dāng)后腔鏡；2.鏡片移動方式是 垂直于光軸，只要事先調(diào)好，對腔型敏感度和移動裝置的精度要求低， 且生產(chǎn)工藝簡單；3.由于要求各方面的精確度不高，其后腔鏡可選用 平鏡凹鏡或凸鏡等各種曲率半徑的鏡片，對腔形的設(shè)計(jì)沒有太多限 制。
權(quán)利要求
1. 一種單模調(diào)Q固體激光器，包括激光輸出端鏡、Q開關(guān)、可調(diào)節(jié)輸出功率大小的泵浦模塊，其特征在于，還包括一機(jī)械滑臺、第一種諧振腔的端面全反鏡及第二種諧振腔的端面全反鏡，其中，激光輸出端鏡、Q開關(guān)、泵浦模塊及第一種諧振腔的端面全反鏡組成第一種激光諧振腔；激光輸出端鏡、Q開關(guān)、泵浦模塊及第二種諧振腔的端面全反鏡組成第二種激光諧振腔；所述機(jī)械滑臺搭載第二種諧振腔的端面全反鏡移進(jìn)腔內(nèi)和移出腔外，可實(shí)現(xiàn)第二種激光諧振腔和第一種激光諧振腔的轉(zhuǎn)換，且第一種激光諧振腔和第二種激光諧振腔的激光輸出穩(wěn)定區(qū)在激光熱透鏡可變范圍內(nèi)形成互補(bǔ)。
2. 如權(quán)利要求1所述的單模調(diào)Q固體激光器，其特征在于所述第一種激光諧振腔和第二種諧振腔在激光晶體上的模體積一致。
3. 如權(quán)利要求1所述的單模調(diào)Q固體激光器，其特征在于第一種激光諧振腔與第二種激光諧振腔在前腔鏡位置上的腔內(nèi)激光振蕩 尺寸一致。
4. 如權(quán)利要求1所述的單模調(diào)Q固體激光器，其特征在于泵浦模塊所使用的固體激光介質(zhì)為Nd: YAG、 Nd:YV04、 Nd:YLF、 Nd: Glass、 Yb: YAG或Er: YAG。
5. 如權(quán)利要求1所述的單模調(diào)Q固體激光器，其特征在于Q開關(guān) 為聲光開關(guān)、電光開關(guān)或飽和激收型被動Q開關(guān)。
6. 如權(quán)利要求1所述的單模調(diào)Q固體激光裙，其特征在于泵浦模 塊里采用的泵浦光源為半導(dǎo)體激光二極管端面泵浦、二極管側(cè)面泵浦、氪燈、或氙燈側(cè)面泵浦。
7.如權(quán)利要求1所述的單模調(diào)Q固體激光器，其特征在于所述機(jī) 械滑臺是自動控制移動的、或手動控制移動的。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種可變輸出功率范圍的單模調(diào)Q固體激光器，可變輸出功率范圍的單模固體激光器是在采用同一個可調(diào)節(jié)輸出功率大小的泵浦源，同一個激光工作物質(zhì)和同一個輸出腔鏡的條件下，利用矩陣光學(xué)原理設(shè)計(jì)出兩個激光輸出穩(wěn)定區(qū)在激光熱透鏡可變范圍內(nèi)互補(bǔ)的激光諧振腔，同時，這兩個激光諧振腔的區(qū)別只在于相對于激光工作物質(zhì)的非輸出鏡的一端的腔長和全反射鏡不同。最后通過高精度機(jī)械滑臺搭載全反射鏡移動實(shí)現(xiàn)這兩個激光諧振腔的互換，達(dá)到保證激光輸出單模的情況下，加寬輸出功率范圍的目的。
文檔編號H01S3/16GK101483311SQ200910105228
公開日2009年7月15日 申請日期2009年1月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月22日
發(fā)明者波 劉, 周宇超, 鄭珺暉, 麗 郭, 陳莉英, 高云峰 申請人:深圳市大族激光科技股份有限公司