專利名稱：二極管泵浦腔內(nèi)三次諧波全固態(tài)紫外激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于激光技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，具體涉及到一種二極管泵浦腔內(nèi)三次諧波全固態(tài)
紫外激光器。
背景技術(shù)：
隨著光、機(jī)電、材料、計(jì)算機(jī)、控制技術(shù)的發(fā)展，激光加工技術(shù)已經(jīng)逐步發(fā)展成為一
項(xiàng)新的加工技術(shù)。激光加工具有加工對(duì)象廣、變形小、精度高、節(jié)省能源、公害小、遠(yuǎn)距離加
工、自動(dòng)化加工等顯著優(yōu)點(diǎn)，對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量和勞動(dòng)生產(chǎn)率、實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程自動(dòng)化、消除污
染、減少材料消耗等的作用愈來(lái)愈重要，因此受到了世界各國(guó)的高度重視。 按照電磁譜來(lái)劃分，可以定義三個(gè)工作區(qū)域的激光源紅外激光(如10. 6 ii m和
1064nm等)、可見激光(如532nm等)和紫外激光(如355nm等)。目前絕大多數(shù)工業(yè)用激
光源屬于紅外和可見光部分，而很少用紫外激光源。 實(shí)際上紫外激光具有非常優(yōu)異的性能特點(diǎn)相比于其它兩種激光源，紫外的波長(zhǎng) 更短，可以聚焦成更小的光斑，進(jìn)行精細(xì)的加工；單光子能量大，紫外激光直接打破材料分 子化學(xué)鍵，避免了加工材料的熱效應(yīng)，屬于"冷加工"；且?guī)缀跛胁牧隙寄芪兆贤夤?，?工材料范圍寬。因此是對(duì)激光加工有更高要求的用戶的理想產(chǎn)品。 然而要使紫外激光器真正廣泛應(yīng)用于激光加工行業(yè)，需要解決以下幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn) 題 1、穩(wěn)定可靠。紫外的產(chǎn)生對(duì)光路的穩(wěn)定性要求極高，光路細(xì)微的偏差或抖動(dòng)都能 導(dǎo)致諧波轉(zhuǎn)換效率的降低。因此目前大部分的紫外激光產(chǎn)品還很難達(dá)到工業(yè)加工產(chǎn)品可靠 性的要求； 2、轉(zhuǎn)換效率高。由于缺乏直接產(chǎn)生紫外激光的激光介質(zhì)，目前的方法基本上是通 過(guò)對(duì)基波進(jìn)行倍頻或和頻的方式獲得諧波分量，從而產(chǎn)生紫外激光。提高諧波轉(zhuǎn)換效率是 必須面臨的問(wèn)題； 3、性價(jià)比高。為了獲得高的轉(zhuǎn)換效率，需要有大的光功率密度，這就要求光學(xué)元器 件有更高的損失閾值。而為了提高損傷閾值，對(duì)光學(xué)材料的加工、鍍膜材料和鍍膜技術(shù)都會(huì) 提出更高的要求，從而會(huì)極大地提高制造成本。目前國(guó)外的紫外激光器在穩(wěn)定可靠性方面 已做得不錯(cuò)，具有較好的性能，但價(jià)格昂貴，且售后服務(wù)不盡人意，時(shí)間無(wú)法保證，很難說(shuō)有 高的性價(jià)比，使許多潛在用戶感到無(wú)奈。 4、結(jié)構(gòu)緊湊，小型化，使用方便，與其它兩波段激光源的使用應(yīng)一致，不需要對(duì)現(xiàn) 有的激光加工操作人員進(jìn)行額外的培訓(xùn)。 為此我們?cè)O(shè)計(jì)了一套二極管泵浦的腔內(nèi)三次諧波的全固態(tài)紫外激光器系統(tǒng)。它具 有高的轉(zhuǎn)換效率(總的光_光轉(zhuǎn)換效率約為14% )、穩(wěn)定可靠(檢調(diào)周期>半年)、結(jié)構(gòu)緊 湊小巧(諧振腔外觀尺寸約為270mmX 190mmX85mm)、性價(jià)比高(相比國(guó)外同級(jí)別產(chǎn)品便宜 1/3 1/2左右)，具有廣闊的市場(chǎng)前景。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于設(shè)計(jì)一種小型化，轉(zhuǎn)換效率高，穩(wěn)定可靠，使用方便和性價(jià)比高的全固態(tài)紫外激光器。 本發(fā)明設(shè)計(jì)的全固態(tài)紫外激光器，采用折疊腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，用一個(gè)二極管激光器端泵一塊激光增益介質(zhì)晶體，通過(guò)腔內(nèi)倍頻及和頻的方式得到紫外激光輸出。具體結(jié)構(gòu)由三
塊反射鏡構(gòu)成折疊諧振腔，折疊腔的一臂由一個(gè)Q開關(guān)構(gòu)成，另一臂由一個(gè)二次諧波晶體、
一個(gè)三次諧波晶體及一個(gè)輸出鏡片組構(gòu)成(參見附1)。 本發(fā)明中，泵浦光源是一個(gè)激光二極管，或激光二極管陣列，或光纖耦合傳輸?shù)募す舛O管。泵浦光經(jīng)準(zhǔn)直聚焦后透過(guò)反射鏡M1進(jìn)入激光增益介質(zhì)。激光增益介質(zhì)采用Nd低摻雜的激光晶體，如Nd: YV04、Nd: YAG、Nd: YLF或Nd:GdV04，也可采用把一塊激光晶體和一塊或兩塊純的非摻雜同質(zhì)基底材料通過(guò)鍵合技術(shù)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)固結(jié)合的鍵合晶體，用以提高系統(tǒng)的熱穩(wěn)定性。激光晶體端面鍍有對(duì)泵浦光和基頻光的增透膜，其橫截面尺寸約為激光光斑直徑的4 8倍。反射鏡M1、M2和M3構(gòu)成折疊諧振腔，其中Ml在泵浦光波長(zhǎng)附近高透，在基波波長(zhǎng)附近高反(S偏振)；M3在二次諧波波長(zhǎng)附近高反；M2在基波、二次諧波及三次諧波三波長(zhǎng)附近高反。輸出鏡M4和M5構(gòu)成紫外激光輸出鏡組，其中M4在基波波長(zhǎng)附近高透(S偏振)，在二次諧波波長(zhǎng)附近高反(P偏振)和三次諧波波長(zhǎng)附近高反(S偏振)，M5在二次諧波波長(zhǎng)附近高反，在三次諧波波長(zhǎng)附近高透。本激光器結(jié)構(gòu)中(參見附2)，臂Ll+L2與臂L3長(zhǎng)度基本相等，即激光晶體處于諧振腔的中間位置附近。在臂L3上分別裝由二次諧波晶體SHG和三次諧波晶體THG，其中SHG為I類非線性光學(xué)晶體，靠近反射鏡M2端；THG為II類非線性光學(xué)晶體，靠近激光晶體端。SHG和THG晶體的兩端均鍍有基波、二次諧波及三次諧波三波長(zhǎng)增透膜。在臂Ll上裝有Q開關(guān)，可以為聲光調(diào)制Q開關(guān)，也可以為電光調(diào)制Q開關(guān)，或吸收型被動(dòng)調(diào)制Q開關(guān)。 本發(fā)明設(shè)計(jì)的全固態(tài)紫外激光器的工作原理如下(參見附3) :二極管激光器輸出的泵浦激光經(jīng)準(zhǔn)直聚焦后進(jìn)入激光晶體，由于泵浦激光波長(zhǎng)處于Nd摻雜的激光增益介質(zhì)的吸收峰，激光晶體吸收泵浦光后受激輻射，經(jīng)過(guò)激光諧振腔鏡Ml、 M2和M3的選模作用，產(chǎn)生高光束質(zhì)量的線偏振(S偏振)基頻光。由于Q開關(guān)的作用，得到很高峰值功率的基頻光脈沖。線偏振的基頻脈沖光經(jīng)過(guò)SHG非線性光學(xué)晶體時(shí)，產(chǎn)生垂直基波偏振態(tài)(P偏振)的二次諧波綠光脈沖。相互垂直偏振態(tài)的綠光脈沖和剩余的基波脈沖在THG非線性光學(xué)晶體內(nèi)發(fā)生和頻，產(chǎn)生偏振態(tài)與基波偏振態(tài)一致(S偏振)的三次諧波紫外激光脈沖。輸出鏡M4把二次諧波綠光脈沖和三次諧波紫外脈沖反射出諧振光路，其中紫外光脈沖透過(guò)輸出鏡M5，得到所需的紫外激光輸出，而綠光脈沖則被M5反射回激光諧振光路中，使其在M5和M2之間往返傳輸，這樣增加了二次諧波綠光脈沖與基波脈沖發(fā)生作用的時(shí)間，從而提高基波脈沖與綠光脈沖和頻產(chǎn)生紫外脈沖的轉(zhuǎn)換效率。注意到這里基波、二次諧波和三次諧波之間的相互作用其實(shí)是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程?；ㄔ赟HG晶體內(nèi)倍頻產(chǎn)生二次諧波時(shí)，是要消耗掉一部分基波光功率。而剩余的那部分基波與二次諧波在THG晶體內(nèi)和頻產(chǎn)生三次諧波時(shí)，會(huì)進(jìn)一步消耗剩余的那部分基波光功率。然而一方面由于泵浦光功率是一定的，腔內(nèi)基波總的光功率就會(huì)有一定限度；另一方面為了維持腔內(nèi)基波振蕩，就需要保證剩余有一定的基波光功率。因此如果不進(jìn)行一定的處理，會(huì)很難提高三次諧波的轉(zhuǎn)換效率。因此控制腔內(nèi)基波和二次諧波之間光功率的比率關(guān)系，成為提高三次諧波轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵。本發(fā)明就是根據(jù)這種思路，通過(guò)對(duì)SHG晶體的溫度控制和Q開關(guān)的重復(fù)率調(diào)節(jié)，首先適當(dāng)降低基波到 二次諧波的轉(zhuǎn)換率，降低二次諧波光功率所占比重，同時(shí)相應(yīng)地提高基波光功率所占比重， 然后關(guān)鍵點(diǎn)就是通過(guò)鏡片M5的設(shè)置，把二次諧波綠光脈沖反射會(huì)振蕩光路，盡可能提高二 次諧波的利用率，最終達(dá)到提高三次諧波的轉(zhuǎn)換效率的目的。本發(fā)明的泵浦光到基頻光的 轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到50%以上，基波到二次諧波的轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到80%以上，二次諧波到三次 諧波的轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到60%以上。 本發(fā)明設(shè)計(jì)的全固態(tài)紫外激光器具有轉(zhuǎn)換效率高、體積小巧、穩(wěn)定可靠、使用方便 和性價(jià)比高等特點(diǎn)。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)圖示。 圖2為激光振蕩腔的腔長(zhǎng)標(biāo)注圖示。 圖3為激光偏振圖示 圖中標(biāo)號(hào)M1、M2、M3、M4、M5為平平鏡，DP為二極管泵浦源，LS為泵浦光準(zhǔn)直聚焦 鏡，LM為激光晶體，Q-SWITCH為Q開關(guān)，SHG為二次諧波晶體，THG為三次諧波晶體。
具體實(shí)施例方式
根據(jù)圖1所示，本全固態(tài)紫外激光器由諧振反射鏡M3、 Q開關(guān)、諧振反射鏡M1、激 光增益介質(zhì)晶體、紫外輸出鏡組M4和M5、三次諧波晶體、二次諧波晶體及諧振反射鏡M2依 次排列而成。下面結(jié)合圖1對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步的說(shuō)明
1、用準(zhǔn)直光仔細(xì)調(diào)節(jié)諧振反射鏡M1和M3，用20X基波輸出耦合鏡代替M3?？刹?用He-Ne激光器作準(zhǔn)直光源。 2、安裝激光增益介質(zhì)晶體，盡量使其入射面與光路垂直。同時(shí)調(diào)節(jié)二極管激光器 泵浦光，使泵浦聚焦光盡量位于激光增益介質(zhì)晶體的中心。 3、先用小泵浦功率的光，略大于振蕩閾值就行，微調(diào)諧振腔反射鏡架(Ml、 M3和 20%基波輸出耦合鏡)，輸出基波激光。然后可調(diào)到最大泵浦光(100%)，繼續(xù)微調(diào)反射鏡 架，獲最大基波激光輸出。最后調(diào)節(jié)泵浦光的準(zhǔn)直聚焦鏡LS，獲得最佳的基波連續(xù)波激光輸 出。這樣對(duì)激光諧振腔的調(diào)節(jié)基本完成。 4、安裝Q開關(guān)，調(diào)節(jié)其位置和角度，使其達(dá)到最佳鎖光效果。獲得具有高峰值功率 的基波脈沖光輸出。 5、把20%基波輸出耦合鏡換回成反射鏡M2，然后依次安裝平平輸出鏡M4， 二次諧 波晶體SHG。仔細(xì)調(diào)節(jié)SHG的角度、方位和溫度控制，以及Q開關(guān)的重復(fù)率，獲得最大二次諧 波綠光脈沖激光輸出。 6、安裝三次諧波晶體THG，仔細(xì)調(diào)節(jié)THG的角度、方位，獲得三次諧波紫外脈沖激 光輸出。然后配合調(diào)節(jié)SHG和THG的溫度，獲得最大的紫外脈沖激光輸出。
7、安裝輸出鏡M5，目的使二次諧波綠光脈沖激光返回振蕩光路中，提高二次諧波 到三次諧波的轉(zhuǎn)換效率。注意這里必須使二次諧波的綠光脈沖和基波光脈沖在THG晶體內(nèi) 重合。重新調(diào)節(jié)SHG和THG的溫度，可獲得最大的三次諧波紫外激光脈沖輸出。
權(quán)利要求
一種高亮度二極管端泵的腔內(nèi)三次諧波的全固態(tài)紫外激光器，包括二極管激光泵浦源，光學(xué)準(zhǔn)直聚焦系統(tǒng)、激光諧振腔鏡、激光增益介質(zhì)晶體、二次諧波晶體、三次諧波晶體、Q開關(guān)、紫外輸出鏡組，其特征在于二極管激光泵浦光經(jīng)準(zhǔn)直聚焦系統(tǒng)對(duì)激光介質(zhì)進(jìn)行端泵；在折疊諧振腔內(nèi)，由于Q開關(guān)的作用產(chǎn)生高峰值功率的線偏振的基波脈沖光束；基波脈沖在二次諧波晶體內(nèi)倍頻，產(chǎn)生垂直基波偏振態(tài)的綠光脈沖；該綠光脈沖與剩余的基波脈沖在三次諧波晶體內(nèi)混頻，產(chǎn)生與基波偏振態(tài)一致的紫外激光脈沖；通過(guò)一個(gè)激光輸出鏡片組的設(shè)計(jì)，使綠光脈沖反射回諧振回路，從而提高三次諧波的轉(zhuǎn)換效率，獲到高亮度的三次諧波紫外激光脈沖輸出。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的全固態(tài)紫外激光器，其特征在于泵浦光源是一個(gè)激光二極管，或激光二極管陣列，或光纖耦合傳輸?shù)募す舛O管，泵浦光經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直聚焦到激光晶體端面上。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的全固態(tài)紫外激光器，其特征在于激光增益介質(zhì)為Nd低摻雜的激光晶體，如Nd: YV04、Nd: YAG、Nd: YLF或Nd:GdV04，也可采用把一塊激光晶體和一塊或兩塊純的非摻雜同質(zhì)基底材料通過(guò)鍵合技術(shù)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)固結(jié)合的鍵合晶體，其端面鍍有對(duì)泵浦光和基頻光的增透膜，其橫截面尺寸約為激光光斑直徑的4 8倍。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的全固態(tài)紫外激光器，其特征在于反射鏡M1、M2和M3構(gòu)成折疊諧振腔，其中M1在泵浦光波長(zhǎng)附近高透，在激光基波波長(zhǎng)附近高反，且為S偏振；M2在基波、二次諧波和三次諧波波長(zhǎng)附近高反；M3在基波波長(zhǎng)附近高反。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的全固態(tài)紫外激光器，其特征在于輸出鏡M4和M5構(gòu)成三次諧波紫外激光輸出鏡組，其中M4在基波波長(zhǎng)附近高透，為S偏振，在二次諧波波長(zhǎng)附近高反，為P偏振，在三次諧波波長(zhǎng)附近高反，為S偏振；M5在二次諧波波長(zhǎng)附近高反，在三次諧波波長(zhǎng)附近高透，這里M5處于諧振光路外。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的全固態(tài)紫外激光器，其特征在于臂Ll+L2與臂L3長(zhǎng)度基本相等，即激光晶體處于諧振腔的中間位置附近。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的全固態(tài)紫外激光器，其特征在于二次諧波晶體SHG為I類非線性光學(xué)晶體，靠近反射鏡M2端；三次諧波晶體THG為II類非線性光學(xué)晶體，靠近輸出鏡M4端，且SHG和THG晶體兩端均鍍有基波、二次諧波和三次諧波三波長(zhǎng)高增透膜。
8. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的全固態(tài)紫外激光器，其特征在于Q開關(guān)可以為聲光調(diào)制Q開關(guān)，也可以為電光調(diào)制Q開關(guān)，或吸收型被動(dòng)調(diào)制Q開關(guān)。
全文摘要
本發(fā)明是一種折疊腔結(jié)構(gòu)的腔內(nèi)三次諧波的高亮度全固態(tài)紫外激光器(見摘要附圖，是一種涉及激光加工設(shè)備的光源，屬于激光技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域。本發(fā)明由二極管激光泵浦源，光學(xué)耦合聚焦鏡、激光諧振腔鏡、激光晶體、二次諧波晶體、三次諧波晶體、Q開關(guān)、紫外輸出鏡組構(gòu)成。泵浦光經(jīng)準(zhǔn)直聚焦系統(tǒng)對(duì)激光介質(zhì)進(jìn)行端泵；在折疊諧振腔內(nèi)，由于Q開關(guān)的作用產(chǎn)生高峰值功率的基波脈沖光束；基波脈沖在二次諧波晶體內(nèi)倍頻，產(chǎn)生綠光脈沖；該綠光脈沖與剩余的基波脈沖在三次諧波晶體內(nèi)混頻，產(chǎn)生紫外激光脈沖；最終通過(guò)一個(gè)激光輸出鏡片組的設(shè)計(jì)，獲到高亮度的三次諧波紫外激光脈沖輸出。
文檔編號(hào)H01S3/0941GK101777725SQ20091010484
公開日2010年7月14日 申請(qǐng)日期2009年1月14日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月14日
發(fā)明者李永忠, 熊政軍, 閻滌 申請(qǐng)人:鐳射谷科技(深圳)有限公司