激光兩極管泵浦的聲光Q開關(guān)固體激光器，可以實(shí)現(xiàn)可控的激光脈寬。

背景技術(shù)：

激光二極管泵浦的固體激光器在激光加工、醫(yī)療及軍事等多方面均有極其廣泛的應(yīng)用。

典型的二極管泵浦固體激光器采用兩種典型的泵浦方式，側(cè)面泵浦和端面泵浦。

二極管對固體激光工作物質(zhì)進(jìn)行側(cè)面泵浦的方式時(shí)，一般直接將二極管板條抵近固體激光工作物質(zhì)的側(cè)面，直接進(jìn)行泵浦，或只采用簡單的光束整形光學(xué)元件對二極管輸出光作適當(dāng)?shù)木劢拐?。其?yōu)點(diǎn)是固體激光工作物質(zhì)的受泵浦面積大，易于靠增加泵浦二極管的數(shù)量實(shí)現(xiàn)固體激光器的高功率輸出。但其另一特點(diǎn)是泵浦光在固體激光工作物質(zhì)內(nèi)分布范圍較大，固體激光器工作在TEM₀₀模式時(shí)，激光振蕩模式范圍內(nèi)的激光工作增益較低，因此在采用聲光Q開關(guān)，工作于脈沖狀態(tài)時(shí)，在確定的激光脈沖重復(fù)頻率范圍內(nèi)，激光的脈沖寬度較寬。一個(gè)典型的數(shù)據(jù)是對3-8W的三倍頻UV激光輸出，10kHz脈沖重復(fù)頻率時(shí)，激光的脈寬為60-70ns。

另一典型的泵浦方式是端面泵浦，例如激光二極管的輸出經(jīng)光束整形后耦合到光纖或光纖束中，光纖輸出端的輸出光束再經(jīng)聚焦光學(xué)元件分別耦合到激光工作物質(zhì)的兩個(gè)通光端面。該種方案中與泵浦光相關(guān)的光學(xué)系統(tǒng)較為復(fù)雜，增加了成本。同時(shí)固體激光工作物質(zhì)受泵浦面積有限，限制了固體激光器可實(shí)現(xiàn)的輸出功率上限。但其另一個(gè)特點(diǎn)是泵浦光聚焦耦合入激光工作物質(zhì)的通光端面處，在固體激光器工作於TEM₀₀模式時(shí)，激光工作模式范圍內(nèi)的泵浦光密度 高，因此Q開關(guān)工作時(shí)，特定激光脈沖重復(fù)頻率下激光的脈寬較窄。一個(gè)典型的數(shù)據(jù)是對于3-8W三倍頻UV激光輸出，激光脈沖重復(fù)頻率為10kHz時(shí)，激光脈寬為20ns左右。

當(dāng)然實(shí)際中，可以通過設(shè)計(jì)不同的激光諧振腔長度，或改變泵浦工作的強(qiáng)度來實(shí)現(xiàn)不同的激光脈寬。但是，一種硬件的固定設(shè)計(jì)，只能實(shí)現(xiàn)一種確定的激光脈寬輸出。而由于固體激光器需要工作在特定的泵浦強(qiáng)度下，以保證激光器處于可以穩(wěn)定工作的特定熱效應(yīng)下，在實(shí)際工作中，試圖通過改變泵浦的強(qiáng)度以實(shí)現(xiàn)可控改變的激光脈沖寬度并不現(xiàn)實(shí)，從而使得某一特定設(shè)計(jì)制造的固體激光器只能保證一個(gè)對應(yīng)于特定的脈沖重復(fù)頻率的特定激光脈寬。

但是例如在激光工業(yè)加工應(yīng)用中，對于不同的待加工件材料，為能獲得最佳的加工效果、加工速度，所需要的最佳激光脈寬經(jīng)常是不同的。因此實(shí)際應(yīng)用迫切需要一種固體激光器，其輸出的激光脈寬，在特定的脈沖重復(fù)頻率時(shí)，可以方便的通過激光器的控制電路進(jìn)行方便的控制調(diào)節(jié)。例如對3-8W UV激光器，脈沖重復(fù)頻率為10kHz時(shí)，激光的脈寬可以在20ns-60ns之間隨意調(diào)節(jié)，擇優(yōu)選用，同時(shí)激光脈沖的穩(wěn)定性和其他激光光束特性如發(fā)散角等保持不變。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決上述固體激光器激光脈寬可控調(diào)節(jié)的問題，設(shè)想研發(fā)了側(cè)泵與端泵復(fù)合型固體激光器，該激光器的工作可簡便的通過軟件指令控制在側(cè)泵與端泵之間切換，或工作在側(cè)泵與端泵二者之間不同復(fù)合比的復(fù)合泵浦情況下。通過適當(dāng)控制側(cè)泵與端泵的強(qiáng)度，或在復(fù)合泵浦情況下控制兩種泵浦各自的強(qiáng)度，可以使固體激光器工作于其理想的熱狀態(tài)下，即固體激光工作物質(zhì)的熱形變保證使激光器工作于所需要的穩(wěn)定區(qū)，保證激光的穩(wěn)定輸出，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了激光脈寬的可控調(diào)節(jié)。

附圖說明

圖1側(cè)面泵浦的固體激光器示意圖

圖2端面泵浦的固體激光器示意圖

圖3本發(fā)明端泵與側(cè)泵復(fù)合型固體激光器的示意圖

具體實(shí)施方案

圖1所示為一典型的側(cè)面泵浦的固體激光器示意圖。其中01為激光全反鏡，02為激光輸出鏡，04為固體激光工作物質(zhì)，05為聲光Q開關(guān)，06為輸出的激光束。03為泵浦激光二極管或激光二極管組，包括了可能的光束光學(xué)整形元件(圖中未示出)。其輸出的泵浦光束(圖中未示出)耦合入激光工作物質(zhì)的側(cè)面。010為激光器的電源，其輸出011用于驅(qū)動(dòng)泵浦二極管03，輸入013為聲光Q開關(guān)05提供驅(qū)動(dòng)電信號。

由于泵浦光直接或經(jīng)經(jīng)聚焦后耦合至激光工作物質(zhì)的側(cè)面，相應(yīng)被泵浦區(qū)內(nèi)泵浦強(qiáng)度低，與激光TEM₀₀工作模式區(qū)域重合性較差，激光工作增益較低，故在Q開關(guān)工作時(shí)，輸出的激光脈沖寬度較寬。但這種結(jié)構(gòu)的泵浦面積大，容許采用數(shù)量較多的泵浦激光二極管或激光二極管組進(jìn)行泵浦，以實(shí)現(xiàn)較大的激光輸出功率，能量。

一組典型的數(shù)據(jù)是：對于兩組40W的二極管03，在激光工作物質(zhì)04為Nd：YAG時(shí)，并且在激光腔內(nèi)安置有非線性二及三倍頻器件時(shí)(圖中未標(biāo)出)，可以實(shí)現(xiàn)3-8W的355nm UV激光輸出，在脈沖重復(fù)頻率為10kHz時(shí)，典型的激光脈寬為約60ns左右。

圖1中各元件的典型性能數(shù)據(jù)廣為人知，此處不再贅述。

圖2所示為一典型的端面泵浦的固體激光器的示意圖。其中021位激光全反鏡，029為激光輸出鏡，025為固體激光工作物質(zhì)，026為聲光Q開關(guān)，022為輸出的激光束。023和024為泵浦激光二極管，包括了可能的光束光學(xué)整形元件 及光束傳輸光纖(圖中未示出)。其輸出時(shí)泵浦光束036及037分別經(jīng)聚焦光學(xué)元件027及028聚焦后耦合入激光工作物質(zhì)025的兩通光端面處。030為激光器的電源，其輸出032及033分別用于驅(qū)動(dòng)泵浦二極管023及024，輸出034為聲光Q開關(guān)026提供驅(qū)動(dòng)電信號。

由于泵浦光經(jīng)聚焦后耦合至激光工作物質(zhì)的兩通光端面區(qū)，相應(yīng)被泵浦區(qū)域小，泵浦區(qū)域內(nèi)泵浦強(qiáng)度高，與固體激光TEM₀₀工作模式區(qū)域重合性好，激光工作增益高，故在Q開關(guān)工作時(shí)，輸出的激光脈沖寬度較窄。但在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，可用的泵浦光功率會受到較大的限制。

一組典型的數(shù)據(jù)是：對于各為40W的二極管023及024，在激光工作物質(zhì)025為Nd：YAG時(shí)，并且在激光腔內(nèi)安置有非線性二及三倍頻器件時(shí)(圖中未標(biāo)出)，可以實(shí)現(xiàn)3-8W的355nm UV激光輸出，在脈沖重復(fù)頻率為10kHz時(shí)，典型的激光脈寬為約20ns左右。

圖2中各元件的典型性能數(shù)據(jù)廣為人知，此處也不再贅述。

圖3為本發(fā)明端泵與側(cè)泵復(fù)合型固體激光器的示意圖。其中051位激光全反鏡，052為激光輸出鏡，054為固體激光工作物質(zhì)，055為聲光Q開關(guān)，056為輸出的激光光束。060和065為端泵泵浦激光二極管，包括了可能的光束光學(xué)整形元件及光束傳輸光纖(圖中未示出)。其輸出時(shí)泵浦光束061及066分別經(jīng)聚焦光學(xué)元件062及067聚焦后耦合入激光工作物質(zhì)054的兩端面處。053為側(cè)泵泵浦激光二極管或激光二極管組，包括了可能的光束光學(xué)整形元件(圖中未示出)。其輸出的泵浦光束(圖中未示出)耦合入激光工作物質(zhì)054的側(cè)面。070為激光器的電源，其輸出075及078分別用于驅(qū)動(dòng)端泵泵浦二極管065及060，輸出077用于驅(qū)動(dòng)端泵泵浦二極管或激光二極管組053，輸入034為聲光Q開關(guān)026提供驅(qū)動(dòng)電信號。

圖3中各元件的典型性能數(shù)據(jù)廣為人知，此處不再贅述。

本激光器的泵浦工作可以有以下三種狀態(tài)：

1.端泵全功率工作，側(cè)泵強(qiáng)度為零，此時(shí)輸出激光脈寬為T_端；

2.側(cè)泵全功率工作，端泵強(qiáng)度為零，此時(shí)輸出激光脈寬為T_側(cè)；

3.端泵及側(cè)泵復(fù)合工作，依據(jù)端泵及側(cè)泵強(qiáng)度的不同復(fù)合比，激光器輸出激光脈寬在T_側(cè)及T_端之間連續(xù)可控調(diào)節(jié)。

實(shí)質(zhì)上，上述工作狀態(tài)1及2亦可以看作是工作狀態(tài)3中的兩個(gè)極端狀態(tài)。

在具體設(shè)計(jì)及生產(chǎn)調(diào)試時(shí)，當(dāng)激光器處于工作狀態(tài)1及2時(shí)，端泵強(qiáng)度及側(cè)泵強(qiáng)度分別調(diào)控至使固體激光工作物質(zhì)的熱形變處于相類似的狀態(tài)，因此激光器在工作狀態(tài)1及2時(shí)，均處于相類似的穩(wěn)定工作區(qū)，均可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的激光輸出，但相應(yīng)的激光脈沖的脈寬分別為T_端和T_側(cè)

而在工作狀態(tài)3情況下，根據(jù)端泵強(qiáng)度的變化，側(cè)泵強(qiáng)度可以配合調(diào)節(jié)至使固體激光工作物質(zhì)達(dá)到相似的熱變形，而使在該復(fù)合泵浦情況下，激光器處于同樣的穩(wěn)定工作區(qū)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的激光輸出?；蚋鶕?jù)側(cè)泵強(qiáng)度的變化，端泵強(qiáng)度可以配合調(diào)節(jié)至使固體激光工作物質(zhì)達(dá)到相似的熱變形，而使在該復(fù)合泵浦情況下，激光器處于同樣的穩(wěn)定工作區(qū)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的激光輸出。依據(jù)端泵及側(cè)泵強(qiáng)度的不同復(fù)合比，激光器輸出激光脈寬在T_側(cè)及T_端之間連續(xù)可控調(diào)節(jié)。

可見，本發(fā)明上述三種工作狀態(tài)的設(shè)計(jì)之基本目的并非是為獲得更高的激光器輸出功率或能量，而是在維持激光器輸出功率或能量基本不變的情況下實(shí)現(xiàn)激光器輸出激光脈寬在T_側(cè)及T_端之間連續(xù)可控的調(diào)節(jié)，以滿足各種應(yīng)用時(shí)對最佳激光器輸出激光脈寬的需求。

上述三種工作狀態(tài)的切換及具體控制，均由軟件指令通過激光器的電源070控制實(shí)現(xiàn)。

本激光器的硬件成本要比圖1及圖2所示激光器有所增加，但由于有足夠的泵浦光余量，且端泵及側(cè)泵相互之間可在復(fù)合工作時(shí)相互補(bǔ)充，因此生產(chǎn)中調(diào)試較容易，長期工作時(shí)亦有足夠泵浦能量的余量可以對激光器因其它原因造成的性能下降予以補(bǔ)償，因此而減少了生產(chǎn)及使用維護(hù)成本。