专利名称：单模调q固体激光器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种可变输出功率范围的单模调Q固体激光器。
背景技术：
近几年来，随着激光加工产业的高速发展，激光加工已渗透进各 种领域，而对不同的被加工材料，需求的激光功率是不同的，例如， 金属材料需要较大的激光平均功率来加工；而薄膜材料需要较小平均 功率且是单模的激光来加工。对于普通的单模固体激光器由于受限于 激光介质产生的热透镜效应的影响，其稳定输出单模激光的功率范围 是有限的。例如，在所有器件不变的情况下，单一10W输出功率的腔 型可能只能满足0-6W的单模输出，而6-10W就变成了非单模输出； 在器件不变的情况下，通过另外一个IOW输出功率的腔形可能只能满 足4-10W的单模输出，而0-4W就变成了非单模输出。因为在传统的 固体激光设计中无法避免以上的问题，所以，在加工不同的材料时， 用户通常需要两台激光器， 一台大功率的单模固体激光器进行金属加 工，另外一台小平均功率单模的激光来加工薄膜材料。这样，加大了 客户的购买负担，也浪费了资源。
美国Coherent公司的US6115402专利中采用了随光轴方向移动 后腔镜来实现激光的热透镜补偿，达到保证基频激光输出尺寸不变的目的。其优点在于在泵浦源功率变化时，通过后腔镜的移动补偿， 可实时保证基频激光输出尺寸不变。
但其缺点在于l.后腔镜是单一的，只能是单一的曲率半径；2.
随光轴方向移动要求对光的准确度，机械移动装置的精度都非常高，
即对生产工艺的要求很高；3.由于随光轴方向移动要求各方面的精
确度很高，其后腔镜只能选用平镜或凹镜来弱化腔的敏感度，从而限 制了腔形的设计。
发明内容
本发明所欲解决的技术问题是通过在腔形设计中的综合考虑，对 传统的固体激光器中多加入一个镜片和一个移动装置，做出一种可变 输出功率范围的单模固体激光器。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是 一种单模调Q固体 激光器，包括激光输出端镜、Q开关、可调节输出功率大小的泵浦 模块、 一机械滑台、第一种谐振腔的端面全反镜及第二种谐振腔的端 面全反镜，其中，激光输出端镜、Q开关、泵浦模块及第一种谐振腔 的端面全反镜组成第一种激光谐振腔；激光输出端镜、Q开关、泵浦 模块及第二种谐振腔的端面全反镜组成第二种激光谐振腔；所述机械 滑台搭载第二种谐振腔的端面全反镜移进腔内和移出腔外，可实现第 二种激光谐振腔和第一种激光谐振腔的转换，且第一种激光谐振腔和 第二种激光谐振腔的激光输出稳定区在激光热透镜可变范围内形成 互补。
其中，所述第一种激光谐振腔和第二种激光谐振腔在激光晶体上的模体积一致。
其中，第一种激光谐振腔与第二种激光谐振腔在前腔镜位置上的 腔内激光振荡尺寸一致。
其中，泵浦模块所使用的固体激光介质为Nd: YAG、 Nd:YV04、 Nd:YLF、 Nd: Glass、 Yb: YAG或Er: YAG。
其中，Q开关为声光开关、电光开关或饱和激收型被动Q开关。 其中，泵浦模块里采用的泵浦光源为半导体激光二极管端面泵 浦、二极管侧面泵浦、氪灯、或氙灯侧面泵浦。
其中，所述机械滑台是自动控制移动的、或手动控制移动的。 本发明通过在腔形设计中的综合考虑，对传统的固体激光器中多 加入一个镜片和一个移动装置，便实现了拓展单模输出功率范围的目 的，使得一台激光器便可加工传统两台激光器加工的材料范围，达到 拓展单模输出功率范围的目的，本发明优点是1.后腔镜是非单一 的，可以采用不同的曲率半径镜片充当后腔镜；2.镜片移动方式是 垂直于光轴，只要事先调好，对腔型敏感度和移动装置的精度要求低， 且生产工艺简单；3.由于要求各方面的精确度不高，其后腔镜可选用 平镜凹镜或凸镜等各种曲率半径的镜片，对腔形的设计没有太多限 制。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为本发明激光器原理示意图2为本发明激光器随热透镜变化的稳区示意图；图3为本发明激光器腔内振荡示意图4为本发明激光器的两个腔型的实际泵浦源电流与激光输出 功率曲线；
图5为本发明激光器输出激光光场图。
具体实施例方式
本发明涉及一种可变输出功率范围的单模调Q固体激光器，原理 示意图如图1所示，其包括激光输出端镜1、 Q开关2、可调节输 出功率大小的泵浦模块3、高精度的机械滑台4;第二种谐振腔的端
面全反镜5、第一种谐振腔的端面全反镜6，其中，激光输出端镜l、 Q开关2、泵浦模块3及第一种谐振腔6的端面全反镜组成第一种激 光谐振腔；激光输出端镜1、 Q开关2、泵浦模块3及第二种谐振腔 的端面全反镜5组成第二种激光谐振腔；。
其中，高精度的机械滑台4是自动控制移动的、或手动控制移动 的机械结构，其作用是搭载第二种谐振腔的端面全反镜5在腔内和腔 外两个位置移动。
第一种激光谐振腔与第二种激光谐振腔在前腔镜位1置上的腔 内激光振荡尺寸一致。
所述泵浦模块3所使用的固体激光介质为Nd: YAG、 Nd:YV04、 Nd:YLF、 Nd: Glass、 Yb: YAG或Er: YAG，且泵浦模块3里采用的泵 浦光源为大功率半导体激光二极管端面泵浦、二极管侧面泵浦、氪灯、 或氙灯侧面泵浦。
所述Q开关2为声光开关、电光开关或饱和激收型被动Q开关。首先，根据可调节输出功率大小的泵浦模块3的特性利用矩阵光 学原理设计出第一种单模输出激光谐振腔，其结构由激光输出端镜l;
Q开关2;可调节输出功率大小的泵浦模块3;第一种谐振腔的端面
全反镜6组成。
其次，再根据可调节输出功率大小的泵浦模块3的特性利用矩阵 光学原理设计出第二种单模输出激光谐振腔，第二种单模输出激光谐 振腔的设计要求是不改变激光输出端镜1的曲率和与可调节输出功
率大小的泵浦模块3的距离；不改变Q开关2;不改变可调节输出功
率大小的泵浦模块3的前提下，要求第二种单模输出激光谐振腔的激
光输出稳定区在激光热透镜可变范围内与第一种单模输出激光谐振 腔互补。
如图2所示，图2中x轴为热透镜焦距，y轴为腔稳定性系数， 实线为第一种单模输出激光谐振腔的激光输出稳定区，虚线为第二种 单模输出激光谐振腔的激光输出稳定区，同时由于第二种单模输出激 光谐振腔的激光输出稳定区比第一种单模输出激光谐振腔的激光输 出稳定区所在的热透镜焦距更短，所以第二种单模输出激光谐振腔可 以接收更高的泵浦功率，即最终的输出功率也会更高。
在设计第二种单模输出激光谐振腔还需要考虑端面全反射镜5 距离可调节输出功率大小的泵浦模块3的距离应该小于第一种单模 输出激光谐振腔端面全反射镜4距离可调节输出功率大小的泵浦模 块3的距离。当需要普通功率输出时，由第一种单模输出激光谐振腔 产生激光输出。当需要更高的激光输出功率时，由高精度机械滑台4 搭载端面全反镜5移动进腔内，由于端面全反镜5具有达到99. 8%反射率，所以当端面全反镜5移入腔内时，端面全反镜6就被自动屏 蔽了，即第二种单模输出激光谐振腔形成时，第一种单模输出激光谐 振腔就被自动屏蔽了。如需要普通功率时，高精度机械滑台4搭载端 面全反镜5移动到腔外，便又形成了第一种单模输出的激光谐振腔形 型。
两种单模输出激光谐振腔的腔内激光振荡轨迹如图3所示，图3 中10为第一种单模输出激光谐振腔后腔镜位置；2 0为第二种单模 输出激光谐振腔后腔镜位置；3 0为激光晶体位置；4 0为前腔镜位 置。实线为第一种单模输出激光谐振腔的腔内激光振荡轨；虚线为第 二种单模输出激光谐振腔的腔内激光振荡轨迹。
图中可看出，第一种激光谐振腔与第二种激光谐振腔在设计上实 现在30激光晶体上的模体积是一致，目的在于用同一个泵浦源可以 实现这两个激光谐振腔的单模输出；同时，对于第一种激光谐振腔与 第二种激光谐振腔在设计上实现在4 O前腔镜位置上的腔内激光振荡 尺寸基本一致，达到输出激光的尺寸基本一致的目的。
通过以上设计，我们得到了两个腔型的实际泵浦源电流与激光输 出功率曲线如图4所示，工作调Q重复频率为30kHz，实线为第一种 激光谐振腔，随着泵浦源电流从15A到33A，激光单模输出功率从OW 到6W，当泵浦源电流大于33A时，第一种激光谐振腔进入非稳腔， 输出功率随电流上升反而下降，同时模式变成多模；虚线为第二种激 光谐振腔，随着泵浦源电流从28A到32A，激光输出多模，功率从OW 到5.8W，且功率上升陡峭，输出不稳定，当泵浦源电流从32A到40A 时，激光出现单模输出，功率从5.8W到12W，功率稳定。最后通过本发明实现了泵浦源电流从15A到40A,激光功率从0W到12W的连 续单模输出。
输出激光光场如图5所示，图为本发明激光器在30kHz的Q频率， 37A的泵浦源电流，10W的激光输出功率的条件下，采用光场分布仪 测量的输出激光横截面的能量分布三维图。此图说明本发明激光器输 出激光的光场为单模高斯分布，即为TEM。。模。
本发明是在采用同一个可调节输出功率大小的泵浦模块和同一 个输出腔镜的条件下，利用矩阵光学原理设计出两个激光输出稳定区 在激光热透镜可变范围内互补的激光谐振腔，同时，这两个激光谐振 腔的区别只在于相对于激光工作物质的非输出镜的一端的腔长和全 反射镜曲率的不同。最后通过高精度机械滑台搭载全反射镜移动实现 这两个激光谐振腔的互换，达到保证激光输出单模的情况下，加宽输 出功率范围的目的。
本发明通过在腔形设计中的综合考虑，对传统的固体激光器中多 加入一个镜片和一个移动装置，便实现了拓展单模输出功率范围的目 的，使得一台激光器便可加工传统两台激光器加工的材料范围，达到 拓展单模输出功率范围的目的，本发明优点是1.后腔镜是非单一 的，可以采用不同的曲率半径镜片充当后腔镜；2.镜片移动方式是 垂直于光轴，只要事先调好，对腔型敏感度和移动装置的精度要求低， 且生产工艺简单；3.由于要求各方面的精确度不高，其后腔镜可选用 平镜凹镜或凸镜等各种曲率半径的镜片，对腔形的设计没有太多限 制。
权利要求
1. 一种单模调Q固体激光器，包括激光输出端镜、Q开关、可调节输出功率大小的泵浦模块，其特征在于，还包括一机械滑台、第一种谐振腔的端面全反镜及第二种谐振腔的端面全反镜，其中，激光输出端镜、Q开关、泵浦模块及第一种谐振腔的端面全反镜组成第一种激光谐振腔；激光输出端镜、Q开关、泵浦模块及第二种谐振腔的端面全反镜组成第二种激光谐振腔；所述机械滑台搭载第二种谐振腔的端面全反镜移进腔内和移出腔外，可实现第二种激光谐振腔和第一种激光谐振腔的转换，且第一种激光谐振腔和第二种激光谐振腔的激光输出稳定区在激光热透镜可变范围内形成互补。
2. 如权利要求1所述的单模调Q固体激光器，其特征在于所述第一种激光谐振腔和第二种谐振腔在激光晶体上的模体积一致。
3. 如权利要求1所述的单模调Q固体激光器，其特征在于第一种激光谐振腔与第二种激光谐振腔在前腔镜位置上的腔内激光振荡 尺寸一致。
4. 如权利要求1所述的单模调Q固体激光器，其特征在于泵浦模块所使用的固体激光介质为Nd: YAG、 Nd:YV04、 Nd:YLF、 Nd: Glass、 Yb: YAG或Er: YAG。
5. 如权利要求1所述的单模调Q固体激光器，其特征在于Q开关 为声光开关、电光开关或饱和激收型被动Q开关。
6. 如权利要求1所述的单模调Q固体激光裙，其特征在于泵浦模 块里采用的泵浦光源为半导体激光二极管端面泵浦、二极管侧面泵浦、氪灯、或氙灯侧面泵浦。
7.如权利要求1所述的单模调Q固体激光器，其特征在于所述机 械滑台是自动控制移动的、或手动控制移动的。
全文摘要
本发明涉及一种可变输出功率范围的单模调Q固体激光器，可变输出功率范围的单模固体激光器是在采用同一个可调节输出功率大小的泵浦源，同一个激光工作物质和同一个输出腔镜的条件下，利用矩阵光学原理设计出两个激光输出稳定区在激光热透镜可变范围内互补的激光谐振腔，同时，这两个激光谐振腔的区别只在于相对于激光工作物质的非输出镜的一端的腔长和全反射镜不同。最后通过高精度机械滑台搭载全反射镜移动实现这两个激光谐振腔的互换，达到保证激光输出单模的情况下，加宽输出功率范围的目的。
文档编号H01S3/16GK101483311SQ200910105228
公开日2009年7月15日 申请日期2009年1月22日 优先权日2009年1月22日
发明者波 刘, 周宇超, 郑珺晖, 丽 郭, 陈莉英, 高云峰 申请人:深圳市大族激光科技股份有限公司