专利名称：10.6微米和1.064微米同轴复合腔双波长激光器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种激光器，尤其是涉及一种10. 6微米和I. 064微米同轴复合腔双波长激光器。
背景技术：
由二氧化碳(CO2)气体激光器件产生的10. 6微米波长激光器和掺钕钇铝石榴石晶体(Nd:YAG)固体激光器产生的I. 064微米波长激光器分别是两种最常用的单波长激光器，它们广泛应用于材料加工、医疗、通讯和测量等领域。独立的气体或固体激光器发射的单一波长能对结构简单的材料、组织、介质进行有效的加工处理。由于不同性质的材料对不同波长激光束的吸收率和反射率差别很大，采用的单一 10. 6微米波长或I. 064微米波长激光存在明显的不足。目前关于多波长输出的实现方式有以下几种1、采用多波长金属蒸汽激光器系统，实现了单一输出激光束包含预定的多种波长；2、在倍频晶体KTP对Nd = YAG激光输出进行倍频实现双波长输出的基础上，采用KTP-OPO双晶体实现5 10微米连续可调激光器； 3、采用光纤将多路不同波长激光耦合进一路输出实现多波长；4、采用掺饵技术实现光纤激光器多波长；5、采用单芯片上设计多通道不同波长半导体激光器等方法。上述几种方法虽然可以实现单一设备获得双波长、多波长或连续可调波长，但是存在波长差小或结构复杂的缺点。多波长可以由独立的激光器采用外光路复合而成，但结构较复杂，稱合难度大。而米用同轴复合腔将环形全金属CO2激光器和Nd: YAG激光器结合在一起，可以有效简化结构，该种方法目前还未见报道。中国专利CN101483317公开一种半导体激光器的泵浦方式，采用的方法为半导体泵浦光源泵浦第一激光增益介质产生第一波长光，第一波长光被输出腔镜反射回第二激光增益介质并泵浦第二激光增益介质。所述的输出腔镜反射方式是在平面的输出腔镜镀第一波长光反射膜再通过一聚焦透镜反射回第二激光增益介质。或者，所述的输出腔镜反射方式是在凹面的输出腔镜镀第一波长光反射膜反射回第二激光增益介质。该发明采用同一泵浦源泵浦含有两种不同增益介质的复合腔而得到和频光，或两个独立腔输出双波长的激光器，由于去掉了一个泵浦源，因而其结构变得更为简单，紧凑。中国专利CN101950919A公开一种全固态串联泵浦激光器，由两个谐振腔复合而成，第一谐振腔由第一反射镜、输出耦合镜构成，第一激光增益介质位于其中；第二谐振腔由第二反射镜、输出耦合镜构成，第二激光增益介质位于其中，并且，第二反射镜、第二激光增益介质位于第一激光增益介质与输出耦合镜之间；两个谐振腔共用一个输出耦合镜；一个泵浦源泵浦第一激光增益介质；和频晶体位于第二激光增益介质与输出耦合镜之间。该方案能够获得480 510nm波段相干辐射。
发明内容
本发明的目的在于提供一种有效简化结构、缩小器件尺寸、能稳定输出10. 6微米
3和I. 064微米两种波长，可有效对波长吸收系数差别较大的复合材质进行加工，对复杂的人体组织进行双波长激光联合治疗的10. 6微米和I. 064微米同轴复合腔双波长激光器。本发明设有808nm LD泵浦光源、耦合光学系统、同轴复合腔、输出耦合器、RF泵浦电源、水泵和系统控制器；所述808nm LD泵浦光源的光纤输出端口接稱合光学系统的光纤输入端口，稱合光学系统的稱合输出光输入到同轴复合腔的稱合输入端口，同轴复合腔的输出激光照射在输出耦合器的窗口，RF泵浦电源的电极接同轴复合腔的RF激励电极，水泵的水输入端口接同轴复合腔的水输出端口，水泵的水输出端口接同轴复合腔的水输入端口，同轴复合腔的传感器输出端接系统控制器的信号输入端，系统控制器的LD泵浦光源功率控制输出端接808nm LD泵浦光源的控制信号输入端，系统控制器的RF电源功率控制输出端接RF泵浦电源的控制信号输入端，系统控制器的水泵开关信号输出端接水泵。所述808nm LD泵浦光源采用光纤导引输出，其作用是为Nd:YAG激光器提供泵浦光源。808nm波长正处于Nd = YAG晶体的吸收峰，具有很高的光_光转换效率，频率更稳定， 谱线宽度更窄，寿命更长，结构简单，使用方便，可以缩小系统体积。所述耦合光学系统用于将单根或多根光纤传输的808nm LD泵浦光源激光束均匀照射在同轴复合腔中的Nd = YAG晶体端面，为Nd = YAG晶体提供泵浦，使其激发I. 064微米波长激光。耦合光学系统具有多端口光纤输入耦合器。所述同轴复合腔包括环形全金属CO2激光工作腔、I. 064微米激光工作腔、冷却水循环结构、外环双平面镜谐振腔结构和内环平面镜-凹面镜谐振腔结构。所述环形全金属 CO2激光工作腔满足10. 6微米激光输出谐振要求；所述I. 064微米激光工作腔满足I. 064 微米波长激光输出谐振要求。环形全金属CO2激光工作腔内充有10. 6微米激光工作介质， 是按一定比例混合的C02、He、N2等气体。I. 064微米激光工作腔内安装有Nd = YAG晶体棒及相应夹具。冷却循环结构使水流在激光器的同一端输入输出，可以同时对10. 6微米激光和 I. 064微米激光工作介质冷却。外环双平面镜谐振腔结构和内环平面镜-凹面镜谐振腔结构共用一片耦合输出反射镜，采用一种能够同时透射10. 6微米和I. 064微米激光的红外材料。外环双平面镜谐振腔结构特点是平面镜镀10. 6微米高反射膜，平面镜外环形区镀10. 6 微米耦合输出膜；内环平面镜-凹面镜谐振腔结构特点是在凹凸反射镜镀介质膜，该介质膜对808nm激光具有高透过率而对I. 064微米激光具有高反射率，提高泵浦光源耦合效率; 在耦合输出镜中间圆形区域镀I. 064微米部分反射耦合输出膜。这样同轴共腔的输出耦合镜分为外环形区和内圆形区，分别镀10. 6微米部分反射耦合输出膜和I. 064微米部分反射耦合输出膜。所述输出稱合器包括传输光纤及稱合光路，传输光纤米用碳化娃空心光纤，该种光纤能同时传输10. 6微米和I. 064微米波长,稱合光路能有效将10. 6微米环形激光和 I. 064微米激光耦合进碳化硅空心光纤。所述RF泵浦电源作为CO2激光器的泵浦源，产生高频激励信号，与同轴复合腔全金属电极相连，用于激发C02、He、N2等混合气体产生10. 6微米激光。所述水泵与同轴复合腔中的冷却水入口和出口相联，使水循环，冷却10. 6微米和 I. 064微米波长激光工作介质。所述系统控制器提供操作界面，控制808nm LD泵浦光源和RF泵浦电源的工作，同时根据采样传感系统的信号，判断是否出现过温、断流等异常情况，自动发出报警并停止激光器工作。本发明采用同轴复合腔，外腔体是10. 6微米环形全金属CO2激光工作区，内腔体是I. 064微米Nd = YAG激光工作区，该腔体满足10. 6微米和I. 064微米两种输出波长谐振的需求；采用的水流设计结构使水流在激光器的同一端输入输出，可以同时冷却CO2激光工作介质和Nd = YAG激光器的工作介质，且不影响10. 6微米和I. 064微米激光束输出。本发明10. 6微米激光输出采用高频RF电源泵浦二氧化碳等混合气体。为了提高起辉放电和激励的均衡性，外腔和内腔均采用低阻抗金属制作。谐振腔采用平平反射镜结构，平面镜镀10. 6微米高反射膜，耦合输出平面镜外环形区镀10. 6微米耦合输出膜。为满足同时透过10. 6微米和I. 064微米波长激光，采用硒化锌或砷化钾作为基底。本发明的I. 064微米激光输出采用808nm半导体激光泵浦Nd = YAG晶体，由于 808nm波长正处于Nd = YAG晶体的吸收峰，具有很高的光_光转换效率，NdiYAG晶体输出激光频率更稳定，谱线宽度更窄，可以缩小系统体积。808nm LD泵浦光源米用光纤导引输出，通过光纤稱合器与Nd:YAG晶体f禹合。 I. 064微米激光部分的谐振腔采用平面镜-凹面镜结构，凹面镜采用凹凸反射镜(谐振腔内为凹面，腔外为凸面)，不会使输入的808nm激光发散，提高耦合效率。在凹面镜上镀介质膜，该介质膜对808nm激光具有高透射率，提高耦合效率，对1064nm激光具有高反射率， 提高Nd = YAG晶体工作效率。为降低结构复杂度，I. 064微米激光部分的谐振腔耦合输出镜与10. 6微米激光的谐振腔耦合输出镜共用一个基底(耦合输出镜b)，在镜中间圆形区域镀 I. 064微米部分反射耦合输出膜，外环形区镀10. 6微米部分反射耦合输出膜。本发明的输出耦合器能将环形CO2激光束和I. 064微米圆斑激光束耦合进碳化硅空心光纤，碳化娃空心光纤能同时传递10. 6微米和I. 064微米两种波长激光。双波长激光器的工作温度、循环冷却水信息，通过采样传感系统反馈给系统控制器，系统控制器对系统工作参数进行分析并作出反应，提供过温、断流保护。本发明充分利用环形全金属CO2激光器结构特点，巧妙的采用同轴复合腔的结构设计将环形全金属CO2激光谐振腔和Nd:YAG激光谐振腔集合在一起，实现单激光束输出 10. 6微米和I. 064微米双波长激光，由于Nd:YAG晶体置于环形全金属CO2激光谐振腔内环， 可以缩小器件体积，简化器件结构。
图I为本发明实施例的结构组成框图。图2为本发明实施例的同轴复合腔示意图。图3为本发明实施例的输出耦合镜示意图。
具体实施例方式参见图1，本发明实施例设有808nm LD泵浦光源I、耦合光学系统2、同轴复合腔 3、输出耦合器4、RF泵浦电源5、水泵6和系统控制器7 ;所述808nm LD泵浦光源I的光纤输出端口接耦合光学系统2的光纤输入端口，耦合光学系统2的耦合输出光输入到同轴复合腔3的I禹合输入端口，同轴复合腔3的输出激光照射在输出I禹合器4的窗口，RF泵浦电源5的电极接同轴复合腔3的RF激励电极，水泵6的水输入端口接同轴复合腔3的水输出端口，水泵6的水输出端口接同轴复合腔3的水输入端口，同轴复合腔3的传感器输出端接系统控制器7的信号输入端，系统控制器7的LD泵浦光源功率控制输出端接808nm LD泵浦光源I的控制信号输入端，系统控制器7的RF电源功率控制输出端接RF泵浦电源5的控制信号输入端，系统控制器7的水泵开关信号输出端接水泵6。808nm LD泵浦光源I米用光纤传输激光至稱合光学系统2 ;稱合光学系统2具有多端口光纤输入稱合器，用于将一路或多路808nm激光整合成单一激光束,并米用光学器件将单一激光束转变成均匀激光束输出，均匀照射在Nd = YAG晶体端面；同轴复合腔3和输出率禹合器4保持共轴，同轴复合腔3输出的激光直接照射在输出I禹合器4上,输出I禹合器4 最后采用光纤将获得的双波长激光输出；RF泵浦电源5两个输出电极分别接在波导CO2激光器的两个环形电极上；水泵6的水输入和水输出端口采用软管分别与同轴复合腔3的冷却水输出和输入端口联通，冷却水在水泵的抽运作用下实现循环；采样传感系统在同轴复合腔内安装水流开关传感器和温度传感器，对系统信息采集转换，并采用数据线将数据传递给系统控制器7 ;系统控制器7通过数据线控制808nm LD泵浦光源I驱动电源功率，通过数据线控制RF泵浦电源5的输出功率、启动和停止，通过数据线控制水泵6的启动和停止。本发明实施例的同轴复合腔参见图2，外环形区为10. 64微米激光工作区，内圆形腔为I. 064微米工作区。外腔和内腔均采用低阻抗金属制作。平行电板距离小于3mm。平面镜a镀10. 6微米高反射膜。输出耦合镜b选用硒化锌或砷化钾材料作为基底，在外环形区镀10. 6微米耦合输出膜，中间圆形区域镀I. 064微米部分反射耦合输出膜，参见图3。输入耦合镜c为凹凸镜(凹面朝向谐振腔，凸面朝外)，在凹面镀介质膜，对808nm高透而对 1064nm高反。平面镜a和耦合输出镜b环形区构成CO2工作谐振腔，输入耦合镜c和耦合输出镜b中间圆形区构成Nd:YAG工作谐振腔。冷却输入和输出都在同轴复合腔的同一端, 可以同时对10. 6微米激光和I. 064微米激光工作介质冷却，并不会影响激光输出。在图2中，标记P为冷却水入口，Q为808nm泵浦光入口，R为冷却水出口，S为环形激光输出，T为10. 64微米激光工作区，W为I. 064微米激光工作物质Nd = YAG晶体。在图3中，标记A为10. 6微米耦合输出膜，B为I. 064微米耦合输出膜。
权利要求
1.10. 6微米和1. 064微米同轴复合腔双波长激光器，其特征在于设有808nm LD泵浦光源、耦合光学系统、同轴复合腔、输出耦合器、RF泵浦电源、水泵和系统控制器；所述 808nmLD泵浦光源的光纤输出端口接稱合光学系统的光纤输入端口，稱合光学系统的I禹合输出光输入到同轴复合腔的I禹合输入端口，同轴复合腔的输出激光照射在输出I禹合器的窗口，RF泵浦电源的电极接同轴复合腔的RF激励电极，水泵的水输入端口接同轴复合腔的水输出端口，水泵的水输出端口接同轴复合腔的水输入端口，同轴复合腔的传感器输出端接系统控制器的信号输入端，系统控制器的LD泵浦光源功率控制输出端接808nm LD泵浦光源的控制信号输入端，系统控制器的RF电源功率控制输出端接RF泵浦电源的控制信号输入端，系统控制器的水泵开关信号输出端接水泵。
2.如权利要求I所述的10.6微米和1. 064微米同轴复合腔双波长激光器，其特征在于所述808nm LD泵浦光源米用光纤导引输出。
3.如权利要求I所述的10.6微米和1. 064微米同轴复合腔双波长激光器，其特征在于所述耦合光学系统设有多端口光纤输入耦合器。
4.如权利要求I所述的10.6微米和1. 064微米同轴复合腔双波长激光器，其特征在于所述同轴复合腔包括环形全金属CO2激光工作腔、1. 064微米激光工作腔、冷却水循环结构、 外环双平面镜谐振腔结构和内环平面镜-凹面镜谐振腔结构。
5.如权利要求I所述的10.6微米和1. 064微米同轴复合腔双波长激光器，其特征在于在耦合输出镜中间圆形区域镀I. 064微米部分反射耦合输出膜。
6.如权利要求I所述的10.6微米和I. 064微米同轴复合腔双波长激光器，其特征在于所述输出稱合器包括传输光纤及稱合光路，传输光纤米用碳化娃空心光纤。
全文摘要
10.6微米和1.064微米同轴复合腔双波长激光器，涉及一种激光器。设有LD泵浦光源、耦合光学系统、同轴复合腔、输出耦合器、RF泵浦电源、水泵和系统控制器；泵浦光源光纤输出端口接耦合光学系统光纤输入端口，耦合光学系统的耦合输出光输入到同轴复合腔的耦合输入端口，同轴复合腔的输出激光照射在输出耦合器的窗口，RF泵浦电源的电极接同轴复合腔的RF激励电极，水泵分别接同轴复合腔水输出端和水输入端，同轴复合腔的传感器输出端接系统控制器信号输入端，系统控制器的泵浦光源功率控制输出端接泵浦光源控制信号输入端，系统控制器的RF电源功率控制输出端接RF泵浦电源控制信号输入端，系统控制器的水泵开关信号输出端接水泵。
文档编号H01S3/10GK102593699SQ20121009182
公开日2012年7月18日 申请日期2012年3月30日 优先权日2012年3月30日
发明者卢希钊, 林春, 谢海鹤, 黄元庆 申请人:厦门大学