一种新型固体激光器的制作方法

本发明涉及激光技术领域，具体涉及一种新型固体激光器。

背景技术：

扩散键合，就是首先将两块晶体经过一系列表面处理后，紧密地贴在一起，在室温下形成光胶，然后再对晶体进行热处理，在无须其他粘结剂的情况下形成永久性键合，实验表明：不掺杂的晶体键合在同基质掺杂晶体的两端作为端帽时，端面温升很小，接近冷却剂的温度，减少了热透镜效应和分光镀膜的热诱导波长移动造成的端面扭曲，有利于激光器的稳定及高功率的激光运转。因此这种热键合技术在激光应用方面不仅可以大大改善激光热性能和光束质量，而且有利于激光系统的集成化和获得大尺寸晶体。

目前常用于产生黄光激光的技术手段三种，第一种通过激光增益介质直接实现或者倍频实现黄光激光输出。由于这些材料极其罕有，且难以找到与其匹配的泵浦源，因此其发展十分缓慢；第二种采用双波长和频的方式实现黄光输出，通常是采用掺杂nd³⁺离子材料产生1.06μm和1.3μm的激光后对其进行和频获得黄光波段的激光。在实际操作中，既可以利用同一块晶体和同一个谐振腔通过设置耦合输出镜模块的透过率，使两个波长的激光在腔内同时起振并实现和频，也可以分别设置输出波长为1.06μm和1.3μm的激光器，将两者耦合到同一个光路中再进行和频处理。前者结构简单，但是实现难度大，稳定性差，后者需要两个激光器作为泵浦源，系统复杂昂贵，不利于实际应用；第三种是通过对基频激光进行拉曼频移后进行倍频(或者和频)获得黄光激光输出，尽管这种方法涉及拉曼移频和倍频(或者和频)两次非线性转换，但由于对应的激光晶体、拉曼晶体以及变频晶体的生长技术已经十分成熟，且容易找到合适的泵浦源，通过合适的谐振腔设计能够获得效率可观的黄光激光输出。然而，现有的利用拉曼频移后进行倍频(或者和频)获得黄光激光的激光器由于采用连续输出的方式导致拉曼晶体的转化率极低，拉曼晶体及倍频晶体对基频光的转换效率与基频光的脉冲能量、峰值功率等密切相关，严重影响激光器的输出效率，因此需要在时间维度上对能量进行压缩，通过产生脉冲的方式提高拉曼晶体的转换效率，即调q技术。主动调q类的声光调q开关和电光调q开关价格昂贵，体积大，大概为60*40*40mm，使得激光器结构不紧凑，并且需要一个近十倍主动调q开关体积大小的电源(约为170*80*70mm)来驱动，这类调q方式不适合应用到产品中。

因此行业内急需一种采用被动调q的便于调节、结构紧凑、体积小、能广泛应用的固体激光器。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服以上现有技术存在的不足，提供了一种采用被动调q的便于调节、结构紧凑的新型固体激光器。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：

一种新型固体激光器，包括：泵浦系统、激光系统、用于对激光系统和泵浦系统进行散热的风冷系统；所述泵浦系统、激光系统设置在金属外壳内，所述激光系统还由封装壳进行单独封装，所述泵浦系统包括驱动电源、半导体激光泵浦阵列和聚焦透镜组；所述驱动电源驱动半导体激光泵浦阵列发出泵浦光，所述泵浦光经聚焦透镜组输入到激光系统中，所述激光系统包括：输入镜模块、键合晶体模块、中间镜模块、非线性晶体模块和输出镜模块；所述输入镜模块、键合晶体模块、中间镜模块、非线性晶体模块和输出镜模块依次设置组成谐振腔；所述输入镜模块、键合晶体模块、中间镜模块、非线性晶体模块和输出镜模块位于同一光轴；所述键合晶体模块包括键合晶体，所述半导体激光泵浦阵列的输出波长与键合晶体模块的激光晶体的吸收峰相匹配，在激光晶体的侧边热键合倾斜状的被动调q的可饱和吸收体，键合有可饱和吸收体的激光晶体两侧边再各键合一块无掺杂的散热基质材料形成键合晶体，所述非线性晶体模块包括拉曼晶体和倍频晶体，所述的输入镜模块的输入镜上镀有对泵浦光高透射，对基频光高反射的介质膜，中间镜模块的中间镜上镀有对基频光高透射，对泵浦光、拉曼光与倍频光高反射的介质膜，输出镜模块的输出镜上镀有对基频光与拉曼光高反射，对倍频光部分透射的介质膜。

优选地，所述键合晶体模块和非线性晶体模块包括相同的第一安装调节单元，所述第一安装调节单元包括固定压片、晶体散热块、晶体铝合金支架、封装塑胶件、晶体俯仰角度调节压片、晶体左右角度调节压片、晶体垂直连接轴、晶体水平连接轴、固定金属架；所述风冷系统包括紫铜散热片和tec制冷片；所述键合晶体、拉曼晶体和倍频晶体均包裹上铟箔，所述固定压片将键合晶体、拉曼晶体和倍频晶体分别固定在晶体散热块上，晶体散热块通过晶体垂直连接轴活动连接在晶体铝合金支架上，晶体铝合金支架的侧方设置有晶体水平连接轴，晶体铝合金支架通过晶体水平连接轴活动连接在固定金属架上，固定金属架固定在封装壳内部，晶体散热块上配有晶体左右角度调节压片，晶体铝合金支架上配有晶体俯仰角度调节压片，封装塑胶件设置在晶体散热块侧面凹陷处，tec制冷片放置在晶体散热块的侧面凹槽处，在tec制冷片的右边放置紫铜散热片，通过螺丝将封装塑胶件、tec制冷片和紫铜散热片固定在晶体散热块上。

优选地，所述中间镜模块和输出镜模块包括相同的第二安装调节单元，所述第二安装调节单元包括镜片固定架、镜片铝合金支架、镜片左右角度调节压片、镜片俯仰角度压片、镜片水平连接轴、镜片垂直连接轴和固定金属架；所述中间镜和输出镜分别固定在镜片固定架中，镜片固定架通过垂直连接轴活动连接在镜片铝合金支架中，镜片铝合金支架的侧方设置有水平连接轴，镜片铝合金支架通过水平连接轴活动连接在固定金属架上，固定金属架固定在封装壳内部，镜片铝合金支架上设置有镜片俯仰角度调节压片，镜片固定架上设置有镜片左右角度调节压片。

优选地，所述输入镜模块、键合晶体模块、中间镜模块、非线性晶体模块和输出镜模块均位于封装壳内部，封装壳靠近输出镜模块的一侧设置有出光口封装镜片，出光口封装镜片上镀有对可见光及近红外光吸收小的介质膜。

优选地，所述风冷系统还包括：散热风扇，所述半导体激光泵浦阵列还配置有散热风扇，所述半导体激光泵浦阵列贴合有紫铜散热片，所述紫铜散热片表面设置有匹配tec制冷片的凹槽，所述tec制冷片设置在所述凹槽处。

优选地，所述激光晶体为yb:yag、nd:yag、nd:yvo4、nd:ylf、钕玻璃的任意一种，键合晶体为yag/nd:yag/cr:yag/yag、yag/yb:yag/cr:yag/yag、yag/nd:yag/yag/cr:yag、yag/yb:yag/yag/cr:yag的任意一种。

优选地，金属外壳内还包括pcb板，tec制冷片及散热风扇均和pcb板连接，tec制冷片及散热风扇均由驱动电源驱动。

优选地，所述封装壳为不锈钢壳。

优选地，金属外壳表面装有散热风扇。

本发明相对于现有技术具有如下优点：

本方案通过在激光晶体的侧边热键合倾斜状的被动调q的可饱和吸收体，键合有可饱和吸收体的激光晶体两侧边还各键合一块无掺杂的基质材料形成键合晶体，实现被动调q方式，减小该新型固体激光器的体积。采用斜面的可饱和吸收体代替常规的可饱和吸收体，通过泵浦光上下移动或者键合晶体上下移动时，激光穿过不同厚度的可饱和吸收体，获得不同的初始透过率，基频光会被调节为脉冲能量不同的脉冲激光，从而实现被动调q激光的脉冲能量调节。本方案的键合晶体模块、中间镜模块、非线性晶体模块和输出镜模块上均设置有连接轴来实现谐振腔内部的可调节性，解决了倍频晶体的相位匹配问题，并且能延长晶体的使用寿命，在保证了稳定性的同时能够控制激光器的损耗，达到最优的激光输出。本方案通过独特的设计实现了结构紧凑的便携式固体激光器。该新型固体激光器的激光系统单独封装，保证了激光器的稳定性，该激光器设计有激光晶体模块、中间镜模块、非线性晶体模块、输出镜模块，能够满足众多波长激光的生产条件，能够通过更换晶体以及部分组件就能够用于产生其他波长的激光，该激光器在固体激光领域具有广泛的应用性。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明的新型固体激光器的结构示意图。

图2为本发明的激光系统的平面结构示意图。

图3为本发明激光系统的光路示意图。

图4为本发明的键合晶体模块的结构示意图。

图5为本发明的键合晶体模块的结构爆炸图。

图6为本发明的输出镜模块的结构示意图。

其中：1为pcb板，2为半导体激光泵浦阵列，3为激光系统，4为激光器俯仰角度螺丝导向件，5为激光器左右角度螺丝导向件，6为散热风扇，7为出光口封装镜片。其中：301为激光传导光纤、302为耦合透镜组、303为输入镜模块、304为激光晶体模块、305为中间镜模块、306为非线性晶体模块、307为输出镜模块、308为出光口封装镜片模块、309为固定金属支架、310为紫铜散热片、311为输入镜模块、312为激光晶体、313为中间镜模块、314为拉曼晶体、315为倍频晶体、316为输出镜模块、317为泵浦光、318为基频光、319为拉曼光、320为倍频光、321为激光晶体、322为晶体散热块、323为固定压片、324为晶体铝合金支架、325为紫铜散热片、326为tec制冷片、327为封装塑胶件、328为晶体俯仰角度调节压片、329为晶体左右角度调节压片、330为晶体垂直连接轴、331为晶体水平连接轴、332为镜片固定架、333为镜片、334为镜片铝合金支架、335为镜片左右角度调节压片、336为镜片俯仰角度压片、337为镜片水平连接轴、338为镜片垂直连接轴。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

参见图1-5、一种新型固体激光器，包括：泵浦系统、激光系统3、用于对激光系统3和泵浦系统进行散热的风冷系统；所述泵浦系统、激光系统3设置在金属外壳内，所述激光系统3还由封装壳进行单独封装，所述泵浦系统包括驱动电源、半导体激光泵浦阵列2和聚焦透镜组302；所述驱动电源驱动半导体激光泵浦阵列2发出泵浦光317，所述泵浦光317经聚焦透镜组302输入到激光系统3中，所述激光系统3包括：输入镜模块303、键合晶体模块304、中间镜模块305、非线性晶体模块306和输出镜模块307；所述输入镜模块303、键合晶体模块304、中间镜模块305、非线性晶体模块306和输出镜模块307依次设置组成谐振腔；所述输入镜模块303、键合晶体模块304、中间镜模块305、非线性晶体模块306和输出镜模块307位于同一光轴；所述半导体激光泵浦阵列2的输出波长与键合晶体模块304的激光晶体的吸收峰相匹配，所述键合晶体模块304包括键合晶体312，在激光晶体的侧边热键合倾斜状的被动调q的可饱和吸收体，键合有可饱和吸收体的激光晶体两侧边再各键合一块无掺杂的基质材料形成键合晶体312，所述非线性晶体模块306包括拉曼晶体314和倍频晶体315，所述的输入镜模块303的输入镜311上镀有对泵浦光317高透射，对基频光318高反射的介质膜，中间镜模块305的中间镜313上镀有对基频光318高透射，对泵浦光317、拉曼光319与倍频光320高反射的介质膜，输出镜模块307的输出镜316上镀有对基频光318与拉曼光319高反射，对倍频光320部分透射的介质膜。

半导体激光泵浦阵列2产生的泵浦光317经过键合晶体312产生基频光318，基频光318通过拉曼晶体314产生拉曼光319，拉曼光319通过倍频晶体315产生倍频光320，即黄光激光输出。

具体的，本方案采用yag/nd:yag/yag/cr:yag键合晶体312、yvo4拉曼晶体314、ktp倍频晶体315。激光晶体nd:yag的的尺寸是4*4*15mm。在激光晶体的侧边热键合倾斜状的被动调q的可饱和吸收体cr:yag后，两端各键合一块无掺杂的基质材料yag。选用发射波长为808nm附近的半导体激光二极管阵列，泵浦光317最高输出功率为10w。输入镜311上镀的介质膜对泵浦光317(808nm左右)高透射(t>99.9％)，对基频光318(1064nm左右)高反射(r>99.9％)。中间镜313的一面上镀的介质膜对基频光318(1064nm左右)高透射，另一面上镀的介质膜对拉曼光319(1165nm及1175nm左右)与倍频光320(582nm及588nm左右)高反射。输出镜316上镀的介质膜对基频光318(1064nm左右)与拉曼光319(1165nm及1175nm左右)高反射，对倍频光320(582nm及588nm左右)部分透射(t＝15％)。

所述的泵浦系统中的半导体激光泵浦阵列2发出的光由激光传导光纤301传导至激光系统3。耦合透镜组302、光纤接口和所述激光系统3中的输入镜311安装在同一接口上并固定。

在本实施例，所述键合晶体312模块304和非线性晶体模块306包括相同的第一安装调节单元，所述第一安装调节单元包括固定压片323、晶体散热块322、晶体铝合金支架324、封装塑胶件327、晶体俯仰角度调节压片328、晶体左右角度调节压片329、晶体垂直连接轴330、晶体水平连接轴331、固定金属架309；所述风冷系统包括紫铜散热片325(310)和tec制冷片326；所述键合晶体312、拉曼晶体314和倍频晶体315均包裹上铟箔，保证两者的接触面积足够大。所述固定压片323将键合晶体312、拉曼晶体314和倍频晶体315分别固定在晶体散热块322上，晶体散热块322通过晶体垂直连接轴330活动连接在晶体铝合金支架324上，晶体铝合金支架324的侧方设置有晶体水平连接轴331，晶体铝合金支架324通过晶体水平连接轴331活动连接在固定金属架309上，固定金属架309固定在封装壳内部，晶体散热块322上配有晶体左右角度调节压片329，晶体铝合金支架324上配有晶体俯仰角度调节压片328，封装塑胶件327设置在晶体散热块322侧面凹陷处，tec制冷片326放置在晶体散热块322的侧面凹槽处，在tec制冷片326的右边放置紫铜散热片325，通过螺丝将封装塑胶件327、tec制冷片326和紫铜散热片325固定在晶体散热块322上。将热敏电阻插在固定压片323侧面，配合tec制冷片326和风冷温控系统(pcb板)使用，保证键合晶体312、拉曼晶体314、倍频晶体315的工作温度处于最佳状态。固定压片323和晶体散热块322的形状随激光增益介质(键合晶体312)的形状而定，并配有螺丝孔，固定激光增益介质，同时保证激光增益介质上表面的泵浦光317照射面积。其中321为键合晶体312。

在本方案晶体散热块322通过垂直连接轴固定在铝合金支架上。晶体(键合晶体312、拉曼晶体314、倍频晶体315)散热块通过垂直连接轴固定在晶体铝合金支架324上。晶体散热块322上配有晶体左右角度调节压片329，通过螺丝及螺丝导向件5上下调节晶体左右角度调节压片329左右位置实现晶体左右角度调节。晶体铝合金支架324通过晶体水平连接轴331固定在固定金属支架上。晶体铝合金支架324能够绕水平连接轴相对固定金属支架旋转，可实现晶体在垂直面上的旋转。晶体铝合金支架324上配有晶体俯仰角度调节压片328，通过螺丝及螺丝导向件4调节晶体的高度位置实现晶体俯仰角度调节。

在本实施例，所述中间镜模块305和输出镜模块307包括相同的第二安装调节单元，所述第二安装调节单元包括镜片固定架332、镜片铝合金支架334、镜片左右角度调节压片335、镜片俯仰角度压片336、镜片水平连接轴337、镜片垂直连接轴338和固定金属架309；所述中间镜313和输出镜316分别固定在镜片固定架332中，镜片固定架332通过垂直连接轴活动连接在镜片铝合金支架334中，镜片铝合金支架334的侧方设置有水平连接轴，镜片铝合金支架334通过水平连接轴活动连接在固定金属架309上，固定金属架309固定在封装壳内部，镜片铝合金支架334上设置有镜片俯仰角度调节压片336镜片固定架332上设置有镜片左右角度调节压片335。

本方案镜片固定支架大小随镜片333(中间镜313与输出镜316)尺寸变化，镜片尺寸φ可为10mm。镜片固定支架通过镜片垂直连接轴338固定在镜片铝合金支架334上。镜片固定支架上配有镜片左右角度调节压片335，通过螺丝及螺丝导向件5调节镜片左右角度调节压片335的左右位置实现镜片左右角度调节。镜片铝合金支架334通过镜片水平连接轴337固定在固定金属支架上。镜片铝合金支架334能够绕水平连接轴相对固定金属支架旋转，可实现镜片在垂直面上的旋转。镜片铝合金支架334上配有镜片俯仰角度调节压片，通过螺丝及螺丝导向件4调节镜片俯仰角度调节压片的高度位置实现镜片俯仰角度调节。所述激光系统3的固定金属支架上有固定孔，通过固定水平连接轴，使晶体与镜片保持在同一轴线上。

其中，依次将激光系统3的各个模块的水平连接轴(晶体水平连接轴331、镜片水平连接轴337)装入激光系统3的金属固定支架上，使得键合晶体312、中间镜313、非线性晶体(yvo4拉曼晶体314和ktp倍频晶体315)、输出镜316处在同一光轴上，再封装激光系统3的顶盖。再依次缓慢地调节俯仰、左右角度螺丝导向件，调节晶体及镜片的角度，使得激光系统3的谐振腔的损耗尽可能的低，实现最优质的黄光输出。

在本实施例，所述输入镜311模块303、键合晶体312模块304、中间镜313模块305、非线性晶体模块306和输出镜316模块307均位于封装壳内部，封装壳靠近输出镜316模块307的一侧设置有出光口封装镜片模块308，出光口封装镜片模块308包括出光口封装镜片7，出光口封装镜片7上镀有对可见光及近红外光吸收小的介质膜。所述激光系统3的激光晶体模块、中间镜313模块305、非线性晶体模块306及输出镜316模块307的用塑胶件及不锈钢壳单独封装，密封防尘。

在本实施例，所述风冷系统还包括：散热风扇，所述半导体激光泵浦阵列2配置有散热风扇6。所述半导体激光泵浦阵列2还贴合有紫铜散热片325，所述紫铜散热片325表面设置有匹配tec制冷片326的凹槽，所述tec制冷片326设置在所述凹槽处，增强散热。

在本实施例，金属外壳表面装有散热风扇6。

在本实施例，金属外壳内还包括pcb板1，tec制冷片326及散热风扇6均和pcb板连接，tec制冷片326及散热风扇6均由驱动电源驱动。所述的激光器配有四个tec制冷片326，尺寸均为30*30*3.2mm，配有四个散热风扇6，尺寸均为40*40*10mm，功率均为1.5w，tec制冷片326及散热风扇6均由驱动电源驱动。

在本实施例，所述封装壳为不锈钢壳。不锈钢壳的顶部可拆卸，并留有封装螺丝用于拆卸和组装激光系统3的各个模块。

在本实施例，俯仰角度螺丝导向件、左右角度螺丝导向件都是采用thorl的标准件。

所述的激光器的尺寸约为：长252mm、宽160mm、高110mm，外观件都是不锈钢件，通过喷漆、电镀、阳极处理来改善外观。

上述具体实施方式为本发明的优选实施例，并不能对本发明进行限定，其他的任何未背离本发明的技术方案而所做的改变或其它等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。