本公开涉及激光技术领域，具体涉及一种可实现三种波长输出的连续/脉冲叠加式单光束固体激光器。
背景技术：
目前，激光钻孔、激光打标已经广泛地应用于各类精密工业加工领域。为了提高激光钻孔、激光打标效率，人们依靠大功率的连续激光照射材料并使其熔化的同时，依靠窄脉冲宽度、高峰值功率的脉冲激光使处于熔覆状态的辐照区域材料溅射和汽化，从而实现快速、高效的激光钻孔、激光打标。
目前传统方法是将一台连续输出的激光器与一台脉冲输出的激光器进行组合，将连续激光与脉冲激光进行空间叠加合束，产生具有单光束形式的连续\脉冲叠加激光束。此类方法虽然能够具有两种特性的激光束可控、能够获得稳定的连续\脉冲叠加式激光束的优点，但是由于使用两台激光器，造成系统的成本高昂、体积庞大、运行复杂、激光波长固定单一，限制了它在激光加工领域的应用范围。
技术实现要素：
为了解决上述问题，本公开提供一种基于复合谐振腔结构、能够输出连续/脉冲叠加式单光束固体激光器。
所述连续/脉冲叠加式单光束固体激光器包括：第一类平凹反射镜、第一偏振元件(7)、第一类平面输出镜、第二类平面输出镜，其中：
所述第一类平凹反射镜、第一偏振元件(7)、第一类平面输出镜形成第一谐振腔；
所述第一类平凹反射镜、第二类平面输出镜形成第二谐振腔；
所述第一偏振元件(7)位于第一类平凹反射镜与第二类平面输出镜之间，三者的光心在一条直线上；
在第一偏振元件(7)和第二类平面输出镜之间有Q开关(12)，三者的光心在一条直线上；
所述第一类平凹反射镜(1)与第一偏振元件(7)之间有受激辐射光源，用于产生非偏振受激辐射荧光；
所述非偏振受激辐射荧光经第一偏振元件(7)分解为s-偏振受激荧光和p-偏振受激辐射荧光；
所述s-偏振受激辐射荧光经第一谐振腔振荡放大后输出s-偏振连续激光；
所述p-偏振受激辐射荧光经Q开关(12)调制，在第二谐振腔内振荡放大后输出p-偏振脉冲激光；
所述s-偏振连续激光与p-偏振脉冲激光在相同传播方向上重合叠加。
进一步地，所述第一类平凹反射镜的曲率半径为1000nm，包括第一平凹反射镜(1)、第二平凹反射镜(2)、第三平凹反射镜(3)，其中：
所述第一平凹反射镜(1)的平面镀制0°入射1064nm、1319nm波长的双色增透膜，其凹面镀制0°入射946nm波长的高反膜和1064nm、1319nm波长的双色增透膜；
所述第二平凹反射镜(2)的平面不镀膜，其凹面镀制0°入射的1064nm波长的高反膜；
所述第三平凹反射镜(3)的平面镀制0°入射1064nm波长的增透膜，其凹面镀制0°入射1319nm波长的高反膜和1064nm波长的增透膜。
进一步地，所述第一类平面输出镜包括第一输出镜(8)、第二输出镜(9)、第三输出镜(10)，其中：
所述第一输出镜(8)靠近第一偏振元件(7)的平面镀制0°入射946nm波长的部分反射膜和1064nm、1319nm波长的双色增透膜，其另一平面镀制0°入射946nm、1064nm、1319nm波长的三色增透膜；
所述第二输出镜(9)靠近第一偏振元件(7)的平面镀制0°入射1064nm波长的部分反射膜，其另一平面镀制0°入射1064nm波长的增透膜；
所述第三输出镜(10)靠近第一偏振元件(7)的平面镀制0°入射1319nm波长的部分反射膜和1064nm波长的增透膜，其另一平面镀制0°入射1064nm、1319nm波长的双色增透膜。
进一步地，所述第二类平面输出镜包括第四输出镜(13)、第五输出镜(14)、第六输出镜(15)，其中：
所述第四输出镜(13)靠近第一偏振元件(7)的平面镀制0°入射946nm部分反射膜和1064nm、1319nm波长的双色增透膜，其另一平面镀制0°入射946nm、1064nm、1319nm波长的三色增透膜；
所述第五输出镜(14)靠近第一偏振元件(7)的平面镀制0°入射1064nm部分反射膜，其另一平面镀制0°入射的1064nm波长的增透膜；
所述第六输出镜(15)靠近第一偏振元件(7)的平面镀制0°入射1319nm部分反射膜和1064nm波长的增透膜，其另一平面镀制0°入射1064nm、1319nm波长的双色增透膜。
进一步地，所述第一类平凹反射镜位于第一电动平移台(4)上，第一类平面输出镜位于在第二电动平移台(11)上，第二类平面输出镜位于在第三电动平移台(16)上；
所述第一类平凹反射镜、第一类平面输出镜、第二类平面输出镜的位置均能够通过其所在的电动平移台沿垂直于对应光路的同一直线方向调节。
进一步地，所述调Q元件为声光晶体(12)。
进一步地，所述s-偏振连续激光经第一类平面输出镜输出后，依次经第二偏振元件(17)、第三偏振元件(18)、第四偏振元件(19)反射，与经第四偏振元件(19)全透射的p-偏振脉冲激光在相同传播方向上重合叠加。
进一步地，所述s-偏振连续激光在所述第二偏振元件(17)、第三偏振元件(18)、第四偏振元件(19)上的入射角均为56.7°。
进一步地，所述p-偏振脉冲激光在所述第四偏振元件(19)上的入射角为56.7°。
进一步地，所述受激辐射光源包括Nd：YAG晶体棒(5)、半导体激光侧泵模块(6)，其中：
所述Nd：YAG晶体棒(5)为激光增益介质，在吸收半导体激光侧泵模块(6)的半导体激光能量后，同时产生946nm、1064nm和1319nm三种波长非偏振受激辐射荧光。
与现有技术相比，本公开的激光器具备以下优点：
1)将p-偏振脉冲激光谐振腔和s-偏振连续激光谐振腔组成一个复合折叠型谐振腔，并利用第一偏振元件进行分光，实现同波长的p-偏振脉冲激光和s-偏振连续激光同时振荡输出。
2)采用Nd：YAG晶体棒和半导体激光侧泵模块作为受激辐射光源，能够同时产生946nm、1064nm和1319nm三种波长的非偏振受激辐射荧光，并利用电动平移台调整反射镜和输出镜，可以构成多组谐振腔，实现三种波长的p-偏振脉冲激光和与其同波长的s-偏振连续激光同时输出。
3)依次以56.7°布儒斯特角第二偏振元件、第三偏振元件和第四偏振元件反射的s-偏振连续激光和经过第四偏振元件以56.7°布儒斯特角透射且波长相同的p-偏振脉冲激光它们相同传播方向上实现叠加式合束，使得激光器结构紧凑，并能够产生具有单光束形式的连续\脉冲叠加激光束，从而解决了两台同波长的激光器完成叠加式合束所造成的成本高昂、体积庞大、运行复杂、激光波长固定单一的问题，具有很强的实用性。
附图说明
图1为本公开一个实施例中关于连续/脉冲叠加式单光束固体激光器结构示意图；
其中：1、第一平凹反射镜；2、第二平凹反射镜；3、第三平凹反射镜；4、第一电动平移台；5、Nd：YAG晶体棒；6、半导体激光侧泵模块；7、第一偏振元件；8、第一输出镜；9、第二输出镜；10、第三输出镜；11、第二电动平移台；12、调Q元件；13、第四输出镜；14、第五输出镜；15、第六输出镜；16、第三电动平移台；17、第二偏振元件；18、第三偏振元件；19、第四偏振元件。
具体实施方式
下面结合图1阐述连续/脉冲叠加式单光束固体激光器。
激光器在使用同一受激辐射光源的前提下，通过变换反射镜和输出镜，可以组成多组谐振腔。每组谐振腔包括第一谐振腔和第二谐振腔。第一谐振腔由第一类平凹反射镜、第一偏振元件(7)、第一类平面输出镜构成，用于振荡放大s偏振连续激光；第二谐振腔由第一类平凹反射镜、第二类平面输出镜构成，用于振荡放大p-偏振脉冲激光。在第一类平凹反射镜(1)与第一偏振元件(7)之间有受激辐射光源，用于产生非偏振受激辐射荧光，非偏振受激辐射荧光经第一偏振元件(7)分解为s-偏振受激荧光和p-偏振受激辐射荧光，其中：s-偏振受激辐射荧光经第一谐振腔振荡放大后输出s-偏振连续激光，p-偏振受激辐射荧光经第二谐振腔内的Q开关(12)调制，在第二谐振腔内振荡放大后输出p-偏振脉冲激光。所述s-偏振连续激光与p-偏振脉冲激光在相同传播方向上重合叠加。
Q开关(12)为声光晶体。所述声光晶体可以采用光学单轴声光晶体，主要有二氧化碲、钼酸铅、氯化亚汞等晶体。当外界的超声波通过声光晶体时，其内部密度发生周期性变化，导致折射率周期性变化，使通过声光晶体的p-偏振受激辐射荧光发生偏转，无法在谐振腔内振荡放大，更无法形成激光输出；当没有超声波存在时，通过声光晶体的p-偏振受激辐射荧光能够在谐振腔内振荡放大并形成激光输出；当超声波周期性地通过声光晶体时，就会产生p-偏振脉冲激光输出。
上述元件中，受激辐射光源、第一类平凹反射镜、第一偏振元件(7)、第二类平面输出镜四者光心在同一直线上。
第一类平凹反射镜、第一类平面输出镜和第二类平面输出镜的特征类型根据作用的不同波长选择。
图1中，第一类平凹反射镜包括第一平凹反射镜(1)、第二平凹反射镜(2)、第三平凹反射镜(3)，分别作用于946nm、1064nm、1319nm波长的激光，它们的曲率半径为1000nm，并具有下述特点：
第一平凹反射镜(1)的平面镀制0°入射1064nm、1319nm波长的双色增透膜，其凹面镀制0°入射946nm波长的高反膜和1064nm、1319nm波长的双色增透膜；
第二平凹反射镜(2)的平面不镀膜，其凹面镀制0°入射的1064nm波长的高反膜；
第三平凹反射镜(3)的平面镀制0°入射1064nm波长的增透膜，其凹面镀制0°入射1319nm波长的高反膜和1064nm波长的增透膜。
相应的，第一输出镜(8)靠近第一偏振元件(7)的平面镀制0°入射946nm波长的部分反射膜和1064nm、1319nm波长的双色增透膜，其另一平面镀制0°入射946nm、1064nm、1319nm波长的三色增透膜；第四输出镜(13)靠近第一偏振元件(7)的平面镀制0°入射946nm部分反射膜和1064nm、1319nm波长的双色增透膜，其另一平面镀制0°入射946nm、1064nm、1319nm波长的三色增透膜；
第二输出镜(9)靠近第一偏振元件(7)的平面镀制0°入射1064nm波长的部分反射膜，其另一平面镀制0°入射1064nm波长的增透膜；第五输出镜(14)靠近第一偏振元件(7)的平面镀制0°入射1064nm部分反射膜，其另一平面镀制0°入射的1064nm波长的增透膜；
第三输出镜(10)靠近第一偏振元件(7)的平面镀制0°入射1319nm波长的部分反射膜和1064nm波长的增透膜，其另一平面镀制0°入射1064nm、1319nm波长的双色增透膜；第六输出镜(15)靠近第一偏振元件(7)的平面镀制0°入射1319nm部分反射膜和1064nm波长的增透膜，其另一平面镀制0°入射1064nm、1319nm波长的双色增透膜。
这样，所述第一平凹反射镜(1)、第一偏振元件(7)、第一输出镜(8)形成第一谐振腔，用于振荡放大输出s-偏振946nm连续激光；第一平凹反射镜(1)、第四输出镜(13)形成第二谐振腔，用于振荡放大后输出p-偏振946nm脉冲激光；第二平凹反射镜(2)、第一偏振元件(7)、第二输出镜(9)形成第三谐振腔，用于振荡放大输出s-偏振1064nm连续激光；第二平凹反射镜(2)、第五输出镜(14)形成第四谐振腔，用于振荡放大后输出p-偏振1064nm脉冲激光；第三平凹反射镜(3)、第一偏振元件(7)、第三输出镜(10)形成第五谐振腔用于振荡放大输出s-偏振1319nm连续激光；第三平凹反射镜(3)、第六输出镜(15)形成第六谐振腔，用于振荡放大后输出p-偏振1319nm脉冲激光。
将第一平凹反射镜(1)、第二平凹反射镜(2)、第三平凹反射镜(3)放置在第一电动平移台(4)上，可以根据需要移动第一电动平移台(4)选择合适的反射镜。同理，也可以将第一输出镜(8)、第二输出镜(9)、第三输出镜(10)放置在第二电动平移台(11)上，将第四输出镜(13)、第五输出镜(14)、第六输出镜(15)放置在第三电动平移台(16)上。电动平移台可以方便根据不同波长的需要沿所对应光路的垂直直线上切换反射镜或输出镜。
所述受激辐射光源包括Nd：YAG晶体棒(5)、半导体激光侧泵模块(2)，其中：所述Nd：YAG晶体棒(5)为激光增益介质，在吸收半导体激光侧泵模块(2)的半导体激光能量后，可根据需要产生946nm、1064nm和1319nm三条的非偏振受激辐射荧光。半导体激光侧泵模块可以优选808nm半导体激光侧泵模块。
受激辐射光源产生的相应波长的受激辐射荧光经通过第一偏振元件(7)时，被第一偏振元件(7)分解为s-偏振受激辐射荧光和p-偏振受激辐射荧光。在s-偏振受激辐射荧光经第一谐振腔振荡放大形成s-偏振连续激光，p-偏振受激辐射荧光经第二谐振腔振荡放大形成p-偏振脉冲激光。在s-偏振连续激光和p-偏振脉冲激光传播的光路上增加偏振元件，可以改变s-偏振连续激光和/或p-偏振脉冲激光的传播方向，以使s-偏振连续激光和p-偏振脉冲激光的传播方向相同，使它们在相同传播方向上重合叠加。
在图1中，在s-偏振连续激光和p-偏振脉冲激光传播的光路上设置第二偏振元件(17)、第三偏振元件(18)、第四偏振元件(19)，通过第二偏振元件(17)、第三偏振元件(18)、第四偏振元件(19)改变s-偏振连续激光的传播方向，使其传播方向与p-偏振脉冲激光的传播方向相同，并与全透过第四偏振元件(19)的p-偏振脉冲激光进行重合叠加。
进一步地，基于布儒斯特原理，第二偏振元件(17)、第三偏振元件(18)、第四偏振元件(19)与入射光的角度为56.7°夹角。
将第一偏振元件(7)和第二类平面输出镜之间的光路作为第一直线光路，将第一偏振元件(7)和第一类平面输出镜之间的光路作为第二直线光路，第二直线光路的方向与第一直线光路的方向成66.6°夹角。将第二偏振元件(17)、第三偏振元件(18)所在的光路作为第三直线光路，第三直线光路的方向与第二直线光路的方向成66.6°夹角。将第三偏振元件(18)、第四偏振元件(19)所在的光路作为第四直线光路，第四直线光路的方向与第三直线光路的方向成66.6°夹角。图1中，第一直线光路沿水平方向向右传播，第二直线光路沿右上方传播，第三直线光路在第一水平光路的上边并沿水平方向向右传播，第四直线光路在第二直线光路的右边并沿右下方传播。并且，第二直线光路与第一直线光路的交点在第一偏振元件(7)左侧平面上，第三直线光路与第二直线光路的交点在第二偏振元件(17)的右侧平面上，第四直线光路与第三直线光路的交点在第三偏振元件(18)的左侧平面上，第四直线光路与第一直线光路的交点第四偏振元件(19)的右侧平面上。
上述直线光路均在同一水平面上，这是一种优选方式，可以使激光器结构紧凑，方便调整构成激光器的各个元件。但是各元件也可以根据需要部署，存在直线光路不在同一水平面的可能。
在一个实施例中，在Nd：YAG晶体棒直径为4mm，棒长75mm，Nd3+离子掺杂浓度为0.9at.％，半导体激光侧泵模块中的808nm半导体激光总泵浦功率为600W，第一输出镜(8)对s-偏振946nm连续激光部分透射的透射率为T＝5.6％，第二输出镜(9)对s-偏振1064nm连续激光部分透射的透射率为T＝20％，第三输出镜(10)对s-偏振1319nm连续激光部分透射的透射率为T＝8.8％，第四输出镜(13)对p-偏振946nm脉冲激光部分透射的透射率为T＝10.5％，第五输出镜(14)对p-偏振1064nm脉冲激光部分透射的透射率为T＝33.2％，第六输出镜(15)对p-偏振1319nm脉冲激光部分透射的透射率为T＝15.0％的实验条件下，对连续/脉冲叠加式单光束固体激光器分别产生波长为946nm、1064nm、1319nm的连续/脉冲叠加单束激光的最大叠加输出功率进行了测量，同时还测量了s-偏振连续激光被第二偏振元件(17)反射之前的最大连续输出功率、p-偏振脉冲激光被第四偏振元件(19)透射之前的最大平均功率、以及p-偏振脉冲激光的脉冲重复频率，相关测量值参见表1。
表1
从表1可以看出，将从同一激光辐射光源同时产生、相同波长的s偏振连续激光与p-偏振脉冲激光通过叠加合束的方式能够获得高功率连续\脉冲叠加式单光束激光。在不更换激光辐射光源的前提下，通过更换相应的反射镜和输出镜，可以获得三种波长的高功率连续\脉冲叠加式单光束激光，并且合束效率均达到了99％左右。
由此，本公开提出的一种连续\脉冲叠加式单光束固体激光器，与目前常规的基于一台连续输出的激光器与一台脉冲输出的激光器通过空间合束获得单光束形式的连续\脉冲叠加激光比较，具有三种复合谐振腔的结构特点，价格低廉、结构紧凑、运行可靠，特别是利用同一激光受激辐射光源可分别获得946nm、1064nm、1319nm三种波长的高功率连续\脉冲叠加式单光束激光，提高了激光受激辐射光源的能量转换效率，因此具有很强的实用性。
以上对本公开进行了详细介绍，文本中应用了具体个例对本公开的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本公开的方法及其核心思想；同时，对于本领域技术人员，依据本公开的思量，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本公开的限制。