一种基于低束散角窄脉冲输出的激光器的制作方法

本发明涉及激光器技术领域，具体涉及一种基于低束散角窄脉冲输出的激光器。

背景技术

低束散角窄脉冲高峰值激光器在激光测距、激光加工、激光切割、激光三维成像、激光扫描等领域均具有广泛的应用。在技术实现上，激光器采用调q技术获得纳秒的激光输出，其发散角通常为几个毫弧度，然后再通过扩束系统对激光发散角进行压角。例如当发散角为3mrd，出口光斑为4mm的激光，经扩束系统对激光发散角进行压角，发散角压缩为0.3mrad时，光斑要达到40mm，这将会严重增加整个激光器系统体积和重量，不利于激光系统的小型化和轻量化。

激光系统小型化和轻量化已经成为未来激光发展的一个重要方向，减小整个激光系统体积和重量的一个重要措施是提高激光器自身的光束质量，即降低激光器的发散角。目前激光器减小束散角的方案主要有腔内插小孔法、端面泵浦法和腔外扩束压角法。腔内插小孔法主要应用于侧面泵浦的激光器，是通过增加腔内衍射损耗，抑制腔内高阶横模，实现近基模输出，这种方法由于过多的抑制了高阶横模，从而导致激光器的效率较低。端面泵浦法是泵浦光耦合到晶体基模体积内，获得近基模输出，同时克服了激光效率低的缺点，但是由于端面泵浦热效应较严重，激光发散角仍然较大。腔外扩束压角适用于所有类型的激光器，能有效的对激光器输出束散角进行压缩，但是输出的光斑尺寸会成倍的增长，导致后续的光路系统口径成倍增加，因而增加了激光器体积和重量，不利于系统的小型化。

影响激光器输出束散角的一个因素是激光谐振腔长度，谐振腔长度增加，可以相应减小激光束散角。但由于晶体热效应，谐振腔长度调整量不大，因此很少通过增加谐振腔长度来降低激光器输出的束散角。

在获得窄脉冲激光技术上，通常采用调q技术获得，但在长腔下，由于调q输出脉冲宽度与腔长有关，腔长越长，脉冲宽度也相应增加。

技术实现要素：

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明提出了一种基于超长腔实现低束散角输出的激光器。

本发明提出的一种基于超长腔实现低束散角输出的激光器包括第一全反镜、第一反射镜、第一反射板、第二反射板、板条晶体、晶体热沉、抽运模块、第二反射镜、输出镜、电光晶体、四分之一波片和第二全反镜，其中：

所述第一全反镜、第一反射镜、第二反射镜和输出镜依次光学同轴排列；

所述第一反射板、板条晶体和第二反射板依次排列，并位于光轴的一侧，使得经第一反射镜反射的光射入所述第一反射板与第二反射板之间；

所述第二全反镜、四分之一波片、电光晶体和输出镜依次排列，方向垂直于光轴；

所述第一全反镜、第一反射镜、第一反射板和第二反射板、第二反射镜、输出镜、电光晶体、四分之一波片和第二全反镜构成激光器的超长光学谐振腔；

所述抽运模块、晶体热沉和板条晶体沿光路方向依次排列，且所在平面垂直于谐振腔所在平面，所述晶体热沉紧贴所述板条晶体的一侧表面，用于传导所述板条晶体产生的热量，所述抽运模块用于为所述板条晶体提供泵浦光；

所述第一反射镜、第一反射板和第二反射板和第二反射镜组成激光发散角控制功能模块，通过增加所述激光器的超长光学谐振腔长度来降低激光的发散角；

所述电光晶体和四分之一波片组成激光谐振腔损耗控制模块。

可选地，所述板条晶体为键合晶体，包括非掺杂部分和掺杂部分，所述板条晶体上下两端为非掺杂部分，非掺杂部分的中间为掺杂部分，非掺杂部分与所述晶体热沉紧密接触。

可选地，所述板条晶体非掺杂部分的长度大于中间掺杂部分。

可选地，所述板条晶体的温度分布为中心温度高，两端温度低，温度梯度方向与激光方向保持一致。

可选地，所述第一反射镜和第二反射镜对称放置于第一反射板和第二反射板两端，所述第一反射镜和第二反射镜用于控制第一反射板和第二反射板反射光的角度。

可选地，所述第一反射镜、第一反射板和第二反射板镀有激光高反膜；第一反射镜和第二反射镜镀有角度的激光高反膜；输出镜镀有p光高透s光高反膜，和/或电光晶体和四分之一波片镀有激光高透膜。

可选地，所述激光器还包括两组抽运模块和晶体热沉。

可选地，所述激光器还包括小孔光阑，用于控制振荡光束光斑的大小和形状。

可选地，所述抽运模块为半导体激光器二维叠阵，由半导体厘米条排布组成，产生的泵浦光的波长对应于所述板条晶体的晶体吸收峰。

可选地，所述晶体热沉由紫铜制成，所述晶体热沉中心区域开口，使所述抽运模块产生的泵浦光直接照射到所述板条晶体中。

本发明通过独特设计，消除了晶体热透镜效应，在有限空间内有效增加了谐振腔长度，获得低束散角激光输出，并利用腔倒空的技术特点，弥补谐振腔过长影响脉冲宽度加宽的缺点，具有占用空间小、光束质量好，激光效率高的优点。

附图说明

图1是根据本发明一实施例的一种基于低束散角窄脉冲输出的激光器的结构示意图；

图2是根据本发明一实施例的单端泵浦板条晶体的结构示意图；

图3是根据本发明另一实施例的双端泵浦板条晶体的结构示意图；

图4是根据本发明另一实施例的一种基于低束散角窄脉冲输出的激光器的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

图1是根据本发明一实施例的一种基于低束散角窄脉冲输出的激光器的结构示意图，如图1所示，所述激光器包括第一全反镜1、第一反射镜3、第一反射板4、第二反射板5、板条晶体6、晶体热沉7、抽运模块8、第二反射镜9、输出镜10、电光晶体11、四分之一波片12和第二全反镜13，其中：

所述第一全反镜1、第一反射镜3、第二反射镜9和输出镜10依次光学同轴排列；

所述第一反射板4、板条晶体6和第二反射板5依次排列，并位于光轴的一侧，使得经第一反射镜3反射的光射入所述第一反射板4与第二反射板5之间；

所述第二全反镜13、四分之一波片12、电光晶体11和输出镜10依次排列，方向垂直于光轴；

所述第一全反镜1、第一反射镜3、第一反射板4和第二反射板5、第二反射镜9、输出镜10、电光晶体11、四分之一波片12和第二全反镜13构成激光器的超长光学谐振腔；

所述抽运模块8、晶体热沉7和板条晶体6沿光路方向依次排列，且所在平面垂直于谐振腔所在平面，所述晶体热沉7紧贴所述板条晶体6的一侧表面，用于传导所述板条晶体6产生的热量，所述抽运模块8用于为所述板条晶体6提供泵浦光；

所述第一反射镜3、第一反射板4和第二反射板5和第二反射镜9组成激光发散角控制功能模块，通过增加所述激光器的超长光学谐振腔长度来降低激光的发散角；

所述电光晶体11和四分之一波片12组成激光谐振腔损耗控制模块，通过电光晶体11施加四分之一方波电压，实现谐振腔损耗从高损耗到低损耗再到高损耗的状态变化，谐振腔高损耗对应于板条晶体6的增益升高过程，谐振腔低损耗对应于板条晶体6晶体储能转化为光子的过程，谐振腔再次高损耗对应于谐振腔光子的快速释放过程，输出窄脉冲激光。

所述抽运模块8产生的泵浦光从晶体热沉7的通光孔直接到达所述板条晶体6并被所述板条晶体6吸收，使所述板条晶体6的粒子向激光上能级跃迁，形成粒子数反转。当所述板条晶体6内反转粒子数量达到最大时，所述板条晶体6产生的增益也达到最大，此时对所述电光晶体11施加四分之一波长电压，所述电光晶体11产生的相位差与四分之一波片12产生的相位差相互抵消，此时谐振腔内损耗降低，所述板条晶体6的粒子跃迁产生激光，所述激光器增益开始下降。所述输出镜10镀有p光高透s光高反膜，当所述激光器增益下降到所述谐振腔阈值时，所述板条晶体6产生的激光，在输出镜10的p光高透s光高反的作用下，在谐振腔内以s偏振光往返振荡，由于谐振腔内增益与损耗达到平衡状态，s偏振光的光强逐渐增大。当腔内光强达到最大值时，将施加在电光晶体11上的四分之一波长电压迅速将为0，此时所述电光晶体11不再对光偏振状态进行控制，谐振腔中s偏振光才能经过所述四分之一波片12，经输出镜10以p偏振光形式输出得到窄脉冲激光。

本发明提出的基于低束散角窄脉冲输出的激光器，在获得低束散角的基础上，再利用腔倒空技术，弥补谐振腔过长影响脉冲宽度的缺点，具有占用空间小、光束质量好，激光效率高的优点。

图2是根据本发明一实施例的双端泵浦板条晶体的结构示意图，如图2所示，所述板条晶体6为键合晶体，包括非掺杂部分和掺杂部分，所述板条晶体6上下两端为非掺杂部分，非掺杂部分的中间为掺杂部分，所述非掺杂部分的端面与所述晶体热沉7紧密接触，其中，非掺杂部分的长度大于中间掺杂部分的长度，从所述板条晶体6的侧面看，所述板条晶体6呈现“工字型”。所述板条晶体6中的掺杂部分吸收所述抽运模块8产生泵浦光后，部分转化为热量，从而温度升高，高温掺杂部分将板条晶体6产生的热量向非掺杂部分传递，最后非掺杂部分通过与其紧密接触的所述晶体热沉7将产生的热量导出，保证所述板条晶体6产生热量的有效传导。

所述板条晶体6的温度分布为中心温度高，两端温度低，温度梯度方向与激光方向保持一致；由于光束传输方向与温度梯度方向传输保持一致，因此所述板条晶体6几乎不存在因泵浦产生的热透镜效应，为通过增加谐振腔长度降低发散角奠定基础。

在本发明一实施方式中，所述第一反射镜3和第二反射镜9对称放置于第一反射板4和第二反射板5两端，所述第一反射镜3和第二反射镜9用于控制第一反射板4和第二反射板5反射光的角度；第一反射镜3和第二反射镜9的入射角度越小，越有利于增加激光在第一反射板4和第二反射板5之间的反射次数，通过增加所述第一反射板4和第二反射板5的长度，即增加谐振腔的长度，能有效增加反射次数，从而达到控制压缩激光束散角的技术效果。

在本发明一实施方式中，所述第一全反镜1、第一反射板4、第二反射板5和第二全反镜13镀有激光高反膜，所述第一反射镜3和第二反射镜9镀有角度的激光高反膜，所述输出镜10镀有p光高透s光高反膜，所述电光晶体11和四分之一波片12镀有激光高透膜。

在本发明一实施方式中，所述激光器还可以包括两组抽运模块8和晶体热沉7，图3是本发明另一实施例的双端泵浦板条晶体的结构示意图，如图3所示，当所述激光器包括两组抽运模块8和晶体热沉7时，第一抽运模块、第一晶体热沉、板条晶体6、第二晶体热沉和第二抽运模块依次顺序排列，两晶体热沉紧贴所述板条晶体6的两侧表面，以保证所述板条晶体6热量的有效传导，当采用两组抽运模块8和晶体热沉7时，板条晶体6可以吸收更高的泵浦光，产生更高功率的窄脉冲激光输出。

在本发明一实施方式中，图4是根据本发明另一实施例的一种基于低束散角窄脉冲输出的激光器的结构示意图，如图4所示，所述激光器还包括小孔光阑2，用于控制振荡光束光斑的大小和形状，当小孔光阑2的孔较小时，振荡光束很小，为充分利用所述板条晶体6消除晶体热透镜效应，需要减小所述第一反射镜3入射到第二反射板5的角度，近似正入射，这样既能保证有较好的光斑形状，还能兼顾泵浦效率。在本发明一实施方式中，所述抽运模块8是半导体激光器二维叠阵，由多个半导体厘米条排布组成，产生的泵浦光直接照射到板条晶体6中，泵浦波长对应于所述板条晶体6的晶体吸收峰。

在本发明一实施方式中，所述抽运模块8的泵浦波长为808nm。

在本发明一实施方式中，所述晶体热沉7由导热性好的紫铜制成，所述晶体热沉7中心区域开口，使所述抽运模块8产生的泵浦光直接照射到板条晶体6中。

在本发明一实施方式中，所述晶体热沉7上下两端可以通过冷水冷却。

在本发明一实施方式中，所述晶体热沉7与板条晶体6使用高温导热固态胶紧密粘合。

在本发明一实施方式中，所述板条晶体6为键合nd：yag晶体，晶体呈现“工”字型，非掺杂部分两端镀有激光增透膜，非掺杂部分长度比掺杂部分长出0.5mm，非掺杂部分的长度增加有利于增加晶体的散热和减小光束截面的热梯度。两端非掺杂部分尺寸相同，尺寸为20×5×3mm，掺杂部分浓度为0.5atm％，尺寸为20×4×16mm，所述板条晶体6的两端非掺杂部分与晶体热沉7接触，单端接触面积为20×3mm。

在本发明一实施方式中，所述第一反射板4和第二反射板5长度相同，尺寸为100×10×6mm，反射面积为100×10mm，第一反射板4和第二反射板5两相对面镀有激光高反膜，两反射板间距为50mm。

在本发明一实施方式中，所述第一反射镜3和第二反射镜9镀有45度激光高反膜，尺寸为20×10mm，假设θ为第一反射镜3与水平方向的夹角，那么根据三角函数关系，入射到第二反射镜9的入射角θi＝2θ-90°。当θ>45°时，水平光束可以经第一反射镜3入射到第二反射板5中。实验中为了获得较好的实验效果，θ选用45°-47.5°之间的角度入射，入射到第二反射板5的入射角θi在0-47.5°之间，在此角度内，光束在第一反射板4和第二反射板5中多次反射的光束与晶体热分布方向保持一致。当θ＝47.5°时，θi＝5°，增加的谐振腔长度等于两反射板间距乘以在两反射板反射的次数，两反射板反射次数等于反射板长度除以入射角与两反射板间距的乘积计算出来，最终理论计算谐振腔长度可增加1.15m；当θ＝46.25°时，谐振腔长度增加至2.29m。采用相同谐振腔型，随着谐振腔长度增加，激光发散角近似呈现腔长的平方根减小，常规直径为4mm晶体棒，谐振腔长度为200mm激光器，激光发散角为3-4mrad，按照本申请中上述的技术方案，当谐振腔增加1.15m时，所述激光器发散角降低1.25-1.6mrad；当谐振腔增加2.29m时，所述激光器发散角降低0.8-1.18mrad，由此可见，通过本申请中的技术方案可以实现低束散角激光输出。

在本发明一实施方式中，所述输出镜10为45度p光高透s偏振的1064nm高反膜。

在本发明一实施方式中，所述电光晶体11为linbo3晶体，采用横向电光调q，晶体x轴两面施加电压。

在本发明一实施方式中，所述四分之一波片12镀有1064nm增透膜，口径为10mm。

在本发明一实施方式中，所述第一全反镜1和第二全反镜13为1064nm高反膜。

当所述激光器增益达到最大时，对所述电光晶体11迅速施加四分之一波长电压，通常上升沿为3-4ns以内，所述激光器的谐振腔内s偏振光不断增强放大，大约几十纳秒以后，当谐振腔内光强达到最大值时，电光晶体11上电压迅速降为零，下升沿为4ns以内，积累的激光迅速从输出镜10快速输出，脉冲宽度约为光在谐振腔内的往返时间。例如1.15m的谐振腔长度，脉冲宽度约为7.6ns，谐振腔长度为2.29m时，脉冲宽度约为15.2ns。

在本发明一实施方式中，所述电光晶体11还可以为kd*p、rtp和bbo等电光晶体，施加电压方向可以是横向加压也可以纵向加压。

在本发明一实施方式中，所述输出镜10可以为任意角度放置，表面镀有p光高透s偏振1064nm高反膜。

本发明通过独特设计，消除了晶体热透镜效应，在有限空间内有效增加谐振腔长度，获得低束散角激光输出，并利用腔倒空技术，弥补谐振腔过长影响脉冲宽度的缺点，具有占用空间小、光束质量好，激光效率高的优点。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。