高功率全固态紧凑皮秒激光器的制作方法

本实用新型涉及固态皮秒激光器，具体涉及全固态紧凑皮秒激光器。

背景技术：

随着超快激光技术的迅速发展，各种皮秒脉冲激光在工业加工、激光医疗、军事以及科学研究等领域的应用需求不断增加。例如:全固态皮秒激光器(脉冲10 皮秒左右，重复频率在80M 左右)，很好的符合了激光加工对激光器的性能需求，广泛应用于精细加工、准连续紫外电路板加工、激光材料处理、激光熔接、清洗、打标、晶片检测，以及精细三维印刷技术等方面。

由此可见，在体积小巧、结构紧凑、性能稳定、全固体化的器件上实现高功率、高效率、高稳起性和长寿命激光器的输出是激光领域今后发展的方向。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是实现高功率高光束质量的全固态紧凑皮秒激光输出的问题。

为了解决上述技术问题，本实用新型提供一种高功率全固态紧凑皮秒激光器，包括底板、底层光路和上层光路，底层光路设在底板平面上，包括：半导体激光泵浦源、激光晶体和底层谐振腔，所述激光晶体设置在所述底层谐振腔内；所述底层谐振腔包括激光输出镜、热补偿负透镜、第一平凹反射镜、第一平面反射镜和平面输出镜；上层光路为由第二平凹反射镜和锁模装置构成的上层谐振腔；所述半导体激光泵浦源发出的泵浦光进入所述底层谐振腔，所述热补偿负透镜的射入面为平面，射出面为凸向所述激光晶体的凸面，所述凸面镀有高反射膜且曲率半径等于所述激光晶体的等效热透镜焦距的两倍，所述热补偿负透镜设在半导体激光泵浦源和所述激光晶体之间，紧邻所述激光晶体且具有仰角，其法线方向与泵浦光在垂直底板方向具有夹角，所述平面输出镜设置在所述热补偿负透镜的透射光路上且射入面镀信号光部分反射膜，在整个谐振腔内，信号光振荡一次的路线为:激光晶体、第一平凹反射镜、第一平面反射镜、平面输出镜、第一平面反射镜、第一平凹反射镜、激光晶体、热补偿负透镜、第二平凹反射镜、锁模装置、第二平凹反射镜、热补偿负透镜、激光晶体。

进一步，所述热补偿负透镜的射入面镀泵浦光增透膜。

进一步，所述激光晶体的射入面镀泵浦光增透膜，射出面镀信号光增透膜。

进一步，所述第一平凹反射镜和第二平凹反射镜的反射面镀信号光高反射膜。

进一步，所述锁模装置为半导体可饱和吸收镜。

进一步，所述平面输出镜对信号光的反射率为80% 。

在上述方案中,所述半导体激光泵浦源发出的泵浦光经光束整形装置准直聚焦后进入所述底层谐振腔。

在上述方案中，所述第一平凹反射镜的凹面曲率半径为1000mm 到1500mm，所述第二平凹反射镜的凹面曲率半径在200mm 到1000mm ，所述第一平凹反射镜和第二平凹反射镜的法线方向与信号光光路方向的夹角均为5度。

在上述方案中,所述激光输出镜放置在所述热补偿负透镜的反射光路上，且所述激光输出镜的反射面与入射光垂直。

在上述方案中，所述半导体可饱和吸收镜设置在所述第二平凹反射镜的反射光路上，并使得入射光从各自光路反射回去。

在上述方案中，所述激光输出镜对信号光的反射率为70% 。

本实用新型，在激光晶体的射入端设置了热补偿负透镜且热补偿负透镜紧邻激光晶体放置，激光晶体等效热透镜的焦距的两倍与热补偿负透镜的凸面曲率半径相匹配，从而利用热补偿负透镜对激光晶体的热透镜效应进行补偿，加大了激光晶体中基模光斑半径，增加了激光晶体中基模体积，大大提高了全固态皮秒激光器的输出功率和光束质量，也提高了固态皮秒激光器的热稳定性，实现了高功率全固态紧凑皮秒激光器的稳定运行。

附图说明

图1为本实用新型底层光路的结构示意图。

图2为本实用新型上层光路的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做出详细的说明。

如图1和2所示，本实用新型提供的高功率全固态紧凑皮秒激光器，包括底板、底层光路和上层光路，底层光路直接固定在底板上，位于第一高度平面。上层光路位于高于第一高度的第二高度平面。底层光路包括：半导体激光泵浦源1 、激光晶体2 和底层谐振腔。底层谐振腔由平面输出镜6、热补偿负透镜3、第一平凹反射镜4和第一平面反射镜5构成。上层光路为上层谐振腔，包括：第二平凹反射镜7和锁模装置8。底层谐振腔和上层谐振腔构成完整谐振腔。

半导体激光泵浦源1 为880nm 半导体激光器，由半导体激光泵浦源1 发出的泵浦光准直聚焦，然后从端面入射到激光晶体2 内。

激光晶体2 选用的是Nd :YV04 或Nd:GdV04 晶体，两端通光面分别镀泵浦光和信号光增透膜，作为高功率全固态皮秒激光器的工作物质，激光晶体2设置在谐振腔内。

热补偿负透镜3所用镜片为平凸镜，其中，热补偿负透镜3 的射入面为平面且具有仰角，其法线方向与泵浦光具有小夹角，热补偿负透镜3 的射出面为凸面，根据光学定义凸面的曲半径为负，所以称为负透镜。

假如半导体激光泵浦源1 发出光(平行光)直接入射到激光晶体2上，激光晶体2会发热，等效为一个凸透镜，若此时平行光经过激光晶体2，平行光会变成会聚光，现采用热补偿负透镜3补偿激光晶体2的热透镜效应，半导体激光泵浦源1发出光入射到热补偿负透镜的射入平面上，透过凸面后射出，此时，热补偿负透镜3作为凹透镜，凹透镜和激光晶体2构成了一个扩束镜，平行光经过扩束镜之后光斑会变大，从而抵消激光晶体2受热变成凸透镜这个现象。

底层谐振腔由平面输出镜6、热补偿负透镜3、第一平凹反射镜4和第一平面反射镜5构成。热补偿负透镜3的射入面镀泵浦光增透膜，热补偿负透镜3的射出面镀信号光高反射膜。第一平凹反射镜4和第二平凹反射镜7的反射面镀信号光高反射膜，第一平面反射镜5的反射面镀信号光高反射膜。

锁模装置采用的是半导体可饱和吸收镜，作为高功率全固态皮秒激光器的被动锁模元件。半导体可饱和吸收镜8 的反射面对信号光的高反射率随时间发生变化，因此信号光形成皮秒脉冲输出，激光晶体2两端通光面镀了信号光增透膜，降低了全固态皮秒激光器的腔内损耗。

激光平面输出镜6 镀信号光部分反射膜，对信号光部分反射，其反射率可根据具体输出情况进行调整，本实施例中，激光平面输出镜6 对信号光的反射率为80% 。

热补偿负透镜3放置在泵浦光1和激光晶体2之间，用于补偿激光晶体2的热透镜效应。第一平凹反射镜4放置在激光晶体2 的轴向光路上，为了增加全固态皮秒激光器的光学谐振腔长度，第一平凹反射镜4凹面的曲率半径选取在1000mm 到1500mm间，第一平凹反射镜4的法线方向与信号光光路方向的夹角尽可能小(本实施例中，夹角选取为5度 )，以便减小第一平凹反射镜4子午面与弧矢面的象散。为了控制半导体可饱和吸收镜8上激光光斑大小和增加全固态皮秒激光器的光学谐振腔长度，在第一平凹反射镜的反射光路上放置了第一平面反射镜5，激光平面输出镜6 放置在第一平面反射镜5的反射光路上，由于激光输出镜6对信号光有部分透过率，因此信号光从激光平面输出镜6输出。由于热补偿负透镜3存在的仰角，光线经过热补偿负透镜3反射向上进入上层光路。第二平凹反射镜7放置在热补偿负透镜3的反射回路上，凹面的曲率半径在200mm 到1000mm 之间，同理，第二平凹反射镜7的法线方向与信号光光路方向的夹角也应尽可能小(本例夹角地取为5度 )，以便减小第二平凹反射镜7子午面与弧矢面的象散。半导体可饱和吸收镜8放置在第二平凹反射镜7的反射光路上，并使得入射光从原路反射回去。

众所周知，谐振腔的作用是为高功率全固态皮秒激光器提供正反馈，激光晶体中激光光斑半径大小和半导体可饱和吸收镜上激光光斑半径大小与调Q 锁模输出功率密切相关，因此，为了保证高功率全固态皮秒激光器正常工作，谐振腔内的相邻器件之间的距离必须满足激光振荡条件，通过调节谐振腔内反射器件的距离以实现全固态皮秒激光器的稳定运行。在连续锁模情况下，皮秒激光的重复频率跟光学谐振腔长度有关(光学谐振腔长度，为了降低重复频率，本实施例中光学谐振腔长度选取为2米，复频率为50MHZ。本发明提供的高功率全固态皮秒激光器的工作过程如下:由半导体激光泵浦源1发出的泵浦光经过光束整形装置准直聚焦后，穿过热补偿负透镜3从端面入射到激光晶体2中，激光晶体2吸收了泵浦光并激发出信号光，信号光在谐振腔内震荡形成稳定激光，并由激光平面输出镜6稳定输出。本实施例中，以激光晶体2为起点，皮秒激光震荡一个脉冲，即一周的路线为:激光晶体2→第一平凹反射镜4→第一平面反射镜5→平面输出镜6→第一平面反射镜5→第一平凹反射镜4→激光晶体2 →热补偿负透镜3 →第二平凹反射镜7→半导体可饱和吸收镜8→第二平凹反射镜7→热补偿负透镜3，最后回到激光晶体2。

本实用新型，采用了热补偿负透镜对激光晶体的热透镜效应进行补偿，提高了全固态皮秒激光器的输出功率和光束质量，也提高了全固态皮秒激光器的热稳定性，实现了固态皮秒激光器的稳定运行。另外，光学谐振腔内设有双平凹反射镜，使得激光晶体和半导体可饱和吸收镜上激光光斑半径大小的调节成为可能，并增加了光学谐振腔长，大大降低了固态皮秒激光器的重复频率。最后，通过提高全固态皮秒激光器的输出功率和降低全固态皮秒激光器的重复频率，大大提高了全固态皮秒激光器的单脉冲能量。

本实用新型不局限于上述最佳实施方式，任何人应该得知在本实用新型的启示下作出的结构变化，凡是与本实用新型具有相同或相近的技术方案，均落入本实用新型的保护范围之内。