一种全固态激光器的谐振腔及全固态激光器的制作方法

1.本实用新型属于激光器技术领域，具体地说，涉及一种全固态激光器的谐振腔及全固态激光器。


背景技术：

2.全固态激光器是指以半导体激光器(ld)作为泵浦源的固体激光器，通过泵浦源产生的泵浦光激发固态激光材料(也即激光增益介质)，最终产生输出的激光。一般情况下，所述固态激光材料只对特定波长范围内的泵浦光具有较好的吸收能力，但ld的发射光谱中心波长会随温度的升高或降低而变化，通常ld的中心波长漂移比率为0.3nm/℃，当全固态激光器的工作环境温度，尤其是泵浦源周围的环境温度发生变化时，会导致全固态激光器的输出能量、光束质量、能量稳定性等产生波动。
3.ld的温度敏感性导致了全固态激光器的环境适应性不好，现有技术中需要使用水冷或半导体制冷片对作为泵浦源的ld进行小环境温度控制。同时，由于需要控制ld的工作环境温度，还导致了整机的启动时间长，并且温控系统的加入又导致了整机的体积大、能耗高。如果可以取消全固态激光器的温控系统，将大幅降低整机总功耗，减小体积，缩短启动时间，使得其可以满足军工航天、激光医疗、激光加工等工作环境复杂行业的要求。为此，如何实现全固态激光器的无温控设计成为本领域的重要研究方向之一。
4.有鉴于此，特提出本实用新型。


技术实现要素：

5.本实用新型要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种全固态激光器的谐振腔及全固态激光器，在谐振腔内设置聚光组件，将发散角度较大的泵浦光转化为接近平行光的光束，并通过激光增益介质的第一端面对光束进行反射，使光束在激光增益介质中沿其长度延伸方向行进，实现了吸收路径长度的增大，进而可以提高激光增益介质的吸收效率，使全固态激光器可实现宽温下的稳定工作。
6.为解决上述技术问题，本实用新型采用技术方案的基本构思是：
7.一种全固态激光器的谐振腔，包括：
8.激光增益介质，沿谐振腔的光轴具有一定延伸长度，激光增益介质的一端具有第一端面；
9.泵浦源，设置在激光增益介质的一侧，用于产生向激光增益介质照射的泵浦光；
10.聚光组件，设置在泵浦源与激光增益介质之间，用于对泵浦源产生的泵浦光进行汇聚，得到发散度减小的光束；
11.所述光束透过激光增益介质的侧表面照射在第一端面上，经第一端面反射后沿激光增益介质的长度延伸方向行进，被激光增益介质吸收。
12.进一步地，所述第一端面与激光增益介质的长度延伸方向之间的夹角大小为α，所述泵浦光穿过聚光组件后得到的光束的行进方向与激光增益介质的长度延伸方向之间的
夹角大小为β；其中β＝2α，且α＜90
°
。
13.进一步地，所述第一端面与激光增益介质的长度延伸方向之间形成45
°
的夹角，所述光束垂直于激光增益介质的长度延伸方向照射在第一端面上。
14.进一步地，所述激光增益介质的另一端具有第二端面，所述第二端面与第一端面平行设置。
15.进一步地，所述激光增益介质的长度大于等于40mm。
16.进一步地，所述泵浦源包括n个平行排布的激光二极管巴条，所述激光二极管巴条上具有m个沿其长度方向分布的激光发射点。
17.进一步地，所述聚光组件包括：
18.第一透镜组，设置在泵浦源与激光增益介质之间，用于减小泵浦光在第一方向上的发散角；
19.第二透镜组，设置在泵浦源与第一透镜组之间，用于减小泵浦光在第二方向上的发散角，且所述第二方向与第一方向垂直。
20.进一步地，所述激光增益介质的另一端具有第二端面，所述谐振腔的光轴上还设置：
21.全反腔镜，与激光增益介质的第二端面间隔设置，用于反射接收的光线；
22.输出腔镜，与激光增益介质的第一端面间隔设置，用于对接收的光线进行部分反射以及部分透射。
23.进一步地，所述谐振腔的光轴上还设置：
24.偏振组件，设置在全反腔镜与激光增益介质的第二端面之间，用于调整穿过偏振组件的光线的偏振方向；
25.调q组件，设置在所述偏振组件与全反腔镜之间，用于调节谐振腔中品质因子的取值。
26.本实用新型的另一目的是提供一种全固态激光器，包括上述所述的全固态激光器的谐振腔。
27.采用上述技术方案后，本实用新型与现有技术相比具有以下有益效果。
28.本实用新型中，在谐振腔内设置聚光组件，将发散角度较大的泵浦光转化为接近平行光的光束，并通过激光增益介质的第一端面对光束进行反射，使光束在激光增益介质中沿其长度延伸方向行进，实现了吸收路径长度的增大，进而可以提高激光增益介质的吸收效率，减少温度变化导致ld中心波长漂移对激光输出稳定性的影响，使全固态激光器可实现宽温下的稳定工作。
29.本实用新型中，激光增益介质的第一端面与第二端面平行，也即沿激光增益介质的长度方向，两者之间的距离处处相等，泵浦光穿过聚光组件后形成的光束照射在第一端面上的任意位置时，达到第二端面所经过的吸收路径均相同，进一步保证了输出能量与激光光束质量的稳定。
30.本实用新型中，聚光组件包括第一透镜组和第二透镜组，且两者沿相互垂直的方向对泵浦光进行汇聚，可以最大程度上减少光束的发散，得到接近平行光的光束，从而使得光束经第一端面反射后能够尽量贴近激光增益介质的长度方向行进而被吸收。
31.下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细的描述。
附图说明
32.附图作为本实用新型的一部分，用来提供对本实用新型的进一步的理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，但不构成对本实用新型的不当限定。显然，下面描述中的附图仅仅是一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。在附图中：
33.图1是本实用新型实施例中谐振腔的内部结构示意图；
34.图2是本实用新型实施例中泵浦源产生的泵浦光向激光增益介质照射的示意图；
35.图3是本实用新型实施例中聚光组件对泵浦光进行汇聚的示意图。
36.图中：1、输出腔镜；2、泵浦源；3、聚光组件；31、第一透镜组；32、第二透镜组；4、激光增益介质；41、第一端面；42、第二端面；5、偏振组件；6、调q组件；7、全反腔镜。
37.需要说明的是，这些附图和文字描述并不旨在以任何方式限制本实用新型的构思范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本实用新型的概念。
具体实施方式
38.为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。
39.在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
40.在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
41.本实用新型的实施例提供一种谐振腔及包括所述谐振腔的全固态激光器。如图1所示，所述谐振腔包括输出腔镜1、泵浦源2、聚光组件3、激光增益介质4、偏振组件5、调q组件6和全反腔镜7。
42.本实施例中，激光增益介质4选用nd:yag晶体，其掺杂浓度为1.1％。泵浦源2是输出波长为808nm的二极管叠阵，具体包括n个激光二极管(ld)巴条，且n个ld巴条相互平行排布形成面阵。每个ld巴条上均具有m个沿其长度方向分布的激光发射点，各个激光发射点分别发光，从而形成向激光增益介质4照射的泵浦光。
43.本实施例的全固态激光器在使用时不需配合温控系统对泵浦源2处的环境温度进行控制，而是通过谐振腔内部结构的设计避免了ld的中心波长随温度漂移造成的输出能量波动。具体地，本实施例的方案通过延长激光增益介质4吸收泵浦光时的吸收路径长度，提高激光增益介质4的吸收效率，进而可以实现全固态激光器在宽温下的稳定工作。
44.如图1至图3所示，在本实施例的谐振腔中，谐振腔的光轴(如图1中点划线所示)水平延伸，激光增益介质4沿谐振腔的光轴具有一定延伸长度，激光增益介质4的左端具有第
一端面41。
45.泵浦源2设置在激光增益介质4的一侧，产生向激光增益介质4照射的泵浦光。聚光组件3设置在泵浦源2与激光增益介质4之间，用于对泵浦源2产生的泵浦光进行汇聚，得到发散度减小的光束。
46.具体地，泵浦源2上n个ld巴条组成的面阵对准聚光组件3，泵浦源2产生的泵浦光的初始发散角全角为：快轴70
°
，慢轴12
°
，经过聚光组件3后其发散角变化为：快轴小于2
°
，慢轴小于2
°
，形成接近平行光的光束。所述光束可以均匀地照射至激光增益介质4上，减少泵浦光的发散损耗，从而提高泵浦光能量的利用率。
47.进一步地，所述光束从激光增益介质4的侧面照射，光束透过激光增益介质4的侧表面照射在第一端面41上，经第一端面41反射后沿激光增益介质4的长度延伸方向行进，被激光增益介质4吸收。
48.通过上述方式，泵浦光在经聚光组件3汇聚后，可被激光增益介质4的第一端面41反射，进而沿激光增益介质4的长度延伸方向行进，采用侧面泵浦的方式实现了吸收路径的延长，在实现全固态激光器宽温区工作的同时，侧面泵浦还有利于实现更大的输出功率。
49.同时，以上吸收泵浦光的方式有利于激光增益介质4内部热量的均匀扩散，进而可改善目前全固态激光器中，作为激光增益介质4的晶体热焦距过大所带来的问题。
50.为满足光束从激光增益介质4的侧面照射可被第一端面41反射，本实施例中的第一端面41为倾斜面，其与激光增益介质4的长度延伸方向之间的夹角大小为α，且α＜90
°
。进一步地，为实现经第一端面41反射后可以沿激光增益介质4的长度延伸方向行进，经过聚光组件3的光束，其行进方向与激光增益介质4的长度延伸方向之间的夹角大小为β，且β＝2α。
51.具体地，本实施例中，第一端面41与激光增益介质4的长度延伸方向之间形成45
°
的夹角，所述光束垂直于激光增益介质4的长度延伸方向照射在第一端面41上。以上结构可以实现泵浦光沿激光增益介质4长度方向行进被吸收的目的，同时也便于谐振腔内各个功能组件的布置。
52.本实施例的优选方案中，激光增益介质4的右端具有第二端面42，且第二端面42与第一端面41平行设置。这样的话，第一端面41与第二端面42之间的距离处处相等，光束照射在第一端面41上任意位置时，其经第一端面41反射后达到第二端面42所经过的吸收路径均相同，可以进一步保证输出能量和输出激光质量的额稳定性。
53.本实施例中，激光增益介质4的长度不小于40mm，所述长度具体指第一端面41至第二端面42沿激光增益介质4长度方向(也即谐振腔光轴方向)的距离，也相当于激光增益介质4对泵浦光的吸收路径长度。当吸收路径的长度达到40mm后，本实施例中nd:yag晶体制成的激光增益介质4可以对较宽波长范围内的泵浦光实现高效吸收，进而可以在宽温下实现稳定工作。
54.本实施例中，采用若干ld巴条组成的面阵作为泵浦源2，可以实现更大的输出功率，进而使本实施例的全固态激光器能够适应多领域的应用。但由于泵浦光由多个激光发射点发出的光组成，其初始发射角较大，向激光增益介质4照射时的方向不统一，造成部分泵浦光在被激光增益介质4充分吸收前就已经溢出。
55.本实施例中通过聚光组件3对泵浦光进行汇聚，已解决上述问题。具体地，聚光组件3包括：
56.第一透镜组31，设置在泵浦源2与激光增益介质4之间，用于减小泵浦光在第一方向上的发散角；
57.第二透镜组32，设置在泵浦源2与第一透镜组31之间，用于减小泵浦光在第二方向上的发散角，且所述第二方向与第一方向垂直。
58.详细地，本实施例中泵浦光的初始发散角全角为：快轴70
°
，慢轴12
°
，第一透镜组31用于减小慢轴发散角，第二透镜组32用于减小快轴发散角，使得最终得到的光束在快轴与慢轴上的发散角均小于2
°
，以近平行光的形式均匀地照射在激光增益介质4上。这样有效地减少了泵浦光的能量消耗，且吸收效率更加平均，避免了现有技术中全固态激光器的激光能量波动较大的问题。
59.为实现对快轴与慢轴两个方向上发散角的压缩，本实施例中的第一透镜组31和第二透镜组32采用柱面透镜。具体地，第一透镜组31和第二透镜组32分别为一块平凸柱面透镜，且两块平凸柱面透镜的柱面轴线相互垂直设置，实现对泵浦光快轴与慢轴两个方向上发散角的压缩。本实施例中，聚光组件3由zf6和zf2高折射率玻璃制成，以实现产品的小型化设计。
60.本实施例的进一步方案中，全反腔镜7设置在谐振腔的光轴上，且靠近谐振腔的右端，与激光增益介质4的第二端面42间隔设置，用于反射接收的光线。输出腔镜1设置在谐振腔的光轴上，且靠近谐振腔的左端，与激光增益介质4的第一端面41间隔设置，用于对接收的光线进行部分反射以及部分透射。
61.偏振组件5和调q组件6也设置在谐振腔的光轴上。其中，偏振组件5设置在全反腔镜7与激光增益介质4的第二端面42之间，用于调整穿过偏振组件5的光线的偏振方向；调q组件6设置在偏振组件5与全反腔镜7之间，用于调节谐振腔中品质因子的取值。
62.激光增益介质4吸收泵浦光后在谐振腔内产生光，腔内光在到达全反腔镜7后被反射，在到达输出腔镜1时部分可透射形成输出的激光，部分被反射继续在谐振腔内振荡。输出腔镜1、全反腔镜7和偏振组件5的材质为k9玻璃，调q组件6为铌酸锂晶体。
63.本实施例的全固态激光器具有上述所述的谐振腔，由于谐振腔内部的结构设计增大了激光增益介质4的吸收路径长度，从而可减少温度变化导致ld中心波长漂移对激光输出稳定性造成的影响。本实施例中，在-40～60℃的工作温度范围内，可实现激光增益介质4的吸收效率变化小于20％，再利用全固态激光器上应用到电路补偿措施，可实现输出能量变化率小于5％。
64.本实施例的全固态激光器去除了现有全固态激光器中的温度控制系统，且能够在较宽的温度区间内保证其输出能量、光束质量以及能量稳定性与带有温控系统的激光器维持在相当水平。因此，其可以大幅度降低全固态激光器的总功耗，缩小体积以实现小型化设计，同时可以缩短启动时间，满足即开即用的需求，进而可以在多种复杂的工作环境下使用，扩展了全固态激光器的应用领域。
65.以上所述仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型，任何熟悉本专利的技术人员在不脱离本实用新型技术方案范围内，当可利用上述提示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属
于本实用新型方案的范围内。