一种可用于紫外激光器的直线谐振腔的制作方法

一种可用于紫外激光器的直线谐振腔
【技术领域】
1.本发明涉及固体激光器谐振腔技术领域，特别涉及一种可用于紫外激光器的直线谐振腔。


背景技术：

2.半导体端面泵浦固体激光器结构简单，体积小巧，光束质量好，运行稳定，易于集成，因此被广泛应用在激光打标、激光划线、精密调阻、激光清洗，以及激光内雕等激光加工行业。
3.随着工业应用对激光加工效果及加工效率要求的不断提高，市场对激光器输出波长的要求也越来越高。紫外激光器输出波长仅为目前使用的红外激光器的三分之一，加工精度极大提高，可以实现微米量级的精细加工；紫外激光的光子能量是普通红外激光光子能量的三倍，使得激光冷加工成为可能，应用范围也得到了极大的拓展；另外，355nm紫外激光器的重复频率极高，从而提高了生产效率，节约了社会成本，降低了能耗。在实际应用中，355nm紫外激光器为微加工中的切除动作提供了新的工具，在非常薄的材料冷切除中得到了很高的加工质量，不会给材料造成热损伤和微裂痕，因此，在例如玻璃、硅片、晶元、陶瓷等脆性材料的加工上有特殊优势。
4.然而，355nm紫外激光器作为固体激光器的一种，也存在较为严重的热透镜效应。固体激光器内部的激光晶体作为半导体端面泵浦固体激光器的核心部件，受到了半导体激光器泵浦光的直接照射。激光晶体对泵浦光的吸收效率较高，但是从激光晶体提取出来的能量却只占全部吸收能量的50％-70％，剩余的能量累积在激光晶体内部。如果不把激光晶体内部的热量及时转移，激光晶体内部热量会迅速累积，激光晶体温度骤然升高，从而导致强烈的热透镜效应，引起激光谐振腔热失调，最终激光器输出光功率下降、光束质量恶化。严重时激光晶体会发生炸裂现象，激光器发生故障无法使用。为了解决激光晶体的热透镜效应，一般是采取插入补偿镜的方式。补偿镜的插入方式有两种：一种是腔内插入凹面镜；另外一种是将激光晶体旁边的反射镜设计为平凸镜。但是，无论采用哪种方式，都会给谐振腔带来极大的几何偏折误差。激光谐振腔反射镜位置稍微有一点偏移，激光器输出功率都会受到极大影响。
5.在固体紫外激光器中，一般是采用光折射原理对1064nm基频光和355nm紫外激光进行分离，由于1064nm激光和355nm激光在和频晶体上的折射率差别不大，因此，为了分离1064nm基频光和355nm紫外光，一般采用三透镜折叠腔，在折叠镜位置把355nm紫外光提取出来。然而，如上所述，固体紫外激光器，尤其是高功率固体紫外激光器，存在非常严重的热透镜效应，激光谐振腔的几何偏折稳定性差，采用三透镜折叠腔方案加剧了固体紫外激光器的机械不稳定性。从而导致实际工艺应用中，由于机械不稳定性导致的激光器功率下降现象经常发生。


技术实现要素：

6.为了克服上述问题，本发明提出一种可有效解决上述问题的可用于紫外激光器的直线谐振腔。
7.本发明解决上述技术问题提供的一种技术方案是：提供一种可用于紫外激光器的直线谐振腔，包括半导体激光泵浦源和激光谐振腔，所述激光谐振腔包括热补偿负透镜和激光反射镜，所述热补偿负透镜设置于靠近半导体激光泵浦源的一端，所述热补偿负透镜和激光反射镜之间设置有激光晶体，所述激光晶体设置于靠近热补偿负透镜的一端，所述半导体激光泵浦源用于对激光晶体进行泵浦，所述热补偿负透镜用于对所述激光晶体的等效热透镜效应进行补偿。
8.优选地，所述激光晶体与激光反射镜之间设置有q开关，所述q开关用于将连续激光转为脉冲激光。
9.优选地，所述半导体激光泵浦源、热补偿负透镜、激光晶体和q开关的中心位于同一条直线上。
10.优选地，所述q开关与激光反射镜之间设置有非线性转换系统，所述非线性转换系统的一端中心位于所述半导体激光泵浦源、热补偿负透镜、激光晶体和q开关的中心连线上。
11.优选地，所述非线性转换系统包括和频晶体和倍频晶体，倍频晶体设置于和频晶体与激光反射镜之间，所述频晶体、倍频晶体和激光反射镜的中心位于同一条直线上。
12.优选地，所述和频晶体靠近q开关的一端上设置有一楔角，所述激光晶体受到所述半导体激光泵浦源的泵浦后产生的1064nm基频光在所述激光谐振腔内稳定振荡，所述非线性转换系统将1064nm基频光转换为355nm紫外激光，355nm紫外激光在所述和频晶体的楔角面折射后与1064nm基频光分离。
13.优选地，所述热补偿负透镜为一个平凸透镜，热补偿负透镜的凸面与激光晶体相对设置，热补偿负透镜的平面与所述半导体激光泵浦源相邻设置。
14.优选地，所述半导体激光泵浦源包括半导体激光器和光束准直聚焦装置，所述光束准直聚焦装置位于半导体激光器的输出端与热补偿负透镜之间。
15.优选地，所述半导体激光器的输出端设置有光纤，采用光纤耦合输出，用于发射波长为808nm～885nm的激光。
16.优选地，所述光束准直聚焦装置包括准直平凸透镜和聚焦平凸透镜，所述准直平凸透镜位于半导体激光器的输出端与聚焦平凸透镜之间，半导体激光器、准直平凸透镜和聚焦平凸透镜的中心位于同一条直线上。
17.与现有技术相比，本发明的可用于紫外激光器的直线谐振腔利用光折射原理，通过优化器件零件尺寸，把固体紫外激光器原本的三反射镜折叠腔结构优化为双反射镜直线腔结构，既提高了紫外激光器激光光学谐振腔的几何偏折稳定性，同时简化了固体紫外激光器生产安装过程中的参考光对准流程、提高了生产效率，最后减少了固体紫外激光器的器件数量、降低了固体紫外激光器的物料成本。从而最终提高了固体紫外激光器的机械稳定性以及降低了固体紫外激光器的生产制造成本，为固体紫外激光器的大规模应用提供了基础。
【附图说明】
18.图1为本发明可用于紫外激光器的直线谐振腔的结构示意图。
【具体实施方式】
19.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施实例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
20.需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)仅限于指定视图上的相对位置，而非绝对位置。
21.另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
22.请参阅图1，本发明的可用于紫外激光器的直线谐振腔，包括半导体激光泵浦源和激光谐振腔，所述激光谐振腔包括热补偿负透镜4和激光反射镜9，所述热补偿负透镜4设置于靠近半导体激光泵浦源的一端，所述热补偿负透镜4和激光反射镜9之间设置有激光晶体5，所述激光晶体5设置于靠近热补偿负透镜4的一端，所述半导体激光泵浦源用于对激光晶体5进行泵浦，所述热补偿负透镜4用于对所述激光晶体5的等效热透镜效应进行补偿。所述激光晶体5采用nd:yvo4晶体、nd:yag晶体或nd:gayvo4晶体中的一种。
23.由于所述激光晶体5受到半导体激光泵浦源的泵浦后，在激光光学上可以等效成为一个凸透镜；所述热补偿负透镜4为一个平凸透镜，热补偿负透镜4的凸面与激光晶体5相对设置，由于所述热补偿负透镜4的凸面用于反射激光谐振腔内的振荡光，在激光光学上可以等效为一个凹透镜。一个凹透镜一个凸透镜，在激光光学上起到了补偿的作用。所述热补偿负透镜4为一块平凸球面透镜，所述平凸球面透镜的平面与所述半导体激光泵浦源相邻设置。
24.所述半导体激光泵浦源包括半导体激光器1和光束准直聚焦装置，所述光束准直聚焦装置位于半导体激光器1的输出端与热补偿负透镜4之间。所述半导体激光器1的输出端设置有光纤，采用光纤耦合输出，发射波长为808nm～885nm的激光。所述光束准直聚焦装置包括准直平凸透镜2和聚焦平凸透镜3，所述准直平凸透镜2位于半导体激光器1的输出端与聚焦平凸透镜3之间，半导体激光器1、准直平凸透镜2和聚焦平凸透镜3的中心位于同一条直线上。所述半导体激光器1输出端的光纤对准准直平凸透镜2的焦点处。所述准直平凸透镜2的凸面与所述聚焦平凸透镜3的凸面相对设置。
25.所述激光晶体5与激光反射镜9之间设置有q开关6，所述q开关6用于将连续激光转为脉冲激光，提高激光的峰值功率。所述半导体激光泵浦源、热补偿负透镜4、激光晶体5和q开关6的中心位于同一条直线上。所述q开关6采用声光q开关或者电光q开关。
26.所述q开关6与激光反射镜9之间设置有非线性转换系统，所述非线性转换系统的一端中心位于所述半导体激光泵浦源、热补偿负透镜4、激光晶体5和q开关6的中心连线上。
27.所述非线性转换系统包括和频晶体7和倍频晶体8，倍频晶体8设置于和频晶体7与激光反射镜9之间，所述频晶体7、倍频晶体8和激光反射镜9的中心位于同一条直线上。所述
和频晶体7设置于靠近q开关6的一端，所述和频晶体7朝向q开关6的一端中心位于所述半导体激光泵浦源、热补偿负透镜4、激光晶体5和q开关6的中心连线上。所述激光反射镜9为一块平面透镜，激光反射镜9与倍频晶体8相对的平面镀有振荡光高反膜，反射率大于99.9％。
28.所述激光晶体5受到所述半导体激光泵浦源的泵浦后产生的1064nm基频光b，在所述激光谐振腔内稳定振荡，所述非线性转换系统将1064nm基频光b转换为355nm紫外激光a。
29.所述和频晶体7靠近q开关6的一端上设置有一楔角，由于355nm紫外激光a和1064nm基频光b在和频晶体7上有不同的折射率，355nm紫外激光a在所述和频晶体7的楔角面折射后与1064nm基频光b分离。经过一段距离的传输后，355nm紫外激光a和1064nm基频光b分开了一段距离，从而得以从所述q开关6、所述激光晶体5、所述热补偿负透镜4以及所述半导体激光泵浦源旁边射出。
30.所述可用于紫外激光器的直线谐振腔包括基板10，所述半导体激光器1、准直平凸透镜2、聚焦平凸透镜3、热补偿负透镜4、激光晶体5、q开关6、和频晶体7、倍频晶体8和激光反射镜9均固定于基板10。
31.以上从光学原理上阐述了一种可用于紫外激光器的直线谐振腔的设计原理，为了使得振荡光在激光谐振腔内形成稳定振荡，实现高光束质量的紫外光输出，所述可用于紫外激光器的直线谐振腔还必须满足高斯光束的一般传输规律、以及激光谐振腔g参数设计标准。因此，必须对激光谐振腔进行高斯光束的abcd矩阵传输分析，以确定激光谐振腔内光学元件的位置以及曲率半径等参数。
32.于此同时，由于1064nm基频光b与355nm紫外激光a的分离并不明显，需要对所述q开关6、所述激光晶体5、所述热补偿负透镜4以及所述半导体激光泵浦源及夹具进行优化设计，具体优化内容如下：
①
、q开关6所用到的石英晶体宽度根据需要特别设计，以免挡到旁边输出的紫外激光，对应的，石英晶体的驱动电极要和石英晶体的宽度相匹配。当1064nm基频光在谐振腔内损耗最小时，和频晶体7斜面位置1064nm基频光和355nm紫外光光线分离角度是1.96
°
，结合q开关6与和频晶体7之间的距离(若设定为100mm左右)，则q开关6的石英晶体宽度要小于5mm。
②
、激光晶体5横向尺寸也不能过大，相应激光晶体夹具要预留紫外出光位置。同理，激光晶体5横向尺寸也要小于5mm。
③
、热补偿负透镜4的尺寸及夹具也要考虑到是否影响紫外出光。同理，由于热补偿负透镜4与和频晶体7之间的距离较长，热补偿负透镜4横向尺寸要小于6mm。
④
、半导体激光器1以及光束准直聚焦装置也要进行尺寸优化，预留好位置以便输出紫外激光。综上所述，优化设计的核心在于器件的外形尺寸务必适应紫外出光光路，避免挡光。与此同时，在紫外激光出光方向和腔内振荡红外激光光路方向具有固定夹角的前提下，谐振腔长度越长，紫外激光与红外激光的分离度越大，两束激光越容易分开。然而，激光谐振腔长度还需要与激光器振荡模式相匹配，根据激光q参数原理，采用matlab软件对激光谐振腔内光斑分布进行模拟，再结合具体实验验证，我们确定了激光谐振腔长度在150mm-300mm之间，优选为250mm左右，最终使得高转换效率、高光束质量355nm紫外激光a可以穿过上述器件射出谐振腔。当然，本发明也可以设计更小的器件来适应短腔。
33.本实施例中，采用半导体激光器1单端泵浦，在泵浦功率分别为30w时，得到了平均功率7w的355nm紫外激光a输出，实验验证了直线腔紫外激光器方案的可行性。
34.本发明还可以从其他方向对激光晶体5进行泵浦，或者采用腔内插入平凹透镜的
方式补偿激光晶体5的热透镜效应，以实现更灵活的实际设计需要。
35.与现有技术相比，本发明的可用于紫外激光器的直线谐振腔利用光折射原理，通过优化器件零件尺寸，把固体紫外激光器原本的三反射镜折叠腔结构优化为双反射镜直线腔结构，既提高了紫外激光器激光光学谐振腔的几何偏折稳定性，同时简化了固体紫外激光器生产安装过程中的参考光对准流程、提高了生产效率，最后减少了固体紫外激光器的器件数量、降低了固体紫外激光器的物料成本。从而最终提高了固体紫外激光器的机械稳定性以及降低了固体紫外激光器的生产制造成本，为固体紫外激光器的大规模应用提供了基础。
36.以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的构思之内所作的任何修改，等同替换和改进等均应包含在本发明的专利保护范围内。