全文摘要
本申请公开了一种激光器，包括光学谐振腔，所述光学谐振腔包括输入端和输出耦合镜，所述输入端镀有用于使激发激光透过并且使振荡激光形成反射的光学膜；在所述光学谐振腔内，沿所述输入端至所述输出耦合镜的方向依次设置有激光晶体、偏振片、电光调Q晶体；其中，所述输出耦合镜为平凸镜，所述平凸镜的凸面朝向所述光学谐振腔。该激光器利用光学谐振腔的短腔结构结合平凸输出偶合镜获得少数纵模甚至单纵模激光输出，利用RTP晶体实现高重复频率，同时激光脉宽可以做到很窄(1ns‑10ns量级)。本申请的激光器可提供高重频、窄脉宽、窄线宽、高光束质量的基频激光。
主设计要求
1.一种激光器，其特征在于，包括光学谐振腔，所述光学谐振腔包括输入端和输出耦合镜，所述输入端镀有用于使激发激光透过并且使振荡激光形成反射的光学膜；在所述光学谐振腔内，沿所述输入端至所述输出耦合镜的方向依次设置有激光晶体、偏振片、电光调Q晶体；其中，所述输出耦合镜为平凸镜，所述平凸镜的凸面朝向所述光学谐振腔。
设计方案
1.一种激光器，其特征在于，包括光学谐振腔，所述光学谐振腔包括输入端和输出耦合镜，所述输入端镀有用于使激发激光透过并且使振荡激光形成反射的光学膜；
在所述光学谐振腔内，沿所述输入端至所述输出耦合镜的方向依次设置有激光晶体、偏振片、电光调Q晶体；
其中，所述输出耦合镜为平凸镜，所述平凸镜的凸面朝向所述光学谐振腔。
2.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述输入端为所述激光晶体背离所述输出耦合镜的一面；
在所述激光晶体背离所述输出耦合镜的一面镀有第二光学镀膜，所述第二光学镀膜对808nm激光透过率大于95％，对1064nm激光反射率大于99.8％；
所述激光晶体的朝向所述输出耦合镜的一面镀有第五光学镀膜，所述第五光学镀膜对808nm激光的透过率大于95％，对1064nm激光的透过率大于99.5％。
3.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述光学谐振腔还包括输入耦合镜，所述输入端为所述输入耦合镜，所述输入耦合镜位于所述激光晶体远离所述输出耦合镜的一侧；
所述输入耦合镜的朝向所述输出耦合镜的一面镀有第二光学镀膜，所述第二光学镀膜对808nm激光透过率大于95％，对1064nm激光反射率大于99.8％；
所述输入耦合镜的背离所述输出耦合镜的一面镀有第一光学镀膜，所述第一光学镀膜对808nm激光透过率大于95％。
4.根据权利要求3所述的激光器，其特征在于，所述光学谐振腔的腔长为30～60mm。
5.根据权利要求3所述的激光器，其特征在于，所述光学谐振腔的腔长为50mm。
6.根据权利要求3所述的激光器，其特征在于，还包括半导体泵浦源，所述半导体泵浦源射出激发激光的波长为808±3nm；
在所述半导体泵浦源和所述输入耦合镜之间还设置耦合透镜组。
7.根据权利要求6所述的激光器，其特征在于，所述耦合透镜组包括至少一个凸透镜，所述耦合透镜组采用K9玻璃或者石英玻璃。
8.根据权利要求3所述的激光器，其特征在于，所述平凸镜的凸面镀有第三光学镀膜，所述第三光学镀膜对1064nm激光反射率为10～50％；
所述平凸镜的平面镀有第四光学镀膜，所述第四光学镀膜对1064nm激光透过率大于99.5％。
9.根据权利要求3所述的激光器，其特征在于，所述激光晶体为掺钕钒酸钇晶体，钕的掺杂浓度为0.3wt％；
所述激光晶体的两个光学端面镀有第五光学镀膜，所述第五光学镀膜对808nm激光的透过率大于95％，对1064nm激光的透过率大于99.5％。
10.根据权利要求9所述的激光器，其特征在于，所述激光晶体的两个光学端面形成1～3°的楔角。
11.根据权利要求3所述的激光器，其特征在于，所述电光调Q晶体包括至少一个RTP晶体。
12.根据权利要求3所述的激光器，其特征在于，所述电光调Q晶体包括两个RTP晶体，分别为第一RTP晶体和第二RTP晶体，所述第一RTP晶体两个电极面的连线方向和所述第二RTP晶体两个电极面的连线方向相互垂直。
13.根据权利要求11所述的激光器，其特征在于，所述电光调Q晶体的光学端面形成1～3°的楔角。
设计说明书
技术领域
本申请涉及一种激光器，属于激光技术领域。
背景技术
紫外激光器在增材制造、精密加工领域具有广泛的应用前景，与普通激光加工相比，紫外激光加工依靠高能光子直接破坏材料分子键，而不是靠普通的“热熔融”作用来加工，可以显著减少加工过程中的热作用，从而大大提高加工精度和质量，能满足对许多材料的精细高效加工要求，特别是在微米级精密制造、透明材料加工、复合材料加工、特种材料加工等方面具有无可比拟的优势。
紫外激光精密加工制造的加工效率与所采用的激光光源强度和重复频率相关，高平均功率、高重复频率、窄脉宽的激光光源会带来高的材料加工效率。而超窄线宽激光可以获得光滑的激光脉冲，明显降低激光对光学元器件的损伤。制造用紫外激光器通常由基频光通过多次功率放大之后进行三倍频或四倍频获得。现有技术中通常是采用一个高光束质量的连续窄线宽种子激光，通过声光或者电光的方法从连续激光中截取脉冲串来实现。该激光器实现过程比较复杂,体积比较庞大，稳定性也相对较差。
因此，如何通过简单、便捷的技术手段实现基频光的高重频、窄脉宽、窄线宽、高光束质量是亟待解决的技术问题。
实用新型内容
根据本申请的一个方面，提供了一种激光器，该激光器利用光学谐振腔的短腔结构结合平凸输出耦合镜获得少数纵模甚至单纵模激光输出，利用RTP晶体实现高重复频率，同时激光脉宽可以做到很窄(1ns-10ns量级)。本申请的激光器可提供高重频、窄脉宽、窄线宽、高光束质量的基频激光。
一种激光器，包括光学谐振腔，所述光学谐振腔包括输入端和输出耦合镜，所述输入端镀有用于使激发激光透过并且使振荡激光形成反射的光学膜；
在所述光学谐振腔内，沿所述输入端至所述输出耦合镜的方向依次设置有激光晶体、偏振片、电光调Q晶体；
其中，所述输出耦合镜为平凸镜，所述平凸镜的凸面朝向所述光学谐振腔。
可选地，所述输入端为所述激光晶体背离所述输出耦合镜的一面；
在所述激光晶体背离所述输出耦合镜的一面镀有第二光学镀膜，所述第二光学镀膜对808nm激光透过率大于95％，对1064nm激光反射率大于99.8％；
所述激光晶体的朝向所述输出耦合镜的一面镀有第五光学镀膜，所述第五光学镀膜对808nm激光的透过率大于95％，对1064nm激光的透过率大于99.5％。
可选地，所述光学谐振腔还包括输入耦合镜，所述输入端为所述输入耦合镜，所述输入耦合镜位于所述激光晶体远离所述输出耦合镜的一侧；
所述输入耦合镜的朝向所述输出耦合镜的一面镀有第二光学镀膜，所述第二光学镀膜对808nm激光透过率大于95％，对1064nm激光反射率大于99.8％；
所述输入耦合镜的背离所述输出耦合镜的一面镀有第一光学镀膜，所述第一光学镀膜对808nm激光透过率大于95％。
可选地，所述光学谐振腔的腔长为30～60mm；
优选地，所述光学谐振腔的腔长为50mm。
可选地，还包括半导体泵浦源，所述半导体泵浦源射出激发激光的波长为808±3nm；
在所述半导体泵浦源和所述输入耦合镜之间还设置耦合透镜组；
优选地，所述耦合透镜组包括至少一个凸透镜，所述耦合透镜组采用K9玻璃或者石英玻璃。
可选地，所述平凸镜的凸面镀有第三光学镀膜，所述第三光学镀膜对1064nm激光反射率为10～50％；
所述平凸镜的平面镀有第四光学镀膜，所述第四光学镀膜对1064nm激光透过率大于99.5％。
可选地，所述激光晶体为掺钕钒酸钇晶体，钕的掺杂浓度为0.3wt％；
所述激光晶体的两个光学端面镀有第五光学镀膜，所述第五光学镀膜对808nm激光的透过率大于95％，对1064nm激光的透过率大于99.5％。
可选地，所述激光晶体的两个光学端面形成1～3°的楔角。
可选地，所述电光调Q晶体包括至少一个RTP晶体；
优选地，所述电光调Q晶体包括两个RTP晶体，分别为第一RTP晶体和第二RTP晶体，所述第一RTP晶体两个电极面的连线方向和所述第二RTP晶体两个电极面的连线方向相互垂直。
可选地，所述电光调Q晶体的光学端面形成1～3°的楔角。
本申请能产生的有益效果包括：
本申请提供的激光器，输出耦合镜选用平凸镜和短腔长(光学谐振腔)来进行腔内选模，可以实现少数纵模甚至是单纵模的激光输出，同时获得良好的激光光束质量，获得了窄线宽的激光输出。光学谐振腔内插入RTP晶体，实现高重频电光调Q。腔内插入偏振片，配合RTP调Q晶体可以提高电光调Q效率，同时也起到纵模过滤的效果。本申请提供的激光器可实现高重频、窄脉宽、窄线宽、高光束质量的基频激光。
附图说明
图1为本申请一种实施方式中提供的激光器的结构示意图；
图2为本申请一种实施方式中两个RTP晶体的位置关系示意图。
部件和附图标记列表：
100 光学谐振腔； 101 输入耦合镜； 102 激光晶体；
103 偏振片； 104 电光调Q晶体； 105 输出耦合镜；
200 半导体泵浦源； 300 耦合透镜组。
具体实施方式
下面结合实施例详述本申请，但本申请并不局限于这些实施例。
本申请提供了一种激光器，包括光学谐振腔100，光学谐振腔100包括输入端和输出耦合镜105，输入端镀有用于使激发激光透过并且使振荡激光形成反射的光学膜；在光学谐振腔100内，沿输入端至输出耦合镜105的方向依次设置有激光晶体102、偏振片103、电光调Q晶体104；其中，输出耦合镜105为平凸镜，平凸镜的凸面朝向光学谐振腔100。
具体地，在本申请中，激发激光为808±3nm的激光，即泵浦源所发出的激光，震荡激光为1064nm的激光，即激光晶体102在受激后所发出的激光。
本申请对输出耦合平凸镜的凸面曲率不做具体限定，本领域技术人员可以根据实际生产需要选择合适的凸面曲率。优选地，平凸镜的曲率半径为R300mm～R800mm。
本申请中，输出耦合镜选用平凸镜来进行腔内选模，可以实现少数纵模甚至是单纵模的激光输出，同时获得良好的激光光束质量，可以获得窄线宽的激光输出。腔内插入偏振片，配合电光调Q晶体可以提高电光调Q，同时也起到纵模过滤的效果。
可选地，输入端为激光晶体102背离所述输出耦合镜105的一面；在激光晶体102背离输出耦合镜105的一面镀有第二光学镀膜，第二光学镀膜对808nm激光透过率大于95％，对1064nm激光反射率大于99.8％；激光晶体102的朝向输出耦合镜105的一面镀有第五光学镀膜，第五光学镀膜对808nm激光的透过率大于95％，对1064nm激光的透过率大于99.5％。
具体地，在一个具体的示例中，光学谐振腔100的输入端为激光晶体102背离所述输出耦合镜105的一面。在激光晶体102背离输出耦合镜105的一面镀有第二光学镀膜，第二光学镀膜可以使激发激光透过，同时使震荡激光在光学谐振腔100中形成震荡反射，该第二光学镀膜即为上述输入端镀有的光学膜。光学谐振腔100的左右两端分别为激光晶体102和输出耦合镜105，换句话说，光学谐振腔100是由激光晶体102和输出耦合镜105构成的。此时，激光晶体102既作为激光工作物质，又作为光学谐振腔100的输入端。这样的设计有助于简化结构，减小激光器的体积。
可选地，光学谐振腔100还包括输入耦合镜101，输入端为输入耦合镜101，输入耦合镜101位于激光晶体102远离输出耦合镜105的一侧；输入耦合镜101的朝向输出耦合镜105的一面镀有第二光学镀膜，第二光学镀膜对808nm激光透过率大于95％，对1064nm激光反射率大于99.8％；输入耦合镜101的背离输出耦合镜105的一面镀有第一光学镀膜，第一光学镀膜对808nm激光透过率大于95％。
在另外一个具体的示例中，输入端为输入耦合镜101，在输入耦合镜101上镀有第二光学镀膜。
具体来说，该激光器包括光学谐振腔100；光学谐振腔100包括输入耦合镜101和输出耦合镜105，即光学谐振腔100是由输入耦合镜101和输出耦合镜105构成；在光学谐振腔100内，沿输入耦合镜101至输出耦合镜105的方向依次设置有激光晶体102、偏振片103、电光调Q晶体104。
可选地，光学谐振腔100的腔长为30～60mm。
优选地，光学谐振腔100的腔长为50mm。
在本申请中，光学谐振腔100的腔长在30～60mm范围内，设计为短腔长，可以获得窄线宽的激光输出。
可选地，还包括半导体泵浦源200，半导体泵浦源200射出激光波长为808±3nm；在半导体泵浦源200和输入耦合镜101之间还设置耦合透镜组300。
优选地，耦合透镜组300包括至少一个凸透镜，耦合透镜组采用K9玻璃或者石英玻璃。
具体地，半导体泵浦源200作为激励能源，给激光工作物质提供能量，将原子由低能级激发到高能级实现粒子数反转。在本申请中，半导体泵浦源200波长为808nm，由于泵浦波长随着电流增加以及功率的上升而变化，所以半导体泵浦源200射出的光源在808nm±3nm的范围内。
在半导体泵浦源200和输入耦合镜101之间设有耦合透镜组300。在通过特定曲率半径的透镜组合，使半导体泵浦源200输出的光源以特定的焦斑大小会聚到激光工作物质中。
本申请中的耦合透镜组300包括至少一个凸透镜，所述耦合透镜组采用K9玻璃或者石英玻璃。
在一个具体的示例中，如图1所示，耦合透镜组300选用两个凸透镜组合实现泵浦光斑的汇聚。当然，在其他示例中，还以有多个凸透镜，多个透镜组合同样可以实现泵浦光斑的汇聚。耦合透镜组300采用K9玻璃或者石英材质，在耦合透镜组300的两个光学端面镀808nm高透膜。
可选地，输入耦合镜101为平面镜或者楔角镜。
具体地，在本申请中，输入耦合镜101可以为平面镜，或者也可以为楔角镜。当输入耦合镜101采用楔角镜时，楔角可以为0.5～5°。输入耦合镜101对半导体泵浦光源镀高透膜,对腔内谐振激光镀高反膜。
可选地，平凸镜的凸面镀有第三光学镀膜，第三光学镀膜对1064nm激光反射率为10～50％；平凸镜的平面镀有第四光学镀膜，第四光学镀膜对1064nm激光透过率大于99.5％。
输出耦合镜105对腔内谐振激光镀部分透射膜，以使谐振激光可以发射出去。
可选地，激光晶体102为掺钕钒酸钇晶体(Nd:YVO4<\/sub>晶体)，钕的掺杂浓度为0.3wt％；激光晶体102的两个光学端面镀有第五光学镀膜，第五光学镀膜对808nm激光的透过率大于95％，对1064nm激光的透过率大于99.5％。
激光晶体102作为激光工作物质，在半导体泵浦源200的激励下实现能级跃迁。本申请选取的激光晶体102可以是掺钕钒酸钇晶体。钕掺杂浓度为0.3wt％，晶体尺寸可以为3mm×3mm×10mm，晶体两个光学端面镀膜要求透过率大于95％@808nm且透过率高于99.5％@1064nm。
优选地，激光晶体102的两个光学端面形成1～3°的楔角。
具体地，激光晶体102两个光学端面不平行，形成1～3°的楔角。在本申请中，激光晶体102的两个端面形成1～3°，可以避免激光晶体102的两个端面产生自激振荡。
在本申请中，偏振片103配合电光调Q晶体104实现低Q值。
可选地，电光调Q晶体104包括至少一个RTP晶体。
具体地，电光调Q晶体104通过外加电场的方法使腔内Q值随时间按一定程序变化。在泵浦开始时，使腔处在低Q值状态，即提高振荡阈值，使振荡不能生成，上能级的反转粒子数就可以大量积累，当积累到最大值(饱和值)时，突然使腔的损耗减小，Q值突增，激光振荡迅速建立起来，在极短的时间内上能级的反转粒子数被消耗，转变为腔内的光能量，在腔的输出端以单一脉冲形式将能量释放出来，于是就获得峰值功率很高的巨脉冲激光输出。本申请电光调Q晶体104选择RTP调Q晶体，其优点是可以选择的重复频率范围大，基本上1Hz到1MHz都可实现。RTP晶体为RbTiOPO4<\/sub>，即磷酸钛氧铷。
可选地，电光调Q晶体104包括两个RTP晶体，分别为第一RTP晶体和第二RTP晶体，第一RTP晶体的两个电极面的连线方向和所述第二RTP晶体两个电极面的连线方向相互垂直。
具体地，如图2所示，图2中的灰色部分为电极面，当两个RTP晶体的电极面的连线方向相互垂直时，能够实现更佳的调Q效果。
可选地，电光调Q晶体104的光学端面形成1～3°的楔角。
具体地，电光调Q晶体104两个端面不平行，形成1～3°的楔角，这样能够避免某个端面与激光晶体102的端面互相形成子腔。
下面介绍本申请提供的激光器的工作过程：
激光器调Q过程：Nd:YVO4<\/sub>晶体在半导体泵浦下发射沿x方向的线偏振光，偏振片对x方向的线偏光通过，若RTP调制晶体上未加电压，光通过RTP晶体，其偏振状态不发生变化，此时电光Q开关处于“打开”状态。如果在RTP调制晶体上施加电压，由于纵向电光效应，当沿x方向的线偏振光通过RTP晶体后，光的偏振方向偏转45°，经输出耦合镜反射回来，再次经过RTP制晶体，偏振面相对于入射光偏转了90°，偏振光不能再通过偏振棱镜，Q开关处于“关闭”状态。所以Nd:YVO4<\/sub>晶体在半导体泵浦下，事先在RTP调制晶体上加电压，使谐振腔处于“关闭”的低Q状态，阻断激光振荡形成。待激光上能级反转的粒子数积累到最大值时，突然撤去晶体上的电压，使激光器瞬间处于高Q值状态，产生血崩式的激光振荡，就可输出一个巨脉冲。由于本腔型结构小巧，可以获得超窄脉宽的脉冲。
由于掺钕钒酸钇对808nm吸收较强，在掺杂浓度的选择上不应选择太大的掺杂浓度。在腔型的选择上，为了获得窄线宽的激光输出，采用短腔两镜结构。谐振腔内插入RTP晶体，实现高重频电光调Q，输出耦合镜选用平凸镜来进行腔内选模，可以实现少数纵模甚至是单纵模的激光输出，同时获得良好的激光光束质量。腔内插入偏振片，配合RTP调Q晶体可以提高电光调Q效果，同时也起到纵模过滤的效果。
本实用新型首先通过短腔长结构结合平凸输出偶合镜获得少数纵模甚至单纵模激光输出，利用RTP晶体实现高重复频率，同时激光脉宽可以做到很窄(1ns-10ns量级)。
实施例1
图1为本实施例所提供的激光器的结构，下面结合图1对本实施例进行具体说明。
如图1所述，从左到右依次是半导体泵浦源200、耦合透镜组300(包括两个凸透镜)，输入耦合镜101，掺钕钒酸钇晶体，偏振片103，RTP晶体，输出耦合镜105。实验中选取激光器腔长为50mm，两个凸透镜的光学端面分别增透808nm，掺钕钒酸钇晶体的尺寸为3mm×3mm×10mm，双面增透1064nm&808nm，钕掺杂为0.3wt％，偏振片103为1064nm波长单面增透，RTP晶体双面增透1064nm，输出耦合镜105为曲率半径R800mm的平凸透镜，1064nm透过率20％，输入耦合镜105到RTP晶体后端面的距离为8mm，输出耦合镜105到RTP晶体前端面距离为32mm。本申请计算了热焦距从0到1000mm的腔型稳定区，得到晶体内部光斑半径为0.2mm左右。当泵浦聚焦光斑选择0.266mm时，得到最佳的光束质量，此时泵浦模式比为1.33:1。当RTP调制频率为50KHz时，得到的激光输出功率大于1W，M2<\/sup>小于1.2，激光脉冲为单纵模，激光脉宽7ns。
以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。
设计图
相关信息详情
申请码:申请号:CN201920007983.X
申请日:2019-01-03
公开号:公开日:国家:CN
国家/省市:35(福建)
授权编号:CN209418973U
授权时间:20190920
主分类号:H01S 3/08
专利分类号:H01S3/08;H01S3/115
范畴分类:38H;38K;
申请人:中国科学院福建物质结构研究所
第一申请人:中国科学院福建物质结构研究所
申请人地址:350002 福建省福州市鼓楼区杨桥西路155号
发明人:翁文;吴鸿春;李锦辉;林文雄;黄见洪;史斐;戴殊韬;吴丽霞;郑晖;邓晶
第一发明人:翁文
当前权利人:中国科学院福建物质结构研究所
代理人:王惠
代理机构:11540
代理机构编号:北京元周律知识产权代理有限公司
优先权:关键词:当前状态:审核中
类型名称:外观设计