固体激光器的腔镜及应用其的谐振腔和固体激光器

摘要

一种固体激光器的腔镜及应用其的谐振腔和固体激光器，腔镜包括一后腔镜和一输出镜，分别位于固体激光器谐振腔的左右两侧，后腔镜和输出镜朝向谐振腔内侧的表面中心分别镀有高反膜和部分反射膜，高反膜和部分反射膜的直径为1～3mm。本发明中高反膜和部分反射膜的直径为固体激光器最高功率输出时腔镜上光斑直径的1.2～2倍。因此本发明的固体激光器对激光器最高功率的损耗极小；激光器输出处于中功率段时，由于腔镜内侧面上的光斑直径大于镀膜直径，将限制光斑直径大于镀膜直径的多阶横模起振，将腔镜上的光斑大小限制为镀膜直径大小，同时高阶模数量减少会使得光束发散角变小，从而改善了中功率段的光束质量。

说明书

技术领域

本发明属于激光技术领域，更具体地涉及一种固体激光器的腔镜及应用其的谐振腔和固体激光器。

背景技术

采用棒状晶体作为激光工作物质的固态激光器极难通过小芯径的光纤获得高功率激光输出。究其原因，在高泵浦功率下晶体棒的中心区域因泵浦光的叠加会形成极高温度，而晶体棒的表面作为散热面其温度较低，因此晶体棒的径向存在极高的温度梯度，会在晶体内部形成极强的折射率梯度而导致严重的热透镜效应，此时的晶体棒相当于一个随着泵浦功率的增加，屈光度不断变大的透镜。在高功率激光谐振腔中主要使用对称结构的平平谐振腔，输出功率随着热透镜的不断变大存在一个最高值，之后当热透镜焦距小于谐振腔光学长度的四分之一时，谐振腔进入非稳区导致输出功率锐减，激光器的光束质量则随着晶体棒热透镜的变大呈现出先变差再变好的趋势，在激光器的额定功率处光束质量极好而在中功率段光束质量最差。激光器在光纤耦合时通常按照最差的光束质量选择光纤，尽管激光器一般工作在额定功率的附近，此时输出光的光束参数积BPP值要远小于传能光纤的BPP值，但如果按照额定功率处的光束质量选择光纤，则在中功率段的耦合损耗非常大，容易烧毁光纤。为了能够在保证光纤不被烧毁、耦合效率高且输出功率高的前提下，使用与额定功率处光束质量相匹配的光纤传输能量，就迫切需要一种方法能够显著提升中功率段的光束质量，从而减小耦合损耗。

发明内容

基于上述技术问题，本发明的主要目的在于提出一种固体激光器的腔镜及应用其的谐振腔和固体激光器，用于解决以上技术问题中的至少之一。

为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，本发明提出一种固体激光器的腔镜，包括一后腔镜和一输出镜，分别位于固体激光器谐振腔的左右两侧，后腔镜和输出镜朝向谐振腔内侧的表面中心分别镀有高反膜和部分反射膜，高反膜和部分反射膜的直径为1～3mm。

进一步地，上述高反膜和部分反射膜的直径为固体激光器最高功率输出时在对应腔镜上光斑直径的1.2～2倍。

进一步地，上述高反膜的反射率大于99％。

进一步地，上述部分反射膜的反射率R满足条件20％≤R≤80％。

进一步地，上述输出镜朝向谐振腔外侧的表面镀有增透膜，增透膜的反射率小于1％。

进一步地，上述后腔镜和输出镜的直径为10～25mm，厚度为3～6mm。

为了实现上述目的，本发明还提出一种固体激光器的谐振腔，包括如上述固体激光器的腔镜。

进一步地，上述固体激光器的谐振腔还包括一全固态激光头或一灯泵固体激光头。

在使用时，高反膜的中心、部分反射膜的中心在全固态激光头或灯泵固体激光头内晶体棒中轴线的延长线上。

为了实现上述目的，本发明还提出一种固体激光器，包括上述固体激光器的谐振腔。

本发明提出的固体激光器的腔镜及应用其的谐振腔和固体激光器，具有以下有益效果：

1、本发明提出的固体激光器的腔镜，其后腔镜镀射高反膜，输出镜镀射部分反射膜，镀膜直径依据激光器处于最高输出状态时在腔镜上的光斑直径确定，其大小为光斑直径的1.2～2倍。因此对激光器最高功率的损耗极小。激光器输出处于中功率段时，由于腔镜内侧面上的光斑直径大于镀膜直径，将限制光斑直径大于镀膜直径的多阶横模起振，将腔镜上的光斑大小限制为镀膜直径大小，同时高阶模数量减少会使得光束发散角变小，从而改善了中功率段的光束质量。

2、本发明提出的固体激光器，由于改善了中功率段的光束质量，因此可以选择与额定功率的光束质量相匹配的光纤，且在全功率段都能保持高效的耦合，解决了小芯径光纤在中功率段的耦合效率低，容易损伤光纤的技术难题。

附图说明

图1是本发明一实施例提出的固体激光器的腔镜的结构示意图；

图2是本发明一实施例为确定腔镜镀膜直径，测量腔镜上光斑大小的光学装置图；

图3是本发明一实施例提出的固体激光器的光纤耦合示意图；

图4是本发明一实施例提出的固体激光器使用与未使用图1中固体激光器腔镜时的耦合效率对比图。

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，对本发明作进一步的详细说明。

本发明公开了一种固体激光器的腔镜，包括一后腔镜和一输出镜，分别位于固体激光器谐振腔的左右两侧，后腔镜和输出镜在朝向谐振腔内侧的表面中心分别镀有高反膜和部分反射膜，高反膜和部分反射膜的直径为1～3mm。

优选地，上述高反膜和部分反射膜的直径为固体激光器最高功率输出时在对应腔镜上光斑直径的1.2～2倍，优选地，高反膜和部分反射镜的直径为固体激光器最高功率时后腔镜上光斑直径的1.5倍。因此激光器额定功率的损耗极小；激光器的输出处于中功率段时，由于腔镜内侧面上的光斑直径大于镀膜直径，将限制光斑直径大于镀膜直径的多阶横模起振，则腔镜上的光斑大小限制为镀膜直径大小，同时高阶模数量的减少会使得光束发散角变小，从而改善了中功率段的光束质量。

上述高反膜的反射率大于99％，上述部分反射膜的反射率R满足条件20％≤R≤80％；优选地，对于连续激光输出，部分反射膜的反射率为70％，对于脉冲激光输出，部分反射膜的反射率为20％。上述输出镜朝向谐振腔外侧的表面镀有增透膜，增透膜的反射率小于1％，优选地，该增透膜的直径不小于部分反射膜的直径。

优选地，上述后腔镜和输出镜的直径为10～25mm，厚度为3～6mm。

优选地，上述后腔镜和输出镜镀膜前为机械方法打磨的磨砂面、二氧化碳激光器打标后的粗糙表面或者未镀膜的基片表面。

基于上述固体激光器的腔镜，本发明公开了一种固体激光器的谐振腔，包括上述固体激光器的腔镜。

上述固体激光器的谐振腔还包含一激光头，该激光头优选为全固态激光头或灯泵固体激光头。

在使用时，后腔镜高反膜的中心、输出镜部分反射膜的中心在激光头内晶体棒中轴线的延长线上。

基于上述固体激光器的腔镜，本发明还提出一种固体激光器，包括上述固体激光器的谐振腔。

该固体激光器可以选择与额定功率的光束质量相匹配的光纤进行光纤耦合，从而在全功率段都能保持高效的耦合，解决了小芯径光纤在中功率段的耦合效率低，容易损伤光纤的技术难题。

以下通过具体实施例对本发明提出的固体激光器的腔镜及应用其的谐振腔和固体激光器进行详细描述。

实施例1

如图1所示，本实施例提出了一种固体激光器的腔镜，包括后腔镜11和输出镜12，后腔镜11和输出镜12朝向谐振腔内侧的表面中心分别镀有高反膜和部分反射膜，高反膜和部分反射膜的直径为固体激光器最高功率输出时在后腔镜上光斑直径的1.5倍。

后腔镜11的高反膜对1064nm激光功率的反射率为99.5％，其朝向谐振腔外侧的表面不镀膜；输出镜12的部分反射膜对1064nm激光功率的反射率为70％，其朝向谐振腔外侧的整个面镀有增透膜，增透膜对1064nm激光功率的反射率为0.5％。后腔镜11和输出镜12未镀膜部分为镜片基底表面。后腔镜与输出镜的直径为20mm，厚度为4mm。

其中固体激光器光斑尺寸的大小采用如图2所示的光学装置测量，该装置以普通后腔镜13(面向激光头的表面上镀射对1064nm激光的反射率R＞99.5％的高反膜)、普通输出镜14(面向激光头的表面上镀射对1064nm激光反射率R＝70％的高反膜，背向激光头的表面镀射对1064nm激光反射率R＜0.5％的增透膜)与1.2kW的全固态激光头15构成平平对称谐振腔，谐振腔的物理腔长为600mm。通过45°反射镜16将谐振腔输出的最大功率发射到光吸收体17上，并通过带有成像装置18的CCD19测量输出镜14上激光光斑的直径，测量得到该光斑直径为1.6mm。

则上述输出镜12朝向谐振腔内侧的表面镀射的部分反射膜的直径为1.6×1.5＝2.4mm。因为是对称腔，上述后腔镜11朝向谐振腔内侧的表面中心镀射的高反射膜的直径也为2.4mm。

采用上述固体激光器的腔镜，本实施例还提出一种固体激光器的谐振腔，谐振腔的激光头采用全固态激光头，且后腔镜11高反膜的中心、输出镜12部分反射膜的中心在激光头内晶体棒中轴线的延长线上。

实施例2

基于实施例1中固体激光器的谐振腔，本实施例提出一种固体激光器，采用如图2所示的光学装置，其中将普通后腔镜13替换为实施例1中的后腔镜11，将普通输出镜14替换为实施例1中的输出镜12，并去除图2中测量光斑的相应光学元件。

如图3所示，为本实施例提出的固体激光器的应用示例图，给固体激光器加准直与聚焦系统20，准直与聚焦后的光束将耦合进200μm的光纤21中，此加入耦合系统的装置可用于厨房五金生产、汽车白车身焊接等金属部件的激光焊接工艺中。

为了说明本实施例提出的固体激光器相比现有固体激光器的优势，测量图3中光学装置的耦合效率随输出功率的变化；并将图3中后腔镜11和输出镜12换成普通后腔镜13和普通输出镜14，测量使用普通后腔镜13和普通输出镜14时图3中光学装置的耦合效率随输出功率的变化，并将两种情况下的耦合效率随输出功率的变化进行比较，得到如图4所示的对比图，从图4中可以看出，将普通后腔镜13和普通输出镜14替换为本实施例提出的固体激光器采用的后腔镜11和输出镜12，耦合效率大幅提高，则本实施例提出的固体激光器的光束质量得到显著提高，同时能够保证较高的输出功率。

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，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。