专利名称：激光谐振腔、固体激光器以及激光谐振腔的制造方法
技术领域：
本发明属于激光技术领域，尤其涉及一种激光谐振腔及采用所述激光谐振腔的固体激光器；另外，本发明还涉及一种激光谐振腔的制造方法。
背景技术：
固体激光器主要包括泵浦源、谐振腔和工作物质三大部分，谐振腔是指光波在其中来回反射从而形成激光增益的空腔，工作物质是指可将外界提供的能量通过谐振腔的振荡发射出激光的材料。现有的固体激光器的谐振腔由全反镜和部分反射镜组成，能够振荡发出激光的激光晶体和部分反射镜以及全反镜均是分离放置的，这种固体激光器在工作时需要对谐振腔进行调整。由于谐振腔的两个腔镜的平行度要求非常高，通常在秒级，若调整不当将严重影响激光器的工作特性，因此需要操作人员具有极强的专业知识，谐振腔平行度的调整耗时耗力，即使是专业操作人员生产效率也比较低。此外，由于激光谐振腔的腔内元件均为分离状态，而且处于分离状态的两个腔镜的平行度在激光器应用过程中容易发生变化，造成系统的机械抗振能力较差。由此可见，采用分离形式构成的激光谐振腔不光对固体激光器的批量化生产造成一定的限制，也同时影响着最终生产出来的固体激光器的光学以及机械稳定性。
发明内容
有鉴于现有技术中存在的不足，本发明提供一种可以大批量生产的激光谐振腔， 所述激光谐振腔具有平行度高、结构稳定的特点；同时，本发明也公开了一种采用所述激光谐振腔的固体激光器；另外，本发明也提供了一种平行度高且适合大规模生产的一体化激光谐振腔的制造方法。为了实现本发明的第一个目的，本发明提供了一种可以大批量生产的激光谐振腔，其具体技术方案如下面所描述一种激光谐振腔，包括输入部件、输出部件和连接体，所述输入部件的入射面和输出部件的出射面互相平行并构成使激光振荡的谐振腔，所述输入部件和输出部件的通光面分别镀制有相应波段的膜层，所述连接体通过光学胶将输入部件和输出部件连接固定。进一步地，优选的结构是，所述输入部件的入射面和所述输出部件的出射面的平行度小于等于15秒。进一步地，优选的结构是，所述输入部件为激光晶体，所述输出部件为输出镜或非线性晶体。进一步地，优选的结构是，所述输入部件为激光晶体，所述输出部件为输出镜，在所述激光晶体和输出镜之间还设置有非线性晶体，所述非线性晶体固定在所述连接体上， 其通光面和谐振腔的腔面平行。
进一步地，优选的结构是，所述输入部件、输出部件以及连接体使用相同基质或者膨胀系数相近的材料。进一步地，优选的结构是，所述激光晶体选自而1￥04或而146或而11^或 Nd:GdVO4。进一步地，优选的结构是，所述连接体选自YVO4或YAG或YLF或GdVO4或硅片或陶瓷片或玻璃。进一步地，优选的结构是，所述非线性晶体选自PI3KTP或PPLN或PPLT或LBO或 BBO 或 BiBO 或 LN 或 KNO3 或 KTA 或 CBO 或 CLBO 或 PPMgOLN 或 KN 或 LiI。为了实现本发明的第二个目的，本发明提供了一种可以大批量生产的激光谐振腔，其具体技术方案如下面所描述一种固体激光器，包括能够输出泵浦光的泵浦源，其中，还包括激光谐振腔，所述泵浦源输出的泵浦光直接入射到所述谐振腔的入射面。进一步地，优选的结构是，还设置有对所述泵浦光进行耦合的光学耦合元件，泵浦源、光学耦合元件、激光谐振腔依次排列在一条直线上，所述泵浦源输出的泵浦光经过光学耦合元件的整形和聚焦后入射到所述谐振腔的入射面。进一步地，优选的结构是，所述泵浦源为半导体激光器，所述光学耦合元件为耦合
^Mi ο进一步地，优选的结构是，所述泵浦源为矩阵模式排列的多个半导体激光器，所述光学耦合元件为与半导体激光器输出光路对应的多个自聚焦透镜。为了实现本发明的第三个目的，本发明提供了一种可以大批量生产的激光谐振腔，其具体技术方案如下面所描述一种激光谐振腔的制造方法，包括(a)选用大尺寸的匹配的输入部件材料、输出部件材料以及连接体材料；(b)通过所述连接体材料将所述输入部件材料和输出部件材料连接固定，得到谐振腔胚胎；(c)对所述谐振腔胚胎进行切割。进一步地，优选的方法是，步骤(C)中，对所述谐振腔胚胎进行切割根据输入部件或输出部件材料的高度方向所需尺寸沿着与所述高度方向垂直的平面进行。进一步地，优选的方法是，所述连接体材料通过光学胶将所述输入部件材料和输出部件材料连接固定。进一步地，优选的方法是，在步骤(a)和(b)之间对输入部件和输出部件的通光面进行相应波段的镀膜。进一步地，优选的方法是，在步骤(b)中调整输入部件的入射面和输出部件的出射面的平行度，使其小于等于15秒。进一步地，优选的方法是，当在步骤(b)之前未对输入部件和输出部件的通光面进行相应波段的镀膜时，在步骤(b)中连接固定后调节输入部件的入射面和输出部件的出射面平行度小于等于15秒，然后对其进行相应波段的镀膜。进一步地，优选的方法是，所述输入部件为激光晶体，所述输出部件为输出镜或者非线性晶体。
采用了本发明所公开的激光谐振腔的制造方法以后，生产出来的一体化的激光谐振腔的腔镜平行度高，结构稳定，应用时只需要配备半导体泵浦源和制冷系统即可获得激光输出，因此操作人员不需要极强的专业知识即可使用谐振腔进行固体激光器的组装，操作程序简单快捷，且组装的固体激光器结构和性能稳定。本发明激光谐振腔的制造方法有望在固体激光器的大规模生产中获得广泛的应用。
通过下面结合附图对其示例性实施例进行的描述，本发明的上述特征和优点将会变得更加清楚和容易理解。图1为本发明所涉及的激光谐振腔的一个具体实施例的结构示意图；图2为本发明所涉及的激光谐振腔的一个具体实施例的结构示意图；图3为本发明所涉及的激光谐振腔的一个具体实施例的结构示意图；图4为本发明所涉及的激光谐振腔的一个具体实施例的结构示意图；图5为图4所涉及的激光谐振腔的中沿A-A方向的剖视图；图6为本发明所涉及的固体激光器的一个具体实施例的结构示意图；图7为本发明所涉及的固体激光器的一个具体实施例的结构示意图；图8为图7所涉及的固体激光器的中沿A-A方向剖视图；图9为本发明所涉及的激光谐振腔的制造方法的具体实施例的流程图。
具体实施例方式下面依据附图和具体实施例详细地描述本发明。首先，结合附图对本发明所涉及的激光谐振腔进行详细的描述。实施例1 图1为本发明所涉及的激光谐振腔的一个具体实施例的结构示意图，其中，所述的输入部件采用激光晶体，所述的输出部件采用输出镜。具体来说，所述激光谐振腔包括激光晶体101，输出镜102，连接体103。在该实施例中，所述输出镜102为平平镜。其中，激光晶体101、输出镜102和连接体103采用热膨胀系数相近的材料，可以降低热效应对谐振腔整体结构稳定性的影响。其中激光晶体101入射面(Si面)的中心和输出镜102的出射面(S2面)的中心位于同一轴线，激光晶体101的通光面和输出镜102的通光面镀上基频光相应的膜层(膜层未在图中画出)，激光晶体101的S 1面和输出镜102的S2面的平行度小于等于15秒， 二者共同构成激光谐振腔。连接体103利用紫外胶粘结在激光晶体101和输出镜102的非通光面的相对两侧 (Χ0Υ面)。此激光谐振腔的Sl面侧可以直接配置匹配的半导体泵浦源，此激光谐振腔即可输出基频光。本领域普通技术人员应能理解，此处的紫外胶也可用其他常用光学胶替代。采用了本实施例中的激光谐振腔，激光器组装速度快，简单易行，对操作人员的专业技能要求较低，谐振腔平行度高，可以大大提高固体激光器的生产速度，便于批量化生产；由于连接体103与激光晶体101及输出镜102粘连在一起，提高了系统的机械结构稳定性；同时可快速将激光晶体101内的热量散出，降低系统热效应，提高激光器输出光稳定
6性。此激光谐振腔有望在固体激光器的大规模生产中获得广泛的应用。本实施例中，激光晶体101采用NchYVO4晶体，还可根据需要产生的激光采用 Nd: YAG, Nd: YLF或Nd = GdVO4中的一种，输出镜102和连接体103采用YVO4，还可采用YAG、 YLF、GdVO4晶体、硅片、陶瓷片或玻璃等中的一种，总之，连接体103的热膨胀系数与激光晶体101的热膨胀系数越相近越好，三者为同基质材料当然更佳。另外，所述激光谐振腔的腔型除平-平腔外，还可以是平-凹腔、平-凸腔、双凹腔或双凸腔等；激光谐振腔中的连接体103也可以粘结在激光晶体非通光面的相邻两侧，当然，如果加工工艺能保证牢固性，为了光学冷加工过程中方便操作和日后使用中的清洁保养，也可以只用一个连接体粘结在非通光面的一侧，此种情况不再赘述。实施例2 图2为本发明所涉及的激光谐振腔的一个具体实施例的结构示意图，其中，所述输出部件采用经过镀膜处理的倍频晶体。其中包括激光晶体201、倍频晶体202、连接体203。本实施例中，激光晶体201的通光面和倍频晶体202的通光面镀有关于基频光和倍频光相应的膜层，激光晶体201的入射面和倍频晶体的出射面构成激光谐振腔，此激光谐振腔为平-平腔。所述激光谐振腔进行工作时，在激光晶体201的入射面端配置半导体泵浦源端面泵浦于激光晶体201，在激光谐振腔内首先产生基频光，经过倍频晶体202后变为倍频光， 经过倍频晶体202出射面发射。本实施例中没有使用输出镜，而是在倍频晶体202的出射面镀上基频光的高反膜和倍频光的高透膜，使入射面和出射面构成激光器谐振腔，此结构省去了输出镜使得结构更加简单，且可以直接获得可见光。实施例3 图3为本发明所涉及的激光谐振腔的一个具体实施例的结构示意图，本实施例中，激光谐振腔采用输出镜和激光晶体构成谐振腔。具体来说，所述激光谐振腔包括激光晶体301、倍频晶体302、连接体303和输出镜304。其中输出镜304为平-凹镜，所述的谐振腔中的倍频晶体302的在谐振腔制造过程中即粘结在两侧的连接体303上，并且其通光面和谐振腔的腔面平行，此处不再详细描述。本实施例中所述倍频晶体采用PPKTP。在实施例2和3中，倍频晶体是非线性晶体的一种，其作用是对激光晶体产生的基频光进行倍频得到想要的倍频光，本领域普通技术人员应能理解，根据实际需要，倍频晶体也可以换成其他非线性晶体，如和频晶体、差频晶体，参量振荡晶体(OPO)、参量放大晶体 (OPA)或周期极化晶体等。具体为采用 PPLN、PPLT、LB0、BB0、BiB0、LN、KN03、KTA、CB0、CLB0、 PPMgOLN, KN 或 Li I 中的一种。实施例4:图4为本发明所涉及的激光谐振腔的一个具体实施例的结构示意图，图5为图4 所涉及的激光谐振腔的中沿A-A方向的剖视图，具体来说，其中包括激光晶体401，输出镜 402，连接体403。输出镜402为平-凹镜，谐振腔为平-凹腔。本实施例所公开的激光谐振腔与图1所表示的具体实施例的唯一区别是输出镜的类型不同。本领域普通技术人员应能理解，实施例3和4中的输出镜为平-凹镜，其作为谐振腔的一部分使激光产生振荡，因此其凹面为谐振腔的出射面，镀制有相应工作波长的膜，一般情况下，其凹面朝向谐振腔内部放置，某些场合凹面也可朝向谐振腔外部放置。此外，对于本发明的激光谐振腔，也可以输入部件为光学平片，输出部件为激光晶体或非线性晶体或光学平片。下面，对本发明所涉及的固体激光器进行详细的描述。实施例5 图6为本发明所涉及的固体激光器的一个具体实施例的结构示意图，具体来说， 其包括半导体泵浦源601、耦合镜602、激光谐振腔603和倍频晶体604。半导体泵浦源601 采用半导体激光器；激光谐振腔603包括Nd = YVO4激光晶体6031、输出镜YVO4晶体6032和连接体YVO4晶体6033 ；倍频晶体604为PPKTP晶体。倍频晶体604放置于谐振腔603的腔内，其Z轴向的两个侧面与谐振腔603分离， 倍频晶体604和谐振腔603利用胶或焊接等方法共同固定在热沉(此处未画出)上。NdiYVO4激光晶体6031的入射面和输出镜YVO4晶体6032出射面构成激光谐振腔 603，谐振腔603腔面平行度小于等于15秒，谐振腔603的各腔面和倍频晶体304的通光面均镀有相应工作波长需要的膜层，此激光谐振腔为平-平腔。半导体泵浦源601发射激光经耦合镜602整形聚焦后泵浦于NchYVO4晶体6031的入射面，在激光谐振腔603内首先产生基频光，经过PHiTP晶体后变为倍频光，经过输出镜 6032发射。此处，若半导体泵浦源601的出光质量满足直接泵浦的要求或对耦合效率要求不高，也可不使用耦合镜602，而是将半导体泵浦源601产生的泵浦光直接泵浦于NchYVO4 晶体6031的入射面。实施例6:图7为本发明所涉及的固体激光器的另一个具体实施例的结构示意图，图8为图 7所涉及的固体激光器的中沿A-A方向剖视图。如图所示，所公开的固体激光器为阵列式固体激光器。其中包括泵浦源701、光学耦合系统702、平-凹激光谐振腔703和倍频晶体 704。具体进行描述，所述平-凹激光谐振腔703由Nd:YAG激光晶体7031、YAG晶体输出镜 7032和YAG晶体连接体7033构成；倍频晶体704采用KTP晶体；泵浦源701采用12个半导体激光器组成，按照4X3的矩阵模式排列在YOZ面内。此外，所述光学耦合系统702包含 12个自聚焦透镜，12个自聚焦透镜分别放置于12个半导体激光器的输出光路上且与12束半导体激光一一对应。Nd: YAG晶体的入射面和输出镜的出射面构成12组激光谐振腔，每组谐振腔均为平-凹腔。具体进行描述，所述谐振腔的各个腔面以及倍频晶体704的通光面镀上基频光和倍频光的相应膜层，半导体激光器产生的12束并行的激光，分别经12个自聚焦透镜聚焦后端面泵浦于Nd:YAG晶体7031，形成阵列式多点泵浦，激光谐振腔703内首先产生基频光，基频光经过KTP倍频晶体7032后转化为倍频光经过输出镜7033的出射面输出12束倍频光。所述阵列式固体激光器采用多点泵浦，更好的实现热力分散，减小了晶体热负载密度，激光晶体的表面积和体积越大，散热效果越好，因此在初期制作激光谐振腔时候即可采用大尺寸晶体，不再进行切割。下面详细描述本发明所述的一体化激光谐振腔的制造方法。在此，主要以图1所述的实施例所涉及的激光谐振腔的结构为例，在此，所述实施例仅仅是例示性的，元件的材料、尺寸和谐振腔腔型的区别不影响其制造方法的本质。图9为本发明所涉及的激光谐振腔的制造方法的具体实施例的流程图。本发明所涉及的激光谐振腔的制造方法可按照下面的步骤进行步骤(a) 901 首先选用大尺寸的匹配的激光晶体材料、输出镜材料和连接体材料 (所述“大尺寸”是指选用的各材料在Y轴方向的尺寸比制造的单个激光谐振腔各构成材料在Y轴方向的尺寸大至少一倍)。一般来说，本实施例中，所述大尺寸的激光晶体101采用NchYVO4晶体，也可根据需要采用Nd:YAG、Nd: YLF或Nd = GdVO4中的一种，输出镜102和连接体103采用YVO4，也可根据需要采用YAG、YLF、GdV04晶体、硅片、陶瓷片或玻璃中的一种，总之，其热膨胀系数与激光晶体的热膨胀系数越相近越好，三者为同基质材料当然更佳。此外，在图2所示的实施例中所述的激光谐振腔中，所述倍频晶体采用ΡΗ ΤΡ，也可根据需要采用 PPLN、PPLT, LB0、ΒΒ0、BiBO, LN、KNO3> KTA、CBO、CLBO, PPMgOLN, KN 或 LiI 中的一种。步骤(b)902 选择是否先对激光晶体和输出镜进行镀膜；步骤903 若选择“是”，则将激光晶体401的入射面和出射面、输出镜402的入射面和出射面进行相应波段的镀膜，(镀膜未画出)；然后利用紫外胶将连接体403粘结在激光晶体401和输出镜402侧面上，此时紫外胶并没有固化，各个晶体仍然可以进行位置上的反复调节；利用平行度检测仪检测激光晶体401的入射面和输出镜402的出射面是否平行， 当激光晶体401的入射面和输出镜的出射面402平行度小于等于15秒时，立即用紫外光照射使得紫外胶固化，获得如图4所示的高平行度谐振腔胚胎。步骤904 若选择“否”，则将未镀膜的激光晶体401和输出镜402利用紫外胶粘结在连接体403上；同时利用平行度检测仪进行检测，调节激光晶体401的入射面和输出镜 402的出射面平行度小于等于15秒；然后利用镀膜机对激光晶体401通光面和输出镜402 的通光面镀制相应的膜层，获得如图4所示的高平行度谐振腔胚胎。连接体103利用紫外胶粘结在激光晶体和输出镜的非通光面的相对两侧(Χ0Υ 面)，激光谐振腔中的连接体103也可以粘结在激光晶体非通光的相邻两侧，当然，也可以只用一个连接体粘结在非通光面的一侧，在此，不再赘述。步骤(c)905 获得谐振腔胚胎后，根据激光晶体401的高度方向(Y轴方向)所需尺寸利用切割技术沿着XOZ面进行切割，获得多组一体化平-凹激光谐振腔，当输出镜为平-凹或平-凸等形状时，进行切割的时候就要注意不能破坏其凹面或凸面结构，在其邻接处进行切割。采用切割的目的是提高激光谐振腔的生产效率，此方法比较适合容易生长出大尺寸的NchYVO4晶体等，可以通过切割获得多组激光谐振腔，提高谐振腔生产效率，当然，也可以不采用切割方法，直接选取尺寸适当的晶体制作激光谐振腔，在此不再赘述。需要注意的是，虽然上面针对所述激光谐振腔具体描述了本发明的原理以及具体实施方式
，但是，在本发明的上述教导下，本领域技术人员可以在上述实施例的基础上进行各种改进和变形，而这些改进或者变形落在本发明的保护范围内。本领域技术人员应该明白，上面的具体描述只是为了解释本发明的目的，并非用于限制本发明。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。
权利要求
1.一种激光谐振腔，包括输入部件、输出部件和连接体，所述输入部件的入射面和输出部件的出射面互相平行并构成使激光振荡的谐振腔，所述输入部件和输出部件的通光面分别镀制有相应波段的膜层，所述连接体通过光学胶将输入部件和输出部件连接固定。
2.根据权利要求1所述的激光谐振腔，其特征在于，所述输入部件的入射面和所述输出部件的出射面的平行度小于等于15秒。
3.根据权利要求1或2所述的激光谐振腔，其特征在于，所述输入部件为激光晶体，所述输出部件为输出镜或非线性晶体。
4.根据权利要求3所述的激光谐振腔，其特征在于，所述输入部件为激光晶体，所述输出部件为输出镜，在所述激光晶体和输出镜之间还设置有非线性晶体，所述非线性晶体固定在所述连接体上，其通光面和谐振腔的腔面平行。
5.根据权利要求1所述的激光谐振腔，其特征在于，所述输入部件、输出部件以及连接体使用相同基质或者膨胀系数相近的材料。
6.根据权利要求4所述的激光谐振腔，其特征在于，所述激光晶体选自NchYVO4或 Nd YAG 或 Nd YLF 或 Nd GdVO4。
7.根据权利要求4所述的激光谐振腔，其特征在于，所述连接体选自YVO4或YAG或YLF 或GdVO4或硅片或陶瓷片或玻璃。
8.根据权利要求4所述的激光谐振腔，其特征在于，所述非线性晶体选自PH(TP或 PPLN 或 PPLT 或 LBO 或 BBO 或 BiBO 或 LN 或 KNO3 或 KTA 或 CBO 或 CLBO 或 PPMgOLN 或 KN 或 LiI0
9.一种固体激光器，包括能够输出泵浦光的泵浦源，其特征在于，还包括权利要求1 8任一所述的激光谐振腔，所述泵浦源输出的泵浦光直接入射到所述谐振腔的入射面。
10.根据权利要求9所述的固体激光器，其特征在于，还设置有对所述泵浦光进行耦合的光学耦合元件，泵浦源、光学耦合元件、激光谐振腔依次排列在一条直线上，所述泵浦源输出的泵浦光经过光学耦合元件的整形和聚焦后入射到所述谐振腔的入射面。
11.根据权利要求10所述的固体激光器，其特征在于，所述泵浦源为半导体激光器，所述光学耦合元件为耦合镜。
12.根据权利要求10所述的固体激光器，其特征在于，所述泵浦源为矩阵模式排列的多个半导体激光器，所述光学耦合元件为与半导体激光器输出光路对应的多个自聚焦透^Ml O
13.—种激光谐振腔的制造方法，包括(a)选用大尺寸的匹配的输入部件材料、输出部件材料以及连接体材料；(b)通过所述连接体材料将所述输入部件材料和输出部件材料连接固定，得到谐振腔胚胎；(c)对所述谐振腔胚胎进行切割。
14.根据权利要求13所述的激光谐振腔的制造方法，其特征在于，步骤(c)中，对所述谐振腔胚胎进行切割根据输入部件或输出部件材料的高度方向所需尺寸沿着与所述高度方向垂直的平面进行。
15.根据权利要求13所述的激光谐振腔的制造方法，其特征在于，所述连接体材料通过光学胶将所述输入部件材料和输出部件材料连接固定。
16.根据权利要求13所述的激光谐振腔的制造方法，其特征在于，在步骤(a)和(b)之间对输入部件和输出部件的通光面进行相应波段的镀膜。
17.根据权利要求13或16所述的激光谐振腔的制造方法，其特征在于，在步骤(b)中调整输入部件的入射面和输出部件的出射面的平行度，使其小于等于15秒。
18.根据权利要求13所述的激光谐振腔的制造方法，其特征在于，当在步骤(b)之前未对输入部件和输出部件的通光面进行相应波段的镀膜时，在步骤(b)中连接固定后调节输入部件的入射面和输出部件的出射面平行度小于等于15秒，然后对其进行相应波段的镀膜。
19.根据权利要求13所述的激光谐振腔的制造方法，其特征在于，所述输入部件为激光晶体，所述输出部件为输出镜或者非线性晶体。
全文摘要
本发明公开了一种激光谐振腔，包括输入部件、输出部件和连接体，所述输入部件的入射面和输出部件的出射面互相平行并构成使激光振荡的谐振腔，所述输入部件和输出部件的通光面分别镀制有相应波段的膜层，所述连接体通过光学胶将输入部件和输出部件连接固定。所述的激光谐振腔的腔镜平行度高，结构稳定，便于批量化生产，可降低生产成本；同时，本发明还公开了一种采用所述激光谐振腔的固体激光器，此外，本发明还公开了一种所述激光谐振腔的制造方法。
文档编号H01S3/16GK102237630SQ20101025972
公开日2011年11月9日 申请日期2010年8月23日 优先权日2010年4月28日
发明者张瑛, 毕勇, 鲍光 申请人:北京中视中科光电技术有限公司