一种半导体精雕固体激光器的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种半导体精雕固体激光器，包括激光模块、谐振腔和冷却系统；所述激光模块为50-100W半导体侧面泵浦激光模块，可最大输出50-100W的连续1064nm激光；系统由水冷机和水管组成，对激光模块与调Q晶体进行温度控制；所述谐振腔包括全反镜、小孔光阑、输出镜，全反镜、输出镜都为带有一定曲率的平凹镜，输出镜为1064nm激光光功率部分透过，整体构成近似半共心腔；它选用谐振腔为稳定腔，而且在所需要的功率范围，将热透镜效应的影响降到最低程度。另外，降低了损耗，降低了激光阈值，提高了输出功率，使得转换效率相比平平腔获得了较大提升。
【专利说明】一种半导体精雕固体激光器
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及固体激光器应用【技术领域】；尤其是一种半导体精细雕刻固体激光器。
【背景技术】
[0002]当前在激光标记、表面处理加工等应用领域中，半导体侧面泵浦固体激光器占据了大部分市场。该类激光器利用半导体激光器输出波长与晶体吸收波长匹配的特点，获得相比于灯泵浦高一个数量级的转换效率。侧面泵浦实现了高功率泵浦和高功率的激光输出，目前常用固体激光器在50-100W之间。同时，Nd =YAG由于自发辐射寿命较长，可以获得更高的腔内储能，获得窄脉宽和高峰值功率，特别适用于金属材料的表面加工和一定深度的雕刻。侧面泵浦技术已经广泛使用，但是国内并未对光路部分进行深入的研究。常用激光器的谐振腔为平平腔，该腔型虽然易于调节，原材料加工方便，发散角较小，但是存在很多缺陷。平平腔衍射损耗大；属于临界稳定腔，失调灵敏度较大，受到外部机械振动或者轻微受热变形，光路会发生不可恢复变化；热灵敏性较明显，受热透镜焦距影响较大，极大的影响功率稳定性；选模能力差，易于产生高阶模式；小孔光阑直径与位置选择不当影响基模输出。以上缺陷影响激光器的加工质量。因此，如何通过改变谐振腔或其他器件来优化激光器光路，提高加工质量是该类激光器的亟待解决的一个技术难题。
实用新型内容
[0003]本实用新型要解决的主要技术问题是，提供一种高稳定度、高光束质量、高峰值功率的半导体精雕固体激光器。
[0004]为解决上述技术问题，本实用新型提供一种半导体精雕固体激光器，包括激光模块、谐振腔、冷却系统，激光模块为50-100W半导体侧面泵浦激光模块，可最大输出50-100W的连续1064nm激光。冷却系统由水冷机和水管组成，对激光模块与调Q晶体进行温度控制。其不同之处在于:所述谐振腔包括全反镜、小孔光阑、输出镜，全反镜、输出镜都为带有一定曲率的平凹镜，输出镜为1064nm激光光功率部分透过，整体构成近似半共心腔。
[0005]进一步，所述近似半共心腔由带有一定曲率的全反镜和输出镜构成，全反镜采用曲率半径较大的平凹镜，曲率半径在3-5m，对1064nm激光全反，输出镜采用曲率半径适中的平凹镜，曲率半径在0.6-0.8m之间，对1064nm激光光功率部分透过，透射率在15%_25%之间。
[0006]进一步，腔长保证为输出镜的曲率半径一半长度左右，0.3-0.5m之间。
[0007]进一步，小孔光阑靠近全反镜一侧，距离0.05-0.1m之间。
[0008]对比现有技术，本实用新型作为改进的原理在于:
[0009]改进所依据的基本原理是通过改变谐振腔型来提高谐振腔的稳定性和光束质量。平平腔，两端腔镜采用平面镜，该类腔型由于腔镜曲率与腔内产生的高斯光束曲率半径不匹配，造成衍射损耗和几何损耗较大，增加了腔内损耗，直接导致激光输出功率下降和阈值的提高，间接降低了转换效率。以上问题还导致平平腔选模能力差，易于产生多模振荡，降低光束质量，对激光加工十分不利。作为临界稳定腔，调节精度要求高，经过振动及其他外力影响将严重影响激光输出。其对热效应较灵敏，通过传输矩阵进行计算，可得出:
[0010]
ABl「1￡ 1 θ|.?Ζ2Τ?Ζ2? 1 θ--￡1
CD]-[oi — J^iJo I 丄0 i 1- /yiJ[o ι
jl-f i)l
[0011]<1为谐振腔稳定性条件；其中f为热透镜焦距，L1+L2=L。可以看出，谐振腔的稳定性由热透镜焦距和腔长决定，由于工业加工对尺寸要求尽可能小，因此在总腔长确定的条件下，热透镜焦距对谐振腔稳定性的影响起到了决定性的作用。由于随着泵浦功率的增加，热透镜效应愈加明显，因此，谐振腔内光学特性也会随着热透镜焦距的变化而变化，严重影响了在不同泵浦功率下激光输出的稳定性和光束质量。
[0012]为解决以上问题，将平平腔改为近似半共心腔。两个腔镜使用带有一定曲率半径的平凹镜。输出采用较大曲率半径的平凹镜。一般选取4-6m，该曲率半径近似平面，可将镜片近似当做平面镜来看，但是由于带有一定曲率，与腔内激光波前形成匹配，降低了一部分损耗。输出镜采用较小曲率半径的平凹镜，曲率半径在0.6m-0.8m之间，对1064nm激光光功率部分透过，该曲率与腔内激光匹配，达到了一定的选模作用，并且通过其对腔内光束的影响，来降低热焦距的影响作用，计算腔内的传输矩阵得出:
[0013]
ABl 1 O IZl 1 θΤ?￡2?Γ 1 0^1￡2 1 O IZl
K 及小 I 1? I jo 小々Jo I
[0014]其中R1为全反镜的曲率半径，R2为输出镜的曲率半径，可以看出，在总腔长固定的情况下，腔内光学特性除了由热透镜焦距影响外，还受到了曲率半径的控制。通过理论
_λ_+Ty—_
计算，选择合适曲率半径，使得的数值在中等到较高泵浦功率范围一直保证在0.5
左右，谐振腔为稳定腔，而且在所需要的功率范围，将热透镜效应的影响降到最低程度。另夕卜，降低了损耗，降低了激光阈值，提高了输出功率，使得转换效率相比平平腔获得了较大提升。
[0015]本实用新型所述的激光器的谐振腔，具备一定的选模能力，在光学束腰处附近放置小孔率光阑，可以滤掉高阶模式，保证在侧面泵浦高功率条件下获得基模输出；束腰位置在全反镜前一定距离处。
[0016]本实用新型所述的激光器，腔长通过理论计算严格控制在输出曲率半径一半长度左右，保证谐振腔的稳定性。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1半导体精雕固体激光器实物结构示意图。
[0018]图2半导体精雕固体激光器光路结构示意图。
[0019]图3新型激光器与传统激光器连续输出功率曲线比较图。
[0020]图4新型激光器与传统激光器在相同电流不同频率下的峰值功率比较图。
[0021]图5新型激光器与传统激光器在不同调制频率下的雕刻效果比较图。
【具体实施方式】
[0022]下面通过【具体实施方式】结合附图对本实用新型作进一步详细说明。
[0023]请参见图广4，本实用新型实施例中，一种半导体精细雕刻固体激光器:
[0024]实施方式1:
[0025]参见图1，一种半导体精细雕刻固体激光器，半导体侧面泵浦固体激光器，包括激光模块、谐振腔和冷却系统，所述激光模块5为海特光电的50W激光模块；所述谐振腔包括全反镜2、输出镜6、小孔光阑3，其中全反镜2、输出镜6为带有一定曲率半径的平凹镜，在腔内靠近全反镜处设置有小孔光阑3。
[0026]作为优选，所述激光模块5为最大输出50W功率的模块，在22A获得连续最大输出功率。
[0027]进一步，所述冷却系统由水冷机和水管构成，水冷机通过水管与激光模块5和调Q晶体4相连，利用冷却水对两个模块冷却，并精确控制温度。实际使用温度为25°C，可控制在0.1°C精度范围内。
[0028]进一步，谐振腔由全反镜2、输出镜6、小孔光阑3组成。激光由输出镜6输出，输出镜6与全反镜2之间距离为0.37m,输出镜6距离激光模块5中心0.1525m,全反镜2距离激光模块中心为0.2175m，全反镜2使用曲率半径R1=Sm的平凹镜，在凹面镀1064nmHR膜，AR膜反射率R>99.8% ;输出镜6使用曲率半径为R2=0.7m的平凹镜，在凹面镀1064nm透射率T=25%的膜，平面镀1064nmAR膜，AR膜反射率R〈0.2%。小孔光阑3距离全反镜0.05m,小孔直径1.5mm。
[0029]如图3所示，该腔型与传统激光器功率曲线比较图，在中小功率上平平腔的功率占优势，其原因是平平腔产生多阶模式，功率高，而新腔型产生基模激光，光束质量好。随着电流的增加，新腔型输出功率超过平平腔，其在17A达到最高功率，并获得了更高了转换效率。
[0030]此结构可以获得最大连续输出功率31W，功率不稳定度在四小时内在3%以内，有较好的光束质量，远场发散角在4mrad左右,光斑大小在约为3mm。
[0031]实施方式2:
[0032]请参见图2，在小孔光阑3和激光模块5之间放置声光调Q晶体4，调制频率在2kHz到20kHz之间。
[0033]请参见图4，新型激光器与传统激光器在相同电流下不同频率之间峰值功率的比较曲线图，可以看出，峰值功率获得了较大幅度的提升，其原因是功率相应提升，脉宽压缩的更窄。
[0034]此结构可以达到脉冲宽度40_120ns，脉宽稳定，峰值功率最高达lllkW，单脉冲能量最大达到5.25mJ。
[0035]调Q后实际雕刻效果如图5所示，图中左边为新腔型在5kHz、8kHz、12kHz、15kHz的调制频率下的效果，右边为平平腔在同等条件下的效果。可以看出，左边从低频到高频的雕刻深度、线条细度、边缘的光滑度都远远优于平平腔的效果，说明本实用新型所述激光器的激光模式、峰值功率都获得了相当程度的提高。
[0036]对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
[0037]以上所述，仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同替换和改进，均应包含在本实用新型技术方案的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种半导体精雕固体激光器，包括激光模块、谐振腔和冷却系统；其特征在于:所述激光模块为50-100W半导体侧面泵浦激光模块，可最大输出50-100W的连续1064nm激光；系统由水冷机和水管组成，对激光模块与调Q晶体进行温度控制；所述谐振腔包括全反镜、小孔光阑、输出镜，全反镜、输出镜都为带有一定曲率的平凹镜，输出镜为1064nm激光光功率部分透过，整体构成近似半共心腔。
2.根据权利要求1所述的一种半导体精雕固体激光器，其特征在于:所述近似半共心腔由带有一定曲率的全反镜和输出镜构成，全反镜采用曲率半径较大的平凹镜，曲率半径在3-5m，对1064nm激光全反，输出镜采用曲率半径适中的平凹镜，曲率半径在0.6-0.8m之间，对1064nm激光光功率部分透过，透射率在15%_25%之间。
3.根据权利要求1所述的一种半导体精雕固体激光器，其特征在于:腔长保证为输出镜的曲率半径一半长度左右，0.3-0.5m之间。
4.根据权利要求1所述的一种半导体精雕固体激光器，其特征在于:小孔光阑靠近全反镜一侧，距离0.05-0.1m之间。
【文档编号】H01S5/10GK204012183SQ201420454131
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年8月13日 优先权日:2014年8月13日
【发明者】陈义红, 吴娟, 陈义兵, 易光纯 申请人:南京海锐特激光设备有限公司