一种可用于紫外激光器的多重扩束谐振腔的制作方法

本实用新型涉及激光技术领域，尤其涉及一种可用于紫外激光器的多重扩束谐振腔。

背景技术：

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。

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，应用范围已得到了极大的拓展；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。然而，由于紫外激光的单光子能量过于强大，紫外激光传输路径内空气中的粒子部分产生湮灭，导致紫外激光照射光路形成局部负压。特别地，在紫外激光功率密度越大的地方，负压越大。因此，激光谐振腔内的空气首先会向紫外激光传输光路移动，然后紫外光路上光功率密度小的空气往光功率密度大的地方移动。在紫外激光谐振腔内，三倍频上紫外激光出光位置具有最大的紫外光功率密度，导致腔内空气最终会缓慢向三倍频晶体出光位置移动，空气中的灰尘在三倍频晶体上紫外光出光位置不断附着，从而引起三倍频晶体黑化，最后导致紫外激光器输出功率下降、激光光束质量恶化。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种可用于紫外激光器的多重扩束谐振腔，解决高功率紫外激光器紫外激光功率密度过大导致三倍频晶体使用寿命过短的问题。

为实现上述目的，采用以下技术方案：

一种可用于紫外激光器的多重扩束谐振腔，包括第一半导体激光泵浦源组件、第一激光晶体、第一热补偿负透镜、第二半导体激光泵浦源组件、第二激光晶体、第二热补偿负透镜、第三半导体激光泵浦源组件、第三激光晶体、第三热补偿负透镜、腔内三倍频系统；所述第一半导体激光泵浦源组件用于对第一激光晶体泵浦，受到半导体激光泵浦的第一激光晶体由于等效热透镜效应，在光学上可以等效成为一个凸透镜，第一热补偿负透镜用于对第一激光晶体的等效热透镜效应进行补偿，且受到泵浦后的第一激光晶体与第一热补偿负透镜构成第一重扩束镜；所述第二半导体激光泵浦源组件用于对第二激光晶体泵浦，受到半导体激光泵浦的第二激光晶体由于等效热透镜效应，在光学上可以等效成为一个凸透镜，第二热补偿负透镜用于对第二激光晶体的等效热透镜效应进行补偿，且受到泵浦后的第二激光晶体与第二热补偿负透镜构成第二重扩束镜；第三半导体激光泵浦源组件用于对第三激光晶体泵浦，受到半导体激光泵浦的第三激光晶体由于等效热透镜效应，在光学上可以等效成为一个凸透镜，第三热补偿负透镜用于对第三激光晶体的等效热透镜效应进行补偿，且受到泵浦后的第三激光晶体与第三热补偿负透镜构成第三重扩束镜；所述第一重扩束镜、第二重扩束镜、第三重扩束镜用于依次放大光斑；所述第一半导体激光泵浦源组件与第三半导体激光泵浦源组件相邻布置，第一半导体激光泵浦源组件的泵浦光路与第二半导体激光泵浦源组件的泵浦光路形成第一夹角，第二半导体激光泵浦源组件的泵浦光路与第三半导体激光泵浦源组件的泵浦光路形成第二夹角；所述腔内三倍频系统布置于三重扩束镜的大光斑位置。

较佳地，所述多重扩束谐振腔还包括布置于激光谐振腔内的第一布儒斯特起偏器、第二布儒斯特起偏器、第三布儒斯特起偏器，分别用于提高第一激光晶体、第二激光晶体、第三激光晶体所激发的振荡光的偏振度。

较佳地，所述多重扩束谐振腔还包括第一平面反射镜、Q开关，Q开关、第一平面反射镜依次布置于第一热补偿负透镜的反射光路上。

较佳地，所述多重扩束谐振腔还包括平行平面透镜；所述平行平面透镜布置于第三半导体激光泵浦源组件的泵浦光路上，并与第三热补偿负透镜异端；所述平行平面透镜的法线方向与腔内振荡光路方向形成第三非直夹角，以起到压窄振荡光线宽的作用。

较佳地，所述腔内三倍频系统包括三倍频晶体，三倍频晶体的紫外光输出面的法线方向与腔内振荡光传输方向形成第四非直夹角，以使紫外光在三倍频晶体端面输出后的传输方向与振荡光的传输方向形成第五夹角。

较佳地，所述多重扩束谐振腔还包括第二平面反射镜；所述第二平面反射镜布置于第三半导体激光泵浦源组件的泵浦光路上，且布置于三倍频晶体的紫外光输出面附近，紫外光在三倍频晶体端面输出后从第二平面反射镜旁射出。

较佳地，所述第一热补偿负透镜、第二热补偿负透镜、第三热补偿负透镜均采用第一平凸透镜；所述第一热补偿负透镜的凸面靠近第一激光晶体布置，第二热补偿负透镜的凸面靠近第二激光晶体布置，第三热补偿负透镜的凸面靠近第三激光晶体布置；所述第一平凸透镜凸面镀振荡光高反膜及泵浦光增透膜，平面镀泵浦光增透膜。

较佳地，所述第一半导体激光泵浦源组件、第二半导体激光泵浦源组件、第三半导体激光泵浦源组件均包括半导体激光器、准直透镜、聚焦透镜；所述半导体激光器输出端带有光纤，其采用光纤耦合输出，发射波长为875nm～885nm；所述准直透镜置于半导体激光器、聚焦透镜之间，半导体激光器的光纤输出端设置在准直透镜的焦点处；所述准直透镜采用第二平凸透镜，聚焦透镜采用第三平凸透镜；所述准直透镜的凸面与对应的聚焦透镜的凸面相对布置；所述第二平凸透镜、第三平凸透镜双面镀泵浦光增透膜。

较佳地，所述第一布儒斯特起偏器、第二布儒斯特起偏器、第三布儒斯特起偏器采用第一平面透镜；所述第一平面透镜的两个通光面均未镀膜；所述平行平面透镜采用第二平面透镜，其两个通光面均镀振荡光增透膜；所述第一平面反射镜采用第三平面透镜，其靠近第一热补偿负透镜的一面镀振荡光高反膜；所述第二平面反射镜采用第四平面透镜，其靠近腔内三倍频系统的一面镀振荡光高反膜。

较佳地，所述第一激光晶体、第二激光晶体、第三激光晶体均采用Nd:YVO4晶体、Nd:YAG晶体或Nd:GaYVO4晶体。

采用上述方案，本实用新型的有益效果是：

本实用新型利用热补偿负透镜对激光晶体的热透镜效应进行热补偿，在光学上起到了简单扩束镜系统中凹透镜的作用；采用三路半导体激光泵浦方式提高激光器的泵浦功率，分散了单个激光晶体上的热量，降低了激光晶体的炸裂风险，提高了激光器长期运行可靠性；创新性的布置激光谐振腔内三路半导体激光泵浦系统中激光晶体以及热补偿透镜的位置、形成独特的多重扩束谐振腔，在短腔长条件下显著提高了腔内三倍频系统位置的振荡光光斑尺寸，延长了三倍频晶体的使用寿命，提高了紫外激光器的稳定性，实现了固体紫外激光器的高效率、高输出功率稳定运转。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型的振荡光光路的示意图；

其中，附图标识说明：

1—第一半导体激光泵浦源组件， 2—第一激光晶体，

3—第一热补偿负透镜， 4—第二半导体激光泵浦源组件，

5—第二激光晶体， 6—第二热补偿负透镜，

7—第三半导体激光泵浦源组件， 8—第三激光晶体，

9—第三热补偿负透镜， 10—腔内三倍频系统，

11—第一布儒斯特起偏器， 12—第二布儒斯特起偏器，

13—第三布儒斯特起偏器， 14—第一平面反射镜，

15—Q开关， 16—平行平面透镜，

17—第二平面反射镜， 101/401/701—半导体激光器，

102/402/702—准直透镜， 103/403/703—聚焦透镜。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本实用新型进行详细说明。

参照图1至2所示，本实用新型提供一种可用于紫外激光器的多重扩束谐振腔，包括第一半导体激光泵浦源组件1、第一激光晶体2、第一热补偿负透镜3、第二半导体激光泵浦源组件4、第二激光晶体5、第二热补偿负透镜6、第三半导体激光泵浦源组件7、第三激光晶体8、第三热补偿负透镜9、腔内三倍频系统10；所述第一半导体激光泵浦源组件1用于对第一激光晶体2泵浦，第一热补偿负透镜3用于对第一激光晶体2的等效热透镜效应进行补偿，且受到泵浦后的第一激光晶体2与第一热补偿负透镜3构成第一重扩束镜；所述第二半导体激光泵浦源组件4用于对第二激光晶体5泵浦，第二热补偿负透镜6用于对第二激光晶体5的等效热透镜效应进行补偿，且受到泵浦后的第二激光晶体5与第二热补偿负透镜6构成第二重扩束镜；第三半导体激光泵浦源组件7用于对第三激光晶体8泵浦，第三热补偿负透镜9用于对第三激光晶体8的等效热透镜效应进行补偿，且受到泵浦后的第三激光晶体8与第三热补偿负透镜9构成第三重扩束镜；所述第一重扩束镜、第二重扩束镜、第三重扩束镜用于依次放大光斑；所述第一半导体激光泵浦源组件1与第三半导体激光泵浦源组件7相邻布置，第一半导体激光泵浦源组件1的泵浦光路与第二半导体激光泵浦源组件4的泵浦光路形成第一夹角(该夹角为钝角)，第二半导体激光泵浦源组件4的泵浦光路与第三半导体激光泵浦源组件7的泵浦光路形成第二夹角(该夹角为钝角)；所述腔内三倍频系统10布置于三重扩束镜的大光斑位置。

其中，所述多重扩束谐振腔还包括布置于激光谐振腔内的第一布儒斯特起偏器11、第二布儒斯特起偏器12、第三布儒斯特起偏器13，分别用于提高第一激光晶体2、第二激光晶体5、第三激光晶体8所激发振荡光的偏振度；所述第一布儒斯特起偏器11置于第一热补偿负透镜3的反射光路上，且位于第一热补偿负透镜3与Q开关之间，第二布儒斯特起偏器12置于第一热补偿负透镜3与第二热补偿负透镜6之间，第三布儒斯特起偏器13置于第二热补偿负透镜6与第三热补偿负透镜9之间。所述多重扩束谐振腔还包括第一平面反射镜14、Q开关15，Q开关15、第一平面反射镜14依次布置于第一热补偿负透镜3的反射光路上。所述多重扩束谐振腔还包括平行平面透镜16；所述平行平面透镜16布置于第三半导体激光泵浦源组件7的泵浦光路上，并与第三热补偿负透镜9异端；所述平行平面透镜16的法线方向与腔内振荡光路方向形成第三非直夹角，以起到压窄振荡光线宽的作用。

所述腔内三倍频系统10包括三倍频晶体，三倍频晶体的紫外光输出面的法线方向与腔内振荡光传输方向形成第四非直夹角，以使紫外光在三倍频晶体端面输出后的传输方向与振荡光的传输方向形成第五夹角。所述多重扩束谐振腔还包括第二平面反射镜17；所述第二平面反射镜17布置于第三半导体激光泵浦源组件4的泵浦光路上，且布置于三倍频晶体的紫外光输出面附近，紫外光在三倍频晶体端面输出后从第二平面反射镜17旁射出。

所述第一热补偿负透镜3、第二热补偿负透镜6、第三热补偿负透镜9均采用第一平凸透镜；所述第一热补偿负透镜3的凸面靠近第一激光晶体2布置，第二热补偿负透镜6的凸面靠近第二激光晶体5布置，第三热补偿负透镜9的凸面靠近第三激光晶体8布置。

所述第一半导体激光泵浦源组件1、第二半导体激光泵浦源组件4、第三半导体激光泵浦源组件7均包括半导体激光器101/401/701、准直透镜102/402/702、聚焦透镜103/403/703；所述半导体激光器101/401/701输出端带有光纤，其采用光纤耦合输出，发射波长为875nm～885nm；所述准直透镜102/402/702置于半导体激光器101/401/701、聚焦透镜103/403/703之间，半导体激光器101/401/701的光纤输出端设置在准直透镜102/402/702的焦点处；所述准直透镜102/402/702采用第二平凸透镜，聚焦透镜103/403/703采用第三平凸透镜；所述准直透镜102/402/702的凸面与对应的聚焦透镜103/403/703的凸面相对布置；所述第二平凸透镜、第三平凸透镜的双面均镀泵浦光增透膜。

所述第一热补偿负透镜3、第二热补偿负透镜6、第三热补偿负透镜9采用第一平凸透镜，凸面镀振荡光高反膜及泵浦光增透膜，平面镀泵浦光增透膜；所述第一布儒斯特起偏器11、第二布儒斯特起偏器12、第三布儒斯特起偏器13采用第一平面透镜；所述第一平面透镜的两个通光面均未镀膜；所述平行平面透镜16采用第二平面透镜，其两个通光面均镀振荡光增透膜；所述第一平面反射镜1采用第三平面透镜，其靠近第一热补偿负透镜3的一面镀振荡光高反膜；所述第二平面反射镜17采用第四平面透镜，其靠近腔内三倍频系统10的一面镀振荡光高反膜。所述第一激光晶体2、第二激光晶体5、第三激光晶体8均采用Nd:YVO4晶体、Nd:YAG晶体或Nd:GaYVO4晶体。

本实用新型工作原理：

本实用新型的图2中的虚线为振荡光光路，A中所示为紫外光输出光路；其中，对光路有限制作用的镜片为谐振腔的反射镜；位于光路中间的器件为插入器件。

第一半导体激光泵浦源组件1对第一激光晶体2进行泵浦，第一热补偿负透镜3对第一激光晶体2的等效热透镜效应进行补偿。第一激光晶体2受到半导体激光器101/401/701泵浦后，在激光光学上可以等效成为一个凸透镜；第一热补偿负透镜3为一个平凸透镜，凸面与第一激光晶体2相对放置，由于第一热补偿负透镜3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。一个凹透镜与一个凸透镜，构成了最简单的扩束镜。对于扩束镜而言，凸透镜方向具有较粗的光斑，凹透镜方向光斑较小。为了使得腔内三倍频系统10处具有较大的激光光斑分布，第一激光晶体2布置在靠近三倍频系统10的方向。同理，第二激光晶体5和第二热补偿负透镜6在光学上也可以等效成为一个凸透镜和一个凹透镜。对于两个由凸透镜和凹透镜构成的扩束镜的叠加，为了实现多重扩束目标，第二扩束镜的凹透镜必须与第一扩束镜的凸透镜相邻布置。也就是说，第二热补偿负透镜6与第一激光晶体2相邻布置。同上，第三激光晶体8和第三热补偿负透镜9在光学上也可以等效成为一个凸透镜和一个凹透镜，第三热补偿负透镜9与第二激光晶体5相邻。综上所述，第一激光晶体2与第一热补偿负透镜3构成了第一重扩束镜，第二激光晶体5与第二热补偿负透镜6构成了第二重扩束镜，第三激光晶体8与第三热补偿负透镜9构成了第三重扩束镜。经过三重扩束后，在较短的谐振腔长度内，能够显著扩大腔内三倍频系统10位置的腔内振荡光光斑。

为了确保腔内振荡光的偏振特性，提高半导体激光器101/401/701的偏振度，激光谐振腔内布置了三个布儒斯特起偏器11/12/13。与此同时，在第三激光晶体8旁布置了一块平行平面透镜16，平行平面透镜16法线方向与腔内振荡光路形成第三非直夹角(该夹角不是直角，如图1中α所示)，从而起到压窄振荡光线宽的作用。腔内三倍频系统10中，三倍频晶体的紫外光输出面的法线方向与腔内振荡光传输方向形成第四非直夹角(该夹角不是直角，如图1中β所示)，由于紫外光与腔内振荡光在三倍频晶体内传输时具有不同的折射率，紫外光从三倍频晶体端面输出后，紫外光传输方向与振荡光传输方向形成第五夹角(如图1中θ所示)，为了将紫外激光从谐振腔内提取出来，在激光谐振腔内布置了第二平面反射镜17，紫外光可以从第二平面反射镜17旁出射。

以上从光学原理上阐述了多重扩束谐振腔的设计原理，为了使得振荡光在激光谐振腔内形成稳定振荡，最终得到高功率高光束质量的紫外光输出，所述多重扩束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。

所述第一热补偿负透镜3的凸面靠近第一激光晶体2布置，平面靠近第一半导体激光泵浦源组件1；第二热补偿负透镜6的凸面靠近第二激光晶体5布置，平面靠近第二半导体激光泵浦源组件4，第三热补偿负透镜9的凸面靠近第三激光晶体8布置，平面靠近第三半导体激光泵浦源组件7。

在上述方案中，第一平面反射镜14采用第三平面透镜，其靠近第一热补偿负透镜3的平面镀振荡光高反膜，反射率大于99.9％；第二平面反射镜17采用第四平面透镜，其靠近腔内三倍频系统10的平面镀振荡光高反膜，反射率大于99.9％。在上述方案中，所述Q开关15为声光Q开关或电光Q开关。

本实施例中，采用三个半导体激光器单端泵浦，在泵浦功率分别为50W时，得到了1.5mm直径的紫外光输出，相对于常规的1mm紫外光斑输出，光斑直径增加了50％。这表明，采用多重扩束谐振腔对紫外激光光斑的扩大作用切实有效，显著提高了紫外激光的光斑直径。

另外，由于采用三棒串接技术，分散了单个激光晶体上的热量，降低了激光晶体的炸裂风险，提高了激光器长期运行可靠性；同时，激光器的总泵浦功率有了极大增加，有助于实现紫外激光的高功率稳定运转。

本实用新型还可以在三路泵浦的方式下继续增加半导体激光泵浦源，实现四路、五路、甚至六路泵浦，腔内光学元器件的布置方式与本实用新型类似，从而极大提高激光器的输出功率，确保激光器高功率高光束质量输出。

以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。