一种半导体光源泵浦多谐振腔固体激光器装置的制作方法

本发明涉及固体激光器领域，特别是涉及一种半导体光源泵浦多谐振腔固体激光器装置。

背景技术：

激光器是能发射激光的装置，目前常用的主要有固定激光器、气体激光器等几种，其中气体激光器是利用气体作为工作物质产生激光的器件。它由放电管内的激活气体、一对全反镜构成的谐振腔和激励源等三个主要部分组成。主要激励方式有电激励、气动激励、光激励和化学激励等。其中电激励方式最常用。在适当放电条件下，利用电子碰撞激发和能量转移激发等，气体粒子有选择性地被激发到某高能级上，从而形成与某低能级间的粒子数反转，产生受激发射跃迁。

固体激光器是用固体激光材料作为工作物质的激光器，工作介质是在作为基质材料的晶体或玻璃中均匀掺入少量激活离子或其他激活物质构成，将这种掺入少量激活离子或其他激活物质的晶体或玻璃做成圆柱体形状，两端加上镜片就构成了传统的固体激光器谐振腔。对于这种固体激光器，实心圆柱体谐振腔内部的热积累是连续波稳定输出功率提升的主要瓶颈。当然，缩小圆柱体谐振腔直径可以提升散热效果，但是会缩小谐振腔体积，同样也会降低输出功率。

组合式圆筒结构激光器技术目前主要用于气体激光器如申请文件《组合式圆筒放电高功率气体激光器的构建方法及装置》，申请号：cn201210557750.x，授权公告号：cn102983486b，图6所示，但是由于其是气体激光器因此存在如下缺陷：

1、该申请文件是气体激光器，而气体激光器工作物质为气体，并与辅助气体混和，依靠气体流动和分子热运动来实现均匀分布，因此其虽然有内圆筒和外圆筒，但它们是通过锥镜反射串接的，所以，实际上它们是一个谐振腔，如果增加圆筒数，也必然增加谐振腔长度，进而增加调光难度和器件复杂程度。

2、由于该申请文件是气体激光器，因此其电源为射频电源，技术难度大，对环境会产生较大的电磁辐射污染。

3、由于该申请文件只在最外层和最内层有冷却装置，没有中间层，也没有中间层冷却装置，因此无法高效率降低系统工作温度，因此会影响输出功率。

4、由于该申请文件是气体激光器，谐振腔是水平放置，振动容易造成偏差，因此不适合户外移动。

5、气体激光器与固体激光器输出激光的波长差别较大，应用领域也有较大差别。

技术实现要素：

为了解决上述存在的问题，本发明提供一种半导体光源泵浦多谐振腔固体激光器装置，该装置相对于传统固体激光器具有更好的谐振腔散热效果，利于固体激光器的功率提升，与传统结构固体激光器相比能够获得更大的连续输出功率和脉冲功率，可作为激光焊接、激光切割、激光冲击强化等高、精、尖加工领域的特种光源，为达此目的，本发明提供一种半导体光源泵浦多谐振腔固体激光器装置，包括圆管形谐振腔组、冷却空心金属圆管和半导体泵浦光源，所述圆管形谐振腔组有n个圆管形谐振腔，n为正整数，n大于2，所述圆管形谐振腔组中的圆管形谐振腔平均半径从外到内成等差数列分布且长度相等并采用同轴布置，所述圆管形谐振腔组中的圆管形谐振腔的两个端面分别在互相平行的两个平面上，所述圆管形谐振腔组中相邻两个圆管形谐振腔之间布置有厚度固定的与圆管形谐振腔同轴的中间层冷却空心金属圆管，所述中间层冷却空心金属圆管的数量为n-1，所述冷却空心金属圆管包括至少1个中间层冷却空心金属圆管、最里层冷却空心金属圆管和最外层冷却空心金属圆管，各冷却空心金属圆管组成冷却空心金属圆管组，所述冷却空心金属圆管内壁与外壁之间为空心结构，所述冷却空心金属圆管内通有循环冷却液，所述冷却空心金属圆管组中的每一个中间层冷却空心金属圆管内壁与外壁的表面贴有金属基材为底板的线路板，线路板上密集布置贴片封装的半导体泵浦光源，所述半导体泵浦光源的光线射出主要方向布置为径向，所述圆管形谐振腔组中最里层圆管形谐振腔的内侧布置有最里层冷却空心金属圆管，最里层冷却空心金属圆管的外壁表面贴有金属基材为底板的线路板，线路板上密集布置贴片封装的半导体泵浦光源，最里层冷却空心金属圆管的内壁表面则没有布置半导体泵浦光源，所述圆管形谐振腔组中最外层圆管形谐振腔的外侧布置有最外层冷却空心金属圆管，最外层冷却空心金属圆管的内壁表面贴有金属基材为底板的线路板，线路板上密集布置贴片封装的半导体泵浦光源，最外层冷却空心金属圆管的外壁表面则没有布置半导体泵浦光源。

本发明的进一步改进，所述固体激光器冷却用空心金属圆管，为便于布置输出窗与全反镜，其长度选择等于圆管形谐振腔长度，其两个端面选择与至少1个圆管形谐振腔的相同端面共面。

本发明的进一步改进，所述固体激光器每两个相邻的冷却用空心金属圆管与圆管形谐振腔之间嵌有同轴支撑环，在圆管形谐振腔两端必须布置有同轴支撑环，每一个端面上有2n个同轴支撑环，称一个同轴支撑环组，两个端面有两个同轴支撑环组，为便于布置输出窗与全反镜，同轴支撑环朝外的端面布置为与圆管形谐振腔两端分别共面。

本发明的进一步改进，所述固体激光器可根据圆管形谐振腔、冷却用空心金属圆管的长度和强度，在中间适当位置可以增加布置一组以上同轴支撑环组，同组的同轴支撑环两端面分别共面。

本发明的进一步改进，所述固体激光器的同轴支撑环组中的每一个同轴支撑环轴向长度可根据需要取5~10mm，同组的同轴支撑环要求长度一样，同组的同轴支撑环两端面分别共面。

本发明的进一步改进，所述固体激光器的每一个同轴支撑环外径等于其外圈相邻的冷却用空心金属圆管或圆管形谐振腔的内径，每一个同轴支撑环内径等于其内圈相邻的冷却用空心金属圆管或圆管形谐振腔的外径。

本发明的进一步改进，所述固体激光器谐振腔及其附件采用竖直布置，所述固体激光器谐振腔的下方有全反镜，所述全反镜的支撑结构支撑固体激光器谐振腔及其附件。

本发明的进一步改进，所述圆管形谐振腔组中的圆管形谐振腔的厚度为0.05-0.5mm，附着于等长度的圆管形透明玻璃基材上。

本发明提供一种半导体光源泵浦多谐振腔固体激光器装置，包括多个圆管形谐振腔、多个冷却用空心金属圆管、高亮发光二极管或半导体激光器点阵、同轴支撑环组、全反镜、输出窗、直流电源和控制系统，对于工业加工和其他大功率应用（如激光武器、激光冲击强化）领域来说，该固体激光器与传统结构相比能够获得更大的连续输出功率和脉冲功率，其最终的整形或聚焦激光束是多个圆管形谐振腔输出的同心圆环激光束的耦合，可用于大功率激光加工等多个应用领域；另外，由于是同心圆环激光束输出，在千米级以上长距离聚焦传输过程中热透镜效应低于同功率的传统结构固体激光器的实心圆激光束。

本发明与现有技术及气体激光器相比具有如下优势；

1、本发明含有多个圆管形谐振腔，它们是多个独立的谐振腔，经约束整形，它们的输出是多个在输出方向上平行的同心圆环，可以通过一块聚焦镜对这些同心圆环形平行激光束实现聚焦。每一个圆管形谐振腔可看成一个独立的固体激光器，本装置相当于用一块聚焦镜片实现了对多个独立的固体激光器的光束耦合，这种耦合方法不同于光纤耦合或多个镜片的组合耦合，相对巧妙、简洁，效果好。

2、本发明采用半导体光源泵浦，半导体所需电源技术相对简单，甚至可以用无声音的太阳能电池板代替声音很大发电车供电。

3、本发明采用带冷却装置的圆管形布置的半导体光源，适合所选圆管形谐振腔结构需要，而且这种带冷却装置的圆管形布置的半导体光源能够分层布置，这样利于提高泵浦光源功率，降低系统工作温度，提高输出功率。

4、本发明的多个圆管形谐振腔、带冷却装置的圆管形布置的半导体光源等部件均采用垂直同轴布置，这样可以避免因重力作用导致同轴度偏差。

5、本发明包含多个同轴支撑环，与全反镜的支撑结构共同维持系统相关部件的同轴度，若对装置进行适当加固，可以适应野外长距离移动，能够满足相关领域经常移动需要。

6、本发明的全反镜与输出窗可以与多个圆管形谐振腔、带冷却装置的圆管形布置的半导体光源等部件做成一个整体，这样在经过长途运输和颠簸后不需要调光，可以立即投入使用。

附图说明

图1为本发明多个圆管形谐振腔结构示意图一；

图2为本发明多个圆管形谐振腔结构示意图二；

图3为本发明中间层冷却空心金属圆管示意图；

图4为本发明最里层冷却空心金属圆管示意图；

图5为本发明最外层冷却空心金属圆管示意图；

图6为本发明现有技术示意图；

图示说明：

1、圆管形谐振腔组；2、中间层冷却空心金属圆管；3、最里层冷却空心金属圆管；4、最外层冷却空心金属圆管；5、半导体泵浦光源；6、冷却液进口管；7、冷却液出口管；8、同轴支撑环组。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

本发明提供一种半导体光源泵浦多谐振腔固体激光器装置，该装置相对于传统固体激光器具有更好的谐振腔散热效果，利于固体激光器的功率提升，与传统结构固体激光器相比能够获得更大的连续输出功率和脉冲功率，可作为激光焊接、激光切割、激光冲击强化等高、精、尖加工领域的特种光源。

作为本发明一种具体实施例，本发明提出如图1-5所示一种固体激光器装置，包括圆管形谐振腔组1、多个冷却空心金属圆管、半导体泵浦光源5和同轴支撑环组8，所述圆管形谐振腔组1中的圆管形谐振腔平均半径从外到内成等差数列分布，它们长度相等，在装置中采用同轴布置，且这些圆管形谐振腔的两个端面分别共面，即它们的两个端面分别在互相平行的两个平面上；所述相邻两个圆管形谐振腔之间布置有一定厚度的与圆管形谐振腔同轴的中间层冷却空心金属圆管，其数量比圆管形谐振腔个数少一个，多个中间层冷却空心金属圆管组成中间层冷却空心金属圆管组，冷却空心金属圆管内壁与外壁之间为空心结构，其间通有循环冷却液，用于分层冷却固体激光器的圆管形谐振腔组1及其泵浦系统；所述中间层冷却空心金属圆管组中的每一个冷却空心金属圆管内壁与外壁的表面贴有金属基材为底板的线路板，线路板上密集布置贴片封装的半导体泵浦光源5，半导体泵浦光源5的光线射出主要方向布置为径向。

本发明所述固体激光器的最里层圆管形谐振腔的内侧布置有最里层冷却空心金属圆管3，最里层冷却空心金属圆管3仅有外壁表面布置有泵浦光源，而在其内壁表面则没有布置泵浦光源。

本发明所述固体激光器的最外层圆管形谐振腔的外侧布置有最外层冷却空心金属圆管4，最外层冷却空心金属圆管4仅有内壁表面布置有泵浦光源，而在其外壁表面则没有布置泵浦光源。

本发明所述固体激光器的多个圆管形谐振腔1管壁很薄，利于谐振腔散热。

本发明所述固体激光器，在多个圆管形谐振腔1管壁变薄的同时可以通过增加圆管形谐振腔1的层数来提高功率。

本发明所述固体激光器冷却用空心金属圆管，其长度等于圆管形谐振腔长度，其两个端面与多个圆管形谐振腔的相同端面共面。

本发明对于所述固体激光器冷却用空心金属圆管与圆管形谐振腔之间嵌有同轴支撑环，一个端面上多个同轴支撑环组成一个同轴支撑环组8，每一个同轴支撑环外径等于外圈相邻的冷却用空心金属圆管或圆管形谐振腔的内径，每一个同轴支撑环内径等于内圈相邻的冷却用空心金属圆管或圆管形谐振腔的外径，其轴向长度可根据需要取5~10mm，但同组的同轴支撑环要求长度一样，在圆管形谐振腔组两端各嵌有一组同轴支撑环，同轴支撑环朝外的端面布置为与圆管形谐振腔两端分别共面。

本发明对于所述固体激光器可根据圆管形谐振腔、冷却用空心金属圆管的长度和强度，可在中间适当位置可以增加布置一组或多组同轴支撑环组8，同组的同轴支撑环两端面分别共面。

本发明为防止圆管形谐振腔、冷却用空心金属圆管等因重力作用等因素造成的同轴度变化，圆管形谐振腔和冷却用空心金属圆管采用竖直布置，全反镜在下端面，全反镜的支撑结构也是整个谐振腔组件的支撑。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。