纳秒YB:YAG碟片激光器的制作方法

纳秒yb:yag碟片激光器
技术领域
1.本发明涉及到激光器技术，特别涉及到一种纳秒yb:yag碟片激光器。


背景技术：

2.在传统激光器领域，在市面上大部分使用端面泵浦以及侧面泵浦作为主要泵浦方式，端面泵浦的主震荡功率放大器，既能保持主震荡器的高光束质量，又能保证高的峰值功率、高的转换效率、大能量输出，该类激光器被广泛应用于激光加工、远程测绘、空间雷达等领域。侧面泵浦能提供一条长的吸收路径进而可以降低增益介质的掺杂浓度，因而不需要很高的泵浦功率密度，显示出很大的优势。然而上述两种传统的主要泵浦方式都存在着缺陷：端面泵浦的缺点是损伤阈值有极限值，功率普遍不高；侧泵激光器的缺点是光束质量较差。
3.针对上述缺点，一种以碟片作为泵浦方式的激光器应运而生，以克服传统棒状激光器热管理方面的缺陷，消除激光晶体热畸变问题，目前市面上的碟片激光器主要是用来作为放大器，将毫瓦级别的种子光通过碟片的方式放大到几百瓦功率，但都是皮秒级或飞秒级的激光器，因此需要研发一种以碟片作为泵浦方式的高功率的纳秒级的激光器。


技术实现要素：

4.本发明的主要目的为提供一种纳秒yb:yag碟片激光器，旨在解决如何基于yb:yag碟片晶体实现高功率纳秒级的激光发射的技术问题。
5.为了实现上述发明目的，本发明第一方面提出一种纳秒yb:yag碟片激光器，包括：泵浦模块、组合镜系统、yb:yag碟片晶体和声光q开关；
6.所述组合镜系统包括透镜组件、角锥棱镜组件、反射镜组件和输出镜组件；
7.所述透镜组件对应所述泵浦模块设置；
8.所述角锥棱镜组件设置在所述yb:yag碟片晶体的一侧；
9.所述反射镜组件沿着光线传播方向，位于所述角锥棱镜组件的下游；
10.所述反射镜组件包括hr反射镜和多个泵浦反射镜，所述hr反射镜位于所述泵浦反射镜的下游；
11.所述输出镜组件与所述yb:yag碟片晶体相对设置，沿着光线传播方向，位于所述反射镜组件的下游；
12.所述输出镜组件、yb:yag碟片晶体与hr反射镜组成谐振腔；
13.所述声光q开关位于所述输出镜组件与所述反射镜组件之间；
14.其中，所述泵浦模块发出的泵浦光依次经过透镜组件、角锥棱镜组件、yb:yag碟片晶体与反射镜组件，泵浦光先后在yb:yag碟片晶体与角锥棱镜组件、yb:yag碟片晶体与反射镜组件之间多次反复泵浦，并在所述谐振腔内震荡，再通过所述声光q开关将连续光压缩为纳秒级的脉冲光，最后由输出镜组件输出激光。
15.进一步地，还包括声光晶体座，所述声光晶体座用于支撑固定所述声光q开关。
16.进一步地，还包括导热模块，所述导热模块设置在所述yb:yag碟片晶体远离所述角锥棱镜组件的一侧。
17.进一步地，所述导热模块包括水箱、水冷进口和水冷出口，所述水冷进口和水冷出口设置在所述水箱的一侧。
18.进一步地，所述导热模块还包括热沉，所述热沉设置在所述水箱的另一侧，用于支撑所述yb:yag碟片晶体。
19.进一步地，所述透镜组件包括准直正透镜和方形光阑。
20.进一步地，所述泵浦反射镜的表面镀940nm反射膜层，其反射率大于等于99.5％。
21.进一步地，所述hr反射镜的表面镀1030nm反射膜层，其反射率大于等于99.5％。
22.进一步地，所述角锥棱镜的表面镀940nm反射膜层，其反射率大于等于99.5％。
23.进一步地，所述yb:yag碟片晶体上表面镀940-1030nm增透膜层，下表面镀940nm-1030nm反射膜，所述yb:yag碟片晶体最佳吸收峰为940nm处，受激辐射波长为1030nm。
24.有益效果：
25.本发明的纳秒yb:yag碟片激光器，由泵浦模块发出的泵浦光依次经过透镜组件、角锥棱镜组件、yb:yag碟片晶体与反射镜组件，泵浦光先后在yb:yag碟片晶体与角锥棱镜组件、yb:yag碟片晶体与反射镜组件之间多次反复泵浦，并在输出镜组件、yb:yag碟片晶体与hr反射镜组成的谐振腔内来回震荡，并通过所述声光q开关将连续光压缩为纳秒级的脉冲光，最后由输出镜组件输出激光，由于对yb:yag碟片晶体进行多次泵浦和冲程，增加了对于yb:yag碟片晶体吸收能量的效率，再通过调q将震荡光压缩成脉冲光，同时以碟片的形式散热，不会引起热透镜效应，可以使纳秒yb:yag碟片激光器的最高功率达到200w、平均功率近百瓦、光光转化效率高达49％。
附图说明
26.图1是本发明一纳秒yb:yag碟片激光器的光路图；
27.图2是本发明导热模块上设置yb:yag碟片晶体的结构示意图。
28.其中：
29.1-泵浦模块；2-准直正透镜；3-角锥棱镜；4-方形光阑；5-导热模块；6-水箱；7-角锥棱镜组件；80-泵浦反射镜；81-最后一个泵浦反射镜；10-hr反射镜；11-声光晶体座；12-声光q开关；13-输出镜组件；14-水冷进口；15-水冷出口；16-多次泵浦光路；17-多次震荡红外光路；18-yb:yag碟片晶体；19-热沉
30.本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
31.应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
32.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于
描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体地限定。
33.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
34.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
35.参照图1-图2，本发明一实施例提供一种纳秒yb:yag碟片激光器，包括：泵浦模块1、组合镜系统、yb:yag碟片晶体18和声光q开关12；
36.所述组合镜系统包括透镜组件、角锥棱镜组件7、反射镜组件和输出镜组件13；
37.所述透镜组件对应所述泵浦模块1设置；
38.所述角锥棱镜组件7设置在所述yb:yag碟片晶体18的一侧；
39.所述反射镜组件沿着光线传播方向，位于所述角锥棱镜组件7的下游；
40.所述反射镜组件包括hr反射镜10和多个泵浦反射镜80，所述hr反射镜10位于所述泵浦反射镜80的下游；
41.所述输出镜组件13与所述yb:yag碟片晶体18相对设置，沿着光线传播方向，位于所述反射镜组件的下游；
42.所述输出镜组件13、yb:yag碟片晶体18与hr反射镜10组成谐振腔；
43.所述声光q开关12位于所述输出镜组件13与所述反射镜组件之间；
44.其中，所述泵浦模块1发出的泵浦光依次经过透镜组件、角锥棱镜组件7、yb:yag碟片晶体18与反射镜组件，泵浦光先后在yb:yag碟片晶体18与角锥棱镜组件7、yb:yag碟片晶体18与反射镜组件之间多次反复泵浦，并在所述谐振腔内震荡，再通过所述声光q开关12将连续光压缩为纳秒级的脉冲光，最后由输出镜组件13输出激光。由于对yb:yag碟片晶体18进行多次泵浦和冲程，增加了对于yb:yag碟片晶体18吸收能量的效率，再通过调q将震荡光压缩成脉冲光，同时以碟片的形式散热，不会引起热透镜效应，可以使纳秒yb:yag碟片激光器的最高功率达到200w、平均功率近百瓦、光光转化效率高达49％。
45.具体地，yb:yag碟片晶体18的厚度为200um，直径10mm，yb:yag碟片晶体18作为增益介质，由于其晶体厚度极薄且为碟状圆形结构，相比于其他类型激光器，拥有更大的横截面积以及极短的导热距离，这种独特的结构，十分利于热传导，几乎没有热透镜效应，有效地解决了热透镜效应导致的光束质量恶化的难题，不像传统的纳秒固态激光器会受到散热的限制，难以做到高功率，而且散热难会导致纳秒固态激光器直接开裂。
46.在上述实施例中，泵浦模块1作为激光器的泵浦源，其额定功率为200w，模块纤芯
为120um，采用匀化光纤使光束输出更加均匀和稳定，泵浦模块1锁定波长940nm，泵浦模块1锁定波长可以使泵浦源在使用时保持稳定的940nm的波长输出，以提高工作效率。
47.在上述实施例中，声光q开关12接收到射频信号，换能器在介质表面产生超声波，改变开关内介质折射率，上能级储能，没有声波时，储能释放，形成震荡，通过这种方式，可以将连续光压缩为十几个纳秒的脉冲光。
48.在上述实施例中，在yb:yag碟片晶体18一侧的角锥棱镜组件7有6个角锥棱镜3，与yb:yag碟片晶体18之间的泵浦实现6次冲程，多次冲程的目的是为了使泵浦光的多次被yb:yag碟片晶吸收与利用。
49.在上述实施例中，在反射镜组件中有3个泵浦反射镜80依次承接到来自yb:yag碟片晶体18的发射的泵浦光，并对泵浦光斑三次反射；泵浦反射镜80的最下游最后一个泵浦反射镜81承接泵浦光时不会呈现角度，而是原路反射，以此实现18次冲程，多次重复上述泵浦光的吸收与反射过程，增加yb:yag碟片晶体18对于泵浦光束的吸收次数，从而显著提高yb:yag碟片晶体18对于泵浦光的吸收效率，并最大化提高纳秒yb:yag碟片激光器对于泵浦光的光光转换效率和能量的利用率。
50.在上述实施例中，hr反射镜10是高反射率的反射镜，在反射激光时能减小能量损耗。
51.在上述实施例中，输出镜组件13的材料表面镀1030nm高反射膜层，透射率为5％。采用高反射率的输出镜可以减少能量损失，提高激光器的输出功率和能量密度。此外，具有高反射率的输出镜可以提供更好的波长选择性，即只反射特定波长范围内的光线，这对于实现单模式激光输出等应用十分重要。
52.优选的，还包括声光晶体座11，所述声光晶体座11用于支撑固定所述声光q开关12。声光晶体座11还可以用于对声光q开关12进行散热，使声光q开关12在工作时不受热量的影响。
53.优选的，还包括导热模块5，所述导热模块5设置在所述yb:yag碟片晶体18远离所述角锥棱镜组件7的一侧。设置有导热模块5可快速散发yb:yag碟片晶体18在工作过程中产生的热量，降低yb:yag碟片晶体18在吸收泵浦光过程中的热透镜效应，保证yb:yag碟片晶体18输出激光的质量与稳定性。
54.优选的，所述导热模块5包括水箱6、水冷进口14和水冷出口15，所述水冷进口14和水冷出口15设置在所述水箱6的一侧。导热模块5内有水冷通道，通过流动的水或液体，将yb:yag碟片晶体18产生的热量迅速带走，从而保持晶体正常工作并防止过热损坏。除此之外，传统的空气散热方式容易受到尘埃、污物等影响，而水冷通道则可以不受这些干扰，从而提高yb:yag碟片晶体18的可靠性和寿命。
55.优选的，所述导热模块5还包括热沉19，所述热沉19设置在所述水箱6的另一侧，用于支撑所述yb:yag碟片晶体18。所述热沉19可以通过与工作中的yb:yag碟片晶体18接触，吸收其产生的热量，并将其快速传递到周围环境中，从而起到降温散热的作用。所述热沉19优选为铜件，既可以对晶体进行支撑，同时作为导热材料，拥有更大的比热容，导热效果更好，或者如铝、镁等金属材料，也可以是蓄冷剂等其它高导热性的材料。
56.优选的，所述透镜组件包括准直正透镜2和方形光阑4。准直正透镜2具有将发散的光线转化为平行光线的功能，并可以实现光学系统中的光路调节和光斑扩大等作用。泵浦
模块1发出的发散的模块光斑经过准直正透镜2变为平行光斑。方形光阑4是一个正方形的孔径，可以限制光线进入或经过它的区域，从而控制光束的大小和形状。平行的泵浦光斑再经过方形光阑4将匀化圆形光斑限制为方形光斑，从而避免散焦、衍射和干涉等现象的干扰。
57.优选的，所述泵浦反射镜80的表面镀940nm反射膜层，其反射率大于等于99.5％。所述hr反射镜10的表面镀1030nm反射膜层，其反射率大于等于99.5％。所述角锥棱镜组件7的表面镀940nm反射膜层，其反射率大于等于99.5％。反射率越高，越能增加光路长度和谐振条件，提高激光输出功率和光束质量。
58.优选的，所述yb:yag碟片晶体18上表面镀940-1030nm增透膜层，下表面镀940nm-1030nm反射膜，所述yb:yag碟片晶体18最佳吸收峰为940nm处，受激辐射波长为1030nm。晶体参yb浓度较低，是因为本发明的纳秒yb:yag碟片激光器的峰值功率跟平均功率都很好，低浓度就可实现目的；yb:yag碟片晶体18上表面镀940-1030nm增透膜层，能够增加透过率使波长在940-1030nm内的泵浦光尽可能多地反射给yb:yag碟片晶体18；下表面镀940nm-1030nm反射膜，能够更加专一地反射波长为940nm-1030nm的泵浦光。
59.以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

技术特征：
1.一种纳秒yb:yag碟片激光器，其特征在于，包括：泵浦模块、组合镜系统、yb:yag碟片晶体和声光q开关；所述组合镜系统包括透镜组件、角锥棱镜组件、反射镜组件和输出镜组件；所述透镜组件对应所述泵浦模块设置；所述角锥棱镜组件设置在所述yb:yag碟片晶体的一侧；所述反射镜组件沿着光线传播方向，位于所述角锥棱镜组件的下游；所述反射镜组件包括hr反射镜和多个泵浦反射镜，所述hr反射镜位于所述泵浦反射镜的下游；所述输出镜组件与所述yb:yag碟片晶体相对设置，沿着光线传播方向，位于所述反射镜组件的下游；所述输出镜组件、yb:yag碟片晶体与hr反射镜组成谐振腔；所述声光q开关位于所述输出镜组件与所述反射镜组件之间；其中，所述泵浦模块发出的泵浦光依次经过透镜组件、角锥棱镜组件、yb:yag碟片晶体与反射镜组件，泵浦光先后在yb:yag碟片晶体与角锥棱镜组件、yb:yag碟片晶体与反射镜组件之间多次反复泵浦，并在所述谐振腔内震荡，再通过所述声光q开关将连续光压缩为纳秒级的脉冲光，最后由输出镜组件输出激光。2.根据权利要求1所述的纳秒yb:yag碟片激光器，其特征在于，还包括声光晶体座，所述声光晶体座用于支撑固定所述声光q开关。3.根据权利要求1所述的纳秒yb:yag碟片激光器，其特征在于，还包括导热模块，所述导热模块设置在所述yb:yag碟片晶体远离所述角锥棱镜组件的一侧。4.根据权利要求3所述的纳秒yb:yag碟片激光器，其特征在于，所述导热模块包括水箱、水冷进口和水冷出口，所述水冷进口和水冷出口设置在所述水箱的一侧。5.根据权利要求4所述的纳秒yb:yag碟片激光器，其特征在于，所述导热模块还包括热沉，所述热沉设置在所述水箱的另一侧，用于支撑所述yb:yag碟片晶体。6.根据权利要求1所述的纳秒yb:yag碟片激光器，其特征在于，所述透镜组件包括准直正透镜和方形光阑。7.根据权利要求1所述的纳秒yb:yag碟片激光器，其特征在于，所述泵浦反射镜的表面镀940nm反射膜层，其反射率大于等于99.5％。8.根据权利要求1所述的纳秒yb:yag碟片激光器，其特征在于，所述hr反射镜的表面镀1030nm反射膜层，其反射率大于等于99.5％。9.根据权利要求1所述的纳秒yb:yag碟片激光器，其特征在于，所述角锥棱镜的表面镀940nm反射膜层，其反射率大于等于99.5％。10.根据权利要求1所述的纳秒yb:yag碟片激光器，其特征在于，所述yb:yag碟片晶体上表面镀940-1030nm增透膜层，下表面镀940nm-1030nm反射膜，所述yb:yag碟片晶体最佳吸收峰为940nm处，受激辐射波长为1030nm。

技术总结
本发明属于激光器技术领域，公开了一种纳秒YB:YAG碟片激光器，包括泵浦模块、透镜组件、角锥棱镜组件、反射镜组件和输出镜组件、YB:YAG碟片晶体和声光Q开关；透镜组件对应泵浦模块设置；角锥棱镜组件设置在YB:YAG碟片晶体的一侧；反射镜组件包括HR反射镜和多个泵浦反射镜；输出镜组件与YB:YAG碟片晶体相对设置；声光Q开关位于输出镜组件与反射镜组件之间；泵浦模块发出光先后在YB:YAG碟片晶体、角锥棱镜组件与反射镜组件之间多次反复泵浦，并在谐振腔内震荡，再通过声光Q开关压缩为纳秒级的脉冲光，最后由输出镜组件输出激光。由于进行了多次泵浦，增加了对于晶体吸收能量的效率，同时以碟片的形式散热，可以实现高功率、高光光转化效率的纳秒固态激光器。转化效率的纳秒固态激光器。转化效率的纳秒固态激光器。


技术研发人员：任席奎 邹武兵
受保护的技术使用者：深圳市韵腾激光科技有限公司
技术研发日：2023.06.29
技术公布日：2023/10/15