CN107565356A - 一种百瓦级1.9微米固体激光发生装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种百瓦级1.9微米固体激光发生装置，包括：第一光学系统，包括，第一激光发生装置(1)、第一全反射镜(5)、第一激光晶体(9)、第二全反射镜(6)、第二激光发生装置(2)、选模装置(11)、输出镜(12)；第二光学系统，包括，第三激光发生装置(3)、第二全反射镜(6)、第二激光晶体(10)、第三全反射镜(7)、第四激光发生装置(4)、选模装置(11)、输出镜(12)；所述第一至第三全反射镜、体光栅(8)分别位于第一至第四三维转台上，计算机控制系统(13)自动控制所述第一至第四三维转台的状态，直至获得理想的激光输出。

Description

一种百瓦级1.9微米固体激光发生装置

技术领域

本发明涉及一种固体激光发生装置，特别涉及一种百瓦级1.9微米固体激光发生装置。

背景技术

水分子对1.9微米波段激光具有很强的吸收，因此它可以作为医用激光手术刀的光源，在激光医疗方面有着重要的应用价值。单掺Tm晶体的在1.9μm波段具有较大的增益，适合作为产生1.9μm激光的增益介质。单掺Tm固体激光器在运转时会将大约25％泵浦功率转化为废热，因此传统的棒或块状晶体难以在高功率下稳定运转。板条Tm激光器散热性好，可以获得大功率的1.9μm波段激光，但是其输出光斑为线条状，光束质量因子M2值通常在30以上，激光束亮度低，不方便科学工业生产的实际应用。目前，单掺Tm激光器基本采用单晶体的结构，以达到体积小巧的目的。但是，单个激光晶体所能承受的泵浦光功率有限，限制了更高泵浦功率的注入，激光器无法达到较高的输出功率水平。

现有的光学谐振腔包括Z型腔、环形腔等，而这些腔型结构复杂，对光路调节技术要求较高，因此，要获得稳定的光学输出，就会变得比较困难，另外，为了获取更大功率的激光输出，必须设计一些复杂的光学结构，而更为复杂的光学结构必然要求更为精准的调光技术，本发明科研人员在长期研发当中，独具匠心的开发了全新的调节技术，以解决现有的光学技术问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决目前复杂光学谐振腔光路较难调节的技术问题，而提出了一种计算机控制下自动调节光路的大功率固体激光装置。

具体的，本发明涉及一种百瓦级1.9微米固体激光发生装置，包括：

第一光学系统，包括，第一激光发生装置1、第一全反射镜5、第一激光晶体9、第二全反射镜6、第二激光发生装置2、选模装置11、输出镜12；

其中，第一激光发生装置1发射的抽运光束入射至第一全反射镜5，经第一全反射镜5透射至第一激光晶体9，获得震荡光束，该震荡光束经第二全反射镜6反射至第三全反射镜7，经第三全反射镜7反射至选模装置11后经输出镜12输出；

第二激光发生装置2发射的抽运光束经第二全反射镜6透射后入射至第一激光晶体9，获得震荡光束，该震荡光束经第一全反射镜5反射至体光栅8，经体光栅8反射回第一全反射镜5后反射至第二全反射镜6，经第二全反射镜6反射至第三全反射镜7，经第三全反射镜7反射至选模装置11后经输出镜12输出；

第二光学系统，包括，第三激光发生装置3、第二全反射镜6、第二激光晶体10、第三全反射镜7、第四激光发生装置4、选模装置11、输出镜12；

其中，第三激光发生装置3发射的抽运光束经第二全反射镜6透射后入射至第二激光晶体10，获得震荡光束，该震荡光束入射至第三全反射镜7，经第三全反射镜7反射至选模装置11后经输出镜12输出；

第四激光发生装置4发射的抽运光束经第三全反射镜7，经第三全反射镜7透射至第二激光晶体10，获得震荡光束，该震荡光束入射至第二全反射镜6，经第二全反射镜6反射至第一全反射镜5后反射至体光栅8，经体光栅8反射回第一全反射镜5后反射至第二全反射镜6，经第二全反射镜6反射至第三全反射镜7，经第三全反射镜7反射至选模装置11后经输出镜12输出；

所述第一全反射镜5、第二全反射镜6、第三全反射镜7和体光栅8分别位于第一三维转台5.1、第二三维转台6.1第三三维转台7.1第四三维转台8.1上，计算机控制系统13自动控制所述第一三维转台5.1、第二三维转台6.1第三三维转台7.1、第四三维转台8.1三维状态。

进一步的，还包括探测器14，所述探测器,14将探测到的光信号实时输入到所述计算机控制系统13，所述计算机控制系统13根据所述光信号，结合所述计算机控制系统13预设激光模型进行调节，直至获得预期输出激光。

进一步的，所述计算机控制系统13根据所述第一激光发生装置1、第二激光发生装置2、第三激光发生装置3、第四激光发生装置4的参考光，调整所述第一全反射镜5、第二全反射镜6、第三全反射镜7的位置，使其与所述输出镜12的位置关系误差为±0.0001，然后固定所述第一全反射镜5、第二全反射镜6、第三全反射镜7的位置。

进一步的，所述计算机控制系统13调整所述体光栅8的位置，结合所述计算机控制系统13预设激光模型进行调节，直至获得预期输出激光。

进一步的，所述第一三维转台5.1、第二三维转台6.1第三三维转台7.1、第四三维转台8.1可以进行前、后、左、右、俯以及仰六方向调节。

进一步的，所述第一全反射镜5、第二全反射镜6、第三全反射镜7镀1.9μm波段激光高反膜，且1.9μm波段激光反射率大于或等于99.8％，且三块1.9μm全反镜的光路外侧面均镀有泵浦光高透膜，且泵浦光透过率大于或等于97％。

进一步的，所述第一全反射镜5、第二全反射镜6、第三全反射镜7的直径为9mm-14mm，厚度为1.8mm-2.6mm，临界角均为45°。

进一步的，所述1.9μm输出镜12为直径为6mm-112mm、曲率半径为150mm-250mm的平凹镜，且凹面侧镀有1.9μm波段激光透过率50％的膜，平面侧镀有1.9μm波段激光高透膜，该高透膜对于1.9μm波段激光的透过率大于或等于99.7％。

本发明的有益效果：本发明提出的基于四端泵浦谐振腔的光路调整装置，通过计算机自动控制首先调整反射镜的位置，再调整锁模光栅的位置，使得所述激光器能够自动的完成光学调整，解决了复杂的四端泵谐振腔的调光难度，既节约了调节技术，又带来了更好的调节结果，使得原本枯燥的光路调节技术，结合计算机进行调整，实现人工智能与光路调节的完美结合，科研人员只需要将模型设置完美，结合自动控制技术就可以完成精准的光学输出。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例计算机控制固体激光装置的结构原理示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。

如图1所示，本发明涉及一种百瓦级1.9微米固体激光发生装置，它包括四个半导体激光器和谐振腔，每个半导体激光器发射出波长为790nm的LD泵浦光，所述谐振腔为折叠腔，具体包括：

第一光学系统，包括，第一激光发生装置1、第一全反射镜5、第一激光晶体9、第二全反射镜6、第二激光发生装置2、选模装置11、输出镜12。

其中，第一激光发生装置1发射的抽运光束入射至第一全反射镜5，经第一全反射镜5透射至第一激光晶体9，获得震荡光束，该震荡光束经第二全反射镜6反射至第三全反射镜7，经第三全反射镜7反射至选模装置11后经输出镜12输出。

第二激光发生装置2发射的抽运光束经第二全反射镜6透射后入射至第一激光晶体9，获得震荡光束，该震荡光束经第一全反射镜5反射至体光栅8，经体光栅8反射回第一全反射镜5后反射至第二全反射镜6，经第二全反射镜6反射至第三全反射镜7，经第三全反射镜7反射至选模装置11后经输出镜12输出。

第二光学系统，包括，第三激光发生装置3、第二全反射镜6、第二激光晶体10、第三全反射镜7、第四激光发生装置4、选模装置11、输出镜12；

其中，第三激光发生装置3发射的抽运光束经第二全反射镜6透射后入射至第二激光晶体10，获得震荡光束，该震荡光束入射至第三全反射镜7，经第三全反射镜7反射至选模装置11后经输出镜12输出。

第四激光发生装置4发射的抽运光束经第三全反射镜7，经第三全反射镜7透射至第二激光晶体10，获得震荡光束，该震荡光束入射至第二全反射镜6，经第二全反射镜6反射至第一全反射镜5后反射至体光栅8，经体光栅8反射回第一全反射镜5后反射至第二全反射镜6，经第二全反射镜6反射至第三全反射镜7，经第三全反射镜7反射至选模装置11后经输出镜12输出。

所述第一光学系统、第二光光学系统交叉设置，存在部分共用元器件，例如第二全反射镜6、选模装置11、输出镜12等，其中选模装置11可以为F-B标准具，标准具5的厚度为0.3mm-0.6mm。YAG标准具可以将激光波长微调为1907.7nm，可以使激光输出线宽进一步压缩。第一激光晶体和第二激光晶体均为板条状，当然也可以为其它形状的晶体结构。本实施方式中，利用波长为790nm的半导体激光器发射的LD泵浦光通过1.9μm激光晶体获得1.9μm波段激光，1.9μm激光晶体为激光增益介质，1.9μm激光晶体在1908nm处有强的发射峰，为了与该发射峰相匹配，体光栅12的反射波长为1908nm、反射谱的半峰全宽不大于1nm。

所述第一全反射镜5、第二全反射镜6、第三全反射镜7和体光栅8分别位于第一三维转台5.1、第二三维转台6.1第三三维转台7.1第四三维转台8.1上，计算机控制系统13自动控制所述第一三维转台5.1、第二三维转台6.1第三三维转台7.1、第四三维转台8.1三维状态。本发明通过同时控制多个转台的位置关系，实现复杂调整结构下的自动控制，不依赖于人为技术的限制，而是通过计算机编程技术获得复杂调光结构下的自动完成。

还包括探测器14，所述探测器,14将探测到的光信号实时输入到所述计算机控制系统13，所述计算机控制系统13根据所述光信号，结合所述计算机控制系统13预设激光模型进行调节，直至获得预期输出激光。

其中，所述计算机控制系统13根据所述第一激光发生装置1、第二激光发生装置2、第三激光发生装置3、第四激光发生装置4的参考光，调整所述第一全反射镜5、第二全反射镜6、第三全反射镜7的位置，使其与所述输出镜12的位置关系误差为±0.0001，然后固定所述第一全反射镜5、第二全反射镜6、第三全反射镜7的位置。此为第一调整步骤，目的在于确定部分基本元器件的位置关系，简化调整难度。

其中，所述计算机控制系统13调整所述体光栅8的位置，结合所述计算机控制系统13预设激光模型进行调节，直至获得预期输出激光。所述第一三维转台5.1、第二三维转台6.1第三三维转台7.1、第四三维转台8.1可以进行前、后、左、右、俯以及仰六方向调节。

其中，所述第一全反射镜5、第二全反射镜6、第三全反射镜7镀1.9μm波段激光高反膜，且1.9μm波段激光反射率大于或等于99.8％，且三块1.9μm全反镜的光路外侧面均镀有泵浦光高透膜，且泵浦光透过率大于或等于97％。

其中，所述第一全反射镜5、第二全反射镜6、第三全反射镜7的直径为9mm-14mm，厚度为1.8mm-2.6mm，临界角均为45°。

其中，所述1.9μm输出镜12为直径为6mm-112mm、曲率半径为150mm-250mm的平凹镜，且凹面侧镀有1.9μm波段激光透过率50％的膜，平面侧镀有1.9μm波段激光高透膜，该高透膜对于1.9μm波段激光的透过率大于或等于99.7％。

体光栅8为高反射1.9μm激光。在本实施例中，体光栅8对1.9μm激光的反射率为99.8％。通过晶体产生的震荡光，由于非线性效应，有部分能量转换到1.9μm。1.9μm激光在反射镜、非线性晶体、体光栅之间来回振荡，并且在非线性晶体处不断放大。根据布拉格条件2nΛcosθ＝λ，体光栅对于不同的入射光波，只有唯一的波长能够在不同光栅平面的反射光相干加强形成衍射级，才能从体光栅430中按特定的方向衍射出来，而其余波长的光不满足布拉格条件，只能够透射过体光栅。1.9μm激光利用体光栅对波长的选择作用，只有很窄线宽的1.9μm激光形成了驻波腔，进而得到了窄线宽的1.9μm激光输出。进一步，体光栅与进入体光栅的激光之间的角度可调谐，对应不同的入射角度，衍射的波长也会不同，根据这一点通过调节体光栅与进入体光栅的激光之间的角度，配合调节平面镜的角度，保证激光保持来回振荡，从而实现对1.9μm激光的输出波长调谐。

在本实施例中，当激光正入射体光栅时，体光栅的旋转角度为0°，此时该体光栅正入射时中心波长为2129.6nm，即输出1.9μm激光随对应调节体光栅角度变化关系为：λout＝2129.6×cosθ。实验中体光栅角度调谐范围为0～30°，可以实现1.9μm激光从1850nm到2510nm波段的激光调谐，继续增大角度调节范围可以实现更大范围的波长调谐。所述调节完全通过计算机自动控制，通过与理论模拟值得比较实现逐步逼近理论模拟值得调节。

本发明提出的基于四端泵浦谐振腔的光路调整装置，通过计算机自动控制首先调整反射镜的位置，再调整锁模光栅的位置，使得所述激光器能够自动的完成光学调整，解决了复杂的四端泵谐振腔的调光难度，既节约了调节技术，又带来了更好的调节结果，使得原本枯燥的光路调节技术，结合计算机进行调整，实现人工智能与光路调节的完美结合，科研人员只需要将模型设置完美，结合自动控制技术就可以完成精准的光学输出。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种百瓦级1.9微米固体激光发生装置，其特征在于，包括：

第一光学系统，包括，第一激光发生装置(1)、第一全反射镜(5)、第一激光晶体(9)、第二全反射镜(6)、第二激光发生装置(2)、选模装置(11)、输出镜(12)；

其中，第一激光发生装置(1)发射的抽运光束入射至第一全反射镜(5)，经第一全反射镜(5)透射至第一激光晶体(9)，获得震荡光束，该震荡光束经第二全反射镜(6)反射至第三全反射镜(7)，经第三全反射镜(7)反射至选模装置(11)后经输出镜(12)输出；

第二激光发生装置(2)发射的抽运光束经第二全反射镜(6)透射后入射至第一激光晶体(9)，获得震荡光束，该震荡光束经第一全反射镜(5)反射至体光栅(8)，经体光栅(8)反射回第一全反射镜(5)后反射至第二全反射镜(6)，经第二全反射镜(6)反射至第三全反射镜(7)，经第三全反射镜(7)反射至选模装置(11)后经输出镜(12)输出；

第二光学系统，包括，第三激光发生装置(3)、第二全反射镜(6)、第二激光晶体(10)、第三全反射镜(7)、第四激光发生装置(4)、选模装置(11)、输出镜(12)；

其中，第三激光发生装置(3)发射的抽运光束经第二全反射镜(6)透射后入射至第二激光晶体(10)，获得震荡光束，该震荡光束入射至第三全反射镜(7)，经第三全反射镜(7)反射至选模装置(11)后经输出镜(12)输出；

第四激光发生装置(4)发射的抽运光束经第三全反射镜(7)，经第三全反射镜(7)透射至第二激光晶体(10)，获得震荡光束，该震荡光束入射至第二全反射镜(6)，经第二全反射镜(6)反射至第一全反射镜(5)后反射至体光栅(8)，经体光栅(8)反射回第一全反射镜(5)后反射至第二全反射镜(6)，经第二全反射镜(6)反射至第三全反射镜(7)，经第三全反射镜(7)反射至选模装置(11)后经输出镜(12)输出；

所述第一全反射镜(5)、第二全反射镜(6)、第三全反射镜(7)和体光栅(8)分别位于第一三维转台(5.1)、第二三维转台(6.1)第三三维转台(7.1)第四三维转台(8.1)上，计算机控制系统(13)自动控制所述第一三维转台(5.1)、第二三维转台(6.1)第三三维转台(7.1)、第四三维转台(8.1)三维状态。

2.根据权利要求1所述的固体激光发生装置，其特征在于，还包括：

探测器(14)，所述探测器(,14)将探测到的光信号实时输入到所述计算机控制系统(13)，所述计算机控制系统(13)根据所述光信号，结合所述计算机控制系统(13)预设激光模型进行调节，直至获得预期输出激光。

3.根据权利要求2所述的固体激光发生装置，其特征在于，所述计算机控制系统(13)根据所述第一激光发生装置(1)、第二激光发生装置(2)、第三激光发生装置(3)、第四激光发生装置(4)的参考光，调整所述第一全反射镜(5)、第二全反射镜(6)、第三全反射镜(7)的位置，使其与所述输出镜(12)的位置关系误差为±0.0001，然后固定所述第一全反射镜(5)、第二全反射镜(6)、第三全反射镜(7)的位置。

4.根据权利要求3所述的固体激光发生装置，其特征在于，所述计算机控制系统(13)调整所述体光栅(8)的位置，结合所述计算机控制系统(13)预设激光模型进行调节，直至获得预期输出激光。

5.根据权利要求4所述的固体激光发生装置，其特征在于，所述第一三维转台(5.1)、第二三维转台(6.1)第三三维转台(7.1)、第四三维转台(8.1)可以进行前、后、左、右、俯以及仰六方向调节。

6.根据权利要求1所述的固体激光发生装置，其特征在于，所述第一全反射镜(5)、第二全反射镜(6)、第三全反射镜(7)镀1.9μm波段激光高反膜，且1.9μm波段激光反射率大于或等于99.8％，且三块1.9μm全反镜的光路外侧面均镀有泵浦光高透膜，且泵浦光透过率大于或等于97％。

7.根据权利要求6所述的固体激光发生装置，其特征在于，所述第一全反射镜(5)、第二全反射镜(6)、第三全反射镜(7)的直径为9mm-14mm，厚度为1.8mm-2.6mm，临界角均为45°。

8.根据权利要求6所述的固体激光发生装置，其特征在于，所述1.9μm输出镜(12)为直径为6mm-112mm、曲率半径为150mm-250mm的平凹镜，且凹面侧镀有1.9μm波段激光透过率50％的膜，平面侧镀有1.9μm波段激光高透膜，该高透膜对于1.9μm波段激光的透过率大于或等于99.7％。