基于板条结构的大功率355NM紫外激光器.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 103022870 A (43)申请公布日 2013.04.03 CN 103022870 A *CN103022870A* (21)申请号 201210577615.1 (22)申请日 2012.12.27 H01S 3/07(2006.01) H01S 3/081(2006.01) (71)申请人 苏州镭创光电技术有限公司 地址 215300 江苏省苏州市昆山市经济技术 开发区中小企业园章基路 189 号 3 栋 206 (72)发明人 孔剑 边莎莎 (74)专利代理机构 南京纵横知识产权代理有限 公司 32224 代理人 董建林 (54) 发明名称 基于板条结构。

2、的大功率 355nm 紫外激光器 (57) 摘要 本发明公开了一种基于板条结构的大功率 355nm 紫外激光器， 其特征在于， 包括 ： 半导体激 光泵浦模块、 透镜组、 板条薄片状的激光晶体、 激 光谐振腔、 调制器件、 谐波非线性晶体组以及使紫 外激光与其他光线分离的三棱镜 ； 前述激光谐振 腔由腔镜组成， 激光在激光器中形成 “M” 字形光 路。本发明的有益之处在于 ： 通过设计合理的 “M” 字形光路以及适当选择柱面镜的曲率半径， 可减 轻甚至消除一阶热聚焦、 应力双折射和退偏效应， 从而利用简单的板条激光结构获得更好的光束质 量和更高的输出功率 ； 在不改变激光器内部结构 的情况下，。

3、 在激光晶体破坏值范围内， 可通过提高 半导体激光泵浦模块的泵浦功率， 进一步增加腔 内基频激光的功率密度。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 1 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 1 页 1/1 页 2 1.基于板条结构的大功率355nm紫外激光器， 其特征在于， 包括 ： 激光晶体 （4） ， 分居上 述激光晶体 （4） 两侧的半导体激光泵浦模块 （1、 7） ， 设置于上述激光晶体 （4） 与半导体激光 泵浦模块 （1、 7） 之间的透镜组， 将上述半导体激光泵浦模块 （1、 7） 发。

4、射出的泵浦光转换成 高光束质量的基频激光的激光谐振腔， 对上述基频激光进行调制的调制器件 （9） ， 对上述基 频激光进行频率变换的谐波非线性晶体组以及使紫外激光与其他光线相分离而得到紫外 激光输出的三棱镜 （19） ； 上述激光晶体 （4） 为板条形状的薄片， 泵浦光的通光方向在薄片之 内， 激光晶体 （4） 的 “C” 轴竖直向上放置或者旋转 90水平放置 ； 上述激光谐振腔由腔镜 （3、 5、 8、 10、 11、 12、 14、 15、 18） 组成， 激光在激光器中形成 “M” 字形光路 ； 上述谐波非线性 晶体组由二次谐波非线性晶体 （16） 和三次谐波非线性晶体 （17） 组成。。

5、 2.根据权利要求1所述的基于板条结构的大功率355nm紫外激光器， 其特征在于， 上述 腔镜包括 ： 柱面镜 （3、 5） 、 平面镜 （8、 10、 11、 12、 14、 18） 、 凹面镜 （15） ， 上述柱面镜 （3、 5） 设置 于激光晶体 （4） 的一侧， 平面镜 （8、 10、 11、 12、 14、 18） 和凹面镜 （15） 设置于激光晶体 （4） 的 另一侧， 并且沿光路方向凹面镜 （15） 设置于谐波非线性晶体组之前， 优选的， 柱面镜 （3、 5） 和平面镜 （8、 10、 11、 12、 14） 的端面镀有对 1064nm 激光高反膜， 凹面镜 （15） 的端面镀。

6、有对 1064nm激光高反膜、 对532nm、 355nm激光高透膜， 平面镜 （18） 的端面镀有对1064nm、 532nm、 355nm 激光高反膜。 3.根据权利要求1所述的基于板条结构的大功率355nm紫外激光器， 其特征在于， 上述 激光晶体 （4） 为 Nd:YVO4 晶体， 或者 Nd:YLF 晶体、 Nd:YAG 晶体、 Nd:Glass 晶体、 Yb:YAG 晶 体、 Er:YAG 晶体。 4.根据权利要求1所述的基于板条结构的大功率355nm紫外激光器， 其特征在于， 上述 半导体激光泵浦模块 （1、 7） 的中心波长为 808nm 或 880nm。 5.根据权利要求1所。

7、述的基于板条结构的大功率355nm紫外激光器， 其特征在于， 上述 半导体激光泵浦模块 （1、 7） 发出的泵浦光经透镜组会聚成截面为长方形的一维平行光， 上 述一维平行光的上下宽度为激光晶体 （4） 厚度的一半， 长度小于激光晶体 （4） 的长度。 6.根据权利要求1所述的基于板条结构的大功率355nm紫外激光器， 其特征在于， 上述 分居激光晶体 （4） 两侧的半导体激光泵浦模块 （1、 7） 同时泵浦中间的激光晶体 （4） ， 或者两 个半导体激光泵浦模块 （1、 7） 中的任意一个对激光晶体 （4） 进行单独泵浦。 7. 根据权利要求 1 所述的基于板条结构的大功率 355nm 紫外激。

8、光器， 其特征在于 , 上 述调制器件 （9） 为声光调制器件、 电光调制器件或吸收型被动调 Q 开关， 优选的， 上述调制 器件 （9） 的两个端面均镀有 1064nm 增透膜。 8. 根据权利要求 1 所述的基于板条结构的大功率 355nm 紫外激光器， 其特征在于 , 上 述二次谐波非线性晶体 （16） 为 I 类 LBO， 或者类 LBO、 类 KTP、 类 BBO、 类 CLBO， 优选 的， 上述二次谐波非线性晶体 (16) 的两个端面均镀有 1064nm、 532nm 及 355nm 三色高透膜。 9. 根据权利要求 1 所述的基于板条结构的大功率 355nm 紫外激光器， 其特。

9、征在于 , 上 述三次谐波非线性晶体 (17) 为类 LBO， 或者 I 类 LBO、 类 BBO、 类 CLBO， 优选的， 上述 三次谐波非线性晶体 (17) 的两个端面均镀有 1064nm、 532nm 及 355nm 三色高透膜。 10.根据权利要求1至9任意一项所述的基于板条结构的大功率355nm紫外激光器， 其 特征在于 , 还包括 ： 用于提高光束质量的光阑 （13） ， 上述光阑 （13） 设置于激光谐振腔内。 权 利 要 求 书 CN 103022870 A 2 1/5 页 3 基于板条结构的大功率 355nm 紫外激光器 技术领域 0001 本发明涉及一种全固态激光器， 具。

10、体涉及一种基于板条结构的大功率 355nm 紫外 激光器。 背景技术 0002 激光二极管泵浦的全固态激光器因具有转换效率高、 稳定性好、 结构紧凑、 使用寿 命长等优点使其成为当今固态激光技术研究的热点之一， 其中板条激光器由于泵浦效率 高、 散热效率好而受到广泛重视。 采用棒状工作介质的高功率固体激光器在长时间运转时， 工作介质的径向温度梯度使棒呈现出热透镜效应和双折射效应， 进而严重降低了光束质 量， 限制了激光器的输出水平和高重复率运转。 对于板条结构的固体激光器， 可以通过设计 合理的 “M” 字形光路， 减轻甚至消除一阶热聚焦、 应力双折射和退偏效应， 从而获得更好的 光束质量和更。

11、高的输出功率。早在 20 世纪 70 年代美国 GE 公司的 W.B.Martin 等就提出了 板条激光器设计的概念， 使得板条晶体内部温度场的分布趋于均匀， 极大降低了晶体本身 的热效益。但该方案存在结构设计复杂、 吸收长度短、 抽运效率低等缺点， 限制了其进一步 的发展。 0003 紫外激光器在很多实际运用中都有非常广泛的应用， 利用紫外激光器加工材料过 程称为 “光蚀” 效应， 高能量的光子直接破坏材料的化学键， 属于 “冷” 处理过程， 热影响区域 微乎其微。 相比之下， 可见光和红外激光利用聚焦到加工部位的热量来熔化材料， 热量经过 传导会影响到周围的材料， 产生有害的热影响区域 ；。

12、 同时， 由于紫外激光在聚焦时， 聚焦点 可小到亚微米数量级， 从而对金属和聚合物的微处理更具优越性， 可以进行小部件的加工， 即使在不高的脉冲能量水平下， 也能得到较高的能量密度， 有效地进行材料加工。所以， 紫 外激光器具有良好的 “冷加工” 和 “聚焦” 性能， 两者结合在一起， 使其可以加工极其微小的 部件 ； 不仅如此， 由于大多数材料都能够有效地吸收紫外激光， 从而紫外激光器有更高的灵 活性和更广泛的应用场合， 可以被用来加工红外和可见激光加工不了的材料。现有的紫外 激光器多是采用棒状激光晶体得到 1064nm 基频激光输出， 然后进行频率转换至紫外激光 输出。由于棒状激光晶体所能。

13、承受的热负荷与泵浦光功率有限， 直接限制了紫外光的大功 率输出。 发明内容 0004 为解决现有技术的不足， 本发明的目的在于提供一种基于板条结构获得更好的光 束质量和更高的输出功率的大功率 355nm 紫外激光器。 0005 为了实现上述目标， 本发明采用如下的技术方案 ： 一种基于板条结构的大功率 355nm 紫外激光器， 其特征在于， 包括 ： 激光晶体， 分居前 述激光晶体两侧的半导体激光泵浦模块， 设置于前述激光晶体与半导体激光泵浦模块之间 的透镜组， 将前述半导体激光泵浦模块发射出的泵浦光转换成高光束质量的基频激光的激 光谐振腔， 对前述基频激光进行调制的调制器件， 以及对前述基频。

14、激光进行频率变换的谐 说 明 书 CN 103022870 A 3 2/5 页 4 波非线性晶体组 ； 前述激光晶体为板条形状的薄片， 泵浦光的通光方向在薄片之内， 激光晶 体的 “C” 轴竖直向上放置或者旋转 90水平放置 ； 前述激光谐振腔由腔镜组成， 激光在激 光器中形成 “M” 字形光路 ； 前述谐波非线性晶体组由二次谐波非线性晶体和三次谐波非 线性晶体组成。 0006 前述的基于板条结构的大功率 355nm 紫外激光器， 其特征在于， 前述腔镜包括 ： 柱 面镜、 平面镜、 凹面镜， 前述柱面镜设置于激光晶体的一侧， 平面镜和凹面镜设置于激光晶 体的另一侧， 并且沿光路方向凹面镜设置。

15、于谐波非线性晶体组之前。 0007 优选的， 柱面镜和设置于谐波非线性晶体组之前的平面镜的端面镀有对 1064nm 激光高反膜， 设置于谐波非线性晶体组之后的平面镜的端面镀有对 1064nm、 532nm、 355nm 激光高反膜， 凹面镜的端面镀有对 1064nm 激光高反膜、 对 532nm、 355nm 激光高透膜。 0008 前述的基于板条结构的大功率 355nm 紫外激光器， 其特征在于， 前述激光晶体为 Nd:YVO4 晶体， 或者 Nd:YLF 晶体、 Nd:YAG 晶体、 Nd:Glass 晶体、 Yb:YAG 晶体、 Er:YAG 晶体。 0009 前述的基于板条结构的大功率。

16、 355nm 紫外激光器， 其特征在于， 前述半导体激光 泵浦模块的中心波长为 808nm 或 880nm。 0010 前述的基于板条结构的大功率 355nm 紫外激光器， 其特征在于， 前述半导体激光 泵浦模块发出的泵浦光经透镜组会聚成截面为长方形的一维平行光， 前述一维平行光的上 下宽度为激光晶体厚度的一半， 长度小于激光晶体的长度。 0011 前述的基于板条结构的大功率 355nm 紫外激光器， 其特征在于， 前述分居激光晶 体两侧的半导体激光泵浦模块同时泵浦中间的激光晶体， 或者两个半导体激光泵浦模块中 的任意一个对激光晶体进行单独泵浦。 0012 前述的基于板条结构的大功率 355n。

17、m 紫外激光器， 其特征在于 , 前述调制器件为 声光调制器件、 电光调制器件或吸收型被动调 Q 开关， 优选的， 前述调制器件的两个端面均 镀有 1064nm 增透膜。 0013 前述的基于板条结构的大功率 355nm 紫外激光器， 其特征在于 , 前述二次谐波非 线性晶体为 I 类 LBO， 或者类 LBO、 类 KTP、 类 BBO、 类 CLBO。 0014 优选的， 前述二次谐波非线性晶体的两个端面均镀有1064nm、 532nm及355nm三色 高透膜。 0015 前述的基于板条结构的大功率 355nm 紫外激光器， 其特征在于 , 前述三次谐波非 线性晶体为类 LBO， 或者 I。

18、 类 LBO、 类 BBO、 类 CLBO。 0016 优选的， 前述三次谐波非线性晶体的两个端面均镀有1064nm、 532nm及355nm三色 高透膜。 0017 前述的基于板条结构的大功率355nm紫外激光器， 其特征在于,还包括 ： 用于提高 光束质量的光阑， 前述光阑设置于激光谐振腔内。 0018 本发明的有益之处在于 ： 通过设计合理的 “M” 字形光路， 以及适当选择柱面镜的 曲率半径， 可减轻甚至消除一阶热聚焦、 应力双折射和退偏效应， 从而利用简单的板条激光 结构获得更好的光束质量和更高的输出功率 ； 并且， 在不改变激光器内部结构的情况下， 在 激光晶体破坏值范围内， 可以。

19、通过提高半导体激光泵浦模块的泵浦功率， 进一步增加腔内 基频激光的功率密度， 从而得到更高功率的紫外激光输出。 说 明 书 CN 103022870 A 4 3/5 页 5 附图说明 0019 图1是本发明基于板条结构的大功率355nm紫外激光器的一个具体实施例的结构 示意图 ； 图中附图标记的含义 ： 1- 半导体激光泵浦模块， 2- 透镜， 3- 柱面镜， 4- 激光晶体， 5- 柱 面镜， 6- 透镜， 7- 半导体激光泵浦模块， 8- 平面镜， 9- 调制器件， 10- 平面镜， 11- 平面镜， 12- 平面镜， 13- 光阑， 14- 平面镜， 15- 凹面镜， 16- 二次谐波非。

20、线性晶体， 17- 三次谐波非线 性晶体， 18- 平面镜， 19- 三棱镜。 具体实施方式 0020 以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。 0021 参照图1， 本发明基于板条结构的大功率355nm紫外激光器包括 ： 激光晶体4， 分居 激光晶体 4 两侧的半导体激光泵浦模块 1、 7， 设置于激光晶体 4 与半导体激光泵浦模块 1、 7 之间的透镜 2、 6， 透镜 2、 6 组成透镜组， 将半导体激光泵浦模块 1、 7 发射出的泵浦光转换成 高光束质量的基频激光的激光谐振腔， 对上述基频激光进行调制的调制器件 9， 对上述基频 激光进行频率变换的谐波非线性晶体组以及使紫外激光与。

21、其他光线相分离而得到紫外激 光输出的三棱镜19。 其中， 谐波非线性晶体组由二次谐波非线性晶体16和三次谐波非线性 晶体 17 组成 ； 激光晶体 4 为板条形状的薄片， 泵浦光的通光方向在薄片之内 ； 激光谐振腔 由腔镜组成， 激光在激光器中形成 “M” 字形光路。 0022 在本发明中， 激光晶体 4 的 “C” 轴竖直向上放置， 其还可以旋转 90即水平放置， 相应的， 二次谐波非线性晶体 16 和三次谐波非线性晶体 17 也旋转 90放置。 0023 作为一种优选的方案， 透镜 2、 6 均镀有对泵浦光的高透膜。 0024 下面详细介绍激光谐振腔。 0025 参照图 1， 该激光谐振腔。

22、由腔镜组成， 具体由柱面镜 3、 5， 平面镜 8、 10、 11、 12、 14、 18 和凹面镜 15 组成。柱面镜 3、 5 设置于激光晶体 4 的一侧， 平面镜 8、 10、 11、 12、 14、 18 和 凹面镜 15 设置于激光晶体 4 的另一侧， 其中， 平面镜 8 竖直设置， 平面镜 11 水平设置， 平面 镜 10、 12、 14、 18 和凹面镜 15 均倾斜设置， 并且沿光路方向凹面镜 15 设置于平面镜 8、 10、 11、 12、 14 之后、 谐波非线性晶体组之前， 平面镜 18 用作紫外激光反射镜。 0026 作为一种优选的方案， 柱面镜 3、 5 和平面镜 8。

23、、 10、 11、 12、 14 的端面镀有对 1064nm 激光高反膜， 凹面镜 15 的端面镀有对 1064nm 激光高反膜、 对 532nm、 355nm 激光高透膜， 平 面镜 18 的端面镀有对 1064nm、 532nm、 355nm 激光高反膜。 0027 在本发明中， 激光晶体 4 为 Nd:YVO4 晶体， 其还可以是 Nd:YLF 晶体、 Nd:YAG 晶体、 Nd:Glass 晶体、 Yb:YAG 晶体、 Er:YAG 晶体等基频激光晶体。 0028 作为一种优选的方案， 激光晶体4的两个端面均镀有对泵浦光和1064nm激光增透 的增透膜， 用以增加对泵浦光的吸收。 00。

24、29 更为优选的是， 在激光晶体4的上下面上还设置有热沉 （未图示） ， 热沉与激光晶体 4 接触， 可保证热量的有效传导。 0030 在本发明中， 半导体激光泵浦模块 1、 7 均为半导体激光二极管， 其中心波长为 808nm， 最高输出功率为 30W， 也可以根据所选用的激光晶体 4 的不同而选用其他中心波长 例如 880nm 的半导体激光泵浦模块。 说 明 书 CN 103022870 A 5 4/5 页 6 0031 半导体激光泵浦模块 1、 7 可以同时泵浦中间的激光晶体 4， 也可以是两个半导体 激光泵浦模块 1、 7 中的任意一个对激光晶体 4 进行单独泵浦。 0032 半导体激。

25、光泵浦模块1、 7发出的泵浦光经透镜2、 6会聚成截面为长方形的一维平 行光， 作为一种优选的方案， 上述一维平行光的上下宽度为激光晶体 4 厚度的一半， 长度小 于激光晶体 4 的长度， 略小即可。 0033 作为一种优选的方案， 调制器件 9 为声光调制器件、 电光调制器件或者吸收型被 动调 Q 开关。 0034 更为优选的是， 调制器件 9 的两个端面均镀有 1064nm 增透膜。 0035 在本发明中， 二次谐波非线性晶体 16 和三次谐波非线性晶体 17 组成谐波非线性 晶体组， 设置于凹面镜 15 和平面镜 18 之间。经激光谐振腔的选模作用所形成的基频激光 经调制器件 9 调制后。

26、得到调制激光， 该调制激光经二次谐波非线性晶体 16 的倍频作用， 得 到绿激光输出 ； 调制后的基频激光和绿激光再次进入三次谐波非线性晶体 17 进行混频作 用， 得到 355nm 紫外激光， 得到的紫外激光经紫外激光反射镜 18 的反射作用输出激光谐振 腔外， 在三棱镜 19 的分离作用下， 得到三次谐波紫外激光输出。 0036 作为一种优选的方案， 二次谐波非线性晶体 16 为 I 类 LBO， 或者类 LBO、 类 KTP、 类 BBO、 类 CLBO。 0037 更为优选的是， 二次谐波非线性晶体16的两个端面均镀有1064nm、 532nm及355nm 三色高透膜。 0038 作为。

27、一种优选的方案， 三次谐波非线性晶体 17 为类 LBO， 或者 I 类 LBO、 类 BBO、 类 CLBO。 0039 更为优选的是， 三次谐波非线性晶体17的两个端面均镀有1064nm、 532nm及355nm 三色高透膜。 0040 作为一种优选的方案， 二次谐波非线性晶体 16、 三次谐波非线性晶体 17 以及激光 晶体 4 均用铟箔包裹后放入散热晶体座中。 0041 作为一种优选的方案， 本发明的紫外激光器还包括光阑 13， 光阑 13 设置于激光谐 振腔内， 用以进一步提高光束质量。 0042 参照图 1， 本发明的紫外激光器的工作原理为 ： 半导体激光泵浦模块 1、 7 发出的。

28、 泵浦光经透镜 2、 6 会聚后直接射入激光晶体 4 的端面， 激光晶体 4 吸收泵浦光能量后产生 受激发射， 发射出的光在激光谐振腔 （由柱面镜 3、 5， 平面镜 8、 10、 11、 12、 14、 18 和凹面镜 15 组成） 的选模作用下形成高光束质量的基频激光， 该基频激光经调制器件 9 的调制后， 得到高峰值功率的调制激光， 该调制激光经二次谐波非线性晶体 16 的倍频作用， 得到绿激 光输出， 调制后的基频激光和绿激光再次进入三次谐波非线性晶体 17 进行混频作用， 得到 355nm 紫外激光， 得到的紫外激光经紫外激光反射镜 18 的反射作用输出激光谐振腔外， 在 三棱镜 1。

29、9 的分离作用下， 得到三次谐波紫外激光输出。 0043 本发明的紫外激光器， 在不改变激光器内部结构的情况下， 在激光晶体破坏阀值 范围内， 还可以提高激光二极管的泵浦功率， 进一步增加腔内基频激光的功率密度， 从而得 到更高功率的紫外激光输出。 0044 另外， 本发明的基于板条结构的固体紫外激光器， 相比于基于棒状工作介质的紫 外激光器， 通过设计合理的 “M” 字形光路， 以及适当选择柱面镜的曲率半径， 可减轻甚至消 说 明 书 CN 103022870 A 6 5/5 页 7 除一阶热聚焦、 应力双折射和退偏效应， 从而利用简单的板条激光结构获得更好的光束质 量和更高的输出功率。 0045 需要说明的是， 上述实施例不以任何形式限制本发明， 凡采用等同替换或等效变 换的方式所获得的技术方案， 均落在本发明的保护范围内。 说 明 书 CN 103022870 A 7 1/1 页 8 图 1 说 明 书 附 图 CN 103022870 A 8 。