高重复频率激光器.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010221756.4 (22)申请日 2020.03.26 (71)申请人 富通尼激光科技 (东莞) 有限公司 地址 523000 广东省东莞市松山湖高新技 术产业开发区工业东路12号办公楼4- 6层 (72)发明人 尹雨松王世波巫国潮卢旭升 郑财强陈燕葵 (74)专利代理机构 北京盛凡智荣知识产权代理 有限公司 11616 代理人 刘晓晖 (51)Int.Cl. H01S 3/10(2006.01) H01S 3/102(2006.01) H01S 3/108(2006。

2、.01) (54)发明名称 一种高重复频率激光器 (57)摘要 本发明公开了一种高重复频率激光器, 包括 反射镜、 衍射光栅、 激光谐振腔、 固态激光材料、 扩束镜和脉冲激光器泵浦, 激光谐振腔中设有固 态激光材料, 脉冲激光器泵浦产生的泵浦光进入 固态激光材料产生脉冲激光束, 扩束镜将脉冲激 光束的横截面积展宽至不少于6倍, 展宽脉冲光 束被导入衍射光栅之后被衍射成不同波长的窄 带光束, 由衍射光栅衍射形成的相应波长的一束 窄带光, 被导回固态激光材料, 光束经固态激光 材料再次放大所选波长, 一部分光束透过激光谐 振腔输出到腔外作为激光器的输出。 本发明与现 有技术相比的优点在于: 固态激。

3、光器可在425W 或更高的泵浦功率下具有高能量转化效率。 权利要求书1页 说明书7页 附图3页 CN 111404015 A 2020.07.10 CN 111404015 A 1.一种高重复频率激光器, 其特征在于: 包括反射镜、 衍射光栅、 激光谐振腔、 固态激光 材料、 扩束镜和脉冲激光器泵浦, 所述激光谐振腔中设有固态激光材料, 所述脉冲激光器泵 浦产生的泵浦光进入所述固态激光材料产生所需横截面积的脉冲激光束, 所述扩束镜将从 所述固态激光材料出射的脉冲激光束的横截面积展宽至不少于6倍, 经所述扩束镜扩束后 的展宽脉冲光束被导入衍射光栅之后被衍射成不少于一束的不同波长的窄带光束, 然后。

4、由 所述衍射光栅衍射形成的一系列窄带光束中的相应波长的一束窄带光, 被导回所述固态激 光材料, 被导回固态激光材料的波长应处于固态激光材料的可调谐范围, 光束经固态激光 材料再次放大所选波长, 一部分光束透过激光谐振腔输出到腔外作为激光器的输出。 2.根据权利要求1所述的一种高重复频率激光器, 其特征在于: 所述扩束镜是一个棱 镜, 能在选定方向将脉冲激光束展宽至660倍, 脉冲重复频率110kHz, 所述脉冲激光器 泵浦泵浦功率约425W, 所述脉冲激光器泵浦注入到所述固态激光材料的脉冲能量为0.5 25mJ。 3.根据权利要求1所述的一种高重复频率激光器, 其特征在于: 所述固态激光材料选。

5、用 Ti:Sapphire或Cr:LiSAF晶体。 4.根据权利要求1所述的一种高重复频率激光器, 其特征在于: 所述激光谐振腔内设有 一个二次谐波发生器和一个三次谐波发生器, 经放大后的偏转光束在二次谐波发生器可以 产生二倍频光束, 偏转光束能双次通过所述二次谐波发生器, 经放大后的偏转光束和二倍 频光束经过三次谐波发生器可以产生三倍频光束。 5.根据权利要求1所述的一种高重复频率激光器, 其特征在于: 所述激光谐振腔由两个 反射镜组成或由一个反射镜和一个衍射光栅构成, 所述反射镜和衍射光栅能移动。 权利要求书 1/1 页 2 CN 111404015 A 2 一种高重复频率激光器 技术领域。

6、 0001 本发明涉及脉冲固体激光技术领域, 具体是指一种高重复频率激光器。 背景技术 0002 许多应用都要求固体激光器可在高重复频率下运行, 但是, 现有技术在获得窄线 宽和高能量转化效率方面仍面临诸多技术问题, 尤其是对于重复频率在700Hz以上的固态 可调谐激光器。 0003 过去众所周知的方案是使用掺钛蓝宝石晶体(Ti:Sapphire)作为激光介质, 重复 频率一般在10Hz, 如美国专利Us.Pat.No.5, 121, 398。 在这类激光器中, 一般使用3扩束镜 和衍射光栅。 0004 然而, 比现有重复频率水平高得多的窄线宽、 高功率输出激光器仍有重大需求。 发明内容 00。

7、05 本发明要解决的技术问题是克服以上技术缺陷, 提供一种高重复频率激光器, 一 方面, 本发明的固态激光器可在425W或更高的泵浦功率下具有高能量转化效率。 另一方 面, 本发明提供了一种在高重复频率, 窄线宽, 尤其是高功率泵浦条件下操作脉冲激光器的 方法。 0006 为解决上述技术问题, 本发明提供的技术方案为: 一种高重复频率激光器, 包括反 射镜、 衍射光栅、 激光谐振腔、 固态激光材料、 扩束镜和脉冲激光器泵浦, 所述激光谐振腔中 设有固态激光材料, 所述脉冲激光器泵浦产生的泵浦光进入所述固态激光材料产生所需横 截面积的脉冲激光束, 所述扩束镜将从所述固态激光材料出射的脉冲激光束的。

8、横截面积展 宽至不少于6倍, 经所述扩束镜扩束后的展宽脉冲光束被导入衍射光栅之后被衍射成不少 于一束的不同波长的窄带光束, 然后由所述衍射光栅衍射形成的一系列窄带光束中的相应 波长的一束窄带光, 被导回所述固态激光材料, 被导回固态激光材料的波长应处于固态激 光材料的可调谐范围, 光束经固态激光材料再次放大所选波长, 一部分光束透过激光谐振 腔输出到腔外作为激光器的输出。 0007 优选的, 所述扩束镜是一个棱镜, 能在选定方向将脉冲激光束展宽至660倍, 脉 冲重复频率110kHz, 所述脉冲激光器泵浦泵浦功率约425W, 所述脉冲激光器泵浦注入 到所述固态激光材料的脉冲能量为0.525mJ。

9、 0008 优选的, 所述固态激光材料选用Ti:Sapphire或Cr:LiSAF晶体。 0009 优选的, 所述激光谐振腔内设有一个二次谐波发生器和一个三次谐波发生器, 经 放大后的偏转光束在二次谐波发生器可以产生二倍频光束, 偏转光束能双次通过所述二次 谐波发生器, 经放大后的偏转光束和二倍频光束经过三次谐波发生器可以产生三倍频光 束。 0010 优选的, 所述激光谐振腔由两个反射镜组成或由一个反射镜和一个衍射光栅构 成, 所述反射镜和衍射光栅能移动。 说明书 1/7 页 3 CN 111404015 A 3 0011 本发明与现有技术相比的优点在于: 衍射光栅位于激光器光学谐振腔内, 光。

10、学谐 振腔由一个反射镜和一个衍射光栅或者两个中间夹有光栅的反射镜构成, 固态激光材料置 于反射镜和光栅之间的光学谐振腔, 光学谐振腔中间的衍射光栅可以运动, 一束选定波长 的激光束可以沿着光轴被衍射光栅衍射至固态激光材料, 对于由两个反射镜定义的光学谐 振腔, 其中一个或者两个反射镜或者衍射光栅可以在光学谐振腔中运动。 可运动衍射光栅 和可运动反射镜优先选择旋转运动。 0012 位于光学谐振腔之间的固态激光材料应该是可以覆盖较大可调节波长范围的激 光材料。 在激光材料和衍射光栅之间有一个扩束镜, 该扩束镜由一个或多个棱镜或由一个 或多个透镜组成。 扩束镜可以增加从固态激光材料入射到衍射光栅上的。

11、光束截面。 一台脉 冲激光器泵浦源用于激发光学谐振腔中的固态激光材料。 该泵浦源重复频率大约700Hz, 在 700Hz10kH之间更佳。 该泵浦源功率较高, 泵浦功率在425W之间或者更高, 在10W之上更 佳。 0013 在运行中, 脉冲激光泵浦源的能量直接注入固态激光材料用于激发固态激光材 料。 来自固态激光材料的光束进入扩束镜, 光束截面积至少扩大6倍以上, 或者660倍, 或 者1060倍, 或者1040倍。 扩束镜将光束导引致衍射光栅后, 不同波长的入射光将被衍射 成多束光。 衍射光束的带宽被限定在所需较窄的范围, 0.0052cm-1,或者0.010.1cm-1。 一部分选定波长。

12、的衍射光束从光学谐振腔导出, 作为激光器的输出。 0014 本发明的目标是提供一种有效的窄脉宽高重复频率脉冲固态激光器。 0015 本发明的另一个目标是提供一种在高功率泵浦条件下具有高转化效率和高平均 输出功率的高重复频率脉冲激光器。 0016 本发明的进一步目标是提供一种具有高重复频率的脉冲固态激光器。 0017 本发明的进一步目标是提供一种具有高重复频率, 高转化效率, 高平均输出功率 的可调谐脉冲固态激光器。 0018 本发明的进一步目标是提供一种在高功率泵浦下具有高转化效率的可调谐脉冲 激光器。 0019 本发明的进一步目标是提供一种实现在高重复频率、 高功率泵浦条件下, 在选定 的波。

13、长下具有窄线宽、 高转化效率的可调谐脉冲激光器的方法。 附图说明 0020 图1是本发明一种高重复频率激光器的方案示意图。 0021 图2a是本发明一种高重复频率激光器的扩束镜方案示意图。 0022 图2b是本发明一种高重复频率激光器的另一扩束镜方案实施例。 0023 图3是本发明一种高重复频率激光器的图2a的扩束镜方案组装图。 0024 图4是本发明一种高重复频率激光器另一实施例方案示意图。 0025 图5是本发明一种高重复频率激光器另一实施例方案示意图。 0026 图6是本发明一种高重复频率激光器另一实施例方案示意图。 具体实施方式 0027 下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。 说明。

14、书 2/7 页 4 CN 111404015 A 4 0028 本发明提供了一种高重复频率激光器, 具有窄线宽, 高转化效率, 高重复频率的脉 冲固态激光器。 另一方面, 本发明提供了一种实现高重复频率窄线宽脉冲激光器的方法。 0029 根据本发明, 一个衍射光栅位于激光器的光学谐振腔内。 光学谐振腔由一个反射 镜和一个衍射光栅, 或者两个中间夹有衍射光栅的反射镜定义。 固态激光材料位于光学谐 振腔内反射镜和衍射光栅之间。 要求衍射光栅在光学谐振腔内可以运动, 一束选定波长的 光束被衍射光栅衍射之后, 可以导入经过固态激光材料。 如果是由两个反射镜定义的光学 谐振腔, 其中的一个反射镜或者衍射。

15、光栅, 或者二者都可以在光学谐振腔中运动。 可运动栅 衍光栅和可动反射镜优选旋转运动方式。 0030 光学谐振腔中的激光材料优选可以在可调波长范围内产生激光的材料。 由一个或 多个棱镜或者一个或多个透镜组成的扩束镜位于谐振腔的激光材料和衍射光栅之间。 扩束 镜可以将激光材料出射的光束截面积到在到达衍射光栅之前增大。 一台脉冲激光器泵浦激 光器为光学谐振腔中的激光材料提供激励。 泵浦激光器的重复频率大约700Hz或者更高, 最 好在1kHz和10kHz之间。 泵浦功率可以在425W之间或者更高。 相应的, 激光器可以高功率 输出300mW或者更高500mW, 也可以输出1W以上。 0031 附图。

16、1给出了本发明提供的脉冲固态激光器。 反射镜M1和衍射光栅GR形成了一个 光学谐振腔。 一种优选可调节的固态激光材料LM, 例如Ti:Sapphire位于激光谐振腔中。 一 个扩束镜BE将从激光材料LM中出射的光束的横截面积扩大6倍或者更多, 优选660倍, 有 时需要1060倍, 特别是10倍以上或者更多, 比如1040倍。 扩束镜可以是一个透镜或一组 透镜。 最好使用向单一方向扩束的棱镜扩束镜, 例如使用一个折射率是1.82的YAG棱镜。 附 图2(a)和附图固态激光3给出了一个由四个折射率是1.82的YAG棱镜组成的扩束镜,棱镜的 一侧呈布儒斯特角切割, 另一侧沿法向切割, 这样可以将光。

17、束扩大11倍。 如附图2(a)所示, 经过棱镜的激光束沿着布儒斯特角方向入射, 沿着法向出射。 然后都以布儒斯特角入射到 棱镜PR2、 PR3、 PR4上, 然后都沿法向出射。 每一个棱镜的法向表面都镀有激光波长的减反射 膜。 之后经过扩束的激光束导入光栅GR, 如附图1所示。 可以如附图2所示, 一个由六个折射 率是1.82的YAG棱镜组成的扩束镜,棱镜的一侧沿布儒斯特角切割, 另一侧沿法向切割, 这 样可以将光束扩大36倍。 如附图2(b)所示, 经棱镜的激光束沿着布儒斯特角方向入射, 沿着 法向出射。 然后都以布儒斯特角入射到棱镜PR2、 PR3、 PR4、 PR5和PR6上, 然后都沿。

18、法向出射。 每一个棱镜的法向表面都镀有激光波长的减反射膜。 之后经过扩束的激光束导入光栅GR, 如附图1所示。 0032 扩束后的光束被导入衍射光栅GR之后被衍射为一系列窄带光束。 一束预先选定的 窄波长光束从光栅的背面导入并穿过激光材料LM。 光栅GR在光学偕振腔内可以旋转, 从而 使衍射角可以调节。 因此不同波长的光束可以从光栅导向激光材料。 一个衍射光栅将来自 于激光材料的光束折射为一系列不同波长的窄带光束。 通过旋转光栅, 不同所需波长的光 束可以被导向并穿过激光材料。 0033 如图1所示, 反射镜M1和光栅GR构成了一个光学谐振腔。 双色镜MC反射激光束的波 长, 且与输出耦合器M。

19、C1和激光材料LM搭配。 脉冲泵浦激光器LP位于光学谐振腔之外。 泵浦 激光是一个Nd:YLF, Nd:YAG或者Nd:YVO4二次谐波泵浦激光器, 调Q重复频率是700Hz或更 高, 或者70050kHz, 或者110kHz, 泵浦脉冲能量0.525mJ, 或者115mJ。 根据泵浦功率 等于泵浦脉冲能量和重复频率的乘积, 所需泵浦功率在425W或者更高。 根据本发明, 在高 说明书 3/7 页 5 CN 111404015 A 5 功率泵浦下可实现高转化效率。 0034 LP的泵浦能量注入激光材料LM用于激发激光材料。 激光束穿过激光材料LM后进入 扩束器, 光束横截面积扩大610倍或更高。

20、, 或1060倍或更高。 扩束后的光束被衍射光栅 衍射为一系列不同波长的窄带光束。 相应波长的某一束窄带光, 比如800nm波长的带宽大约 0.030.06cm-1, 被导回激光材料LM。 也可以选择其它波长。 被导回激光材料的波长应处于 激光材料LM的可调谐范围。 光束经LM放大后被双色镜MC1反射然后导向输出耦合器M1。 一部 分光束透过M1输出到腔外作为激光器的输出。 0035 本发明的另一实施例如附图4所示, 在反射镜M10和双色镜MC2之间有一个二次谐 波发生器, 即二次谐波晶体NLC1, 比如I类相位匹配或者优选II类相位匹配的LBO或BBO晶 体。 在NLC1和MC2之间还可以有。

21、一个三次谐波发生器, 即三次谐波晶体NLC2。 0036 双色镜MC2对基波光束高反, 对二次谐波和三次谐波光束高透。 在激光器运行中, 基波光束被双色镜MC2反射后被导向二次谐波晶体NLC1, 在NLC1中, 一部分基波光束转化为 二次谐波光束。 基波光束和二次谐波光束被反射镜M10反射返回NLC1, 再有一部分基波光束 转化为二次谐波光束。 产生的二次谐波光束最终透过双色镜MC2输出到腔外。 如果腔内还有 三次谐波晶体NLC2, 比如I类或者II类相位匹配的LBO或BBO晶体, 在NLC2中, 一部分基波光 束和二次谐波光束转化为三次谐波光束。 如果没有二次谐波光束, 基波光束在NLC2中。

22、将不 产生三次谐波光束。 最终三次谐波光束透过MC2输出到腔外。 在本发明中, 二次谐波发生器 是一个I类相位匹配二次谐波非线性晶体, 比如一个I类相位匹配LBO晶体; 三次谐波发生器 是一个I类或II类优选II类相位匹配三次谐波非线性晶体。 根据本发明, 也可以使用其 它类型的二次谐波发生器和三次谐波发生器。 0037 本发明的另一实施例如附图5所示, 激光谐振腔由输出耦合镜M1和反射镜M2构成。 谐振腔内还有一个衍射光栅GR与反射镜M2和M1光学连通。 M2可以旋转, 从而把某一选定的 偏转光束反射回光栅GR。 在本发明中, 泵浦激光器的重频700Hz50kHz, 用于激励固态激光 材料L。

23、M, 如Ti:Sapphire晶体。 位于激光材料LM和光栅GR之间有一个扩束镜BE。 扩束镜与图2 和图3中描述的一样。 激光材料LM在泵浦激光器LP的激发下可产生包含所需波长的基波光 束。 基波光束被光栅GR衍射。 所需波长的衍射光被M2镜反射回光栅GR, 再被导回激光材料LM 放大。 放大的基波光束经MC1反射导向输出耦合器M1。 耦合器M1将大部分光反射, 将一小部 分光输出到腔外。 附图5也可以包含如附图4所描述的二次谐波发生器和三次谐波发生器。 0038 附图6给出了本发明的另一实施例。 它与附图5类似, 除了使用光栅GR1将激光导出 腔外。 在本实施例中, LM产生的光束经BM扩。

24、束后入射到光栅GR然后被偏转。 所需波长光的一 阶衍射光束被镜M2反射, 而零阶衍射光束被输出腔外作为激光器的输出。 被M2反射的光束 沿着光轴传播被光栅GR1反射回LM被进一步放大。 镜M11对衍射光束高反, 将光束沿光轴反 射回双色镜MC1后再次回到LM进一步放大。 0039 示例 0040 搭建了一台Nd:YLF二次谐波光束泵浦的Ti:Sapphire激光器, 扩束镜的扩束比3.3 , 11和36。 经过各种重复频率和泵浦功率的测试, 转化效率等结果如表格1-4所示。 0041 表格1 说明书 4/7 页 6 CN 111404015 A 6 0042 0043 表格2 0044 004。

25、5 0046 表格3 说明书 5/7 页 7 CN 111404015 A 7 0047 0048 表格4 0049 0050 0051 以上表格比较了不同泵浦能量、 泵浦功率和不同重复频率、 不同扩束比下的能量 转化效率。 0052 在表格1-4中的示例1, 首先使用3.3扩束镜, 重复频率10Hz, 泵浦功率0.1W, 实现 了20转化效率。 在示例3, 使用了一个11扩束镜, 能量转化效率19。 因此, 在10Hz重复 频率, 0.1W的较低泵浦功率下, 使用11扩束镜替换3.3扩束镜的能量转化效率没有明显 改善。 0053 在示例2中, 激光器使用3.3扩束镜, 重复频率1kHz, 泵。

26、浦功率10W, 相比示例1使 用10Hz重复频率、 0.1W泵浦功率情况, 能量转化效率由20急剧下降到4。 说明书 6/7 页 8 CN 111404015 A 8 0054 示例4将扩束镜替换为11扩束镜, 重复频率1kHz, 泵浦功率10W, 可实现14能量 转化效率。 示例6将扩束镜替换为36扩束镜后, 可实现15能量转化效率,超过示例2转化 效率的3倍。 0055 在示例13中, 激光器使用3.3扩束镜, 重复频率10kHz, 泵浦功率10W, 能量转化效 率只有3。 在示例14和15中, 激光器分别使用11和36扩束镜, 可将能量转化效率分别 提高至14.5和15, 比示例2使用3。

27、扩束镜提增加了超过3倍。 0056 表格4表明在20W泵浦功率和1kHz高重频下, 使用11和36扩束镜比使用3.3 扩束镜可明显提高能量转化效率。 0057 以上对本发明及其实施方式进行了描述, 这种描述没有限制性, 附图中所示的也 只是本发明的实施方式之一, 实际的结构并不局限于此。 总而言之如果本领域的普通技术 人员受其启示, 在不脱离本发明创造宗旨的情况下, 不经创造性的设计出与该技术方案相 似的结构方式及实施例, 均应属于本发明的保护范围。 说明书 7/7 页 9 CN 111404015 A 9 图1 图2a 图2b 说明书附图 1/3 页 10 CN 111404015 A 10 图3 图4 说明书附图 2/3 页 11 CN 111404015 A 11 图5 图6 说明书附图 3/3 页 12 CN 111404015 A 12 。

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