[发明专利]空心环形光束输出的固体激光器及其使用方法

说明书

技术领域

本发明涉及固体激光器，特别是一种空心环形光束输出的固体激光器及其使用方法。

背景技术

由于激光技术及其应用的不断发展，空心环形激光光束越来越多的受到人们的关注。其输出光束具有特殊的模式强度分布，利用其具有的环形空间分布特性现已被用于超分辨显微镜，同样还因其具有特殊的轨道角动量特性从而广泛应用于材料加工和光学粒子操控等领域。

当前，空心环形光束有多种产生方法。其中最常见的是利用基模（TEM₀₀）激光光束通过一个全息图或者空间光调制器来得到；这种方法会带来大功率损耗，首先得到基模光束输出（输出效率一般为40%），然后只有30%的输入基模光束可以转换为空心光束，则其总的效率在10%左右；并且由于全息片以及调制器均有比较低的损伤阈值，其输出功率也受到限制。其输出功率一般不到100mW。同样也可以通过在激光谐振腔内放置相位板或特殊的镜片等来得到环形光输出；但是这种方法因在腔内引入了额外的元件而产生很大的损耗，从而其输出功率和效率受到限制。还有一种方法是通过特殊的泵浦条件，用空心分布的泵浦光来抽运晶体，移动晶体在一定的位置，采用平凹腔结构得到空心环形光束输出；这种方法不足之处就需要得到空心的泵浦光束，且其晶体位置精度要求高（在0.2mm范围内），因而其输出条件难以控制且输出不稳定，其输出功率没有报道。近期报道的一种方法是在在激光二极管端泵掺钕钒酸钇板条晶体弹跳（bounce）激光器，其可以得到高功率的空心光束输出，其光路在腔内为折变分布，腔内引入两个锥棱镜；不足之处是阈值高（10W），必须工作在高泵浦功率（大于40W）条件下，系统复杂，在低功率泵浦情况下难以得到空心光束输出。

所以，当前的空心环形光束激光器存在结构复杂、效率低、输出功率低、稳定性差等缺点。

发明内容

本发明为了克服上述技术的不足，提出一种空心环形光束输出的固体激光器及其使用方法，该激光器具有结构简单、结构紧凑，阈值低，效率高，输出功率高，光束质量好，系统运行稳定等特点。

本发明的技术解决方案如下：

一种空心环形激光光束输出的固体激光器，包括泵浦源，特点在于其构成是：在泵浦源输出的泵浦光方向依次是同光轴的耦合准直透镜、耦合聚焦透镜、激光增益介质和输出镜，所述的泵浦源的输出端置于所述的耦合准直透镜物方焦点处，所述的激光增益介质的前表面镀激光高反膜和泵浦光增透膜作为前腔镜，该激光增益介质的后表面镀激光增透膜，所述的输出镜与激光增益介质前表面构成激光谐振腔，所述的耦合聚焦透镜和激光增益介质各具有沿所述的光轴方向的移动调节机构，通过调节可使泵浦光经所述的耦合聚焦透镜的泵浦光的焦点位于所述的激光增益介质的内部或者外部。

所述的激光增益介质为稀土掺杂的各向同性的激光晶体、或激光玻璃，所述的激光晶体包括掺钕或掺镱的钒酸钇晶体、掺钕或掺镱的钒酸钆晶体、掺钕或掺镱的钇铝石榴石晶体或掺钕或掺镱的钛宝石晶体。

所述的输出镜可以为平面镜或凹面镜。

所述的泵浦源为激光器、激光二极管阵列、或尾纤输出的激光二极管。

所述的空心环形激光光束输出的固体激光器的使用方法，特征在于该方法是利用端面泵浦激光增益介质，通过调节泵浦光耦合聚焦透镜位置或者增益介质的位置实现离焦泵浦，或者调节输出镜位置来控制谐振腔长度以及适当控制泵浦功率大小，具体包括下列三种方法：

第一种方法，在激光增益介质和输出镜位置固定的情况下，通过调节耦合聚焦透镜位置使泵浦光聚焦点处于晶体外部或者内部一定位置处实现离焦泵浦，同时适当调节泵浦功率，从而得到空心环形光束输出；

第二种方法，在泵浦光焦点位于激光增益介质前表面附近位置且相对于激光增益介质前表面的位置固定的情况下，通过水平调节输出镜位置（谐振腔长度改变），同时适当调节泵浦功率，从而得到空心环形光束输出；

第三种方法，在耦合聚焦透镜位置和输出镜位置固定情况下，通过水平调节激光增益介质位置使泵浦光焦点在介质外部或者内部一定位置处，同时适当调节泵浦功率，从而实现空心环形光束输出。

本发明具有以下优点：

1、通过调节泵浦光耦合系统或者激光增益介质位置实现离焦泵浦（泵浦光焦点不在激光增益介质前表面），或者调节输出镜位置来控制谐振腔长度以及适当控制泵浦功率大小，从而得到空心环形激光光束输出，在其腔内、腔外均未引入其他额外元器件。这种激光器具有结构简单紧凑，阈值低，工作效率高，输出功率高，光束质量好，激光器系统运行稳定，可实现性强。