[发明专利]四棒并列共腔的激光器及其工作方法

说明书

技术领域

本发明涉及高功率固体激光器的技术领域，尤其是指一种四棒并列共腔的激光器及其工作方法。

背景技术

在工业材料加工领域中，可以耦合到光纤的、高功率激光器受到越来越多的应用。由于单个激光棒的输出功率有限，为了获得高功率激光输出，人们提出多棒串接的结构，并有多篇相关的研究报道。但在多棒串接中各晶体棒的特性和抽运功率不可能完全相同，造成晶体棒间的热焦距不匹配，使得谐振腔工作时工作点经过的非稳区变长，稳区变短，不利于高功率激光的稳定输出。为解决这一问题，《谐振放大结构的大功率Nd:YAG激光器设计及分析》(张健，郭亮，张庆茂，李方志)设计了一级谐振两级放大的主控振荡器的功率放大器系统结构，利用谐振级输出的激光依次通过一、二放大级，使激光逐级放大而得到大功率激光输出。但是存在三个技术缺陷：(1)激光器的体积大，由于谐振级的激光棒和两级放大级的激光棒在几何布局上仍等效于串联结构，而且其调试和维修都相当困难。(2)激光器输出功率调节范围小，必须三条激光棒同时使用。(3)激光器采用氙灯作为泵浦源，能量转换效率仅为3％。

申请号为201120398844.8的实用新型专利公开了一种钬激光发生器，其腔体内平行地设置有两组钬晶体棒和氙灯，即两路并列的钬激光器。腔体的一端设置有两个分别与两钬晶体棒光轴垂直的全反镜，另一端设置有两钬晶体棒共用的半反镜，用耦合镜汇聚两路激光后，在其焦平面上设置光纤。虽然用一个汇聚透镜实现了双路激光的汇合，但是，其结构存在如下技术缺陷：由于该专利中的激光泵浦源是氙灯，每一路激光的钬晶体棒与氙灯是安装在一个聚光腔内，以利于晶体更多地吸收泵浦光。由于聚光腔的内外腔壁有一定厚度以及定位聚光腔的不锈钢腔体，因此，两个钬晶体棒的横向间距很大(一般大于40mm)。尽管两束激光的光轴平行，但光轴的间距大，两束激光在耦合镜的焦平面上的像差、发散角都会增大，而且，两束激光通过耦合镜之后，直接用光纤进行耦合，会带来非常大的损耗。

发明内容

为了解决上述的技术问题，本发明提供了一种四棒并列共腔的激光器，能量转换效率高、光路简单、调节方便，激光棒各自独立、结构紧凑，输出功率调节范围大，可实现高功率的激光输出功率。

本发明解决上述技术问题的方案如下：

四棒并列共腔的激光器，包括依次同轴放置的LD泵浦系统、激光器谐振腔和输出系统，

所述LD泵浦系统包括4个带尾纤的激光二极管和2×2的光纤配线架，4个带尾纤的激光二极管插入2×2的光纤配线架；

所述激光器谐振腔包括依次同轴放置的前腔镜、4个激光棒和输出镜，前腔镜和输出镜为平面镜，前腔镜的前表面镀泵浦光增透膜，前腔镜的后表面镀反射波长为N微米的高反射膜，输出镜的前表面镀反射波长为N微米的高反射膜，4个激光棒以2×2的方式排列；

所述输出系统包括依次同轴放置的汇聚透镜、光导锥和传输光纤，光导锥的较大端面朝向汇聚透镜，光导锥的较小端面朝向传输光纤，光导锥的较大端面与汇聚透镜的焦平面重合。

激光器谐振腔包括4个不锈钢管和1个矩形箱，不锈钢管的两端设有盖子，盖子开设通孔，不锈钢管通孔放置激光棒，不锈钢管内径大于激光棒直径，矩形箱的两端各开设4个孔，不锈钢管穿过孔放置在矩形箱内。

每个不锈钢管均开有一个冷却水入水口和一个冷却水出水口。

上述的四棒并列共腔的激光器的工作方法，包括以下步骤：

(1)每一路激光二极管发出的泵浦光经尾纤入射到前腔镜，再进入到一条激光棒上；

(2)激光棒吸收泵浦光后发出激光，前腔镜的后表面和输出镜的前表面镀了反射波长为N微米的的高反射膜，由前腔镜和输出镜构成的谐振腔中，对波长为N微米的、在光轴方向传输的激光作最优先的放大，而把其它频率和方向的光加以抑制，从输出镜输出波长为N微米的激光；

(3)4路激光经过汇聚透镜汇聚之后，在汇聚透镜的焦平面也就是光导锥的较大端面，入射到光导锥；

(4)经过光导锥后，汇合光束的横截面变小，4路激光可以耦合进入与光导锥对接的传输光纤。

本发明相对于现有技术具有如下的优点：

1、本激光器采用激光二极管端面泵浦，既提高了能量转换效率，而且激光棒的径向位置无需氙灯和聚光腔，在考虑了不锈钢管与激光棒的冷却水循环空间之后，激光棒的光轴与光轴之间的距离可仅为14mm，为四条激光棒紧凑设置创造了条件。