一种高能量高重频高光束质量266nm脉冲固体激光器

摘要

本发明提供的高能量高重频高光束质量266nm脉冲固体激光器，采用双端面脉冲泵浦方式，有效的提高了激光晶体对泵浦光的吸收，在没有放大级的情况下，利用降压工作调Q，获得了高单脉冲能量的基频光，这使得高单脉冲能量的激光器体积变小、效率更高；采用腔外倍频技术，将基频光束腰通过成像设计变换到二倍频晶体中，极大的提高了二倍频转换效率，四倍频晶体采用非临界相位匹配高温工作设计大大的提高了266nm激光光束质量，同时也有效的防止了CLBO晶体的潮解，四倍频晶体二维移点设计可有效的延长激光器的寿命。

说明书

技术领域

本发明涉及固体激光器技术领域，特别涉及一种高能量高重频高光束质量266nm脉冲固体激光器。

背景技术

266nm激光波长短、单光子能量高，可以实现更小的聚焦光斑，被广泛应用于生物检测、光谱分析、医疗、精密微加工、航空等领域。高能量高重频266nm激光主要通过调Q产生脉冲基频1064nm激光，然后经过放大器将基频光放大，再经过连续两次倍频来产生。

现有的高能量高重频266nm激光器通过单端泵浦，结合主动调Q技术产生纳秒1064nm基频光，然后经过放大器将基频光放大，再经过连续两次倍频来产生266nm激光，这种设计存在放大级，整个激光器的体积较大，结构复杂，成本高，且由于四倍频晶体的走离效应，光束质量较差，倍频效率低及使用寿命短。

发明内容

鉴于此，有必要提供一种结构紧凑、成本较低且可靠性高的高能量高重频高光束质量266nm脉冲固体激光器。

为解决上述问题，本发明采用下述技术方案：

一种高能量高重频高光束质量266nm脉冲固体激光器，包括：LD泵浦源(1)、准直透镜(2)、聚焦透镜(3)、分色镜(4)、激光晶体Nd:YAG(5)、谐振腔前端镜(6)、聚焦透镜(7)、准直透镜(8)、LD泵浦源(9)、谐振腔后端镜(14)、调Q晶体BBO(15)、1064nm 1/4波片(16)、偏振分光棱镜(17)、聚焦透镜(18)、LBO晶体(19)、分色镜(21)、准直透镜(22)、532nm 1/4波片(23)、分色镜(24)、四维平移台(25)、高温恒温炉(26)及CLBO晶体(27)，所述谐振腔前端镜(6)和谐振腔后端镜(14)构成谐振腔，所述高温恒温炉(26)设置于所述四维平移台(25)上，所述CLBO晶体(27)置于所述高温恒温炉(26)内，其中：

所述调Q晶体BBO(15)未加1/4波电压时，所述LD泵浦源(1)发出的脉冲光依次经过所述准直透镜(2)、所述聚焦透镜(3)及所述分色镜(4)汇聚到所述激光晶体Nd:YAG(5)中；同时所述LD泵浦源(9)发出的脉冲光依次经过所述准直透镜(8)、所述聚焦透镜(7)及所述谐振腔前端镜(6)汇聚到所述激光晶体Nd:YAG(5)中，所述LD泵浦源(1)及所述LD泵浦源(9)同步脉冲泵浦，所述激光晶体Nd:YAG(5)吸收泵浦光形成粒子数反转，激光能量存储在所述激光晶体Nd:YAG(5)中；

在所述调Q晶体BBO(15)上加1/4波电压，激光能量从所述激光晶体Nd:YAG(5)中释放到所述谐振腔内，当所述调Q晶体BBO(15)上的电压下降后，在所述1064nm 1/4波片(16)和所述偏振分光棱镜(17)的共同作用下，激光从所述偏振分光棱镜(17)的位置释放出来，形成基频1064nm激光巨脉冲；

所述基频1064nm激光巨脉冲经过所述聚焦透镜(18)后束腰落到所述LBO晶体(19)中，由于二倍频机理LBO晶体19产生532nm激光，未转换成532nm的残余1064nm激光(20)被所述分色镜(21)反射掉，所述532nm激光再经过所述准直透镜(22)准直后依次经所述532nm1/4波片(23)及所述分色镜(24)进入所述CLB0晶体(27)中，所述CLB0晶体(27)产生266nm激光，未转换成266nm的残余532nm激光经分色镜滤掉，最终获得纯净的266nm激光(30)。

在其中一些实施例中，所述LD泵浦源(1)和所述LD泵浦源(9)型号相同，最大功率40～100W，为光纤耦合输出，纤芯直径400um或105um或200um。

在其中一些实施例中，所述准直透镜(2)和准直透镜(8)型号相同，焦距为25～100mm；所述聚焦透镜(3)和聚焦透镜(7)型号相同，焦距为50～100mm。

在其中一些实施例中，所述分色镜(4)45°入射，镀AR@808nm和HR@1064nm膜，1064nm反射率大于99.5％，808nm透过率大于95％；所述分色镜(21)45°入射，镀HR@1064nm和AR@532nm,1064nm反射率大于99.5％，532nm透射率大于95％。

在其中一些实施例中，所述激光晶体Nd:YAG(5)的尺寸为4*4*40mm3，两端面镀AR@808&1064nm膜，808nm和1064nm反射率小于0.2％。

在其中一些实施例中，所述谐振腔前端镜(6)与所述谐振腔后端镜(14)都为平面镜，镀HR@1064nm膜，1064nm反射率大于99.5％。

在其中一些实施例中，所述聚焦透镜(18)焦距为30mm,准直透镜(22)焦距为50mm。

在其中一些实施例中，所述LBO晶体(19)尺寸为3*3*15mm

在其中一些实施例中，未转换成266nm的残余532nm激光中的部分激光(29)被分色镜(28)滤掉，另一部分激光(10)被分色镜(11)滤掉，余下的激光(13)经所述分色镜(11)后再经所述分色镜(12)滤掉，最终获得纯净的266nm激光(30)。

在其中一些实施例中，所述分色镜(24)、分色镜(28)、分色镜(11)及分色镜(12)型号相同，45°入射，镀HR@266nm和AR@532nm膜，266nm反射率大于99.5％，532nm透射率大于95％。

采用上述技术方案，本发明实现的技术效果如下：

本发明提供的高能量高重频高光束质量266nm脉冲固体激光器，采用双端面脉冲泵浦方式，有效的提高了激光晶体对泵浦光的吸收，在没有放大级的情况下，利用降压工作调Q，获得了高单脉冲能量的基频光，这使得高单脉冲能量的激光器体积变小、效率更高；采用腔外倍频技术，将基频光束腰通过成像设计变换到二倍频晶体中，极大的提高了二倍频转换效率，四倍频晶体采用非临界相位匹配高温工作设计大大的提高了266nm激光光束质量，同时也有效的防止了CLBO晶体的潮解，四倍频晶体二维移点设计可有效的延长激光器的寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的高能量高重频高光束质量266nm脉冲固体激光器的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

请参阅图1，为本发明实施例提供的高能量高重频高光束质量266nm脉冲固体激光器的结构示意图，包括：LD泵浦源(1)、准直透镜(2)、聚焦透镜(3)、分色镜(4)、激光晶体Nd:YAG(5)、谐振腔前端镜(6)、聚焦透镜(7)、准直透镜(8)、LD泵浦源(9)、谐振腔后端镜(14)、调Q晶体BBO(15)、1064nm 1/4波片(16)、偏振分光棱镜(17)、聚焦透镜(18)、LBO晶体(19)、分色镜(21)、准直透镜(22)、532nm 1/4波片(23)、分色镜(24)、四维平移台(25)、高温恒温炉(26)及CLBO晶体(27)，所述谐振腔前端镜(6)和谐振腔后端镜(14)构成谐振腔，所述高温恒温炉(26)设置于所述四维平移台(25)上，所述CLBO晶体(27)置于所述高温恒温炉(26)内。

在其中一些实施例中，所述LD泵浦源(1)和所述LD泵浦源(9)型号相同，最大功率40～100W，为光纤耦合输出，纤芯直径400um或105um或200um。

可以理解，本申请采用双端泵浦效率高，没有放大级，热透镜效应弱，有助于提高激光输出能量。

在其中一些实施例中，所述准直透镜(2)和准直透镜(8)型号相同，焦距为25～100mm；所述聚焦透镜(3)和聚焦透镜(7)型号相同，焦距为50～100mm。

在其中一些实施例中，所述分色镜(4)45°入射，镀AR@808nm和HR@1064nm膜，1064nm反射率大于99.5％，808nm透过率大于95％；所述分色镜(21)45°入射，镀HR@1064nm和AR@532nm,1064nm反射率大于99.5％，532nm透射率大于95％。

在其中一些实施例中，所述激光晶体Nd:YAG(5)的尺寸为4*4*40mm

在其中一些实施例中，所述谐振腔前端镜(6)与所述谐振腔后端镜(14)都为平面镜，镀HR@1064nm膜，1064nm反射率大于99.5％。

在其中一些实施例中，所述聚焦透镜(18)焦距为30mm,准直透镜(22)焦距为50mm。

在其中一些实施例中，所述LBO晶体(19)尺寸为3*3*15mm

可以理解，由于LBO晶体(19)接受角度大，CLB0晶体(27)接受角度小，采用基频光聚焦进LBO晶体19，二倍频光准直进CLBO晶体27方式有效提高倍频效率。

可以理解，由于CLBO晶体(27)设计为非临界相位匹配，切割角度为theta62°，phi45°，无离散角度，基频光和倍频光空间交叠不分离，倍频效率高，光束质量好；CLBO晶体(27)单点寿命较短，配合四维平移台25对CLBO(27)晶体进行上下左右移点，可延长CLBO晶体(27)的使用寿命。

进一步地，532nn激光单脉冲能量高，CLBO晶体(27)未镀增透膜，有效防止CLBO晶体27被损坏。

以下详细说明本实施例提供的高能量高重频高光束质量266nm脉冲固体激光器的工作方式：

所述调Q晶体BBO(15)未加1/4波电压时，所述LD泵浦源(1)发出的脉冲光依次经过所述准直透镜(2)、所述聚焦透镜(3)及所述分色镜(4)汇聚到所述激光晶体Nd:YAG(5)中，同时所述LD泵浦源(9)发出的脉冲光依次经过所述准直透镜(8)、所述聚焦透镜(7)及所述谐振腔前端镜(6)汇聚到所述激光晶体Nd:YAG(5)中，所述LD泵浦源(1)及所述LD泵浦源(9)同步脉冲泵浦，所述激光晶体Nd:YAG(5)吸收泵浦光形成粒子数反转，激光能量存储在所述激光晶体Nd:YAG(5)中。

可以理解，由于两个泵浦源同步脉冲泵浦，脉冲宽度为200us，激光晶体Nd:YAG(5)吸收泵浦光形成粒子数反转，此时由于1064nm 1/4波片(16)和偏振分光棱镜(PBS)17的存在，由谐振腔前端镜(6)和谐振腔后端镜(14)构成的谐振腔内损耗很大，腔内没有激光振荡，激光能量存储在激光晶体Nd:YAG 5中。

当在所述调Q晶体BBO(15)上加1/4波电压，由谐振腔前端镜(6)和谐振腔后端镜(14)构成的谐振腔内，由于1064nm 1/4波片(16)和偏振分光棱镜(PBS)(17)的共同作用，腔内激光振荡，激光能量从所述激光晶体Nd:YAG(5)中释放到所述谐振腔内，当所述调Q晶体BBO(15)上的电压下降后，在所述1064nm 1/4波片(16)和所述偏振分光棱镜(17)的共同作用下，激光从所述偏振分光棱镜(17)的位置释放出来，形成基频1064nm激光巨脉冲。

可以理解，当给LD泵浦源(1)和LD泵浦源(9)及调Q晶体BBO(15)周期的信号即可形成周期的基频1064nm激光巨脉冲。

所述基频1064nm激光巨脉冲经过所述聚焦透镜(18)后束腰落到所述LBO晶体(19)中，由于二倍频机理LBO晶体19产生532nm激光，未转换成532nm的残余1064nm激光(20)被所述分色镜(21)反射掉，所述532nm激光再经过所述准直透镜(22)准直后依次经所述532nm1/4波片(23)及所述分色镜(24)进入所述CLB0晶体(27)中，所述CLB0晶体(27)产生266nm激光，未转换成266nm的残余532nm激光经分色镜滤掉，最终获得纯净的266nm激光(30)。

在其中一些实施例中，未转换成266nm的残余532nm激光中的部分激光(29)被分色镜(28)滤掉，另一部分激光(10)被分色镜(11)滤掉，余下的激光(13)经所述分色镜(11)后再经所述分色镜(12)滤掉，最终获得纯净的266nm激光(30)。

可以理解，使用对266nm高反射率的分色镜(28)、分色镜(11)及分色镜(12)，通过连续三次反射266nm激光透射532nm激光来获得纯净的266nm激光，这种分光方式对266nm激光损耗小。进一步地，所述分色镜(24)、分色镜(28)、分色镜(11)及分色镜(12)型号相同，45°入射，镀HR@266nm和AR@532nm膜，266nm反射率大于99.5％，532nm透射率大于95％。

本发明提供的高能量高重频高光束质量266nm脉冲固体激光器，采用双端面脉冲泵浦方式，有效的提高了激光晶体对泵浦光的吸收，在没有放大级的情况下，利用降压工作调Q，获得了高单脉冲能量的基频光，这使得高单脉冲能量的激光器体积变小、效率更高；采用腔外倍频技术，将基频光束腰通过成像设计变换到二倍频晶体中，极大的提高了二倍频转换效率，四倍频晶体采用非临界相位匹配高温工作设计大大的提高了266nm激光光束质量，同时也有效的防止了CLBO晶体的潮解，四倍频晶体二维移点设计可有效的延长激光器的寿命。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，仅具体描述了本发明的技术原理，这些描述只是为了解释本发明的原理，不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处解释，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进，及本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其他具体实施方式，均应包含在本发明的保护范围之内。