CN101051165A - 端面泵浦连续蓝光激光器 - Google Patents
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Abstract
一种端面泵浦连续蓝光激光器，包括在光路上放置的泵浦源、光学耦合系统、激光谐振腔，泵浦源为半导体激光器，光学耦合系统置于泵浦源和激光谐振腔之间，激光谐振腔为折叠腔结构，包括泵浦端镜、输出镜、折叠镜及后反镜，以及置于谐振腔内的激光晶体和倍频晶体。本发明采用半导体激光器端面泵浦方式，利用独特的激光键合晶体，采用特殊的折叠腔结构，通过对谐振腔进行特殊的镀膜处理，经腔内倍频，获得了功率大、效率高、光束质量好、稳定性高的连续蓝光输出。
Description
技术领域
本发明专利涉及一种固体激光器，特别是涉及一种半导体激光器端面泵浦连续蓝光激光器。
背景技术
与传统的灯泵浦固体激光器相比，半导体激光器泵浦固体激光器具有效率高、寿命长、光束质量好、结构简单、体积小、重量轻等优点，因而被广泛应用于军事、医学、信息、工业、科研等领域，尤其是高功率红、绿、蓝激光器，成为超大屏幕、高清晰度激光彩色显示的研究热点。全固态蓝光激光器在高密度光存储、超短脉冲、数字视频技术、光谱技术、激光医学、激光显示、海洋军事应用及水下资源探测等领域有着广泛的应用价值和重要的应用前景。
目前，人们利用非线性光学晶体通过倍频或者和频的方法研发出各种类型的蓝光激光器，例如：申请日为2002年6月11日、公开日为2005年7月27日的中国专利第02121145.0号(名称为“大功率全固态双共振和频蓝光激光装置”)采用双共振组成单通或双通和频光路，由于在激光晶体与倍频晶体之间的光路上插入有色散补偿元件、在倍频晶体与和频晶体之间的光路上插入复合腔镜和分光棱镜，导致激光器谐振腔结构复杂、插入损耗大，倍频效率低；又如：申请日为2004年2月6日、公开日为2005年2月2日的中国专利第200420003380.6号(名称为“一种连续蓝光激光器”)采用紧凑的直线腔结构，腔内倍频获得蓝光输出，激光器虽结构简单、紧凑，但输出光功率波动大、稳定性差，此外，采用小曲率半径输出蓝光，光束质量差；又如：申请日为2004年2月5日、公开日为2004年12月29日的中国专利第2000410039213.1号(名称为“LD端面泵浦全固态腔内倍频瓦级连续蓝光激光器”)采用在激光晶体的泵浦端面上直接镀膜作为激光谐振腔输入端镜方式，激光器虽然结构更简单化，操作更方便，但是在实际应用中，端面膜层和激光晶体都容易损伤，使输出功率和使用寿命均受限，不利于激光器工业批量生产和产品维修，最终难以实现激光器产业化。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术存在的问题，提供一种输出功率大、效率高、光束质量好、稳定性高的连续蓝光激光器，该激光器具有结构紧凑、安装调试方便、体积小、制造成本低的特点。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种端面泵浦连续蓝光激光器，包括在光路上放置的泵浦源、光学耦合系统、激光谐振腔，泵浦源为半导体激光器，光学耦合系统置于泵浦源和激光谐振腔之间，激光谐振腔为折叠腔结构，包括泵浦端镜、输出镜、折叠镜及后反镜，以及置于谐振腔内的激光晶体和倍频晶体，泵浦源泵浦激光晶体产生的光在激光谐振腔内振荡并通过倍频晶体进行倍频。
所述激光器可以采用一个泵浦源和一个光学耦合系统，也可以采用两个泵浦源和两个光学耦合系统，分别置于激光晶体的两侧对激光晶体泵浦。
所述折叠腔结构为V型，包括泵浦端镜、输出镜和后反镜，泵浦端镜靠近泵浦源放置，激光晶体置于泵浦端镜和输出镜之间，倍频晶体置于输出镜和后反镜之间，输出镜构成一定角度折叠后两个折叠臂的共同谐振镜，可输出蓝光激光。
所述折叠腔结构为Z型，包括泵浦端镜、折叠镜、输出镜和后反镜，泵浦端镜靠近泵浦源放置，折叠镜、输出镜分别构成一定角度折叠后两个折叠臂的共同谐振镜，激光晶体置于泵浦端镜和折叠镜之间，倍频晶体置于输出镜和后反镜之间，输出镜可输出蓝光激光。
倍频晶体置于激光谐振腔的所在折叠臂上光路的光腰位置。
所述激光晶体可以是Nd:YAG、Nd:YVO4、Nd:GdVO4等键合或胶合晶体，也可以是Nd:YAG、Nd:YVO4、Nd:GdVO4等普通激光晶体；所述激光晶体可以是一块，也可以是两块或多块。
所述倍频晶体是非线性倍频晶体，可以是LBO、BIBO、BBO晶体；所述倍频晶体可以是一块，也可以是两块或多块。
所述激光器对所有谐振腔镜、激光晶体、倍频晶体进行特殊的镀膜处理。
所述激光器可以采用水冷，也可以采用风冷，也可以采用水冷和风冷混合冷却。
所述激光器谐振腔内还可以放置有用于控制光束质量的其它光学元件。
所述激光谐振腔为闭路结构。本发明的优点在于：
1、通过模拟计算高功率半导体激光器端面泵浦固体激光晶体的热透镜、应力双折射、热退偏等效应，设计了一种特殊的折叠腔结构，通过选择合适的腔长和谐振腔镜曲率参数，使在激光晶体内的基模尺寸达到极大，与入射泵浦光模式相匹配，获得较大的泵浦效率和基频输出功率，解决了泵浦光与振荡光之间的模匹配问题，从而实现了基模高效运转；同时在一折叠臂上形成小尺寸、高功率密度的束腰，将倍频晶体放置在光腰位置上，基频光两次通过倍频晶体并单向输出，获得了输出功率大、效率高、光束质量好的蓝光输出。
2、通过理论研究分析，采用独特的激光键合晶体结构，很好地克服了激光晶体的热透镜效应，从而更好地实现了基模高效运转。
3、通过模拟计算高功率半导体激光器端面泵浦激光器，选取合适的泵浦光斑尺寸，采用特殊的光学耦合系统，解决了泵浦光与振荡光之间的模匹配问题，从而提高了泵浦效率和基频输出功率。
4、通过理论研究和分析了产生像散的各种因素，采用小角度折叠光路，减少谐振腔内损耗，获得单束蓝光输出，既避免了激光晶体对基频光的再次吸收问题，又有利于基频光在腔内振荡和倍频光的输出，提高倍频光的光束质量。
5、通过模拟计算腔内高斯模传递的空间分布，选取合适的腔长和谐振腔镜曲率参数，使激光器仍然能保持长时间稳定工作。
6、激光器采用全密封结构，结构简单、体积小，安装调试方便、可实现工业化生产。
附图说明
图1是本发明端面泵浦连续蓝光激光器实施例1的结构示意图。
图2是本发明端面泵浦连续蓝光激光器实施例2的结构示意图。
图3是本发明端面泵浦连续蓝光激光器实施例3的结构示意图。
附图标记
1—泵浦源
2—光学耦合系统
谐振腔镜：3—泵浦端镜、5—输出镜、6—后反镜、8—折叠镜
4—激光晶体
7—倍频晶体
具体实施方案
实施例1：
半导体激光器单端泵浦连续蓝光激光器，如图1所示，包括泵浦源1、光学耦合系统2和激光谐振腔，光学耦合系统2置于泵浦源1和谐振腔之间。泵浦源1为半导体激光器，泵浦光经特殊的光学耦合系统2准直聚焦后形成预定直径大小的光斑，直接泵浦在激光晶体4上。
本发明激光谐振腔设计为一种特殊的封闭的折叠腔结构，如图1所示的“V”形折叠结构，包括谐振腔镜：泵浦端镜3、输出镜5、后反镜6，以及置于谐振腔内的激光晶体4和倍频晶体7，其中第一折叠臂的光路上顺着泵浦源1、光学耦合系统2，在谐振腔内依次放置泵浦端镜3、激光晶体4及输出镜5，输出镜5倾斜一定角度放置于“V”形折叠结构的顶点处，构成两个折叠臂共同的谐振镜，输出镜5、倍频晶体7和后反镜6构成第二折叠臂，倍频晶体7处于第二折叠臂上光路的光腰位置上。所述谐振腔镜：泵浦端镜3、输出镜5及后反镜6皆进行特殊的镀膜处理，以使激光在谐振腔内高效振荡的同时，抑制1064nm和1319nm的激光运转。激光晶体4为Nd:YAG键合晶体，其中间为掺杂的Nd:YAG晶体，两端分别键合未掺杂的YAG晶体，其两个端面镀808nm、946nm增透膜和1064nm、1319nm高透膜。倍频晶体7为LBO晶体，两个端面镀946nm和473nm增透膜。激光器采用半导体制冷(TEC)技术，分别对泵浦源1、激光晶体4和倍频晶体7进行严格的温度控制。
本发明激光的产生过程如下：由泵浦源1发出的泵浦光经光学耦合系统2准直聚焦后直接泵浦在激光晶体4上，激光晶体4被泵浦后产生的基频光经输出镜5反射后入射到倍频晶体7上倍频产生谐波激光，未倍频转换的基频光经后反镜6反射后再次入射到倍频晶体7上，再次产生谐波激光，两次倍频产生的谐波激光通过输出镜5输出，剩余的基频光反射到泵浦端镜3上，并在谐振腔内来回振荡。本发明激光谐振腔使基频光多次振荡作用在倍频晶体7上产生谐波激光，提高转换效率和光束质量。
结果：采用上述装置，获得1.2W的473nm连续蓝光输出，光束发散角为0.9mrad，M2＝1.6。
实施例2：
半导体激光器单端泵浦连续蓝光激光器，如图2所示，包括泵浦源1、光学耦合系统2和激光谐振腔，光学耦合系统2置于泵浦源1和激光谐振腔的中间。泵浦源1为半导体激光器，泵浦光经特殊的光学耦合系统2准直聚焦后直接泵浦在激光晶体4上。
本发明激光谐振腔设计为一种特殊的封闭的折叠腔结构，如图2所示的“Z”形折叠结构，包括谐振腔镜：泵浦端镜3、折叠镜8、输出镜5、后反镜6，以及置于谐振腔内的激光晶体4和倍频晶体7，其中第一折叠臂的光路上顺着泵浦源1、光学耦合系统2，在谐振腔内依次放置泵浦端镜3、激光晶体4及折叠镜8，折叠镜8、输出镜5分别倾斜一定角度放置于“Z”形折叠结构的两个顶点处，分别构成两个光路的共同谐振镜，折叠镜8和输出镜5构成第二折叠臂，输出镜5、倍频晶体7和后反镜6则构成第三折叠臂。所述谐振腔镜：泵浦端镜3、折叠镜8、输出镜5、后反镜6皆进行特殊的镀膜处理，以使激光在谐振腔内高效振荡的同时，抑制1064nm和1319nm的激光运转。激光晶体4为Nd:YAG键合晶体，其中间为掺杂的Nd:YAG晶体，两端分别键合未掺杂的YAG晶体，其两个端面镀808nm、946nm增透膜和1064nm、1319nm高透膜。倍频晶体7为LBO晶体，两个端面镀946nm和473nm增透膜。激光器采用半导体制冷(TEC)技术，分别对泵浦源1、激光晶体4和倍频晶体7进行严格的温度控制。
本发明激光的产生过程如下：由激光泵浦源1发出的泵浦光通过光学耦合系统2准直聚焦后直接泵浦在激光晶体4上，激光晶体4被泵浦后产生的基频光经折叠镜8反射后入射到输出镜5上，输出镜5进行反射改变光路后使激光射过倍频晶体7上倍频产生谐波激光，未倍频转换的基频光经后反镜6反射后再次入射到倍频晶体7上，再次产生谐波激光。两次倍频产生的谐波激光通过输出镜5输出。剩余的基频光依次反射到输出镜5、折叠镜8、泵浦端镜3上，并来回在谐振腔内振荡。本发明激光谐振腔多次振荡作用在倍频晶体7上产生谐波激光，提高转换效率和光束质量。
结果：采用上述装置，获得1.4W的473nm连续蓝光输出，光束发散角为1.0mrad，M2＝1.7。
实施例3：
本发明也可如图3所示，采用两个泵浦源1和两个光源耦合系统2同时对激光晶体4进行泵浦，其他结构同实施例2。
根据本发明蓝光激光产生的原理，不难理解：所使用的倍频晶体为非线性光学晶体，可以为LBO、BBO、KTP、BIBO等晶体；所使用的激光晶体，可以为Nd:YAG、Nd:YVO4、Nd:GdVO4等普通激光晶体，也可以是掺杂Nd3+的Nd:YAG、Nd:YVO4、Nd:GdVO4普通晶体和未掺杂Nd3+的YAG、YVO4、GdVO4晶体相结合的键合或胶合晶体；所使用的泵浦源可以为大功率半导体激光器列阵；所采用的泵浦方式，可以为端面泵浦，或者单端泵浦或者双端面泵浦；对泵浦源、激光晶体和倍频晶体的冷却方式可以采用水冷，也可以采用风冷，也可以采用水冷和风冷相结合的混合冷却方式。
本发明所具有的优点是：
1、通过模拟计算高功率半导体激光器端面泵浦固体激光晶体的热透镜、应力双折射、热退偏等效应，设计了一种特殊的折叠腔结构，通过选择合适的腔长和谐振腔镜曲率参数，使在激光晶体内的基模尺寸达到极大，与入射泵浦光模式相匹配，获得较大的泵浦效率和基频输出功率，解决了泵浦光与振荡光之间的模匹配问题，从而实现了基模高效运转；同时在一折叠臂上形成小尺寸、高功率密度的束腰，将倍频晶体放置在光腰位置上，基频光两次通过倍频晶体并单向输出，获得了输出功率大、效率高、光束质量好的蓝光输出。
2、通过理论研究分析，采用独特的激光键合晶体结构，很好地克服了激光晶体的热透镜效应，从而更好地实现了基模高效运转。
3、通过模拟计算高功率半导体激光器端面泵浦激光器，选取合适的泵浦光斑尺寸，采用特殊的光学耦合系统，解决了泵浦光与振荡光之间的模匹配问题，从而提高了泵浦效率和基频输出功率。
4、通过理论研究和分析了产生像散的各种因素，采用小角度折叠光路，减少谐振腔内损耗，获得单束蓝光输出，既避免了激光晶体对基频光的再次吸收问题，又有利于基频光在腔内振荡和倍频光的输出，提高倍频光的光束质量。
5、通过模拟计算腔内高斯模传递的空间分布，选取合适的腔长和谐振腔镜曲率参数，使激光器仍然能保持长时间稳定工作。
6、激光器采用全密封结构，结构简单、体积小，安装调试方便、可实现工业化生产。
Claims (13)
1.一种端面泵浦连续蓝光激光器，包括在光路上放置的至少一泵浦源、至少一光学耦合系统、激光谐振腔，泵浦源为半导体激光器，光学耦合系统置于泵浦源和激光谐振腔之间，其特征在于：激光谐振腔为折叠腔结构，包括泵浦端镜、输出镜、折叠镜及后反镜，以及置于谐振腔内的激光晶体和倍频晶体，泵浦源泵浦激光晶体产生的光在激光谐振腔内振荡并通过倍频晶体进行倍频。
2.根据权利要求1所述的端面泵浦连续蓝光激光器，其特征在于：所述泵浦源和光学耦合系统可为两个，双端对激光晶体进行泵浦。
3.根据权利要求1或2所述的端面泵浦连续蓝光激光器，其特征在于：所述折叠腔结构为V型，泵浦端镜靠近泵浦源放置，激光晶体置于泵浦端镜和输出镜之间，倍频晶体置于输出镜和后反镜之间，输出镜可输出蓝光激光。
4.根据权利要求1或2所述的端面泵浦连续蓝光激光器，其特征在于：所述折叠腔结构为Z型，泵浦端镜靠近泵浦源放置，激光晶体置于泵浦端镜和折叠镜之间，倍频晶体置于输出镜和后反镜之间，输出镜可输出蓝光激光。
5.根据权利要求1所述的端面泵浦连续蓝光激光器，其特征在于：倍频晶体置于激光谐振腔的所在折叠臂上光路的光腰位置。
6.根据权利要求1所述的端面泵浦连续蓝光激光器，其特征在于：所述激光晶体可以是Nd:YAG、Nd:YVO4、Nd:GdVO4等键合或胶合晶体，也可以是Nd:YAG、Nd:YVO4、Nd:GdVO4等普通激光晶体。
7.根据权利要求6所述的端面泵浦连续蓝光激光器，其特征在于：所述激光晶体可以是一块，也可以是两块或多块。
8.根据权利要求1所述的端面泵浦连续蓝光激光器，其特征在于：所述倍频晶体是非线性光学晶体，可以是LBO、BIBO、BBO、KTP等晶体。
9.根据权利要求8所述的端面泵浦连续蓝光激光器，其特征在于：所述倍频晶体可以是一块，也可以是两块或多块。
10.根据权利要求1所述的端面泵浦连续蓝光激光器，其特征在于：所述泵浦端镜、输出镜、折叠镜、后反镜、激光晶体、倍频晶体进行特殊的镀膜处理。
11.根据权利要求1所述的端面泵浦连续蓝光激光器，其特征在于：所述激光器可以采用水冷，也可以采用风冷，也可以采用水冷和风冷混合冷却。
12.根据权利要求1所述的端面泵浦连续蓝光激光器，其特征在于：所述激光谐振腔为闭路结构。
13.根据权利要求1所述的端面泵浦连续蓝光激光器，其特征在于：所述激光器谐振腔内还可以放置有用于控制光束质量的其它光学元件。
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| CN 200610034878 CN101051165A (zh) | 2006-04-06 | 2006-04-06 | 端面泵浦连续蓝光激光器 |
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| CN 200610034878 CN101051165A (zh) | 2006-04-06 | 2006-04-06 | 端面泵浦连续蓝光激光器 |
Publications (1)
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|---|---|
| CN101051165A true CN101051165A (zh) | 2007-10-10 |
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| CN 200610034878 Pending CN101051165A (zh) | 2006-04-06 | 2006-04-06 | 端面泵浦连续蓝光激光器 |
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- 2006-04-06 CN CN 200610034878 patent/CN101051165A/zh active Pending
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