CN101055398A - 端面泵浦连续红光激光器 - Google Patents
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Abstract
一种端面泵浦连续红光激光器，该激光器由泵浦源、光学耦合系统、光学谐振腔组成；泵浦源为半导体激光器泵浦源；光学耦合系统位于泵浦源和光学谐振腔之间；光学谐振腔为折叠腔结构，由谐振腔镜、激光晶体、倍频晶体组成，激光晶体和倍频晶体两个端面均镀膜。本发明采用端面泵浦方式，采用特殊的折叠腔结构，通过对光学谐振腔进行特殊的镀膜处理，利用激光晶体在4F3/2→4I13/2能级跃迁实现激光运转的特性，经腔内倍频获得了输出功率大、效率高、光束质量好、稳定性高的连续红光输出。
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红光激光器。
背景技术
半导体激光器泵浦固体激光器，与传统的灯泵浦激光器比较，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，是近几年国内外激光领域的研究热点之一。全固态红光激光器在激光医疗、激光彩色显示、光谱分析、高密度全息储存和作为掺CR3+离子激光晶体的泵浦光源等方面上具有巨大的应用前景，尤其是作为红、绿、蓝(RGB)三基色激光彩色显示光源之一，具有线宽窄、色纯度高、色饱和度好、亮度高、对比度高、空间分辨率高等优点，因而具有巨大的应用价值，可用于家庭影院、数码影院、超大屏幕投影、公众信息大屏幕、展览会馆、中心城市、大型游乐场所、大型户外广场等。
目前，人们通常采用线性直腔倍频方式获得红光输出，暂时还没有见到端面泵浦连续红光激光器类似的国内专利，都处于实验室阶段，例如：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所采用激光二极管泵浦Nd:YVO4和KTP腔内倍频获得了48mW的671nm连续红光输出(《LD泵浦的高效率YVO4/KTP红光激光器》，半导体光电，Vol.22，No.3，2001，P198-200)，由于非线性光学晶体KTP的损伤阈值较低，长时间的腔内高功率倍频会产生“灰迹”现象，很容易造成KTP晶体的损伤，导致激光器稳定性差，很难实现产业化；又如：南京大学采用LD泵浦Nd:YVO4和PPLT倍频获得了1.4W的671nm连续红光输出(Efficient generation ofred light by FRequency doubling in a periodically-poled nearly-stoichiometricLiTaO3 crystal，Applied Physics Letters，Vol.85，No.2，2004，P188-190)，虽然倍频转换效率高，但在光学谐振腔内插入多个光学元件，导致激光器结构比较复杂，安装操作不方便，更不利于产业化生产；又如：中国科学院物理研究所采用激光二极管端面泵浦Nd:YVO4和LBO腔内倍频获得了520mW的671nm连续红光输出(Compact diode-pumped Nd:YVO4intracavity-doubled red laser at 671nm，Optics & Laser Technology，Vol.37，2004，P524-526)，采取在激光晶体的泵浦端面上直接镀膜作为光学谐振腔输入端镜方法，激光器虽然结构简单、操作方便，但是在实际应用中，端面膜层和激光晶体都很容易损伤，使激光器的输出功率和使用寿命均受到限制，不利于激光器的维修，最终难以实现激光器产业化。以上端面泵浦连续红光激光器光学谐振腔均为线性直腔结构，采取小曲率半径红光输出镜，导致输出功率低、倍频效率低、光束质量差、稳定性差。为解决上述问题，也有很多文献报道在激光晶体与倍频晶体之间的光路上插入了一谐波镜，但由于基频光单程通过倍频晶体产生一束红光输出，同时基频光回程也通过倍频晶体被谐波镜反射，产生另外一束红光输出，因此造成双光束输出的现象。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术存在的问题，提供一种输出功率高、效率高、光束质量好、稳定性高的连续红光激光器，该激光器具有结构简单紧凑、安装调试方便、体积小、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：一种端面泵浦连续红光激光器由泵浦源、光学耦合系统、光学谐振腔组成；泵浦源为半导体激光器泵浦源；光学耦合系统位于泵浦源和光学谐振腔之间；光学谐振腔为折叠腔结构，由谐振腔镜、激光晶体、倍频晶体组成，通过对谐振腔镜、激光晶体、倍频晶体进行特殊的镀膜处理，激光晶体、倍频晶体置于激光谐振腔内，利用激光晶体在4F3/2→4I13/2能级跃迁实现激光运转的特性，泵浦源泵浦激光晶体产生激光在谐振腔内振荡并通过倍频晶体进行倍频获得连续红光输出。
所述激光器可以采用一个泵浦源和一个光学耦合系统单端泵浦，也可以采用两个泵浦源和两个光学耦合系统双端泵浦。
所述折叠腔结构为V型，谐振腔镜包括泵浦端镜、输出镜、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，可输出红光。
所述折叠腔结构为Z型，谐振腔镜包括泵浦端镜、折叠镜、输出镜、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折叠镜之间，倍频晶体置于输出镜和后反镜之间，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，可输出红光。
所述激光晶体可以是Nd:YAG、Nd:YVO4、Nd:YAP、Nd:GdVO4等普通激光晶体，也可以是Nd:YAG、Nd:YVO4、Nd:YAP、Nd:GdVO4等键合或胶合晶体；该激光晶体可以是一块，也可以是两块或者多块。
所述倍频晶体是非线性光学晶体，可以是LBO、KTP、BIBO、BBO等晶体；该倍频晶体可以是一块，也可以是两块或者多块。
所述激光器可以采用水冷方式，也可以采用风冷方式，也可以采用水冷和风冷相结合的混合冷却方式。
所述光学谐振腔内还可以放置有用于控制光束质量的光学元件。
本发明的优点在于：
1.通过理论研究分析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，设计了一种特殊的光学折叠腔结构，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，从而解决了泵浦光与振荡光之间的模匹配问题，实现了基模高效运转；同时在另一折叠臂上形成小尺寸、高功率密度的光腰，将非线性光学倍频晶体放置在光腰位置上，基频光两次通过非线性光学倍频晶体并单向输出，避免了“双光束”输出的问题，从而获得了输出功率大、效率高、光束质量好、稳定性高的连续红光输出。
2.通过理论研究分析，模拟计算光学谐振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，使激光器在固体激光晶体热透镜大范围变换下仍然保持稳定的振荡和长时间稳定工作。
3.通过理论研究分析了产生像散的各种因素，采用小角度折叠光路，减少光学谐振腔内损耗，获得单束红光输出，既解决了线性直腔小曲率输出光束质量差的问题，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。
4.通过理论研究分析，模拟计算高功率半导体激光器端面泵浦固体激光器，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输出功率。
5.激光器采用全密封结构，结构简单紧凑，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红光激光器实施例1的结构示意图。
图2是本发明端面泵浦连续红光激光器实施例2的结构示意图。
图3是本发明端面泵浦连续红光激光器实施例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：
半导体激光器端面泵浦连续红光激光器，如图1所示，由泵浦源1、光学耦合系统2和光学谐振腔组成，光学耦合系统2置于泵浦源1和光学谐振腔之间。泵浦源1为半导体激光器泵浦源，发出的泵浦光经过特殊的光学耦合系统2准直聚焦后形成预定大小的光斑，直接泵浦在激光晶体4上。
本发明光学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，由泵浦端镜3、输出镜5、后反镜6，以及置于光学谐振腔内的激光晶体4和倍频晶体7组成，其中第一折叠臂的光路上顺着泵浦源1、光学耦合系统2，在光学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。对所有的光学谐振腔镜都进行特殊的镀膜处理：对泵浦端镜3镀808nm、1064nm高透膜和1342nm高反膜；对输出镜5镀671nm、1064nm高透膜和1342nm高反膜；对后反镜6镀671nm和1342nm全反膜，以使激光在光学谐振腔内高效振荡的同时，也抑制1064nm激光运转。激光晶体4为Nd:YVO4晶体，两个端面镀808nm和1342nm增透膜，放置在泵浦端镜3和输出镜5之间。倍频晶体7为非线性光学晶体LBO，两个端面镀1342nm和671nm增透膜，放置在输出镜5和后反镜6之间。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被泵浦后在光学谐振腔内振荡产生的基频光经输出镜5反射后入射到倍频晶体7上倍频产生倍频光，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，再次产生倍频光，两次倍频产生的倍频光通过输出镜5输出，剩余的基频光反射到泵浦端镜3上，并在光学谐振腔内往返运转。本发明光学谐振腔使基频光多次振荡作用在倍频晶体7上产生倍频光，提高转换效率和光束质量。
结果：采用上述装置，获得3.6W的671nm连续红光输出。
实施例2：
半导体激光器端面泵浦连续红光激光器，如图2所示，由泵浦源1、光学耦合系统2和光学谐振腔，光学耦合系统2置于泵浦源1和光学谐振腔之间。泵浦源1为半导体激光器泵浦源，发出的泵浦光经过特殊的光学耦合系统2准直聚焦后形成预定的光斑，直接泵浦在激光晶体4上。
本发明光学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，由泵浦端镜3、折叠镜8、输出镜5、后反镜6，以及置于光学谐振腔内的激光晶体4和倍频晶体7组成，其中第一折叠臂的光路上顺着泵浦源1、光学耦合系统2，在光学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。对所有的光学谐振腔镜都进行特殊的镀膜：对泵浦端镜3镀808nm、1064nm高透膜和1342nm高反膜，对折叠镜8镀1064nm高透膜和1342nm高反膜，对输出镜5镀671nm和1342nm高反膜，对后反镜6镀671nm和1342nm全反膜，以使激光在光学谐振腔内高效振荡的同时，也抑制1064nm激光运转。激光晶体4为Nd：YVO4晶体，两个端面镀808nm和1342nm增透膜，放置在泵浦端镜3与折叠镜8之间。倍频晶体7为LBO晶体，两个端面镀1342nm和671nm增透膜，放置在输出镜5与后反镜6之间。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进行严格的温控。
本发明激光的产生过程如下：由泵浦源1发出的泵浦光经过光学耦合系统2准直聚焦后直接泵浦在激光晶体4上，激光晶体4被泵浦后在光学谐振腔内振荡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基频光入射倍频晶体7上倍频产生倍频光，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，再次产生倍频光。两次倍频产生的倍频光通过输出镜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，并往返在光学谐振腔内振荡。本发明光学谐振腔多次振荡作用在倍频晶体7上产生倍频光，提高转换效率和光束质量。
结果：采用上述装置，获得3.6W的671nm连续红光输出。
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进行双端泵浦，其他结构同实施例2。
本发明所具有的优点是：
1.通过理论研究分析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，设计了一种特殊的光学折叠腔结构，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，从而解决了泵浦光与振荡光之间的模匹配问题，实现了基模高效运转；同时在另一折叠臂上形成小尺寸、高功率密度的光腰，将非线性光学倍频晶体放置在光腰位置上，基频光两次通过非线性光学倍频晶体并单向输出，避免了“双光束”输出的问题，从而获得了输出功率大、效率高、光束质量好、稳定性高的连续红光输出。
2.通过理论研究分析，模拟计算光学谐振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，使激光器在固体激光晶体热透镜大范围变换下仍然保持稳定的振荡和长时间稳定工作。
3.通过理论研究分析了产生像散的各种因素，采用小角度折叠光路，减少光学谐振腔内损耗，获得单束红光输出，既解决了线性直腔小曲率输出光束质量差的问题，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。
4.通过理论研究分析，模拟计算高功率半导体激光器端面泵浦固体激光器，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输出功率。
5.激光器采用全密封结构，结构简单紧凑，体积小，安装调试方便，可实现工业化生产。
本发明的激光器由泵浦源、光学耦合系统、光学谐振腔组成；泵浦源为半导体激光器泵浦源；光学耦合系统位于泵浦源和光学谐振腔之间；光学谐振腔为折叠腔结构，由谐振腔镜、激光晶体、倍频晶体组成，激光晶体和倍频晶体两个端面均镀膜，激光晶体可以是Nd:YAG、Nd:YVO4、Nd:YAP、Nd:GdVO4等普通激光晶体，也可以是Nd:YAG、Nd:YVO4、Nd:YAP、Nd:GdVO4等键合或胶合晶体；激光晶体可以是一块，也可以是两块或者多块。倍频晶体是非线性光学晶体，可以是LBO、KTP、BIBO、BBO等晶体；倍频晶体可以是一块，也可以是两块或者多块。采用端面泵浦方式，采用特殊的折叠腔结构，通过对谐振腔镜进行特殊的镀膜处理，利用激光晶体在4F3/2→4I13/2能级跃迁实现激光运转的特性，经腔内倍频获得了输出功率大、效率高、光束质量好、稳定性高的连续红光输出。激光器可以采用水冷方式，也可以采用风冷方式，也可以采用水冷和风冷相结合的混合冷却方式。该激光器结构简单、体积小、成本低，实用性强，可实现工业化生产。
Claims (10)
1.一种端面泵浦连续红光激光器，该激光器由泵浦源、光学耦合系统、光学谐振腔组成；泵浦源为半导体激光器泵浦源；光学耦合系统位于泵浦源和光学谐振腔之间；光学谐振腔为折叠腔结构，由多个谐振腔镜、激光晶体、倍频晶体组成，谐振腔镜的对应面上和激光晶体、倍频晶体的两个端面均镀膜，激光晶体、倍频晶体置于光学谐振腔内，利用激光晶体在4F3/2→4I13/2能级跃迁实现激光运转的特性，泵浦源泵浦激光晶体产生激光在光学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红光激光器，其特征在于：所述激光器可以采用一个泵浦源和一个光学耦合系统单端泵浦，或可以采用两个泵浦源和两个光学耦合系统双端泵浦。
3.根据权利要求1或2所述的端面泵浦连续红光激光器，其特征在于：所述折叠腔结构为V型，谐振腔镜包括泵浦端镜、输出镜、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。
4.根据权利要求1或2所述的端面泵浦连续红光激光器，其特征在于：所述折叠腔结构为Z型，谐振腔镜包括泵浦端镜、折叠镜、输出镜、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折叠镜之间，倍频晶体置于输出镜和后反镜之间。
5.根据权利要求1所述的端面泵浦连续红光激光器，其特征在于：所述激光晶体可以是Nd:YAG、Nd:YVO4、Nd:YAP、Nd:GdVO4等普通激光晶体，也可以是Nd:YAG、Nd:YVO4、Nd:YAP、Nd:GdVO4等键合或胶合晶体；
6.根据权利要求5所述的端面泵浦连续红光激光器，其特征在于：所述激光晶体可以是一块，也可以是两块或者多块。
7.根据权利要求1所述的端面泵浦连续红光激光器，其特征在于：所述倍频晶体是非线性光学晶体，可以是LBO、KTP、BIBO、BBO等晶体。
8.根据权利要求7所述的端面泵浦连续红光激光器，其特征在于：所述倍频晶体可以是一块，也可以是两块或者多块。
9.根据权利要求1所述的端面泵浦连续红光激光器，其特征在于：所述激光器可以采用水冷方式，也可以采用风冷方式，也可以采用水冷和风冷相结合的混合冷却方式。
10.根据权利要求1所述的端面泵浦连续红光激光器，其特征在于：所述光学谐振腔内还可以放置有用于控制光束质量的光学元件。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |