CN101132105A - 一种可连续调谐的全固态紫外激光器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光装置，尤其涉及一种可实现连续调谐输出的全固态紫外激光器，属光电子、激光领域。本发明主要解决在可调谐激光器中，要实现宽波段(调谐范围大于200nm)可调谐激光输出，需换用不同波段输出镜、重新调整腔结构以及输出的不同波段之间存在交叉重叠的问题。主要采用的技术方案是本发明的可实现连续调谐全固态紫外激光器的输出镜(6)抛光面沿X轴可以分为两部分、三部分、四部分分别镀膜。这样只需旋转全反镜(5)即可实现宽波段可调谐激光输出，谐振腔不需重新调整。进而通过倍频实现可调谐紫外光输出。

Description

一种可连续调谐的全固态紫外激光器

技术领域

本发明涉及一种激光装置，尤其涉及一种可实现连续调谐输出的全固态紫外激光器。属光电子、激光领域。

背景技术

全固态可调谐激光器由于具有体积小、功率高、波长可调等特点在许多领域都有重要应用。钛宝石激光器更由于其增益曲线宽(660nm～1100nm)的特点倍受关注。但在以往的实验研究中，为了获得调谐范围大于200nm的可调谐激光输出，一般采用换用不同输出镜的方法，即输出不同波段的光需要换用不同波段的输出镜。例如要获得700～1000nm之间可调谐输出，那么需要使用700～850nm和850～1000nm两种输出镜分别获得700～850nm和850～1000nm可调谐输出。由于要换用输出镜，激光器谐振腔需要重新调整；另外，输出的各不同波段之间还有交叉重叠，即在上一个波段输出的某些波长在下一个波段内还会出现，所以激光器操作起来不但程序复杂，而且还严重影响了仪器的使用效率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服上述激光器需换用不同波段输出镜、重新调整腔结构来实现宽波段(调谐范围大于200nm)可调谐激光输出以及不同输出波段之间有交叉重叠的缺点。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。本激光器主要包括泵浦源1、第一光学耦合透镜2a、第二光学耦合透镜2b、激光增益介质3、调谐元件4、全反镜5、输出镜6、倍频晶体7和光路转折镜8，其特征在于：所述的输出镜6可以根据泵浦源1功率和连续调谐激光器输出带宽的不同，其抛光面沿X轴可以分为两部分或分为三部分或分为四部分分别镀膜。

要实现700～900nm连续调谐输出，所述的输出镜6抛光面沿X轴分为两部分镀膜，镀两种带宽为100nm膜系-700～800nm和800～900nm；输出镜6抛光面的一半镀700～800nm的部分反射膜，700nm透过率为T＝4～8％，每10nm透过率增加1％～2％，则800nm的透过率为T＝18％～20％；另一半镀800～900nm的部分反射膜，800nm透过率为T＝18％～20％，每10nm透过率降低1％～2％，则900nm的透过率为T＝4％～8％。

要实现600～900nm连续调谐输出，那么所述的输出镜6抛光面沿X轴分为三部分镀膜时，镀三种带宽为100nm膜系-600～700nm、700～800nm和800～900nm。输出镜6剖光面的三分之一镀600～700nm的部分反射膜，700nm透过率为T＝4～8％，每10nm透过率降低0.1％～0.2％，则600nm的透过率为T＝2％～7％；输出镜中间的三分之一镀700～800nm的部分反射膜，700nm透过率为T＝4～8％，每10nm透过率增加1％～2％，则800nm的透过率为T＝18％～20％；剩下的三分之一镀800～900nm的部分反射膜，800nm透过率为T＝18％～20％，每10nm透过率降低2％，则900nm的透过率为T＝4％～8％。

要实现600～1000nm连续调谐输出，那么所述的输出镜6抛光面沿X轴分为四部分镀膜时，镀四种带宽为100nm膜系-600～700nm、700～800nm、800～900nm和900～1000nm。输出镜6剖光面的四分之一镀600～700nm的部分反射膜，700nm透过率为T＝4％～8％，每10nm透过率降低0.1％～0.2％，则600nm的透过率为T＝2％～7％；输出镜的四分之一镀700～800nm的部分反射膜，700nm透过率为T＝4％～8％，每10nm透过率增加1％～2％，则800nm的透过率为T＝18％～20％；四分之一镀800～900nm的部分反射膜，800nm透过率为T＝20％，每10nm透过率降低1％～2％，则900nm的透过率为T＝4％～8％。剩下的四分之一镀900～1000nm的部分反射膜，900nm透过率为T＝4％～8％，每10nm透过率降低0.1％～0.2％，则1000nm的透过率大概为T＝2％～7％。

所述的泵浦源1采用输出波长为532nm的LD列阵泵浦Nd:YAG倍频激光器或者采用输出波长为532nm的灯泵Nd倍频激光器或者采用输出波长为532nm的氩离子激光器。

所述的泵浦源1输出的方式是连续、准连续、脉冲三种不同方式中的任何一种。

所述的激光增益介质3为可实现调谐输出的钛宝石激光晶体(Ti:Al₂O₃)或为紫翠宝石(Cr:BeAl₂O₄)或为镁橄榄石(Cr:Mg₂SiO₄)或为掺络的钇钕石榴石(Cr⁴:YAG)。

所述的调谐元件4可以是棱镜也可以是光栅等其他调谐元件。可以同一种类也可以不同种类调谐元件同时使用；调谐元件使用的数量可以是一个也可以是多个。

所述的倍频晶体7为LBO(三硼酸锂)或KTP(磷酸钛氧钾)或BBO(偏硼酸钡)或KNbO₃(铌酸锂)，可以温度调谐，也可以角度调谐，从而实现从紫外到可见光的倍频激光的输出。倍频晶体7除可以放置在输出镜6之外实现腔外倍频之外，亦可以放置在输出镜6之内实现腔内倍频。

谐振腔型可以是线性腔型结构或折叠腔型结构，也可以是环型腔结构。

本发明的原理是利用不同波长的光通过棱镜后因折射率的不同在空间会色散开，那么在调谐输出镜上针对不同波长的光对应的位置就不同，即不同波长的光在调谐输出镜上按次序一维排列。利用这一特点，并按不同波长的光在增益介质中增益大小的不同，对输出镜的膜系进行设计，以保证低增益波段(靠近660nm和1100nm的波段)也能起振。

本发明的可实现连续调谐全固态紫外激光器，通过采用上述技术方案，不需要更换输出镜、不需重新调整谐振腔，只需旋转全反镜5就可以实现调谐范围大于200nm的连续调谐输出。而且输出的两波段之间没有交叉重叠。通过倍频以后可以实现紫外及可见光连续调谐输出。

附图说明

图1是本发明的可实现连续调谐全固态紫外激光器实施的结构示意图

图2是本发明的可实现连续调谐全固态紫外激光器输出端镜的膜系示意图

图中：1、泵浦源，2a、第一光学耦合透镜，2b、第二光学耦合透镜，3激光增益介质，4调谐元件，5、全反镜，6输出镜，7倍频晶体，8、光路转折镜。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明中所述的各部分镀膜的带宽可以在50～200nm之间选择。

如果采用钛宝石作为激光增益介质，对应的输出波长为660nm～1100nm，倍频光对应为330nm～550nm。第一光学耦合透镜2a可以选焦距100～300nm的正透镜，第二光学耦合透镜2b可以选焦距40～100nm的正透镜。泵浦源1可以为输出波长为532nm的LD列阵泵浦Nd:YAG倍频激光器或者为输出波长为532nm的灯泵Nd倍频激光器，也可以为输出波长为532nm的氩离子激光器。泵浦源1输出的方式是连续或为准连续或为脉冲。激光增益介质3可以选为能够实现调谐输出的钛宝石激光晶体，也可以为紫翠宝石或者为镁橄榄石、Cr⁴:YAG、Cr:LiSAF。调谐元件4可以是棱镜或者是光栅等其他调谐元件，调谐元件4的数量可以是一个或者是多于一个。倍频晶体7可以为三硼酸锂、磷酸钛氧钾、偏硼酸钡、铌酸锂。倍频晶体7放置在输出镜6之外实现腔外倍频之外，也可以放置在输出镜6之内实现腔内倍频。谐振腔型可以为线性腔型结构，也可以为折叠腔型结构和环型腔结构。

实施例1：

本实施例所采用的镀膜带宽为100nm；采用LD泵浦的532nm准连续Nd:YAG激光器作为泵浦源泵浦钛宝石固体激光器；通过棱镜进行调谐实现700～900nm基频的可调谐输出；并通过频率变换的方式实现波长350～450nm连续可调的紫激光输出。具体内容如下：

1)用现有的LD(波长808nm)泵浦的532nm准连续Nd:YAG 1b激光器作为泵浦源，其最大输出平均功率可以达到25W；采用声光调制器1c进行频率调节，调制频率为5KHz。为了提高532nm的光束质量以提高泵浦效率，实验中采用平-凸非稳腔结构——全反镜(1a)是镀有1.06um全反膜的平凸透镜(R＝600)；输出镜(1d)为镀有1.06um全反膜(反射率大于99.8％)和532nm高透膜(透过率大于95％)的平片。全反镜1a和输出镜1d之间距离为320mm。

  2)532nm绿光经第一光学耦合透镜2a(焦距值f＝150)后泵浦钛宝石晶体，通过布儒斯特棱镜(材料：重火石玻璃ZF4，顶角：60.1°)作为调谐元件，通过调节谐振腔中全反镜5的角度来实现700～900nm宽调谐基频输出，钛宝石谐振腔的总腔长为140mm。第二光学耦合透镜2b为焦距60mm的正透镜。

3)根据不同波长的光在增益介质中增益大小的不同，对输出镜6的膜系进行设计，如图2所示：即在一个输出镜6镀两种带宽为100nm膜系，即700～800nm和800～900nm。输出镜6的一半镀700～800nm的部分反射膜，700nm透过率为T＝8％，每10nm透过率增加1％，则800nm的透过率大概为T＝18％。另一半镀800～900nm的部分反射膜800nm透过率为T＝18％，每10nm透过率降低1％，则900nm的透过率大概为T＝8％。这样在使用中，需将输出镜的中心调整到800nm处，然后只需通过旋转全反镜5，就可以实现700～900nm激光的连续调谐输出，而谐振腔的其它腔镜不用调整。

4)倍频晶体7利用大非线性系数、高破坏阈值的LBO晶体，采用I类相位匹配，尺寸为3x6x20mm³，并对LBO进行精确控温(±0.1C°)以实现高转换效率的倍频激光，通过旋转LBO匹配角度(43.4°～22.8°)，即通过角度匹配对700～900nm基频光进行倍频，从而实现350nm～450nm之间连续倍频输出。

实施例2：

本实施例与实施例1的主要区别在于输出镜6抛光面沿X轴分为三部分分别镀膜，可实现600～900nm连续调谐输出。具体镀膜方法为：沿X轴从左到右依次镀三种带宽为100nm膜系——600～700nm、700～800nm和800～900nm。输出镜6抛光面的左边的三分之一镀600～700nm的部分反射膜，700nm透过率为T＝8％，每10nm透过率降低0.2％，则600nm的透过率为T＝6％。输出镜6中间的三分之一镀700～800nm的部分反射膜，700nm透过率为T＝8％，每10nm透过率增加1％，则800nm的透过率为T＝18％。剩下的右边的三分之一镀800～900nm的部分反射膜，800nm透过率为T＝18％，每10nm透过率降低1％，则900nm的透过率为T＝8％。

实施例3：

本实施例与实施例1的主要区别在于输出镜6抛光面沿X轴分为四部分分别镀膜，可以实现600～1000nm连续调谐输出。具体镀膜方法为：沿X轴从左到右依次镀四种带宽为100nm膜系——600～700nm、700～800nm、800～900nm和900～1000nm。输出镜6抛光面的四分之一镀600～700nm的部分反射膜，700nm透过率为T＝8％，每10nm透过率降低0.2％，则600nm的透过率为T＝6％；输出镜6的四分之一镀700～800nm的部分反射膜，700nm透过率为T＝8％，每10nm透过率增加1％，则800nm的透过率为T＝18％；四分之一镀800～900nm的部分反射膜，800nm透过率为T＝18％，每10nm透过率降低1％，则900nm的透过率为T＝8％。剩下的四分之一镀900～1000nm的部分反射膜，900nm透过率为T＝8％，每10nm透过率降低0.2％，则1000nm的透过率大概为T＝6％。

Claims (9)

1.一种可连续调谐的全固态紫外激光器，包括泵浦源(1)、第一光学耦合透镜(2a)、第二光学耦合透镜(2b)、激光增益介质(3)、调谐元件(4)、全反镜(5)、输出镜(6)、倍频晶体(7)和光路转折镜(8)，其特征在于：所述的输出镜(6)的抛光面沿X轴分为两部分或分为三部分或分为四部分分别镀膜。

2.根据权利要求1所述的一种可连续调谐的全固态紫外激光器，其特征在于：所述的输出镜(6)抛光面沿X轴分为两部分镀膜，镀两种带宽为100nm膜系——700～800nm和800～900nm；输出镜(6)抛光面的一半镀700～800nm的部分反射膜，700nm透过率为T＝4～8％，每10nm透过率增加1％～2％；另一半镀800～900nm的部分反射膜，800nm透过率为T＝18％～20％，每10nm透过率降低1％～2％。

3.根据权利要求1所述的一种可连续调谐的全固态紫外激光器，其特征在于：所述的输出镜(6)抛光面沿X轴分为三部分镀膜，镀三种带宽为100nm膜系——600～700nm、700～800nm和800～900nm；输出镜(6)抛光面的三分之一镀600～700nm的部分反射膜，700nm透过率为T＝4～8％，每10nm透过率降低0.1％～0.2％；输出镜(6)中间的三分之一镀700～800nm的部分反射膜，700nm透过率为T＝4～8％，每10nm透过率增加1％～2％；剩下的三分之一镀800～900nm的部分反射膜，800nm透过率为T＝18％～20％，每10nm透过率降低2％，则900nm的透过率为T＝4％～8％。

4.根据权利要求1所述的一种可连续调谐的全固态紫外激光器，其特征在于：所述的输出镜(6)抛光面沿X轴分为四部分镀膜，镀四种带宽为100nm膜系——600～700nm、700～800nm、800～900nm和900～1000nm；输出镜(6)抛光面的四分之一镀600～700nm的部分反射膜，700nm透过率为T＝4％～8％，每10nm透过率降低0.1％～0.2％；输出镜的四分之一镀700～800nm的部分反射膜，700nm透过率为T＝4％～8％，每10nm透过率增加1％～2％；四分之一镀800～900nm的部分反射膜，800nm透过率为T＝20％，每10nm透过率降低1％～2％；剩下的四分之一镀900～1000nm的部分反射膜，900nm透过率为T＝4％～8％，每10nm透过率降低0.1％～0.2％。

5.根据权利要求1所述的一种可连续调谐的全固态紫外激光器，其特征在于：所述的泵浦源(1)为输出波长为532nm的LD列阵泵浦Nd：YAG倍频激光器或者为输出波长为532nm的灯泵Nd倍频激光器或者为输出波长为532nm的氩离子激光器；泵浦源(1)输出的方式是连续或为准连续或为脉冲。

6.根据权利要求1所述的一种可连续调谐的全固态紫外激光器，其特征在于：所述的激光增益介质(3)为能够实现调谐输出的钛宝石激光晶体或为紫翠宝石或为镁橄榄石或为掺络的钇钕石榴石。

7.根据权利要求1所述的一种可连续调谐的全固态紫外激光器，其特征在于：所述的调谐元件(4)可以是棱镜或者是光栅，调谐元件(4)的数量可以是一个或者是多于一个。

8.根据权利要求1所述的一种可连续调谐的全固态紫外激光器，其特征在于：所述的倍频晶体(7)为三硼酸锂或为磷酸钛氧钾或为偏硼酸钡或为铌酸锂；倍频晶体(7)放置在输出镜(6)之外或者放置在输出镜(6)之内。

9.根据权利要求1所述的一种可连续调谐的全固态紫外激光器，其特征在于：谐振腔型是线性腔型结构或者是折叠腔型结构或者是环型腔结构。

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