CN101132106A - 获得488nm波长的腔内和频全固体蓝光激光器 - Google Patents

Abstract

获得488nm波长的腔内和频全固体蓝光激光器，属于激光技术领域中涉及的一种激光器，要解决的技术问题是：提供一种获得488nm波长的腔内和频全固体蓝光激光器，解决的技术方案：包括两个半导体激光器、两个光学耦合部件、两个输入耦合腔镜、两个激光增益介质、和束镜、非线性晶体、输出耦合腔镜；该结构是由具有公共重合光路的两个子谐振腔组成复合型谐振腔的腔内和频激光器结构；一个子谐振腔产生波长λ₁，另一个子谐振腔波长产生波长λ₂，λ₁和λ₂通过非线性晶体，由非线性和频相互作用，获得488nm波长的腔内和频全固体蓝光激光器。该激光器体积小，效率高，可广泛应用于生物医疗仪器。

Description

获得488nm波长的腔内和频全固体蓝光激光器

技术领域：

本发明属于激光技术领域中，涉及的一种通过腔内和频方法获得488nm波长全固体蓝光激光器。

背景技术：

在激光技术领域中，半导体激光器及半导体激光泵浦固体激光技术发展以前，获得蓝激光的技术主要是氩离子激光器，而氩离子激光器在蓝激光的波段主要是488nm的波长。因此随着激光应用领域研究的进展，488nm波长的蓝激光在生物医疗仪器，基础研究和工业领域已获得了大量的应用。随着半导体激光器及半导体激光泵浦固体激光技术发展及其特殊的优点，半导体蓝光激光器和半导体激光泵浦固体蓝光激光器已获得了迅速的发展，并在很多应用领域大量的取代了氩离子激光器。但直接发射488nm波长的半导体蓝光激光器还处在研究阶段。目前获得半导体激光泵浦固体蓝光激光输出的技术主要是腔内倍频方法，由于目前激光增益介质跃迁谱线的限制，通过腔内倍频还不能获得488nm的蓝激光波长。

目前获得488nm的激光器除了氩离子激光器外，主要还有垂直腔面发射半导体激光器的外腔倍频和掺钛蓝宝石倍频激光器等。垂直腔面发射半导体外腔倍频激光器主要有电泵浦和光泵浦两种方式。电泵浦垂直腔面发射半导体外腔倍频激光器目前获得的功率还很低，仅几毫瓦。光泵浦垂直腔面发射半导体外腔倍频激光器需要反射方向泵浦，获得的488nm的激光也仅百毫瓦量级。采用掺钛蓝宝石倍频激光器需要其它固体激光器泵浦，获得488nm的激光器结构复杂和成本高。

通过对两个具有不同波长基频光的非线性和频方法也能获得新的波长。与本发明最为接近的已有技术是美国专利No.5.345.457如图1所示，包括泵浦源1和4，谐振腔镜2和5、激光增益介质3和6、偏光棱镜7、KTP非线性晶体8和输出耦合腔镜9。谐振腔镜2和5分别与输出耦合腔镜9之间组成具有公共重合部分的两个子谐振腔组，子谐振腔的公共重合部分由偏光棱镜7，KTP非线性晶体8和输出耦合镜腔9组成。当泵浦源1和4分别泵浦激光增益介质3和6时，两个子谐振腔通过激光增益介质3和6分别产生1064nm和1318nm两个不同波长的基频光，形成振荡，再通过公共重合部分的KTP非线性晶体8的和频产生589nm的波长输出。

该激光器的输出波长是589nm的黄光激光器，而不是输出波长为488nm的蓝光激光器。

发明内容：

为了获得488nm波长输出的蓝光激光器，设计一种不同于黄光激光器的结构并通过选用不同的激光增益介质、非线性晶体和制备在谐振腔镜与输出耦合镜的激光膜系，产生两个不同的基频光波长，通过特定基频光波长的组合，在非线性晶体内和频产生488nm的蓝光激光输出。本发明要解决的技术问题是：提供一种获得488nm波长的腔内和频全固体蓝光激光器。

解决技术问题的技术方案如图2所示，包括第一半导体激光器10和第二半导体激光器17、第一光学耦合部件11和第二光学耦合部件18、第一输入耦合腔镜12和第二输入耦合腔镜19、第一激光增益介质13和第二激光增益介质20、和束镜14、非线性晶体15、输出耦合腔镜16；该结构是由具有公共重合光路的两个子谐振腔组成复合型谐振腔的腔内和频激光器结构；一个子谐振腔是在第一半导体激光器10的激光发射方向的光轴上，从左至右按第一耦合光学部件、第一输入耦合腔镜12、第一激光增益介质13、和束镜14、非线性晶体15和输出耦合腔镜16排列，其中和束镜14与光轴成45°放置；另一个子谐振腔是在第二半导体激光器17的激光发射方向的光轴上，按第二光学耦合部件18、第二输入耦合腔镜19、第二激光增益介质20、和束镜14、非线性晶体15和输出耦合腔镜16排列，其中和束镜14与光轴成45°放置；两个子谐振腔通过和束镜14合成，并由和束镜14，非线性晶体15和输出耦合腔镜16组成公共重合光路；在第一半导体激光器10的光学泵浦下，第一激光增益介质13产生的波长为λ₁，并在第一输入耦合腔镜12和输出耦合腔镜16之间振荡；在第二半导体激光器17的光学泵浦下，第二激光增益介质20产生的波长为λ₂，并在第二输入耦合腔镜19和输出耦合腔镜16之间振荡；波长为λ₁的光束与波长为λ₂的光束在公共重合光路内共线或非共线通过非线性晶体15，由非线性和频相互作用，产生波长为λ₃的488nm蓝色和频激光，并由输出耦合腔镜16输出到谐振腔外。

其中波长λ₁、λ₂和λ₃的和频变换关系要满足1/λ₃＝1/λ₂+1/λ₁的要求；通过选择不同激光增益介质的不同波长λ₁和λ₂组合，使和频光的波长λ₃为488nm的蓝光；非线性晶体15按波长λ₁和λ₂的和频位相匹配方向切割，使波长λ₁和波长λ₂在非线性晶体15中共线或非共线传播时的位相匹配关系要满足n₃/λ₃＝n₂/λ₂+n₁/λ₁的要求，其中n₃、n₂和n₁分别是波长λ₃、λ₂和λ₁在非线性]晶体15中传播的折射率。

第一光学耦合部件11和第二光学耦合部件18通常是球面镜、或非球面镜、或柱面镜、或自聚焦透镜、或光纤、或棱镜、或二元光学透镜等光学元件，或由以上光学元件组成的复合光学系统。

第一输入耦合腔镜12的靠近第一激光增益介质13的表面可以是平面或凹面，该面的膜系制备要求对波长λ₁具有高反射率，同时对第一半导体激光器10发出的泵浦光波长具有高透过率；第二输入耦合腔镜19的靠近第二激光增益介质20的表面也可以是平面或凹面，该面的膜系制备要求对波长λ₂具有高反射率，同时对第二半导体激光器17发出的泵浦光波长具有高透过率；和束镜14一个面的膜系制备要求在与该镜面法线成45°入射时，对波长λ₁具有高透射率，对波长λ₂具有高反射率，另一个面的膜系制备要求在与该镜面法线成45°入射时，对波长λ₁具有高透射率；输出耦合腔镜16的靠近非线性晶体15的表面膜系制备要求同时对波长λ₁和λ₂的基频光具有的高反射率，并对和频光波长λ₃具有高透过率，另一面膜系制备要求对和频光的波长λ₃具有高透过率。

工作原理说明：

本发明的488nm全固体蓝光激光器工作时：作为泵浦光源的第一半导体激光器10发出泵浦光，被第一光学耦合部件11耦合到第一激光增益介质13内，当第一半导体激光器10发出的泵浦光功率超过谐振腔对λ₁在其子谐振腔内振荡的阈值功率时，第一激光增益介质13产生了波长为λ₁的基频光，在第一输入耦合腔镜12和输出耦合腔镜16之间通过和束镜14透射后传播振荡，在第一激光增益介质13内循环放大；作为泵浦光源的第二半导体激光器17发出泵浦光，被第二光学耦合部件18耦合到第二激光增益介质20内，当第二半导体激光器17发出的泵浦光功率超过谐振腔对λ₂在其子谐振腔内振荡的阈值功率时，第二激光增益介质20产生了波长为λ₂的基频光，在第二输入耦合腔镜19和输出耦合腔镜16之间通过和束镜14反射后传播振荡，在第二激光增益介质20内循环放大；当波长为λ₁的基频光与波长为λ₂的基频光同时通过非线性晶体15时，由非线性光学和频相互作用，产生了不同于波长λ₁和λ₂的第三个波长为λ₃的488nm和频光，通过输出耦合腔镜16输出到激光谐振腔外。

本发明的积极效果是：该488nm蓝光激光器具有体积小，效率高，结构简单，装调容易，作为产品稳定性好和全固化等特点，可代替输出功率从毫瓦级到瓦级的氩离子激光器及其它类型的激光器。

附图说明：

图1是已有技术美国专利No.5.345.457的结构示意图。

图2是本发明的结构示意图。

图3是本发明的实施例三的结构示意图。

图4是本发明的实施例四的结构示意图。

具体实施方式：

本发明按图2所示的结构实施，实施例一：其中第一半导体激光器10采用输出波长为790nm到806nm的半导体激光器或半导体激光器列阵，第一光学耦合部件11采用美国LightPath公司的Lens Code350230非球面镜；第一输入耦合腔镜12的靠近第一激光增益介质13的表面制备对波长1047nm的反射率大于99.5％，对波长790nm到806nm的透过率大于80％的多层介质膜，另一面制备对波长790nm到806nm的透过率大于99％的增透膜；第一激光增益介质13采用Nd:YLF激光晶体，通过选择偏振方向，获得激光跃迁波长为1047nm的能级跃迁，Nd:YLF激光增益介质的两个通光面制备对1047nm的双波长增透膜，透过率大于99％；第二半导体激光器17是采用波长输出为808nm的半导体激光器或半导体激光器列阵；第二光学耦合部件18也采用美国LightPath公司的Lens Code 350230非球面镜；第二输入耦合腔镜19的靠近第二激光增益介质20的表面制备对波长914nm的反射率大于99.5％，对波长808nm的透过率大于80％的多层介质膜，另一面制备对波长808nm的透过率大于99％的增透膜；第二激光增益介质20采用Nd:YVO₄激光晶体，通过选择谐振腔镜的膜系，获得激光跃迁波长为914nm的能级跃迁，Nd:YVO₄激光晶体的两个通光面制备对914nm的双波长增透膜，透过率大于99％；和束镜14的一个面制备对波长1047nm的增透膜，另一个面制备对波长1047nm增透和对波长914nm高反射率的多层介质膜；非线性晶体15为LBO、或BiBO、或其它非线性晶体，其中LBO或BiBO按波长1047nm与波长914nm的和频I类位相匹配方向切割，该晶体的两个通光面都制备对1047nm、914nm和488nm的三个波长的增透膜，透过率大于99％；输出耦合腔镜16的和频光入射面制备对波长1047nm和914nm的反射率都大于99.5％，对波长488nm的透过率大于80％的多层介质膜；输出耦合腔镜16的另一面制备对波长488nm的透过率大于99％的增透膜。

当第一半导体激光器10和第二半导体激光器17同时工作时，随着泵浦功率的增加，分别在激光增益介质Nd:YLF和Nd:YVO₄内产生1047nm和914nm的两个波长的基频光，并分别在两个子谐振腔内振荡，通过公共重合部分的非线性晶体LBO、或BiBO或其它非线性晶体时，产生488nm的蓝色激光，由输出耦合腔镜16输出。

实施例二：其中第一半导体激光器10采用波长为940nm的半导体激光器或半导体激光器列阵，第一光学耦合部件11采用美国LightPath公司的Lens Code 350230非球面镜；第一输入耦合腔镜12的靠近第一激光增益介质13的表面制备对波长1050nm的反射率大于99.5％，波长940nm的透过率大于80％的多层介质膜；第一输入耦合腔镜12的另一面制备对波长940nm的透过率大于99％的增透膜；第一激光增益介质13采用Yb:YAG激光晶体，通过选择谐振腔镜的膜系，获得激光跃迁波长为1050nm的能级跃迁，Yb:YAG激光晶体的两个通光面制备对1050nm的双波长增透膜，透过率大于99％；第二半导体激光器17采用波长为808nm的半导体激光器或半导体激光器列阵，第二光学耦合部件18也采用美国LightPath公司的LensCode 350230非球面镜；第二输入耦合镜19的靠近第二激光增益介质20的表面制备对波长912nm的反射率大于99.5％，波长808nm的透过率大于80％的多层介质膜；第二输入耦合腔镜19的另一面制备对波长808nm的透过率大于99％的增透膜；第二激光增益介质20采用Nd:GdVO₄激光晶体，获得激光跃迁波长为912nm的能级跃迁，Nd:GdVO₄激光晶体的两个通光面制备对912nm的双波长增透膜，透过率大于99％；和束镜14的一个面制备对波长1050nm的增透膜，另一个面制备对波长1050nm增透膜和对波长912nm高反射率的多层介质膜；和频晶体15为LBO、或BiBO、或其它非线性晶体，其中LBO或]BiBO按波长1050nm与波长912nm的和频I类位相匹配方向切割，该晶体的两个通光面都制备对1050nm、912nm和488nm的三波长增透膜，透过率大于99％；输出耦合腔镜16的靠近非线性晶体15的表面制备对波长1050nm和912nm的反射率都大于99.5％，对波长488nm的透过率大于80％的多层介质膜；另一面制备对波长488nm的透过率大于99％的增透膜。

当第一半导体激光器10和第二半导体激光器17同时工作时，随着泵浦功率的增加，分别在激光增益介质Yb:YAG和Nd:GdVO₄内产生1050nm和912nm两个波长的基频光在对应的两个子谐振腔内振荡，通过公共重合部分的LBO、或BiBO或其它非线性晶体时，由非线性和频相互作用产生488nm的蓝色激光，由输出耦合腔镜16输出。

实施例三如图3所示，分别与实施例一和实施例二类似，只是分别把第一输入耦合腔镜12的靠近第一激光增益介质13的表面制备的对波长1047nm或1050nm的高反射膜直接制备在第一激光增益介质13的泵浦光入射面上，把第二输入耦合腔镜19的靠近第二激光增益介质20的表面制备的对波长914nm或912nm的高反射膜直接制备在第二激光增益介质20的泵浦光入射面上，并分别去掉第一输入耦合腔镜12和第二输入耦合腔镜19。即等于把第一输入耦合腔镜12和第二输入耦合腔镜19在附图二的结构中去掉，但是把第一输入耦合腔镜12和第二输入耦合腔镜19靠近激光增益介质的表面制备的高反射膜分别直接制备在第一激光增益介质13和第二激光增益介质20上。对应于实施例一，第一激光增益介质13采用Nd:YLF，泵浦光入射通光表面上的高反射膜制备要求为：对波长1047nm的反射率大于99.5％，对波长790nm到806nm的透过率大于80％；第二激光增益介质20采用Nd:YVO₄，泵浦光入射通光表面上的高反射膜制备要求为：对波长914nm的反射率大于99.5％，对波长808nm的透过率大于80％。对应于实施例二，第一激光增益介质13采用Yb:YAG，泵浦光入射通光表面上的高反射膜制备要求为：对波长1050nm的反射率大于99.5％，对波长940nm的透过率大于80％；第二激光增益介质20采用Nd:GdVO₄，泵浦光入射通光表面上的高反射膜制备要求为：对波长912nm的反射率大于99.5％，对波长808nm的透过率大于80％。对应于实施例一和实施例二，同时把第一输入耦合腔镜12和第二输入耦合腔镜19去掉。

实施例四如图4所示，与实施例一和实施例二类似，只是把在输出耦合腔镜16的靠近非线性晶体15的表面制备的对波长λ₁和λ₂的基频光具有的高反射率，对和频光的波长λ₃具有高透过率的膜系直接制备在非线性晶体15上，并同时把输出耦合腔镜16去掉。对应于实施例一，非线性晶体的靠近原输出耦合腔镜16的表面制备对波长1047nm和914nm的反射率都大于99.5％，对波长488nm的透过率大于80％的多层介质膜；对应于实施例二，非线性晶体15的靠近原输出耦合镜16的表面制备对波长1050nm和912nm的反射率都大于99.5％，对波长488nm的透过率大于80％的多层介质膜。

Claims (3)

1.一种获得488nm波长的腔内和频全固体蓝光激光器，包括激光增益介质、非线性晶体、输出耦合腔镜；其特征在于还包括第一半导体激光器(10)和第二半导体激光器(17)、第一光学耦合部件(11)和第二光学耦合部件(18)、和束镜(14)；该结构是由具有公共重合光路的两个子谐振腔组成复合型谐振腔的腔内和频激光器结构；一个子谐振腔是在第一半导体激光器(10)的激光发射方向的光轴上，从左至右按第一耦合光学部件(11)、第一输入耦合腔镜(12)、第一激光增益介质(13)、和束镜(14)、非线性晶体(15)和输出耦合腔镜(16)排列，其中和束镜(14)与光轴成45°放置；另一个子谐振腔是在第二半导体激光器(17)的激光发射方向的光轴上，按第二光学耦合部件(18)、第二输入耦合腔镜(19)、第二激光增益介质(20)、和束镜(14)、非线性晶体(15)和输出耦合腔镜(16)排列，其中和束镜(14)与光轴成45°放置；两个子谐振腔通过和束镜(14)合成，并由和束镜(14)，非线性晶体(15)和输出耦合腔镜(16)组成公共重合光路；在第一半导体激光器(10)的光学泵浦下，第一激光增益介质(13)产生的波长为λ₁；在第二半导体激光器(17)的光学泵浦下，第二激光增益介质(20)产生的波长为λ₂；波长为λ₁的光束与波长为λ₂的光束在公共重合光路内共线或非共线通过非线性晶体(15)，产生波长为λ₃的488nm蓝色和频激光；其中波长λ₁、λ₂和λ₃的和频变换关系要满足1/λ₃＝1/λ₂+1/λ₁的要求；非线性晶体(15)按波长λ₁和λ₂的和频位相匹配方向切割，使波长λ₁和波长λ₂在非线性晶体(15)中共线或非共线传播时的位相匹配关系要满足n₃/λ₃＝n₂/λ₂+n₁/λ₁的要求，其中n₃、n₂和n₁分别是波长λ₃、λ₂和λ₁在非线性]晶体(15)中传播的折射率。

第一输入耦合腔镜(12)的靠近第一激光增益介质(13)的表面可以是平面或凹面，该面的膜系制备要求对波长λ₁具有高反射率，同时对第一半导体激光器(10)发出的泵浦光波长具有高透过率；第二输入耦合腔镜(19)的靠近第二激光增益介质(20)的表面也可以是平面或凹面，该面的膜系制备要求对波长λ₂具有高反射率，同时对第二半导体激光器(17)发出的泵浦光波长具有高透过率；和束镜(14)一个面的膜系制备要求在与该镜面法线成45°入射时，对波长λ₁具有高透射率，对波长λ₂具有高反射率，另一个面的膜系制备要求在与该镜面法线成45°入射时，对波长λ₁具有高透射率；输出耦合腔镜(16)的靠近非线性晶体(15)的表面膜系制备要求同时对波长λ₁和λ₂的基频光具有的高反射率，并对和频光波长λ₃具有高透过率，另一面膜系制备要求对和频光的波长λ₃具有高透过率。

2.按权利要求1所述的获得488nm波长的腔内和频全固体蓝光激光器，其特征在于：分别把第一输入耦合腔镜(12)的靠近第一激光增益介质(13)的表面制备的对波长λ₁的高反射膜直接制备在第一激光增益介质(13)的泵浦光入射面上，把第二输入耦合腔镜(19)的靠近第二激光增益介质(20)的表面制备的对波长λ₂的高反射膜直接制备在第二激光增益介质(20)的泵浦光入射面上，并分别去掉第一输入耦合腔镜(12)和第二输入耦合腔镜(19)。

3.根据权利要求1所述的获得488nm波长的腔内和频全固体蓝光激光器，其特征在于：把在输出耦合腔镜(16)的靠近非线性晶体(15)的表面制备的对波长λ₁和λ₂的基频光具有的高反射率，对和频光的波长λ₃具有高透过率的膜系直接制备在非线性晶体(15)上，并同时把输出耦合腔镜(16)去掉。

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