CN101232148A

CN101232148A - 半导体二极管双端泵浦高功率紫外激光器的设计方法

Info

Publication number: CN101232148A
Application number: CNA2008100207247A
Authority: CN
Inventors: 赵裕兴; 李立卫; 吕楠楠
Original assignee: Suzhou Delphi Laser Co Ltd
Current assignee: Suzhou Delphi Laser Co Ltd
Priority date: 2008-02-22
Filing date: 2008-02-22
Publication date: 2008-07-30

Abstract

本发明提供半导体二极管双端泵浦高功率紫外激光器的设计方法，采用两个半导体二级管构成双端泵浦激光晶体，输出808nm泵浦光经过非球面光学耦合系统及透镜耦合到激光晶体产生1064nm激光，再经过由五个平面镜构成的谐振腔进行腔内振荡，并由Q开关调制；调制后的1064nm基频光两次经过二倍频晶体进行1064nm基频光到532nm倍频光的转换，未完成倍频转换的1064nm基频光与532nm倍频光经过三倍频晶体和频，得到的355nm紫外激光从三倍频晶体布儒斯特角切割的一面输出。该方案激光腔内具有较大模体积，倍频晶体处具有小的激光光斑，三倍频晶体采用布儒斯特角切割方式大大减小了腔内损耗，实现高功率激光输出。

Description

半导体二极管双端泵浦高功率紫外激光器的设计方法

技术领域

本发明涉及固体激光技术，具体涉及一种半导体二极管双端泵浦高功率紫外激光器的设计方法。

背景技术

紫外激光器的输出波长短、能量集中、分辨率高，聚焦点可小到几个微米数量级，在精密材料微加工、紫外固化、光刻等领域有广泛的应用前景。半导体二极管泵浦紫外激光器具有光束质量好、功率稳定性好、可靠性高、使用方便、体积小等诸多优点。近年来利用非线性频率变换技术获得高功率紫外激光输出的研究已成为激光技术领域的一个研究热点。目前，全球对全固态紫外激光器的需求日益增加，应用领域不断扩大。

半导体二极管泵浦的固体紫外激光输出的实现是通过对从Nd:YVO4或Nd:YAG等激光晶体发出的基频光进行二次倍频，然后通过基频光和二次倍频光的和频得到。泵浦光波长是808nm。主要采用的技术有：

腔外倍频：相干(Coherent)公司、光谱物理公司(SP)均采用腔外倍频的方法实现绿光和紫外激光输出。这种方法是将高功率红外激光通过一个聚焦系统通过非线性晶体实现频率转换。其特点是聚焦点光斑尺寸要求小，因此晶体比较容易损坏，对晶体镀膜的要求比较高。相干和SP公司均采用对晶体自动移动的方法，在一定试用时间后进行换位置而实现晶体的长时间可靠工作。此技术对晶体的控制有非常严格的要求，并且有一套精密的检测和判别装置，整个系统比较复杂。

腔内倍频：JDSU公司、Photonics公司、DPSSL公司和Yuco公司及其它一些德国公司采用腔内倍频的方式实现紫外激光输出。由于激光器腔内的光强比腔外有一个数量级的提高，要实现同样的频率转换效率，该方法对非线性晶体的镀膜要求要低得多，因此在同样晶体条件下激光器的工作寿命也比较长。但是，由于在激光器腔内有三个波长同时存在，彼此有能量交换，而这些能量交换又容易受到外界因素影响，所以，此方法所产生的激光功率输出的瞬间稳定性和长时间可靠性不如腔外倍频。

目前国外激光器公司(Coherent、Spectra-physics、JDSU)已经推出平均功率大于10W的半导体二极管泵浦紫外激光器。国内目前许多院校和研究所都开展了对高功率紫外激光器的研究，但还处于初始阶段，至今基本上还没有研制出可以用于工业加工领域的商用紫外激光器，对于高功率紫外激光器的需求基本上依赖于进口，国内大于5W的紫外激光器很罕见，大族激光公司走在了前面，大族激光公司于2006年成功研制出了半导体侧面泵浦5W紫外激光器，并用于紫外加工设备，但是功率的稳定性以及光束质量还有待进一步的改进。

因此，高功率紫外激光器的研制，对缩短国内外的技术差距具有很重要的现实意义。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种半导体二极管双端泵浦高功率紫外激光器的设计方法，采用腔内倍频方式实现高功率355nm紫外激光输出。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

半导体二极管双端泵浦高功率紫外激光器的设计方法，特点是：泵浦源采用两个半导体二级管，构成双端泵浦方式泵浦激光晶体，两个半导体二极管分别输出808nm泵浦光经过非球面光学耦合系统及透镜耦合到激光晶体内，产生的1064nm激光经过由五个平面镜构成的谐振腔进行腔内振荡，并由Q开关进行调制；调制的1064nm基频光两次经过二倍频晶体进行1064nm基频光到532nm倍频光的转换，未完成二次倍频转换的剩余1064nm基频光与532nm倍频光经过三倍频晶体进行和频，得到的355nm紫外激光从三倍频晶体布儒斯特角切割的一面输出。

进一步地，上述的半导体二极管双端泵浦高功率紫外激光器的设计方法，所述的两个半导体二极管均采用输出功率是30W的808nm半导体二极管，其尾纤纤芯直径为400微米，数值孔径NA＝0.22。

更进一步地，上述的半导体二极管双端泵浦高功率紫外激光器的设计方法，所述激光晶体为Nd:YVO4，其晶体尺寸为3×3×15mm³，晶体掺杂浓度为0.3％；或者为Nd:YAG、Nd:YLF、Nd:Glass等其它激光晶体。

更进一步地，上述的半导体二极管双端泵浦高功率紫外激光器的设计方法，所述二倍频晶体为I类相位匹配方式LBO，其晶体尺寸为3×3×12mm³；或者为II类LBO、II类KTP、II类BBO、II类CLBO。

再进一步地，上述的半导体二极管双端泵浦高功率紫外激光器的设计方法，所述三倍频晶体为II类相位匹配方式LBO，其晶体尺寸为3×3×15mm³；或者为I类LBO、II类BBO、II类CLBO。

本发明技术方案突出的实质性特点和显著的进步主要体现在：

本发明采用半导体二极管双端泵浦激光晶体方式，利用腔内倍频技术，实现1064nm基频光到532nm倍频光转换，再通过1064nm基频光到532nm倍频光的和频得到355nm紫外激光。激光腔内具有较大的模体积，同时倍频晶体处具有较小的光斑，显著提高了倍频转换效率。利用非球面光学耦合系统，保证激光晶体处泵浦光与晶体处的振荡激光达到很好的模匹配，提高基频光转换效率。三倍频晶体采用布儒斯特角切割，明显降低偏振模耦合损耗。另外，此方法对非线性晶体的镀膜要求相当低，在同样晶体及镀膜条件下，激光器的工作寿命较长。其输出功率稳定、转换效率高，光束质量非常之好、稳定性较优越。

附图说明

下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明：

图1：半导体二极管双端泵浦高功率紫外激光器的原理图；

图2：激光腔晶体热焦距变化稳区图；

图3：不同调制频率下，激光器输出功率曲线图。

图中各附图标记的含义见下表：

附图标记	含义	附图标记	含义	附图标记	含义
附图标记	含义	附图标记	含义	附图标记	含义	1	半导体二极管	2	非球面透镜	3	非球面透镜
4	透镜	5	激光晶体	6	透镜	1	半导体二极管	2	非球面透镜	3	非球面透镜
4	透镜	5	激光晶体	6	透镜	7	非球面透镜	8	非球面透镜	9	半导体二极管
10	Q开关	11	平面镜	12	平面镜	7	非球面透镜	8	非球面透镜	9	半导体二极管
10	Q开关	11	平面镜	12	平面镜	13	平面镜	14	平面镜	15	平面镜
16	二倍频晶体	17	三倍频晶体			13	平面镜	14	平面镜	15	平面镜

具体实施方式

本发明采用半导体二极管双端泵浦激光晶体方式，利用腔内倍频技术，实现1064nm基频光到532nm倍频光转换的，再通过1064nm基频光到532nm倍频光的和频得到355nm紫外激光。输出激光具有优秀的光束质量。

如图1所示的原理，采用两个半导体二极管(1、9)构成双端泵浦方式泵浦激光晶体，其中半导体二极管1输出808nm泵浦光经过由两个非球面透镜(2、3)构成的非球面光学耦合系统及透镜4耦合到激光晶体5内，另一个半导体二极管9输出808nm泵浦光经过由两个非球面透镜(8、7)构成的非球面光学耦合系统及透镜6也耦合到激光晶体5内，透镜4和透镜6使得激光晶体内具有更大的模体积，产生的1064nm激光经过由五个平面镜(11、12、13、14、15)构成的谐振腔进行腔内振荡，并由Q开关10进行调制；调制的1064nm基频光两次经过二倍频晶体16进行1064nm基频光到532nm倍频光的转换，未完成二次倍频转换的剩余1064nm基频光与532nm倍频光经过三倍频晶体17进行和频，得到的355nm紫外激光从三倍频晶体布儒斯特角切割的一面输出；三倍频晶体的355nm激光出射面以布儒斯特角切割放置，可以减小偏振模耦合损耗。

具体设计应用时，输出功率大于8W的半导体二极管双端泵浦高功率355nm紫外激光器，主要由两个带尾纤的30W半导体二极管1和半导体二极管9，激光晶体5，二倍频晶体LBO 16，三倍频晶体LBO 17，Q开关10等元件组成。半导体二极管(1、9)均采用输出功率为30W的808nm半导体二极管，其尾纤纤芯直径为400微米，数值孔径NA＝0.22。激光晶体5为Nd:YVO4，其晶体尺寸为3×3×15mm³，晶体掺杂浓度为0.3％；或者为Nd:YAG、Nd:YLF、Nd:Glass等其它激光晶体；通循环水对激光晶体进行精确控温。二倍频晶体16为I类相位匹配方式LBO，其晶体尺寸为3×3×12mm³；或者为II类LBO、II类KTP、II类BBO、II类CLBO等其它晶体；采用TEC对二倍频晶体进行严格控温。三倍频晶体17为II类相位匹配方式LBO，其晶体尺寸为3×3×15mm³；或者为I类LBO、II类BBO、II类CLBO等其它晶体；采用TEC对三倍频晶体进行严格控温。

采用腔内倍频方式实现高功率355nm紫外激光输出，泵浦源采用两个半导体二极管，泵浦光经过非球面光学耦合系统聚焦到激光晶体上，通过谐振腔放大并采用声光调Q技术实现1064nm准连续激光运转。利用二倍频晶体进行频率转换得到532nm激光，同时利用激光谐振腔内基波(1064nm)和二次谐波(532nm激光)的和频(1064nm+532nm→355nm)得到355nm紫外脉冲激光输出。

激光腔内具有较大的模体积，同时倍频晶体处具有较小的光斑，提高了倍频转换效率。利用非球面光学耦合系统，保证激光晶体处泵浦光与晶体处的振荡激光达到很好的模匹配，提高基频光转换效率。三倍频晶体采用布儒斯特角切割，利于降低偏振模耦合损耗。

腔内倍频，利用腔内较高的光强实现非线性频率转换，通过SHG和THG的光束直径不需要聚焦到非常小的光斑就可以获得比较高的光强，实现高的转换效率。可以大大减少晶体损坏的机率，而且此方法对非线性晶体的镀膜要求相当低，在同样晶体及镀膜条件下，激光器的工作寿命也较长。

频率转换过程中偏振模分析：激光晶体Nd:YVO4发出的1064nm基频光沿着P偏振(平行于纸面偏振)；P偏振的基频光经过I类LBO二倍频晶体16输出532nm S偏振光(垂直于纸面偏振)；P偏振的基频光与532nmS偏振光经过三倍频晶体17，满足II类相位匹配偏振条件，实现P偏振的355nm紫外激光输出。

另外，要注意的是，须考虑激光晶体的热透镜焦距，在58W较大泵浦功率泵浦下，激光晶体的热透镜焦距F＝200mm。利用winlase软件进行模拟计算得到腔的稳区图如图2所示。由稳区图可以看出，激光器存在两个稳区：热焦距F＝100～180mm及F＝190～530mm，所以在大功率泵浦下，激光器可以保持稳定运转。

根据上述技术方案，构建半导体二极管双端泵浦的高功率355nm紫外激光器装置，在抽运光功率Pi＝58w时，不同频率调制下激光器的输出功率如图3所示。由图可以看出，当调制频率f＝30kHz时，激光器输出功率最大为8.4W，泵浦光到355nm紫外激光的转换效率约为14.5％。在此泵浦功率下，测得紫外激光脉冲宽度为24ns，M²＜1.3。该激光器运行8小时的稳定度小于3％。

从结果可以看出，该发明技术方案具有转换效率高，光束质量好，运行稳定等优点，可以广泛应用于紫外激光领域。

以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims

1.半导体二极管双端泵浦高功率紫外激光器的设计方法，其特征在于：采用两个半导体二极管(1、9)构成双端泵浦方式泵浦激光晶体，其中一个半导体二极管(1)输出的808nm泵浦光经过由两个非球面透镜(2、3)构成的非球面光学耦合系统及透镜(4)耦合到激光晶体(5)内，另一个半导体二极管(9)输出的808nm泵浦光经过由两个非球面透镜(8、7)构成的非球面光学耦合系统及透镜(6)也耦合到激光晶体(5)内，产生的1064nm激光经过由五个平面镜(11、12、13、14、15)构成的谐振腔进行腔内振荡，并由Q开关(10)进行调制；调制的1064nm基频光两次经过二倍频晶体(16)进行1064nm基频光到532nm倍频光的转换，未完成二次倍频转换的剩余1064nm基频光与532nm倍频光经过三倍频晶体(17)进行和频，得到的355nm紫外激光从三倍频晶体布儒斯特角切割的一面输出。

2.根据权利要求1所述的半导体二极管双端泵浦高功率紫外激光器的设计方法，其特征在于：所述两个半导体二极管(1、9)均采用输出功率为30W的808nm半导体二极管，其尾纤纤芯直径为400微米，数值孔径NA＝0.22。

3.根据权利要求1所述的半导体二极管双端泵浦高功率紫外激光器的设计方法，其特征在于：所述激光晶体(5)为Nd:YVO4，其晶体尺寸为3×3×15mm³，晶体掺杂浓度为0.3％；或者为Nd:YAG、Nd:YLF、Nd:Glass激光晶体。

4.根据权利要求1所述的半导体二极管双端泵浦高功率紫外激光器的设计方法，其特征在于：所述二倍频晶体(16)为I类相位匹配方式LBO，其晶体尺寸为3×3×12mm³；或者为II类LBO、II类KTP、II类BBO、II类CLBO。

5.根据权利要求1所述的半导体二极管双端泵浦高功率紫外激光器的设计方法，其特征在于：所述三倍频晶体(17)为II类相位匹配方式LBO，其晶体尺寸为3×3×15mm³；或者为I类LBO、II类BBO、II类CLBO。