CN101242076A - 砷酸钛氧钾晶体全固体拉曼激光器 - Google Patents
砷酸钛氧钾晶体全固体拉曼激光器 Download PDFInfo
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Abstract
砷酸钛氧钾晶体拉曼激光器，属于固体激光器领域，它是利用LD泵浦掺钕或掺镱的激光晶体产生基频光，基频光经调Q开关调制后，由拉曼晶体砷酸钛氧钾(KTiOAsO4，KTA)转换为拉曼光，并通过输出境输出。该激光器具有体积小、性能稳定、功率高、成本低等优点，具有广泛的应用前景。
Description
(一)技术领域
本发明涉及一种固体激光器，特别是一种砷酸钛氧钾晶体全固体拉曼激光器。
(二)背景技术
受激拉曼散射是一种重要的激光变频技术，通过受激拉曼散射可以将激光器的输出波长范围扩展到红外至紫外。固体拉曼介质与气体或液体拉曼介质相比，具有粒子浓度大、体积小、性能稳定、泵浦阈值低、热导性能好等优点。近几年，固体拉曼介质及全固体拉曼激光器已成为激光器件领域的研究热点之一。目前国内、外已经有关于固体拉曼激光器的报道，他们主要采用钨酸盐类(KGd(WO4)2，BaWO4，SrWO4)、钒酸盐类(YVO4，GdVO4)、硝酸盐类(Ba(NO3)2)、碘酸盐类(LiIO3)等晶体作为拉曼介质。这些拉曼介质的拉曼频移一般在900cm-1以上，因此当用最成熟的1.06微米激光泵浦时，会获得1.18微米左右的拉曼激光。砷酸钛氧钾晶体在234cm-1处有很强的拉曼增益，可以获得1.09微米拉曼激光，但至今还没有发现用该晶体来实现的拉曼激光器。
(三)发明内容
为克服现有技术的缺陷，以获得1.09微米拉曼激光输出，本发明提供一种砷酸钛氧钾晶体(KTiOAsO4，KTA)全固体拉曼激光器。
一种砷酸钛氧钾(KTA)晶体全固体拉曼激光器，包括激光二极管(LD)泵浦源、谐振腔，谐振腔由后腔镜和输出镜组成，其特征在于谐振腔中放置激光增益介质、调Q装置和KTA晶体；激光增益介质、调Q装置和KTA晶体均由冷却装置对其进行温度控制；由激光二极管LD泵浦源产生的泵浦光耦合进入激光增益介质，所产生的基频光通过KTA晶体，由于KTA晶体具有拉曼效应，因而会产生受激拉曼散射，可以有效地产生拉曼转换、获得1.09微米拉曼激光，由输出镜输出。
所述的激光二极管LD泵浦源可以是连续光泵浦，也可以是准连续光泵浦；可以是LD端面泵浦源，它包括驱动电源、激光二极管、冷却装置、光纤和耦合透镜组；也可以是LD侧面泵浦源，它包括驱动电源、LD侧泵模块、冷却装置。
所述的谐振腔是直腔，也可以是折叠腔(折叠腔时须加入折叠镜以改变光路途径)，腔长为5cm-50cm，谐振腔的后腔镜和输出镜的曲率半径可根据实际情况选择。
所述的谐振腔在LD端面泵浦情况下，谐振腔内的调Q开关和KTA晶体的相对位置可进行调换；在LD侧面泵浦情况下，谐振腔内的侧泵模块及激光增益介质、调Q开关、KTA晶体的相对位置可相互进行调换。
所述的激光增益介质可以是掺钕(Nd)或掺镱(Yb)的以下诸晶体中的一种：钇铝石榴石(YAG)、钒酸钇(YVO4)、钒酸钆(GdVO4)、钒酸镥(LuVO4)、氟化钇锂(YLF)、铝酸钇(YAP)、钆镓石榴石(GGG)、钨酸钆钾(KGd(WO4)2)等；也可以是键合晶体钇铝石榴石/掺钕钇铝石榴石(YAG/Nd:YAG)、钒酸钇/掺钕钒酸钇(YVO4/Nd:YVO4)诸晶体中的一种。
所述的激光增益介质的掺杂浓度当掺钕时为0.05-at.％至3-at.％；掺镱时为0.05-at.％至10-at.％。
所述的激光增益介质的两个端面均镀有对泵浦光波段及1000nm-1100nm波段的增透膜。
所述的调Q装置可以是电光调Q装置、声光调Q装置或可饱和吸收体被动调Q装置中的任意一种：声光调Q装置由射频输入装置和调Q晶体组成，调Q晶体的两端面均镀有1000nm-1100nm波长的增透膜；调制频率为1Hz-100KHz，通过输入射频波改变调Q晶体的密度，来实现周期性改变激光谐振腔阈值的目的，起到调Q开关作用；电光调Q装置由电光晶体和驱动电源组成，利用晶体的电光效应，对通过其中的激光的相位产生调制，进而改变偏振态，完成开、关门过程，调制频率为1Hz-100KHz；可饱和吸收体是利用材料的激发、跃迁特性，受激吸收时关门、向下跃迁时开门，以此完成对激光的开、关门控制，调制频率为1Hz-100KHz。
所述的冷却装置有两种方式：循环水冷却——晶体侧面均用带有管道的金属块包住，金属块的管道内持续通有循环冷却水，用来给晶体降低温度；半导体制冷——晶体侧面被半导体制冷块包围。
所述的KTA晶体的两端面均镀有1000nm-1100nm波长的增透膜。本发明中的所有晶体的长度均可以根据具体要求进行选取；晶体的端面形状和面积可以根据光束截面的面积来确定。
所述的谐振腔中的后腔镜镀有泵浦光波段的增透膜和对波长为1000nm-1100nm波段反射率大于95％的反射膜；输出镜镀有在1微米波段处反射率大于95％的反射膜，并且该膜对波长为1.09微米的光具有透过范围为3％～70％的透射率。
由于拉曼效应为三阶的非线性效应，需要基频光具有较高的峰值功率，所以我们在激光器中使用调Q装置，这样可以增加基频光的峰值功率，从而提高基频光到拉曼光的转换效率，有效的改善了激光器的性能。
激光器的工作流程如下：LD泵浦源发出的泵浦光耦合进入激光增益介质，当调Q装置的调Q开关关闭时，泵浦光转为反转粒子存储起来；当Q开关打开时，积攒的大量反转粒子瞬间通过受激辐射转为基频光；具有较高峰值功率的基频光经过KTA拉曼晶体，由受激拉曼散射转为拉曼光，并由输出镜输出。
本发明使用了一种新的拉曼晶体KTA，使用激光二极管LD泵浦源和激光增益介质，采用腔内拉曼的方式成功产生1.09微米激光，提供了一种新的高效率、高功率、体积小、稳定性好的全固体拉曼激光器。本发明激光头的体积可以做到10cm×10cm×20cm左右，拉曼光的输出功率大于1W，性能稳定。
(四)附图说明
图1是本发明激光器LD端面泵浦情况下直腔光路结构示意图，图2是本发明激光器LD侧面泵浦情况下直腔光路结构示意图，图3是本发明激光器LD端面泵浦情况下折叠腔的示意图。
其中：1.激光二极管LD，2.光纤，3.耦合透镜组，4.后腔镜，5.激光增益介质，6.调Q装置，7.KTA拉曼晶体，8.输出镜，9.冷却装置，10.LD侧面泵浦模块，11.折叠镜。
(五)具体实施方式
实施例1：
本发明激光器实施例1如图1所示，包括激光二极管LD1、光纤2、耦合透镜组3和谐振腔，谐振腔由后腔镜4和输出镜8组成，谐振腔中依次放置激光增益介质5掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)激光晶体、声光调Q开关6和KTA晶体7；由LD端面泵浦源产生的泵浦光耦合进入激光增益介质5，所产生的基频光通过KTA晶体7，由于KTA晶体7具有拉曼效应，因而会产生受激拉曼散射，产生拉曼光经输出镜8输出。KTA晶体7作为拉曼介质，可以有效的产生拉曼转换、获得1.09微米拉曼激光。上述Nd:YAG激光晶体5、声光调Q开关6和KTA晶体7侧面均用带有管道的金属块围住，金属块内的管道持续通有循环冷却水，用来给晶体降低温度，水温控制在20度。
所述的激光二极管LD1端面泵浦源是由波长为808nm附近的LD端面泵浦源(最高功率25W)及相应的光纤2(纤芯直径400微米，数值孔径0.22)和耦合透镜组3(1∶1成像，工作距离50mm)组成。
所述的激光晶体Nd:YAG晶体5的尺寸为φ4mm×5mm，其掺杂浓度为1-at.％两个端面均镀有808nm及1000nm-1100nm波长的增透膜(透过率大于99.8％)。
所述的声光调Q装置6由射频输入装置和调Q晶体组成，调Q晶体的长度为38mm，两端面均镀有对1000nm-1100nm波长的增透膜(透过率大于99.8％)；调制频率为25KHz，通过输入射频波改变调Q晶体的密度，来实现周期性改变激光谐振腔闽值的目的，起到调Q开关作用。
所述的砷酸钛氧钾KTA晶体7的尺寸为5×5×30mm3两端面均镀有对1000nm-1100nm波段的增透膜(透过率大于99.8％)，KTA晶体7做拉曼介质将基频光转换为拉曼光。其切割角度为θ＝90度，φ＝0度。
所述的后腔镜4的曲率半径为3000mm，镀有808nm泵浦光的增透膜和1000nm-1100nm波段的高反膜(反射率大于99.8％)。
所述的输出镜8镀有1微米附近波长的高反膜(反射率大于99.5％)，并且该膜对波长为1.09微米附近的光有13％的透过率。
所述的谐振腔腔长为92mm。
激光器的工作流程：LD发出808nm的泵浦光经光纤2和耦合透镜组3进入掺钕钇铝石榴石Nd:YAG晶体5，当声光调Q装置6关闭时，泵浦光转为反转粒子存储起来；当Q开关6打开时，积攒的大量反转粒子通过受激辐射瞬间转为1064.2nm基频光；具有较高峰值功率的基频光经过KTA晶体7时，由于受激拉曼散射的作用转为1091.5nm拉曼光，并由输出镜8输出。在输入LD功率为8.1W、重复频率为25kHz时，可以获得1.38W的拉曼光输出。
实施例2：
本发明装置实施例如图2所示，包括激光二极管LD侧面泵浦模块10和谐振腔，谐振腔由后腔镜4和输出镜8组成，谐振腔中依次放置激光增益介质5-即Nd:YAG激光晶体及LD侧泵模块10、声光调Q开关6和KTA晶体7；由LD侧面泵浦源产生的泵浦光耦合进入激光增益介质5，所产生的基频光通过KTA晶体7，由于KTA晶体7具有拉曼效应，因而会产生受激拉曼散射，产生拉曼光。KTA晶体7作为拉曼介质，可以有效的产生拉曼转换、获得1.09微米拉曼激光。上述调Q开关6、KTA晶体7侧面均用带有管道的金属块围住，金属块内的管道持续通有循环冷却水，用来给晶体降低温度，水温控制在20度。
所述的激光二极管LD侧面泵浦模块10是由波长为808nm附近的LD侧泵激光头(最高功率180W)、驱动电源和水冷箱组成的。
所述的掺钕钇铝石榴石Nd:YAG晶体5的尺寸为Φ3mm×68mm，其掺杂浓度为1-at.％两个端面均镀有1000nm-1100nm波段的增透膜(透过率大于99.8％)。
所述的声光调Q装置6由射频输入装置和调Q晶体组成，调Q晶体的长度为46mm，两端面均镀有对1000nm-1100nm波段的增透膜(透过率大于99.8％)；调制频率为10KHz，通过输入射频波改变调Q晶体的密度，来实现周期性改变激光谐振腔阈值的目的，起到调Q开关作用。
所述的砷酸钛氧钾KTA晶体7的尺寸为5×5×30mm3两端面均镀有对1000nm-1100nm波段的增透膜(透过率大于99.8％)，KTA晶体7做拉曼介质将基频光转换为拉曼光。其切割角度为θ＝90度，φ＝0度。
所述的后腔镜4的是平-凸镜，曲率半径为-800mm，镀有1000nm-1100nm波长的高反膜(反射率大于99.8％)。
所述的输出镜8是平面镜，镀有1微米附近波长的高反膜(反射率大于99.5％)，并且该膜对波长为1.09微米附近的光有13％的透过率。
所述的谐振腔腔长为180mm。
激光器的工作流程：LD侧面泵浦源发出808nm的泵浦光入射到掺钕钇铝石榴石Nd:YAG晶体5，当声光调Q装置6在关闭时，泵浦光转为反转粒子存储起来；当Q开关6打开时，积攒的大量反转粒子通过受激辐射瞬间转为1.064.2nm基频光；具有较高峰值功率的基频光经过KTA晶体7时，由于受激拉曼散射的作用转为1091.5nm拉曼光，并由输出镜8输出。在输入LD功率为100W、重复频率为10kHz时，可以获得3W的拉曼光输出。
实施例3：
与实施例1相同，只是所述的谐振腔为折叠腔，折叠镜11镀有对1000nm-1100nm波长的高反膜(反射率大于99.8％)，后腔镜4和折叠镜11间距60mm，折叠镜11和输出镜8间距40mm。
激光器的工作流程：LD端面泵浦源发出808nm的泵浦光经光纤2和耦合透镜组3进入Nd:YAG晶体5，当声光调Q装置6关闭时，泵浦光转为反转粒子存储起来；当Q开关6打开时，积攒的大量反转粒子通过受激辐射瞬间转为1064.2nm基频光；具有较高峰值功率的基频光经过KTA晶体7时，由于受激拉曼散射的作用转为1091.5nm拉曼光，并由输出镜8输出。在输入LD功率为8.1W、重复频率为20kHz时，可以获得1W的拉曼光输出。
实施例4：
与实施例1相同，只是所述的声光调Q装置6的射频波调制频率为40KHz；所述的后腔镜4的曲率半径为无穷大；所述的激光增益介质5是掺钕钒酸钇(Nd:YVO4)，其掺杂浓度为0.5％，尺寸为3mm×3mm×8mm。
激光器的工作流程：LD端面泵浦源发出808nm的泵浦光经光纤和耦合透镜进入Nd:YVO4晶体5，当声光调Q装置6关闭时，泵浦光转为反转粒子存储起来；当Q开关6打开时，积攒的大量反转粒子通过受激辐射瞬间转为1064.7nm基频光；具有较高峰值功率的基频光经过KTA晶体7时，由于受激拉曼散射的作用转为1092nm拉曼光，并由输出镜8输出。在输入LD功率为8.1W、重复频率为40kHz时，可以获得1W的拉曼光输出。
实施例5：
与实施例1相同，只是所述的激光增益介质5是键合掺钕钒酸钇(YVO4/Nd:YVO4)，其掺杂浓度为0.5％，尺寸为3mm×3mm×3mm(YVO4)+3mm×3mm×8mm(Nd:YVO4)。
激光器的工作流程：LD端面泵浦源发出808nm的泵浦光经光纤和耦合透镜进入Nd:YVO4晶体5，当声光调Q装置6关闭时，泵浦光转为反转粒子存储起来；当Q开关6打开时，积攒的大量反转粒子通过受激辐射瞬间转为1064.7nm基频光；具有较高峰值功率的基频光经过KTA晶体7时，由于受激拉曼散射的作用转为1092nm拉曼光，并由输出镜8输出。在输入LD功率为8.1W、重复频率为40kHz时，可以获得1.2W的拉曼光输出。
实施例6：
与实施例1相同，只是所述的调Q装置6为Cr4+:YAG可饱和吸收体被动Q开关，其小信号透过率为90％；所述的谐振腔的腔长为50mm。
激光器的工作流程：LD端面泵浦源发出808nm的泵浦光经光纤2和耦合透镜组3进入Nd:YVO4晶体5，当被动调Q开关6关闭时，泵浦光转为反转粒子存储起来；当Q开关6打开时，积攒的大量反转粒子通过受激辐射瞬间转为1064.7nm基频光；具有较高峰值功率的基频光经过KTA晶体7时，由于受激拉曼散射的作用转为1092nm拉曼光，并由输出镜8输出。在输入LD功率为8.1W时，可以获得0.6W的拉曼光输出。
实施例7：
与实施例1相同，只是谐振腔内依次放置激光增益介质5、KTA晶体7和声光调Q装置6。
激光器的工作流程：LD端面泵浦源发出808nm的泵浦光经光纤和耦合透镜进入Nd:YAG晶体5，当声光调Q开关6关闭时，泵浦光转为反转粒子存储起来；当Q开关6打开时，积攒的大量反转粒子通过受激辐射瞬间转为1064.2nm基频光；具有较高峰值功率的基频光经过KTA晶体7时，由于受激拉曼散射的作用转为1091.5nm拉曼光，并由输出镜8输出。在输入LD功率为8.1W、重复频率25kHz时，可以获得1W的拉曼光输出。
实施例8：
与实施例2相同，只是谐振腔内依次放置声光调Q装置6、LD侧泵模块10及激光增益介质5和KTA晶体7。
激光器的工作流程：LD端面泵浦源发出808nm的泵浦光经光纤和耦合透镜进入Nd:YAG晶体5，当声光调Q开关6关闭时，泵浦光转为反转粒子存储起来；当Q开关6打开时，积攒的大量反转粒子通过受激辐射瞬间转为1064.2nm基频光；具有较高峰值功率的基频光经过KTA晶体7时，由于受激拉曼散射的作用转为1091.5nm拉曼光，并由输出镜8输出。在输入LD功率为8.1W、重复频率10kHz时，可以获得3.5W的拉曼光输出。
实施例9：
与实施例2相同，只是谐振腔内依次放置LD侧泵模块10及激光增益介质5、KTA晶体7和声光调Q装置6。
Claims (10)
1.一种砷酸钛氧钾晶体全固体拉曼激光器，包括激光二极管LD泵浦源、谐振腔，谐振腔由后腔镜和输出镜组成，其特征在于谐振腔中放置激光增益介质、调Q装置和KTA晶体；激光增益介质、调Q装置和KTA晶体均由冷却装置对其进行温度控制；由激光二极管LD泵浦源产生的泵浦光耦合进入激光增益介质，所产生的基频光通过KTA晶体，由于KTA晶体具有拉曼效应，因而会产生受激拉曼散射，可以有效地产生拉曼转换、获得1.09微米拉曼激光，由输出镜输出。
2.如权利要求1所述的砷酸钛氧钾晶体全固体拉曼激光器，其特征在于所述的激光二极管LD泵浦源可以是LD端面泵浦源，它包括驱动电源、激光二极管、冷却装置、光纤和耦合透镜组；也可以是LD侧面泵浦源，它包括驱动电源、LD侧泵模块、冷却装置。
3.如权利要求1所述的砷酸钛氧钾晶体全固体拉曼激光器，其特征在于所述的谐振腔是直腔，也可以是折叠腔，腔长为5cm-50cm。
4.如权利要求1和2所述的砷酸钛氧钾晶体全固体拉曼激光器，其特征在于所述的谐振腔在LD端面泵浦情况下，谐振腔内的调Q开关和KTA晶体的相对位置可进行调换；在LD侧面泵浦情况下，谐振腔内的侧泵模块及激光增益介质、调Q开关、KTA晶体的相对位置可相互进行调换。
5.如权利要求1所述的砷酸钛氧钾晶体全固体拉曼激光器，其特征在于所述的激光增益介质可以是掺钕或掺镱的下列诸晶体中的一种：钇铝石榴石、钒酸钇、钒酸钆、钒酸镥、氟化钇锂、铝酸钇、钆镓石榴石、钨酸钆钾；也可以是键合晶体钇铝石榴石/掺钕钇铝石榴石、钒酸钇/掺钕钒酸钇诸晶体中的一种。
6.如权利要求1所述的砷酸钛氧钾晶体全固体拉曼激光器，其特征在于所述的激光增益介质的掺杂浓度当掺钕时为0.05-at.％至3-at.％；掺镱时为0.05-at.％至10-at.％。
7.如权利要求1所述的砷酸钛氧钾晶体全固体拉曼激光器，其特征在于所述的激光增益介质的两个端面均镀有对泵浦光波段及1000nm-1100nm波段的增透膜。
8.如权利要求1所述的砷酸钛氧钾晶体全固体拉曼激光器，其特征在于所述的调Q装置可以是电光调Q装置、声光调Q装置或可饱和吸收体被动调Q装置中的任意一种。
9.如权利要求1所述的砷酸钛氧钾晶体全固体拉曼激光器，其特征在于所述的KTA晶体的两端面均镀有1000nm-1100nm波长的增透膜。
10.如权利要求1所述的砷酸钛氧钾晶体全固体拉曼激光器，其特征在于所述的谐振腔中的后腔镜镀有泵浦光波段的增透膜和对波长为1000nm-1100nm波段反射率大于95％的反射膜；输出镜镀有在1微米波段处反射率大于95％的反射膜，并且该膜对波长为1.09微米的光具有透过范围为3％～70％的透射率。
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|---|---|---|---|
| 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 |
Open date: 20080813 |