CN101304152A - 耦合腔自拉曼倍频全固体黄光激光器 - Google Patents

耦合腔自拉曼倍频全固体黄光激光器 Download PDF

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CN101304152A CNA2008101380252A CN200810138025A CN101304152A CN 101304152 A CN101304152 A CN 101304152A CN A2008101380252 A CNA2008101380252 A CN A2008101380252A CN 200810138025 A CN200810138025 A CN 200810138025A CN 101304152 A CN101304152 A CN 101304152A
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丛振华
张行愚
王青圃
李述涛
陈晓寒
刘兆军
范书振
张琛
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Abstract

耦合腔自拉曼倍频全固体黄光激光器，包括激光二极管(LD)泵浦源、谐振腔，谐振腔由后腔镜、耦合镜和输出镜组成，其特征在于谐振腔中的后腔镜和耦合镜中间放置自拉曼晶体和调Q装置，耦合镜和输出镜中放置倍频晶体；自拉曼晶体、调Q装置和倍频晶体均由冷却装置对其进行温度控制。本发明激光器与背景技术中的相比具有体积小、输出功率和转换效率高，并且体积小、性能稳定、成本低，可广泛地应用于激光医疗领域。

Description

耦合腔自拉曼倍频全固体黄光激光器
(一)技术领域
本发明涉及一种固体激光器，特别是一种耦合腔自拉曼倍频全固体黄光激光器。
(二)背景技术
激光技术是二十世纪的重大发明之一，现已广泛用于工业生产、通讯、信息处理、医疗卫生、军事、文化教育以及科学研究等各个领域。随着半导体激光二极管技术的重大突破，固体激光器得到强劲的发展，其应用领域不断地扩展。利用LD泵浦的全固体激光器是一种高效、稳定、、光束质量好、长寿命、结构紧凑的第二代新型固体激光器，已成为激光学科的重点发展方向之一，在空间通讯，光纤通信，大气研究，环境科学，医疗器械，光学图象处理，激光打印机等高科技领域有着独具特色的应用前景。
黄光波段的激光可以治疗皮肤血管瘤、鲜红斑痣、毛细血管扩张、酒渣鼻及蜘蛛痣等，在激光医疗领域有广泛的应用。黄光激光可以作为钠信标光源，在军事、气象领域有重要应用。黄光激光器在光谱学、信息存储、激光雷达等领域也有广泛的应用。目前，由LD泵浦的全固化激光器通过腔内倍频产生红光、绿光、蓝光的研究已经比较成熟，但是，用LD泵浦的微型激光器产生黄光波段的激光比以上几个波段都困难，这是因为当前的激活离子没有足够大受激发射截面的谱线使得可以通过直接倍频产生黄光。
目前，国外已经有关于固体黄光激光器的报道。他们主要采用两种方式来实现：一是采用将两束光和频的方法(Intracavity sum-frequency generation of 3.23Wcontinuous-wave yellow light in an Nd:YAG laser，《Optics Communications》，Vol.255，2005，248-252)，二是使用倍频拉曼光的技术。和频的方法具有体积大，功率低，转换效率差，结构不稳定，难以实现等缺点；倍频拉曼光的方法比和频的方法简单，但是目前世界上多是采用腔外倍频拉曼光的方法(Low threshold，diode end-pumped Nd3+:GdVO4self-Ramanlaser，《Optical Materials》，Vol.29，2007，1817-1820)和腔内倍频连续拉曼光的方法(Efficient all-solid-state yellow laser source producing 1.2-W average power，《Optics Letters》，Vol.24，1999，1490-1492；All-solid-state 704mW continuous-waveyellow source based on an intracavity，frequency-doubled crystalline Raman laser，《Optics Letters》，Vol.32，2007，1114-1116)。腔外倍频拉曼光的方法由于腔外拉曼光的功率低导致倍频效率差，输出的黄光功率低；而腔内倍频连续拉曼光的方法则由于基频光的峰值功率低，转换成拉曼光的效率差，也不能获得高功率的黄光输出。
(三)发明内容
为克服现有技术的缺陷，以实现体积小、成本低、功率高、结构稳定的黄光激光器，本发明提供一种耦合腔自拉曼倍频全固体黄光激光器。
一种耦合腔自拉曼倍频全固体黄光激光器，包括激光二极管(LD)泵浦源、谐振腔，谐振腔由后腔镜、耦合镜和输出镜组成，其特征在于谐振腔中的后腔镜和耦合镜中间放置自拉曼晶体和调Q装置，耦合镜和输出镜中放置倍频晶体；自拉曼晶体、调Q装置和倍频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自拉曼晶体并转换成基频光，同时由于自拉曼晶体的拉曼效应转换为拉曼光，拉曼光在倍频晶体中完成倍频过程，产生黄光并由输出镜输出。
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侧面泵浦模块、冷却装置。
所述的谐振腔在LD端面泵浦情况下腔内的调Q开关、自拉曼晶体的相对位置可相互调换；在LD侧面泵浦情况下谐振腔内的侧面泵浦模块及自拉曼晶体和调Q开关的相对位置可相互调换。
所述的自拉曼晶体可以是掺钕(Nd)或掺镱(Yb)的下列晶体的一种：钨酸盐类(KGd(WO4)2，BaWO4，SrWO4，Pb(WO4)2、KLu(WO4)2等)、钒酸盐类(YVO4，GdVO4等)、硝酸盐类(Ba(NO3)2等)、碘酸盐类(LiIO3等)；也可以是键合晶体钒酸钇/掺钕钒酸钇(YVO4/Nd:YVO4)。
所述的自拉曼晶体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.％。
所述的自拉曼晶体在LD端面泵浦情况下，其两个端面均镀有泵浦光波段及1000nm-1200nm波段的增透膜；在LD侧面泵浦情况下，其两个端面均镀有1000nm-1200nm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装置和可饱和吸收体被动调Q装置中的一种；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-1200nm波段的增透膜；调制频率为1-50KHz，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；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。
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。
所述的倍频晶体可以是磷酸钛氧钾KTP、三硼酸锂LBO等；倍频晶体的两端镀有1000nm-1200nm波段的增透膜。倍频晶体可根据相位匹配及其他需要沿不同方向和角度切割，这样可以有效的改善激光器的性能，提高激光器的输出功率。
所述的谐振腔内的后腔镜在LD端面泵浦时镀有泵浦光波长的增透膜和对1000nm-1200nm波段的反射率大于90％的反射膜；在LD侧面泵浦时镀有对1000nm-1200nm波段的反射率大于90％的反射膜；耦合镜的两端面均镀有在1000nm-1200nm波段透过率大于80％的透射膜，并且其前端面还镀有对590nm波长附近反射率大于90％的反射膜(离输出镜近的一端为前端面)；输出镜镀有在1000nm-1200nm波段反射率大于90％的反射膜，并且该膜对590nm附近的黄光具有透过范围大于80％的透射率。
所述的谐振腔的腔长为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。
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。
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。通过采用调Q技术并在腔内使用倍频晶体倍频拉曼光，获得了高功率的黄光输出。该类激光器能有效的压缩黄光激光器体积，能充分利用基频调Q脉冲的高的峰值功率和腔内拉曼光高的功率密度，提高了激光器的稳定性，降低了成本，并具有高的平均输出功率和转换效率。
激光器的工作流程如下：LD泵浦系统发出的泵浦光耦合进入自拉曼晶体，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，同时由于自拉曼晶体的拉曼效应，基频光在自拉曼晶体出转换为拉曼光；拉曼光在倍频晶体处完成倍频过程转为黄光，并由输出镜输出。
本发明使用一块自拉曼晶体既做激光增益介质又做拉曼介质，采用耦合腔型自拉曼的方法，采用了调Q技术，并在腔内使用倍频晶体倍频拉曼光，充分利用了基频调Q脉冲的高峰值功率和腔内拉曼光的高功率密度，并利用折叠腔提高了倍频效率，获得了黄色激光，改善了激光器的性能，成功解决了上述激光器的各种缺点，提供了一种新的小体积，稳定性好的全固体黄光激光器。本发明激光器与背景技术中的相比具有更高的输出功率和转换效率，并且体积小、性能稳定、成本低。
(四)附图说明
图1是本发明激光器LD端面泵浦源的光路结构示意图，图2是本发明激光器LD侧面泵浦源的光路结构示意图。
其中：1.激光二极管，2.光纤，3.耦合透镜，4.后腔镜，5.自拉曼晶体，6.调Q装置，7.耦合镜，8.倍频晶体，9.输出镜，10.LD侧面泵浦模块，11.冷却装置。
(五)具体实施方式
实施例1：
本发明实施例1如图1所示，包括激光二极管LD端面泵浦源、谐振腔；谐振腔由后腔镜4、耦合镜7和输出镜9组成，自拉曼介质5选掺钕钒酸钆Nd:GdV04晶体，调Q装置6为声光调Q装置，倍频晶体8选用磷酸钛氧钾KTP晶体。后腔镜和耦合镜中依次放置自拉曼介质5和声光调Q装置6，耦合镜和输出镜中放置倍频晶体8磷酸钛氧钾KTP晶体；自拉曼晶体5、声光调Q装置6和倍频晶体8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。
泵浦源包括激光二极管1、光纤2和耦合透镜3，泵浦光经光纤2和耦合透镜3进入谐振腔；泵浦源的输出波长为808nm，最大泵浦功率为30W，光纤的纤芯半径为400μm，数值孔径为0.22。
谐振腔的腔长为14cm。
自拉曼晶体5掺钕钒酸钆Nd:GdVO4晶体，尺寸为3×3×15mm3，掺杂浓度为0.2-at.％，沿物理学定义的c轴方向切割，晶体的两端面均镀有808nm和1000nm-1200nm波段的增透膜(透过率大于99.8％)；作用是产生基频光并通过受激拉曼散射的作用将基频光转换为拉曼光。
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35mm，两端面均镀有1000nm-1200nm波段的增透膜(透过率大于99.8％)；调制频率为15KHz，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。
倍频晶体8磷酸钛氧钾KTP晶体，尺寸为3×3×6mm3，晶体的两端面均镀有1000nm-1200nm波段的增透膜(透过率大于99.8％)，并且对587nm波长的光高透(透过率大于92％)；为了满足晶体在20度时的相位匹配条件，我们将KTP晶体沿θ＝68.7度，φ＝0度角度切割。
后腔镜4为凹面镜，曲率半径为3000mm，镀有808nm波长的增透膜和1000nm-1200nm波段的高反膜(反射率大于99.5％)。
输出镜9为平镜，镀有1000nm-1200nm波长的高反膜(对1064nm波长的反射率R＞99.8％，对1180nm波长的反射率R＝90.8％)，并且该膜对波长为590nm的光高透(T＝90％)。
耦合镜7为平镜，两端面均镀有1000nm-1200nm波长的高透膜(对1064nm波长的透射率T＞99.8％，对1180nm波长的透射率T＝95％)，并且前端面还镀有590nm波长的高反膜(离输出镜近的一端为前端面，反射率R＝96％)。
激光器的工作流程：激光二极管1发出808nm波长的泵浦光经光纤2和耦合透镜3进入掺钕钒酸钆Nd:GdVO4晶体中，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开光打开时，积攒的大量反转粒子通过受激辐射瞬间转为1063nm基频光；具有较高峰值功率的基频光在掺钕钒酸钆Nd:GdVO4晶体处，由于受激拉曼散射的作用转为1173nm拉曼光，在KTP倍频晶体8处由于倍频效应转换为587nm黄光，并由输出镜9输出。
实施例2：
本发明实施例2如图2所示，包括激光二极管LD侧面泵浦模块10、谐振腔；谐振腔由后腔镜4、耦合镜7和输出镜9组成，自拉曼晶体5为掺钕钨酸钡Nd:BaWO4晶体，调Q装置6是声光调Q装置，倍频晶体8选用磷酸钛氧钾KTP晶体。后腔镜和耦合镜中放置LD侧面泵浦模块10及自拉曼晶体5和声光调Q装置6，耦合镜7和输出镜9中放置倍频晶体8；上述晶体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。
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。
谐振腔的腔长为15cm。
自拉曼晶体5掺钕钨酸钡Nd:BaWO4晶体，尺寸为5×5×46.6mm3，掺杂浓度为1-at.％，两个端面均镀有1000nm-1200nm波段的增透膜(透过率大于99.8％)。
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35mm，两端面均镀有1000nm-1200nm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。
倍频晶体8磷酸钛氧钾KTP晶体，尺寸为3×3×6mm3，晶体的两端面均镀有1000nm-1200nm波段的增透膜(透过率大于99.8％)，并且对587nm波长的光高透(透过率大于92％)；为了满足晶体在温度为20度时的相位匹配条件，我们将KTP晶体沿θ＝68.7度，φ＝0度角度切割。
后腔镜4为薄凸透镜，曲率半径为800mm，镀有1000nm-1200nm波段的高反膜(反射率大于99.5％)。
输出镜9为平镜，镀有1000nm-1200nm波长的高反膜(对1064nm波长的反射率R＞99.8％，对1180nm波长的反射率R＝90.8％)，并且该膜对波长为590nm的光高透(T＝90％)。
耦合镜7为平镜，两端面均镀有1000nm-1200nm波长的高透膜(对1064nm波长的透射率T＞99.8％，对1180nm波长的透射率T＝95％)，并且前端面还镀有590nm波长的高反膜(离输出镜近的一端为前端面，反射率R＝96.5％)。
激光器的工作流程：LD侧面泵浦源发出808nm波长的泵浦光耦合进入掺钕钨酸钡Nd:BaWO4晶体中，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开光打开时，积攒的大量反转粒子通过受激辐射瞬间转为1064nm基频光；具有较高峰值功率的基频光在自拉曼晶体处由于受激拉曼散射的作用转为1180nm拉曼光，在KTP倍频晶体798处由于倍频效应转换为590nm黄光，并由输出镜9输出。
实施例3：
与实施例1相同，只是所述的自拉曼晶体5为掺钕钒酸钇Nd:YVO4晶体，尺寸为3×3×15mm3，沿物理学定义的c轴方向切割，晶体的两端面均镀有1000nm-1200nm波段的增透膜(透过率大于99.8％)，晶体掺杂浓度为1.2-at.％。后腔镜4和耦合镜7中依次放置声光调Q装置6和自拉曼晶体5，耦合镜7和输出镜9中放置倍频晶体8磷酸钛氧钾KTP晶体，谐振腔的腔长为13cm。
实施例4：
与实施例1相同，只是所述的自拉曼晶体5为掺钕钨酸镥钾Nd:KLu(WO4)2晶体，尺寸为3×3×16mm3，晶体的两端面均镀有1000nm-1200nm波段的增透膜(透过率大于99.8％)，晶体的掺杂浓度为2-at.％；后腔镜4和耦合镜7中依次放置自拉曼晶体5和声光调Q装置6，耦合镜7和输出镜9中放置倍频晶体8磷酸钛氧钾KTP晶体，谐振腔的腔长为15cm。
实施例5：
与实施例1相同，只是所述的自拉曼晶体5为掺钕钨酸锶Nd:SrWO4晶体，尺寸为4×4×35mm3，晶体的掺杂浓度为0.8-at.％，晶体的两端面均镀有1000nm-1200nm波段的增透膜(透过率大于99.8％)。后腔镜4和耦合镜7中依次放置自拉曼晶体5和声光调Q装置6，耦合镜7和输出镜9中放置倍频晶体8三硼酸锂LBO晶体，谐振腔的腔长为16cm。调Q开关为声光调Q，调制频率为20KHz。
实施例6：
与实施例1相同，只是所述的自拉曼晶体6为掺钕钨酸铅Nd:PbWO4晶体，尺寸为3×3×16mm3，晶体的两端面均镀有1000nm-1200nm波段的增透膜(透过率大于99.8％)，晶体的掺杂浓度为1.8-at.％。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％，晶体的两端面均镀有1000nm-1200nm波段的增透膜(透过率大于99.8％)；后腔镜4和耦合镜7中依次放置自拉曼晶体5和声光调Q装置6，耦合镜7和输出镜9中放置倍频晶体8磷酸钛氧钾KTP晶体，谐振腔的腔长为13cm。
实施例7：
与实施例2相同，只是所述的自拉曼晶体5为掺钕钨酸钆钾Nd:KGd(WO4)2晶体，尺寸为4×4×35mm3，晶体的两端面均镀有1000nm-1200nm波段的增透膜(透过率大于99.8％)，晶体的掺杂浓度为1.5-at.％；所述的倍频晶体8为三硼酸锂LBO晶体，晶体的两端面均镀有1000nm-1200nm波段的增透膜(透过率大于99.8％)。后腔镜4和耦合镜7中依次放置声光调Q装置6和LD侧面泵浦模块10及自拉曼晶体5，耦合镜7和输出镜9中放置倍频晶体8磷酸钛氧钾KTP晶体，谐振腔的腔长为16cm。调Q开关为声光调Q，调制频率为10KHz。
实施例8：
与实施例1相同，只是所述的自拉曼晶体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)，晶体的两端面均镀有808nm波长和1000nm-1200nm波段的增透膜(透过率大于99.8％)。后腔镜4和耦合镜7中依次放置自拉曼晶体5和声光调Q装置6，耦合镜7和输出镜9中放置倍频晶体8磷酸钛氧钾KTP晶体，谐振腔的腔长为16cm。
实例9：
与实施例1相同，只是所述的自拉曼晶体5为掺镱钒酸钆Yb:6dVO4晶体，尺寸为5×5×1mm3，掺杂浓度为3-at.％；晶体的两端面均镀有1000nm-1200nm波段的增透膜(透过率大于99.8％)；泵浦源的输出波长为940nm，光纤的纤芯半径为100μm。后腔镜4和耦合镜7中依次放置自拉曼晶体5和声光调Q装置6，耦合镜7和输出镜9中放置倍频晶体8磷酸钛氧钾KTP晶体，谐振腔的腔长为18cm。
上述九个实施例中的所有晶体均经过水冷却装置11控温，水温为20度。

Claims (10)

1.一种耦合腔自拉曼倍频全固体黄光激光器，包括谐振腔、激光二极管泵浦源，谐振腔由后腔镜、耦合镜和输出镜组成，其特征在于谐振腔中的耦合镜和输出镜中放置倍频晶体，后腔镜和耦合镜中间放置自拉曼晶体和调Q装置；自拉曼晶体、调Q装置和倍频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自拉曼晶体并转换成基频光，同时由于自拉曼晶体的拉曼效应转换为拉曼光，拉曼光在倍频晶体中完成倍频过程，产生黄光并由输出镜输出。
2.如权利要求1所述的耦合腔自拉曼倍频全固体黄光激光器，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侧面泵浦模块、冷却装置。
3.如权利要求1所述的耦合腔自拉曼倍频全固体黄光激光器，其特征在于所述的谐振腔的腔长为5cm-50cm。
4.如权利要求1所述的耦合腔自拉曼倍频全固体黄光激光器，其特征在于所述的谐振腔在LD端面泵浦情况下腔内的调Q开关、自拉曼晶体的相对位置可相互调换；在LD侧面泵浦情况下谐振腔内的侧面泵浦模块及自拉曼晶体和调Q开关的相对位置可相互调换。
5.如权利要求1所述的耦合腔自拉曼倍频全固体黄光激光器，其特征在于所述的自拉曼晶体可以是掺钕或掺镱的下列晶体的一种：钨酸盐类、钒酸盐类、硝酸盐类、碘酸盐类；也可以是键合晶体钒酸钇/掺钕钒酸钇。
6.如权利要求1或5所述的耦合腔自拉曼倍频全固体黄光激光器，其特征在于所述的自拉曼晶体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所述的耦合腔自拉曼倍频全固体黄光激光器，其特征在于所述的自拉曼晶体在LD端面泵浦情况下，其两个端面均镀有泵浦光波段及1000nm-1200nm波段的增透膜；在LD侧面泵浦情况下，其两个端面均镀有1000nm-1200nm波段的增透膜。
8.如权利要求1所述的耦合腔自拉曼倍频全固体黄光激光器，其特征在于所述的谐振腔内的后腔镜在LD端面泵浦时镀有泵浦光波长的增透膜和对1000nm-1200nm波段的反射率大于90％的反射膜；在LD侧面泵浦时镀有对1000nm-1200nm波段的反射率大于90％的反射膜；耦合镜的两端面均镀有在1000nm-1200nm波段透过率大于80％的透射膜，并且其前端面还镀有对590nm波长附近反射率大于90％的反射膜；输出镜镀有在1000nm-1200nm波段反射率大于90％的反射膜，并且该膜对590nm附近的黄光具有透过范围大于80％的透射率。
9.如权利要求1所述的耦合腔自拉曼倍频全固体黄光激光器，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装置和可饱和吸收体被动调Q装置中的一种。
10.如权利要求1所述的耦合腔自拉曼倍频全固体黄光激光器，其特征在于所述的倍频晶体可以是磷酸钛氧钾KTP、三硼酸锂LBO中的一种；倍频晶体的两端镀有1000nm-1200nm波段的增透膜。
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