CN101527425A - 钨酸钡晶体全固态连续拉曼激光器 - Google Patents
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Abstract
钨酸钡晶体全固态连续拉曼激光器，采用钨酸钡晶体作为拉曼介质，放置在激光谐振腔中，对激光增益介质产生的基频光进行腔内拉曼转换，获得连续运转1180nm的拉曼激光输出；所述激光增益介质为Nd:YVO4晶体或掺杂Nd3+、Yb3+、Pr3+的其它激光晶体。本发明结构简单紧凑，能够克服连续运转模式下拉曼阈值高和热效应严重的不利影响，获得光束质量好，实现低阈值、高功率、高效率、高稳定性的连续拉曼激光输出，在医疗、气象、海事、军事、航空和科学研究等领域具有很高的应用价值；通过选择不同激光增益介质对不同的基波进行频率转换，能够获得不同波长的连续拉曼激光输出。
Description
技术领域
本发明属于激光器技术领域，涉及拉曼激光器，具体为一种钨酸钡晶体全固态连续拉曼激光器。
背景技术
固体拉曼激光器基于受激拉曼散射(SRS)效应，能够获得固体激光器不能直接发射的波长。与传统液体和气体受激拉曼材料相比，固体拉曼材料具有优良的机械和化学稳定性，寿命长、增益高、热导率高，可以高频率工作。它所产生的拉曼激光通过倍频技术又可以得到黄光波段的激光输出，黄光波段的激光接近人眼最敏感的波长(555nm)，适合于激光显示和照明，特别是在有雾气情况下的大地测量以及各种准直场合有特殊的用途。黄光激光在医学、天文、分子生物学、化学等多个领域有着广泛应用。目前黄光激光器已经成为可见光激光器的研究热点。
到目前为止，连续波拉曼转换只在YVO4，GdVO4，PbWO4和KGd(WO4)2这几种晶体中成功实现。其中，钒酸盐GdVO4和YVO4晶体是广泛使用的激光增益介质，它们具有极好的热性能和较高的拉曼增益系数(～4.5cm/GW)，但是大尺寸的这种晶体却很难生长，因此更适合作为自拉曼转换介质，这已由V.N.Burakevich和P.Dekker等人分别实现[Diode-pumped continuous-wave Nd:YVO4 laser with self-frequency Raman conversion，Appl.Phys.B 86，511(2007)]，[Continuous-wave，intracavity doubled，self-Raman laseroperation in Nd:GdVO4at 586.5nm，Opt.Express 15，7038(2007)]。2005年，二极管泵浦的连续波Nd:KGd(WO4)2的自拉曼激光器也由A.A.Demidovich等成功实现[Continuous-wave Raman generation in a diode-pumped Nd3+:KGd(WO4)2laser，Opt.Lett.30，1701(2005).]。这里KGW晶体也是一种优良的拉曼晶体，具有较好的热性能和中等的拉曼增益系数(～3.5cm/GW)，并且大尺寸晶体的生长也较容易，所以它既适合用做自拉曼转换也适合腔内拉曼转换。
对于连续运转方式，激光器的热效应比较严重，对输出激光功率和光束质量有很大影响。与自拉曼激光器相比，腔内拉曼转换激光器中由于采用激光与拉曼晶体分离的技术路线而大大减轻了热负荷，并且还具有激光和拉曼晶体中的模式尺寸可分别灵活优化的优点。2005年，H.M.Pask等在二极管泵浦的Nd:YAG激光腔中利用KGW晶体成功实现了连续波腔内拉曼转换，得到了800mW连续1176nm波长激光输出[Continuous-wave，all-solid-state，intracavity Raman laser，Opt.Lett.30，2454(2005).]。随后在2006年，V.A.Orlovich等在二极管泵浦的Nd:YVO4激光腔中通过PbWO4晶体也成功实现了连续波拉曼转换[Continuous-wave intracavity Raman generation in PbWO4 crystal in Nd:YVO4 laser，Laser Phys.Lett.3，71(2006).]。PbWO4晶体也具有较好的拉曼性能，其拉曼增益系数(～3.1cm/GW)很接近KGW，但其综合性能却不够优良。2007年，P.Dekker等又利用Nd:GdVO4作为激光晶体，同样通过KGd(WO4)2拉曼转换得到了1.56W连续1176nm波长激光输出，并通过LBO腔内倍频获得了704mW的588nm黄光激光连续输出[All-solid-state 704mW continuous-wave yellow source based on an intracavity，frequency-doubled crystalline Raman laser，Opt.Lett.32，1114(2007)]。实验中，当泵浦功率大于18W时严重的热透镜效应限制了拉曼输出功率的进一步提高。
以往由于达到拉曼阈值所需的功率密度较高，激光二极管端面泵浦的固体拉曼激光器大多是运转在脉冲工作模式下的，但是脉冲光是无法满足目前各个领域的使用需求的，而目前国内外已有的关于连续波腔内拉曼激光器的报道，都是采用YVO4，GdVO4，PbWO4和KGd(WO4)2晶体作为拉曼介质。这些拉曼晶体的拉曼增益系数都在5cm/GW左右，实验中获得的拉曼阈值较高，转换效率较低，当泵浦功率较高时严重的热透镜效应导致激光腔不稳定，限制了拉曼输出功率的进一步提高，其效果仍有待改进。
发明内容
本发明要解决的问题是：现有的拉曼激光器多工作在脉冲波模式下，无法满足使用需求，而目前研究的连续波的拉曼激光器，其效果仍有待改进；需要一种结构简单紧凑的连续运转的全固态拉曼激光器，降低连续拉曼激光器的阈值，提高拉曼转换效率。
本发明的技术方案为：钨酸钡晶体全固态连续拉曼激光器，包括二极管激光端面泵浦系统、由镀膜的激光输入腔镜和输出腔镜构成的激光谐振腔，激光增益介质和拉曼介质设置在激光谐振腔内，采用钨酸钡晶体作为拉曼介质，放置在激光谐振腔中，对激光增益介质产生的基频光进行腔内拉曼转换，获得连续运转1180nm的拉曼激光输出；所述激光增益介质为Nd:YVO4晶体或掺杂Nd3+、Yb3+、Pr3+的其它激光晶体，产生1.34μm或1.06μm波长附近的基频激光振荡，输出腔镜对基频光和拉曼激光均高反，基频光的反射率要高于拉曼激光的反射率。
作为一种改进，在激光谐振腔内拉曼介质和输出腔镜之间设有一个倍频晶体，激光增益介质产生的基频光入射拉曼介质后产生拉曼激光，拉曼激光入射倍频晶体，产生倍频黄光，倍频黄光和拉曼激光的谐振腔都嵌套在激光谐振腔中，输出腔镜对基频光和拉曼激光均高反，对倍频光部分透射，最终由输出腔镜获得黄光输出。
作为在上述技术方案上的改进，在拉曼晶体和倍频晶体之间还设有一个腔镜，腔镜面向拉曼晶体的面对基频光和拉曼光高透，面向倍频晶体的面对基频光和拉曼光高透、对倍频黄光高反；激光增益介质产生的基频光入射拉曼介质后产生拉曼激光，拉曼激光经过腔镜入射倍频晶体，产生倍频黄光，拉曼激光的谐振腔嵌套在激光谐振腔中，倍频黄光的谐振腔由腔镜和输出腔镜构成，输出腔镜对基频光和拉曼激光均高反，对倍频光部分透射，最终经输出腔镜获得黄光输出。
本发明在激光谐振腔内放置独立的激光增益晶体和拉曼介质钨酸钡(BaWO4)晶体，在连续运转的激光器中得到拉曼激光输出。以二极管激光端面泵浦系统做泵浦源，泵浦激光增益介质产生1064nm或1342nm基频光振荡，激光增益介质为Nd:YVO4晶体，也包括掺杂Nd3+的其它激光晶体，如Nd:YAP，Nd:YAG，Nd:GdVO4，Nd:GdYVO4等，和掺杂其它稀土离子，如Yb3+:YAG，Pr3+:YVO4等的激光晶体，基频光通过BaWO4晶体实现拉曼频移。本发明能够克服连续运转模式下拉曼阈值高和热效应严重的不利影响，实现低阈值、高功率、高效率、高稳定性的连续拉曼激光输出。
本发明可以采用不同基质的掺Nd3+激光晶体，或掺杂不同的稀上离子产生不同波长的基波，通过BaWO4晶体，对基频光进行频率变换，结合腔内倍频技术最终可获得高效、优质的连续拉曼激光或黄光输出。
本发明在医疗、气象、海事、军事、航空和科学研究等领域具有很高的应用价值。
本发明的优越性：
1.固体拉曼激光器以其小型、高效、稳定、长寿、全固态、启动快、便携式等众多优点而在医学、气象、海事、军事、航空等领域备受关注，具有非常好的应用前景，本发明提供了一种小型全固态连续拉曼激光器，具有其他连续激光器所没有的高效、稳定、阈值低、结构紧凑、光束质量好等优点，可以完善应用于多种场合；
2.本发明采用的BaWO4晶体克服了连续运转模式下拉曼阈值高和热效应对输出功率的限制，而且制作工艺成熟，成本较低，可以实现低阈值、转化效率高、性能稳定、功率高的连续拉曼激光及黄光输出；
3.本发明采用的激光增益晶体Nd:YVO4具有优异的激光性能，如吸收系数大，吸收带宽宽，受激发射截面大，输出为线偏振光等。该晶体在4F3/2→4I11/2和4F3/2→4I13/2的跃迁都具有较大的发射截面。本发明采用的结构设计不仅适用于掺Nd3+激光晶体，而且适用于很多其它掺杂的激光晶体，只要相应改变泵浦波长、输入腔镜和输出腔镜的镀膜参数，就可以实现相应的拉曼频移激光输出；
4.本发明采用的腔内拉曼转换设计，充分利用腔内高功率密度，有效降低了拉曼阈值，且通过对激光和拉曼晶体中激光腔模尺寸的分别优化实现了阈值低、转化效率高、光束质量好、功率高的连续拉曼激光输出。
本发明可以作为一个单元器件，通过选择不同激光增益介质对不同的基波进行频率转换，能够获得不同波长的连续拉曼激光输出。本发明是结构简单紧凑、高效的全固态连续拉曼激光器，获得光束质量好、阈值低、功率高的连续拉曼激光输出。
附图说明
图1为本发明一种实施方式的结构示意图。
图2为本发明第二种实施方式的结构示意图。
图3为本发明第三种实施方式的结构示意图。
图4为本发明采用的BaWO4晶体的拉曼光谱。
图5为本发明实施例1产生的拉曼激光光谱图。
图6为实施例1的拉曼输出功率的波动图。
具体实施方式
下面结合附图具体说明本发明。
本发明所提供的钨酸钡晶体全固态连续拉曼激光器的一种实施方式，如图1，使用的光学元件和材料有：用于侧面或端面泵浦的二极管激光器，由镀膜的激光输入腔镜1和输出腔镜4构成的激光谐振腔，激光增益介质2和拉曼介质3设置在激光谐振腔内。激光增益介质2产生基频光，通过拉曼介质3产生拉曼频移，这里是使用两镜腔，基频光和拉曼激光在同一个谐振腔中振荡，由输出腔镜4获得最终连续拉曼激光输出。采用钨酸钡晶体作为拉曼介质3，对激光增益介质2产生的基频光进行腔内拉曼转换，获得连续运转1180nm的拉曼激光输出；所述激光增益介质2为Nd:YVO4晶体或掺杂Nd3+、Yb3+、Pr3+的其它激光晶体，产生1.34μm或1.06μm波长附近的基频激光振荡。输出腔镜4对基频光和拉曼激光均高反，基频光的反射率要高于拉曼激光的反射率。
本发明的第二种实施方式如图2，腔内倍频钨酸钡晶体连续黄光激光器，使用的光学元件和材料有：用于端面或侧面泵浦的二极管激光器，镀膜的激光输入腔镜1和输出腔镜4，一个独立的激光增益介质2；一个独立的拉曼介质3；拉曼介质3和输出腔镜4之间设有一个倍频晶体5，激光增益介质2产生的基频光入射拉曼介质3后产生拉曼激光，拉曼激光入射倍频晶体5，产生倍频黄光，倍频黄光和拉曼激光的谐振腔都嵌套在激光谐振腔中，输出腔镜4对基频光和拉曼激光均高反，对倍频光部分透射，最终由输出腔镜4获得黄光输出。
本发明的第三种实施方式如图3，使用的光学元件和材料有：用于端面或侧面泵浦的二极管激光器，镀膜的激光输入腔镜1和输出腔镜4，一个独立的激光增益介质2；一个独立的拉曼介质3；拉曼介质3和输出腔镜4之间设有一个倍频晶体5，在拉曼晶体3和倍频晶体5之间还设有一个腔镜6，腔镜6面向拉曼晶体3的面a对基频光和拉曼光高透，面向倍频晶体5的面b对基频光和拉曼光高透、对倍频黄光高反；激光增益介质2产生的基频光入射拉曼介质3后产生拉曼激光，拉曼激光经过腔镜6入射倍频晶体5，产生倍频黄光，拉曼激光的谐振腔嵌套在激光谐振腔中，倍频黄光的谐振腔由腔镜6和输出腔镜4构成，输出腔镜4对基频光和拉曼激光均高反，对倍频光部分透射，最终经输出腔镜4获得黄光输出。
下面用具体实施例说明本发明，使用Coherent公司的FAP系统作为泵浦源，输出尾纤芯径为800μm，通过1:1的耦合系统从一端抽运激光晶体。抽运光的中心波长为808nm，输出功率在1～30W之间可调；实验所用BaWO4晶体的拉曼光谱如图4所示，其中最强的Raman峰在926cm-1，可将1064nm的基频光转换到1180nm。另外图中798cm-1及332cm-1的Raman峰也很强，通过改变腔镜的镀膜参数，也可以用来实现相应波长的拉曼频移激光输出。
实施例1
按照图1制作一台结构简单紧凑的钨酸钡晶体全固态连续拉曼激光器。用于侧面或端面泵浦的二极管激光器，一个平面镜，对808nm波长泵浦光高透，对1064nm和1180nm波长激光高反，作为输入腔镜1；Nd3+:YVO4晶体为激光增益介质2；BaWO4晶体为拉曼介质3；一个平凹镜，对1064nm和1180nm波长激光均高反，基频光的反射率要高于拉曼光的反射率，为激光器的输出腔镜4。808nm的激光二极管泵浦Nd3+:YVO4晶体产生1064nm波长的激光，通过拉曼增益介质BaWO4晶体产生拉曼频移，从1064nm基频光转换到1180nm波长的拉曼激光，这里是使用两镜腔，1064nm和1180nm波长激光在同一个谐振腔中得到，由输出腔镜4获得1180nm激光输出。产生的拉曼激光光谱如图5所示。测得的拉曼阈值为3.6W，低于目前报道过的研究工作中的值。在泵浦功率25.5W时，得到3.36W的最大连续拉曼激光输出功率，光光转换效率达到13.2％，斜率效率为15.3％，远远高于现有研究工作中所得到的结果。激光输出具有很好的稳定性，最大拉曼输出功率的波动不超过1.1％，如图6所示。且在最大泵浦功率时也没有观察到激光输出饱和现象。
实施例2
按照图2制作一台腔内倍频钨酸钡晶体连续黄光拉曼激光器。用于侧面或端面泵浦的二极管激光器，一个平面镜，对808nm波长泵浦光高透，对1064nm和1180nm波长激光都高反，作为输入腔镜1；Nd3+:YVO4晶体为激光增益介质2；BaWO4晶体为拉曼介质3；倍频LBO晶体为倍频晶体5；一个平凹镜，对1064nm和1180nm波长激光都高反，对倍频光590nm部分透射，为激光器的输出腔镜4。808nm的激光二极管泵浦Nd3+:YVO4晶体产生1064nm波长的激光，通过BaWO4拉曼晶体产生拉曼频移，从1064nm基频光转换到1180nm波长的拉曼激光，再通过倍频LBO晶体产生590nm黄光输出，这里1180nm和590nm谐振腔嵌套在1064nm谐振腔中，经输出腔镜4获得黄光590nm激光输出。在泵浦功率25.5W时，得到大于2W的连续黄光输出功率。
实施例3
按照图3制作一台腔内倍频钨酸钡晶体连续黄光拉曼激光器。用于侧面或端面泵浦的二极管激光器，一个平面镜，对808nm波长泵浦光高透，对1064nm和1180nm波长激光都高反，作为输入腔镜1；Nd3+:YVO4晶体为激光增益介质2；BaWO4晶体为拉曼介质3；一个平面镜作为腔镜6，面向拉曼晶体3的面a对1064nm基频和1180nm拉曼光高透，面向倍频晶体5的面b对590nm倍频光高反、对1064nm基频和1180nm拉曼光高透；倍频LBO晶体为倍频晶体5；个平凹镜，对1064nm和1180nm波长激光高反，对590nm波长激光部分透射，为激光器的输出腔镜4。808nm的激光二极管泵浦Nd3+:YVO4晶体产生1064nm波长的激光，通过BaWO4晶体产生拉曼频移，从1064nm基频光转换到1180nm波长的拉曼激光，这里使用三镜腔，即输入腔镜1、腔镜6和输出腔镜4，1180nm谐振腔嵌套在由输入腔镜1和输出腔镜4组成的1064nm谐振腔中，腔镜6和输出腔镜4构成590nm倍频黄光激光腔，经输出腔镜4获得590nm波长黄光激光输出。
在上述实施例中，激光增益介质为Nd:YVO4晶体，也可替换为掺杂Nd3+的其它激光晶体，如Nd:YAP，Nd:YAG，Nd:GdVO4，Nd:GdYVO4等，或掺杂其它稀土离子Yb3+、Pr3+，如Yb3+:YAG，Pr3+:YVO4等的激光晶体，只需根据所用激光晶体对应改变泵浦波长、输入腔镜和输出腔镜的镀膜参数，即可得到所需的输出，根据激光晶体选择泵浦波长为现有技术，不再详述。
综上所述，通过选择不同激光增益介质对不同的基波进行频率转换，改变输入腔镜和输出腔镜的镀膜参数对透过光进行选择，能够获得不同波长的连续拉曼激光输出。本发明是一种结构简单紧凑、高效的全固态连续拉曼激光器，与已有的激光器相比，能获得光束质量好、阈值低、功率高的连续拉曼激光输出。
Claims (3)
1、钨酸钡晶体全固态连续拉曼激光器，包括二极管激光端面泵浦系统、由镀膜的激光输入腔镜(1)和输出腔镜(4)构成的激光谐振腔，激光增益介质(2)和拉曼介质(3)设置在激光谐振腔内，其特征是采用钨酸钡晶体作为拉曼介质(3)，放置在激光谐振腔中，对激光增益介质(2)产生的基频光进行腔内拉曼转换，获得连续运转1180nm的拉曼激光输出；所述激光增益介质(2)为Nd:YVO4晶体或掺杂Nd3+、Yb3+、Pr3 +的其它激光晶体，产生1.34μm或1.06μm波长附近的基频激光振荡，输出腔镜(4)对基频光和拉曼激光均高反，基频光的反射率高于拉曼激光的反射率。
2、根据权利要求1所述的钨酸钡晶体全固态连续拉曼激光器，其特征是在激光谐振腔内拉曼介质(3)和输出腔镜(4)之间设有一个倍频晶体(5)，激光增益介质(2)产生的基频光入射拉曼介质(3)后产生拉曼激光，拉曼激光入射倍频晶体(5)，产生倍频黄光，倍频黄光和拉曼激光的谐振腔都嵌套在激光谐振腔中，输出腔镜(4)对基频光和拉曼激光均高反，对倍频光部分透射，最终由输出腔镜(4)获得黄光输出。
3、根据权利要求2所述的钨酸钡晶体全固态连续拉曼激光器，其特征是在拉曼晶体(3)和倍频晶体(5)之间还设有一个腔镜(6)，腔镜(6)面向拉曼晶体(3)的面(a)对基频光和拉曼光高透，面向倍频晶体(5)的面(b)对基频光和拉曼光高透、对倍频黄光高反；激光增益介质(2)产生的基频光入射拉曼介质(3)后产生拉曼激光，拉曼激光经过腔镜(6)入射倍频晶体(5)，产生倍频黄光，拉曼激光的谐振腔嵌套在激光谐振腔中，倍频黄光的谐振腔由腔镜(6)和输出腔镜(4)构成，输出腔镜(4)对基频光和拉曼激光均高反，对倍频光部分透射，最终经输出腔镜(4)获得黄光输出。
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2009
- 2009-04-20 CN CN200910030915A patent/CN101527425A/zh active Pending
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