CN101562311B - 砷酸钛氧钾晶体全固态拉曼自倍频黄光激光器 - Google Patents
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Abstract
砷酸钛氧钾晶体全固态拉曼自倍频黄光激光器，属于固体激光器领域，包括激光二极管泵浦源、谐振腔，谐振腔由后腔镜和输出镜组成，谐振腔中放置激光增益介质、拉曼晶体、调Q装置和倍频晶体；激光增益介质、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，其特征在于采用一块KTA晶体替代拉曼晶体和倍频晶体，谐振腔中依次放置激光增益介质、调Q装置和KTA晶体；由KTA晶体实现1.06微米基频光的拉曼转换获得1.14微米附近的拉曼光，同时，该KTA晶体还可实现拉曼光的倍频获得0.57微米附近的黄光。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，特别涉及一种砷酸钛氧钾晶体全固态拉曼自倍频黄光激光器。
(二)背景技术
黄橙波段(560-600nm)的激光可在多个领域获得重要应用，已成为激光器领域的研究热点之一。固体拉曼激光器是基于晶体的受激拉曼散射(SRS)效应，将1064nm基频光频移到1100~1200nm波段，再倍频获得黄橙激光。相对于其他几种方式，采用固体拉曼激光器倍频的方式有独特的优点：激光二极管(LD)泵浦效率高、结构相对简单、便于维护、受激拉曼散射的光束清理效应(beam clean-up effect)有助于获得好的光束质量、腔内倍频方案提高转换效率等。
在固体拉曼激光倍频获得黄橙波段激光方面，目前主要有两种方案：一是如H.M.Pask等在Opt.Lett.24，1490-1492(1999)这篇文章描述的，用Nd:YAG晶体做激光介质产生1064nm的基频光，用BaWO4、SrWO4等晶体做拉曼介质实现1180nm附近的拉曼光输出，再用KTiOPO4(KTP)或LiB3O5(LBO)晶体腔内倍频产生590nm附近的黄橙激光，；该方案的优点是激光产生过程和受激拉曼散射过程分别在两块晶体中进行，因而晶体内部的热负载相对较小，有利于获得稳定的大功率黄橙波段激光，缺点是至少需要用到三块晶体，激光腔结构相对复杂、成本相对较高、调整难度较大。第二种方案如A.J.Lee等在Opt.Express 16，21958-21963(2008)这篇文章中所述，用Nd:YVO4或Nd:GdVO4晶体实现自拉曼激光运转，再用KTP或LBO进行腔内倍频，获得586nm附近的黄橙光；该方案的优点是只需要两块晶体，激光腔结构简单，缺点是激光产生过程与受激拉曼散射过程在同一块晶体中进行，使得晶体内部的热效应相对严重，难以获得高功率激光输出。
(三)发明内容
为克服现有技术的缺陷，本发明提供一种砷酸钛氧钾(KTiOAsO4，KTA)晶体全固态拉曼自倍频黄光激光器，以获得黄光激光输出。
一种砷酸钛氧钾(KTA)晶体全固态拉曼自倍频黄光激光器，包括激光二极管(LD)泵浦源、谐振腔，谐振腔由后腔镜和输出镜组成，谐振腔中放置激光增益介质、拉曼晶体、调Q装置和倍频晶体；激光增益介质、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，其特征在于采用一块KTA晶体替代拉曼晶体和倍频晶体，谐振腔中依次放置激光增益介质、调Q装置和KTA晶体，由KTA晶体实现1.06微米基频光的拉曼转换获得1.14微米附近的拉曼光，同时，该KTA晶体可以实现拉曼光的倍频获得0.57微米附近的黄光，即用一块KTA晶体同时完成拉曼转换及拉曼光的倍频过程。
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(脉冲光)泵浦；LD泵浦源其输出中心波长可以是808nm也可以是880nm。
所述的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。
所述的谐振腔是直腔，也可以是折叠腔(折叠腔时需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装置和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装置、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)的以下诸晶体中的一种：钇铝石榴石(Nd:YAG)、钒酸钇(Nd:YVO4)、钒酸钆(Nd:GdVO4)、钒酸镥(Nd:LuVO4)。激光增益介质也可以是掺Nd的陶瓷材料，即Nd:YAG陶瓷。
所述的激光增益介质的掺杂浓度为0.05-at.％至3-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-1150nm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装置作用；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。温控范围为5摄氏度到30摄氏度。
所述的KTA晶体其切割角度如下：φ＝0度，θ在84度到90度范围内。其端面镀膜情况如下：可以在两个端面均镀在1微米-1.15微米波段的增透膜(透过率大于98％)及0.57微米的增透膜(透过率大于95％)；也可以在一个端面镀1微米-1.15微米波段的增透膜(透过率大于98％)及0.57微米的增透膜(透过率大于95％)、另一端面镀1微米-1.15微米波段的增透膜(透过率大于98％)及0.57微米的高反膜(反射率大于95％)。
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1微米-1.15微米波段的高反膜；输出镜镀有1微米-1.15微米波段的高反膜(反射率大于98％)，并且该膜对波长为0.57微米的光具有高透射率(透过率＞80％)。
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装置关闭时，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，同时，拉曼光在同一块KTA中完成倍频过程，产生0.57微米的黄光并由输出镜输出。
本发明的优点是只需两块晶体(激光晶体和KTA晶体)即可获得黄光输出，且本方案的激光过程与受激拉曼散射过程分别在两块晶体中进行，降低了晶体内部的热负载，即本方案同时兼顾了“背景技术”中描述两种方案的优点，能够获得结构紧凑的、高功率的、稳定的固体黄光激光器。
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，采用腔内拉曼自倍频的方式成功产生0.57微米的黄光激光，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8cm×8cm×15cm左右，黄光的输出功率大于0.5W，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。
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晶体，8.输出镜，9.冷却装置，10.LD侧面泵浦模块。
(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，谐振腔中依次放置的激光增益介质5为掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)激光晶体、声光调Q装置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1064nm基频光通过KTA晶体7，由于KTA晶体7具有拉曼效应，由受激拉曼散射转为1146nm拉曼光，同时，拉曼光在同一块KTA晶体7中完成倍频过程，产生573微米的黄光并由输出镜8输出。KTA晶体7作为拉曼介质及拉曼光的倍频介质，可以有效的产生拉曼转换并进行倍频，获得573nm的拉曼激光。上述Nd:YAG激光增益介质5、声光调Q装置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，Nd:YAG激光增益介质5及声光调Q装置6的冷却水水温控制在20度、KTA晶体7的水温控制在5度。
所述的激光二极管LD1端面泵浦源是由中心波长为808nm的连续光LD端面泵浦源(最高功率25W)及相应的光纤2(纤芯直径600微米，数值孔径0.22)和耦合透镜组3(1∶1成像，工作距离80mm)组成。
所述的激光晶体Nd:YAG晶体5的尺寸为
5mm×8mm，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1微米-1.15微米波段的增透膜(透过率大于99％)；调制频率为20.8kHz，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装置作用。
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1微米-1.15微米波段的增透膜(透过率大于99.5％)、及对0.57微米波长的增透膜(透过率大于99.5％)。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1微米-1.15微米波段的高反膜(反射率大于99.8％)。
所述的输出镜8镀有1微米-1.15微米波段的高反膜(反射率大于99.5％)、及对0.57微米波长的增透膜(透过率约为95％)。
所述的谐振腔腔长为90mm。
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，当声光调Q装置6关闭时，泵浦光转为反转粒子存储起来；当调Q装置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1146.0nm拉曼光，同时由KTA晶体7完成倍频过程产生573.0nm黄光激光，并由输出镜8输出。在输入LD功率为10.9W、重复频率为20.8kHz时，可以获得0.82W的黄光输出。
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、声光调Q装置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，由受激拉曼散射转为1146nm拉曼光，同时，拉曼光在同一块KTA晶体7中完成倍频过程，产生573微米的黄光并由输出镜8输出。上述调Q装置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，Nd:YAG晶体及声光调Q装置6的冷却水水温控制在20度、KTA晶体7的水温控制在5度。
所述的激光二极管LD侧面泵浦模块10是由中心波长为808nm的连续光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
3mm×68mm，其掺杂浓度为1-at.％两个端面均镀有1064nm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46mm，两端面均镀有对1064nm波长的增透膜(透过率大于99.8％)；调制频率为5kHz，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装置作用。
所述的砷酸钛氧钾KTA晶体7由两块尺寸为5×5×30mm3的晶体组成，两块晶体的各个端面均镀有对1微米-1.15微米波段的增透膜(透过率大于99.5％)、及对0.57微米波长的增透膜(透过率大于99.5％)。两块晶体的切割角度均为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1微米-1.15微米波段的高反膜(反射率大于99.8％)。
所述的输出镜8镀有1微米-1.15微米波段的高反膜(反射率大于99.5％)、及对0.57微米波长的增透膜(透过率约为95％)。
所述的谐振腔腔长为210mm。
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1146.0nm拉曼光，同时由KTA晶体7完成倍频过程产生573.0nm黄光激光，并由输出镜8输出。在输入LD功率为120W、重复频率为4kHz时，可以获得1W的黄光输出。
实施例3：
与实施例1相同，只是所述的谐振腔内的声光调Q装置6和KTA晶体7的相对位置做了调换，即KTA晶体7放置在声光调Q装置6的前面；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(平-平镜)；所述的激光增益介质5是a切的掺钕钒酸钇(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，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1146.6nm拉曼光，，同时由KTA晶体7完成倍频过程产生573.0nm黄光激光，并由输出镜8输出。在输入LD功率为8.1W、重复频率为30kHz时，可以获得0.5W的黄光输出。
实施例4：
与实施例2相同，只是所述的谐振腔内的侧泵模块10及激光增益介质5和KTA晶体7的相对位置做了调换，即谐振腔内依次放置KTA晶体7、声光调Q装置6和侧泵模块10及激光增益介质5。
Claims (1)
1.一种砷酸钛氧钾晶体全固态拉曼自倍频黄光激光器，包括激光二极管泵浦源、谐振腔，谐振腔由后腔镜和输出镜组成，谐振腔中放置激光增益介质、拉曼晶体、调Q装置和倍频晶体；激光增益介质、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，其特征在于采用一块KTA晶体替代拉曼晶体和倍频晶体，谐振腔中依次放置激光增益介质、调Q装置和KTA晶体；由KTA晶体实现1.06微米基频光的拉曼转换获得1.14微米附近的拉曼光，同时，该KTA晶体可以实现拉曼光的倍频获得0.57微米附近的黄光，即用一块KTA晶体同时完成拉曼转换及拉曼光的倍频过程；
其中KTA晶体其切割角度如下：φ＝0度，θ在84度到90度范围内；其端面镀膜情况如下：在两个端面均镀有1微米-1.15微米波段的增透膜及0.57微米的增透膜；或在一个端面镀1微米-1.15微米波段的增透膜及0.57微米的增透膜、另一端面镀1微米-1.15微米波段的增透膜及0.57微米反射率大于95％的高反膜。
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