CN101814695B - 直接泵浦的自受激拉曼散射人眼安全波段激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种直接泵浦的自受激拉曼散射人眼安全波段激光器，包括顺次布置的激光泵浦源、激光传能光纤、平凸镜准直、平凸聚焦镜、谐振腔反射镜、激光增益介质晶体、激光输出镜和激光准直镜；激光泵浦源输出的泵浦光经激光传能光纤传输到平凸准直镜，经准直后，由平凸聚焦镜将泵浦光聚焦到激光增益介质晶体的端面，激光增益介质晶体吸收泵浦光后产生1.3微米波段的受激辐射，当1.3微米的波段辐射超过激光增益介质晶体的自受激拉曼散射阈值时，所产生的1.5微米波段人眼安全波段激光由输出镜准直输出。本发明可以提高Nd3+1.3微米波段的自受激拉曼散射转换率，消除常规泵浦方式电子由泵浦能级到激光能级的热驰豫过程，提高量子效率，降低热量。
Description
技术领域
本发明涉及一种激光器，尤其涉及一种直接泵浦的自受激拉曼散射人眼安全波段激光器。
背景技术
1.5微米人眼安全波段激光器在激光测距、激光空间通信、医疗等领域有着重要的应用。目前，实现1.5微米人眼安全波段激光主要有光学参量振荡(OPO)，Er玻璃激光器，半导体二极管激光器等方式，但OPO结构复杂、成本高、稳定性差，不利于小型化，产品化，Er玻璃能够发射1.54微米波长的激光，但由于Er玻璃为三能级结构，对泵浦光吸收小，效率低，并且Er玻璃的热导率很低，所以实际应用较少。半导体激光二极管也可以产生1.5微米波段的激光，但其光束质量差，限制了其应用。
近几年来，利用Nd:YVO4，Nd:GdVO4等晶体的1.3微米波段的自受激拉曼散射产生1.5微米波段的人眼安全激光逐渐受到人们的重视，这种激光器结构简单，成本低，容易实现，但这种方式的效率不是很高，这是由于利用808nm泵浦1.3微米的量子效率很低，发热量大，很大程度上抑制了1.3微米波段受激拉曼散射的产生，效率并不是很高，目前得到最高的效率为2009年发表于OPTICS EXPRESS(光学快递)上的文章“Compactefficient Q-switched eye-safe laser at 1525 nm with a double-end diffusion-bonded Nd:YVO4crystal as a self-Raman medium”(紧凑、高效，Q开关运转的复合Nd:YVO4晶体自拉曼1525nm人眼安全波段激光器)，该文章中采用符合Nd:YVO4晶体，采用光纤耦合输出808nm光纤耦合输出阵列作为泵浦原，采用脉冲工作的方式，在泵浦功率为17.2W时获得了2.3W的1525nm波段的人眼安全波段激光输出，光-光转换率13％，虽然该方法利用符合晶体来降低激光晶体的热效应，提高了受激拉曼散射的效率，但这种方法没有从根本上降低热量的产生。
专利CN101276984，提出了一种利用微片Nd3+离子的激光增益介质，V:YAG被动调Q的自受激拉曼散射产生人眼安全波段的方法，由于该方法采用微片结构，效率较低。
发明内容
针对上述现有技术，本发明提供一种直接泵浦的自受激拉曼散射人眼安全波段激光器，该激光器具有体积小、效率高、简单可靠等优点。
为了解决上述技术问题，本发明予以实现的技术方案是：一种直接泵浦的自受激拉曼散射人眼安全波段激光器，包括顺次布置的激光泵浦源、激光传能光纤、平凸镜准直、平凸聚焦镜、谐振腔反射镜、激光增益介质晶体、激光输出镜和激光准直镜；所述激光泵浦源输出的泵浦光经激光传能光纤传输到第一平凸镜，经其准直后，由第二平凸镜聚焦，将泵浦光聚焦到激光增益介质晶体的端面，所述激光增益介质晶体吸收泵浦光后产生1.3微米波段的受激辐射，当1.3微米的波段辐射超过激光增益介质晶体的自受激拉曼散射阈值时，开始产生1.5微米波段的人眼安全激光辐射，所产生的人眼安全波段激光由输出镜输出，并由激光准直镜进行准直输出。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明激光器的激光泵浦源的波长为880nm、885nm、888nm、914nm或912nm，由激光泵浦源输出的泵浦光经过传能光纤后由平凸镜准直、平凸聚焦镜，将泵浦光聚焦到激光增益介质晶体上，通过谐振腔反射镜和激光输出镜及激光增益介质晶体的膜系设计，使1.3微米激光产生振荡，由于谐振腔反射镜和激光输出镜组成谐振腔的正反馈作用，1.3微米激光得到不断的放大，当超过自受激拉曼散射的阈值功率后自受激拉曼散射开始产生，并在谐振腔内振荡、放大，并由输出镜输出。由于激光泵浦源为880nm，885nm，888nm，914nm，或912nm，与普通的808nm泵浦源相比能极大的降低由于量子亏损产生的热效应，从而提高受激拉曼散射的效率，808nm泵浦与880nm泵浦的跃迁方式如图1(a)和图1(b)所示，其中附图标记10为驰豫过程，20为1.3微米激光，30为880nm泵浦光，40为808nm泵浦光。对于1.3微米谱线利用880nm作为泵浦光产生的热量为34％，利用914nm作为泵浦光产生的热量为32％，而利用808nm作为泵浦光产生的热量为40％，可见这种直接泵浦的方式可以大大的降低热效应，有利于1.3微米的自受激拉曼散射的产生，并可在很大程度上提高输出激光的光束质量。
附图说明
图1(a)是传统808nm泵浦方式实现跃迁的示意图；
图1(b)是本发明880nm直接泵浦方式实现跃迁的示意图；
图2(a)是本发明中激光增益介质晶体为普通激光晶体的1.5微米激光器实施例；
图2(b)是本发明中激光增益介质晶体为复合晶体的1.5微米激光器的实施例。
图中附图标记说明：
1、泵浦源，2、光纤，3、第一平凸镜，4、第二平凸镜，5、谐振腔反射镜，6、激光增益介质晶体，7、激光输出镜，8、准直镜，10、驰豫过程，20、1.3微米激光，30、880nm泵浦光，40、808nm泵浦光。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。
如图2(a)和图2(b)所示，采用泵浦源1，其中心波长为880nm，也可以是885nm、888nm、914nm或912nm，制冷方式采用循环水冷却，也可以是半导体制冷器TEC冷却，所述激光泵浦源1采用连续、调制或脉冲方式工作。温度设定为25℃，经过直径为传能光纤2，光纤2芯径为400微米，数值孔径0.22，将泵浦光传输到准直聚焦系统上，该准直聚焦系统由两个平凸镜构成，为了叙述方便，分别定义为第一平凸镜3和第二平凸镜4，焦距都为25mm，由第一平凸镜3和第二平凸镜4构成1∶1成像系统，由第二平凸镜4聚焦将泵浦光聚焦到激光晶体6上，聚焦后的光斑半径为200微米，激光增益介质晶体6为Nd:YVO4，规格为3×3×10mm，掺杂浓度0.3％，所述激光增益介质晶体6的C轴方向竖直向上放置或水平放置，图2(a)和图2(b)中所示激光增益介质晶体6的C轴方向为水平放置，该激光增益介质晶体6的双面镀有1342nm&1064nm&1525nm的增透膜，用循环水进行冷却，温度设定为18℃，激光增益介质晶体6也可以是Nd:GdVO4或Nd:KGW等可以产生受激拉曼散射的晶体，也可是由掺杂晶体与非掺杂晶体组成的复合晶体，对所述激光增益介质晶体6的双面或单面镀制的光学介质膜有以下几种情形之一：双面镀制有880nm、885nm、888nm、914nm和912nm波段中的一种或多种高透过率的光学介质膜、双面镀制有1.06微米波段的高透过率的光学介质膜、双面镀制1.3微米波段的高透光学介质膜、双面镀制1.5微米波段的高透过率的光学介质膜。如图2(a)中所示激光增益介质晶体为普通激光晶体，图2(b)中所示激光增益介质晶体6为复合晶体，该复合晶体为键合生长的两端为非掺杂部分，中间为参杂部分，也可只有一端为掺杂部分的晶体。在泵浦光的作用下，激光增益介质晶体6产生粒子数反转，谐振腔反射镜5和激光输出镜7可以都为平面镜，谐振腔反射镜5双面镀制880nm波段的高透过率的光学介质膜，双面镀制1.06微米波段的高透过率的光学介质膜，右面镀制1.3微米和1.5微米波段的高反射率的光学介质膜，对所述谐振腔反射镜5的单面或双面镀制的光学介质膜还可以是以下几种情形之一：双面镀制有880nm、885nm、888nm、914nm和912nm波段中的一种或多种高透过率的光学介质膜、双面镀制有1.06微米波段的高透过率的光学介质膜、单面或双面镀制有1.3微米波段的高反射率的光学介质膜、单面或双面镀制有1.5微米波段的高反射率的光学介质膜。激光输出镜7左面镀制1342nm的高反射率膜和1525nm波段的部分透射率膜，透过率为3％，右面镀制1.5微米波段的高透射率光学介质膜，对所述激光输出镜7的双面或单面镀制的光学介质膜还可以是以下几种情形之一：双面镀制有1.06微米波段的高透过率的光学介质膜、凹面镀制有1.3微米波段的高反射率的光学介质膜、凹面镀制有1.5微米波段的部分透射率光学介质膜、平面镀制有1.5微米波段的高透射率光学介质膜。谐振腔反射镜5和激光输出镜7之间的距离为85mm，谐振腔反射镜5和激光输出镜7也可为平凹镜，由于激光增益介质晶体6、谐振腔反射镜5和激光输出镜7的镀膜设计，将使1.3微米波段形成受激放大，而1.06微米波段损耗大不能形成受激放大，由于谐振腔反射镜5和激光输出镜7对1.3微米激光全部高反，因此，1.3微米激光将不能被输出到腔外，1.3微米激光不断加强，当达到受激散射的拉曼阈值后开始产生1.5微米的受激拉曼散激光，1.5微米的激光在谐振腔反射镜5和激光输出镜7之间不断的振荡得到放大，同时由激光输出镜7输出，然后经过准直镜8对激光进行准直，压缩发散角。
综上，本发明要解决的问题是提高Nd3+ 1.3微米波段的自受激拉曼散射转换率，解决的方案是采用直接泵浦方式，利用特殊波长的泵浦光使电子直接跃迁到激光上能级，消除常规泵浦方式电子由泵浦能级到激光能级的热驰豫过程，提高量子效率，降低热量，增加1.3微米波段的自受激拉曼散射转换率。本发明广泛用于军事、医疗、通信、科研等领域。
尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (9)
1.一种直接泵浦的自受激拉曼散射人眼安全波段激光器，包括顺次布置的激光泵浦源(1)、激光传能光纤(2)、第一平凸镜(3)准直、第二平凸聚(4)焦镜、谐振腔反射镜(5)、激光增益介质晶体(6)、激光输出镜(7)和激光准直镜(8)；其特征在于：
所述激光泵浦源(1)输出的泵浦光经激光传能光纤(2)传输到第一平凸镜(3)，经其准直后，由第二平凸镜(4)聚焦，将泵浦光聚焦到激光增益介质晶体(6)的端面，所述激光增益介质晶体(6)吸收泵浦光后，在谐振腔反射镜(5)和激光输出镜(7)的限制作用下产生1.3微米波段的受激辐射，当1.3微米的波段辐射超过激光增益介质晶体(6)的自受激拉曼散射阈值时，开始产生1.5微米波段的人眼安全激光辐射，所产生的人眼安全波段激光由激光输出镜(7)输出，并由激光准直镜(8)进行准直输出。
2.根据权利要求1所述直接泵浦的自受激拉曼散射人眼安全波段激光器，其特征在于：所述激光泵浦源(1)的中心波长为880nm、885nm、888nm、914nm或912nm。
3.根据权利要求1所述直接泵浦的自受激拉曼散射人眼安全波段激光器，其特征在于：所述激光泵浦源(1)采用连续、调制或脉冲方式工作。
4.根据权利要求1所述直接泵浦的自受激拉曼散射人眼安全波段激光器，其特征在于：对所述谐振腔反射镜(5)的单面或双面镀制的光学介质膜有以下几种情形之一：
所述谐振腔反射镜(5)的双面镀制有880nm、885nm、888nm、914nm和912nm波段中的一种或多种高透过率的光学介质膜；
所述谐振腔反射镜(5)的双面镀制有1.06微米波段的高透过率的光学介质膜；
所述谐振腔反射镜(5)的单面或双面镀制有1.3微米波段的高反射率的光学介质膜；
所述谐振腔反射镜(5)的单面或双面镀制有1.5微米波段的高反射率的光学介质膜。
5.根据权利要求1所述直接泵浦的自受激拉曼散射人眼安全波段激光器，其特征在于：所述激光增益介质晶体(6)为Nd:YVO4、Nd:GdVO4、或Nd:KGW，用以产生1.3微米波段自受激拉曼散射。
6.根据权利要求1所述直接泵浦的自受激拉曼散射人眼安全波段激光器，其特征在于：所述谐振腔反射镜(5)为平凹镜或平平镜。
7.根据权利要求1所述直接泵浦的自受激拉曼散射人眼安全波段激光器，其特征在于：所述激光增益介质晶体(6)的C轴方向竖直向上放置或水平放置。
8.根据权利要求1所述直接泵浦的自受激拉曼散射人眼安全波段激光器，其特征在于：对所述激光增益介质晶体(6)的双面或单面镀制的光学介质膜有以下几种情形之一：
所述激光增益介质晶体(6)的双面镀制有880nm、885nm、888nm、914nm和912nm波段中的一种或多种高透过率的光学介质膜；
所述激光增益介质晶体(6)的双面镀制有1.06微米波段的高透过率的光学介质膜；
所述激光增益介质晶体(6)的双面镀制1.3微米波段的高透光学介质膜；
所述激光增益介质晶体(6)的双面镀制1.5微米波段的高透过率的光学介质膜。
9.根据权利要求1所述直接泵浦的自受激拉曼散射人眼安全波段激光器，其特征在于：
对所述激光输出镜(7)的双面或单面镀制的光学介质膜有以下几种情形之一：
所述激光输出镜(7)的双面镀制有1.06微米波段的高透过率的光学介质膜；
所述激光输出镜(7)的凹面镀制有1.3微米波段的高反射率的光学介质膜；
所述激光输出镜(7)的凹面镀制有1.5微米波段的部分透射率光学介质膜；
所述激光输出镜(7)的平面镀制有1.5微米波段的高透射率光学介质膜。
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