CN101938082A - 一种低功率的绿光激光笔 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种低功率的绿光激光笔，包括在一外壳内安装电池、电路板、开关、泵浦源、和在泵浦源输出光的光路前方，依次设置作为激光工作介质的晶体和光学整形系统；其特征在于，所述的晶体为一块自倍频晶体，自倍频晶体沿倍频相位匹配方向加工，该自倍频晶体的两个通光端面镀有利于泵浦光吸收、1.05-1.1μm基频光振荡和0.525-0.55μm倍频输出的介质膜，两个通光端面之间的厚度0.1-15mm；半导体激光二极管泵浦光注入自倍频晶体中，泵浦光功率达到一定值后，由自倍频晶体直接输出绿色激光。本发明的绿光激光笔避免了目前使用胶合晶体(如Nd:YVO4+KTP)所带来的成本高、周期长、加工和组装工艺复杂等缺点，具备结构简单、体积小、性能可靠、光束质量好和输出功率低(约1mW)的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种激光器件，特别是涉及一种用自倍频晶体微片制作的低功率绿光激光笔。
背景技术
当今社会，外型小巧、使用方便的绿光激光笔作为指示用光源已广泛应用于会议、教学、博物馆参观、登山、建筑物视察等多个场所，在世界各地都有很大市场销量。绿光激光笔的主要结构是激光二极管(Laser Diode或LD)泵浦的微型固体激光器。目前，使用最普遍的制作绿光激光笔的晶体是Nd:YVO4+KTiOPO4(KTP)的组合模块，其中Nd:YVO4晶体产生1064nm的近红外激光，KTP晶体将1064nm激光通过腔内倍频转换为532nm绿色可见光输出，两块晶体的内通光端面胶合在一起，外通光端面镀以有利于泵浦光吸收、基频激光振荡、倍频输出的介质膜(如Nd:YVO4晶体外端面镀808nm增透和1064nm、532nm高反膜，KTP晶体外端面镀808nm、1064nm高反和532nm增透膜)，从而形成基频光振荡、绿光输出的谐振腔，如附图2所示。由于Nd:YVO4具有吸收系数高、吸收截面大，发射截面大、偏振发射等优点，结合KTP所具有的非线性系数大、光束质量好的优势，由此制成的绿光激光笔光-光转换效率较高，输出功率大致为10mW～200mW。虽然Nd:YVO4+KTP胶合晶体的使用已非常普遍，但这种器件仍存在以下几个缺点：
(1)器件质量的决定因素较多，包括Nd:YVO4晶体的质量、KTP晶体的质量、胶合工艺精度等，同时器件工艺较为复杂，因此总的成品率较低，生产成本高。
(2)小功率(≤1mW)输出困难。由于绿色激光的高亮度、高方向性以及对于人眼较为敏感的特性，使其在日常应用中对于人眼安全存在极大潜在危险，因此目前国际上许多发达国家(如美国、澳大利亚等)都明文规定“绿光激光笔不是玩具”，其功率必须低于5mW，最好是低于1mW。由于Nd:YVO4属于最成熟、最有效的中、低功率近红外激光材料，KTP属于最成熟、最有效的绿光波段倍频非线性材料，所以即使使用市售最小功率的LD(200mW)泵浦由其组成的胶合晶体，所制成的绿光激光笔的输出功率仍远高于国际安全标准，很难做到1mW以下，存 在重大安全隐患。
发明内容
本发明的目的在于：针对现有绿光激光笔功率大和在日常应用中对于人眼安全存在极大潜在危险，以及结构复杂的不足，从而提供一种利用一块自倍频晶体代替Nd:YVO4和KTiOPO4(KTP)两块晶体胶合而成的模块，制成的结构紧凑、具有对人眼睛安全的低功率的绿光激光笔；该绿光激光笔达到国际上对激光笔所要求的安全参数，其激光输出功率＜1mW。
本发明的目的是这样实现的：
本发明提供的一种低功率的绿光激光笔，包括在一外壳内安装电池、电路板、开关、泵浦源，并在所述的泵浦源输出光的光路前方，依次设置作为激光工作介质的晶体和光学整形系统；其特征在于，所述的晶体为一块自倍频晶体，所述的自倍频晶体沿倍频相位匹配方向加工，该自倍频晶体的两个通光端面镀有利于泵浦光吸收、1.05-1.1μm基频光振荡和0.525-0.55μm倍频输出的介质膜，两个通光端面之间的厚度0.1-15mm；所述的泵浦源为半导体激光二极管(LD)；所述的半导体激光二极管泵浦光注入自倍频晶体中，泵浦光功率达到一定值后，由自倍频晶体直接输出绿色激光。
在上述的技术方案中，所述的自倍频晶体为掺钕硼酸钙氧钇Nd:YCa4O(BO3)3(以下简写：Nd:YCOB)或者硼酸钙氧钆[Nd:GdCa4O(BO3)3，简写：Nd:GdCOB]，其中Nd3+掺杂浓度是0.001-0.25at.。
在上述的技术方案中，所述的自倍频晶体沿倍频相位匹配方向加工是：
所述的Nd:YCOB晶体的切角为θ＝90°±5°，φ＝35°±5°、θ＝148°±5°，φ＝0°±5°或者θ＝113°±5°，φ＝36.5°±5°；
所述的Nd:GdCOB晶体的切角为θ＝90°±5°，φ＝46°±5°、θ＝160°±5°，φ＝0°±5°或者θ＝113°±5°，φ＝47.5°±5°。
在上述的技术方案中，所述的自倍频晶体通光面为平面、球面或者非球面，通光方向为方形或圆形。
在上述的技术方案中，还包括LD光学耦合部件，该LD光学耦合部件是焦距f＝5mm-1000mm的凸透镜、非球面透镜或柱面镜，所述的光学耦合部件设置在所述的泵浦源和所述的自倍频晶体之间的光路中。
在上述的技术方案中，所述的光学整形系统是双面镀0.525～0.55μm增透膜的平面镜或为平凸镜，光学整形系统是为了准直光束。
在上述的技术方案中，所述的半导体激光二极管为单管结构、列阵结构或面发射结构；其中，该半导体激光二极管中心发射波长为785±5nm、795±5nm、812±5nm、868±5nm或888±5nm。
在上述的技术方案中，还包括在自倍频晶体的泵浦光入射端面镀有对泵浦光增透膜，且对1.05～1.1μm和0.525～0.55μm两个波段高反的介质膜；和在自倍频晶体的激光输出端面镀对泵浦光和1.05～1.1μm波段高反，且对0.525～0.55μm波段高透的介质膜。
本发明的绿色激光笔其输出激光谱线可以是530.5nm、538nm、545.5nm中的一种或几种，绿激光输出功率～1mW。本发明的自倍频晶体同时具有激光发射和倍频(混频)转换两种功能，即具有自倍频(自混频)效应。当泵浦功率由低向高变化时，Nd:YCOB或Nd:GdCOB晶体的激光发射波长将由1061nm变化为1091nm，相应地自倍频绿光的输出波长也由530.5nm变化为545.5nm。在过渡期间由于1061nm和1091nm两种基频波长同时存在，绿光输出将包含530.5nm(即1061nm的倍频)、545.5nm(即1091nm的倍频)，以及538nm(即1061nm和1091nm的和频)中的一种或几种。
本发明的利用自倍频晶体制成的绿光激光笔与目前普遍使用的Nd:YVO4+KTP组合晶体制成的绿光激光笔相比，本发明具有如下优点：
1.本发明利用一块自倍频晶体制成的绿光激光笔，避免了目前使用组合晶体(如Nd:YVO4+KTP胶合模块)所带来的成本高、损耗大、加工和组装工艺复杂等缺点。
2.本发明所用的工作介质仅为一块晶体而非两块晶体，因此只需完善Nd:YCOB或Nd:GdCOB一种(而不是两种)晶体生长的工艺，即可获得高质量，简化了晶体生长工艺，且降低了生产成本。Nd:YCOB或Nd:GdCOB晶体的生长采用提拉法，周期约为一星期左右，而KTP晶体的生长采用助熔剂法，周期长达数月，因此本发明大大缩短了生产周期。
3.此外，本发明无需进行两块晶体的胶合，避免了Nd:YVO4+KTP所需的两种晶体光胶这一工艺环节，进一步缩短了生产周期，提高了成品率，也使生产成本进一步降低。特别是一块晶体相比两块光胶的晶体稳定性更高、构造简单、易于大规模工业化批量生产。
4.本发明利用一块自倍频晶体制成的绿光激光笔易于获得小功率输出(～1mW)。
目前国际上许多发达国家都规定绿光激光笔输出功率必须低于5mW；而由于 Nd:YCOB或Nd:GdCOB晶体的激光发射截面小于Nd:YVO4晶体，非线性光学系数小于KTP晶体，因此在同等泵浦条件下绿光输出功率有所降低，虽然整体转换效率低于Nd:YVO4+KTP胶合晶体，但却更易于获得符合国际安全标准(＜1mW)的绿光输出，这也是当前该领域所急需解决的关键问题，具有重要的应用前景。
总之，本发明用于制作绿光激光笔的Nd:YCOB、Nd:GdCOB晶体自倍频微片器件成功避免了目前普遍使用Nd:YVO4+KTP胶合晶体存在的成本高、加工和组装工艺复杂、成品率低、难于小功率输出等缺点，且保持了微片激光器件所具有的结构简单、体积小、无需调整、性能可靠、输出功率不超过1mW等优点，便于直接替换目前常用绿光激光笔中的Nd:YVO4C+KTP胶合晶体而无需对其它元件进行任何改动，便于获得符合国际安全标准的小功率绿光输出，便于大规模工业化批量生产，在会议、通讯、医疗、军事、科研以及日常生活等诸多领域都将具有良好应用前景。
附图说明
图1为本发明绿光激光笔的结构示意图，图中所示晶体采用一块Nd:YCOB或Nd:GdCOB自倍频晶体微片，替代原有绿光激光笔中使用的Nd:YVO4+KTP两块胶合的晶体。
图2为本发明自倍频晶体的一种平-平腔型结构示意图。
图3为本发明自倍频晶体的一种凹-平腔型结构示意图，R1曲率半径为100mm。
图4为本发明自倍频晶体的一种平-凹腔型结构示意图，R2曲率半径为100mm。
图5为本发明自倍频晶体的一种凹-凹腔型结构示意图，R1＝R2＝100mm。
图6为本发明自倍频绿光激光笔LD泵浦光经过光学耦合器件注入自倍频晶体示意图。
图面说明如下：
1-电池 2-电路板 3-开关
4-泵浦源 5-自倍频晶体 6-光学整形系统
7-绿激光 8-LD光学耦合部件 9-入射端介质膜
10-输出端介质膜
具体实施方式
实施例1
利用图3所示的自倍频晶体具有平-平腔型结构，自倍频晶体使用一块Nd:YCOB微片制作一低功率绿光激光笔(参考图1)。
本实施例采用的市场上购买的绿光激光笔，包括外壳、电池1、电路板2、开关3、激光二极管作为泵浦源4和光学整形系统6和两块晶体(Nd:YVO410和 KTP11晶体)；其中，用一块Nd:YCOB晶体作为自倍频晶体5，该自倍频晶体5沿倍频相位匹配方向加工，切成薄片代替原来的两块晶体，两个通光面(通光方向)之间的厚度为5mm。该Nd:YCOB自倍频晶体5的Nd3+离子浓度为0.1at.。该自倍频晶体5的通光面为平面、晶体轴向为方形、加工角度为θ＝90°，φ＝35°的Nd:YCOB晶体，在自倍频晶体5的泵浦光入射端面镀有对812nm增透膜，且对1.05-1.1μm和0.525-0.55μm两个波段高反的介质膜9，在自倍频晶体5的激光输出端面上镀对812nm和1.05-1.1μm波段高反，且对0.525-0.55μm波段高透的介质膜10，这样的膜系有利于泵浦光的充分吸收，提高泵浦强度，提高激光效率。泵浦源4用波长为812nm的半导体激光二极管(LD)直接泵浦自倍频晶体5时，能够获得自倍频绿激光输出，其波长根据泵浦功率水平不同可以是530.5nm、538nm、545.5nm中的一种或几种，绿激光7输出功率～1mW。光学整形系统6采用双面镀0.525～0.55μm增透膜的平面镜或为平凸镜，设置光学整形系统是为了准直光束。
或者在Nd:YCOB的自倍频晶体5入射端面镀：HT@808nm，HR@1.05-1.1μm、0.525-0.55μm的介质膜。
在Nd:YCOB的自倍频晶体5输出端面镀：HR@808nm&1064nm，HR@808nm&1.05-1.1μm，HT@0.525-0.55μm的介质膜。
实施例2：如实施例1所述，所不同的是在自倍频晶体5的泵浦光入射端面加工成凸面(曲率半径R1＝100mm)与自倍频晶体5的泵浦光输出端面(平面)构成凹-平腔结构，如图4所示。
实施例3：如实施例1所述，所不同的是在自倍频晶体5激光输出端加工成凸面(曲率半径为R2＝100mm)，与自倍频晶体5的泵浦光入射端面构成平-凹腔结构，如图5所示。
实施例4：如实施例1所述，所不同的是自倍频晶体5的两个端面均加工成凸面(曲率半径R1＝R2＝100mm)构成凹-凹腔结构，如图6所示。
实施例5：如实施例1所述，所不同的是还包括LD光学耦合部件8，该LD光学耦合部件8设置在在泵浦源4和自倍频晶体5之间；泵浦光经过LD光学耦 合部件8注入自倍频晶体，LD光学耦合部件有利于增加泵浦光强度提高绿光输出功率。
实施例6：如实施例1所述，所不同的是Nd:YCOB晶体的加工角度为θ＝148°，φ＝0°。
实施例7：如实施例1所述，所不同的是Nd:YCOB的自倍频晶体5的加工角度为θ＝113°，φ＝36.5°。
实施例8：如实施例1所述，所不同的是Nd:YCOB的自倍频晶体5厚度为0.1～15mm。
实施例9：如实施例1所述，所不同的是Nd:YCOB的自倍频晶体5轴向形状为圆柱形。
实施例10：如实施例1所述，所不同的是自倍频晶体5加工角度为θ＝90°，φ＝46°的自倍频晶体Nd:GdCOB微片制作的激光笔。
实施例11：如实施例10所述，所不同的是Nd:GdCOB的自倍频晶体5的加工角度为θ＝160°，φ＝0°。
实施例12：如实施例10所述，所不同的是Nd:GdCOB的自倍频晶体5的加工角度为θ＝113°，φ＝47.5°。
实施例13：如实施例10所述，所不同的是Nd:GdCOB的自倍频晶体5厚度为0.1～15mm。
实施例14：
制备一LD泵浦光经过光学耦合器件注入自倍频晶体制作的绿光激光笔。LD光学耦合器件8为一焦距为5mm的凸透镜或者为非球面透镜，自倍频晶体具有平-平腔型结构，自倍频晶体使用一块Nd:YCOB微片制作一低功率绿光激光笔(参考图1)。
本实施例采用的市场上购买的绿光激光笔，包括外壳、电池1、电路板2、开关3、激光二极管4作为泵浦源和光学整形系统6和两块晶体(Nd:YVO410和KTP11晶体)；其中，用一块Nd:YCOB自倍频晶体5切成薄片代替原来的两块晶体，通光方向厚度为5mm。该Nd:YCOB自倍频晶体5的Nd3+离子浓度为0.1at.。该自倍频晶体5的通光面为平面、晶体轴向为方形、加工角度为θ＝90°，φ＝35°的Nd:YCOB晶体，在泵浦光入射端面镀有对812nm增透膜，且对1.05-1.1μm和0.525-0.55μm两个波段高反的介质膜9′，在激光输出端面上镀对812nm和1.05-1.1μm波段高反，且对0.525-0.55μm波段高透的介质膜12′，这样的膜系有利于泵浦光的充分吸收，提高泵浦强度，提高激光效率。泵浦源4用波长为 812nm的半导体激光二极管(LD)发射的激光经过光学耦合系统8后聚焦注入自倍频晶体5，当泵浦功率达到与、阈值时能够获得自倍频绿激光输出，其波长根据泵浦功率水平不同可以是530.5nm、538nm、545.5nm中的一种或几种，绿激光7输出功率～1mW。光学耦合系统为一个焦距为5mm的凸透镜或者非球面镜，目的是为了提高泵浦光的功率密度，提高光-光转换效率；光学整形系统采用双面镀0.525～0.55μm增透膜的平面镜或为平凸镜(目的是为了准直光束)。
应当指出的是，本领域普通技术人员能够理解上文对本发明进行的详细说明，并可能对本发明的部分技术特征进行修改，而不脱离本发明技术方案的实质精神，这些改动均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围之中。
Claims (9)
1.一种低功率的绿光激光笔，包括在一外壳内安装电池、电路板、开关、泵浦源、和在所述的泵浦源输出光的光路前方，依次设置作为激光工作介质的晶体和光学整形系统；其特征在于，所述的晶体为一块自倍频晶体，所述的自倍频晶体沿倍频相位匹配方向加工，该自倍频晶体的两个通光端面镀有利于泵浦光吸收、1.05-1.1μm基频光振荡和0.525-0.55μm倍频输出的介质膜，两个通光端面之间的厚度0.1-15mm；所述的泵浦源为半导体激光二极管；所述的半导体激光二极管泵浦光注入自倍频晶体中，泵浦光功率达到一定值后，由自倍频晶体直接输出绿色激光。
2.根据权利要求1所述的具有低功率的绿光激光笔，其特征在于，还包括一LD光学耦合部件，所述的LD光学耦合部件设置在泵浦源和自倍频晶体之间。
3.根据权利要求2所述的具有低功率的绿光激光笔，其特征在于，所述的光学耦合部件为凸透镜，焦距f＝5mm-1000mm、光纤、非球面透镜或柱面镜。
4.根据权利要求1所述的具有低功率的绿光激光笔，其特征在于，所述的自倍频晶体为掺钕硼酸钙氧钇Nd:YCa4O(BO3)3或者是硼酸钙氧钆Nd:GdCa4O(BO3)3，其中Nd3+掺杂浓度是0.001-0.25at.。
5.根据权利要求1所述的具有低功率的绿光激光笔，其特征在于，所述的相位匹配方向加工是指Nd:YCOB晶体的切角为θ＝90°±5°，φ＝35°±5°；θ＝148°±5°，φ＝0°±5°；或者θ＝113°±5°，φ＝36.5°±5°。
6.根据权利要求1所述的具有低功率的绿光激光笔，其特征在于，所述的相位匹配方向加工是指Nd:GdCOB晶体的切角为θ＝90°±5°，φ＝46°±5°；θ＝160°±5°，φ＝0°±5°；或者θ＝113°±5°，φ＝47.5°±5°。
7.根据权利要求1所述的具有低功率的绿光激光笔，其特征在于，所述的自倍频晶体通光面为平面、球面或者非球面，晶体轴向形状为圆柱形或者方形。
8.根据权利要求1所述的具有低功率的绿光激光笔，其特征在于，所述的半导体激光二极管为单管结构、列阵结构或面发射结构；所述的半导体激光二极管中心发射波长为785±5nm、795±5nm、812±5nm、868±5nm或888±5nm。
9.根据权利要求1所述的具有低功率的绿光激光笔，其特征在于，直接镀在晶体两个端面的介质膜为泵浦光入射端镀对泵浦光增透膜，且对1.05～1.1μm和0.525～0.55μm两个波段高反的介质膜，在激光输出端镀对泵浦光和1.05～1.1μm波段高反，且对0.525～0.55μm波段高透的介质膜。
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