CN102074889B - 一种单频可见光激光器 - Google Patents

Abstract

本发明提供单频可见光激光器，包括泵浦装置、自倍频晶体和晶体控温装置，放置在晶体上方、侧面或四周的磁场装置；泵浦装置的泵光输出前方对准自倍频晶体晶体的输入端面，泵光入射到自倍频晶体输入端面，并有效耦合进入晶体而被吸收；该自倍频晶体制作成单块非平面环形腔形状，其晶体切割方向为：倍频方向为DA方向、AB方向、BC方向或CD方向；自倍频晶体的泵浦端面和输出端面是镀有对于泵浦光高透射、基频偏振光高反、倍频光高透的膜，用以实现单一倍频光输出波长；或者镀有对于泵浦光高透射、基频光偏振光部分射反、倍频光高透的膜，用以实现基频光和倍频光双波长同时输出。该激光器结构紧凑、稳定性高、波长可调谐。

Description

一种单频可见光激光器

技术领域

本发明涉及一种激光器，特别涉及一种基于自倍频晶体的单频可见光全固态激光器。

背景技术

全固态单频可见光(如红、绿、蓝光)激光器由于相干性极好、波长人眼可见而在量子信息光学、激光显示等领域有重要的应用价值。目前，产生单频激光的主要方法包括单块非平面环形腔技术与分立元件环形腔技术，例如文献1(W.克希耐尔著，孙文等译，《固体激光工程》，科学出版社，2002，126-131页)。前者一般输出功率较小，但结构紧凑、稳定性更高、线宽更窄、光束质量更好。后者一般输出功率较高，但腔内需插入单向器、标准具等光学元件，系统也更复杂。然而，普通的单块非平面环形腔激光器，例如文献1(王欣等，激光二极管抽运单块高斜度效率环形腔单频固体激光器，中国激光，32卷2期，2005，149-152页)，不能采用在腔内插入非线性元件的方法来产生二次谐波，因此，目前全固态单频可见光(如红、绿、蓝光)激光器主要采用分立元件环形腔技术来获得。

近年来自倍频晶体由于复合功能性强而受到人们青睐。自倍频晶体不仅可以产生激光，还可以通过自身的非线性效应，对基频激光进行非线性频率变换，从而获得倍频激光输出。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，从而提供一种将一块自倍频晶体制作成非平面环形腔，和设置外加磁场装置，并利用光波在非平面腔内不同空间取向的全反射面上的相位延迟，由外加磁场引入的法拉第旋光效应及输出耦合面的偏振反射特性构成光学单向器，使非平面环形腔内只有沿某一方向的一个偏振态的光起振的单频可见光激光器；该激光器具有结构紧凑和稳定性高。

本发明的目的是这样实现的：

本发明提供的单频可见光激光器包括：泵浦装置、光学晶体和一用于固定和控制光学晶体温度的光学晶体控温装置，以及放置在所述光学晶体上方、侧面或四周的磁场装置，使得光学晶体内存在如图1中H所示方向的磁场；所述的光学晶体安装在光学晶体精密控温装置上；所述的泵浦装置的泵光输出前方对准所述的光学晶体的输入端面，泵光入射到光学晶体输入端面，并有效耦合进入光学晶体而被吸收；其特征在于，所述光学晶体为一块自倍频晶体，所述自倍频晶体制作成单块非平面环形腔形状，该自倍频晶体切割方向为：倍频方向可以选择如图1中所示的DA方向，也可选择AB方向，也可选择BC方向，或选择CD方向；

所述自倍频晶体的泵浦端面和输出端面是镀有对于泵浦光高透射、基频偏振光高反、倍频光高透的膜，用以实现单一倍频光输出波长，也可以是对于泵浦光高透射、基频光偏振光部分射反射、倍频光高透的膜，用以实现基频光和倍频光双波长同时输出。

上述技术方案中，所述自倍频晶体可以是相位匹配型自倍频晶体，如掺钕四硼酸钇铝晶体(简称NYAB)、掺镱四硼酸钇铝晶体(简称Yb:YAB)、掺钕三硼酸钙氧钆晶体(简称Nd:GdCOB)、掺钕三硼酸钙氧钇晶体(简称Nd:YCOB)、掺镱三硼酸钙氧钆晶体(简称Yb:GdCOB)、掺镱三硼酸钙氧钇晶体(简称Yb:YCOB)、掺铒三硼酸钙氧钇晶体(简称Er:YCOB)等，也可以是准相位匹配型自倍频晶体，如掺钕周期极化钽酸锂晶体(简称Nd3+:LiTaO)等。

上述技术方案中，所述自倍频晶体切割方向优选DA方向为最佳，选择该方向时倍频光自吸收较小，激光器效率较高。

上述技术方案中，所述泵浦装置的泵浦波长为自倍频晶体的吸收波长，例如为半导体激光器，光纤激光器或钛宝石固体激光器。

上述技术方案中，所述外加磁场装置，可以是单一块永久磁铁，也可以是通电导线圈，或其它磁场产生器件。

上述技术方案中，所述控制光学晶体温度的光学晶体控温装置由晶体固定及传热元件5、第一半导体制冷片6-01和第二半导体制冷片6-02以及传热底座7组成；其中，所述的自倍频晶体(1)被放置和固定在光学晶体控温装置中的晶体固定及传热元件(5)中，晶体固定及传热元件(5)的上下表面分别放置第一半导体制冷片(6-01)、第二半导体制冷片(6-02)进行控温，第一半导体制冷片(6-01)和第二半导体制冷片(6-02)的另一面通过传热底座(7)进行散热。

上述技术方案中，所述传热底座为紫铜或其他传热材料。

上述技术方案中，所述激光器的运转方式是连续方式，或通过使用在自倍频晶体中掺入Cr³⁺离子的自倍频晶体而实现调Q运转方式。

本发明提供的波长可调谐的单频可见光激光器与现有技术相比具有如下优点：

本发明提供的波长可调谐的单频可见光激光器，由于光学晶体使用的是自倍频晶体，既能作为激光晶体产生基频光，又具有非线性晶体功能，对所产生的基频光进行倍频，从而产生可见光，因此功能复合型强；进一步地将整个激光腔采用一块自倍频晶体制作成非平面环型腔；克服了已有技术制作非平面环型振荡器的结构复杂，光路需要调试和成本高等缺陷。因此，具有结构紧凑、稳定性极好、成本低等突出优点，能够实现工程化和批量化生产，满足应用需求。

本发明提供的单频可见光激光器中，还设置外加磁场装置，该磁场装置用来引入法拉第旋光效应，并利用光波在非平面腔内不同空间取向的全反射面上的相位延迟，由外加磁场引入的法拉第旋光效应及输出耦合面的偏振反射特性构成光学单向器，保证腔内只有沿某一方向的一个偏振态的光起振，消除增益空问烧孔，保证单纵模输出的产生。由于晶体精密控温装置对自倍频晶体进行高精度控温，并可通过调节控制温度实现波长调谐。泵浦装置产生的泵浦光以一定角度入射到自倍频晶体输入端面并有效耦合进入晶体而被吸收，磁场装置被放置在自倍频晶体上方或侧面，使得晶体内存在如图1中H所示方向的磁场。

本发明提供的基于自倍频晶体的单频可见光激光器可通过半导体制冷片进行高精度控温的，从而实现输出波长的精确调谐。同时，还可以实现基频光和倍频光同时输出，满足多种应用需求。

本发明的单频可见光激光器输出波长，可以为单一倍频光输出波长，也可以根据实际需求，为基频光和倍频光双波长同时输出。

本发明的单频可见光激光器输出的单频可见光(如红、绿、蓝光)激光器的运转方式可以是连续方式，也可以通过使用在自倍频晶体中掺入Cr³⁺离子的自倍频晶体而实现调Q运转方式。

附图说明

图1a是本发明的单频可见光激光器中自倍频晶体立体图(非平面环型腔立体图，或者表示自倍频晶体内部光传播方向示意图)

图1b是图1a的俯视图，即本发明中自倍频晶体内部光传播方向示意图；

图2是本发明的单频可见光激光器结构示意图；

图面说明如下：

1为自倍频晶体               2为泵浦装置

3为泵浦光束                 4为外加磁场装置

5为晶体固定及传热元件       6-01第一半导体制冷片

6-02第二半导体制冷片        7-传热底座

8-泵浦端面和输出端面(请在副图上加上图号)

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

本发明的单频可见光激光器总体实施方式如下：图1a和图1b给出了自倍频晶体内部光传播方向示意图，首先将自倍频晶体制作成单块非平面环形腔形状，晶体后端面的斜面切割角度使得晶体内部的光在B、C、D点处发生全反射并形成闭环回路，如图1a和图1b所示。倍频方向可以选择如图1a和图1b中所示的DA方向，也可选择AB方向，也可选择BC方向，也可选择CD方向，其中，以DA方向为最佳，选择该方向时绿光自吸收较小，激光器效率较高。上述方法涉及基本的几何光学方法和非线性晶体学，是本专业人员熟知和掌握的。自倍频晶体1按上述方法制作成单块非平面环形腔形状后，被放置在自倍频晶体固定及传热元件5中进行固定。自倍频晶体固定及传热元件5上下表面分别用第一半导体制冷片6-01、第二半导体制冷片6-02进行制冷控温，两个半导体制冷片的另一面通过传热底座7，例如紫铜或其他传热材料进行自然散热或水冷冷却。外加磁场装置4放置并固定在自倍频晶体周围，使得自倍频晶体内存在如图1中H所示方向的磁场；所述的泵浦装置的泵光输出前方对准所述的光学晶体的输入端面；以45度入射到自倍频晶体输入端面并有效耦合进入晶体而被吸收。外加磁场引入法拉第旋光效应，与输出耦合端面的偏振反射特性构成光学单向器，保证腔内只有沿某一方向的一个偏振态的光起振，消除增益空间烧孔，保证单纵模输出的产生。

在具体示例中自倍频晶体的泵浦端面和输出端面是同一端面，在其上镀有对于泵浦光高透射、基频偏振光高反、倍频光高透的膜，这样可以实现单一倍频光输出波长。或者在该泵浦端面和输出端面上镀有是对于泵浦光高透射、基频光偏振光部分射反射、倍频光高透的膜，可以实现了基频光和倍频光双波长同时输出。

所述自倍频晶体的输出波长，可以是各种和晶体发射谱线对应的激光波长的二次谐波波长，如自倍频晶体为Nd:YCOB晶体时，倍频输出波长可以是由基频1.33μm激光波长倍频产生的0.66μm红光激光，也可以是由基频1.06μm激光波长倍频产生的0.53μm绿光激光，也可以是由基频0.936μm激光波长倍频产生的0.47μm蓝光激光。

实施例1

参考图2，本实施例制作一种产生单频0.53μm绿光的自倍频激光器。

本实施例中，自倍频晶体1采用一块尺寸为25mm×20mm×6mm的掺杂浓度8at.％的Nd:GdCOB晶体，该自倍频晶体1泵浦端面和输出端面8为同一个面，制作成平面，与所述泵浦端面和输出端面8相对的一端面的形状见图1a和图1b所示，即自倍频晶体1采用单片光学晶体切成非平面环状振荡器的形状。在图1b中的DA方向为晶体有效非线性系数最大的I类相位匹配方向，使得光在B、C、D点发生全反射后形成ABCD闭合回路而产生谐振，并选取DA方向为晶体有效非线性系数最大的I类相位匹配方向；上述方法涉及基本的几何光学方法和非线性晶体学，是本专业人员熟知和掌握的。

在该自倍频晶体泵浦端面和输出端面8(图中前端面)镀有对于1.06μm的o光高反、斜入射泵光高透、0.53μm倍频光高透的膜。

加工好的单块非平面环形腔形状的Nd:GdCOB自倍频晶体1被放置和固定在光学晶体控温装置中的晶体固定及传热元件5中，晶体固定及传热元件5的上下表面分别放置第一半导体制冷片6-01、第二半导体制冷片6-02进行控温，第一半导体制冷片6-01和第二半导体制冷片6-02的另一面通过传热底座7，例如紫铜或其他传热材料制成的底座进行散热。第一半导体制冷片6-01、第二半导体制冷片6-02采用市场上购买的TEC制冷片。

本实施例中，泵浦装置2采用中心波长为811nm的半导体泵浦模块，泵浦光束3从自倍频晶体1的泵浦和输出端面斜入射进入自倍频晶体被充分吸收实现泵浦过程。

外加磁场装置4采用一块U型永久磁铁，被放置和固定在晶体周围，包裹着自倍频晶体1，使得自倍频晶体内存在如图1所示的磁场方向。外加磁场装置也可以用一块永久磁铁放置在自倍频晶体上方或侧面。

自倍频晶体制作成单块非平面环形腔形状，泵浦和输出端面镀对于泵浦光高透射、基频光偏振光高反、倍频光高透的膜；所述泵浦装置的泵浦波长为自倍频晶体的吸收波长；所述外加磁场装置用来引入法拉第旋光效应，并利用光波在非平面腔内不同空间取向的全反射面上的相位延迟，由外加磁场引入的法拉第旋光效应及输出耦合面的偏振反射特性构成光学单向器，保证腔内只有沿某一方向的一个偏振态的光起振，消除增益空问烧孔，保证单纵模输出的产生；所述晶体精密控温装置对自倍频晶体进行高精度控温，并可通过调节控制温度实现波长调谐。泵浦装置产生的泵浦光以45度角度入射到自倍频晶体输入端面并有效耦合进入晶体而被吸收。。

实施例2

本实施例制作一种产生单频0.66μm红光的自倍频激光器。

本实施例与实施例1类似，不同之处主要有三点，一是自倍频晶体1采用掺杂浓度8at.％的Nd:YCOB晶体；二是，晶体切割方向按照Nd:YCOB由1.33μm倍频产生0.66μm的I类相位匹配方向切割，具体方法与实施例1类似，这是本专业人员熟知和掌握的；三是，晶体泵浦和输出端面镀有对于1.33μm的o光高反、泵光高透、0.66μm倍频红光高透的膜。

实施例3

本实施例制作一种产生单频0.47μm蓝光的自倍频激光器。

本实施例与实施例1类似，不同之处主要有三点，一是自倍频晶体DA方向按照Nd:GdCOB由0.96μm倍频产生0.47μm的I类相位匹配方向切割，具体方法与实施例1类似，这是本专业人员熟知和掌握的；二是晶体泵浦和输出端面的膜改为，对于0.936μm的o光高反、泵光高透、0.47μm倍频蓝光高透的膜；三是，泵浦装置采用钛宝石激光器。

实施例4

本实施例制作一种同时产生单频1.06μm基频光和0.53μm绿光调Q脉冲输出的自倍频激光器。

本实施例的结构示意图与实施例1类似。

本实施例中，自倍频晶体1采用掺杂浓度8at.％的Nd:GdCOB晶体，并掺入Cr³⁺离子，切割晶体使得图1中的DA方向为晶体有效非线性系数最大的I类相位匹配方向，并使得光在B、C、D点发生全反射后形成ABCD闭合回路而产生谐振。晶体泵浦和输出端(图中前端面)镀对于1.06μm的O光部分反射、斜入射泵光高透、0.53μm倍频光高透的膜。

加工好的单块非平面环形腔形状的Nd:GdCOB自倍频晶体1被放置并固定在晶体固定及传热元件5中，晶体固定及传热元件5的上下表面放置半导体制冷片6-01、6-02进行控温，半导体制冷片6-01、6-02的另一面通过紫铜或其他传热材料7进行散热。

本实施例中，泵浦装置2同样可采用中心波长为811nm的半导体泵浦模块，泵浦光3从晶体的泵浦和输出端面斜入射进入晶体被充分吸收实现泵浦过程。

外加磁场装置4可以采用一块U型钕铁硼永久性磁铁，也可以是铁氧体磁铁，该外加磁场装置4被放置和固定在晶体周围，使得晶体内存在如图1所示的磁场方向。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变型，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种单频可见光激光器包括：泵浦装置、光学晶体和一用于固定和控制光学晶体温度的光学晶体控温装置，以及放置在所述光学晶体上方、侧面或四周的磁场装置；所述的光学晶体安装在光学晶体精密控温装置上；所述的泵浦装置的泵光输出前方对准所述的光学晶体的泵浦端面，泵光入射到光学晶体泵浦端面，并有效耦合进入光学晶体而被吸收；其特征在于，所述光学晶体为一块自倍频晶体，所述自倍频晶体的泵浦端面和输出端面为同一平面，所述自倍频晶体制成由DA、AB、BC和、CD和DA构成单块非平面环形封闭腔形状，A是位于泵浦端面的入射点，B是非平面环形的第一反射点，C是非平面环形的第二反射点，D是非平面环形的第三反射点；该自倍频晶体的切割方向为：倍频方向选择DA方向、AB方向、BC方向或CD方向；

所述自倍频晶体的泵浦端面和输出端面镀有对于泵浦光高透射、对基频偏振光高反射和对倍频光高透射的膜，用以实现单一倍频光输出波长；

或者，所述自倍频晶体的泵浦端面和输出端面镀有对于泵浦光高透射、对基频光偏振光部分反射和对倍频光高透射的膜，用以实现基频光和倍频光双波长同时输出。

2.根据权利要求1所述的单频可见光激光器，其特征在于，所述自倍频晶体是相位匹配型的自倍频晶体或准相位匹配型自倍频晶体；其中，

所述相位匹配型的自倍频晶体为掺钕四硼酸钇铝晶体、掺镱四硼酸钇铝晶体、掺钕三硼酸钙氧钆晶体、掺钕三硼酸钙氧钇晶体、掺镱三硼酸钙氧钆晶体、掺镱三硼酸钙氧钇晶体或掺铒三硼酸钙氧钇晶体；

所述准相位匹配型自倍频晶体是掺Nd3+周期极化钽酸锂晶体LiTaO。

3.根据权利要求1所述的单频可见光激光器，其特征在于，所述泵浦装置的泵浦波长为自倍频晶体的吸收波长.

4.根据权利要求3所述的单频可见光激光器，其特征在于，所述泵浦装置为半导体激光器，光纤激光器或钛宝石固体激光器。

5.根据权利要求1所述的单频可见光激光器，其特征在于，所述外加磁场装置是单一块永久磁铁、通电导线圈或其它磁场产生器件。

6.根据权利要求1所述的单频可见光激光器，其特征在于，所述控制光学晶体温度的光学晶体控温装置由晶体固定及传热元件(5)、第一半导体制冷片(6-01)和第二半导体制冷片(6-02)以及传热底座(7)组成；其中，所述的自倍频晶体(1)被放置和固定在光学晶体控温装置中的晶体固定及传热元件(5)中，晶体固定及传热元件(5)的上下表面分别放置第一半导体制冷片(6-01)、第二半导体制冷片(6-02)进行控温，第一半导体制冷片(6-01)和第二半导体制冷片(6-02)的另一面通过传热底座(7)进行散热。

7.根据权利要求6所述的单频可见光激光器，其特征在于，所述传热底座由导传热材料制作。

8.根据权利要求1所述的单频可见光激光器，其特征在于，所述激光器的运转方式是连续方式，或通过使用在自倍频晶体中掺入Cr3+离子的自倍频晶体而实现调Q运转方式。

9.根据权利要求7所述的单频可见光激光器，其特征在于，所述的导传热材料为紫铜。

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