CN102142653B - Nd:YGG晶体1111nm激光器及在一氧化碳中毒检测中的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及Nd:YGG晶体1111nm激光器及在一氧化碳中毒检测中的应用。包括泵浦源、谐振腔、Nd:YGG激光晶体及特定介质膜，可实现1111nm激光输出。在此激光器的基础上，将沿1111nm倍频方向切割的倍频晶体放入1111nm激光光路上实现555nm附近激光输出，用作一氧化碳中毒的检测光源。本发明的激光器具有结构紧凑、操作简单、成本低、有利于产业化生产等特点。
Description
技术领域
本发明涉及激光器件技术领域，尤其涉及可倍频产生555nm附近波段的1111nm激光器件及其应用。
背景技术
一氧化碳中毒是世界中毒的主要死因之一，更是我国特别是我国北方冬季最常见的中毒之一。因此对于一氧化碳中毒的判定以及中毒程度的测量是检测一氧化碳中毒的重要技术。一氧化碳中毒后，会在血液中形成碳氧血红蛋白。目前医学中判断一氧化碳中毒的重要指标是碳氧血红蛋白含量的测定。其主要原理是：血红蛋白的吸收峰在555nm左右，而碳氧血红蛋白的吸收峰在540nm附近，通过血液对这两个波长的吸收度的对比可以简单的测出一氧化碳中毒的程度。
激光具有单色性高的特点，是医学检测理想的光源。目前，获得540nm的技术已经较为成熟，而对于555nm激光的获得还存在很多问题，主要是通过Nd:YVO4晶体的946nm激光和Nd:YAG晶体的1342nm激光的和频来获得，这需要两台不同的激光器以及通过复杂的实验装置，因此无形之中就增加了激光器件的尺寸、复杂程度以及价格，限制了该波段激光的应用。实际上555nm激光获得的最优技术途径之一是通过1110nm附近激光的倍频来实现，其核心技术难题是1110nm附近激光的获得与倍频晶体的加工，尤其是1110nm附近激光的获得目前是实现555nm附近激光的瓶颈。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种Nd:YGG晶体1111nm激光器，进而提供一种获得555nm附近激光的激光器。
本发明还提供Nd:YGG晶体1111nm激光器的应用。
术语说明：
Nd:YGG晶体，是钕掺杂钇镓石榴石晶体的简写，本领域的常规表达方式。分子式为：(NdxY1-x)3Ga5O12，其中x为Nd离子的掺杂浓度。
LD：半导体激光器的简称。
KTP晶体，是磷酸钛氧钾晶体的缩写，是本领域的常规表达方式，分子式是KTiOPO4。
LBO晶体，是三硼酸锂晶体的缩写，是本领域的常规表达方式，分子式是LiB3O5。
BBO晶体，是β相偏硼酸钡晶体的缩写，是本领域的常规表达方式，分子式为β-BaB2O4。
法布里-珀罗(Fabry-Perot，F-P)腔，为两个平行的光学平面构成的谐振腔，是本领域常见的名词(参考《固体激光工程》，p 207)。
对1111nm高反射：即对1111nm入射光的反射率大于99％。
对1111nm高透过：即对1111nm波段透过率大于99％。
对1.06微米高透过：相对于腔镜来说，1.06微米高透过为对1.06微米波段透过率大于80％，而相对于晶体来说1.06微米高透过为对1.06微米波段透过率大于99％。
555nm附近激光：是指555nm±1nm范围内的激光。
本发明的技术方案如下：
一种Nd:YGG晶体的1111nm激光器，包括泵浦源、Nd:YGG激光晶体、谐振腔；其特征在于，谐振腔是由入射镜和出射镜组成，入射镜镀以对泵浦光和1.06微米高透过且对1111nm高反射的介质膜，出射镜镀以对1.06微米高透过且对1111nm部分反射的介质膜，此时Nd:YGG晶体的两个通光面光学抛光并镀有1.06微米和1111nm高透过的介质膜，这样可以抑制法布里-珀罗(Fabry-Perot，F-P)腔的形成，提高输出激光的稳定性。或者，
谐振腔由Nd:YGG激光晶体两个镀膜的通光面组成，Nd:YGG的入射面光学抛光并镀以对1.06微米高透过且对1111nm高反射的介质膜，出射面镀以对1.06微米高透过且对1111nm部分反射的介质膜。
优选的，以上所述对1111nm部分反射，是指1111nm光透过率为1-20％。
所述Nd:YGG晶体通光方向的尺寸为1mm～10mm。所述Nd:YGG晶体为圆柱形或者长方体。
所述的Nd:YGG晶体，其中Nd的掺杂浓度为0.0001at％-10at％，切割方向可以为任意方向。优选的，所述的Nd:YGG晶体，Nd的掺杂浓度为0.1at％-5at％，切割方向为<111>方向，这样可以在保证对泵浦光高吸收的同时，保存其高的热导率。
本发明上述的泵浦源为能提供泵浦能量的光源，优选半导体激光器(LD)或氙灯。
根据本发明，更为详细的技术方案分为两种形式，分别说明如下：
A、一种Nd:YGG晶体的1111nm激光器(如图1所示)，包括泵浦源和Nd:YGG激光晶体，Nd:YGG激光晶体两个镀膜的通光面组成谐振腔，Nd:YGG激光晶体的光入射面镀有对1111nm高反射且对泵浦光波段和1.06微米激光高透过的介质膜，出射面镀有对1111nm部分透过且对1.06微米高透过介质膜，采用微片式直接出射出1111nm激光。
B、一种Nd:YGG晶体的1111nm激光器(如图2所示)，包括泵浦源、谐振腔和Nd:YGG激光晶体，Nd:YGG晶体位于谐振腔中。其中，所述谐振腔是由镀有对1111nm高反射且对泵浦光波段和1.06微米激光高透过的介质膜的入射镜和镀有对1111nm部分透过且对1.06微米高透过介质膜的出射镜组成。
根据本发明，在上述技术方案A的基础上，还可以有以下的优选：
C、在技术方案B的激光谐振腔内，Nd:YGG晶体与出射镜之间加设调制元件以实现1111nm调Q脉冲激光输出或锁模脉冲激光输出。所述的调制元件为声光调Q开关、电光Q开关、被动Q开关Cr:YAG或被动Q开关GaAs。以实现其调Q脉冲激光输出；所述的调制元件为可饱和吸收镜，以实现锁模激光输出。
本发明的Nd:YGG晶体1111nm激光器的应用，用于制作555nm附近激光输出的激光器，该555nm附近激光输出的激光器可用作潜在的一氧化碳中毒检测光源。具体构建555nm激光输出的方案如下：
一种Nd:YGG晶体的1111nm激光器件的应用，用于产生555nm附近激光输出的激光器时，无论是1111nm连续激光器(方案A或B)还是脉冲激光器(方案C)，只需将一倍频晶体按照1111nm倍频方向进行切割，置于Nd:YGG晶体出射光面相邻的1111nm激光光路上，即可实现555nm附近激光输出。所述倍频晶体是KTP、LBO或BBO晶体。
本发明Nd:YGG晶体1111nm激光器在应用时，具有以下优势：
1.结构紧凑。Nd:YGG晶体1111nm激光器是实现555nm激光的核心，该激光器件的尺寸和结构决定了555nm附近激光器的尺寸和结构复杂程度。该技术是采用1111nm激光的倍频来实现，只是简单的将倍频晶体放于Nd:YGG激光腔中或放于激光腔外，从而采用一台激光器产生555nm附近激光输出，比目前常用产生555nm附近激光不可比拟的优势。
2.操作简单。本发明的Nd:YGG激光腔其核心技术泵浦源、谐振腔以及Nd:YGG晶体三部分，当实现555nm附近激光时，只需将倍频晶体放于激光腔内或激光腔外，这使得操作极其简单，无序复杂的操作。。
3.成本低。本发明的Nd:YGG激光器及其555nm左右激光器，其核心仅为一台Nd:YGG激光器，相较于目前产生555nm附近激光的Nd:YVO4和Nd:YAG两台激光器的和频，在成本上具有明显的优势。
附图说明
图1为本发明的Nd:YGG晶体1111nm微片式连续激光器示意图。
图2为本发明的Nd:YGG晶体1111nm连续激光器示意图。
图3为Nd:YGG晶体1111nm调Q激光器结构示意图。
图4为Nd:YGG晶体1111nm锁模激光器示意图。
图5为Nd:YGG晶体腔外倍频555.5nm激光器结构示意图。
图6为Nd:YGG晶体腔内倍频555.5nm激光器结构示意图。
图7为氙灯侧面泵浦Nd:YGG晶体1111nm激光器结构示意图。
图面说明如下：1.半导体激光器，2.对808nm和1.06nm波段高透过且对1111nm波段高反射的介质膜，3.Nd:YGG晶体，4.对1111nm部分透过且对1.06微米高透过介质膜，5.波长1111nm激光，6.光纤耦合系统，7.聚焦系统，8.入射镜，9.出射镜，10.氙灯，11.Q开关，12.半导体可饱和吸收镜(SESAM)，13.沿1111nm倍频方向切割的倍频晶体，14.波长555.5nm激光输出，L1为入射镜8与出射镜9之间的距离，L2为出射镜9与半导体可饱和吸收镜12之间的距离。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步描述，但不限于此。
实施例1：Nd:YGG晶体1111nm微片式连续激光器
一种Nd:YGG晶体的1111nm激光器，结构如图1所示。其中泵浦源1为发射波长为808nm的半导体激光器，Nd:YGG激光晶体3的光入射面镀有对808nm和1.06微米波段高透过且对1111nm波段高反射的介质膜2，出射面镀有对1111nm透过率为1％且对1.06微米高透过介质膜4，采用微片式直接出射出1111nm激光。
所述Nd:YGG激光晶体为长方体，截面尺寸为1mm×1mm。晶体的两端面是通光平面，两通光平面互相平行且光学抛光，通光方向的尺寸(长度)为1mm。Nd:YGG激光晶体中Nd的掺杂浓度为0.1at％，切割方向为<111>。
应用：
本实施例的Nd:YGG晶体的1111nm激光器用于产生555nm附近激光输出的激光器时，将KTP倍频晶体按照1111nm倍频方向进行切割，尺寸为3mm×3mm×3mm，通光面光学抛光，将KTP倍频晶体放于激光腔外1111nm激光的光路上，可构成555.5nm黄绿光激光器，实现555.5nm激光输出。可用作潜在的一氧化碳中毒检测光源。如图5所示。
实施例2：
一种Nd:YGG晶体的1111nm激光器，结构如图2所示，按照激光出射的方向，依次包括泵浦源1、谐振腔、Nd:YGG激光晶体3，Nd:YGG晶体位于谐振腔中。其中，泵浦源1为发射波长为808nm的半导体激光器，所述谐振腔是由镀有对1111nm波段高反射且对808nm和1.06微米波段高透过的介质膜的入射镜8和镀有对1.06微米高透过且对1111nm透过率为5％的介质膜的输出腔镜9组成。泵浦光通光光纤耦合系统6将光导入聚焦系统7中，之后通过7聚焦到晶体表面3内。
入射镜8与输出射镜9均为平镜，相互平行。
Nd:YGG激光晶体为长方体，截面尺寸为3mm×3mm，晶体的两端面是通光平面，两通光平面互相平行且光学抛光并镀以对1.06微米和1111nm高透过的介质膜，通光方向的尺寸(长度)为5mm。Nd:YGG激光晶体中Nd的掺杂浓度为1at％，切割方向为<100>。
应用：
本实施例的Nd:YGG晶体的1111nm激光器件用于产生555nm附近激光输出的激光器时，将一LBO倍频晶体按照1111nm倍频方向进行切割，尺寸为3mm×3mm×3mm，通光面光学抛光并镀以对1111nm和555.5nm高透过的介质膜，放于谐振腔内Nd:YGG激光晶体出光面外的1111nm激光的光路上，实现555.5nm黄绿光激光输出。结构如图6所示。
实施例3：Nd:YGG晶体1111nm调Q激光器
如实施例2所述的激光器，所不同的是，在谐振腔内、出射镜前紧邻出射镜9设有Q开关11，实现脉冲激光输出。结构如图3所示。
所述Q开关是声光Q开关，电光Q开关，被动Q开关Cr:YAG或被动Q开关GaAs。
实施例4：Nd:YGG晶体1111nm锁模激光器
如实施例2所述的激光器，所不同的是，谐振腔的出射镜9为镀有对1.06微米高透过对1111nm反射率为2％介质膜平凹镜，其曲率半径为500mm；相对于入射镜8，出射镜9倾斜5°的斜角，且入射镜8和出射镜9之间的距离L1为49.5cm。在谐振腔内面向出射镜9距离L2为52.5cm的光路上放置一个可饱和吸收镜12，可饱和吸收镜(SESAM)针对1111nm波段可饱和吸收。用此锁模激光器可实现1111nm锁模激光输出。结构如图4所示。
实施例5：
如实施例2所述的激光器，所不同的是，本实施例是氙灯侧面泵浦Nd:YGG晶体1111nm激光器。结构如图7所示。其中，氙灯10放于Nd:YGG晶体一侧面，Nd:YGG晶体3的Nd掺杂浓度为5at％，沿<001>方向加工成长度为50mm的圆柱体，两端为通光平面，半径为4mm，两通光平面互相平行且光学抛光。该激光器可实现1111nm激光输出。
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Nd:YGG晶体的1111nm激光器，包括泵浦源、Nd:YGG激光晶体、谐振腔；其特征在于，谐振腔是由入射镜和出射镜组成，入射镜镀以对泵浦光和1.06微米高透过且对1111nm高反射的介质膜，出射镜镀以对1.06微米高透过且对1111nm部分反射的介质膜，此时Nd:YGG激光晶体的两个通光面光学抛光并镀有1.06微米和1111nm高透过的介质膜；或者，
谐振腔由Nd:YGG激光晶体两个镀膜的通光面组成，Nd:YGG激光晶体的入射面光学抛光并镀以对1.06微米高透过且对1111nm高反射的介质膜，出射面镀以对1.06微米高透过且对1111nm部分反射的介质膜。
2.如权利要求1所述的激光器，其特征在于所述Nd:YGG激光晶体通光方向的尺寸为1mm～10mm。
3.如权利要求1所述的激光器，其特征在于所述Nd:YGG激光晶体为圆柱形或者长方体。
4.如权利要求1所述的激光器，其特征在于所述的Nd:YGG激光晶体，其中Nd的掺杂浓度为0.0001at％-10at％。
5.如权利要求1所述的激光器，其特征在于所述的Nd:YGG激光晶体，Nd的掺杂浓度为0.1at％-5at％，切割方向为<111>方向。
6.如权利要求1所述的激光器，其特征在于泵浦源为半导体激光器(LD)或氙灯。
7.如权利要求1所述的激光器，其特征在于Nd:YGG激光晶体的两个通光面光学抛光并镀有1.06微米和1111nm高透过的介质膜，Nd:YGG激光晶体位于谐振腔中；其中，所述谐振腔是由镀有对1111nm高反射且对泵浦光波段和1.06微米激光高透过的介质膜的入射镜和镀有对1111nm部分透过且对1.06微米高透过介质膜的出射镜组成；在激光谐振腔内，Nd:YGG激光晶体与出射镜之间加设调制元件以实现1111nm调Q脉冲激光输出或锁模脉冲激光输出。
8.如权利要求7所述的激光器，其特征在于所述的调制元件为声光调Q开关、电光Q开关、被动Q开关Cr:YAG、被动Q开关GaAs或可饱和吸收镜。
9.权利要求1-8任一项所述的激光器的应用，用于制作555nm附近激光输出的激光器，该555nm附近激光输出的激光器进一步用作潜在的一氧化碳中毒检测光源；
将一倍频晶体按照1111nm倍频方向进行切割，置于Nd:YGG激光晶体出射光面相邻的1111nm激光光路上，以实现555nm附近激光输出；所述倍频晶体是KTP、LBO或BBO晶体。
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