CN102244345A - 一种588nm黄光泵浦的可调谐钛宝石激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种588nm黄光泵浦的可调谐钛宝石激光器，808nm或880nm激光二极管泵浦源发出泵浦光；通过传能光纤和耦合透镜组将泵浦光聚焦于Nd:YVO₄晶体内部，产生粒子数反转，在谐振腔反射镜和黄光输出镜构成的谐振腔作用下产生波长为1064nm激光；当强度超过喇曼阈值后产生波长为1176nm一阶斯托克斯光；在黄光倍频晶体作用下产生588nm黄光，通过耦合聚焦镜聚焦于钛宝石晶体内，对钛宝石晶体进行抽运，发生粒子数反转，产生自发辐射光子，在钛宝石激光全反镜和输出镜构成的钛宝石激光谐振腔的作用下，形成钛宝石激光振荡，在色散元件作用下通过调整钛宝石激光全反镜水平方向角度实现波长的可调谐输出。

Description

一种588nm黄光泵浦的可调谐钛宝石激光器

技术领域

本发明涉及激光技术领域中的激光器，特别涉及一种588nm黄光泵浦的可调谐钛宝石激光器。

背景技术

钛宝石激光由于其极宽的可调谐波段(600-1100nm)和优异的晶体性能，成为全固态可调谐激光的重要增益晶体。其宽泛的可调谐波长带来的不利之处是上能级寿命很短，室温下约为3.2μs左右，而且上能级寿命会随晶体的温度升高而明显变短，这给激光器的运转带来很大的不利，尤其在高功率泵浦情况下，其热效应会使上能级寿命变得更短并容易导致温度猝灭。钛宝石晶体的吸收带为400-630nm，吸收峰在490nm附近，传统的钛宝石泵浦源通常采用氩离子激光器(488或514nm)、铜蒸汽激光器(510.6nm)以及全固态倍频Nd:YAG激光器(532nm)。这些波段的泵浦光相对于钛宝石的发射谱具有较大的量子亏损，例如：采用其中心吸收峰附近的488nm氩离子激光抽运，相对其800nm的发射中心波长，之间的能量差高达7992cm^-1，量子亏损率为39％；如目前常用的532nm全固态绿光泵浦，量子亏损率也高达33.5％，因此发热严重，一般需要对钛宝石晶体进行强力的冷却，使整个激光系统变得庞杂。例如：在文献“1-kHz highefficiency Ti：sapphire laser amplifier，Chinese Optics Letters，2007，Vol 5，163-165”中为了降低钛宝石晶体的热效应，实验中将钛宝石温度冷却到142K，而在文章“0.2-TW laser system at 1kHz，Optics Letters，1997，Vol 22(16)，1256-1258”中为了提高高功率钛宝石激光器的性能，将钛宝石晶体置于液氮中冷却，可见钛宝石激光器对冷却条件要求很苛刻。但一味的被动的制冷不利于钛宝石激光器的小型化和实用化，无法从根本上解决问题，不能解决实际应用中的需要。

发明内容

为了从根本上解决钛宝石激光器对冷却条件要求苛刻的问题，满足实际应用中的需要，本发明提供了一种588nm黄光泵浦的可调谐钛宝石激光器，尽量降低钛宝石激光器自身产生的热量，详见下文描述：

一种588nm黄光泵浦的可调谐钛宝石激光器，所述钛宝石激光器包括：808nm或880nm激光二极管泵浦源、传能光纤、耦合透镜组、谐振腔反射镜、Nd:YVO₄晶体、谐波片、黄光倍频晶体、黄光输出镜、耦合聚焦镜、钛宝石激光全反镜、色散元件、钛宝石晶体和钛宝石激光输出镜，

其中，所述谐振腔反射镜为平面镜，镀有1064nm和1176nm高反膜，808nm或880nm增透膜；所述Nd:YVO₄晶体双面镀808nm、1064nm和1176nm增透膜；所述谐波片镀有1064nm和1176nm高透膜以及588nm高反膜；所述黄光倍频晶体双面镀有1064nm、1176nm以及588nm的增透膜；所述黄光输出镜镀有1064nm和1176nm高反膜以及588nm增透膜；所述耦合聚焦镜镀有588nm增透膜；所述钛宝石激光全反镜为平平镜，镀有750-850nm高反膜；所述钛宝石激光输出镜为平平镜，镀有750nm-850nm透过率15％的膜系，

所述808nm或880nm激光二极管泵浦源发出所述Nd:YVO₄晶体吸收带内的泵浦光；通过所述传能光纤和所述耦合透镜组将所述泵浦光聚焦于所述Nd:YVO₄晶体内部，所述Nd:YVO₄晶体产生粒子数反转，在所述谐振腔反射镜和所述黄光输出镜构成的谐振腔作用下产生波长为1064nm激光；所述1064nm激光经过所述Nd:YVO₄晶体时发生受激喇曼散射，当所述1064nm激光的强度超过喇曼阈值后产生波长为1176nm的一阶斯托克斯光在所述谐振腔内振荡；在所述黄光倍频晶体作用下产生588nm黄光，在所述谐波片的反射作用下，所述588nm黄光经所述黄光输出镜输出后作为钛宝石激光的泵浦源；所述588nm黄光通过所述耦合聚焦镜聚焦于所述钛宝石晶体内，对所述钛宝石晶体进行抽运，所述钛宝石晶体发生粒子数反转，产生自发辐射光子，并在所述钛宝石激光全反镜和所述钛宝石激光输出镜构成的钛宝石激光谐振腔的作用下，形成钛宝石激光振荡，所述钛宝石激光在所述色散元件的色散作用下线宽被压窄，通过调整所述钛宝石激光全反镜水平方向的角度实现波长的可调谐输出。

所述钛宝石激光器还包括：声光Q开关，

所述声光Q开关双面镀有1064nm及1176nm增透膜，通过所述声光Q开关使所述1064nm激光实现脉冲运转。

所述钛宝石激光器还包括：泵浦光反馈镜，

所述泵浦光反馈镜镀有588nm高反膜，所述泵浦光反馈镜使经过所述钛宝石晶体后未被吸收的588nm黄光再次通过所述钛宝石晶体。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

本发明提供了一种588nm黄光泵浦的可调谐钛宝石激光器，本发明通过采用位于钛宝石晶体右边吸收带内波长较长的588nm黄光作为泵浦光，有效降低了量子亏损，减少了热量的产生，并且提高激光器效率；对于800nm的钛宝石发光中心波长而言，采用588nm黄光泵浦的量子效率约为73.5％，而采用488nm和532nm激光泵浦的量子效率分别为61％和66.5％，提高了12.5％和7％，产生的热量分别降低了32％和21％，具有明显优势；由于钛宝石激光器自身产生的热量的减少，降低了对钛宝石晶体冷却的要求，有利于钛宝石激光器的小型化和实用化并且降低了钛宝石激光器系统的成本，另外钛宝石激光器自身产生的热量的降低也可在很大程度上改善输出激光的光束质量。

附图说明

图1为钛宝石吸收谱与发射谱的示意图；

图2为本发明提供的一种588nm黄光泵浦的可调谐钛宝石激光器的结构示意图

图3为本发明提供的一种588nm黄光泵浦的可调谐钛宝石激光器的另一结构示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1：808nm或880nm激光二极管泵浦源；2：传能光纤；

3：耦合透镜组；                  4：谐振腔反射镜；

5：Nd:YVO₄晶体；                 6：声光Q开关；

7：谐波片；                      8：黄光倍频晶体；

9：黄光输出镜；                  10：耦合聚焦镜；

11：钛宝石激光全反镜；           12：色散元件；

13：钛宝石晶体；                 14：泵浦光反馈镜；

15：钛宝石激光输出镜。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

为了从根本上解决钛宝石激光器对冷却条件要求苛刻的问题，满足实际应用中的需要，本发明实施例提供了一种588nm黄光泵浦的可调谐钛宝石激光器，参见图1，本发明实施例利用位于钛宝石的吸收谱的右边带(吸收带中心波长右部，540-630nm)内的波长为588nm黄光为泵浦光对钛宝石进行抽运的方式。这种方式的好处是：由于588nm黄光距离钛宝石的发射带较近，泵浦光相对于发射的激光的光子能量差较小，因此可以有效地降低量子亏损所带来的产热，从根本上降低钛宝石晶体的热效应，提高激光器的效率。参见图2，详见下文描述：

一种588nm黄光泵浦的可调谐钛宝石激光器，包括：808nm或880nm激光二极管泵浦源1、传能光纤2、耦合透镜组3、谐振腔反射镜4、Nd:YVO₄晶体5、谐波片7、黄光倍频晶体8、黄光输出镜9、耦合聚焦镜10、钛宝石激光全反镜11、色散元件12、钛宝石晶体13和钛宝石激光输出镜15，

其中，谐振腔反射镜4为平面镜，镀有1064nm和1176nm高反膜，808或880nm增透膜，Nd:YVO₄晶体5双面镀808nm、1064nm和1176nm增透膜，谐波片7镀有1064nm和1176nm高透膜以及588nm高反膜，黄光倍频晶体8双面镀有1064nm，1176nm以及588nm的增透膜，黄光输出镜9镀有1064nm和1176nm高反膜，588nm增透膜，耦合聚焦镜10镀有588nm增透膜，钛宝石激光全反镜11为平平镜，镀有750-850nm高反膜，钛宝石激光输出镜15为平平镜，镀有750nm-850nm透过率15％的膜系，

808nm或880nm激光二极管泵浦源1发出Nd:YVO₄晶体5吸收带内的泵浦光，通过传能光纤2和耦合透镜组3将泵浦光聚焦于Nd:YVO₄晶体5内部，Nd:YVO₄晶体5产生粒子数反转，在谐振腔反射镜4和黄光输出镜9构成的谐振腔作用下产生波长为1064nm激光；1064nm激光经过Nd:YVO₄晶体5时发生受激喇曼散射，当1064nm激光的强度超过喇曼阈值后产生波长为1176nm的一阶斯托克斯光在谐振腔内振荡；在黄光倍频晶体8作用下产生588nm黄光，在谐波片7的反射作用下，588nm黄光经黄光输出镜9输出后作为钛宝石激光的泵浦源；588nm黄光通过耦合聚焦镜10聚焦于钛宝石晶体13内，对钛宝石晶体进行抽运，钛宝石晶体13发生粒子数反转，产生自发辐射光子，并在钛宝石激光全反镜11和钛宝石激光输出镜15构成的钛宝石激光谐振腔的作用下，形成钛宝石激光振荡，钛宝石激光在色散元件12的色散作用下线宽被压窄，通过调整钛宝石激光全反镜11水平方向的角度实现波长的可调谐输出。

其中，钛宝石激光的泵浦源可以是连续运转、脉冲运转或调制运转，具体实现时，本发明实施例对此不做限制。

其中，钛宝石激光全反镜11和钛宝石激光输出镜15构成的钛宝石激光谐振腔可以是简单的两镜腔也可以是多镜腔，具体实现时，本发明实施例对此不做限制。

其中，为了提高588nm泵浦光的功率和实现钛宝石激光器的脉冲运转，本发明实施例中的钛宝石激光器，还包括：声光Q开关6，声光Q开关6双面镀有1064nm及1176nm增透膜，通过声光Q开关使1064nm激光实现脉冲运转。

其中，为了增加钛宝石晶体13对泵浦光的吸收效率，本发明实施例中的钛宝石激光器，还包括：泵浦光反馈镜14，泵浦光反馈镜14镀有588nm高反膜，泵浦光反馈镜14使经过钛宝石晶体13后未被吸收的泵浦光再次通过钛宝石晶体13。

其中，钛宝石晶体13对588nm的吸收效率约为吸收中心波长490nm的50％，吸收系数约等于0.7cm^-1，20mm的钛宝石晶体13即可实现75％的吸收，可以满足激光泵浦的需要，为了增加泵浦光的吸收效率，可以根据实际应用中的需要来选择钛宝石晶体13的长度。

其中，具体实现时，色散元件12可以是一个也可以是多个，本发明实施例中的色散元件12以色散棱镜为例进行说明，具体实现时还可以为其他的色散元件12，例如：双折射滤光片和光栅等，本发明实施例对此不做限制。

其中，钛宝石激光器可以是锁模运转、调Q运转或连续运转。

下面以一个实验来验证本发明实施例提供的一种588nm黄光泵浦的可调谐钛宝石激光器的可行性，其中，808nm或880nm激光二极管泵浦源1的输出功率为30W；传能光纤2的芯径400μm，数值孔径为0.22；耦合透镜组3由两块平凸镜组成，构成1∶1成像系统；Nd:YVO₄晶体5规格为3×3×15mm³，掺杂浓度为0.3％，同时起到激光增益介质和喇曼增益介质的作用；声光Q开关6的超声波频率40.68MHz，射频功率20W；黄光倍频晶体8采用LBO(三硼酸锂)晶体，切割角为θ＝90°，

规格为3×3×15mm³；耦合聚焦镜10焦距为50mm；色散棱镜12为等边棱镜；钛宝石晶体13以布鲁斯特角切割，FOM(Figure of merit，品质因数)为300，规格为7×7×15mm³；泵浦光反馈镜14为平凹镜，曲率半径为50mm；色散元件12为色散棱镜，本发明实施例以等边棱镜为例，其中，1-9构成了黄光泵浦源的一种具体形式，其工作原理详见下文描述：

808nm或880nm激光二极管泵浦源1发出Nd:YVO₄晶体吸收带内的泵浦光，通过传能光纤2和耦合透镜组3将泵浦光聚焦于Nd:YVO₄晶体5内部，使Nd:YVO₄晶体5产生粒子数反转继而在谐振腔反射镜4和黄光输出镜9的构成的谐振腔作用下产生波长为1064nm激光振荡；1064nm激光经过Nd:YVO₄晶体5时会发生受激喇曼散射，当腔内1064nm激光的强度超过喇曼阈值后，产生波长为1176nm的一阶斯托克斯光，1176nm的一阶斯托克斯光将在谐振腔反射镜4以及黄光输出镜9之间形成振荡，在黄光倍频晶体8作用下产生588nm黄光，经黄光输出镜9输出后作为钛宝石激光的泵浦源，声光Q开关6用于提高峰值功率以提高喇曼过程和倍频过程的非线性转换效率；在谐波片7的反射作用下588nm黄光由耦合聚焦镜10聚焦于钛宝石晶体13内对其进行抽运，使钛宝石晶体13发生粒子数反转，产生自发辐射光子，并在钛宝石激光全反镜11和钛宝石激光输出镜15构成的钛宝石激光谐振腔的作用下，形成钛宝石激光振荡，钛宝石激光在色散棱镜12的色散作用下线宽被压窄，通过调整钛宝石全反镜11水平方向的角度来实现波长的可调谐输出，泵浦光反馈镜14使经过钛宝石晶体13后未被吸收的588nm黄光再次通过钛宝石晶体13。验证了本发明实施例提供的一种588nm黄光泵浦的可调谐钛宝石激光器的可行性。

综上所述，本发明实施例提供了一种588nm黄光泵浦的可调谐钛宝石激光器，本发明实施例通过采用位于钛宝石晶体右边吸收带内波长较长的588nm黄光作为泵浦光，有效降低了量子亏损，减少了热量的产生，并且提高激光器效率。对于800nm的钛宝石发光中心波长而言，采用588nm黄光泵浦的量子效率约为73.5％，而采用488nm和532nm激光泵浦的量子效率分别为61％和66.5％，提高了12.5％和7％，产生的热量分别降低了32％和21％，具有明显优势；由于钛宝石激光器自身产生的热量的减少，降低了对钛宝石晶体13冷却的要求，有利于钛宝石激光器的小型化和实用化并且降低了钛宝石激光器的成本，另外钛宝石激光器自身产生的热量的降低也可在很大程度上改善输出激光的光束质量。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种588nm黄光泵浦的可调谐钛宝石激光器，其特征在于，所述钛宝石激光器包括：808nm或880nm激光二极管泵浦源、传能光纤、耦合透镜组、谐振腔反射镜、Nd:YVO₄晶体、谐波片、黄光倍频晶体、黄光输出镜、耦合聚焦镜、钛宝石激光全反镜、色散元件、钛宝石晶体和钛宝石激光输出镜，

其中，所述谐振腔反射镜为平面镜，镀有1064nm和1176nm高反膜，808nm或880nm增透膜；所述Nd:YVO₄晶体双面镀808nm、1064nm和1176nm增透膜；所述谐波片镀有1064nm和1176nm高透膜以及588nm高反膜；所述黄光倍频晶体双面镀有1064nm、1176nm以及588nm的增透膜；所述黄光输出镜镀有1064nm和1176nm高反膜以及588nm增透膜；所述耦合聚焦镜镀有588nm增透膜；所述钛宝石激光全反镜为平平镜，镀有750-850nm高反膜；所述钛宝石激光输出镜为平平镜，镀有750nm-850nm透过率15％的膜系，

所述808nm或880nm激光二极管泵浦源发出所述Nd:YVO₄晶体吸收带内的泵浦光；通过所述传能光纤和所述耦合透镜组将所述泵浦光聚焦于所述Nd:YVO₄晶体内部，所述Nd:YVO₄晶体产生粒子数反转，在所述谐振腔反射镜和所述黄光输出镜构成的谐振腔作用下产生波长为1064nm激光；所述1064nm激光经过所述Nd:YVO₄晶体时发生受激喇曼散射，当所述1064nm激光的强度超过喇曼阈值后产生波长为1176nm的一阶斯托克斯光在所述谐振腔内振荡；在所述黄光倍频晶体作用下产生588nm黄光，在所述谐波片的反射作用下，所述588nm黄光经所述黄光输出镜输出后作为钛宝石激光的泵浦源；所述588nm黄光通过所述耦合聚焦镜聚焦于所述钛宝石晶体内，对所述钛宝石晶体进行抽运，所述钛宝石晶体发生粒子数反转，产生自发辐射光子，并在所述钛宝石激光全反镜和所述钛宝石激光输出镜构成的钛宝石激光谐振腔的作用下，形成钛宝石激光振荡，所述钛宝石激光在所述色散元件的色散作用下线宽被压窄，通过调整所述钛宝石激光全反镜水平方向的角度实现波长的可调谐输出。

2.根据权利要求1所述的一种588nm黄光泵浦的可调谐钛宝石激光器，其特征在于，所述钛宝石激光器还包括：声光Q开关，

所述声光Q开关双面镀有1064nm及1176nm增透膜，通过所述声光Q开关使所述1064nm激光实现脉冲运转。

3.根据权利要求1所述的一种588nm黄光泵浦的可调谐钛宝石激光器，其特征在于，所述钛宝石激光器还包括：泵浦光反馈镜，

所述泵浦光反馈镜镀有588nm高反膜，所述泵浦光反馈镜使经过所述钛宝石晶体后未被吸收的588nm黄光再次通过所述钛宝石晶体。

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