CN102280808A - 一种自倍频激光器 - Google Patents
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Abstract
一种LD泵浦的自倍频激光器，包括热沉、LD泵浦源、泵浦耦合系统、体光栅、激光谐振腔。所述的LD泵浦源输出波长经体光栅外腔技术被锁定在自倍频晶体的峰值吸收波长处，然后进入自倍频晶体产生自倍频激光。本发明采用体光栅压窄LD输出带宽并将输出波长锁定，并通过对自倍频晶体沿不同相位匹配方向切割，可以分别实现宽带红光、绿光或者蓝光的倍频激光输出，有利于自倍频激光器应用和产业化。
Description
技术领域
本发明涉及全固态激光技术领域，特别涉及一种采用体光栅外腔技术压窄半导体激光器(Laser-diode，LD)输出谱宽、锁定输出波长的高效、稳定的自倍频激光器。
背景技术
目前，获得可见光激光的主要方法是利用KTP等非线性光学晶体，对掺Nd3+离子激光晶体产生的0.9μm、1.06μm和1.3μm波段激光倍频。通过将Nd:YVO4晶体和KTP晶体利用光胶结合到一起，并在晶体表面和胶合面镀膜，使之形成激光振荡，获得高效率的绿光输出，已经实现了商品化。但是晶体胶合技术一直限制了激光器的成本和工艺的简化，并且包含激光工作物质和倍频材料两种晶体的激光器使得机构比较复杂。最理想的获得可见光激光输出的方式是将激光振荡和倍频作用两种技术集中在同一块晶体上，获得自倍频激光。自倍频激光器结构简单，成本低。多年来，人们一直在探索自倍频晶体，先后发明了Nd:MgO:LiNbO3、NYAB(NdYAl3(BO3)4)、Nd:YCOB(Nd:YCa4O(BO3)3)和Nd:GdCOB(Nd:GdCa4O(BO3)3)等自倍频晶体并实现了自倍频绿光输出。但是一般的自倍频激光晶体吸收带宽较窄且比较锐，吸收效率较低。半导体激光器(Laser-diode，LD)以其体积小、功率高、价格便宜等独特优点广泛应用于固体激光器的泵浦。但是，由于宽条形半导体激光器的能带发光、多模激射特征和能带宽度对温度的敏感特性，LD在自由运转时输出光束的光谱宽度约为2～4nm，中心波长随温度(大约0.3nm/K)和注入电流的大小发生变化。这些问题都难以在常规的法布里-珀罗(F-P)腔结构器件中解决。因此，一般LD泵浦自倍频激光器效率较低并且稳定性较差，从而限制了自倍频激光器的应用和发展。
发明内容
为克服现有技术的缺陷和不足，本发明提供一种高效率、稳定的LD泵浦的自倍频激光器，利用体光栅(如体布拉格光栅(Volume Bragg Grating，VBG)、体全息光栅(Volumeholographic Grating，VHG)、光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating，FBG))与LD构成外腔系统有效的压窄LD的输出光束的线宽，将LD的输出波长锁定在晶体的吸收峰位置并较大程度的保持了LD的高效工作，从而提高自倍频晶体的吸收效率和激光输出的稳定性，有利于自倍频激光器的应用和产业化的发展。
本发明按照下面所述的方式实现：
一种LD泵浦的高效稳定的自倍频激光器，包括热沉、LD泵浦源、耦合系统、体光栅、激光谐振腔。其中激光谐振腔包括输入端镜、激光自倍频晶体、激光输出腔镜。输入腔镜镀对泵浦光的增透膜以及基频光和倍频光的高反膜，输出腔镜镀对基频光的高反膜以及倍频光的高透膜。激光自倍频晶体按照相应的相位匹配角度切割，两端镀对基频光和倍频光高透膜。
体光栅作为一种新型的光栅元件具有体积小、结构简单、功能灵活的优点。以体布拉格光栅VBG为例说明体光栅的波长选择性。以体布拉格光栅VBG为例说明平面光栅的波长选择性。VBG是一种折射率呈周期Λ变化的光学晶体，其折射率可表示为：
n(z)＝n0+n1f(z)
式中，f(z)是周期Λ的函数，n0为VBG的平均折射率，n1为折射率调制振幅。VBG的反射波长有布拉格条件决定：
2Λn0cosθ＝mλ
其中，m为衍射级次，θ折射角。当具有一定带宽的光束以一定角度进入VBG时，其中只有一个波长λ会被反射。因此，通过改变光束的入射角度，就可以改变反射的波长。LD出射光束经耦合系统准直后大部分将透过VBG，而波长范围在(811±0.2)nm(Nd:YCOB晶体峰值吸收波长)范围内的光束有一部分被反射回LD，由于VBG对特定波长的角度选择性，反射回去的光束其发散角度远小于LD的发散角。这样，便构成一个具有波长选择性质的外腔，反馈回去的部分将在LD的后端面和VBG之间形成稳定的振荡，实现了波长的锁定。与其他方式相比，VBG外腔锁定减小了LD出射光束的谐振腔腔长，减少了LD在慢轴方向上的功率损耗，有利于获得大功率的泵浦激光输出。
所述的泵浦源是单个激光二极管(LD)，或者是LD列阵，或带光纤耦合输出的LD。
所述的耦合系统是单个透镜或是透镜组。
所述的泵浦源发出的光泵浦源LD输出光束经耦合系统进入晶体，或直接进入晶体，或经光纤耦合后进入晶体。
所述体光栅所述体光栅放在泵浦源LD与耦合系统之间，或放在耦合系统之后。
所述的体光栅镀有对泵浦光高透的膜系。
上述高透膜是指透过率大于90％的介质膜；高反膜是指反射率大于90％的介质膜。
所述的激光自倍频晶体，是Nd:LN，或是Nd:YAB，或是Nd:NLSB，或是Nd:Nd:LCB，或是Nd:ReCOB，其中Re指稀土离子中的一种。
所述的激光自倍频晶体按倍频的相位匹配角度切割。
本发明工作原理如下：采用合适的体光栅外腔技术可以将LD的输出波长锁定在晶体的吸收峰值处。LD的输出光束经耦合系统准直聚焦，进入自倍频晶体进行泵浦产生自倍频激光。
本发明采用体光栅外腔技术对LD输出波长进行锁定，解决了由于LD输出波长随温度变化漂移造成输出效率不高和输出功率不稳定的问题。本发明高效、稳定且结构简单紧凑，使用方便，安装调试容易，便于工程化推广。
附图说明
图1，本发明腔内倍频微片激光器的结构示意图。其中1为热沉，2为LD泵浦源，3为耦合系统，4为体光栅，5为谐振腔输入镜，6为自倍频晶体，7为谐振腔输出镜。
具体实施方案
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明，但不限于此。
实施实例一(以VBG外腔锁定和Nd:YCOB自倍频晶体为例)：
按照说明书附图1制作一台高效稳定的自倍频绿光激光器(以0.53μm绿光为例)，包括热沉1，LD泵浦源2，耦合系统3，VBG 4，谐振腔输入镜5，Nd:YCOB自倍频晶体6，谐振腔输出镜7。激光谐振腔的镀膜情况如下：谐振腔输入镜5腔外侧镀泵浦光(以811nm处吸收峰为例)增透膜(AR811m)，腔内侧对基频光和倍频光高反膜(HR1.06μm&0.53μm)；谐振腔输出镜7镀腔内侧基频光高反膜(HR1.06μm)，外侧镀倍频光高透膜(HT0.53μm)。其中，自倍频晶体6按1.06μm倍频位相匹配角度切割。LD发出的泵浦光经耦合系统3进入VBG 4，大部分将透过VBG，而波长范围在(811±0.2)nm(Nd:YCOB晶体峰值吸收波长)范围内的光束有一部分被反射回LD，由于VBG对特定波长的角度选择性，这样便构成一个具有波长选择性质的外腔，反馈回去的部分将在LD的后端面和VBG之间形成稳定的振荡，实现了波长的锁定。锁定后泵浦光进入Nd:YCOB自倍频晶体6，由谐振腔输入镜5、谐振腔输出镜7构成谐振腔，从而产生0.53μm自倍频绿光输出。由于VBG对LD输出波长的锁定，使得LD输出光谱基本不随温度变化，获得高效的稳定输出。
实施实例二：
按照说明书附图1制作一台高效稳定的自倍频绿光激光器，与实施实例一不同的是：采用VHG或FBG等其他体光栅对LD输出波长进行锁定。
实施实例三：
按照说明书附图1制作一台高效稳定的自倍频红光激光器，与实施实例一不同的是：5镀AR811nm和HR1.33μm&0.67μm；6镀HR1.33μm，HT0.67μm。
实施实例四：
按照说明书附图1制作一台具有较宽温度带宽的高效的倍频蓝光激光器，与实施实例一不同的是：5镀AR811nm和HR0.9μm&0.45μm；6镀HR0.9μm，HT0.45μm。
实施实例五：
按照说明书附图1制作一台具有较宽温度带宽的高效的倍频激光器，与实施实例一不同的是：在晶体两端面镀膜形成谐振腔。
Claims (14)
1.一种自倍频激光器，包括热沉、LD泵浦源、耦合系统、体光栅及激光谐振腔，其特征在于：采用体光栅外腔技术将LD的输出波长锁定在所述激光自倍频晶体的吸收峰值处，LD的输出光束经所述耦合系统准直聚焦，进入按相应倍频相位匹配方向切割的所述激光自倍频晶体进行泵浦产生自倍频激光。
2.如权利要求1所述的自倍频激光器，其特征在于：利用腔镜形成所述激光谐振腔。
3.如权利要求2所述的自倍频激光器，其特征在于：所述腔镜包括输入腔镜和输出腔镜。
4.如权利要求1所述的自倍频激光器，其特征在于：在所述激光自倍频晶体两端面镀膜形成所述激光谐振腔。
5.如权利要求1所述的自倍频激光器，其特征在于：所述体光栅是体布拉格光栅(VBG)、体全息光栅(VHG)及光纤布拉格光栅(FBG)中的一种。
6.如权利要求1所述的自倍频激光器，其特征在于：所述LD泵浦源采用单管LD，或LD列阵，或带光纤耦合输出的LD。
7.如权利要求1所述的自倍频激光器，其特征在于：所述耦合系统是单个透镜，或透镜组。
8.如权利要求1所述的自倍频激光器，其特征在于：所述体光栅放在LD泵浦源与耦合系统之间，或放在耦合系统之后。
9.如权利要求1所述的自倍频激光器，其特征在于：所述LD的输出光束全部入射到体光栅上，或部分入射到体光栅上。
10.如权利要求1所述的自倍频激光器，其特征在于：所述LD的输出光束垂直入射到体光栅上，或以小于90°的倾斜角入射到体光栅上。
11.如权利要求1-10所述的自倍频激光器，其特征在于：所述激光自倍频晶体是Nd:MgO:LiNbO3、NdYAl3(BO3)4、Nd:LaSc2(BO3)4、Nd:La2CaB10O19或Nd:ReCa4O(BO3)3，其中Re指稀土离子中的一种。
12.如权利要求1-10所述的自倍频激光器，其特征在于：所述LD泵浦源的输出波长被体光栅锁定在相应自倍频晶体的吸收峰值处。
13.如权利要求11所述的自倍频激光器，其特征在于：所述LD泵浦源的输出波长被体光栅锁定在相应自倍频晶体的吸收峰值处。
14.如权利要求1-10所述的自倍频激光器，其特征在于：通过对所述激光自倍频晶体沿不同相位匹配方向切割，分别实现红、绿、蓝自倍频激光输出。
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