CN102299471B

CN102299471B - 腔外谐振紫外激光产生装置

Info

Publication number: CN102299471B
Application number: CN 201110175097
Authority: CN
Inventors: 张昕; 杨军; 鞠涛; 伍浩成; 岳耀笠; 李沼云; 侯国忠
Original assignee: CETC 34 Research Institute
Current assignee: CETC 34 Research Institute
Priority date: 2011-06-27
Filing date: 2011-06-27
Publication date: 2013-03-20
Anticipated expiration: 2031-06-27
Also published as: CN102299471A

Abstract

本发明公开一种腔外谐振紫外激光产生装置，包括位于同一准直光路上的二次谐波系统和四次谐波系统。其中二次谐波系统为全固态激光器结构，四次谐波系统为腔外谐振结构，其主要由532nm光隔离器、四次谐波前端双色镜片、四次谐波非线性光学频率变换晶体和四次谐波后端双色镜片组成；532nm光隔离器后置于二次谐波系统准直光路输出端上；由四次谐波前、后端双色镜片所形成的四次谐波F-P谐振腔位于532nm光隔离器的后方，四次谐波非线性光学频率变换晶体处于四次谐波F-P谐振腔内。本发明具有结构简单、体积小、功率大、激光输出功率稳定且光束质量好等特点。

Description

腔外谐振紫外激光产生装置

技术领域

本发明属于激光技术领域，特别涉及一种腔外谐振紫外激光产生装置。

背景技术

目前紫外光激光的产生机制大都采用氢离子紫外激光器、氩离子激光器、LED紫外激光器、或利用LD或全固态激光器输出的二次谐波，通过非线性光学晶体频率变换，再利用三棱镜分光来实现紫外激光输出。首先，上述各种类型的激光器中，氢离子激光器安全系数低、氩离子激光器体积庞大、LED紫外激光器相干性差、LD变频产生紫外光输出质量差且价格较高；其次，上述固体激光器产生紫外光主要是利用BBO等非线性光学晶体对全固态二次谐波进行频率变换来实现紫外激光输出。虽然全固态激光器结构相对紧凑，输出光束质量较好，但由于二次谐波和四次谐波一般都采用三棱镜分光，限制其功率的进一步提高，且占用了整体激光器的有限空间，这样就增加了固体激光器装置结构的复杂性，限制其结构的进一步压缩。因而提供一种结构简单、体积小、输出稳定且光束质量高、功率大的紫外激光产生装置具有重要的意义。它具有广阔的应用前景和重要的科学研究价值。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种腔外谐振紫外激光产生装置，其具有结构简单、体积小、功率大、激光输出功率稳定且光束质量好等特点。

为解决上述问题，本发明所设计的一种腔外谐振紫外激光产生装置，包括二次谐波系统和四次谐波系统；其中二次谐波系统为全固态激光器结构、并输出中心波长为532nm的激光，四次谐波系统为腔外谐振结构、并输出中心波长为266nm的激光，二次谐波系统和四次谐波系统位于同一准直光路上；上述四次谐波系统主要由532nm光隔离器、四次谐波前端双色镜片、四次谐波非线性光学频率变换晶体和四次谐波后端双色镜片组成；532nm光隔离器后置于二次谐波系统准直光路输出端上；由四次谐波前、后端双色镜片所形成的四次谐波F-P谐振腔位于532nm光隔离器的后方，四次谐波非线性光学频率变换晶体处于四次谐波F-P谐振腔内；上述532nm光隔离器、四次谐波前端双色镜片、四次谐波非线性光学频率变换晶体和四次谐波后端双色镜片共同处于同一准直光路上。

上述方案中，四次谐波系统的四次谐波前端双色镜片上镀有中心波长为532nm的增透膜和中心波长为266nm的高反射膜；四次谐波非线性光学频率变换晶体的两个通光面上均镀有中心波长为532nm和266nm的高透膜；四次谐波后端双色镜片上镀有中心波长为532nm的高反射膜和中心波长为266nm的增透膜。

上述方案中，四次谐波非线性光学频率变换晶体由偏硼酸钡构成。

本发明所述二次谐波系统主要由位于同一准直光路上的LD泵浦源、泵浦输入耦合透镜组、二次谐波前端三色镜片、激光工作物质晶体、声光调Q组件、532nm激光谐波镜片、二次谐波非线性光学频率变换晶体、二次谐波末端双色镜片和输出准直透镜组构成；其中LD泵浦源后置泵浦输入耦合透镜组，由二次谐波前端三色镜片和二次谐波末端双色镜片所形成的二次谐波F-P谐振腔位于泵浦输入耦合透镜组的后方；激光工作物质晶体、声光调Q组件、532nm激光谐波镜片和二次谐波非线性光学频率变换晶体依次设置在二次谐波F-P谐振腔内；二次谐波F-P谐振腔后方设置输出准直透镜组。

上述方案中，泵浦输入耦合透镜组采用非球面透镜组或显微镜物镜组。

上述方案中，输出准直透镜组采用两个非球面准直透镜，且两个非球面准直透镜上均镀有中心波长为532nm的高透膜。

上述方案中，二次谐波前端三色镜片上镀有中心波长为808nm的泵浦光高透膜及中心波长为1064nm和532nm的高反膜；激光工作物质晶体和声光调Q组件的两个通光面上均镀有中心波长为1064nm的增透膜；532nm激光谐波镜片上镀有中心波长为1064nm的增透膜和中心波长为532nm的高反膜；二次谐波非线性光学频率变换晶体的两个通光面上同时镀有中心波长为1064nm和532nm的高透膜；二次谐波末端双色镜片上镀有中心波长为1064nm的高反膜和中心波长为532nm的高透膜。

上述方案中，激光工作物质晶体由掺钕钇铝石榴石构成，且LD泵浦源的中心波长与该激光工作物质晶体的峰值吸收波长相匹配。

与现有技术相比，本发明采用全固态激光器与腔外谐振结构相结合方式，使得基频光波在全固态激光器内实现光波的二次谐波转化，而在后方腔外谐振结构中实现光波的四次谐波的转化；这不仅使紫外激光产生装置的体积缩小、结构变得更为简单、紧凑，而且能保证高光束质量、高输出功率及高的性能稳定性；从而能够为激光工业、激光育种，尤其是紫外激光大气通信等应用领域提供一种体积小、性能稳定、输出功率高、输出光束质量好的紫外光激光产生装置。

附图说明

图1为本发明一种腔外谐振紫外激光产生装置的结构示意图。

图中标号：

1、二次谐波系统；1-1、LD泵浦源；1-2、泵浦输入耦合透镜组；1-3、二次谐波前端三色镜片；1-4、激光工作物质晶体；1-5、声光调Q组件；1-6、532nm激光谐波镜片；1-7、二次谐波非线性光学频率变换晶体；1-8、二次谐波末端双色镜片；1-9、输出准直透镜组；

2、四次谐波系统；2-1、532nm光隔离器；2-2、四次谐波前端双色镜片；2-3、四次谐波非线性光学频率变换晶体；2-4、四次谐波后端双色镜片。

具体实施方式

参见图1，本发明是一种腔外谐振紫外激光产生装置，包括二次谐波系统1和四次谐波系统2。其中二次谐波系统1为全固态激光器结构、并输出中心波长为532nm的激光，四次谐波系统2为腔外谐振结构、并输出中心波长为266nm的激光，二次谐波系统1和四次谐波系统2位于同一准直光路上。

本发明的二次谐波系统1主要由位于同一准直光路上的LD泵浦源1-1、泵浦输入耦合透镜组1-2、二次谐波前端三色镜片1-3、激光工作物质晶体1-4、声光调Q组件1-5、532nm激光谐波镜片1-6、二次谐波非线性光学频率变换晶体1-7、二次谐波末端双色镜片1-8和输出准直透镜组1-9构成。其中LD泵浦源1-1后置有泵浦输入耦合透镜组1-2。由二次谐波前端三色镜片1-3和二次谐波末端双色镜片1-8所形成的二次谐波F-P谐振腔位于泵浦输入耦合透镜组1-2的后方。激光工作物质晶体1-4、声光调Q组件1-5、532nm激光谐波镜片1-6和二次谐波非线性光学频率变换晶体1-7则依次设置在二次谐波F-P谐振腔内。二次谐波F-P谐振腔后方设置输出准直透镜组1-9。即泵浦输入耦合透镜组1-2后设置有二次谐波前端三色镜片1-3，二次谐波前端三色镜片1-3后设置激光工作物质晶体1-4，激光工作物质晶体1-4后设置声光调Q组件1-5，声光调Q组件1-5后设置532nm激光谐波镜片1-6，532nm激光谐波镜片1-6后设置二次谐波非线性光学频率变换晶体1-7，二次谐波非线性光学频率变换晶体1-7后设置二次谐波末端双色镜片1-8，二次谐波末端双色镜片1-8后设置输出准直透镜组1-9。为了缩短腔长，上述二次谐波F-P谐振腔内的各个组成部件应尽量紧靠。

二次谐波系统1的LD泵浦源1-1带尾纤输出，其输出光斑直径为800μm，数值孔径为0.22，最大输出功率为9W，中心波长与掺钕钇铝石榴石所构成的激光工作物质晶体1-4的峰值吸收波长相匹配、即中心波长为808nm。泵浦输入耦合透镜组1-2采用非球面透镜组或显微镜物镜组。二次谐振前端三色镜片上镀有中心波长为808nm的泵浦光高透膜(透过率99％)、中心波长为1064nm和532nm的高反膜(反射率＞98％)。激光工作物质晶体1-4和声光调Q组件1-5的两个通光面上均镀有中心波长为1064nm的增透膜(透过率99％)，且侧面打毛。532nm激光谐波镜片1-6上镀有中心波长为1064nm的增透膜(透过率99％)和中心波长为532nm的高反膜(反射率＞98％)。二次谐波非线性光学频率变换晶体1-7的两个通光面上同时镀有中心波长为1064nm和中心波长为532nm的高透膜(透过率均为99％)。二次谐振末端双色镜片上镀有中心波长为1064nm的高反膜(反射率＞98％)和中心波长为532nm的高透膜(透过率90％)。输出准直透镜组1-9采用两个非球面准直透镜，且两个非球面准直透镜上均镀有中心波长为532nm的高透膜(透过率99％)。

本发明的四次谐波系统2主要由532nm光隔离器2-1、四次谐波前端双色镜片2-2、四次谐波非线性光学频率变换晶体2-3和四次谐波后端双色镜片2-4组成；532nm光隔离器2-1后置于二次谐波系统1准直光路输出端上；由四次谐波前、后端双色镜片所形成的四次谐波F-P谐振腔位于532nm光隔离器2-1的后方，且四次谐波非线性光学频率变换晶体2-3处于四次谐波F-P谐振腔内；上述532nm光隔离器2-1、四次谐波前端双色镜片2-2、四次谐波非线性光学频率变换晶体2-3和四次谐波后端双色镜片2-4共同处于同一准直光路上。

四次谐波系统2的四次谐波前端双色镜片2-2上镀有中心波长为532nm的增透膜(透射率为70％)和中心波长为266nm的高反射膜(反射率＞99％)。四次谐波非线性光学频率变换晶体2-3由偏硼酸钡等非线性晶体构成，其两个通光面上均镀有中心波长为532nm和266nm的增透膜(透过率＞99％)，且侧面打毛。四次谐波后端双色镜片2-4上镀有中心波长为532nm的高反射膜(反射率＞99％)和中心波长为266nm的增透膜(透射率为75％)。

本发明的具体工作过程为：

在二次谐波系统1中，LD泵浦源1-1产生的泵浦光通过泵浦输入耦合透镜组1-2耦合聚焦到二次谐波前端三色镜片1-3上。通过二次谐波前端三色镜片1-3激发掺钕钇铝石榴石所构成的激光工作物质晶体1-4，产生波长为1064nm基频光。产生的基频光在二次谐波F-P谐振腔内来回振荡通过基频光的声光调Q组件1-5。为了提高波长为1064nm的基频激光的利用率，本发明增加了532nm激光谐波镜片1-6。波长为1064nm的基频激光经过二次谐波非线性光学频率变换晶体1-7实现二次谐波的转化，并在二次谐波F-P谐振腔中形成中心波长为532nm的高功率二次谐波振荡。最后经二次谐波末端双色镜片1-8输出该二次谐波激光。二次谐波系统1输出的波长为532nm激光经过输出准直透镜组1-9进入四次谐波系统2中。

二次谐波系统1输出的激光通过四次谐波系统2的532nm光隔离器2-1后，射向四次谐波前端双色镜片2-2。上述激光经过四次谐波前端双色镜片2-2后在四次谐波F-P谐振腔内来回振荡，并通过四次谐波非线性光学频率变换晶体2-3实现四次谐波的转化，以形成中心波长为266nm的高功率四次谐波振荡。最后经四次谐波末端双色镜片输出中心波长为266nm的四次谐波，从而获得266nm紫外激光输出。

本实例的腔外谐振产生紫外激光的装置可输出380mW以上的高光束质量紫外激光，且功率输出稳定性好，结构紧凑、体积小，电-光转化效率较高，是理想的大气通信紫外激光光源。

Claims

1.腔外谐振紫外激光产生装置，其特征在于：包括二次谐波系统(1)和四次谐波系统(2)；其中二次谐波系统(1)为全固态激光器结构、并输出中心波长为532nm的激光，四次谐波系统(2)为腔外谐振结构、并输出中心波长为266nm的激光，二次谐波系统(1)和四次谐波系统(2)位于同一准直光路上；上述四次谐波系统(2)主要由532nm光隔离器(2-1)、四次谐波前端双色镜片(2-2)、四次谐波非线性光学频率变换晶体(2-3)和四次谐波后端双色镜片(2-4)组成；532nm光隔离器(2-1)后置于二次谐波系统(1)准直光路输出端上；由四次谐波前、后端双色镜片所形成的四次谐波F-P谐振腔位于532nm光隔离器(2-1)的后方，四次谐波非线性光学频率变换晶体(2-3)处于四次谐波F-P谐振腔内；上述532nm光隔离器(2-1)、四次谐波前端双色镜片(2-2)、四次谐波非线性光学频率变换晶体(2-3)和四次谐波后端双色镜片(2-4)共同处于同一准直光路上。

2.根据权利要求1所述的腔外谐振紫外激光产生装置，其特征在于：四次谐波系统(2)的四次谐波前端双色镜片(2-2)上镀有中心波长为532nm的增透膜和中心波长为266nm的高反射膜；四次谐波非线性光学频率变换晶体(2-3)的两个通光面上均镀有中心波长为532nm和266nm的高透膜；四次谐波后端双色镜片(2-4)上镀有中心波长为532nm的高反射膜和中心波长为266nm的增透膜。

3.根据权利要求1所述的腔外谐振紫外激光产生装置，其特征在于：四次谐波非线性光学频率变换晶体(2-3)为偏硼酸钡非线性晶体。

4.根据权利要求1～3中任意一项所述的腔外谐振紫外激光产生装置，其特征在于：二次谐波系统(1)主要由位于同一准直光路上的LD泵浦源(1-1)、泵浦输入耦合透镜组(1-2)、二次谐波前端三色镜片(1-3)、激光工作物质晶体(1-4)、声光调Q组件(1-5)、532nm激光谐波镜片(1-6)、二次谐波非线性光学频率变换晶体(1-7)、二次谐波末端双色镜片(1-8)和输出准直透镜组(1-9)构成；其中LD泵浦源(1-1)后置有泵浦输入耦合透镜组(1-2)，由二次谐波前端三色镜片(1-3)和二次谐波末端双色镜片(1-8)所形成的二次谐波F-P谐振腔位于泵浦输入耦合透镜组(1-2)的后方；激光工作物质晶体(1-4)、声光调Q组件(1-5)、532nm激光谐波镜片(1-6)和二次谐波非线性光学频率变换晶体(1-7)则依次设置在二次谐波F-P谐振腔内；二次谐波F-P谐振腔后方设置输出准直透镜组(1-9)。

5.根据权利要求4所述的腔外谐振紫外激光产生装置，其特征在于：泵浦输入耦合透镜组(1-2)采用非球面透镜组或显微镜物镜组。

6.根据权利要求4所述的腔外谐振紫外激光产生装置，其特征在于：输出准直透镜组(1-9)采用两个非球面准直透镜，且两个非球面准直透镜上均镀有中心波长为532nm的高透膜。

7.根据权利要求4所述的腔外谐振紫外激光产生装置，其特征在于：激光工作物质晶体(1-4)由掺钕钇铝石榴石构成，且该激光工作物质晶体(1-4)的峰值吸收波长与LD泵浦源(1-1)的中心波长相匹配。

8.根据权利要求4所述的腔外谐振紫外激光产生装置，其特征在于：二次谐振前端三色镜片上镀有中心波长为808nm的泵浦光高透膜及中心波长为1064nm和532nm的高反膜；激光工作物质晶体(1-4)和声光调Q组件(1-5)的两个通光面上均镀有中心波长为1064nm的增透膜；532nm激光谐波镜片(1-6)上镀有中心波长为1064nm的增透膜和中心波长为532nm的高反膜；二次谐波非线性光学频率变换晶体(1-7)的两个通光面上同时镀有中心波长为1064nm和532nm的高透膜；二次谐波末端双色镜片(1-8)上镀有中心波长为1064nm的高反膜和中心波长为532nm的高透膜。