CN102522690A - 基于掺Nd3+增益介质的腔内和频连续波紫外激光器 - Google Patents

基于掺Nd3+增益介质的腔内和频连续波紫外激光器 Download PDF

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Abstract

基于掺Nd3+增益介质的腔内和频连续波紫外激光器，涉及一种全固态紫外激光器。设有激光二极管泵浦源、光学准直聚焦系统、第1激光谐振腔镜、第2激光谐振腔镜、第3激光谐振腔镜、第4激光谐振腔镜、激光增益介质、二次谐波晶体和三次谐波晶体；所述激光二极管泵浦源、光学准直聚焦系统、第1激光谐振腔镜、激光增益介质和第2激光谐振腔镜从左至右依次设置在第一光轴上，所述第3激光谐振腔镜、三次谐波晶体、二次谐波晶体和第4激光谐振腔镜从左至右依次设置在第二光轴上；第2激光谐振腔镜、第3激光谐振腔镜、第4激光谐振腔镜与第1激光谐振腔镜构成激光器的谐振腔，所述谐振腔为Z型折叠谐振腔。

Description

基于掺Nd3+增益介质的腔内和频连续波紫外激光器
技术领域
本发明涉及一种全固态紫外激光器，尤其是涉及一种基于掺Nd3+增益介质的腔内和频连续波紫外激光器。
背景技术
紫外激光器具有波长短、易聚焦、能量集中、分辨率高等优点，在光谱学、光学信息存储、精密材料加工、光印刷、医疗等方面具有广泛的用途。与传统紫外波段的准分子激光器相比，激光二极管抽运的全固态紫外激光器由于具有效率高、体积小、性能稳定等诸多特点，已成为紫外激光器发展的主要方向。全固态紫外激光器主要是利用非线性晶体进行腔外或腔内频率转换来实现的。目前，国内外已有大量关于紫外激光器的文献报道，它们利用掺钕的材料作为激光增益介质，实现能级4F3/2到能级4I13/2或能级4F3/2到能级4I11/2的跃迁，得到基波后采用先倍频再和频技术获得440nm和350nm附近的蓝光(X.P.HU，G.ZHAO，“High-power，blue-light generationin a dual-structure，periodically poled，stoichiometric LiTaO3 crystal”，Appl.Phys.B 87，91-94(2007))和紫外激光(B.Yong，F.Yan，“High-average power THG of adiode-pumped Nd:YAG laser at 355nm generated by LiB3O5 crystal”，Chinese Optics Letters，Vol.1 Issue 2，pp.91-92(2003))。但利用掺钕激光增益介质能级4F3/2到能级4I9/2的跃迁获得紫外激光的文献报道却相对缺乏。掺钕离子激光增益介质主要存在三条主要的跃迁谱线，4F3/2到4I13/2，4F3/2到4I11/2，4F3/2到4I9/2，分别对应的跃迁的波长在1.3μm、1.06μm和0.9μm。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于掺Nd3+增益介质的腔内和频连续波紫外激光器。
本发明设有激光二极管泵浦源、光学准直聚焦系统、第1激光谐振腔镜、第2激光谐振腔镜、第3激光谐振腔镜、第4激光谐振腔镜、激光增益介质、二次谐波晶体和三次谐波晶体；所述激光二极管泵浦源、光学准直聚焦系统、第1激光谐振腔镜、激光增益介质和第2激光谐振腔镜从左至右依次设置在第一光轴上，所述第3激光谐振腔镜、三次谐波晶体、二次谐波晶体和第4激光谐振腔镜从左至右依次设置在第二光轴上；第2激光谐振腔镜、第3激光谐振腔镜、第4激光谐振腔镜与第1激光谐振腔镜构成激光器的谐振腔，所述谐振腔为Z型折叠谐振腔。
激光二极管泵浦源发出的泵浦光经光学准直聚焦系统对激光增益介质进行端面泵浦；在Z型折叠谐振腔内，由于谐振腔镜对基波光和二次谐波的高反射，促使谐振腔内部的功率密度增强，基波在二次谐波晶体内倍频，产生蓝色激光，该蓝光与剩余的基波在三次谐波晶体内和频，产生紫外三次谐波输出。谐振腔镜对二次谐波即蓝光的高反射，可以充分利用二次谐波在谐振腔内的往返增强作用，最后提高三次谐波的转换效率。
所述激光二极管泵浦源可为激光二极管，激光二极管阵列或光纤耦合输出的激光二极管阵列等，泵浦光峰值输出波长为0.81μm或0.88μm，泵浦光经过准直聚焦系统后聚焦到激光增益介质中。
所述激光增益介质可采用掺Nd3+的激光增益介质，所述掺Nd3+的激光增益介质可选自Nd:YVO4、Nd:YAG、Nd:YLF、Nd:YAP、Nd:GdVO4等中的一种，或采用把一块激光增益介质和一块或者两块纯的非掺杂同质基底材料通过键合技术实现稳固结合的键合晶体，所述激光增益介质中Nd3+的掺杂浓度范围可为0.1％～10％，晶体横截面的尺寸可为谐振腔中基波激光光斑直径的2～10倍。
本发明利用Nd3+从能级4F3/2到能级4I9/2的跃迁产生基波，腔中谐振的基波振荡波长因掺杂基质的不同在0.88～0.98μm范围内变动。
本发明采用Z型谐振腔结构。
所述二次谐波晶体可以采用临界相位匹配，非临界相位匹配，双折射相位匹配，或周期极化材料的准相位匹配等，根据具体的谐振腔参数，二次谐波晶体的工作温度和切割方向、大小和尺寸有不同的变化，所述二次谐波晶体的类型可选自LBO，KTP，周期极化晶体PPLN、MgO:PPLN、PPSLT、PPLT、PPKTP等中的一种。
所述三次谐波晶体可采用临界相位匹配，非临界相位匹配，双折射相位匹配，或周期极化材料的准相位匹配等，根据具体的谐振腔参数，三次谐波晶体的工作温度和切割方向、大小和尺寸有不同的变化，所述三次谐波晶体的类型可选自LBO、BIBO，BBO、CLBO、PPLN、MgO:PPLN、PPSLT、PPLT、PPKTP等中的一种，所述三次谐波晶体的形状以长方体为主，也可以是别的形状，所述三次谐波晶体的晶体端面可以与光轴垂直，也可以与光轴成布儒斯特角。
所述二次谐波晶体和三次谐波晶体可以采用级联结构的周期极化晶体，所述级联结构的周期极化晶体可选自PPLN、MgO:PPLN、PPSLT、PPLT、PPKTP等中的一种。在这种结构中二次谐波晶体和三次谐波晶体分别代表该周期极化晶体的不同部分，前半部分的极化周期和后半部分的极化周期不同，前半部分周期结构产生二次谐波，后半部分周期结构产生三次谐波。
本发明采用掺Nd3+的材料作为激光增益介质，将输出波长为0.81μm或0.88μm附近的半导体激光器作为泵浦源，利用非线性晶体的频率转换效应，通过先腔内倍频再和频的方式获得性能优良的0.3μm附近连续波紫外激光输出。
本发明采用Z型折叠谐振腔结构。光学准直聚焦系统是由一组起准直和聚焦作用的透镜，实现泵浦光到激光增益介质的耦合。第1激光谐振腔镜为输入耦合镜，第2激光谐振腔镜、第3激光谐振腔镜、第4激光谐振腔镜与第1激光谐振腔镜一起构成激光器的谐振腔，其曲率半径可以从负无穷到正无穷变化。二次谐波晶体和三次谐波晶体分别是起倍频作用的倍频晶体和起和频作用的和频晶体。第1激光谐振腔镜的左端面上镀制泵浦光增透膜，右端面镀制泵浦光的增透膜和基波、二次谐波的高反膜。第2激光谐振腔镜的左端面镀制基波和二次谐波高反射膜，第1激光谐振腔镜的右端面和第2激光谐振腔镜的左端面镀制1.06μm和1.34μm处的大于70％的高透膜。第3激光谐振腔镜为输出耦合镜，镀制基波、二次谐波的高反膜和三次谐波的高透膜。第4激光谐振腔镜为谐波反射镜，镀制基波、二次谐波和三次谐波的高反射膜。
激光二极管泵浦源发射的泵浦光经过光学准直聚焦系统入射到激光增益介质上，激光器的谐振腔由第1激光谐振腔镜、第2激光谐振腔镜、第3激光谐振腔镜和第4激光谐振腔镜构成。基波在该谐振腔内形成振荡并逐渐增强，高强度的基波经过二次谐波晶体(倍频晶体)以后产生二次谐波。二次谐波和剩余的基波一起通过三次谐波晶体(和频晶体)，产生三次谐波经过第3激光谐振腔镜输出。第1激光谐振腔镜可以是一片单独的带镀膜的光学镜片，也可以是一层附着在激光增益介质左端面的多层光学薄膜。
附图说明
图1为本发明实施例的结构组成示意图。
具体实施方式
以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。
参见图1，本发明实施例设有激光二极管泵浦源LD、光学准直聚焦系统CO、第1激光谐振腔镜M1、第2激光谐振腔镜M2、第3激光谐振腔镜M3、第4激光谐振腔镜M4、激光增益介质LM、二次谐波晶体SHG和三次谐波晶体THG；所述激光二极管泵浦源LD、光学准直聚焦系统CO、第1激光谐振腔镜M1、激光增益介质LM和第2激光谐振腔镜M2从左至右依次设置在第一光轴1上，所述第3激光谐振腔镜M3、三次谐波晶体THG、二次谐波晶体SHG和第4激光谐振腔镜M4从左至右依次设置在第二光轴2上；第2激光谐振腔镜M2、第3激光谐振腔镜M3、第4激光谐振腔镜M4与第1激光谐振腔镜M1构成激光器的谐振腔，所述谐振腔为Z型折叠谐振腔。
激光二极管泵浦源LD发出的泵浦光经光学准直聚焦系统CO对激光增益介质LM进行端面泵浦；在Z型折叠谐振腔内，由于谐振腔镜对基波光和二次谐波的高反射，促使谐振腔内部的功率密度增强，基波在二次谐波晶体SHG内倍频，产生蓝色激光，该蓝光与剩余的基波在三次谐波晶体THG内和频，产生紫外三次谐波输出。谐振腔镜对二次谐波即蓝光的高反射，可以充分利用二次谐波在谐振腔内的往返增强作用，最后提高三次谐波的转换效率。
所述激光二极管泵浦源LD可为激光二极管，激光二极管阵列或光纤耦合输出的激光二极管阵列等，泵浦光峰值输出波长为0.81μm或0.88μm，泵浦光经过准直聚焦系统后聚焦到激光增益介质LM中。
所述激光增益介质LM可采用掺Nd3+的激光增益介质，所述掺Nd3+的激光增益介质可选自Nd:YVO4、Nd:YAG、Nd:YLF、Nd:YAP、Nd:GdVO4等中的一种，或采用把一块激光增益介质和一块或者两块纯的非掺杂同质基底材料通过键合技术实现稳固结合的键合晶体，所述激光增益介质LM中Nd3+的掺杂浓度范围可为0.1％～10％，晶体横截面的尺寸可为谐振腔中基波激光光斑直径的2～10倍。
本发明利用Nd3+从能级4F3/2到能级4I9/2的跃迁产生基波，腔中谐振的基波振荡波长因掺杂基质的不同在0.88～0.98μm范围内变动。
所述二次谐波晶体可以采用临界相位匹配，非临界相位匹配，双折射相位匹配，或周期极化材料的准相位匹配等，根据具体的谐振腔参数，二次谐波晶体的工作温度和切割方向、大小和尺寸有不同的变化，所述二次谐波晶体的类型可选自LBO，KTP，周期极化晶体PPLN、MgO:PPLN、PPSLT、PPLT、PPKTP等中的一种。
所述三次谐波晶体可采用临界相位匹配，非临界相位匹配，双折射相位匹配，或周期极化材料的准相位匹配等，根据具体的谐振腔参数，三次谐波晶体的工作温度和切割方向、大小和尺寸有不同的变化，所述三次谐波晶体的类型可选自LBO、BIBO，BBO、CLBO、PPLN、MgO:PPLN、PPSLT、PPLT、PPKTP等中的一种，所述三次谐波晶体的形状以长方体为主，也可以是别的形状，所述三次谐波晶体的晶体端面可以与光轴垂直，也可以与光轴成布儒斯特角。
所述二次谐波晶体和三次谐波晶体可以采用级联结构的周期极化晶体，所述级联结构的周期极化晶体可选自PPLN、MgO:PPLN、PPSLT、PPLT、PPKTP等中的一种。在这种结构中二次谐波晶体和三次谐波晶体分别代表该周期极化晶体的不同部分，前半部分的极化周期和后半部分的极化周期不同，前半部分周期结构产生二次谐波，后半部分周期结构产生三次谐波。
在图1中，相邻元件之间间距可调，变化范围可为0～200mm。

Claims (10)

1.基于掺Nd3+增益介质的腔内和频连续波紫外激光器，其特征在于设有激光二极管泵浦源、光学准直聚焦系统、第1激光谐振腔镜、第2激光谐振腔镜、第3激光谐振腔镜、第4激光谐振腔镜、激光增益介质、二次谐波晶体和三次谐波晶体；所述激光二极管泵浦源、光学准直聚焦系统、第1激光谐振腔镜、激光增益介质和第2激光谐振腔镜从左至右依次设置在第一光轴上，所述第3激光谐振腔镜、三次谐波晶体、二次谐波晶体和第4激光谐振腔镜从左至右依次设置在第二光轴上；第2激光谐振腔镜、第3激光谐振腔镜、第4激光谐振腔镜与第1激光谐振腔镜构成激光器的谐振腔，所述谐振腔为Z型折叠谐振腔。
2.如权利要求1所述的基于掺Nd3+增益介质的腔内和频连续波紫外激光器，其特征在于所述激光二极管泵浦源为激光二极管，激光二极管阵列或光纤耦合输出的激光二极管阵列，泵浦光峰值输出波长为0.81μm或0.88μm。
3.如权利要求1所述的基于掺Nd3+增益介质的腔内和频连续波紫外激光器，其特征在于所述激光增益介质采用掺Nd3+的激光增益介质，所述掺Nd3+的激光增益介质选自Nd:YVO4、Nd:YAG、Nd:YLF、Nd:YAP、Nd:GdVO4中的一种，或采用把一块激光增益介质和一块或者两块纯的非掺杂同质基底材料通过键合技术实现稳固结合的键合晶体，所述激光增益介质中Nd3+的掺杂浓度范围为0.1％～10％，晶体横截面的尺寸为谐振腔中基波激光光斑直径的2～10倍。
4.如权利要求1所述的基于掺Nd3+增益介质的腔内和频连续波紫外激光器，其特征在于所述二次谐波晶体采用临界相位匹配，非临界相位匹配，双折射相位匹配，或周期极化材料的准相位匹配。
5.如权利要求1或4所述的基于掺Nd3+增益介质的腔内和频连续波紫外激光器，其特征在于所述二次谐波晶体的类型选自LBO，KTP，周期极化晶体PPLN、MgO:PPLN、PPSLT、PPLT、PPKTP中的一种。
6.如权利要求1所述的基于掺Nd3+增益介质的腔内和频连续波紫外激光器，其特征在于所述三次谐波晶体采用临界相位匹配，非临界相位匹配，双折射相位匹配，或周期极化材料的准相位匹配。
7.如权利要求1或6所述的基于掺Nd3+增益介质的腔内和频连续波紫外激光器，其特征在于所述三次谐波晶体的类型选自LBO、BIBO，BBO、CLBO、PPLN、MgO:PPLN、PPSLT、PPLT、PPKTP中的一种。
8.如权利要求1或6所述的基于掺Nd3+增益介质的腔内和频连续波紫外激光器，其特征在于所述三次谐波晶体的形状为长方体，所述三次谐波晶体的晶体端面与光轴垂直，或与光轴成布儒斯特角。
9.如权利要求1所述的基于掺Nd3+增益介质的腔内和频连续波紫外激光器，其特征在于所述二次谐波晶体和三次谐波晶体采用级联结构的周期极化晶体。
10.如权利要求9所述的基于掺Nd3+增益介质的腔内和频连续波紫外激光器，其特征在于所述级联结构的周期极化晶体选自PPLN、MgO:PPLN、PPSLT、PPLT、PPKTP中的一种。
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