CN102522691A - 采用直线腔的掺钕连续紫外激光器 - Google Patents

采用直线腔的掺钕连续紫外激光器 Download PDF

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姬彪
郑新双
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采用直线腔的掺钕连续紫外激光器，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、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、二次谐波晶体、三次谐波晶体和第2激光谐振腔镜依次设置在同一光轴上；所述第1激光谐振腔镜和第2激光谐振腔镜组成激光器的谐振腔，所述第1激光谐振腔镜为输入耦合镜，所述第2激光谐振腔镜为输出耦合镜。

Description

采用直线腔的掺钕连续紫外激光器
技术领域
本发明涉及一种全固态紫外激光器，尤其是涉及一种采用直线腔的掺钕连续紫外激光器。
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.B87，91-94(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，Vo1.1Issue 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采用直线腔的掺钕连续紫外激光器。
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、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、二次谐波晶体、三次谐波晶体和第2激光谐振腔镜依次设置在同一光轴上；所述第1激光谐振腔镜和第2激光谐振腔镜组成激光器的谐振腔，所述第1激光谐振腔镜为输入耦合镜，所述第2激光谐振腔镜为输出耦合镜。
所述第1激光谐振腔镜的左端面上镀制泵浦光增透膜，第1激光谐振腔镜的右端面镀制泵浦光的增透膜和基波、二次谐波、三次谐波的高反膜；所述第2激光谐振腔镜镀制基波、二次谐波的高反膜和三次谐波的高透膜。
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可镀制1.06μm和1.34μm处的大于70％的高透膜。
所述激光二极管泵浦源可采用激光二极管，激光二极管阵列，或光纤耦合输出的激光二极管阵列等，所述激光二极管泵浦源的泵浦光峰值输出波长可为0.81μm或0.88μm等，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选自Nd:YVO4、Nd:YAG、Nd:YLF、Nd:YAP、Nd:GdVO4等中的一种，也可以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钕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+3价钕离子从能级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。
本发明可采用直线型腔结构。
所述二次谐波晶体可采用临界相位匹配或非临界相位匹配，可以采用双折射相位匹配或周期极化材料的准相位匹配，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双折射相位匹配或周期极化材料的准相位匹配，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，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采用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。
所述激光二极管发出的泵浦光经准直聚焦系统对激光增益介质进行端面泵浦；在折叠谐振腔内，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，产生三次谐波紫外输出。谐振腔镜对二次谐波蓝光的高反射，可以充分利用二次谐波在谐振腔内的往返增强作用来提高三次谐波的转换效率。
本发明利用0.9μm这条激光跃迁谱线，通过先倍频再和频的方式可以获得0.3μm附近的紫外激光光源，获得性能优良的连续紫外激光输出。本发明采用掺钕离子的材料作为激光增益介质，采用输出波长为0.81μm或者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0.3μm附近的波长输出。
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、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、二次谐波晶体SHG、三次谐波晶体THG和第2激光谐振腔镜M2依次设置在同一光轴上；所述第1激光谐振腔镜M1和第2激光谐振腔镜M2组成激光器的谐振腔，所述第1激光谐振腔镜M1为输入耦合镜，所述第1激光谐振腔镜M1的左端面上镀制泵浦光增透膜，第1激光谐振腔镜M1的右端面镀制泵浦光的增透膜和基波、二次谐波、三次谐波的高反膜，所述第2激光谐振腔镜M2为输出耦合镜，所述第2激光谐振腔镜M2镀制基波、二次谐波的高反膜和三次谐波的高透膜。
所述激光二极管泵浦源LD可采用激光二极管，激光二极管阵列，或光纤耦合输出的激光二极管阵列等，所述激光二极管泵浦源LD的泵浦光峰值输出波长可为0.81μm或0.88μm等，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选自Nd:YVO4、Nd:YAG、Nd:YLF、Nd:YAP、Nd:GdVO4等中的一种，也可以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钕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+3价钕离子从能级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。
本发明可采用直线型腔结构。
所述二次谐波晶体SHG可采用临界相位匹配或非临界相位匹配，可以采用双折射相位匹配或周期极化材料的准相位匹配，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SHG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THG可采用双折射相位匹配或周期极化材料的准相位匹配，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THG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THG的形状以长方体为主，也可以是别的形状，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采用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。
所述激光二极管发出的泵浦光经准直聚焦系统对激光增益介质进行端面泵浦；在折叠谐振腔内，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，产生三次谐波紫外输出。谐振腔镜对二次谐波蓝光的高反射，可以充分利用二次谐波在谐振腔内的往返增强作用来提高三次谐波的转换效率。
激光二极管泵浦源LD可以是直接输出的半导体激光器也可以是带光纤耦合输出的半导体激光器。光学准直聚焦系统CO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2激光谐振腔镜M2与第1激光谐振腔镜M1一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SHG和三次谐波晶体THG分别是起倍频作用和起和频作用的谐波晶体。第1激光谐振腔镜M1的右端面和第2激光谐振腔镜M2的左端面可镀制1.06μm和1.34μm处的大于70％的高透膜。
激光器的谐振腔由第1激光谐振腔镜M1和第2激光谐振腔镜M2构成，激光二极管泵浦源LD发射的泵浦光经过光学准直聚焦系统CO准直聚焦系统入射到激光增益介质LM上，激发出基波。基波在该谐振腔内形成振荡，由于腔镜对基波是高反射，腔内光功率密度很高，高强度基波经过二次谐波晶体SHG(倍频晶体)以后产生二次谐波，二次谐波和剩余基波在三次谐波晶体THG中和频产生三次谐波，经过第2激光谐振腔镜M2输出。第1激光谐振腔镜M1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LM左端面的多层光学薄膜。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、二次谐波晶体SHG、三次谐波晶体THG和第2激光谐振腔镜M2从左至右依次设置在同一光轴上，它们之间间距可调，变化范围在0～300mm。

Claims (10)

1.采用直线腔的掺钕连续紫外激光器，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、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、二次谐波晶体、三次谐波晶体和第2激光谐振腔镜依次设置在同一光轴上；所述第1激光谐振腔镜和第2激光谐振腔镜组成激光器的谐振腔，所述第1激光谐振腔镜为输入耦合镜，所述第2激光谐振腔镜为输出耦合镜。
2.如权利要求1所述的采用直线腔的掺钕连续紫外激光器，其特征在于所述第1激光谐振腔镜的左端面上镀制泵浦光增透膜，第1激光谐振腔镜的右端面镀制泵浦光的增透膜和基波、二次谐波、三次谐波的高反膜；所述第2激光谐振腔镜镀制基波、二次谐波的高反膜和三次谐波的高透膜。
3.如权利要求1所述的采用直线腔的掺钕连续紫外激光器，其特征在于所述第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。
4.如权利要求1所述的采用直线腔的掺钕连续紫外激光器，其特征在于所述激光二极管泵浦源采用激光二极管，激光二极管阵列，或光纤耦合输出的激光二极管阵列。
5.如权利要求1或4所述的采用直线腔的掺钕连续紫外激光器，其特征在于所述激光二极管泵浦源的泵浦光峰值输出波长为0.81μm或0.88μm。
6.如权利要求1所述的采用直线腔的掺钕连续紫外激光器，其特征在于所述激光增益介质选自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。
7.如权利要求1或6所述的采用直线腔的掺钕连续紫外激光器，其特征在于所述激光增益介质中钕的掺杂浓度范围为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。
8.如权利要求1所述的采用直线腔的掺钕连续紫外激光器，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，或双折射相位匹配或周期极化材料的准相位匹配；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中的一种。
9.如权利要求1所述的采用直线腔的掺钕连续紫外激光器，其特征在于所述三次谐波晶体采用双折射相位匹配或周期极化材料的准相位匹配；所述三次谐波晶体的类型可选自LBO、BIBO，BBO、CLBO、PPLN、MgO:PPLN、PPSLT、PPLT、PPKTP中的一种；所述三次谐波晶体的形状可为长方体；晶体端面可以与光轴垂直，或与光轴成布儒斯特角。
10.如权利要求1所述的采用直线腔的掺钕连续紫外激光器，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，可选自PPLN、MgO:PPLN、PPSLT、PPLT、PPKTP中的一种。
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