CN102761051A - 小型化连续波人眼安全拉曼激光器 - Google Patents

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陈晓寒
张行愚
王青圃
李平
李雷
丛振华
范书振
刘兆军
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Abstract

小型化连续波人眼安全拉曼激光器，属于固体激光器领域，包括泵浦源、耦合透镜系统、激光晶体、拉曼晶体、后腔镜和输出镜，其特征在于泵浦源位于耦合透镜系统之前，耦合透镜系统之后放置由后腔镜和输出镜组成的谐振腔；谐振腔内依次放置激光晶体、拉曼晶体；激光晶体和拉曼晶体均由铟箔包裹并被固定在带有水冷或半导体制冷装置的铜块内，由制冷装置对其进行恒温控制；本发明利用LD端面泵浦激光晶体产生基频光，设计谐振腔对基频光和拉曼光合适的反射率，保证腔内基频光高功率密度，基频光经拉曼晶体后转为拉曼光，拉曼光的输出在人眼安全波段。该激光器具有体积小，性能稳定，功率高，成本低等优点，具有广泛的实用性。

Description

小型化连续波人眼安全拉曼激光器
技术领域
本发明涉及一种固体激光器，特别是一种1.5微米小型化连续波人眼安全拉曼激光器。
背景技术
目前国内外已经有关于固体人眼安全激光器的报道，他们主要采取三种方式来实现：其一是LD泵浦的饵玻璃激光器(Spectral and temporal properties of diode-pumped Er，Yb：glass laser，《Optics Communications》，Vol.252，2005，301-306)；其二是采取参量振荡器的方式(High-repetition-rate，intracavity-pumped KTP OPO at 1572nm，《AppliedPhysics B》，Vol.80，2005，329-332)；其三是利用受激拉曼散射(Compact efficientall-solid-state eye-safe laser with self-frequency Raman conversion in a Nd:YVO4crystal，《Optics Letters》，Vol.29，2004，2171-2174)。其中，Er玻璃激光器材料制作困难，基质玻璃材料的低热导系数限制重复频率，不适合高频应用；而受激拉曼散射属于三阶非线性效应，与参量振荡(OPO)相比，它无需相位匹配，并且其输出光束质量好，转化效率高，可以在较高重复频率下工作。因此近年来，利用受激拉曼散射的方式获得1.5m人眼安全波段激光输出受到人们越来越多的关注。但目前利用受激拉曼散射(SRS)获得1.5m人眼安全激光输出需要基频光具有高的峰值功率以达到SRS阈值，因此目前已有的文献报道中基频光均采用了脉冲光，且均为采用声光或电光的主动调Q结构。主动调Q结构虽然可以获得稳定的脉冲输出，得到受激拉曼散射所需的较高的峰值功率，但一方面结构比较复杂，声光或电光器件的引入增加了谐振腔的长度，从而使谐振腔设计更加困难；另一方面声光和电光器件其本身价格昂贵且需要单独的电源驱动，增加了激光器的成本，并且使激光器笨重，不利于实际应用。
发明内容
为克服现有技术的缺陷，以实现体积小，功率高，转换效率高且结构紧凑，功能稳定的人眼安全激光器，本发明提供一种小型化连续波人眼安全拉曼激光器。
本发明的技术方案如下：
一种小型化连续波人眼安全拉曼激光器，包括泵浦源、耦合透镜系统、激光晶体、拉曼晶体、后腔镜和输出镜，其特征在于泵浦源位于耦合透镜系统之前，耦合透镜系统之后放置由后腔镜和输出镜组成的谐振腔；谐振腔内依次放置激光晶体、拉曼晶体；激光晶体和拉曼晶体均由铟箔包裹并被固定在带有水冷或半导体制冷装置的铜块内，由制冷装置对其进行恒温控制；
其中泵浦源是输出波长为808nm或880nm的光纤耦合输出的激光二极管，泵浦方式是端面泵浦；激光晶体两个端面均镀有对波长为1064nm，1300-1550nm的增透膜，前端面加镀对808nm和880nm的增透膜；拉曼晶体两端面均镀1300-1550nm的增透膜；后腔镜镀有对波长808nm、880nm以及1064nm的高透膜和对波长1300-1550nm的高反膜；输出镜镀有对波长1064nm的高透膜和对波长1300-1550nm的高反膜；上述的高反膜其反射率均大于99.9％。
所述的激光晶体是掺钕(Nd)或掺镱(Yb)的以下诸晶体中的一种：钇铝石榴石(YAG)、钒酸钇(YVO4)、钒酸钆(GdVO4)、钒酸镥(LuVO4)、氟化钇锂(YLF)、铝酸钇(YAP)、钆镓石榴石(GGG)、钨酸钆钾(KGd(WO4)2)；或者是键合晶体钇铝石榴石/掺钕钇铝石榴石(YAG/Nd:YAG)、钒酸钇/掺钕钒酸钇(YVO4/Nd:YVO4)诸晶体中的一种；或者是掺钕(Nd)或掺镱(Yb)的YAG陶瓷；激光晶体的掺杂浓度当掺钕时为0.05-at.％至3-at.％；掺镱时为0.05-at.％至10-at.％。激光晶体作用是产生拉曼转换所需的基频光。
所述的拉曼晶体是YVO4、GdVO4、SrWO4、BaWO4、KGd(WO4)2晶体中的一种，拉曼晶体作用是将激光晶体产生的1.3微米的基频光转化到1.5微米人眼安全波段的激光。
所述的后腔镜是平面镜或是凹面镜；输出镜是平面镜。
上述激光晶体和拉曼晶体可以是同一块晶体，即固定为c-切的掺杂有钕离子的YVO4晶体或是键合晶体YVO4-Nd:YVO4-YVO4，钕的掺杂浓度为0.05-at.％至3-at.％。
上述的冷却系统有两种方式：循环水冷却——晶体侧面均用带有管道的金属块包住，金属块的管道内持续通有循环冷却水，用来给晶体降低温度；半导体制冷——晶体侧面被半导体制冷块包围。
本发明中后腔镜和输出镜的曲率半径可根据实际情况选择。本发明中的所有晶体的长度均可以根据具体要求进行选取；晶体的端面面积可以根据谐振腔内激光光束尺寸的面积来确定。由于连续拉曼激光器要求谐振腔镜对基频光和拉曼光的反射率非常高，本发明中后腔镜和输出镜对基频光和拉曼光反射率要在99.9％以上方可实现有效的1.5um连续波拉曼激光输出。
激光器的工作流程如下：激光二极管LD发出的波长为808nm或880nm的泵浦光经光纤耦合透镜系统和后腔镜后进入激光增益介质，由于谐振腔后腔镜与输出镜均镀有对基频光和拉曼光的高反膜，因此腔内可实现高的基频光功率密度，达到拉曼转换阈值。基频光经拉曼晶体的三阶斯托克斯效应转换为拉曼光，并由输出镜输出。
本发明提出了一种新型的小型化、结构紧凑、高转换效率的连续波1.5m人眼安全全固态拉曼激光器设计方案。本发明激光头的体积为10cm×10cm×20cm左右，与背景资料中的激光器相比体积小，成本低，效率高，光-光转换效率可达5％以上，输出功率可达1W，且性能稳定。
附图说明
图1是本发明激光器的结构示意图。
其中：1.泵浦源，2.光纤，3.耦合透镜系统，4.后腔镜，5.激光晶体，6.拉曼晶体，7.输出镜。
具体实施方式
实施例1：
本发明实施例1如图1所示，包括泵浦源1、耦合透镜系统3、激光晶体5、拉曼晶体6、后腔镜4和输出镜7，其特征在于泵浦源1位于耦合透镜系统3之前，耦合透镜系统3之后放置由后腔镜4和输出镜7组成的谐振腔；谐振腔内依次放置激光晶体5、拉曼晶体6；激光晶体5和拉曼晶体6均由铟箔包裹并被固定在带有水冷装置的铜块内，由制冷装置对其进行恒温控制，其温度在产生激光的整个过程中保持在20℃。；
其中泵浦源1是输出波长为808nm的光纤耦合输出的激光二极管，泵浦方式是端面泵浦；激光晶体两个端面均镀有对波长为1064nm，1300-1550nm的增透膜，前端面加镀对808nm和880nm的增透膜；拉曼晶体两端面均镀1300-1550nm的增透膜；后腔镜镀有对波长808nm、880nm以及1064nm的高透膜和对波长1300-1550nm的高反膜；输出镜镀有对波长1064nm的高透膜和对波长1300-1550nm的高反膜；上述的高反膜其反射率均大于99.9％。其中后腔镜4的曲率半径为1000mm，镀有对波长808nm，1064nm的高透膜和对波长1300-1500nm的高反膜，其对1319nm反射率为99.996％，对1503nm反射率为99.994％；输出镜7镀有对波长1064nm的高透膜，对波长1319nm的高反膜，其反射率为99.996％，并镀有对波长1503nm的高反膜，其反射率为99.99％。
所述的激光晶体5是Nd:YAG晶体，钕的掺杂浓度为0.8-at.％。
所述的拉曼晶体6是BaWO4晶体。
激光器的工作流程如下：激光二极管LD泵浦源1发出的波长为808nm的泵浦光经光纤2和耦合透镜系统3和后腔镜4后进入Nd:YAG激光晶体5，并产生1319nm的基频光，由于耦合腔后腔镜和输出镜均镀有对1319nm的高反膜，因此腔内可获得高的1319nm基频光功率密度，从而可在BaWO4拉曼晶体6中实现拉曼转换，获得1503nm的人眼安全拉曼光，并由输出镜7输出。
实施例2：
与实施例1相同，只是所述的激光二极管LD泵浦源1为880nm激光二极管、激光晶体5和拉曼晶体6由同一块Nd:YVO4晶体5实现。所述的后腔镜4的曲率半径为500mm；所述的后腔镜4和输出镜7均镀有对1064nm高透膜，后腔镜4同时镀对880nm高透膜，并镀对1342nm和1525nm高反膜，其对1342nm反射率为99.996％，对1525nm反射率为99.994％；所述的输出镜7镀有对1342nm和1525nm高反膜，其对1342nm反射率为99.996％，对1525nm反射率为99.99％；所述的Nd:YVO4晶体5的掺杂浓度为0.4％，长度为15mm，其前端面加镀对880nm的增透膜。
激光器的工作流程如下：激光二极管LD泵浦源1发出的波长为880nm的泵浦光经光纤2和耦合透镜系统3和后腔镜4后进入Nd:YVO4激光晶体5，并产生1342nm的基频光，由于耦合腔后腔镜和输出镜均镀有对1342nm的高反膜，因此腔内可获得高的1342nm基频光功率密度，1342nm基频光经过Nd:YVO4晶体时，由于Nd:YVO4同时作为拉曼介质，因此高功率密度的1342nm基频光经Nd:YVO4晶体可实现拉曼转换从而产生1525nm的人眼安全拉曼光，拉曼光由输出镜7输出。
实施例3：
与实施例2相同，只是所述的Nd:YVO4晶体5由键合晶体YVO4-Nd:YVO4-YVO4实现。所述的键合晶体YVO4-Nd:YVO4-YVO4尺寸为3×3×(2+8+15)；Nd3+掺杂浓度为0.6％，其前端面加镀对880nm的增透膜。
激光器的工作流程如下：激光二极管LD泵浦源1发出的波长为880nm的泵浦光经光纤2和耦合透镜系统3和后腔镜4后进入YVO4-Nd:YVO4-YVO4键合晶体5，并产生1342nm的基频光，由于耦合腔后腔镜和输出镜均镀有对1342nm的高反膜，因此腔内可获得高的1342nm基频光功率密度，1342nm基频光经过YVO4-Nd:YVO4-YVO4键合晶体时，由于YVO4同时作为拉曼介质，因此高功率密度的1342nm基频光经YVO4晶体可实现拉曼转换从而产生1525nm的人眼安全拉曼光，拉曼光由输出镜7输出。
上述三个实施例中的光纤2的纤芯直径为400μm，数值孔径为0.22，最高输出功率为32W。输出镜7均为平镜。并且所有晶体均有水冷装置确保实验过程中温度保持在20℃。

Claims (4)

1.一种小型化连续波人眼安全拉曼激光器，包括泵浦源、耦合透镜系统、激光晶体、拉曼晶体、后腔镜和输出镜，其特征在于泵浦源位于耦合透镜系统之前，耦合透镜系统之后放置由后腔镜和输出镜组成的谐振腔；谐振腔内依次放置激光晶体、拉曼晶体；激光晶体和拉曼晶体均由铟箔包裹并被固定在带有水冷或半导体制冷装置的铜块内，由制冷装置对其进行恒温控制；
其中泵浦源是输出波长为808nm或880nm的光纤耦合输出的激光二极管，泵浦方式是端面泵浦；激光晶体两个端面均镀有对波长为1064nm，1300-1550nm的增透膜，前端面加镀对808nm和880nm的增透膜；拉曼晶体两端面均镀1300-1550nm的增透膜；后腔镜镀有对波长808nm、880nm以及1064nm的高透膜和对波长1300-1550nm的高反膜；输出镜镀有对波长1064nm的高透膜和对波长1300-1550nm的高反膜；上述的高反膜其反射率均大于99.9％。
2.如权利要求1所述的一种小型化连续波人眼安全拉曼激光器，其特征在于所述的激光晶体是掺钕(Nd)或掺镱(Yb)的以下诸晶体中的一种：钇铝石榴石(YAG)、钒酸钇(YVO4)、钒酸钆(GdVO4)、钒酸镥(LuVO4)、氟化钇锂(YLF)、铝酸钇(YAP)、钆镓石榴石(GGG)、钨酸钆钾(KGd(WO4)2)；或者是键合晶体钇铝石榴石/掺钕钇铝石榴石(YAG/Nd:YAG)、钒酸钇/掺钕钒酸钇(YVO4/Nd:YVO4)诸晶体中的一种；或者是掺钕(Nd)或掺镱(Yb)的YAG陶瓷；激光晶体的掺杂浓度当掺钕时为0.05-at.％至3-at.％；掺镱时为0.05-at.％至10-at.％。
3.如权利要求1所述的一种小型化连续波人眼安全拉曼激光器，其特征在于所述的拉曼晶体是YVO4、GdVO4、SrWO4、BaWO4、KGd(WO4)2晶体中的一种，拉曼晶体作用是将激光晶体产生的1.3微米的基频光转化到1.5微米人眼安全波段的激光。
4.如权利要求1所述的一种小型化连续波人眼安全拉曼激光器，其特征在于所述的后腔镜是平面镜或是凹面镜；输出镜是平面镜。
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