CN103036140A - 一种基于倍频碱金属蒸汽激光的蓝紫激光器 - Google Patents
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Abstract
一种基于倍频碱金属蒸汽激光的蓝紫激光器，涉及新型激光器技术领域，解决了现有固体激光器存在的激光输出功率低、激光光束质量低的问题。该激光器包括泵浦光源结构、碱金属蒸汽池、谐振腔和倍频晶体；泵浦光源结构位于谐振腔外，碱金属蒸汽池和倍频晶体位于谐振腔内；倍频晶体放置在前腔镜和输出镜之间的基频光振荡模的束腰位置；LD泵浦源发射的泵浦光由传输光纤输出至耦合透镜组，经过耦合聚焦进入碱金属蒸汽池中，在泵浦激励作用下实现碱金属原子的有效粒子数反转，通过谐振腔的反馈在腔内形成基频振荡光，基频振荡光在倍频晶体中产生非线性效应，转换为蓝紫倍频光并由输出镜输出。本发明的激光器激光输出功率和激光光束质量较高。
Description
技术领域
本发明涉及新型激光器技术领域，具体涉及一种基于倍频碱金属蒸汽激光的蓝紫激光器。
背景技术
蓝紫激光光源在激光光谱学、原子物理、激光医疗、环境监测、激光显示及激光水下通信与探测等一系列基础研究、高科技产品开发和国防工程中有着非常重要的作用。
目前，蓝紫激光光源多采用半导体激光（Laser Diode，LD）泵浦的固体激光器（Diode Pumped Solid State Lasers，DPSSL）结构，它是基于倍频LD泵浦的掺Nd3+准三能级激光（0.9 μm）的方法来实现。然而，利用这种方法的固体激光器存在以下问题：首先，掺Nd3+准三能级激光的受激发射截面相对较小，且与四能级激光（1.06 μm&1.34 μm）存在增益竞争，为实现0.9 μm激光的优先振荡，须掺杂浓度较低、长度较短的掺Nd3+激光介质，这制约到激光输出功率的提高；其次，该类激光运转还受再吸收和能量上转换等效应的影响，为抑制这些效应所产生的不利影响，亦须降低介质的掺杂浓度和缩短其长度；另外，随LD注入泵浦功率的增加，固体激光介质内产生严重的热效应，影响着激光输出功率的提高和光束质量的改善，从而也影响到倍频效率的提高。因此，现有的基于倍频DPSSL的蓝紫激光器在提高激光的输出功率和改善激光光束质量等方面都非常受限，因此，迫切需要研制出一种高效率、高功率、高重复频率的蓝紫激光器。
发明内容
为了解决现有的基于倍频LD泵浦的掺Nd3+准三能级激光的固体激光器存在的激光输出功率低、激光光束质量低的问题，本发明提供一种基于倍频碱金属蒸汽激光的蓝紫激光器。
本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：
一种基于倍频碱金属蒸汽激光的蓝紫激光器，该蓝紫激光器包括：泵浦光源结构、将泵浦光转换为基频光的碱金属蒸汽池、实现基频光振荡和蓝紫倍频光输出的谐振腔和将基频振荡光转换为蓝紫倍频光的倍频晶体；所述泵浦光源结构放置在所述谐振腔腔外，所述碱金属蒸汽池和倍频晶体放置在所述谐振腔腔内；
所述泵浦光源结构包括发射泵浦光的LD泵浦源、传输泵浦光的传输光纤和耦合聚焦泵浦光的耦合透镜组，所述LD泵浦源发射的泵浦光由所述传输光纤输出至所述耦合透镜组；
所述谐振腔为平凹稳定腔，包括前腔镜和输出镜，所述前腔镜靠近所述耦合透镜组放置，所述碱金属蒸汽池靠近所述前腔镜放置，所述倍频晶体放置在所述前腔镜和输出镜之间的基频光振荡模的束腰位置；
所述LD泵浦源发射的泵浦光由所述传输光纤输出至所述耦合透镜组，经过耦合聚焦进入所述碱金属蒸汽池中，在泵浦激励作用下实现碱金属原子的有效粒子数反转，通过所述平凹稳定腔的反馈作用在腔内形成基频振荡光，基频振荡光在所述倍频晶体中产生非线性效应，转换为蓝紫倍频光并由所述输出镜输出。
所述前腔镜和输出镜的表面镀有膜，所述前腔镜表面镀有基频光波段的高反膜；所述输出镜表面镀有基频光波段的高反膜和倍频光波段的高透膜。
所述耦合透镜组包括第一透镜和第二透镜。
所述碱金属蒸汽池内充有碱金属蒸汽、氦气和乙烷，其两端窗口镀有泵浦光和基频光波段的高透膜，且其中的一端窗口呈布儒斯特角。
一种基于倍频碱金属蒸汽激光的蓝紫激光器，该蓝紫激光器包括：两组泵浦光源结构、将泵浦光转换为基频光的两个碱金属蒸汽池、实现基频光振荡和蓝紫倍频光输出的谐振腔和将基频振荡光转换为蓝紫倍频光的倍频晶体；所述两组泵浦光源结构放置在所述谐振腔外，所述两个碱金属蒸汽池和倍频晶体放置在所述谐振腔内；
所述两组泵浦光源结构分别放置在所述谐振腔两端，每组泵浦光源结构均包括发射泵浦光的LD泵浦源、传输泵浦光的传输光纤和耦合聚焦泵浦光的耦合透镜组，所述LD泵浦源发射的泵浦光由所述传输光纤输出至所述耦合透镜组；
所述谐振腔为Z型折叠腔，包括两个前腔镜、输出镜和反射镜，两个前腔镜分别位于Z型折叠腔的两端靠近所述耦合透镜组放置，输出镜和反射镜分别位于Z型折叠腔的两个角，所述两个碱金属蒸汽池中一个放置在所述一个前腔镜和输出镜之间，另一个放置在反射镜和另一个前腔镜之间，所述倍频晶体放置在所述输出镜和反射镜之间的基频光振荡模的束腰位置；
所述LD泵浦源发射的泵浦光由所述传输光纤输出至耦合透镜组，经过耦合聚焦进入所述碱金属蒸汽池中，在泵浦激励作用下实现碱金属原子的有效粒子数反转，通过所述Z型折叠腔的反馈作用在腔内形成基频振荡光，从而使位于基频振荡光束腰处的所述倍频晶体产生非线性效应，形成蓝紫倍频光并由所述输出镜输出。
所述两个前腔镜、输出镜和反射镜的表面均镀有膜，所述每个前腔镜表面均镀有基频光波段的高反膜；所述输出镜表面镀有基频光波段的高反膜和倍频光波段的高透膜；所述反射镜表面镀有基频光和倍频光波段的高反膜。
所述耦合透镜组包括第一透镜和第二透镜。
所述碱金属蒸汽池内充有碱金属蒸汽、氦气和乙烷，其两端窗口镀有泵浦光和基频光波段的高透膜，且其中的一端窗口呈布儒斯特角。
本发明的有益效果是：第一种技术方案采用平凹稳定腔，通过腔内倍频的方式，获得连续输出的蓝紫激光。其技术特点为利用了碱金属激光在功率提升和光束质量改善方面的突出优势，从而实现高效、高功率、高光束质量的蓝紫激光输出。
第二种技术方案采用Z型折叠腔，并利用LD双端泵浦双碱金属蒸汽池结构，通过腔内倍频的方式，获得连续输出的蓝紫激光。其优点为：1）采用LD双端泵浦双碱金属蒸汽池结构，有效提高了腔内的基频振荡光光强，提高了蓝紫激光的输出功率；2）倍频晶体所处的束腰位置具有很高的基频振荡光光强，因而具有很高的倍频效率；3）Z型折叠腔对热效应以及腔形的微变不敏感，可实现蓝紫倍频激光的稳定输出。
附图说明
图1为本发明的采用平凹稳定腔的基于倍频碱金属蒸汽激光的蓝紫激光器的结构示意图；
图2为本发明的采用Z型折叠腔的基于倍频碱金属蒸汽激光的蓝紫激光器的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
具体实施方式一、如图1所示，为本发明的一种基于倍频碱金属蒸汽激光的蓝紫激光器的第一种技术方案，该技术方案采用平凹稳定腔，通过腔内倍频的方式获得连续输出的蓝紫激光，该蓝紫激光器包括泵浦光源结构、碱金属蒸汽池6、倍频晶体7和谐振腔。
本实施方式中的泵浦光源结构由LD泵浦源1、传输泵浦光的传输光纤2和耦合透镜组组成。
本实施方式中的LD泵浦源1发射的泵浦光通过传输光纤2或其它方式进入耦合透镜组。
本实施方式中的耦合透镜组是由第一透镜3和第二透镜4组成的，用于耦合聚焦泵浦光，泵浦光经过耦合透镜组的耦合聚焦在碱金属蒸汽池6中。
本实施方式中的碱金属蒸汽池6用于将泵浦光转换为基频光，实现基频光增益，碱金属蒸汽池6内充有适量的碱金属蒸汽和缓冲气体，缓冲气体为氦气和乙烷，碱金属蒸汽池6的两端窗口镀有泵浦光和基频光波段的高透膜，以减少泵浦光和基频光在平凹稳定腔内的损耗，且其一端窗口呈布儒斯特角，这样可在平凹稳定腔内形成线偏振的基频光。
本实施方式中的谐振腔为平凹稳定腔，用于实现基频光振荡和倍频光输出。主要由前腔镜5和输出镜8组成，前腔镜5为凹面镜，前腔镜5放置在耦合透镜组和碱金属蒸汽池6之间，其表面镀有基频光波段的高反膜；输出镜8为平面镜，用于输出蓝紫倍频光，其表面镀有基频光波段的高反膜和倍频光波段的高透膜。
本实施方式中的倍频晶体7可将基频振荡光转换为蓝紫倍频光，其通光面镀有基频光和倍频光波段的高透膜，通光面是与基频振荡光光束方向垂直的面，平凹稳定腔内基频光振荡模的束腰位置靠近输出镜8，所以倍频晶体7位于碱金属蒸汽池6和输出镜8之间，并靠近输出镜8放置，使倍频晶体7处于基频光振荡模的束腰位置，从而在倍频晶体7内获得较高的基频光光强，以得到最佳的倍频效率。
本实施方式中的LD泵浦源1发射的泵浦光由传输光纤2输出至所述耦合透镜组，由耦合透镜组耦合聚焦进入碱金属蒸汽池6中，在泵浦激励作用下实现碱金属原子的有效粒子数反转，通过所述平凹稳定腔的反馈作用在腔内形成基频振荡光，基频振荡光在所述倍频晶体7中产生非线性效应，转换为蓝紫倍频光并由所述输出镜8输出。
本实施方式中的LD泵浦源1发射的泵浦光有多种可能，可以发射波长为766 .7nm、780.2 nm或852.3 nm的泵浦光，分别对应碱金属蒸汽池6中的钾蒸汽、铷蒸汽和铯蒸汽这三种激光介质的泵浦波长，发射哪种泵浦光根据碱金属蒸汽池6中的碱金属蒸汽激光介质而定。
本实施方式中的蓝紫激光器输出的蓝紫倍频光的波长可以为385 .0nm、397.5 nm或447.3 nm，分别对应钾激光、铷激光和铯激光这三种基频光。
以铷蒸汽激光介质为例，本实施方式所述的蓝紫激光器的具体工作过程为：LD泵浦源1发射的780.2 nm泵浦光经传输光纤2输出，由第一透镜3和第二透镜4耦合聚焦进入铷蒸汽池中，在泵浦激励作用下实现铷蒸汽原子的有效粒子数反转，通过平凹稳定腔的反馈振荡作用在腔内实现795.0 nm铷激光的高重复频率振荡，基频振荡光进入倍频晶体7中，在倍频晶体7中产生非线性效应作用，最后由输出镜8输出波长为397.5 nm的蓝紫倍频光。
具体实施方式二、如图2所示，为本发明的一种基于倍频碱金属蒸汽激光的蓝紫激光器的第二种技术方案，与具体实施方式一所述的第一种技术方案为并列的技术方案，该技术方案采用Z型折叠腔，通过腔内倍频的方式获得连续输出的蓝紫激光，该蓝紫激光器包括：两组泵浦光源结构、两个碱金属蒸汽池6、倍频晶体7和谐振腔。
本实施方式中的泵浦光源结构为两组，每组泵浦光源结构均包括用于发射泵浦光的LD泵浦源1、用于传输泵浦光的传输光纤2和用于耦合聚焦泵浦光的耦合透镜组，Z型折叠腔位于两组泵浦光源结构之间。
本实施方式中的LD泵浦源1发射的泵浦光通过传输光纤2或其它方式进入耦合透镜组。
本实施方式中的耦合透镜组是由第一透镜3和第二透镜4组成的，用于耦合聚焦泵浦光，泵浦光经过耦合透镜组的耦合聚焦在碱金属蒸汽池6中。
本实施方式中的碱金属蒸汽池6数量为两个，分别接收来自两个泵浦光源结构的泵浦光，用于将泵浦光转换为基频光，实现基频光增益，每个碱金属蒸汽池6内充有适量的碱金属蒸汽和缓冲气体，缓冲气体为氦气和乙烷的混合气。碱金属蒸汽池6的两端窗口镀有泵浦光和基频光波段的高透膜，以减少泵浦光和基频光在Z型折叠腔内的损耗，且其中的一端窗口呈布儒斯特角，这样可在Z型折叠腔腔内形成线偏振的基频光。
本实施方式中的倍频晶体7放置在输出镜8与反射镜9之间所形成的基频光振荡束腰处，进一步提高了基频光在倍频晶体7内的光强。
本实施方式中的谐振腔为Z型折叠腔，对基频光起反馈调节作用，用于实现基频光振荡和倍频光输出，主要由两个前腔镜5、输出镜8和反射镜9，两个前腔镜5分别位于Z型折叠腔的两端，输出镜8和反射镜9分别位于Z型折叠腔的两个角，由此形成Z型折叠腔。两个前腔镜5均为平面镜，其表面镀有基频光波段的高反膜；输出镜8为凹面镜，其表面镀有基频光波段的高反膜和倍频光波段的高透膜；反射镜9为凹面镜，其表面镀有基频光和倍频光波段的高反膜，两面前腔镜5之间形成基频振荡光。
本实施方式中的LD泵浦源1发射的泵浦光由传输光纤2输出至耦合透镜组，由耦合透镜组耦合聚焦进入碱金属蒸汽池6中，在泵浦激励作用下实现碱金属原子的有效粒子数反转，通过所述Z型折叠腔的反馈作用在腔内形成基频振荡光，从而使位于基频振荡光束腰处的所述倍频晶体7产生非线性效应，形成蓝紫倍频光并由所述输出镜8输出。
本实施方式中的LD泵浦源1发射的泵浦光有多种可能，可以发射波长为766 .7nm、780.2 nm或852.3 nm的泵浦光，分别对应碱金属蒸汽池6中的钾蒸汽、铷蒸汽和铯蒸汽这三种激光介质的泵浦波长，发射哪种泵浦光根据碱金属蒸汽池6中的碱金属蒸汽激光介质而定。
本实施方式中的蓝紫激光器输出的蓝紫倍频光的波长可以为385.0 nm、397.5 nm或447.3 nm，分别对应钾激光、铷激光和铯激光这三种基频光。
以铯蒸汽激光介质为例，本实施方式所述的蓝紫激光器的具体工作过程为：由LD泵浦源1发射的852 .3nm泵浦光经传输光纤2输出，从Z型折叠腔两端由第一透镜3和第二透镜4耦合聚焦进入到两个铯蒸汽池中，在泵浦激励作用下实现铯蒸汽原子的有效粒子数反转，通过Z型折叠腔的反馈振荡作用在腔内实现894.6 nm铯激光的高重复频率振荡，基频振荡光在倍频晶体7中产生非线性效应作用，最后由输出镜8输出波长为447 .3nm的蓝紫倍频光。
本发明提供的一种基于倍频碱金属蒸汽激光的蓝紫激光器，经查阅有关资料尚未发现有与本发明相同或相似的记载。表1所示为本发明的蓝紫激光器中，每种碱金属蒸汽激光介质分别对应的泵浦光波长、基频光波长和最终获得的蓝紫倍频光波长。
表1
| 碱金属 | 泵浦光 / nm | 基频光 / nm | 倍频光 / nm |
| K | 766.7 | 770.1 | 385.0 |
| Rb | 780.2 | 795.0 | 397.5 |
| Cs | 852.3 | 894.6 | 447.3 |
Claims (8)
1.一种基于倍频碱金属蒸汽激光的蓝紫激光器，其特征在于，该蓝紫激光器包括：泵浦光源结构、将泵浦光转换为基频光的碱金属蒸汽池（6）、实现基频光振荡和蓝紫倍频光输出的谐振腔和将基频振荡光转换为蓝紫倍频光的倍频晶体（7）；所述泵浦光源结构放置在所述谐振腔腔外，所述碱金属蒸汽池（6）和倍频晶体（7）放置在所述谐振腔腔内；
所述泵浦光源结构包括发射泵浦光的LD泵浦源（1）、传输泵浦光的传输光纤（2）和耦合聚焦泵浦光的耦合透镜组，所述LD泵浦源（1）发射的泵浦光由所述传输光纤（2）输出至所述耦合透镜组；
所述谐振腔为平凹稳定腔，包括前腔镜（5）和输出镜（8），所述前腔镜（5）靠近所述耦合透镜组放置，所述碱金属蒸汽池（6）靠近所述前腔镜（5）放置，所述倍频晶体（7）放置在所述前腔镜（5）和输出镜（8）之间的基频光振荡模的束腰位置；
所述LD泵浦源（1）发射的泵浦光由所述传输光纤（2）输出至所述耦合透镜组，经过耦合聚焦进入所述碱金属蒸汽池（6）中，在泵浦激励作用下实现碱金属原子的有效粒子数反转，通过所述平凹稳定腔的反馈作用在腔内形成基频振荡光，基频振荡光在所述倍频晶体（7）中产生非线性效应，转换为蓝紫倍频光并由所述输出镜（8）输出。
2.根据权利要求1所述的一种基于倍频碱金属蒸汽激光的蓝紫激光器，其特征在于，所述前腔镜（5）和输出镜（8）的表面镀有膜，所述前腔镜（5）表面镀有基频光波段的高反膜；所述输出镜（8）表面镀有基频光波段的高反膜和倍频光波段的高透膜。
3.根据权利要求1所述的一种基于倍频碱金属蒸汽激光的蓝紫激光器，其特征在于，所述耦合透镜组包括第一透镜（3）和第二透镜（4）。
4.根据权利要求1所述的一种基于倍频碱金属蒸汽激光的蓝紫激光器，其特征在于，所述碱金属蒸汽池（6）内充有碱金属蒸汽、氦气和乙烷，其两端窗口镀有泵浦光和基频光波段的高透膜，且其中的一端窗口呈布儒斯特角。
5.一种基于倍频碱金属蒸汽激光的蓝紫激光器，其特征在于，该蓝紫激光器包括：两组泵浦光源结构、将泵浦光转换为基频光的两个碱金属蒸汽池（6）、实现基频光振荡和蓝紫倍频光输出的谐振腔和将基频振荡光转换为蓝紫倍频光的倍频晶体（7）；所述两组泵浦光源结构放置在所述谐振腔腔外，所述两个碱金属蒸汽池（6）和倍频晶体（7）放置在所述谐振腔腔内；
所述两组泵浦光源结构分别放置在所述谐振腔两端，每组泵浦光源结构均包括发射泵浦光的LD泵浦源（1）、传输泵浦光的传输光纤（2）和耦合聚焦泵浦光的耦合透镜组，所述LD泵浦源（1）发射的泵浦光由所述传输光纤（2）输出至所述耦合透镜组；
所述谐振腔为Z型折叠腔，包括两个前腔镜（5）、输出镜（8）和反射镜（9），两个前腔镜（5）分别位于Z型折叠腔的两端靠近所述耦合透镜组放置，输出镜（8）和反射镜（9）分别位于Z型折叠腔的两个角，所述两个碱金属蒸汽池（6）中一个放置在所述一个前腔镜（5）和输出镜（8）之间，另一个放置在反射镜（9）和另一个前腔镜（5）之间，所述倍频晶体（7）放置在所述输出镜（8）和反射镜（9）之间的基频光振荡模的束腰位置；
所述LD泵浦源（1）发射的泵浦光由所述传输光纤（2）输出至耦合透镜组，经过耦合聚焦进入所述碱金属蒸汽池（6）中，在泵浦激励作用下实现碱金属原子的有效粒子数反转，通过所述Z型折叠腔的反馈作用在腔内形成基频振荡光，从而使位于基频振荡光束腰处的所述倍频晶体（7）产生非线性效应，形成蓝紫倍频光并由所述输出镜（8）输出。
6.根据权利要求5所述的一种基于倍频碱金属蒸汽激光的蓝紫激光器，其特征在于，所述两个前腔镜（5）、输出镜（8）和反射镜（9）的表面均镀有膜，所述每个前腔镜（5）表面均镀有基频光波段的高反膜；所述输出镜（8）表面镀有基频光波段的高反膜和倍频光波段的高透膜；所述反射镜（9）表面镀有基频光和倍频光波段的高反膜。
7.根据权利要求5所述的一种基于倍频碱金属蒸汽激光的蓝紫激光器，其特征在于，所述耦合透镜组包括第一透镜（3）和第二透镜（4）。
8.根据权利要求5所述的一种基于倍频碱金属蒸汽激光的蓝紫激光器，其特征在于，所述碱金属蒸汽池（6）内充有碱金属蒸汽、氦气和乙烷，其两端窗口镀有泵浦光和基频光波段的高透膜，且其中的一端窗口呈布儒斯特角。
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