CN103117509B - 蓝光泵浦掺镨氟化钇锂的696nm红光全固体激光器 - Google Patents

Abstract

蓝光泵浦掺镨氟化钇锂的696nm红光全固体激光器，涉及一种全固体激光器。设有：444nm蓝光半导体激光器，作为696nm红光全固体激光器的泵浦源；整形棱镜，整形棱镜位于444nm蓝光半导体激光器的输出端；聚焦透镜，聚焦透镜设于整形棱镜的输出端；平面输入镜，平面输入镜位于聚焦透镜的输出端，作为696nm红光的输入镜；Pr:YLF激光晶体，Pr:YLF激光晶体的输入端面紧挨着平面输入镜；BBO双折射晶体，BBO双折射晶体设于Pr:YLF激光晶体的输出端；激光输出镜，激光输出镜设于BBO晶体的输出端，作为696nm红光激光器的输出镜；蓝光滤光片，蓝光滤光片设于激光输出镜的输出端，用于滤除蓝光。

Description

蓝光泵浦掺镨氟化钇锂的696nm红光全固体激光器

技术领域

本发明涉及一种全固体激光器，尤其是涉及一种444nm蓝光半导体激光器泵浦掺镨氟化钇锂（Pr:YLF）的696nm红光全固体激光器。

背景技术

基于掺镨（Pr）材料的可见光固体激光器是近年来激光器研究领域的热点。Pr:YLF激光晶体在红光波段有640nm、696nm、698nm和721nm等多个波长的激光发射谱线，并且640nm和721nm的激光增益更强（参见文献Teoman Gün et al.,"Power scaling of laser diodepumped Pr³⁺:LiYF₄cw lasers:efficient laser operation at522.6nm,545.9nm,607.2nm,and639.5nm",Optics Letters Vol.36,pp.1002(2011)）。对于两个相邻波长、偏振方向不同的激光谱线进行选频，一般采用在腔内插入偏振分光镜PBS（参见文献Bo Wu et al.,"Compact dual-wavelength Nd:GdVO₄laser working at1063and1065nm",Optics ExpressVol.17,pp.6004(2009)），或在腔内插入标准具的方法（参见文献Y.P.Huang et al.,"Orthogonally polarized dual-wavelength Nd:LuVO₄laser at1086nm and1089nm",OpticsExpress Vol.20,pp.5644(2012)）。

目前仅获得Pr:YLF晶体697.7nm激光的报道（参见文献J.M.Sutherland et al.,"Visible continuous-wave laser transitions in Pr³⁺:YLF and femtosecond pulsegeneration",Optics Letters Vol.21,pp.797(1996)），至今未见获得Pr:YLF晶体696nm的红光固体激光器的报道。

发明内容

本发明的目的在于针对目前尚未获得696nm新波长的Pr:YLF全固体激光器的不足，提供一种蓝光泵浦掺镨氟化钇锂的696nm红光全固体激光器。

本发明设有：

444nm蓝光半导体激光器，作为696nm红光全固体激光器的泵浦源；

整形棱镜，整形棱镜位于444nm蓝光半导体激光器的输出端；

聚焦透镜，聚焦透镜设于整形棱镜的输出端；

平面输入镜，平面输入镜位于聚焦透镜的输出端，作为696nm红光的输入镜；

Pr:YLF激光晶体，Pr:YLF激光晶体的输入端面紧挨着平面输入镜；

BBO双折射晶体，BBO双折射晶体设于Pr:YLF激光晶体的输出端；

激光输出镜，激光输出镜设于BBO晶体的输出端，作为696nm红光激光器的输出镜；

蓝光滤光片，蓝光滤光片设于激光输出镜的输出端，用于滤除蓝光。

所述整形棱镜可采用三角形并镀有蓝光增透膜。

所述平面输入镜镀膜膜层为在444nm、721nm处高透，同时在696nm处高反（反射率R>99.5%）的多层介质膜，作为激光器的输入镜，有效抑制了721nm谱线的激光振荡。

所述激光输出镜镀膜膜层为在640nm处高透，同时在696nm处部分透射（透射率T<20%）的多层介质膜，作为激光器的输出镜，有效抑制了640nm谱线的激光振荡。

所述BBO双折射晶体具有双折射偏振选择效应，抑制Pr:YLF晶体π偏振方向上的辐射放大，使σ方向偏振的696nm激光的阈值低于π偏振方向上的698nm激光阈值，696nm激光优先起振，有效抑制了698nm谱线的激光振荡。

所述整形棱镜用于实现泵浦光光斑的整形，使长条形的泵浦光斑整形为接近正方形。

所述聚焦透镜用于实现整形后泵浦光束的聚焦。

所述平面输入镜，平面输入镜设于聚焦透镜的输出端，作为696nm红光的激光谐振腔输入镜。通过特殊的膜系设计，有效抑制了721nm的激光振荡。

Pr:YLF激光晶体，Pr:YLF激光晶体的输入端面紧挨着平面输入镜，作为696nm激光的增益介质。

所述BBO双折射晶体具有双折射偏振选择效应，未插入BBO晶体时698nm谱线先于696nm起振。插入BBO晶体后，由于696nm和698nm是两个偏振方向相互垂直的偏振光，BBO晶体的双折射特性使得晶体对不同偏振光696nm、698nm的损耗不同。将BBO晶体以某一特定角度插入到谐振腔时，可使696nm的阈值低于698nm而优先起振，有效抑制了698nm的激光振荡。

所述激光输出镜，激光输出镜设于BBO激光晶体的输出端，作为696nm红光的输出镜。通过特殊的膜系设计，有效抑制了640nm的激光振荡。

所述蓝光滤光片，蓝光滤光片设于激光输出镜的输出端，用于过滤未被完全吸收的444nm泵浦光，从而使得输出为696nm单波长红色激光。

本发明通过特殊的腔体膜系设计，并将常规用来倍频的BBO器件插入腔中进行偏振选频，在Pr:YLF激光晶体中实现了444nm蓝光LD泵浦Pr:YLF的696nm新波长激光的连续运转，这将为红光波段的Pr:YLF激光器扩大应用领域带来重要的学术意义与使用价值。本发明的突出效果将在具体实施方式中说明。

本发明采用的技术方案是利用特殊的腔镜膜系和BBO晶体的偏振选择效应，采用半导体激光器泵浦Pr:YLF实现新波长696nm红光的输出。

本发明采用BBO晶体进行偏振选频，抑制了π方向偏振光698nm，使σ方向偏振光696nm形成激光振荡。

本发明可以和698nm激光器差频产生太赫兹波，为红光波段的Pr:YLF激光器扩大应用领域带来重要的学术意义，同时拓宽了可见光激光器在环境监测、激光雷达、光谱分析等领域的应用前景与使用价值。

附图说明

图1为本发明实施例的结构组成示意图。

图2为本发明实施例蓝光泵浦掺镨氟化钇锂的696nm红光全固体激光器输出功率与泵浦吸收功率的关系曲线。在图2中，横坐标为吸收功率（mW），纵坐标为输出功率（mW）；标记■为T=0.01%，η=2.3%；●为T=0.5%，η=12.6%；▲为T=1.3%，η=8.0%，其中，T为激光输出镜在696nm处的输出耦合透射率，η为与三种不同输出耦合透射率T相对应的696nm激光斜效率。

图3为本发明实施例蓝光泵浦掺镨氟化钇锂的696nm红光全固体激光器腔内损耗Findlay-Clay方法分析。在图3中，横坐标为不同输出耦合透射率T下对应的激光阈值（mW），纵坐标为输出耦合透射率(%)；腔内往返损耗L=1.2%。

图4为本发明实施例蓝光泵浦掺镨氟化钇锂的696nm红光全固体激光器的激光光谱图。在图4中，横坐标为波长（nm），纵坐标为强度(a.u.)。

具体实施方式

以下实施例将结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明设有：

444nm蓝光半导体激光器1；

整形棱镜2位于444nm蓝光半导体激光器1的输出端；

聚焦透镜3设于整形棱镜2的输出端，与整形棱镜2一起对泵浦光束进行整形和聚焦，使增益介质充分吸收泵浦光，提高泵浦光的吸收效率，同时使得聚焦光斑足够小；

平面输入镜4设于聚焦透镜3的输出端，采用镀444nm、721nm高透和696nm高反（R>99.5%）的多层介质膜，作为激光器的输入镜，抑制了721nm波长的激光振荡；

Pr:YLF激光晶体5，晶体掺杂浓度为0.5.at.%,长度为5mm，其输入端面紧接着平面输入镜4；

BBO双折射晶体6，设于Pr:YLF激光晶体5的输出端，用于抑制698nm的激光振荡；

激光输出镜7设于BBO晶体6的输出端，采用镀640nm高透和696nm部分透射的多层介质膜，抑制了640nm波长的激光振荡，并作为696nm激光的输出镜。

蓝光滤光片8，蓝光滤光片8设于激光输出镜7的输出端，用于过滤未被完全吸收的444nm泵浦光，从而使得输出为696nm单波长红色激光。

激光谐振腔腔镜的具体镀膜指标如下：

平面输入镜采用镀444nm、721nm高透和696nm高反（R>99.5%）的多层介质膜，作为泵浦光输入镜。

激光输出镜采用镀640nm高透和696nm部分透射（透射率分别为T=0.01%、T=0.5%和T=1.3%）的多层介质膜，作为696nm红光的输出镜。

在激光器的设计过程中，为了使泵浦光发射谱与Pr:YLF激光晶体吸收谱实现最佳匹配，提高泵浦光的吸收效率，故采用444nm蓝光LD作为泵浦源。通过镀有444nm增透介质膜的整形棱镜和聚焦透镜的调节，优化泵浦光在激光晶体中的模式，进一步提高了泵浦光的利用效率。利用BBO晶体的双折射偏振选择效应且对温度不敏感的特性，在实验中实现了对696nm、698nm稳定的偏振选择作用，使698nm的激光起振阈值比696nm大，有效抑制了698nm的激光振荡。同时，本发明选择在激光谐振腔的腔镜上镀特定的膜层以达到波长选择的作用。平面输入镜镀有440nm、721nm高透和696nm高反（R>99.5%）的介质膜，激光输出镜采用640nm高透和696nm部分透射（透射率分别为T=0.01%、T=0.5%和T=1.3%）的多层介质膜，使721nm和640nm处的腔镜透射率比696nm处大很多，导致它们的激光起振阈值比696nm大，从而有效抑制了721nm和640nm这两个更强谱线的激光振荡。本发明通过平面输入镜和激光输出镜的特殊镀膜膜层设计以及腔内插入BBO选频器件，抑制了更强谱线721nm、640nm和698nm的激光振荡，使得696nm能够在谐振腔内振荡形成连续光输出。此外，对于腔体，选取对热效应较不敏感、有大可控模体积的平凹稳定腔结构，提高了激光器的输出稳定性。

图2为蓝光泵浦掺镨氟化钇锂的696nm红光全固体激光器的输出功率与泵浦吸收功率的关系曲线，其中，输出耦合透射率T分别为T=0.01%、T=0.5%和T=1.3%。从图2可以看出：该激光器的阈值很高，分别为179mW、229mW、436mW，最高斜效率为12.6%，最大输出激光功率达到51mW。

图3为蓝光泵浦掺镨氟化钇锂的696nm红光全固体激光器谐振腔内损耗分析，用Findlay-Clay方法分析计算知，腔内往返损耗为L=1.2%。

图4为蓝光泵浦掺镨氟化钇锂的696nm红光全固体激光器的光谱图，中心波长为695.6nm。

本发明实现了444nm蓝光半导体激光器泵浦掺镨氟化钇锂（Pr:YLF）激光晶体实现696nm新波长激光的连续运转，增加了一种红光波段的Pr:YLF固体激光器，为扩大红光应用领域具有一定的学术意义与使用价值。此外，蓝光泵浦掺镨氟化钇锂的696nm红光全固体激光器的具体实施效果是显著的、可再现的。

Claims (2)

1.蓝光泵浦掺镨氟化钇锂的696nm红光全固体激光器，其特征在于设有：

444nm蓝光半导体激光器，作为696nm红光全固体激光器的泵浦源；

整形棱镜，整形棱镜位于444nm蓝光半导体激光器的输出端；

聚焦透镜，聚焦透镜设于整形棱镜的输出端；

平面输入镜，平面输入镜位于聚焦透镜的输出端，作为696nm红光的输入镜；平面输入镜镀膜膜层为在444nm、721nm处高透，同时在696nm处高反的多层介质膜，作为激光器的输入镜，所述高反的反射率R>99.5％；

Pr:YLF激光晶体，Pr:YLF激光晶体的输入端面紧挨着平面输入镜；

BBO双折射晶体，BBO双折射晶体设于Pr:YLF激光晶体的输出端；

激光输出镜，激光输出镜设于BBO晶体的输出端，作为696nm红光激光器的输出镜；所述激光输出镜镀膜膜层为在640nm处高透，同时在696nm处部分透射的多层介质膜，作为激光器的输出镜，所述部分透射的透射率T<20％；

蓝光滤光片，蓝光滤光片设于激光输出镜的输出端，用于滤除蓝光。

2.如权利要求1所述蓝光泵浦掺镨氟化钇锂的696nm红光全固体激光器，其特征在于所述整形棱镜采用三棱镜并镀有蓝光增透膜。