CN103199430A - 双掺铬钕钇铝石榴石复合磷酸氧钛钾腔内倍频自调q绿光激光器 - Google Patents

双掺铬钕钇铝石榴石复合磷酸氧钛钾腔内倍频自调q绿光激光器 Download PDF

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董俊
白胜闯
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双掺铬钕钇铝石榴石复合磷酸氧钛钾腔内倍频自调Q绿光激光器，涉及绿光激光器。设有泵浦源、微透镜、第一柱状透镜、第二柱状透镜、激光工作介质Cr,Nd:YAG/KTP复合晶体；所述泵浦源、微透镜、第一柱状透镜、第二柱状透镜、激光工作介质Cr,Nd:YAG/KTP复合晶体从前至后依次排列并位于同一个光轴上；激光工作介质Cr,Nd:YAG/KTP复合晶体的后表面镀增透膜及高反膜作为激光腔的后腔镜，Cr,Nd:YAG/KTP复合晶体的前表面镀有高反膜和增透膜作为激光腔的前腔镜。激光器使用的光学元件少，生产成本低，结构简单紧凑，便于生产安装和非专业人员的操作使用。

Description

双掺铬钕钇铝石榴石复合磷酸氧钛钾腔内倍频自调Q绿光激光器
技术领域
本发明涉及绿光激光器，尤其是涉及一种小型化的使用激光二极管端面直接泵浦的腔内倍频的绿光激光器，激光工作物质是Cr,Nd:YAG/KTP自调Q与倍频晶体所形成的复合晶体。
背景技术
激光二极管泵浦的被动调Q固体激光器是一种全固化、结构紧凑、转换效率高的激光光源。被动调Q激光器的高光束质量、高峰值功率、高重复频率的特性使其在激光雷达、激光测距、遥感遥控、微机械加工和非线性光学转化产生新型光源等领域具有非常广阔的应用前景。可饱和吸收体用作被动调Q开关的原理是基于非线性可饱和吸收效应，即在低的能量密度下，可饱和吸收体具有很大的吸收，抑制了激光的振荡，可以看成是激光腔的一个损耗；在高的能量密度下，可饱和吸收体被“漂白”，对光不具有吸收，“完全”透光。目前用作被动调Q开关的主要有Cr4+离子掺杂的晶体和陶瓷如Cr4+:YAG、半导体可饱和吸收镜（SESAM）、有机染料、色心晶体等。掺Cr4+离子晶体可饱和吸收体由于具有损伤阈值高、吸收截面大、饱和光强小、成本低和结构简单等优点而在被动调Q固体激光器中得到了广泛的应用。特别是Cr4+离子和Nd3+离子能够在YAG基质中共掺生长出双掺Cr,Nd:YAG自调Q激光晶体，使用激光二极管对其端面泵浦形成的自调Q固体激光器具有效率高、功率高等优点，并且结构紧凑，能够集成和设计为小型化产品。
腔内倍频技术通过充分利用激光谐振腔内高的激光强度实现高效的倍频激光输出。2003年，徐震等人（[1]徐震，魏晓羽，吴念乐，LD泵浦Cr4+,Nd3+:YAG自调Q腔内倍频激光器研究，量子电子学报.2003，20：410-414）用810nm激光二极管作为泵浦源，Cr,Nd:YAG晶体作为激光增益介质，在腔内加入KTP晶体构成了自调Q腔内倍频平-平谐振腔。激光器工作在水冷控温条件下，获得了532nm绿光输出，激光脉冲的脉冲宽度为210ns，峰值功率只有101W，光-光转换效率只有6%。谐振腔内插入Cr,Nd:YAG晶体，KTP晶体以及两个镀膜的平面镜，引入了多余的插入损耗和反射损耗等，因此激光器的转换效率低。2006年杜仕峰等人（S.Du,S.Wang,D.Zhang,et al,Diode end-pumped self-Q-switched and mode-lockedNd,Cr:YAG/KTP green laser，Chin.Phys.Soc.2006，15：1522-1525）利用808nm LD作为泵浦源，使用Cr,Nd:YAG晶体和KTP倍频晶体，在折叠Z型腔的结构下，在泵浦光为19W时获得了680mW的绿光输出，光-光转换效率仅3.58%。实验中使用了水冷结构对其控温在12度，使得激光器的结构非常复杂，难于维护。2007年，杜仕峰等人([3]S.Du,S.Wang,D.Zhang,et al,“Green output of1.5W from diode-pumped intracavity frequency-doubled self-Q-switchedand mode-locked Cr,Nd:YAG laser,”Chin.Phys.Lett.2007，24：3149-3152)优化了Cr,Nd:YAG晶体的长度等参数，仍然使用Z型腔，提高了绿光的效率。但是由于上述激光器的工作条件较为苛刻，需要水冷或者风冷装置控制在一定温度下，而且激光谐振腔的腔型复杂，生产成本高，安装和调试过程复杂，不利于生产安装和非专业人员操作使用。
因此，探索基于Cr,Nd:YAG自调Q激光晶体的小型化、高效的倍频激光器的研究一直在持续升温中。LD在泵浦固体激光器的过程中产生的热是限制高功率固体激光器发展的一个主要因素。采用885nm LD作为泵浦源，粒子直接从基态激发到激光上能级，有效地减少Stokes频移和量子缺陷，使得量子效率可以高达83%（[4]Lupei V,Pavel N,Taira T,“1064nm laseremission of highly doped Nd:Yttrium aluminum garnet under885nm diode laser pumping,”Appl.Phys.Lett.80,4309-4311(2002)）。因此，885nm LD直接泵浦所产生的热负荷比采用808nm LD泵浦时产生的热负荷减小30%（[5]Lupei V,Lupei A,Pavel N,“Laser emission under resonantpump in the emitting level of concentrated Nd:YAG ceramics，”Appl.Phys.Lett.79,590-592（2001））.最近，885nm直接泵浦的Cr,Nd:YAG自调Q和锁模激光器获得了高效的激光输出，在10.9W泵浦光功率下获得了3.36W的1064nm激光输出，斜率效率高达38.1%（[6]M.Jiang,Q.Zhang,W.Zhou,et al.Self-Q-switched and mode-locked Cr,Nd:YAG laser underdirect885nm diode laser pumping.Chinese Phys.Lett.29,054214(2012)）。自调Q激光脉冲包络的重复频率为95kHz、脉冲宽度为400ns，自调Q激光脉冲包络对应的峰值功率只有88W.最近曹梦军等人（[7]曹梦军，白胜闯，董俊,885-nm LD直接泵浦Cr,Nd:YAG/KTP腔内倍频自调Q小型化绿光激光器研究,中国科技论文在线精品论文.2012，5：2135-2140）采用885nmLD作为泵浦源，直接泵浦Cr,Nd:YAG自调Q晶体，通过KTP腔内倍频获得532nm自调Q绿光激光输出。然而由于Cr,Nd:YAG晶体中Nd离子在885nm处的吸收系数小，而且腔内插入KTP晶体导致了损耗增加，因而激光的输出功率只有92mW，而且光-光转化效率只有3%。随着透明陶瓷技术的发展，高掺杂浓度Cr,Nd:YAG激光陶瓷为直接泵浦Cr,Nd:YAG激光带来了曙光。而且随着晶体键合技术的发展，各种多功能复合结构材料的制备成为可能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种双掺铬钕钇铝石榴石复合磷酸氧钛钾腔内倍频自调Q绿光激光器。
本发明设有泵浦源、微透镜、第一柱状透镜、第二柱状透镜、激光工作介质Cr,Nd:YAG/KTP复合晶体；
所述泵浦源、微透镜、第一柱状透镜、第二柱状透镜、激光工作介质Cr,Nd:YAG/KTP复合晶体从前至后依次排列并位于同一个光轴上；激光工作介质Cr,Nd:YAG/KTP复合晶体的后表面镀增透膜及高反膜作为激光腔的后腔镜，Cr,Nd:YAG/KTP复合晶体的前表面镀有高反膜和增透膜作为激光腔的前腔镜。
所述泵浦源可采用高亮度的885nm单管激光二极管，所述Cr,Nd:YAG/KTP复合晶体的后表面（即面向泵浦源的Cr,Nd:YAG端面）镀885nm的增透膜、1064nm和532nm高反膜，所述Cr,Nd:YAG/KTP复合晶体的前表面（即抗灰迹KTP晶体的端面）的镀1064nm高反膜、及532nm增透膜。
本发明的特点在于：
（1）由激光工作介质Cr,Nd:YAG/KTP复合晶体组成的微片激光器，复合晶体的两个表面是平行平面，组成的激光谐振腔是法布里-珀罗谐振腔（F-P腔），其优点是光束方向性极好，发散角小，模体积较大，比较容易获得单横模振荡，微片化的激光器结构能够输出高亮度，高峰值功率，高光束质量的绿光脉冲激光。
（2）使用高亮度的单管激光二极管作为泵浦源，其亮度高，体积小，可以使整套激光器件更加小型化，集成化和实用化。
（3）利用热键合技术制成的Cr,Nd:YAG/KTP复合晶体，消除了Cr,Nd:YAG晶体与抗”灰迹”KTP晶体之间的界面形成的光学损耗，作为激光工作物质可以改善激光热性能和光束质量，并且由于两者键合在一起省去了调节两者形成平行平面腔的复杂步骤，使激光器的结构变得更加简单，便于生产安装和非专业人员操作使用。
本发明的优点在于：
（1）本发明所述绿光激光器在较大的泵浦功率范围内，可获得不同重复频率的绿光脉冲激光输出，而且激光脉冲的峰值功率高，单脉冲宽度窄。
（2）采用高亮度885nm单管激光二极管作为泵浦源，相较于808nm泵浦源的间接泵浦方式，它对Cr,Nd:YAG晶体的泵浦方式是直接泵浦的，粒子从基态直接抽运到激光上能级，没有经由激发态上粒子的无辐射跃迁，从而有效的减小了热透镜效应并提高了输出效率。
（3）使用了双掺的Cr,Nd:YAG自调Q晶体作为工作物质，增益介质离子和可饱和吸收体共掺杂在同一种基质中能同时实现激光增益功能和调Q功能，使固体激光器件更加结构紧凑。
（4）KTP晶体作为倍频晶体具有非线性光学系数大，失配度小，热导率高，物化机械性能稳定等等的优势。但普通的KTP晶体用于高功率密度1064nm激光倍频时，会观察到“灰迹效应”，在形成灰迹的区域，晶体对可见和近红外光的吸收显著增加，严重的会导致晶体发热，转换效率降低，输出功率下降，并可能造成KTP晶体的永久性损坏。鉴于此，本发明使用了抗“灰迹”KTP晶体，它能够改善激光性能，减少晶体损坏。
（5）采用热键合技术把Cr,Nd:YAG晶体和抗灰迹KTP晶体直接键合可以有效地缩短腔长，压缩脉冲宽度，提高脉冲峰值功率，从而获得高峰值功率，小型化、集成化固体激光光源。复合晶体消除了Cr,Nd:YAG晶体与抗”灰迹”KTP晶体之间的界面，极大地减小了腔内的损耗。复合晶体两面镀膜形成了平-平谐振腔，相当于将KTP晶体置入谐振腔内，通过腔内倍频方式输出绿光脉冲激光，可以充分利用激光谐振腔内高的激光强度实现高效的倍频激光输出。
（6）激光器使用的光学元件少，生产成本低，结构简单紧凑，便于生产安装和非专业人员的操作使用。
附图说明
图1为本发明实施例的结构组成图。
图2为Cr,Nd:YAG自调Q激光晶体在室温下的吸收光谱。在图2中，横坐标为波长（nm），纵坐标为吸收系数(cm-1)。
图3为直接泵浦粒子跃迁图。
图4为间接泵浦粒子跃迁图。
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，本发明实施例设有泵浦源1、微透镜2、第一柱状透镜3、第二柱状透镜4、激光工作物质Cr,Nd:YAG/KTP复合晶体5、第1镀膜6、第2镀膜7和滤光片8；所选泵浦源1、微透镜2、第一柱状透镜3、第二柱状透镜4、激光工作介质Cr,Nd:YAG/KTP复合晶体5从前至后依次排列并位于同一个光轴上；激光工作介质Cr,Nd:YAG/KTP复合晶体5的前后表面分别设有第1镀膜6和第2镀膜7，形成激光腔的前后腔镜。
所述泵浦源1为单管激光二极管，输出波长为885nm，激光功率10W；其发射截面积是1μm×50μm。安装在单管激光二极管前的一个微透镜2将激光二极管发射的泵浦光的快轴发散角压缩到10度。然后经过两个焦距均为8mm的第一柱状透镜3和第二个柱状透镜4的光学耦合和聚焦后，在激光工作物质Cr,Nd:YAG/KTP复合晶体的入射面上行成一个面积为（80μm×80μm）的入射光斑；本发明所用的激光增益介质是一块沿<111>方向切割的Cr,Nd:YAG自调Q激光晶体。以Nd3+离子掺杂浓度为1at.%，Cr离子的掺杂浓度为0.01at.%的Cr,Nd:YAG自调Q激光晶体和抗“灰迹”KTP晶体为例来说明本发明的内容。Cr,Nd:YAG自调Q激光激光晶体和KTP晶体的尺寸皆为横截面为3mm×3mm，厚度为5mm，通过热键合技术将两者键合起来。Cr,Nd:YAG晶体的后表面镀885nm的增透膜，1064nm和532nm高反膜作为激光腔的后腔镜，KTP晶体的前表面镀有1064nm高反膜和532nm的增透膜以形成激光腔的前腔镜。Cr,Nd:YAG晶体和KTP晶体使用夹具安放在实验平台上，在室温下工作。
测量输出的532nm绿光激光的性能，可先将输出的脉冲激光经过一个滤波片8，滤掉1064nm的基频光后使用功率计来测量绿光平均输出功率。对于输出激光脉冲特性的测试（包括重复频率，单个脉冲的宽度）则可通过高灵敏度的光电探测仪及数字示波器来测试。
本发明创新地使用了高亮度885nm单管激光二极管端面直接泵浦Cr,Nd:YAG晶体的方式减少激光运行中所产生的热效应，使用热键合技术将Cr,Nd:YAG晶体和抗灰迹KTP晶体键合在一起形成复合晶体，在复合晶体的两面镀膜形成激光谐振腔，而KTP腔内倍频的将1064nm的脉冲激光转换为532nm的绿光脉冲激光输出。
本发明使用885nm泵浦源对Cr,Nd:YAG/KTP复合晶体直接泵浦，是由于在二极管泵浦固体激光器的过程中，存在斯托克斯频移和量子亏损等问题，导致增益介质产生热效应，严重的影响到输出激光的光束质量。本发明利用885nm单管激光二极管作为泵浦源对Cr,Nd:YAG/KTP复合晶体进行直接泵浦，与808nm激光二极管的间接泵浦方式相比，有效地减少了热透镜效应，减少了不必要的能量损失，最终提高输出效率。
本发明核心关键技术是使用了Cr,Nd:YAG/KTP复合晶体，兼具自调Q和倍频的功能。Cr,Nd:YAG/KTP复合晶体的制备是通过热键合技术(Thermal bonding)，先将两块经过精密加工的Cr,Nd:YAG晶体和抗“灰迹”KTP晶体在室温的条件下紧贴在一起,靠两个表面间的作用力使两者结合在一起。晶体表面经过处理后,可以获得亲水性表面,两个加工精度高和粗糙度细的亲水性表面可以依靠氢键的作用在室温下相互吸引，形成光胶。随着温度的升高,离子和空穴在交界面上的扩散逐渐加剧，而且由于表面有很多悬空键,可以经过一定时间的晶格调整和重构,最后形成一个稳定的结构。（[8]吕静姝,闫平,巩马理等，“热键合技术及其在激光方面的应用”，光学技术.28，355-359（2002））。
采用热键合技术制备的Cr,Nd:YAG/KTP复合晶体，最重要的改进就是对激光热性能和光束质量的改善,特别是在高功率激光器中的用途。由于激光器在工作时，泵浦光的能量只有一部分转化为激光,剩余的能量都被其它的竞争机制所消耗,如无辐射跃迁、自发辐射、基质吸收等,这些过程都会在激光介质中产生热量。一般高功率系统都必须加冷却系统,但冷却系统会带来激光介质内部温度分布的不均匀,使内部温度比边缘高。由于晶体的折射率会随着温度变化而变化,这样就会产生热透镜效应;晶体受热后还会产生应力双折射。这些都会使光束质量受到严重影响。本发明实验中热键合技术在将倍频晶体KTP和双掺自调Q晶体Cr,Nd:YAG两种不同功能的晶体键合在一起,形成一个集成的非线性激光系统,实现了系统的小型化和集成化。复合晶体的键合面紧密接触，省去调整两块晶体的平行腔的步骤，减小调节难度，也有利于装夹结构的设计。此外通过晶体两端键合，省去了原分立结构需要镀膜的情况,使镀膜面和激光器中受热应力最大的面分开,防止一些对温度敏感的膜发生变化。该复合晶体对改善高功率激光器热性能、提高激光系统集成化很有意义,在激光方面有着很广泛的应用前景。
本发明用于制备Cr,Nd:YAG/KTP复合晶体的倍频晶体是抗“灰迹”的KTP晶体。由于复合晶体两面镀膜形成激光谐振腔，KTP位于谐振腔内，因此绿光的产生是通过腔内倍频的方式。腔内倍频方式可以充分利用激光谐振腔内高的激光强度来实现高效的倍频激光输出，其优点是转换效率高，结构简单。本发明采用了抗“灰迹”KTP晶体，不但具有普通KTP晶体的优点，而且具有更高的抗“灰迹”性能，减小对输出激光光束质量的影响。2008年福建物质结构研究所使用新方法生长了抗“灰迹”KTP晶体，测试表明该晶体可见光谱的短波端比普通KTP晶体有更高的透过率，具有更高的抗“灰迹”性能，能够应用于高功率密度激光的倍频（[9]苏榕冰，陈昱，陈黎娜等，“抗‘灰迹’KTP晶体光学性能研究”，人工晶体学报.37,104-108（2008））。本发明中抗“灰迹”的ＫＴＰ晶体与双掺晶体通过热键合形成一整块晶体，以此形成的绿光激光器，效率高，光束质量好，结构小型化。
885nm单管激光二极管直接端面泵浦的Cr,Nd:YAG/KTP复合自调Q腔内倍频绿光激光器，主要涉及Cr,Nd:YAG自调Q激光晶体作为激光增益介质和被动调Q开关，抗“灰迹”KTP晶体作为倍频转换晶体实现腔内倍频，热键合技术制备复合晶体等技术。通过控制Cr,Nd:YAG自调Q激光晶体的掺杂浓度，KTP晶体的长度来实现高转化效率、高光束质量、高峰值功率的小型化自调Q绿光固体激光器。

Claims (3)

1.双掺铬钕钇铝石榴石复合磷酸氧钛钾腔内倍频自调Q绿光激光器，其特征在于设有泵浦源、微透镜、第一柱状透镜、第二柱状透镜、激光工作介质Cr,Nd:YAG/KTP复合晶体；
所述泵浦源、微透镜、第一柱状透镜、第二柱状透镜、激光工作介质Cr,Nd:YAG/KTP复合晶体从前至后依次排列并位于同一个光轴上；激光工作介质Cr,Nd:YAG/KTP复合晶体的后表面镀增透膜及高反膜作为激光腔的后腔镜，Cr,Nd:YAG/KTP复合晶体的前表面镀有高反膜和增透膜作为激光腔的前腔镜。
2.如权利要求1所述双掺铬钕钇铝石榴石复合磷酸氧钛钾腔内倍频自调Q绿光激光器，其特征在于所述泵浦源采用高亮度的885nm单管激光二极管。
3.如权利要求1所述双掺铬钕钇铝石榴石复合磷酸氧钛钾腔内倍频自调Q绿光激光器，其特征在于所述Cr,Nd:YAG/KTP复合晶体的后表面，即面向泵浦源的Cr,Nd:YAG端面镀885nm的增透膜、1064nm和532nm高反膜；所述Cr,Nd:YAG/KTP复合晶体的前表面，即抗灰迹KTP晶体的端面镀1064nm高反膜和532nm增透膜。
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