CN103311782B

CN103311782B - 基于掺铥光纤激光器四倍频的蓝光激光产生方法与装置

Info

Publication number: CN103311782B
Application number: CN201310214650.1A
Authority: CN
Inventors: 陶蒙蒙; 陈绍武; 易爱平; 于力; 王振宝; 杨鹏翎; 叶锡生
Original assignee: Northwest Institute of Nuclear Technology
Current assignee: Northwest Institute of Nuclear Technology
Priority date: 2013-05-31
Filing date: 2013-05-31
Publication date: 2015-12-23
Anticipated expiration: 2033-05-31
Also published as: CN103311782A

Abstract

本发明公开了一种基于掺铥光纤激光器四倍频的蓝光激光产生方法和装置，利用掺铥光纤激光器输出功率高、光束质量好的特点，通过对掺铥光纤激光器输出的1.8μm～2μm激光进行两次倍频来获得较高功率的450nm～500nm蓝光激光，本发明采用光纤激光器与晶体光学元件相结合的结构方式，结构简单、使用方便，可在输出高功率的同时，确保较好的光束质量，还可以实现系统的集成化、模块化。

Description

基于掺铥光纤激光器四倍频的蓝光激光产生方法与装置

技术领域

本发明涉及光学领域，尤其涉及一种基于掺铥光纤激光器四倍频技术的蓝光激光获得方法与装置。

背景技术

蓝光激光在高密度存储、水下探测与通信、彩色激光显示以及医学等领域都有着重要的应用价值。基于蓝光激光波长短，光点面积小的特点，蓝光存储可以将光谱存储容量大大提高。由于蓝光波长处于海水窗口，利用蓝光激光进行水下通信是提高潜艇通信速率的一个重要手段。作为三原色之一，蓝光激光在显示领域和生物检测领域具有重要的作用。

目前获得蓝光激光的手段主要有：

1、半导体激光器直接发射蓝光激光。目前，采用ZnSe以及GaN等半导体材料都获得了蓝光输出。半导体激光器体积小、光电转换效率高，但是光束质量较差，而且目前功率较低。

2、利用稀土掺杂光纤的上转换效应获得蓝光激光。目前的上转换蓝光激光器的增益介质大多采用掺Tm或Pr的氧化物与氟化物，该种方法获得的蓝光激光同样存在着输出功率较低的问题。

3、倍频近红外LD获得蓝光激光。采用对近红外LD直接倍频的方式获得的蓝光激光输出光束质量也不高，而且主要是适合波段的近红外LD输出功率不高，故限制了蓝光激光的输出功率。

总之，目前的蓝光激光产生方法中，难以获得在高功率输出的同时保持较高的光束质量。

发明内容

本发明提供了一种获得蓝光激光的新的方法和装置，有望获得较高功率和较好光束质量的蓝光激光输出。

本发明的基本思路是对掺铥光纤激光器四倍频获得蓝光激光输出。掺铥光纤激光器发射谱涵盖了1.8μm～2μm，目前采用大模场面积低数值孔径的双包层掺铥光纤激光器的输出功率可达1kW，同时由于光纤的结构限制，其保持了较好的光束质量，故通过四倍频技术可以获得较高功率、且较好光束质量的蓝光激光。

本发明的技术解决方案为：

基于掺铥光纤激光器四倍频的蓝光激光产生方法，包括以下步骤：

[1]利用793nm半导体激光器泵浦掺铥光纤，获得1.8μm～2μm激光输出；

[2]1.8μm～2μm激光经一级倍频，得到0.9μm～1μm激光输出；

[3]0.9μm～1μm激光经二级倍频，得到450nm～500nm蓝光激光输出。

基于掺铥光纤激光器四倍频的蓝光激光产生装置，包括掺铥光纤激光器单元、一级倍频单元和二级倍频单元；掺铥光纤激光器单元输出光经过一级倍频单元和二级倍频单元倍频后，产生蓝光激光输出。

上述基于掺铥光纤激光器四倍频的蓝光激光产生装置中，掺铥光纤激光器单元包括掺铥增益光纤、泵浦合束器、高反光纤光栅、低反光纤光栅和若干只半导体泵浦源；掺铥增益光纤输入端连接有高反射光纤光栅，输出端连接有低反射光纤光栅，若干只半导体泵浦源通过泵浦合束器与高反射光纤光栅连接。

上述基于掺铥光纤激光器四倍频的蓝光激光产生装置中，掺铥光纤激光器单元包括掺铥增益光纤、泵浦合束器、高反光纤光栅和若干只半导体泵浦源；掺铥增益光纤输入端连接有高反射光纤光栅，输出端设置有与光纤轴线呈8～10°的切角；若干只半导体泵浦源通过泵浦合束器与高反射光纤光栅连接。

上述基于掺铥光纤激光器四倍频的蓝光激光产生装置中，一级倍频单元包括一级倍频晶体和一级滤光片；掺铥光纤激光器单元输出光入射到一级倍频晶体，产生的一级倍频光透过一级滤光片传输至二级倍频单元。

上述基于掺铥光纤激光器四倍频的蓝光激光产生装置中，一级倍频单元包括在出射光轴上布置的凹面双色镜、高反凹面镜和一级倍频晶体，一级倍频晶体布置在凹面双色镜和高反凹面镜之间，掺铥增益光纤的输出光线与出射光轴的呈30～60°夹角，掺铥增益光纤输出光在凹面双色镜、高反凹面镜）和掺铥增益光纤之间振荡后，经凹面双色镜输出至二级倍频单元。

上述基于掺铥光纤激光器四倍频的蓝光激光产生装置中，二级倍频单元包括二级倍频晶体和二级滤光片；一级倍频光入射至二级倍频晶体倍频后入射到二级滤光片，蓝光激光透过二级滤光片输出。

上述基于掺铥光纤激光器四倍频的蓝光激光产生装置中，掺铥增益光纤为双包层光纤；一级倍频晶体）的前、后端设置有准直透镜；二级倍频晶体的后端设置有准直透镜。

上述基于掺铥光纤激光器四倍频的蓝光激光产生装置中，一级滤光片对1.8μm～2μm波段的光高透射、对0.9μm～1μm波段的光高反射；二级滤光片对0.9μm～1μm波段的光高反射、对450nm～500nm波段的光高透射；高反射光纤光栅）对1.8μm～2μm激光的反射率>95%；低反射光纤光栅对1.8μm～2μm激光的反射率<10%。

上述基于掺铥光纤激光器四倍频的蓝光激光产生装置中，一级倍频晶体为PPLN晶体或LBO晶体；二级倍频晶体为LBO晶体、BBO晶体或BIBO晶体等。

本发明具有的有益效果如下：

1、由于双包层掺铥光纤激光器可以获得很高的功率输出和较好的光束质量，故通过倍频后可获得较高功率的蓝光激光。

2、本发明采用光纤激光器与晶体光学元件相结合的结构方式，结构简单，方便使用，易于维护。

3、本发明装置可以进行集成化、模块化，体积小、重量轻，适于不同场合的应用。

4、发明采用的腔内倍频工作方式凹面双色镜、高反凹面镜和掺铥增益光纤组成了一个V型谐振腔，掺铥增益光纤输出信号光在凹面双色镜、高反凹面镜和掺铥增益光纤之间振荡，直接产生倍频激光，由于一级倍频晶体位于谐振腔内，使得通过谐振腔内的振荡光多次通过一级倍频单元，大大提高了一级倍频效率。

附图说明

图1是本发明在连续波腔外倍频工作方式下原理图；

图2是本发明在连续波腔内倍频工作方式下原理图。

图中：1—半导体泵浦源；2—泵浦合束器；3—高反光纤光栅；4—掺铥增益光纤；5—低反光纤光栅；6、9、13—准直透镜；7—凹面双色镜（1.8μm～2μm高反，0.9μm～1μm高透）；8—一级倍频晶体；10—一级滤光片（1.8μm～2μm高透，0.9μm～1μm高反）；11—高反凹面镜（1.8μm～2μm、0.9μm～1μm高反）；12—二级倍频晶体；14—二级滤光片（0.9μm～1μm高反，450nm～500nm高透）；20—蓝光激光输出光轴；A1、B1—掺铥光纤激光器单元；A2、B2—一级倍频单元；A3、B3—二级倍频单元。

具体实施方式

下面分别按照腔外倍频和腔内倍频两种工作方式，对本发明的具体实施方式进行说明。

图1为本发明腔外倍频工作方式下四倍频的蓝光激光产生装置示意。其包括掺铥光纤激光器单元A1、一级倍频单元A2和二级倍频单元A3；掺铥光纤激光器系统A1用以产生高功率、高光束质量的1.8μm～2μm激光，掺铥光纤激光器单元A1输出光经过一级倍频单元A2和二级倍频单元A3四倍频后，产生蓝光激光输出。

掺铥光纤激光器单元A1包括掺铥增益光纤4、泵浦合束器2、高反光纤光栅3、低反光纤光栅5和若干只半导体泵浦源1；掺铥增益光纤4为双包层掺铥光纤，其输入端连接有高反射光纤光栅3，输出端连接有低反射光纤光栅5，若干只半导体泵浦源1通过泵浦合束器2与高反射光纤光栅3连接。高反射光纤光栅3为高反腔镜，低反射光纤光栅5为输出腔镜，输出的激光波长及其光谱特性可以通过光纤光栅的参数进行选择，其中两个光纤光栅的中心波长优选1920nm，3dB光谱带宽优选0.3nm。低反射光纤光栅5的末端应切8～10°斜角以防止谐振腔内寄生振荡的产生。

一级倍频单元A2包括一级倍频晶体8和一级滤光片1，还包括若干只聚焦透镜或准直透镜6、9；掺铥光纤激光器单元A1输出的1920nm激光入射到一级倍频晶体8，产生960nm的一级倍频激光。一级倍频晶体8应保证对1920nm的激光有足够的透过率，并能实现对1920nm激光的倍频，这里可以选取PPLN晶体、LBO晶体等。从一级倍频晶体8穿过的激光经透镜9后得到准直，入射到滤光片10，1920nm的激光穿过滤光片10，而960nm的激光则被滤光片10反射到二级倍频晶体12。

二级倍频单元A3、B3包括二级倍频晶体12和二级滤光片14；二级倍频晶体12应保证对960nm的激光有足够的透过率，并能实现对960nm激光的倍频，这里选取LBO晶体、BBO晶体、BIBO晶体等。从倍频晶体12穿过的激光经透镜13后得到准直，入射到滤光片14。480nm的激光穿过滤光片14，而960nm的蓝光激光则被滤光片14反射，这样就获得了蓝光激光。

图2为本发明腔内倍频工作方式下的基于掺铥光纤激光器四倍频的蓝光激光产生装置，也同样包括掺铥光纤激光器单元B1、一级倍频单元B2和二级倍频单元B3；其中大部分器件和结构同图1相同，这里不再赘述，只是区别在于：双包层掺铥光纤激光器单元B1和一级倍频单元B2组合，用于同时产生高功率、高光束质量的960nm激光；二级倍频系统B3则用以对960nm激光实现二倍频，获得480nm蓝光激光。

图2中掺铥光纤激光器单元B1的掺铥增益光纤4输出端没有设置光纤光栅而是末端应切8～10°斜角后直接入射至一级倍频单元B2，一级倍频单元B2包括在出射光轴20上布置的凹面双色镜7、高反凹面镜11和一级倍频晶体8，一级倍频晶体8布置在凹面双色镜7和高反凹面镜11之间，掺铥增益光纤4的输出端光线与出射光轴20的呈30～60°夹角；凹面双色镜7、高反凹面镜11和掺铥增益光纤4组成了一个V型谐振腔，掺铥增益光纤4输出信号光在凹面双色镜7、高反凹面镜11和掺铥增益光纤4之间振荡后，经凹面双色镜7输出至二级倍频单元B2。其优点在于掺铥增益光纤输出信号光在凹面双色镜、高反凹面镜和掺铥增益光纤之间振荡，直接产生倍频激光，由于一级倍频晶体位于谐振腔内，使得谐振腔内的振荡光多次通过一级倍频单元，大大提高了一级倍频效率。

倍频后的960nm激光经由凹面双色镜7射出，经透镜6准直到二级倍频晶体12。从二级倍频晶体12穿过的激光经透镜13后得到准直，入射到二级滤光片14。480nm的激光穿过二级滤光片14，而960nm的蓝光激光则被二级滤光片14反射，这样就获得了蓝光激光。

无论是腔内倍频还是腔外倍频工作方式中，一级滤光片10在1.8μm～2μm波段透射率>95%、在0.9μm～1μm波段反射率>95%；二级滤光片14在0.9μm～1μm波段反射率>95%，在450nm～500nm波段透射率>95%。准直透镜6在1.8μm～2μm波段透射率>95%；准直透镜9在0.9μm～1μm波段透射率>95%；准直透镜13在450nm～500nm波段透射率>95%。

上述蓝光激光产生装置中泵浦源1、泵浦合束器2、高反射光纤光栅3和低反射光纤光栅5、掺铥光纤4以及倍频晶体8、12等器件需进行适当的冷却。

本发明不局限于上述具体实施方式，例如本发明中的半导体泵浦源也可以采用1.6μm半导体激光器，调Q晶体也可以替换为光纤调Q器件等。对于本发明所属技术领域来说，在本发明构思的前提下，还可以做出若干简单替换和变化。这些都属于本发明的保护范围。

Claims

1.基于掺铥光纤激光器四倍频的蓝光激光产生装置，其特征在于：包括掺铥光纤激光器单元(B1)、一级倍频单元(B2)和二级倍频单元(B3)；掺铥光纤激光器单元(B1)输出光经过一级倍频单元(B2)和二级倍频单元(B3)倍频后，产生蓝光激光输出；

所述的掺铥光纤激光器单元(B1)包括掺铥增益光纤(4)、泵浦合束器(2)、高反射光纤光栅(3)和若干只半导体泵浦源(1)；所述掺铥增益光纤(4)输入端连接有高反射光纤光栅(3)，输出端设置有与光纤轴线呈8～10°的切角；所述若干只半导体泵浦源(1)通过泵浦合束器(2)与高反射光纤光栅(3)连接；

所述的一级倍频单元(B2)包括在出射光轴(20)上布置的凹面双色镜(7)、高反凹面镜(11)和一级倍频晶体(8)，所述的一级倍频晶体(8)布置在凹面双色镜(7)和高反凹面镜(11)之间，所述的掺铥增益光纤(4)的输出端设置有与光纤轴线呈8～10°的切角，其输出光线与出射光轴(20)呈30～60°夹角，掺铥增益光纤(4)输出信号光在凹面双色镜(7)、高反凹面镜(11)和掺铥增益光纤(4)之间振荡，经凹面双色镜(7)输出至二级倍频单元(B2)；

所述的二级倍频单元(B3)包括二级倍频晶体(12)和二级滤光片(14)；一级倍频光入射至二级倍频晶体(12)倍频后入射到二级滤光片(14)，蓝光激光透过二级滤光片(14)输出。

2.根据权利要求1所述的基于掺铥光纤激光器四倍频的蓝光激光产生装置，其特征在于：所述的二级滤光片对0.9μm～1μm波段的光高反射、对450nm～500nm波段的光高透射；所述的高反射光纤光栅(3)对1.8μm～2μm激光的反射率>95％。

3.根据权利要求1所述的基于掺铥光纤激光器四倍频的蓝光激光产生装置，其特征在于：所述的一级倍频晶体为PPLN晶体或LBO晶体；二级倍频晶体为LBO晶体、BBO晶体或BIBO晶体。