CN103531996A - 一种三端输出的双波长激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三端输出的双波长激光器，其包括半导体激光泵浦系统和用于形成激光振荡的光学谐振腔，此光学谐振腔为V型折叠谐振腔，在此V型折叠谐振腔的光路上同时依序放置输入腔镜、激光晶体、相位延迟片、薄膜偏振器、V腔折叠镜、非线性光学晶体和V腔输出镜；V型折叠谐振腔内产生的基频光和变频光分别从V腔折叠镜、V腔输出镜和薄膜偏振器输出，实现三端同时输出的双波长激光器。本发明通过合理地设计光学谐振腔结构，在三个方向上同时输出激光，拓展了全固态双波长激光器的应用领域。并通过选择合适的腔镜膜系和光学晶体，优化腔内基频光功率，使激光器的综合性能大大提高，可以广泛应用于全息、光热干涉等需要多光源的领域。
Description
技术领域
本发明涉及固体激光技术领域，特别是一种三端输出的双波长激光器。
背景技术
近年来，干涉彩虹全息、精细激光光谱、差分吸收激光雷达(DIAL)、激光医学、激光显示等越来越多的领域都表现出了对双波长激光器的需求，全固态双波长激光器由于它具有结构简单紧凑、效率高、输出光束质量好、覆盖重要波段、功率稳定性较高和价格低等实用化的优点。这些独特的优势使其拥有广阔的应用前景。
目前，常见的双波长激光器大致有三种：第一种为单端的基频光和其倍频光同时输出；第二种为两个波长相近的基频光同时振荡输出；第三种为两波长相近的倍频光同时输出。一般地，基频光波段主要集中在1.0μm和1.3μm，抑或是946nm和1064nm的同时输出等。关于双波长激光器的报道有：（1）2010年，L.Guo等人实现了Nd:YAG陶瓷的1319nm和1338nm的双波长激光输出（Opt.Express,18,9098-9106(2010)）；（2）中国专利公开号CN102468600，发明名称“一种新型的正交偏振双波长激光器”的发明专利提供一种单端的正交偏振态的双波长激光器；（3）中国专利公开号CN102983493A，发明名称“正交偏振双波长激光器”提供一种1042nm和1047nm双波长激光器。（4）中国专利公开号CN103022883A，发明名称“一种绿色波段的正交偏振双波长激光器”提供一种绿色波段双波长激光器。
上述三种双波长激光器，均为单端输出双波长激光器，单端输出双波长激光器产生单向的混合光束，一般需要通过附加的分光元件进行分光。由于分光元件的损耗将引起光功率的衰减和光斑的退化，应用领域受到局限。
多端同时输出的多波长激光器具有广泛的应用前景，可用于光谱学、光化学、医学、生物学、集成光学、污染监测、信息处理和通信等；特别是用于全息、光热干涉等需要多光源的应用领域。因此，全固态多端输出多波长激光器已经成为近年来国际上一个热门的研究课题。
发明内容
本发明的目的是为克服现有单端输出双波长激光光源存在的不足和应用局限性，提供一种三端输出的双波长激光器，拓展了全固态双波长激光器的应用领域。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种三端输出的双波长激光器，包括半导体激光泵浦系统和用于形成激光振荡的光学谐振腔，此光学谐振腔为V型折叠谐振腔，在此V型折叠谐振腔的光路上同时依序放置输入腔镜、激光晶体、相位延迟片、薄膜偏振器、V腔折叠镜、非线性光学晶体和V腔输出镜；上述V型折叠谐振腔内产生的基频光和变频光分别从上述V腔折叠镜、上述V腔输出镜和上述薄膜偏振器输出。
上述半导体激光泵浦系统为端面泵浦系统或侧面泵浦系统。
上述激光晶体采用Nd:YAG晶体、Nd:YVO4晶体、Nd:YLF晶体、Yb:YAG晶体、Ho:YAG晶体、Tm:YAG晶体、Tm:YLF晶体和Er:YAG晶体中的一种；或采用上述任一晶体并于前端键合对应的基质晶体所获得的复合激光晶体。
上述薄膜偏振器为两个偏振片形成的组合结构。
上述非线性光学晶体采用LBO晶体、BIBO晶体、BBO晶体、KTP晶体、KTA晶体中的一种，或是采用周期极化的PPLN晶体、PPLT晶体、PPKTP晶体中的一种，或是采用拉曼光学晶体。
一种三端输出的双波长激光器，包括半导体激光泵浦系统和用于形成激光振荡的光学谐振腔，此光学谐振腔为Z型折叠谐振腔，在此Z型折叠谐振腔的光路上同时依序放置输入腔镜、激光晶体、相位延迟片、薄膜偏振器、第一Z腔折叠镜、第二Z腔折叠镜、非线性光学晶体和Z腔输出镜；上述Z型折叠谐振腔内产生的基频光和变频光分别从上述第二Z腔折叠镜、上述Z腔输出镜和上述薄膜偏振器输出。
上述半导体激光泵浦系统为端面泵浦系统或侧面泵浦系统。
一种三端输出的双波长激光器，包括半导体激光泵浦系统和用于形成激光振荡的光学谐振腔，此光学谐振腔为Z型折叠谐振腔，在此Z型折叠谐振腔的光路上同时依序放置输入腔镜、激光晶体、相位延迟片、第一Z腔折叠镜、薄膜偏振器、第二Z腔折叠镜、非线性光学晶体和Z腔输出镜，薄膜偏振器的出射方向还设置有反射镜；上述Z型折叠谐振腔内产生的基频光和变频光分别从上述反射镜、上述第二Z腔折叠镜和上述Z腔输出镜输出。
上述半导体激光泵浦系统为端面泵浦系统或侧面泵浦系统。
采用上述方案后，本发明三端输出的双波长激光器，通过合理地设计光学谐振腔结构，在三个方向上同时输出激光，拓展了全固态双波长激光器的应用领域。
本发明中，通过选择合适的腔镜膜系和光学晶体，优化腔内基频光功率，使激光器的综合性能大大提高，综合性能优异，可以广泛应用于全息、光热干涉等需要多光源的领域。
附图说明
图1为本发明实施例一的结构示意图；
图2为本发明实施例二的结构示意图；
图3为本发明实施例三的结构示意图；
图4为本发明实施例四的结构示意图；
图5为本发明实施例五的结构示意图；
图6为本发明实施例六的结构示意图。
其中，1：半导体激光器端面泵浦系统；2：输入腔镜；3：激光晶体；4：相位延迟片；5：薄膜偏振器；6：V腔折叠镜；7：非线性光学晶体；8：V腔输出镜；9：半导体激光器侧面泵浦系统；10：第一Z腔折叠镜；11：第二Z腔折叠镜；12：Z腔输出镜；13：反射镜。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，但不限制于此。
实施例一：
本发明一种三端输出的双波长激光器，实施例一如图1所示，为端面泵浦V型腔结构的三端输出双波长激光器。其包括半导体激光器端面泵浦系统1和光学谐振腔；由输入腔镜2和V腔输出镜8组成光学谐振腔，此光学谐振腔为V型折叠腔，此V型折叠腔内沿光路同时依序放置激光晶体3、相位延迟片4、薄膜偏振器5、V腔折叠镜6和非线性光学晶体7。
半导体激光器端面泵浦系统1由光纤耦合输出的半导体激光器和耦合比为1:2的聚焦透镜组两部分组成。采用最大输出功率30W，发射中心波长为808nm，光纤芯径为200μm，数值孔径为0.22的半导体激光器作为泵浦光源。
激光输入腔镜2镀制对808nm波长的泵浦光增透、对1064nm波段全反的二色膜系。
激光晶体3选用掺钕钇铝石榴石Nd:YAG晶体，尺寸为3×3×10mm3，掺杂浓度为0.5at.%。激光晶体3的通光面镀制对808nm和1064nm增透的膜系。
非线性光学晶体7选用LBO晶体，尺寸为3×3×15mm3，匹配角为θ=90°，Φ=11.4°。非线性光学晶体7镀制对1064nm和532nm增透的膜系。非线性光学晶体7也可采用BIBO晶体、BBO晶体、KTP晶体中的一种，或是采用周期极化的PPLN晶体、PPLT晶体、PPKTP晶体中的一种。这些晶体在光学谐振腔内发生的非线性光学过程为倍频效应。
使用时，为了减少激光晶体的热效应和提高转换效率，激光晶体3和非线性光学晶体7的侧面（对应于光路的两个端面以外的表面）需采用金属铜块包裹，并通过TEC半导体制冷或水冷装置将其温度控制在室温范围。
相位延迟片4选用半波片、四分之一波片或具有相位延迟功能的波片，同时在两镜面镀有对1064nm增透的膜系。
薄膜偏振器5为两个偏振片形成的组合结构，并对1064nm增透。
V腔折叠镜6镀制对1064nm全反、对532nm增透的二色膜系；V腔输出镜8镀制对1064nm有3%透过率、对532nm全反的膜系。V腔折叠镜6和V腔输出镜8可以均采用平面镜，或均采用平凹镜。若V腔折叠镜6和V腔输出镜8为平面镜，V腔输出镜8垂直放置于光路上，理论上光学谐振腔内各光学元件之间的距离越短越好，以保证在高功率下激光器不会失稳。在实际情况下，各光学元件之间的距离可根据实验条件稍微放宽。若V腔折叠镜6和V腔输出镜8为平凹镜，平凹镜的曲率半径可在100-300mm内选取；根据ABCD矩阵规则，计算谐振腔的稳定区，并确定各光学元件之间的实际设置距离。其中，为了减小折叠镜引起的像散以保证激光光斑质量，V腔折叠镜6的折叠半角一般小于10度。
工作时，泵浦光经过耦合比为1:2的聚焦透镜组，准直聚焦后通过输入腔镜2入射到激光晶体3中，在光学谐振腔内产生振荡后，两束基频光分别由V腔输出镜8和薄膜偏振器5输出；倍频绿光则由V腔折叠镜6输出。
实施例二：
本发明的实施例二如图2所示，为侧面泵浦V型腔结构的三端输出双波长激光器。其与实施例1不同仅在于用半导体激光器侧面泵浦系统9替代半导体激光器端面泵浦系统1，并对激光晶体3的参数进行适应性的调整。
其中，半导体激光器侧面泵浦系统9的最大泵浦功率达300W，发射中心波长为808nm。
激光晶体3为掺钕钇铝石榴石Nd:YAG晶体，尺寸为Φ3×90mm3，掺杂浓度为0.5at.%。激光晶体3的通光面镀制对808nm和1064nm增透的膜系。808nm泵浦光直接泵浦激光晶体3的侧面，通过V型谐振腔形成激光振荡。
实施例三：
本发明的实施例三如图3所示，为端面泵浦Z型腔结构的三端输出双波长激光器。其包括半导体激光器端面泵浦系统1和光学谐振腔；由输入腔镜2和Z腔输出镜12组成光学谐振腔，此光学谐振腔为Z型折叠腔，此Z型折叠腔内沿光路同时依序放置激光晶体3、相位延迟片4、薄膜偏振器5、第一Z腔折叠镜10、第二Z腔折叠镜11和非线性光学晶体7。
半导体激光器端面泵浦系统1由光纤耦合输出的半导体激光器和耦合比为1:2的聚焦透镜组两部分组成。采用最大输出功率30W，发射中心波长为808nm，光纤芯径为200μm，数值孔径为0.22的半导体激光器作为泵浦光源。
激光输入腔镜2镀制对808nm波长的泵浦光增透、对1064nm波段全反的二色膜系。
激光晶体3选用掺钕钇铝石榴石Nd:YAG晶体，尺寸为3×3×10mm3，掺杂浓度为0.5at.%。激光晶体3的通光面镀制对808nm和1064nm增透的膜系。
非线性光学晶体7选用LBO晶体，尺寸为3×3×15mm3，匹配角为θ=90°，Φ=11.4°。非线性光学晶体7镀制对1064nm和532nm增透的膜系。非线性光学晶体7也可采用BIBO晶体、BBO晶体、KTP晶体中的一种，或是采用周期极化的PPLN晶体、PPLT晶体、PPKTP晶体中的一种。这些晶体在光学谐振腔内发生的非线性光学过程为倍频效应。
使用时，为了减少激光晶体的热效应和提高转换效率，激光晶体3和非线性光学晶体7的侧面（对应于光路的两个端面以外的表面）需采用金属铜块包裹，并通过TEC半导体制冷或水冷装置将其温度控制在室温范围。
相位延迟片4选用半波片、四分之一波片或具有相位延迟功能的波片，同时在两镜面镀有对1064nm增透的膜系。
薄膜偏振器5为两个偏振片形成的组合结构，并对1064nm增透。
第一Z腔折叠镜10、第二Z腔折叠镜11和Z腔输出镜12可以均采用平面镜，或均采用平凹镜。若第一Z腔折叠镜10、第二Z腔折叠镜11和Z腔输出镜12均为平面镜，Z腔输出镜12垂直放置于光路上，理论上光学谐振腔内光学元件之间的距离越短越好，以保证在高功率下激光器不会失稳。在实际情况下，各光学元件之间的距离可根据实验条件稍微放宽。若第二Z腔折叠镜11和Z腔输出镜12为平凹镜，曲率半径可在100-300mm内选取；根据ABCD矩阵规则，计算谐振腔的稳定区，并确定光学元件之间的实际设置距离。其中，为了减小折叠镜引起的像散以保证激光光斑质量，第一Z腔折叠镜10的折叠半角一般小于10度。
第一Z腔折叠镜10镀制对1064nm全反的膜系；第二Z腔折叠镜11镀制对1064nm全反、对532nm增透的二色膜系；Z腔输出镜12镀制对1064nm有3%透过率、对532nm全反的膜系。
工作时，泵浦光经过耦合比为1:2的聚焦透镜组，准直聚焦后通过输入腔镜2入射到激光晶体3中，在光学谐振腔内产生振荡后，两束基频光分别由Z腔输出镜12和薄膜偏振器5输出；倍频绿光则由Z腔折叠镜11输出。
实施例四：
本发明的实施例四如图4所示，为侧面泵浦Z型腔结构的三端输出双波长激光器。其与实施例3不同仅在于用半导体激光器侧面泵浦系统9替代半导体激光器端面泵浦系统1，并对激光晶体3的参数进行适应性的调整。
其中，半导体激光器侧面泵浦系统9的最大泵浦功率达300W，发射中心波长为808nm。
激光晶体3为掺钕钇铝石榴石Nd:YAG晶体，尺寸为Φ3×90mm3，掺杂浓度为0.5at.%。激光晶体3的通光面镀制对808nm和1064nm增透的膜系。808nm泵浦光直接泵浦激光晶体3的侧面，通过Z型谐振腔形成激光振荡。
实施例五：
本发明的实施例五，如图5所示，为端面泵浦Z型腔结构的三端输出双波长激光器。包括半导体激光器端面泵浦系统1、光学谐振腔；此光学谐振腔由输入腔镜2和Z腔输出镜12组成的Z型折叠腔。此Z型折叠腔内依次放置激光晶体3、相位延迟片4、第一Z腔折叠镜10、薄膜偏振器5、第二Z腔折叠镜11和非线性光学晶体7，薄膜偏振器5的出射方向还设置有反射镜13。
半导体激光器端面泵浦系统1由光纤耦合输出的半导体激光器和耦合比为1:2的聚焦透镜组两部分组成。采用最大输出功率30W，发射中心波长为808nm，光纤芯径为200μm，数值孔径为0.22的半导体激光器作为泵浦光源。
激光输入腔镜2镀制对808nm波长的泵浦光增透、对1064nm波段全反的二色膜系。
激光晶体3选用掺钕钇铝石榴石Nd:YAG晶体，尺寸为3×3×10mm3，掺杂浓度为0.5at.%。激光晶体3镀制对808nm和1064nm增透的膜系。
非线性光学晶体7选用LBO晶体，尺寸为3×3×15mm3，匹配角为θ=90°，Φ=11.4°。非线性光学晶体7镀制对1064nm和532nm增透的膜系。非线性光学晶体7也可采用BIBO晶体、BBO晶体、KTP晶体中的一种，或是采用周期极化的PPLN晶体、PPLT晶体、PPKTP晶体中的一种。这些晶体在光学谐振腔内发生的非线性光学过程为倍频效应。
使用时，为了减少激光晶体的热效应和提高转换效率，激光晶体3和非线性光学晶体7的侧面（对应于光路的两个端面以外的表面）需采用金属铜块包裹，并通过TEC半导体制冷或水冷装置将其温度控制在室温范围。
相位延迟片4选用半波片、四分之一波片或具有相位延迟功能的波片，同时在两镜面镀有对1064nm增透的膜系。
薄膜偏振器5为两个偏振片形成的组合结构，并对1064nm增透。
第一Z腔折叠镜10、第二Z腔折叠镜11和Z腔输出镜12可以均采用平面镜，或均采用平凹镜。若第一Z腔折叠镜10、第二Z腔折叠镜11和Z腔输出镜12均为平面镜，Z腔输出镜12垂直放置于光路上，理论上光学谐振腔内光学元件之间的距离越短越好，以保证在高功率下激光器不会失稳。在实际情况下，各光学元件之间的距离可根据实验条件稍微放宽。若第二Z腔折叠镜11和Z腔输出镜12为平凹镜，曲率半径可在100-300mm内选取；根据ABCD矩阵规则，计算谐振腔的稳定区，并确定光学元件之间的实际设置距离。其中，为了减小折叠镜引起的像散以保证激光光斑质量，第一Z腔折叠镜10的折叠半角一般小于10度。
第一Z腔折叠镜10镀制对1064nm全反的膜系；第二Z腔折叠镜11镀制对1064nm全反、对532nm增透的二色膜系；Z腔输出镜12镀制对1064nm有3%透过率、对532nm全反的膜系。反射镜13镀制1064nm全反的膜系。
工作时，泵浦光经过耦合比为1:2的聚焦透镜组，准直聚焦后通过输入腔镜2入射到激光晶体3中，在光学谐振腔内产生振荡后，两束基频光分别由Z腔输出镜12和反射镜13输出；倍频绿光则由第二Z腔折叠镜11输出。
实施例六：
本发明的实施例六如图6所示，为侧面泵浦Z型腔结构的三端输出双波长激光器。其与实施例5不同仅在于用半导体激光器侧面泵浦系统9替代半导体激光器端面泵浦系统1，并对激光晶体3的参数进行适应性的调整。
其中，半导体激光器侧面泵浦系统9的最大泵浦功率达300W，发射中心波长为808nm。
激光晶体3为掺钕钇铝石榴石Nd:YAG晶体，尺寸为Φ3×90mm3，掺杂浓度为0.5at.%。激光晶体3也可采用Nd:YVO4晶体、Nd:YLF晶体、Yb:YAG晶体、Ho:YAG晶体、Tm:YAG晶体、Tm:YLF晶体和Er:YAG晶体中的一种；或采用上述任一晶体并于前端键合对应的基质晶体所获得的复合激光晶体。激光晶体3镀制对808nm和1064nm增透的膜系。808nm泵浦光直接泵浦激光晶体3的侧面，通过Z型谐振腔形成激光振荡。
本发明的上述各实施例中，还可在激光晶体3和相位延迟片4之间插入调Q器件，调Q器件一般为电光调Q元件、声光调Q元件、被动调Q元件等；以得到脉冲的三端输出双波长激光器。
Claims (9)
1.一种三端输出的双波长激光器，其特征在于：包括半导体激光泵浦系统和用于形成激光振荡的光学谐振腔，此光学谐振腔为V型折叠谐振腔，在此V型折叠谐振腔的光路上同时依序放置输入腔镜、激光晶体、相位延迟片、薄膜偏振器、V腔折叠镜、非线性光学晶体和V腔输出镜；上述V型折叠谐振腔内产生的基频光和变频光分别从上述V腔折叠镜、上述V腔输出镜和上述薄膜偏振器输出。
2.根据权利要求1所述的一种三端输出的双波长激光器，其特征在于：上述半导体激光泵浦系统为端面泵浦系统或侧面泵浦系统。
3.根据权利要求1所述的一种三端输出的双波长激光器，其特征在于：上述激光晶体采用Nd:YAG晶体、Nd:YVO4晶体、Nd:YLF晶体、Yb:YAG晶体、Ho:YAG晶体、Tm:YAG晶体、Tm:YLF晶体和Er:YAG晶体中的一种；或采用上述任一晶体并于前端键合对应的基质晶体所获得的复合激光晶体。
4.根据权利要求1所述的一种三端输出的双波长激光器，其特征在于：上述薄膜偏振器为两个偏振片形成的组合结构。
5.根据权利要求1所述的一种三端输出的双波长激光器，其特征在于：上述非线性光学晶体采用LBO晶体、BIBO晶体、BBO晶体、KTP晶体、KTA晶体中的一种，或是采用周期极化的PPLN晶体、PPLT晶体、PPKTP晶体中的一种，或是采用拉曼光学晶体。
6.一种三端输出的双波长激光器，其特征在于：包括半导体激光泵浦系统和用于形成激光振荡的光学谐振腔，此光学谐振腔为Z型折叠谐振腔，在此Z型折叠谐振腔的光路上同时依序放置输入腔镜、激光晶体、相位延迟片、薄膜偏振器、第一Z腔折叠镜、第二Z腔折叠镜、非线性光学晶体和Z腔输出镜；上述Z型折叠谐振腔内产生的基频光和变频光分别从上述第二Z腔折叠镜、上述Z腔输出镜和上述薄膜偏振器输出。
7.根据权利要求6所述的一种三端输出的双波长激光器，其特征在于：上述半导体激光泵浦系统为端面泵浦系统或侧面泵浦系统。
8.一种三端输出的双波长激光器，包括半导体激光泵浦系统和用于形成激光振荡的光学谐振腔，此光学谐振腔为Z型折叠谐振腔，在此Z型折叠谐振腔的光路上同时依序放置输入腔镜、激光晶体、相位延迟片、第一Z腔折叠镜、薄膜偏振器、第二Z腔折叠镜、非线性光学晶体和Z腔输出镜，薄膜偏振器的出射方向还设置有反射镜；上述Z型折叠谐振腔内产生的基频光和变频光分别从上述反射镜、上述第二Z腔折叠镜和上述Z腔输出镜输出。
9.根据权利要求8所述的一种三端输出的双波长激光器，其特征在于：上述半导体激光泵浦系统为端面泵浦系统或侧面泵浦系统。
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| PB01 | Publication | ||
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Application publication date: 20140122 |