CN103956641A - 高效宽温半导体阵列泵浦腔内倍频固体激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可宽温使用的半导体阵列泵浦腔内倍频全固态激光器设计。它包括通过在两块相同的非线性晶体中插入一块对基频光和倍频光有明显色散的光学晶体分束基频光和倍频光，或在激光晶体和非线性晶体加入倍频光波片这两种方式，改变返向基频光通过非线性晶体产生的倍频光的偏振态，避免由激光晶体反射回来的倍频光继续参与非线性晶体内的非线性耦合波转化。通过上述方法可以实现高效宽温半导体泵浦腔内倍频固体激光器。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种可宽温使用的红、绿、蓝全固态腔内倍频激光器设计，本发明属于激光技术领域。
技术背景
一般的全固态腔内倍频红、蓝、绿光器的结构如图1,图4所示，图1显示了一般全固态腔内倍频激光器的分离式基本结构，包括：半导体泵浦源101、耦合透镜102、激光腔后腔镜103、激光晶体104、非线性晶体105、激光输出镜106。耦合透镜102两面镀泵浦光增透膜，激光腔后腔镜103镀有泵浦光增透，基频光全反膜，激光晶体104前端面镀有基频光增透，后端面镀有基频光增透，倍频光全反膜，非线性晶体105两端面镀基频光，倍频光双波长增透膜，输出镜106镀基频光全反，倍频光增透膜。图2显示半导体泵浦激光晶体，非线性晶体光胶合晶体的腔内倍频激光器一般结构,包括，半导体泵浦源111、耦合透镜112、激光晶体与非线性晶体光胶合晶体113。耦合透镜双端面镀泵浦光增透膜，胶合晶体前端面镀泵浦光全透，基频光、倍频光全反膜，后端面镀基频光全反、倍频光全透膜。由于有一部分倍频光往返于非线性晶体，使得同尺寸的非线性晶体的温宽只有腔外的1/3到1/2，相同非线性晶体的温宽与其通光方向的长度成反比，又由于谐波转化效率与长度成正比，这就使得激光器在不控温的条件下只能在很小的温度范转内正常使用，或加控温时加大了控温的要求，这大大的限制了激光器的应用范围和工作稳定性。对于单个半导体源泵浦结构，激光晶体和非线性晶体的通光方向的面被切成了正方形，由于半导体制冷片一般为薄片结构，当所设计的激光器需要半导体制冷片制冷时，这就加大了激光器的装配难度。
发明内容
本发明涉及一种可宽温使用的半导体阵列泵浦腔内倍频全固态激光器设计，它包括通过在两块相同的非线性晶体中插入一块对基频光和倍频光有明显色散的光学晶体分束基频光和倍频光，或在激光晶体和非线性晶体加入倍频光波片这两种方式，改变返向基频光通过非线性晶体产生的倍频光的偏振态，避免由激光晶体反射回来的倍频光继续参与非线性晶体内的非线性耦合波转化。
泵浦源半导体激光器为阵列形式，激光晶体为：Nd:YVO4或者Nd:GdVO4或者Nd:YAP或者Nd:YLF等各向异性晶体，激光晶体对泵浦光的偏振吸收使得谐振腔内基频光偏振起振，色散晶体选择各向同性光学晶体，光学波片同时为基频光全波片和倍频光1/4波片，非线性晶体可为LBO、BBO、BIBO等非线性晶体或者PPLN、PPLT、PPSLT等周期极化反转晶体。非线性相位匹配方式为I类相位匹配，激光晶体和非线性晶体光轴同向，光学波片光轴方向与激光晶体和非线性晶体光轴呈45度，改变返向基频光通过非线性晶体产生的倍频光的偏振态，旋转其偏振态与非线性晶体产生的倍频光偏振态垂直，避免其继续参与非线性晶体内的非线性耦合波转化激光晶体。非线性晶体、光学波片、色散晶体都做成薄片或者波导结构。
改变倍频光光路方式：该激光器结构包括半导体激光器、激光晶体、非线性晶体、色散晶体、非线性晶体。二块非线性晶体由一块晶体从中斜切割而成，中间色散晶体通光面斜度等于非线性晶体斜切割方向。激光晶体、色散晶体、非线性晶体也可光胶在一起。激光晶体前端面镀有泵浦光增透、基频光全反膜，后端面镀有基频光增透、倍频光全反膜，第一块非线性晶体两端面、色散晶体、第二块非线性晶体前端面镀基频光、倍频光双波长增透膜，第二块非线性晶体后端面镀基频光全反、倍频光增透膜。激光晶体的长度根据Nd掺杂浓度和对泵浦光的吸收系数选择，非线性晶体的长度根据非线性转化有效性系数，相应倍频方式相位匹配温宽选择。
改变倍频光偏振态方式：该激光器结构包括半导体激光器、激光晶体、非线性晶体、光学波片、非线性晶体。 激光晶体、光学波片、非线性晶体也可光胶在一起。激光晶体前端面镀有泵浦光增透，基频光全反膜，后端面镀有基频光增透、倍频光全反膜，光学波片双面镀基频光、倍频光双波长增透膜，非线性晶体前端面镀基频光、倍频光双波长增透膜，后端面镀基频光全反、倍频光增透膜。激光晶体的长度根据Nd掺杂浓度和对泵浦光的吸收系数选择，非线性晶体的长度根据非线性转化有效性系数，相应倍频相位匹配方式倍频温宽选择。
本发明的核心设计内容是在两块相同的非线性晶体中插入一块对基频光和倍频光有明显色散的光学晶体分束基频光和倍频光，或在激光晶体和非线性晶体加入倍频光波片，改变返向基频光通过非线性晶体产生的倍频光的偏振态两种方式，避免由激光晶体反射回来的倍频光继续参与非线性晶体内的非线性耦合波转化。增加激光器稳定工作的温宽，以及采用半导体阵列泵浦方式，激光晶体，非线性晶体，各光学晶体都采用平板式结构极大的方便了激光腔的控温。激光晶体，非线性晶体和各光学晶体连接方式可以是分离固定或光胶或键合。
下面结合附图对本发明作进一步说明。
附图说明
图1为一般分离式全固态腔内倍频激光器的基本结构示意图；
图2为一般半导体泵浦激光晶体和非线性晶体光胶合晶体的腔内倍频激光器基本结构示意图；
图3为本发明半导体阵列泵浦腔内倍频，插入色散晶体改变倍频光光路方式全固态激光器基本结构示意图；
图4为本发明半导体阵列泵浦腔内倍频，插入色散晶体改变往返倍频光光路方式全固态激光器三维结构示意图；
图5为本发明半导体阵列泵浦腔内倍频，插入色散晶体改变往返倍频光光路方式全固态激光器中色散晶体分束基频光与倍频光示意图；
图6为本发明半导体阵列泵浦腔内倍频，插入光学波片改变往返倍频光偏振态方式全固态激光器基本结构示意图；
图7为本发明半导体阵列泵浦腔内倍频，插入光学波片改变往返倍频光偏振态方式全固态激光器三维结构示意图；
图8为本发明半导体阵列泵浦腔内倍频，插入光学波片改变往返倍频光偏振态方式全固态激光器各晶体光轴方向示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做详细描述。
具体实施例1
本发明半导体阵列泵浦腔内倍频，插入色散晶体改变倍频光光路方式全固态激光器的实施方式，参见图3，该实施例包括：激光器结构半导体激光器201、激光晶体202、第一块非线性晶体203、色散晶体204、第二块非线性晶体205。二块非线性晶体由一块晶体从中斜切割而成，中间色散晶体通光面斜度等于非线性晶体斜切割方向。激光晶体、色散晶体、非线性晶体也可光胶在一起。激光晶体可以为Nd:YVO4，色散晶体为色散明显各向光学性质同性的光学晶体YAG，非线性晶体为LBO，非线性相位匹配方式为I类相位匹配，激光晶体和非线性晶体光轴同向。非线性晶体、光学波片、色散晶体都做成波导结构。这里以激光晶体使用Nd:YVO4，非线性晶体使用PPLN腔内倍频产生532nm为例：Nd:YVO4前端面镀有808nm增透、1064nm全反膜，后端面镀有1064nm增透、532nm全反膜，第一块PPLN晶体两端面、色散晶体、第二块PPLN晶体前端面镀1064nm、532nm双波长增透膜，第二块非线性晶体后端面镀1064nm全反、532nm增透膜。为满足室温下相位匹配要求，周期性极化反转周期选择6.96微米。
具体实施例1三维图参见图4：激光器结构包括半导体激光器211、激光晶体212、第一发块非线性晶体213、色散晶体214、第二块非线性晶体215。
具体实施例1中色散晶体腔内分束基频光与倍频光参见图5：第一发块非线性晶体221、色散晶体222、第二块非线性晶体223。腔内振荡基频光224，正向通过色散晶体分离基频光的倍频光225，往返通过色散晶体分享基频光的倍频光226。
本发明半导体阵列泵浦腔内倍频，插入光学波片改变往返倍频光偏振态方式全固态激光器的实施方式，参见图6，该实施例包括：激光器结构半导体激光器301、激光晶体302、光学波片303、非线性晶体304。激光晶体、光学波片、非线性晶体也可光胶在一起。激光晶体可以为：Nd:YVO4，光学波片同时为基频光全波片和倍频光1/4波片，非线性晶体可LBO，非线性相位匹配方式为I类相位匹配，激光晶体和非线性晶体光轴同向。激光晶体和非线性晶体光轴同向，光学波片光轴方向与激光晶体和非线性晶体光轴呈45度。改变返向基频光通过非线性晶体产生的倍频光的偏振态，旋转其偏振态与非线性晶体产生的倍频光偏振态垂直，避免其继续参与非线性晶体内的非线性耦合波转化。激光晶体、非线性晶体、光学波片、色散晶体都做波导结构。这里以激光晶体使用Nd:YVO4，非线性晶体使用LBO腔内倍频产生457nm为例：Nd:YVO4前端面镀有808nm、1064nm增透、914nm全反膜，后端面镀有914nm、1064nm增透、457nm全反膜，光学波片双面镀有456nm 、914nm增透膜，非线性晶体前端镀有457nm、914nm双波长增透膜，输出面镀镀914nm全反 、457nm增透膜. 为满足室温下相位匹配要求,非线性晶体LBO切割方向为：θ=90度、Φ=21.9度。
具体实施例2
三维图参见图8：激光器结构包括半导体激光器311，激光晶体312，光学波片313，非线性晶体314。
与实施例1不同之处在于：具体实施例2各光学晶体的光轴方向参见图8，光学波片323光轴方向与激光晶体322和非线性晶体324光轴呈45度。
Claims (7)
1.高效宽温半导体阵列泵浦腔内倍频固体激光器，其特征在于：所述激光器包括LD阵列泵浦源、激光晶体、非线性晶体、色散片、光学波片，以及镀在各晶体上的各膜系，在两块相同的非线性晶体中插入一块对基频光和倍频光有明显色散的各向同性的色散片分束基频光和倍频光，避免由激光晶体反射回来的倍频光继续参与非线性晶体内的非线性耦合波转化，其中该激光腔结构顺序为：激光晶体、非线性晶体、色散晶体、非线性晶体。
2.根据权利1要求，其特征在于：在激光晶体和非线性晶体加入基频光全波片、倍频光1/4波片，改变返向基频光通过非线性晶体产生的倍频光的偏振态，旋转其偏振态与非线性晶体产生的倍频光偏振态垂直，避免继续参与非线性晶体内的非线性耦合波转化，其中该激光腔结构顺序为：激光晶体、光学波片、非线性晶体。
3.根据权利1要求，其特征在于：在泵浦光进入激光晶体前端镀有泵浦光增透膜，基频光全反膜构成激光腔后腔镜，激光晶体后端镀有基频光增透，倍频光全反膜，第一块非线性晶体和色散片两边都镀有基频光、倍频光增透膜，第二块非线性晶体后端镀有基频光全反、倍频光增透膜构成腔内倍频激光腔输出镜。
4.根据权利2要求，其特征在于：在泵浦光进入激光晶体前端镀有泵浦光增透、基频光全反膜构成激光腔后腔镜，激光晶体后端镀有基频光增透、倍频光全反膜，光学波片两边镀有基频光和倍频光增透膜，非线性晶体后端镀有基频光全反、倍频光增透膜构成腔内倍频激光腔输出镜。
5.根据权利1要求，其特征在于：激光晶体为向异性晶体,非线性晶体为非线性晶体或者周期极化反转晶体，激光晶体与非线性晶体可做成薄片或者波导结构。
6.根据权利1要求，其特征在于：两块非线性晶体由一块晶体从中斜切割而成，中间色散晶体通光面斜度等于非线性晶体斜切割方向，激光晶体、非线性晶体、色散晶体、非线性晶体可分离或者也可光胶在一起。
7.根据权利2要求，其特征在于：激光晶体、光学波片和非线性晶体可分离或者也可光胶合在一起。
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