CN103996968B - 一种复合腔结构的自拉曼黄光激光器 - Google Patents

一种复合腔结构的自拉曼黄光激光器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种复合腔结构的自拉曼黄光激光器，激光二极管泵浦源发出增益介质内吸收带内的泵浦光，通过传能光纤和耦合透镜组聚焦于增益介质内部，增益介质吸收泵浦光形成粒子数反转，在谐振腔共用反射镜和激光全反镜构成的激光谐振腔反馈作用下形成基频激光振荡；基频激光经过增益介质时产生拉曼增益，当拉曼增益大于谐振腔共用反射镜、分束镜和黄光输出镜构成的拉曼谐振腔的腔损耗后，在拉曼谐振腔内形成稳定的斯托克斯光振荡；斯托克斯光在倍频晶体中发生倍频，产生黄光二次谐波经过黄光输出镜输出。采用复合腔结构，能够大幅缩短基频激光谐振腔长度，从而有效增大谐振腔稳区，应用更高的泵浦功率，达到提升自拉曼黄光激光器输出功率的效果。

Description

一种复合腔结构的自拉曼黄光激光器
技术领域
本发明涉及激光器领域，尤其涉及一种复合腔结构的自拉曼黄光激光器。
背景技术
受激拉曼散射(SRS)是拓展激光相干辐射波长范围的重要非线性光学频率变换技术之一，特别是以最容易获得的波长1064nm附近的激光经拉曼频移后进行倍频，能够高效地产生用途广泛的580-590nm黄光波段激光输出。钒酸钇和钒酸钆等高性能激光增益介质基质具有很高的拉曼增益系数，因而可以实现一块晶体同时作为激光增益介质和拉曼增益介质的自拉曼激光器。自拉曼激光器作为拉曼激光器的一种特殊形式，由于无需单独的拉曼增益介质，具有结构紧凑、成本经济等优点，自2004年首次实验实现以来，得到了迅速发展；自拉曼黄光激光器相关的研究成果也有很多文献报道和专利授权。
对于自拉曼激光器来说，基频激光谐振腔的稳区，也即谐振腔允许的热透镜焦距范围，决定了所能应用的最高泵浦功率；自拉曼激光器激光发射和SRS过程在同一晶体中发生，晶体内的热效应远比一般激光器严重，高泵浦功率下，严重的热透镜效应使得谐振腔不能工作在稳区之内，泵浦功率受限已经成为其输出功率进一步提升的最主要障碍，参见文献“H.Y.Zhu et al.,Efficient second harmonic generation of double enddiffusion-bonded Nd:YVO4self-Raman laser producing7.9W yellow light,Opt.Express2009,17,21544”。目前见诸报道的自拉曼黄光激光器多采用基频激光与受激拉曼散射产生的斯托克斯光共用一个谐振腔的直腔结构，这种谐振腔结构存在明显的问题：由于腔内光学元件较多，一般包括增益介质、Q开关、倍频晶体、谐波片等[见专利授权200820024640.6，耦合腔自拉曼倍频全固体黄光激光器，从振华等]，谐振腔的长度难以做到很短，很难通过压缩谐振腔长度实现增大谐振腔稳区，继续提高输入泵浦功率的目的；同时，SRS属于三阶非线性效应，其增益相对较低，因而转换效率对损耗极其敏感，SRS的斯托克斯光谐振腔内过多光学元件带来的插损对自拉曼激光器的转换效率也非常不利；另外，由于晶体中热透镜并非理想透镜，其对基频激光和斯托克斯光传输的影响往往不完全相同，导致谐振腔的准直很难使基频激光和斯托克斯光同时运转在最佳状态，也影响了自拉曼激光器的转换效率。
发明内容
本发明提供了一种复合腔结构的自拉曼黄光激光器，本发明解决了现有自拉曼黄光激光器泵浦功率受热效应和谐振腔稳区的限制，以及斯托克斯光谐振腔内元件多插损大的问题，详见下文描述：
一种复合腔结构的自拉曼黄光激光器，所述自拉曼黄光激光器包括：激光二极管泵浦源、传能光纤、耦合透镜组、谐振腔共用反射镜、增益介质、分束镜、激光全反镜、倍频晶体、黄光谐波镜和黄光输出镜；
其中，所述谐振腔共用反射镜为平镜，镀有泵浦光增透膜、基频激光和斯托克斯光高反膜；所述增益介质镀基频激光和斯托克斯光增透膜；所述分束镜单面镀斯托克斯光高反膜，双面镀基频激光增透膜；所述激光全反镜镀基频激光高反膜；所述倍频晶体镀斯托克斯光和黄光二次谐波增透膜；所述黄光谐波镜镀斯托克斯光增透、黄光二次谐波高反膜；所述黄光输出镜镀斯托克斯光高反、黄光二次谐波增透膜；
所述激光二极管泵浦源发出所述增益介质内吸收带内的泵浦光，所述泵浦光通过所述传能光纤和所述耦合透镜组聚焦于所述增益介质内部，所述增益介质吸收所述泵浦光，形成粒子数反转，在所述谐振腔共用反射镜和所述激光全反镜构成的激光谐振腔正反馈作用下形成基频激光振荡；基频激光经过所述增益介质时产生拉曼增益，基频激光的强度随着泵浦功率的增加而升高，拉曼增益也随之升高，当拉曼增益大于所述谐振腔共用反射镜、所述分束镜和所述黄光输出镜构成的拉曼谐振腔的腔损耗后，发生受激拉曼散射，在所述拉曼谐振腔内形成稳定的斯托克斯光振荡；斯托克斯光在所述倍频晶体中发生倍频，产生黄光二次谐波，所述黄光二次谐波经过所述黄光输出镜输出。
所述自拉曼黄光激光器还包括：声光Q开关，所述声光Q开关双面镀基频激光增透膜，通过所述声光Q开关使所述基频激光实现脉冲运转。
所述黄光谐波镜用于收集反向传输的黄光二次谐波。
所述增益介质具体为：Nd:YVO4、Nd:GdVO4或Nd:LuVO4。
所述倍频晶体具体为：LBO晶体、BBO晶体或PPLN晶体。
本发明提供的技术方案的有益效果是：本发明通过采用复合腔结构，在保留自拉曼激光器仅用一块增益介质因而经济紧凑这一主要优点的同时，将基频激光谐振腔与拉曼谐振腔部分分离而不再完全重合，基频激光谐振腔内不再包含倍频晶体和黄光谐波镜，一方面减小谐振腔的插入损耗，另一方面能够大幅缩短基频激光谐振腔的长度，从而有效增大谐振腔稳区，应用更高的泵浦功率，达到提高自拉曼黄光激光器输出功率的有益效果；此外，基频激光谐振腔和拉曼谐振腔的准直可以分别进行优化，克服了不均匀的热透镜导致基频激光光束和斯托克斯光光束分离，影响转换效率的问题。
附图说明
图1为本发明提供的一种复合腔结构的自拉曼黄光激光器的结构示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1：激光二极管泵浦源； 2：传能光纤；
3：耦合透镜组； 4：谐振腔共用反射镜；
5：增益介质； 6：分束镜；
7：声光Q开关 8：激光全反镜；
9：倍频晶体； 10：黄光谐波镜；
11：黄光输出镜。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。
为了解决现有自拉曼黄光激光器泵浦功率受热效应和谐振腔稳区的限制，以及斯托克斯光谐振腔内元件多插损大的问题，提高自拉曼黄光激光器的性能，本发明实施例提供了一种复合腔结构的自拉曼黄光激光器，参见图1，详见下文描述：一种复合腔结构的自拉曼黄光激光器，包括：激光二极管泵浦源1、传能光纤2、耦合透镜组3、谐振腔共用反射镜4、增益介质5、分束镜6、声光Q开关7、激光全反镜8、倍频晶体9、黄光谐波镜10和黄光输出镜11，
其中， 增益介质5选用a切割Nd:YVO4晶体， 其基频激光波长为1064nm， 对应890cm-1拉曼谱线的一阶斯托克斯光波长为1176nm，晶体规格为3×3×15 mm3，掺杂浓度0.3％，两端镀有800-1200nm增透膜系；谐振腔共用反射镜4为平镜，镀1064nm和1176nm高反膜以及泵浦光波段增透膜系；分束镜6为平镜，镀1064nm高透，1176nm高反膜系；声光Q开关7镀1064nm增透膜系，驱动超声波频率80MHz，射频功率15W；激光全反镜8镀1064nm高反膜系；倍频晶体9选用三硼酸锂(LBO)晶体，晶体规格为3×3×15 mm3，采用θ＝90°、切割非临界相位匹配，用帕尔贴片(TEC)加温至41.5℃工作；黄光谐波镜10镀1176nm高透、588nm高反膜系；黄光输出镜11镀1176nm高反、588nm高透膜系；
激光二极管泵浦源1发射增益介质5吸收带内的泵浦光，经过传能光纤2输出，经耦合透镜组3聚焦后透过谐振腔共用反射镜4进入增益介质5，即Nd:YVO4晶体内部；在泵浦作用下Nd:YVO4晶体形成粒子数反转，产生激光增益，在谐振腔共用反射镜4和激光全反镜8构成的基频激光谐振腔提供的反馈作用下形成波长为1064nm的基频激光振荡；腔内的1064nm基频激光经过增益介质5，即Nd:YVO4晶体时，产生拉曼增益；谐振腔共用反射镜4、分束镜6以及黄光输出镜11构成自拉曼激光器的1176nm斯托克斯光谐振腔，当拉曼增益超过谐振腔损耗后，在谐振腔内形成稳定的斯托克斯光振荡；1176nm斯托克斯光在倍频晶体9中发生倍频，产生588nm黄光经过黄光输出镜11输出；声光Q开关7起到使1064nm基频激光脉冲运转，以提高其峰值功率进而提高受激拉曼散射以及倍频过程非线性增益的作用；黄光谐波镜10起到收集反向传输的588nm黄光，提高黄光输出功率的作用。
其中，增益介质5可以为Nd:YVO4，也可以选用Nd:GdVO4、Nd:LuVO4等其它可用做自拉曼增益介质的掺钕钒酸盐晶体，分别对应不同的基频激光和斯托克斯光波长，具体实现时，本发明实施例对此不做限制。
其中，倍频晶体9可以为LBO晶体，也可以为偏硼酸钡(BBO)、周期极化铌酸锂(PPLN)等其他常用非线性晶体，具体实现时，本发明实施例对此不做限制。
综上，本发明的目的在于解决热透镜效应限制自拉曼激光器的最高泵浦功率，阻碍其输出功率提升的问题。通过采用复合腔结构，自拉曼激光器的基频激光与斯托克斯光不再完全共用同一谐振腔，倍频晶体等元件不再置于基频激光谐振腔内，从而能够有效缩短基频激光谐振腔长度，起到增大稳区、提高最大泵浦功率的有益效果；同时基频激光谐振腔和斯托克斯光谐振腔可以分别优化准直，有助于提高激光器的转换效率。
本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种复合腔结构的自拉曼黄光激光器，其特征在于，所述自拉曼黄光激光器包括：激光二极管泵浦源、传能光纤、耦合透镜组、谐振腔共用反射镜、增益介质、分束镜、声光Q开关、激光全反镜、倍频晶体、黄光谐波镜和黄光输出镜；
其中，所述谐振腔共用反射镜为平镜，镀有泵浦光增透膜、基频激光和斯托克斯光高反膜；所述增益介质镀基频激光和斯托克斯光增透膜；所述分束镜单面镀斯托克斯光高反膜，双面镀基频激光增透膜；所述激光全反镜镀基频激光高反膜；所述倍频晶体镀斯托克斯光和黄光二次谐波增透膜；所述黄光谐波镜镀斯托克斯光增透、黄光二次谐波高反膜；所述黄光输出镜镀斯托克斯光高反、黄光二次谐波增透膜；
其中，激光谐振腔顺次包括：所述谐振腔共用反射镜、所述增益介质、所述分束镜和所述声光Q开关、所述激光全反镜；
拉曼谐振腔顺次包括：所述谐振腔共用反射镜、所述增益介质、所述分束镜、所述黄光谐波镜、所述倍频晶体、所述黄光输出镜；
对于激光谐振腔和拉曼谐振腔，顺次放置的所述谐振腔共用反射镜、所述增益介质、所述分束镜为两个谐振腔相互重合的共用部分，其后由于分束镜将两个谐振腔的其余部分相互分开，即构成复合腔结构；
所述激光二极管泵浦源发出所述增益介质内吸收带内的泵浦光，所述泵浦光通过所述传能光纤和所述耦合透镜组聚焦于所述增益介质内部，所述增益介质吸收所述泵浦光，形成粒子数反转，在所述激光谐振腔正反馈作用下形成基频激光振荡；基频激光经过所述增益介质时产生拉曼增益，基频激光的强度随着泵浦功率的增加而升高，拉曼增益也随之升高，当拉曼增益大于拉曼谐振腔的腔损耗后，发生受激拉曼散射，在所述拉曼谐振腔内形成稳定的斯托克斯光振荡；斯托克斯光在所述倍频晶体中发生倍频，产生黄光二次谐波，所述黄光二次谐波经过所述黄光输出镜输出。
2.根据权利要求1所述的一种复合腔结构的自拉曼黄光激光器，其特征在于，所述声光Q开关双面镀基频激光增透膜，通过所述声光Q开关使所述基频激光实现脉冲运转。
3.根据权利要求1所述的一种复合腔结构的自拉曼黄光激光器，其特征在于，所述黄光谐波镜用于收集反向传输的黄光二次谐波。
4.根据权利要求1所述的一种复合腔结构的自拉曼黄光激光器，其特征在于，所述增益介质具体为：Nd:YVO4、Nd:GdVO4或Nd:LuVO4。
5.根据权利要求1所述的一种复合腔结构的自拉曼黄光激光器，其特征在于，所述倍频晶体具体为：LBO晶体、BBO晶体或PPLN晶体。
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