CN105006737B - 基于磷酸钛氧铷晶体的电光、倍频功能复合的绿光激光器及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于磷酸钛氧铷晶体的电光、倍频功能复合的绿光激光器及其工作方法，该绿光激光器包括半导体激光泵浦源、光束耦合系统、激光谐振腔、增益介质和电光与倍频功能复合器件，所述的电光与倍频功能复合器件由两块相同的RTP晶体组成，RTP晶体切割方向为(θ,)＝(90割57)，RTP晶体两通光面镀AR@532&1064nm。该RTP晶体功能复合器件以1.06μm倍频角度为通光方向加工制作电光开关，使倍频和电光的功能集于一体，因而激光器具有结构紧凑、高效、稳定的特点。

Description

基于磷酸钛氧铷晶体的电光、倍频功能复合的绿光激光器及 其工作方法

技术领域

本发明涉及一种基于磷酸钛氧铷晶体的电光与倍频功能复合的绿光激光器，属于激光技术领域。

背景技术

大功率脉冲绿光激光器(λ_o＝532nm)在激光加工、激光雕刻及打标等精密工业领域有着十分重要的应用。目前，获得大功率脉冲绿光基本上是通过半导体激光器泵浦Nd³⁺离子激光增益介质产生1064nm基频脉冲光源(调Q技术)再倍频的方法。整个激光系统包含调Q和倍频两个主要部分：调Q可以采用声光、电光及饱和吸收体调Q方式；倍频晶体选用KTP、LBO及RTP等非线性晶体。整个激光系统比较庞大，需要的晶体材料较多。例如，中国专利文件CN103531998A公开了一种LD泵浦的双脉冲激光器，其中激光晶体采用Nd:YVO₄晶体，调制元件采用声光Q开关，倍频晶体为KTP晶体。该发明虽然实现了双脉冲绿光激光输出，但整个激光系统比较庞大，需要调整的光学元器件较多，增加调节的难度，不利于工业化的大批量生产与应用。因而，设计和研发新型、紧凑的脉冲绿光器件成为本领域的新课题，热别是探究能将调Q和倍频功能复合到一起的激光器件，能够减少晶体的种类和器件数量，节约成本，使激光器结构紧凑，为此提出本发明。

发明内容

针对现有脉冲绿光激光器结构复杂的技术难题，本发明提出一种结构紧凑、将电光和倍频功能复合的绿光激光器。

术语说明：

RTP晶体，是磷酸钛氧铷晶体的简称，分子式：RbTiOPO₄。

AR：是增透，对某波长的光透过率不低于99.8％；

AR@532&1064nm是532nm和1064nm增透膜的通用简称；

HT：是高透，对某波长的光透过率不低于99.5％；

HR：是高反，对某波长的光反射率不低于99.8％。

本发明的技术方案如下：

一种电光与倍频功能复合的绿光激光器，包括半导体激光器(LD)、耦合光纤、光束耦合聚焦系统、激光增益介质、激光谐振腔、电光与倍频功能复合器件，所述的电光与倍频功能复合器件由两块相同的RTP晶体组成，所述RTP晶体切割方向为，RTP晶体两通光面镀AR@532&1064nm；

所述RTP晶体Z面镀金，以便施加1/4波电压；

所述两块RTP晶体的保持Z方向与激光通光方向成45°角放置，且两块RTP晶体的Z方向相互垂直；

所述激光增益介质与电光与倍频功能复合器件在激光谐振腔内按光路方向依次排列。

根据本发明优选的，两块RTP晶体尺寸相同，进一步优选RTP晶体尺寸为2×2×5mm³、3×3×7mm³、4×4×10mm³、5×5×12mm³或6×6×15mm³。RTP晶体两通光面进行激光级抛光，然后再镀AR@532&1064nm。特别优选RTP晶体Z面镀金。

所述的两块RTP晶体的放置保持Z方向与激光通光方向成45°角，且两晶体的Z方向相互垂直，可进一步描述为一块RTP晶体顺时针与通光方向成45°角，另外一块RTP晶体逆时针与通光方向成45°角。

根据本发明优选的，所述的LD输出波长为808nm或者880nm，为激光增益介质提供泵浦能量。

根据本发明优选的，所述的耦合光纤芯径ω_o＝200μm，数值孔径N.A.＝0.22。

根据本发明，所述的光束耦合聚焦系统由透镜组构成，聚焦比例应根据谐振腔的设计来决定，满足模式匹配，本发明优选1:1。

根据本发明，所述的激光增益介质为具有偏振输出特性的晶体，优选激光增益介质为Nd:YVO₄或Nd:GdVO₄晶体。所述Nd:YVO₄或Nd:GdVO₄晶体沿结晶学a轴切割加工(即其通光方向)，通光面为正方形，正方形的两边分别对应晶体的结晶学b和c轴，晶体两通光面激光级抛光，并镀AR@532&1064nm。优选Nd:YVO₄或Nd:GdVO₄晶体长度为1-10mm，进一步优选Nd:YVO₄或Nd:GdVO₄晶体长度为5mm。

根据本发明，所述的激光谐振腔包括输入镜和耦合输出镜。该激光谐振腔是直腔或折叠腔。本发明优选直腔谐振腔，激光增益介质与电光倍频功能复合器件依次紧凑排列，腔长30mm。

根据本发明优选的，所述输入镜是曲率半径R＝-300mm的平凹镜，平面镀808nm增透AR@808nm，凹面镀HT@808nm，HR@532&1064nm；所述耦合输出镜为平面镜，其激光腔面镀HR@1064nm，HT@532nm，输出面镀HT@532nm。

根据本发明，所述电光与倍频功能复合的绿光激光器的工作方式，步骤如下：

打开半导体激光器(LD)，LD发出的激光通过所述耦合光纤及光束耦合聚焦系统耦合聚焦到激光增益介质上；在两块RTP晶体Z面上同时施加1/4波电压，谐振腔内激光往返RTP电光与倍频复合功能器件相位差发生π的偏移，激光的偏振方向偏转90°；无激光输出；

撤掉所述的1/4波电压，谐振腔内激光利用积累的反转粒子形成激光振荡，产生1064nm脉冲，该脉冲经过RTP电光与倍频功能复合器件时，满足倍频的相位匹配条件，实现绿光脉冲激光输出。

本发明所述电光与倍频功能复合的绿光激光器的工作原理：

半导体激光器发出的激光通过所述耦合光纤及光束耦合聚焦系统耦合聚焦到激光增益介质上；在两块RTP晶体上同时施加1/4波电压，腔内激光往返RTP电光与倍频复合功能器件相位差发生π的偏移，激光的偏振方向偏转90°，经过RTP电光与倍频复合功能器件的腔内激光无法再获得增益和放大，形成不了激光振荡，无法实现激光输出，因而反转粒子数能够在激光上能级积累。当撤掉所述的1/4波电压时，腔内激光往返RTP电光与倍频复合功能器件后，相位没有变化，激光的振动方向与之前相同，利用积累的反转粒子形成激光振荡，产生1064nm脉冲，该脉冲经过RTP电光与倍频功能复合器件时，满足倍频的相位匹配条件，实现绿光输出。电光与倍频功能复合器件对基频1064nm激光进行调Q，同时实现532nm绿光的转换输出。

本发明的优良效果在于：

RTP晶体是优质非线性晶体材料，单独作为电光开关使用时，单块RTP晶体存在静态双折射，必须配对使用，晶体的切割角度为折射率X轴；本发明将RTP晶体的电光和倍频功能复合到一对晶体上，即用一对RTP晶体既可以对基频1064nm脉冲激光进行调Q，又能实现绿光的转换，输出532nm绿光脉冲激光。本发明电光和倍频功能复合基于对晶体器件的新设计，RTP晶体切割角度为其倍频角度，以该角度再另行设计电光开光，最终实现电光效应与倍频效应的功能复合。该RTP晶体功能复合器件以1.06μm倍频角度为通光方向加工制作电光开关，使倍频和电光的功能集于一体，因而能够使激光器的结构更加紧凑，稳定性进一步提高，并且还能够节省晶体材料，适宜工业化要求。

附图说明

图1是本发明基于磷酸钛氧铷晶体的电光、倍频功能复合的绿光激光器结构示意图，图中，1、半导体激光器，2、耦合光纤，3、光束耦合聚焦系统，4、输入镜，5、激光增益介质，6、配对RTP晶体组成的电光、倍频功能复合器件，7、绿光耦合输出镜。图中箭头方向为光路方向。

图2是配对的RTP晶体组成的电光、倍频功能复合器件结构示意图。图中为两块相同的RTP晶体。晶体切割角度，激光通光方向与晶体的Z面成45°角，并且两块晶体的Z方向相互垂直。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明的作进一步详细的描述。但不限于此。

实施例1：

一种基于磷酸钛氧铷晶体的电光、倍频功能复合的绿光激光器，结构如图1所示，包括半导体激光器1，耦合光纤2，光束耦合聚焦系统3，激光谐振腔，激光增益介质5，RTP电光、倍频功能复合器件6。激光谐振腔包括输入镜4和输出镜7。

其中，半导体激光器(LD)1的中心波长为808nm，耦合光纤2采用的是200μm的耦合光纤，光束耦合聚焦系统采用的是1:1聚焦比例，耦合光纤2及光束耦合聚焦系统3将半导体激光器发出的激光耦合聚焦到激光增益介质上，激光增益介质上泵浦光斑的大小满足激光谐振腔的模式匹配。

激光谐振腔是直腔，腔长30mm，由平凹输入镜4和平面输出镜7组成。输入镜的曲率半径R＝-300mm，平面镀AR@808nm，凹面镀HT@808nm，HR@532&1064nm；耦合输出镜的激光腔面镀HR@1064nm，HT@532nm，输出面镀HT@532nm。

激光增益介质5采用结晶学a轴切割的Nd:YVO₄晶体，通光面为正方形，正方形的两边分别对应晶体的结晶学b和c轴，晶体长度5mm，两通光面激光级抛光，并镀AR@532&1064nm。激光增益介质5与RTP电光与倍频功能复合器件6在激光谐振腔内沿光路方向依次紧凑排列。

工作时，在RTP晶体上加1/4波电压，腔内激光往返RTP复合功能器件相位差发生π的偏移，激光的偏振方向偏转90°。由于激光增益介质具有偏振增益的特性，因而此时激光器损耗巨大，无法起振，经过RTP电光与倍频复合功能器件的腔内激光无法再获得增益和放大，形成不了激光振荡，无法实现激光输出，因而反转粒子数能够在激光上能级积累。当瞬间撤掉1/4波电压时，腔内损耗瞬间减小，腔内激光能够利用积累的反转粒子数迅速放大，形成基频1064nm激光巨脉冲。当1064nm脉冲通过RTP晶体时，就会产生倍频现象，生成532nm绿光脉冲激光，实现电光与倍频功能的复合。

Claims (10)

1.一种电光与倍频功能复合的绿光激光器，包括半导体激光器（LD）、耦合光纤、光束耦合聚焦系统、激光增益介质、激光谐振腔、电光与倍频功能复合器件，所述的电光与倍频功能复合器件由两块相同的RTP晶体组成，所述RTP晶体切割方向为（θ,φ）=（90°, 57°），RTP晶体两通光面镀AR@532&1064 nm；

所述RTP晶体Z面镀金，以便施加1/4波电压；

所述两块RTP晶体保持Z方向与激光通光方向成45°角放置，且两块RTP晶体的Z方向相互垂直；

所述激光增益介质与电光与倍频功能复合器件在激光谐振腔内按光路方向依次排列；

所述的耦合光纤芯径ω_o=200μm，数值孔径N.A.=0.22；

所述的光束耦合聚焦系统由透镜组构成，聚焦比例为1:1；

所述的激光增益介质为Nd:YVO₄或Nd:GdVO₄晶体。

2.如权利要求1所述的电光与倍频功能复合的绿光激光器，其特征在于所述两块RTP晶体尺寸相同， RTP晶体尺寸为2×2×5mm³、3×3×7mm³、4×4×10mm³、5×5×12mm³或6×6×15mm³。

3.如权利要求1所述的电光与倍频功能复合的绿光激光器，其特征在于所述RTP晶体两通光面进行激光级抛光，然后再镀AR@532 &1064 nm。

4.如权利要求1所述的电光与倍频功能复合的绿光激光器，其特征在于所述的LD输出波长为808 nm或者880 nm，为激光增益介质提供泵浦能量。

5.如权利要求1所述的电光与倍频功能复合的绿光激光器，其特征在于所述Nd:YVO₄或Nd:GdVO₄晶体沿结晶学a轴切割加工，通光面为正方形，正方形的两边分别对应晶体的结晶学b和c轴，晶体两通光面激光级抛光，并镀AR@532 &1064 nm。

6.如权利要求5所述的电光与倍频功能复合的绿光激光器，其特征在于所述Nd:YVO₄或Nd:GdVO₄晶体长度为1-10 mm。

7.如权利要求5所述的电光与倍频功能复合的绿光激光器，其特征在于所述Nd:YVO₄或Nd:GdVO₄晶体长度为5 mm。

8.如权利要求1所述的电光与倍频功能复合的绿光激光器，其特征在于所述的激光谐振腔包括输入镜和耦合输出镜；所述输入镜是曲率半径R=-300 mm的平凹镜，平面镀808 nm增透AR@808 nm，凹面镀HT@808 nm，HR@532&1064 nm，所述耦合输出镜为平面镜，其激光腔面镀HR@1064 nm，HT@532 nm，输出面镀HT@532 nm。

9.如权利要求1所述的电光与倍频功能复合的绿光激光器，其特征在于所述的激光谐振腔是直腔谐振腔。

10.权利要求1所述的电光与倍频功能复合的绿光激光器的工作方法，步骤如下：

打开半导体激光器（LD），LD发出的激光通过所述耦合光纤及光束耦合聚焦系统耦合聚焦到激光增益介质上；在两块RTP晶体Z面上同时施加1/4波电压，谐振腔内激光往返RTP电光与倍频复合功能器件相位差发生π的偏移，激光的偏振方向偏转90°；无激光输出；

撤掉所述的1/4波电压，谐振腔内激光利用积累的反转粒子形成激光振荡，产生1064nm脉冲，该脉冲经过RTP电光与倍频功能复合器件时，满足倍频的相位匹配条件，实现绿光脉冲激光输出。