CN105098591A - 波长锁定ld共振泵浦连续波自拉曼激光器 - Google Patents

Abstract

波长锁定LD共振泵浦连续波自拉曼激光器，本发明涉及固体激光器结构技术领域，包括波长锁定LD泵浦源，沿泵浦源LD的激光输出方向同光轴地依次设置准直聚焦耦合系统、激光输入腔镜、键合自拉曼晶体、输出腔镜。本发明克服了共振泵浦激光器吸收率低、输出稳定性差、温度敏感性高等问题，进一步提高连续波自拉曼激光器的性能，最终获得高效率、高功率、高稳定性的连续拉曼激光输出。

Description

波长锁定LD共振泵浦连续波自拉曼激光器

技术领域

本发明涉及固体激光器结构技术领域，特别是一种波长锁定半导体激光器共振泵浦的全固态连续波自拉曼激光器。

背景技术

连续波全固态拉曼激光器是指以连续工作方式运转的全固态拉曼激光器。由于脉冲激光器中基频光具有较高峰值功率更易达到拉曼散射阈值，所以以往报道的全固态拉曼激光器大多数工作在脉冲状态。近年来，连续波全固态拉曼激光器由于在医学、生物医学、光通讯、环境控制等领域的应用越来越引起人们的关注。目前报道的连续波全固态拉曼激光器结构有分体式内腔拉曼激光器和自拉曼激光器两种。由于连续拉曼激光器对腔内损耗非常敏感，要提高激光输出功率就要尽可能的减小腔内损耗，自拉曼激光器由于采用一块晶体同时作为激光和拉曼活性介质，减少了腔内元件数、腔内损耗较小，有利于降低阈值、提高转换效率。因此相对于分体式拉曼激光器，自拉曼激光器应是一种更有前途的连续拉曼激光器结构。但自拉曼激光器中由于激光产生和拉曼频移过程都发生在同一块晶体内，晶体热效应更为严重，限制了激光器性能的进一步提升。

目前常用的改善激光器中热效应的方法主要有两种：首先是采用一种不掺杂晶体与同基质掺杂晶体键合在一起形成的键合晶体作为激光或自拉曼工作物质，可显著改善晶体内的热效应，从而提高了激光器的输出功率和稳定性[M.Tsunekane,N.Taguchi,T.Kasamatsu,andH.Inaba,IEEEJ.Sel.Top.QuantumElectron.3,9(1997)]。但由于连续运转方式下激光器的热效应更为严重，键合晶体连续波自拉曼激光器中的热效应还是较为严重，激光转换效率及稳定性仍需进一步提高。为了解决这一问题，近年来提出了一种共振泵浦（In-bandpumping）技术[R.Lavi,S.Jackel,Y.Tzuk,andI.Paiss,Appl.Opt.38,7382(1999)]，此技术是采用特定波长的泵浦光将激光工作物质（如Nd³⁺:YVO₄）中的原子从基态⁴I_9/2直接泵浦到激光上能级⁴F_3/2，而传统泵浦过程中则是将原子泵浦到更高的激发态⁴F_5/2，然后再弛豫到激光上能级⁴F_3/2。因此共振泵浦方式消除了由激发态至激光上能级的无辐射跃迁过程，有效降低了泵浦光和激光之间的量子亏损并大幅提高量子效率，可以从根本上减小激光工作物质中的热效应，有助于提升激光输出功率和转换效率。但由于一般激光晶体的共振泵浦吸收带宽比较窄（<3nm），而半导体激光器的发射波长对温度变化非常敏感，发射波长会随着温度发生变化，导致了共振泵浦方式中激光晶体对泵浦光的吸收率较低，导致激光器存在总体效率低、稳定性差、温度敏感性高等问题，阻碍了该技术的实际应用。为了能够充分发挥共振泵浦技术的优势，有效改善连续波自拉曼激光器中的热效应，有必要采用一种新的泵浦源结构，在减轻热效应的同时，保证较高的泵浦吸收率和温度稳定性，使激光器在整体性能上更具优势。

发明内容

为克服现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种可获得更高效率、高稳定性的连续拉曼激光输出的波长锁定LD共振泵浦连续波自拉曼激光器。

本发明包括波长锁定LD泵浦源，沿泵浦源LD的激光输出方向同光轴地依次设置准直聚焦耦合系统、激光输入腔镜、键合自拉曼晶体、输出腔镜。

本发明泵浦LD是波长锁定半导体激光器，内部用布拉格光栅对波长进行锁定，通过布拉格光栅将发射的中心波长锁定在激光晶体的共振泵浦吸收峰附近（输出线宽<1nm），有效改善晶体热效应，提高了共振泵浦吸收效率。且发射波长随温度变化的漂移较小，因此具有很好的温度稳定性，克服了共振泵浦激光器吸收率低、输出稳定性差、温度敏感性高等问题，进一步提高连续波自拉曼激光器的性能，最终获得高效率、高功率、高稳定性的连续拉曼激光输出。

由波长锁定半导体激光器产生的泵浦光由耦合系统准直聚焦入射到谐振腔内掺Nd或其它掺杂键合晶体中产生基频激光（如1064nm）的振荡，由于谐振腔对基频光高反（R=99.8%），腔内基频光功率密度较高可达到拉曼转换阈值，再通过键合激光晶体的自拉曼频移，获得连续波拉曼激光（如1175nm），由输出镜输出。

本发明有益效果：

1、本发明采用一种新的波长锁定的半导体激光器作为泵浦源，利用其输出光谱线宽窄、稳定性好等特点，实现泵浦光与激光晶体的共振泵浦吸收峰的精确匹配，在减轻热效应的同时提高了泵浦吸收率，进一步提高了激光器的效率和稳定性。

2、本发明使用波长锁定的半导体激光器共振泵浦键合晶体，采用自拉曼频移产生连续波拉曼激光输出，激光器结构更加简单紧凑，在利用共振泵浦技术和键合晶体改善激光器热效应的同时，有效提高了泵浦光吸收率，将使连续波自拉曼激光器的许多物理特性大为改善。

进一步地，所述激光输入腔镜为平镜，在朝向波长锁定LD泵浦源的平镜表面镀有对878.6nm波段泵浦光的增透膜，在背向波长锁定LD泵浦源的平镜表面镀有对泵浦光878.6nm波段高透且对1064和1175nm波段高反的膜。激光输入腔镜对878.6nm波段的泵浦光高透，并对腔内振荡的1064nm基频光和1175nm拉曼光高反。

以上设计可有效保障对878.6nm波段的泵浦光高透是让泵浦光高效透过输入镜入射到激光晶体中，产生1064nm激光振荡，再经晶体自身的拉曼散射效应获得1175nm拉曼光输出，输入镜对1064nm激光高反，即使1064nm激光能量绝大部分集中在腔内，从而增大腔内1064nm基频光的功率密度以降低拉曼转换阈值并提高拉曼转换效率，同时对1175nm拉曼光的高反，是降低对该波长激光的腔的损耗，最终可获得更高功率的连续波拉曼激光输出。

本发明所述输出腔镜为凹面镜，在朝向键合自拉曼晶体的凹面镜表面镀有对1064和1175nm波段高反的膜。

采用凹面镜的平凹腔结构可使1064nm基频激光的束腰位置位于输入镜处，可使晶体内部基频光光斑半径较小，提高基频光功率密度，提高拉曼转换效率。输出腔镜对腔内振荡的1064nm基频光高反，使1064nm激光能量主要集中在腔内，以降低拉曼转换阈值并提高拉曼转换效率，由于是连续运转，输出透过率大了腔的损耗太大，拉曼激光振荡不起来，因此输出镜同样要对1175nm拉曼光高反，但对其反射率要比基频光略低，以保证输出1175nm拉曼激光。

所述键合自拉曼晶体是由两块纯晶体和同基质的掺杂晶体键合在一起形成的键合晶体，所述两块纯晶体分别键合在同基质的掺杂晶体的两端，利用其非掺杂部分很好的传热性，帮助晶体更好地散热、减小晶体中的热效应，从而提高激光器的输出功率和稳定性。

附图说明

图1为本发明激光器的一种结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明激光器的构成包括波长锁定LD泵浦源1，其内部用布拉格光栅2对波长进行锁定，沿泵浦源LD的激光输出方向同光轴地依次设置准直聚焦耦合系统3、激光输入腔镜4、键合自拉曼晶体5和激光输出腔镜6。谐振腔由激光输入腔镜4和激光输出腔镜6组成，谐振腔内放置一块键合自拉曼晶体5作为自拉曼频移介质。

波长锁定LD泵浦源1是最高输出功率为30W的波长锁定878.6nm光纤耦合输出半导体激光器（光纤芯径200um，数值孔径0.22），其内部用布拉格光栅2对波长进行锁定，发射光谱的中心波长随温度变化的漂移较小，具有很好的温度稳定性，输出激光中心波长为878.6nm，光谱宽度（FWHM）为0.3nm。

本例波长锁定LD泵浦源1是由恩耐公司推出的pearl878.6nm半导体激光器，其内部带有光纤布拉格光栅对输出波长进行锁定，使激光输出光谱宽度较小，且锁定波长随温度变化漂移极小，可保证较高的泵浦效率。

准直聚焦耦合系统3为1:1或1:2成像的透镜系统可将泵浦光准直聚焦入射到自拉曼晶体5上，入射光斑半径为200um或400um。

激光输入腔镜4为平镜，在朝向波长锁定LD泵浦源的平镜表面镀有对878.6nm波段泵浦光的增透膜(T>99%)，在背向波长锁定LD泵浦源的平镜表面镀有对泵浦光878.6nm波段高透且对1064和1175nm波段高反的膜(R=99.8%1064&1175nm)，对1064和1175nm波长光的反射率可达99.8%。

键合自拉曼晶体5由两块纯晶体和同基质的掺杂晶体键合在一起，形成YVO₄+Nd:YVO₄+YVO₄晶体结构，晶体总长度为14mm，中间Nd:YVO₄部分的晶体尺寸为4×4×10mm³，掺杂浓度为0.3at.%，两端为YVO₄晶体，长度为2mm。晶体两端面都镀有878.6/1064/1175nm波长的增透膜(T>99.5%)。

输出腔镜6为凹面镜，在朝向键合自拉曼晶体的凹面镜表面镀有对1064和1175nm波段高反的膜(R=99.8%1064nm，R=99.3%1175nm)，对1064和1175nm波长光的反射率分别为99.8%和99.3%。

所述的激光谐振腔长为17mm。

由波长锁定LD泵浦源1输出半导体激光器产生的泵浦光由准直聚焦耦合系统3准直聚焦入射到键合自拉曼晶体5中，产生的基频光再通过键合自拉曼晶体5的自拉曼频移转换成拉曼激光，由输出腔镜6输出。

上述的键合自拉曼晶体5侧面均用带有管道的金属块围住，金属块内的管道持续通有循环冷却水，用来帮助晶体散热降低温度，水温控制在20℃左右。

实施例的实验结果得到如下数据：

拉曼阈值低至2W，在25.5W的泵浦功率下，获得了最高3.8W的1175nm连续拉曼光输出，光光转换效率为14.9%，斜效率为16.2%。且该激光器输出功率具有很好的长期稳定性，60分钟内输出功率的起伏不超过1.5%。

Claims (4)

1.波长锁定LD共振泵浦连续波自拉曼激光器，特征在于包括波长锁定LD泵浦源，沿波长锁定LD泵浦源的激光输出方向同光轴地依次设置准直聚焦耦合系统、激光输入腔镜、键合自拉曼晶体、输出腔镜。

2.根据权利要求1所述波长锁定LD共振泵浦连续波自拉曼激光器，其特征在于所述激光输入腔镜为平镜，在朝向波长锁定LD泵浦源的平镜表面镀有对878.6nm波段泵浦光的增透膜，在背向波长锁定LD泵浦源的平镜表面镀有对泵浦光878.6nm波段高透且对1064和1175nm波段高反的膜。

3.根据权利要求1所述波长锁定LD共振泵浦连续波自拉曼激光器，其特征在于所述输出腔镜为凹面镜，在朝向键合自拉曼晶体的凹面镜表面镀有对1064和1175nm波段高反的膜。

4.根据权利要求1或2或3所述波长锁定LD共振泵浦连续波自拉曼激光器，其特征在于所述键合自拉曼晶体由两块纯晶体和同基质的掺杂晶体键合在一起，所述两块纯晶体分别键合在同基质的掺杂晶体的两端。