CN105226490A - 一种实现紫外连续激光放大的方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现紫外连续激光放大的方法与装置。其中，所述方法包括：将970-980nm的泵浦光输入准直单元进行准直；将准直后的泵浦光输入聚焦单元进行聚焦，然后将聚焦后的泵浦光输入至谐振腔前腔镜；调节光路，使输入至谐振腔前腔镜的光束恰好聚焦在第一激光晶体与第二激光晶体的中间位置，其中第一激光晶体与第二激光晶体平行放置于谐振腔中，并等间距分布在聚焦单元的焦点两侧；第一晶体、第二晶体均为Er³⁺:YAlO₃晶体；调节泵浦光的功率，直至使谐振腔后腔镜外测取的318-322nm的上转换荧光的强度达到最大值。根据本发明能实现紫外上转换连续激光放大，具有紫外上转换激光放大效果明显、光光转换效率高等优点。

Description

一种实现紫外连续激光放大的方法与装置

技术领域

本发明涉及激光放大领域，尤其涉及一种实现紫外连续激光放大的方法与装置。

背景技术

目前，能实现紫外波段连续激光输出的激光器主要为二极管激光器和倍频激光器。但是，二极管激光器的输出功率非常低，很难达到某些领域的使用要求。另外，二极管激光器输出的激光光束质量很差。在大多数情况下，二极管激光器输出激光的光束质量因子M²超过10。虽然采用光学设计方法能使二极管激光器输出激光的光束质量因子接近2，但会导致耗费的成本大大增加。而且即使采用光学设计方法，二极管激光器的输出光束质量也远不如固体激光器及光纤激光器。倍频激光器可以在紫外波段实现连续激光输出，但是目前大多数文献报道中都是脉冲运转模式下的紫外波段倍频激光器。另外，由于倍频激光器中的倍频晶体受非线性系数的影响，其在紫外波段的光光转换效率很低，而且其连续输出的激光的波段更接近紫光。

鉴于现有技术中实现紫外波段连续激光输出的二极管激光器和倍频激光器存在的各种缺陷，亟需设计出一种与实现紫外波段连续激光相关的紫外连续激光放大的方法和紫外连续激光放大的装置。

发明内容

本发明的实施例提供了一种实现紫外连续激光放大的方法与装置。

根据本发明的一个方面，提供了一种实现紫外连续激光放大的方法，所述方法包括：

S1：将970-980nm的泵浦光输入准直单元进行准直；

S2：将准直后的泵浦光输入聚焦单元进行聚焦，然后将聚焦后的泵浦光输入至谐振腔前腔镜；

S3：调节光路，使输入至谐振腔前腔镜的光束聚焦在第一激光晶体与第二激光晶体的中间位置；其中，第一激光晶体与第二激光晶体平行放置于谐振腔中，并等间距分布在聚焦单元的焦点两侧；第一激光晶体、第二激光晶体均为Er³⁺:YAlO₃晶体；

S4：调节泵浦光的功率，使谐振腔后腔镜外测取的318-322nm的上转换荧光的强度达到最大值。优选地，所述泵浦光为976nm；优选地，所述调节泵浦光的功率，使谐振腔后腔镜外测取的320nm的上转换荧光的强度达到最大值。

优选的,所述Er³⁺:YAlO₃晶体的掺杂浓度为0.5％至7％；优选地，所述Er³⁺:YAlO₃晶体的掺杂浓度为1％。

优选的,第一激光晶体、第二激光晶体固定在两侧安装有窗口镜的液氮制冷单元中；输入至谐振腔前腔镜的光束经制冷单元一侧的窗口镜聚焦到第一激光晶体与第二激光晶体的中间位置，并可通过制冷单元另一侧的窗口镜输出。

优选的，在步骤S1之前，还包括步骤S0：将泵浦源输出的泵浦光经光纤耦合输出。

根据本发明的另一个方面，提供了一种实现紫外连续激光放大的装置，其特征在于，所述装置包括：

泵浦源、准直单元、聚焦单元、谐振腔、第一激光晶体、第二激光晶体；其中，第一激光晶体、第二激光晶体平行放置于谐振腔中，并等间距分布于聚焦单元的焦点两侧；第一激光晶体、第二激光晶体均为Er³⁺:YAlO₃晶体；

所述泵浦源用于输出970-980nm的泵浦光；

所述准直单元用于将泵浦源输出的泵浦光进行准直；

所述聚焦单元用于将准直后的泵浦光进行聚焦；聚焦后的泵浦光经谐振腔前腔镜进入谐振腔，并且聚焦在第一激光晶体与第二激光晶体的中间位置。

优选的，所述Er³⁺:YAlO₃晶体的掺杂浓度为0.5％至7％；优选地，所述Er³⁺:YAlO₃晶体的掺杂浓度为1％。

优选的，所述装置还包括两侧安装有窗口镜的液氮制冷单元。第一激光晶体、第二激光晶体固定安装在制冷单元中，并且第一激光晶体、第二激光晶体与所述窗口镜平行放置。所述输入至谐振腔前腔镜的光束经制冷单元一侧的窗口镜聚焦到第一激光晶体与第二激光晶体的中间位置，并能够通过制冷单元另一侧的窗口镜输出。

优选的，所述制冷单元的窗口镜两面镀有对970-980nm、315-325nm高透过的膜。

优选的，所述装置还包括光纤耦合输出单元；所述光纤耦合输出单元用于将泵浦源产生的泵浦光进行耦合输出。

优选的，所述Er³⁺:YAlO₃晶体的双端面镀有对315-325nm、970-980nm高透过的膜。

优选的，所述谐振腔为平凹腔。

优选的，所述平凹腔为L型平凹腔。所述L型平凹腔包括：二色镜、激光全反镜、激光输出镜。其中，所述激光全反镜为平凹镜；所述激光输出镜为平平镜。所述二色镜与光轴成45度角倾斜放置，并且第一激光晶体、第二激光晶体放置在二色镜与激光全反镜的凹面之间。

优选的，所述二色镜双面45度镀有970-980nm高透过率的膜，单面45度镀有315-325nm高反射率的膜。

优选的，所述激光全反镜的凹面镀有315-325nm高反射率的膜；并且所述激光全反镜的凹面的曲率半径为-150mm。

优选的，所述激光输出镜的输出端面镀有315-325nm透过率为1％的膜。

优选的，所述L型谐振腔的长度为112mm。

本发明提供的技术方案中，通过970-980nm的泵浦光泵浦两块激光晶体实现了318-322nm的连续波激光放大；通过将泵浦光聚焦到两块激光晶体中间位置，增大了晶体表面的泵浦光斑，有利于增加晶体的热透镜长度，提高注入到晶体中的泵浦光功率；通过将两块激光晶体平行分离放置，并采用液氮制冷，有利于缓解晶体的热效应；通过选用平凹腔有利于在激光输出镜处获得较小的上转换荧光光斑。本发明还提供了一种实现紫外连续激光放大的装置，所述装置能带来上述方法所能带来的所有有益效果。

附图说明

图1为实现紫外连续激光放大的方法流程图；

图2为实现紫外连续激光放大的装置结构示意图；

1、泵浦源；2、准直单元；3、聚焦单元；4、二色镜；5、第一激光晶体；6、第二激光晶体；7、激光全反镜；8、激光输出镜；9、谐振腔。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举出优选实施例，对本发明进一步详细说明。然而，需要说明的是，说明书中列出的许多细节仅仅是为了使读者对本发明的一个或多个方面有一个透彻的理解，即便没有这些特定的细节也可以实现本发明的这些方面。

在现有技术中实现紫外波段连续激光输出的激光器中，二极管激光器输出的光束质量较差、输出功率较低，倍频激光器输出的激光波长更接近紫光、光光转换效率很低。因此，亟需设计出一种与实现紫外波段连续激光相关的紫外连续激光放大的方法和紫外连续激光放大的装置。

本发明的主要思路为，将970-980nm的泵浦光进行准直、聚焦；调节光路使泵浦光恰好聚焦在两块分离放置的第一激光晶体、第二激光晶体的中间位置；泵浦第一激光晶体和第二激光晶体，通过上转换过程产生紫外波段的荧光；通过谐振腔的设计实现上转换荧光的放大。

下面结合附图详细说明本发明实施例的技术方案。本发明中实现紫外连续激光放大的方法流程如图1所示，具体包括以下步骤：

S1：将中心波长为970-980nm的泵浦光输入准直单元进行准直。

本发明实施例中，可选用半导体激光器作为泵浦源，用于产生970-980nm的泵浦光。一般的，泵浦源输出的泵浦光可以通过光纤耦合输出，然后将光纤耦合输出的泵浦光输入准直单元进行准直。

S2：将准直后的泵浦光输入聚焦单元进行聚焦，然后将聚焦后的泵浦光输入至谐振腔前腔镜；

本发明实施例中，经准直单元准直后的泵浦光平行地入射到聚焦单元，经聚焦单元聚焦后入射到谐振腔的前腔镜。

S3：调节光路，使输入至谐振腔前腔镜的光束恰好聚焦在第一激光晶体与第二激光晶体的中间位置；其中，第一激光晶体与第二激光晶体平行放置于谐振腔中，并等间距分布在聚焦单元的焦点两侧；第一激光晶体、第二激光晶体均为Er³⁺:YAlO₃晶体。

其中，；所述Er³⁺:YAlO₃晶体的掺杂浓度为为0.5％至7％。当所述Er³⁺:YAlO₃晶体的掺杂浓度为1％时，紫外波段连续激光放大的效果最佳。

一般的，可通过调节聚焦单元或者两块激光晶体的位置，使泵浦光恰好聚焦在第一激光晶体与第二激光晶体的中间位置。本发明实施例中,考虑到晶体间距对聚焦到晶体表面的泵浦光斑大小以及激光输出光斑大小的影响，两块Er³⁺:YAlO₃晶体的间距设置为5mm。

在具体光路调节过程中，通过观察聚焦在两块Er³⁺:YAlO₃晶体中间位置所在平面的光斑大小来确定泵浦光是否聚焦在两块Er³⁺:YAlO₃晶体中间位置。一般情况下，泵浦光可当作高斯光束来处理。因此，通过将两块Er³⁺:YAlO₃晶体等间距的置于焦点两侧，可以增大聚焦到晶体表面的泵浦光斑，有利于增加晶体的热透镜长度，提高注入到晶体中的泵浦光的功率。在具体实施时，注入晶体的泵浦光功率过大可能会损坏晶体。因此基于散热考虑，可将两块Er³⁺:YAlO₃晶体固定在两侧安装有窗口镜的液氮制冷单元中。输入至谐振腔前腔镜的光束经制冷单元一侧的窗口镜聚焦到两块Er³⁺:YAlO₃晶体的中间位置，并可通过制冷单元另一侧的窗口镜输出。

理论上，Er³⁺:YAlO₃晶体中的Er³⁺可在970-980nm的泵浦光的激励下产生318-322nm的上转换荧光。以中心波长为976nm的泵浦光为例，其具体过程如下：位于⁴I_15/2能级上的Er³⁺可通过吸收976nm的泵浦光被激发到⁴I_11/2能级，位于⁴I_11/2能级的Er³⁺可通过进一步吸收泵浦光被激发到⁴S_3/2能级，位于⁴S_3/2能级的Er³⁺可通过进一步吸收泵浦光被激发到²P_3/2能级。当位于²P_3/2能级的Er³⁺积累到一定程度时，部分处于²P_3/2能级的Er³⁺向下跃迁到Er的⁴I_15/2能级，在跃迁过程中产生波长在中心波长320nm的上转换荧光。

S4：调节泵浦光的功率，使在谐振腔后腔镜外测取的318-322nm的上转换荧光的强度达到最大值。

泵浦光的输出功率对上转换荧光的强度影响很大。在具体实施时，可在调节泵浦光功率的同时，通过光谱仪观察谐振腔后腔镜外测取的荧光光谱强度。在一定范围内，当泵浦光的中心波长为976nm时，可观察到波长为320nm的上转换荧光随着泵浦光的增加而增强，且荧光强度随泵浦功率呈线性规律变化。当泵浦光增大到一定程度时，即使进一步增大泵浦光，荧光强度也不再发生变化，由此可确定产生320nm上转换荧光的最佳泵浦功率。

本发明还提供了一种实现紫外连续激光放大的装置，如图2所示，所述装置包括：泵浦源1、准直单元2、聚焦单元3、谐振腔9、第一激光晶体5和第二激光晶体6。其中，所述第一激光晶体5和第二激光晶体6平行的放置于所述谐振腔9中，并且所述第一激光晶体5和第二激光晶体6等间距分布于所述聚焦单元3的焦点两侧。其中，所述第一激光晶体5和第二激光晶体6均为Er³⁺:YAlO₃晶体。本发明实施例中，所述Er³⁺:YAlO₃晶体的掺杂浓度均为1％，使得紫外波段连续激光放大的效果最佳。

在本发明实施例中，所述泵浦源1选用半导体激光器，用于输出中心波长为970-980nm的泵浦光。从泵浦源输出的泵浦光首先入射到准直单元2。其中，所述准直单元2为对970-980nm高透过、焦距为35mm的平凸透镜。经准直单元2准直后的泵浦光入射到聚焦单元3，其中，所述聚焦单元3为对970-980nm高透过、焦距为75mm的平凸透镜。经聚焦单元3聚焦后的泵浦光入射到谐振腔的前腔镜。一般的，可在泵浦源1与准直单元2之间添加光纤输出耦合单元，用于将泵浦源产生的泵浦光经光纤耦合后输出。

在具体实施过程中，可通过微调聚焦单元或两块晶体的位置，使在两块晶体中间位置的聚焦光斑最小。本发明实施例中选用的Er³⁺:YAlO₃晶体的端面面积为4×4mm²，厚度为1mm，双端面均镀有对315-325nm、970-980nm高透过率的膜。考虑到晶体间距对聚焦到晶体表面的泵浦光斑大小以及激光输出光斑大小的影响，本发明实施例中将第一激光晶体5与第二激光晶体6之间的间距设置为5mm。为了防止因泵浦注入功率过大造成晶体热损伤，所述实现紫外连续激光放大的装置还包括液氮制冷单元。所述液氮制冷单元包括杜瓦瓶、热沉、两侧携带窗口镜的窗口。其中，窗口镜两面均镀有对970-980nm、315-325nm高透过的膜。在具体实施时，将第一激光晶体5、第二激光晶体6固定在位于杜瓦瓶底座上的热沉上，并使晶体端面与窗口镜平行，然后用两侧携带有窗口镜的窗口封装。这样，所述输入至谐振腔9前腔镜的光束可通过制冷单元一侧的窗口镜聚焦到第一激光晶体5与第二激光晶体6的中间位置，并能够通过制冷单元另一侧的窗口镜输出。

在本发明实施例中，所述谐振腔9为L型平凹腔。可替换的，所述谐振腔9还可以为其他形式的平凹腔，如Z型平凹腔。在本发明实施例中，谐振腔9包括：二色镜4、激光全反镜7、激光输出镜8。其中，所述二色镜4双面45度镀有970-980nm高透过率的膜，单面45度镀有315-325nm高反射率的膜。所述激光全反镜7为平凹镜。并且所述激光全反镜的凹面的曲率半径为-150mm，并且在凹面上镀有315-325nm高反射率的膜。所述激光输出镜8为平平镜，并且在所述平平镜的激光输出端面上镀有315-325nm透过率为1％的膜。

在谐振腔9中，二色镜4与光轴成45度角倾斜放置，并且第一激光晶体5、第二激光晶体6平行放置在二色镜4与激光全反镜7的凹面之间。考虑到较短腔长的谐振腔有利于减少激光器的腔长损耗，进而在其他情况相同时降低激光器的阈值功率，本发明中谐振腔9的长度设置为112mm。其中，二色镜4距离第一激光晶体5的距离为32.5mm,第二激光晶体6距离激光全反镜7的距离为27.5mm，二色镜4距离激光输出镜8的距离为52mm。

在通过本发明实施例中的装置实现318-322nm波段的上转换荧光放大时，可通过调节泵浦光的功率，使激光输出镜8外测取的上转换荧光的强度达到最大值。具体的，可通过一端接有光纤头的光谱仪在激光输出镜附近进行荧光强度监测。将光谱仪连接在装有光谱仪操作软件的计算机上，即可清晰地观察上转换荧光强度随泵浦光功率的变化规律。当泵浦光增大到一定程度，若进一步增大泵浦光功率，荧光强度不再发生变化。由此可确定实现紫外波段连续激光放大的最佳泵浦功率。

本发明实施例提供了一种实现紫外连续激光放大的方法与装置。其中，所述方法通过970-980nm的泵浦光泵浦两块激光晶体实现了紫外波段连续上转换激光放大；通过将泵浦光聚焦到第一激光晶体与第二激光晶体的中间位置，增大了晶体表面的泵浦光斑，有利于增加晶体的热透镜长度，提高注入到晶体中的泵浦光功率；通过将第一激光晶体、第二激光晶体平行分离放置并采用液氮制冷，有利于缓解晶体的热效应；通过选用平凹腔，有利于在激光输出镜处获得较小的上转换荧光光斑。本发明实施例的方法实现了中心波长320nm附近的紫外上转换连续激光放大，紫外上转换激光放大效果明显。本发明实施例的装置能带来上述方法所能带来的所有有益效果。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种实现紫外连续激光放大的方法，其特征在于，所述方法包括：

S1：将970-980nm的泵浦光输入准直单元进行准直；

S2：将准直后的泵浦光输入聚焦单元进行聚焦，然后将聚焦后的泵浦光输入至谐振腔前腔镜；

S3：调节光路，使输入至谐振腔前腔镜的光束聚焦在第一激光晶体与第二激光晶体的的中间位置；

其中，所述第一激光晶体与所述第二激光晶体平行放置于谐振腔中，并等间距分布在聚焦单元的焦点两侧；所述第一激光晶体、第二激光晶体均为Er³⁺:YAlO₃晶体；

S4：调节泵浦光的功率，使在谐振腔后腔镜外测取的318-322nm的上转换荧光的强度达到最大值；优选地，所述泵浦光为976nm；优选地，所述调节泵浦光的功率，使在谐振腔后腔镜外测取的320nm的上转换荧光的强度达到最大值。

2.如权利要求1所述的实现紫外连续激光放大的方法，其中，所述Er³⁺:YAlO₃晶体的掺杂浓度为0.5％至7％；优选地，所述Er³⁺:YAlO₃晶体的掺杂浓度为1％。

3.如权利要求2所述的实现紫外连续激光放大的方法，其中，所述第一激光晶体、第二激光晶体固定在两侧安装有窗口镜的液氮制冷单元中；

输入至谐振腔前腔镜的光束经制冷单元一侧的窗口镜聚焦到第一激光晶体与第二激光晶体的中间位置，并可通过制冷单元另一侧的窗口镜输出。

4.一种实现紫外连续激光放大的装置，其特征在于，所述装置包括：

泵浦源、准直单元、聚焦单元、谐振腔、第一激光晶体、第二激光晶体；其中，所述第一激光晶体、第二激光晶体平行放置于谐振腔中，并等间距分布于聚焦单元的焦点两侧；所述第一激光晶体、第二激光晶体均为Er³⁺:YAlO₃晶体；

所述泵浦源用于输出970-980nm的泵浦光；

所述准直单元用于将泵浦源输出的泵浦光进行准直；

所述聚焦单元用于将准直后的泵浦光进行聚焦；聚焦后的泵浦光经谐振腔前腔镜进入谐振腔，并且聚焦在所述第一激光晶体与第二激光晶体的中间位置。

5.如权利要求4所述的实现紫外连续激光放大的装置，其中，所述Er³⁺:YAlO₃晶体的掺杂浓度均为0.5％至7％；优选地，所述Er³⁺:YAlO₃晶体的掺杂浓度为1％。

6.如权利要求5所述的实现紫外连续激光放大的装置，所述装置还包括两侧安装有窗口镜的制冷单元；

第一激光晶体、第二激光晶体固定安装在液氮制冷单元中；并且，第一激光晶体、第二激光晶体与所述窗口镜平行放置；

进入谐振腔前腔镜的光束经制冷单元一侧的窗口镜聚焦到第一激光晶体与第二激光晶体的中间位置，并可通过制冷单元另一侧的窗口镜输出。

7.如权利要求6所述的实现紫外连续激光放大的装置，其特征在于，

所述制冷单元的窗口镜两面镀有对970-980nm、315-325nm高透过的膜。

8.如权利要求7所述的实现紫外连续激光放大的装置，其特征在于，所述装置还包括光纤耦合输出单元；

所述光纤耦合输出单元用于将泵浦源产生的泵浦光进行耦合输出。

9.如权利要求8所述的实现紫外连续激光放大的装置，其特征在于，所述Er³⁺:YAlO₃晶体的双端面镀有对315-325nm、970-980nm高透过的膜。

10.如权利要求9所述的实现紫外连续激光放大的装置，其特征在于，所述谐振腔为平凹腔。