CN105261924B - 一种产生绿光连续激光的固体激光器与方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种产生绿光连续激光的固体激光器与方法，所述激光器包括：用于产生798‑801nm的泵浦光的泵浦源、分光单元、光路转换单元、Er³⁺:YAlO₃晶体、谐振腔、两个法布里珀罗标准具。其中，分光单元用于将泵浦光分为第一光束和第二光束，第一光束入射到激光晶体的第一端面，第二光束经光路转换单元入射到激光晶体的第二端面。激光晶体用于在第一光束和第二光束的激励下产生上转换荧光，谐振腔用于输出绿光波段的激光。两个法布里珀罗标准具位于谐振腔中，用于压缩输出激光的线宽。本发明的激光器结构简单、成本较低，实现了窄线宽的绿光连续输出。本发明还提供了一种产生绿光连续激光的方法，具有输出激光光束质量好、线宽窄、光光转换效率高等优点。

Description

一种产生绿光连续激光的固体激光器与方法

技术领域

本发明涉及固体激光器领域，尤其涉及一种产生绿光连续激光的固体激光器与方法。

背景技术

目前，很多种类的激光器都能实现绿光波段的激光连续输出，例如二极管激光器、染料激光器、倍频激光器。但是一般情况下，二极管激光器输出的激光光束质量较差。在一般情况下，二极管激光器直接输出或经光纤耦合输出的激光光束质量因子M²>20。即使采用光束整形，二极管激光器的光束质量因子M²也大于2。染料激光器也能实现连续绿光输出，但是由于采用液体染料作为工作物质导致激光系统的稳定性不好。倍频激光器也能实现连续绿光输出，但是倍频激光器的系统结构复杂、成本昂贵。

基于二极管激光器、染料激光器、倍频激光器在实现绿光连续输出时的缺陷，亟需设计一种结构简单、输出光束质量好、系统稳定性好的绿光连续波激光器。

发明内容

本发明提供了一种产生绿光连续激光的固体激光器与方法，实现了窄线宽的绿光连续输出。本发明的激光器结构简单、成本较低，而且输出激光的光束质量好。

本发明提供了一种连续波固体激光器，其特征在于，所述装置包括：泵浦源、分光单元、光路转换单元、激光晶体、谐振腔、第一法布里珀罗标准具、第二法布里珀罗标准具；

泵浦源，用于产生中心波长为798-801nm的泵浦光；优选的，用于产生中心波长为800nm的泵浦光。

分光单元，用于将所述泵浦光分为第一光束和第二光束；其中，所述第一光束入射到激光晶体的第一端面，所述第二光束经所述光路转换单元入射到激光晶体的第二端面；

激光晶体，用于在所述第一光束和所述第二光束的激励下产生上转换荧光；

谐振腔，用于输出绿光波段的激光；

第一法布里珀罗标准具、第二法布里珀罗标准具，相邻放置于所述谐振腔中，用于压缩输出激光的线宽；

其中，所述激光晶体为Er³⁺:YAlO₃晶体。

优选的，所述法布里珀罗标准具的厚度为0.5mm。

优选的，所述装置还包括光纤耦合单元，用于将泵浦源产生的泵浦光耦合输出。

优选的，所述装置还包括准直单元，用于将光纤耦合输出的泵浦光进行准直。

优选的，所述分光单元为50:50的分光镜。

优选的，所述装置还包括第一聚焦单元、第二聚焦单元；所述第一聚焦单元，用于将所述第一光束聚焦在所述激光晶体的第一端面；所述第二聚焦单元，用于将经光路转换单元之后的第二光束聚焦在所述激光晶体的第二端面。

优选的，所述谐振腔为L型平凹腔。

优选的，所述L型平凹腔包括第一腔镜、第二腔镜、激光输出镜；所述第一光束在经第一聚焦单元聚焦后入射到第一腔镜表面；所述第二光束在经第二聚焦单元聚焦后入射到第二腔镜表面；所述第一法布里珀罗标准具、第二法布里珀罗标准具均位于第一腔镜与激光输出镜之间。

优选的，所述光路转换单元包括第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜；

所述分光单元产生的第二光束垂直入射到第一反射镜表面，经第一反射镜反射后以45度角入射到第二反射镜表面，经第二反射镜反射后以45度角入射到第三反射镜表面，然后经第三反射镜反射后垂直入射到第二聚焦单元表面。

优选的，所述准直单元为两面镀有800nm高透膜的平凸透镜。

优选的，所述第一聚焦单元为两面镀有800nm高透膜的平凸透镜；所述第二聚焦单元为两面镀有800nm高透膜的平凸透镜。

优选的，所述第一腔镜为二色镜，所述二色镜的双面45度镀有800nm高透膜，所述二色镜朝向第二腔镜的一面45度镀有525nm-565nm高反膜。

优选的，所述第二腔镜为平凹镜，所述第二腔镜的双面镀有800nm高透膜，所述平凹镜的凹面镀有525-565nm高反膜。

优选的，所述激光输出镜为平平镜，所述激光输出镜朝向第一腔镜的一面镀有对525-565nm透过率为2％的膜。

优选的，所述Er³⁺:YAlO₃晶体的Er³⁺掺杂浓度为1％，所述Er³⁺:YAlO₃晶体的双端面镀有对525-565nm和800nm的高透膜。

优选的，所述第一反射镜、所述第二反射镜、所述第三反射镜均为平平镜；所述第一反射镜朝向第二反射镜的一面、所述第二反射镜朝向第三反射镜的一面、所述第三反射镜朝向第二聚焦单元的一面均45度镀有800nm高反膜。

优选的，所述泵浦源为半导体激光器。

本发明还提供了一种产生绿光连续激光的方法，所述方法包括：

S1、将波长为798-801nm的泵浦光经分光单元分为第一光束和第二光束；

S2、将所述第一光束入射到激光晶体的第一端面，将所述第二光束经光路转换单元入射到所述激光晶体的第二端面；

其中，所述激光晶体位于所述谐振腔中，用于在所述第一光束和所述第二光束的激励下产生上转换荧光，并经谐振腔产生绿光波段的激光；

S3、将所述激光经过平行放置于谐振腔中的第一法布里珀罗标准具、第二法布里珀罗标准具之后从谐振腔的激光输出镜输出；

S4、调节第一法布里珀罗标准具相对第二法布里珀罗标准具的倾斜角度，直至使信号发生器上测取的输出激光的线宽达到调节过程中的极小值。

优选的，在步骤S1之前还包括：将泵浦源产生的波长为798-801nm的泵浦光经光纤耦合单元耦合输出；并将所述耦合输出的泵浦光经准直单元进行准直。

优选的，在步骤S1与步骤S2之间还包括：将所述第一光束通过第一聚焦单元进行聚焦，并聚焦在激光晶体的第一端面；将经光路转换后的第二光束经第二聚焦单元进行聚焦，并聚焦在激光晶体的第二端面。

本发明的产生绿光连续激光的固体激光器，包括泵浦源、分光单元、激光晶体、第一法布里珀罗标准具、第二法布里珀罗标准具。通过波长为709-801nm的泵浦光泵浦Er³⁺:YAlO₃晶体实现了中心波长为549-552nm的上转换绿光连续输出；通过双端面泵浦有利于Er^{3 +}:YAlO₃晶体吸收泵浦光，提高光光转换效率，同时也有效缓解了Er³⁺:YAlO₃晶体的热效应；通过第一、第二法布里珀罗标准具对激光波长的选择作用实现了窄线宽的激光输出。本发明的产生绿光连续激光的固体激光器，结构简单、成本较低、输出光束质量好。本发明的产生绿光连续激光的方法，具有输出激光光束质量好、线宽窄、光光转换效率高等优点。

附图说明

图1为本发明的产生绿光连续激光的固体激光器的结构示意图；

图2为本发明的产生绿光连续激光的方法流程图；

1、光纤耦合单元；2、准直单元；3、分光单元；4、光路转换单元；5、第一聚焦单元；6、第二聚焦单元；7、第一法布里珀罗标准具；8、第二法布里珀罗标准具；9、谐振腔；10、激光晶体；401、第一反射镜；402、第二反射镜；403、第三反射镜；901、第一腔镜；902、第二腔镜；903激光输出镜。

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。

下面结合附图详细说明本发明实施例一的技术方案。本发明实施例一的连续波固体激光器采用如图1所示的结构，包括泵浦源(图中未示出)、分光单元3、光路转换单元4、激光晶体10、谐振腔9、第一法布里珀罗标准具7、第二法布里珀罗标准具8；

泵浦源可选用半导体激光器，用以产生波长798-801nm的泵浦光。优选的，泵浦光的中心波长为800nm。泵浦源产生泵浦光后，并可通过如图1所示的光纤耦合单元1将泵浦光输出至分光单元3。其中，分光单元3相对入射光呈45度倾斜放置，用于将光纤耦合单元1输出的泵浦光分为第一光束和第二光束。其中，所述第一光束入射到激光晶体10的第一端面，所述第二光束经所述光路转换单元4入射到激光晶体10的第二端面。本发明实施例一中，分光单元3为对800nm光的透过率和反射率分别为50％的分光镜。其中，在光纤耦合单元1和分光单元3之间还包括准直单元2，用于将光纤耦合输出的泵浦光进行准直。本发明实施例中，准直单元2为两面均镀有800nm高透过膜、焦距为25mm的平凸镜。

本发明实施例一通过在激光晶体两个端面上进行泵浦，有利于激光晶体吸收泵浦光，提高泵浦光和激光之间的转换效率，同时也能有效缓解激光晶体的热效应。

激光晶体10为Er³⁺:YAlO₃晶体，在第一光束和第二光束的泵浦下可产生上转换荧光，并通过谐振腔产生绿光波段的激光。本发明实施例一中，Er³⁺:YAlO₃晶体的Er³⁺掺杂浓度为1％，晶体端面为4×4mm²，厚度为1mm，双端面都镀有对525-565nm和800nm高透过的膜。

其中，泵浦光泵浦Er³⁺:YAlO₃晶体产生上转换荧光的理论依据如下：位于⁴I_9/2能级的Er³⁺离子很容易被中心波长为800nm的泵浦光激发。当位于⁴I_9/2能级的Er³⁺离子积累到一定程度时，向上跃迁到⁴F_7/2能级。当位于⁴F_7/2能级的Er³⁺离子积累到一定程度时，向下弛豫到²H_11/2能级。当位于²H_11/2能级的Er³⁺离子积累到一定程度，实现了粒子数反转，Er³⁺离子在⁴F_7/2能级与⁴I_15/2能级之间跃迁，并通过谐振腔产生中心波长为551nm的绿光波段的激光。

在分光单元3与激光晶体10的第一端面之间还包括第一聚焦单元5，用于将所述第一光束进行聚焦。本发明实施例中，第一聚焦单元5为焦距50mm、双面镀有800nm高透膜的平凸镜。在光路转换单元4与激光晶体10的第二端面之间还包括第二聚焦单元6，用于将第二光束进行聚焦。本发明实施例一中，第二聚焦单元6为焦距50mm、双面镀有800nm高透膜的平凸镜。

本发明实施例一中的谐振腔9选用L型平凹腔，包括第一腔镜901、第二腔镜902、激光输出镜903。其中，第一腔镜901相对入射的第一光束呈45度倾斜放置。第一光束在经第一聚焦单元5聚焦后通过第一腔镜901聚焦到激光晶体10的第一端面，第二光束在经第二聚焦单元6聚焦后入通过第二腔镜902聚焦到激光晶体10的第二端面。在本发明实施例中，第一腔镜901为二色镜，其双面45度镀有800nm高透膜，并且在其朝向第二腔镜902的表面45度镀有525nm-565nm高反膜。其中，所述45度镀有525nm-565nm高反膜是指位于525nm-565nm波段的光以45度角入射到第二腔镜902表面时的反射率最大，也就是说以其他角度入射到第二腔镜902表面的525nm-565nm波段的光的反射率低于以45度角入射的525nm-565nm波段光的反射率。另外，本发明实施例一中第二腔镜902为平凹镜，其双面镀有800nm高透膜，凹面镀有525-565nm高反射膜。激光输出镜903为平平镜，其单面镀有对525-565nm透过率为2％的膜。

第一法布里珀罗标准具7、第二法布里珀罗标准具8，相互分离放置。将所述第一法布里珀罗标准具7、第二法布里珀罗标准具8置于谐振腔中的第一腔镜901与激光输出镜903之间，用于选择输出激光的波长。优选的，本发明实施例一中第一法布里珀罗标准具7、第二法布里珀罗标准具8的厚度均为0.5mm。

本发明实施例一通过选用两个法布里珀罗标准具，可以起到类似劈尖干涉的效果，能有效抑制足够的纵模起振，从而达到选择激光输出波长，压窄激光线宽的作用。本发明实施例一中通过选用两个法布里珀罗标准具，使得输出激光的线宽压缩到600KHz左右。

在本发明实施一中，第二光束的光路转换单元4包括第一反射镜401、第二反射镜402、第三反射镜403。其中，分光单元3产生的第二光束垂直入射到第一反射镜401表面，然后经第一反射镜401反射后以45度角入射到第二反射镜402表面，再经第二反射镜402反射后以45度角入射到第三反射镜403表面，最后经第三反射镜403反射后垂直入射到第二聚焦单元6表面。第一反射镜401、第二反射镜402、第三反射镜403均为平平镜，并且在第一反射镜401朝向第二反射镜402的一面、第二反射镜402朝向第三反射镜403的一面、第三反射镜403朝向第二聚焦单元6的一面均45度镀有800nm高反膜。其中，所述均45度镀有800nm高反膜是指当800nm的光以45度角入射到第一反射镜401或第二反射镜402或第三反射镜403表面时，其反射率最大。也就是说，以其他角度入射到第一反射镜401或第二反射镜402或第三反射镜403表面的800nm的光的反射率低于以45度角入射的800nm光的反射率。通过在第一反射镜401、第二反射镜402、第三反射镜403表面45度镀有800nm高反膜，可以减少泵浦光在传输过程中由于被光学元件吸收、透射等造成的损耗，提高泵浦光的利用率。

本发明实施例一的产生绿光连续激光的固体激光器，通过800nm的泵浦光泵浦Er^{3 +}:YAlO₃晶体实现了中心波长为551nm的上转换绿光连续输出；通过双端面泵浦有利于Er³⁺:YAlO₃晶体吸收泵浦光，提高光光转换效率，同时也有效缓解了Er³⁺:YAlO₃晶体的热效应；通过设置两个法布里珀罗标准具实现了窄线宽的激光输出。本发明实施例一的连续波固体激光器，结构简单、成本较低、输出光束质量好。

基于本发明实施例一的产生绿光连续激光的固体激光器，本发明实施例二提供了一种产生绿光连续激光的方法，如图2所示，包括以下步骤：

S1、将波长为798-801nm的泵浦光经分光单元分为第一光束和第二光束。

S2、将所述第一光束入射到激光晶体的第一端面，将所述第二光束经光路转换单元入射到所述激光晶体的第二端面。其中，所述激光晶体位于所述谐振腔中，用于在所述第一光束和所述第二光束的激励下产生上转换荧光，并经谐振腔产生绿光波段的激光。

本发明实施例二通过将泵浦光分为两路，分别在激光晶体的两个端面进行泵浦，有利于提高泵浦光和激光之间的转换效率，同时也能有效缓解激光晶体的热效应。

S3、将所述激光经过平行放置于谐振腔中的第一法布里珀罗标准具、第二法布里珀罗标准具之后从谐振腔的激光输出镜输出；

S4、调节第一法布里珀罗标准具相对第二法布里珀罗标准具的倾斜角度，直至使信号发生器上测取的输出激光的线宽达到调节过程中的极小值。

根据干涉原理，通过调节两个法布里珀罗标准具之间的倾斜角度可以限制激光器内的纵模振荡输出，使激光器输出的纵模减少，从而达到压缩线宽的目的。在本发明实施例二中，第一法布里珀罗标准具、第二法布里珀罗标准具均安装在相应的镜架上，并用螺丝固定。通过调节螺丝的松紧可对第一法布里珀罗标准具相对第二法布里珀罗标准具的倾斜角度进行调节。在调节过程中，通过信号发生器观察从激光输出镜输出的激光线宽的变化情况。当通过信号发生器测取的输出激光的线宽达到调节过程中的极小值时，停止调节。

优选的，在步骤S1之前还包括：将泵浦源产生的波长为798-801nm的泵浦光经光纤耦合单元耦合输出；并将所述耦合输出的泵浦光经准直单元进行准直。

优选的，在步骤S1与步骤S2之间还包括：将所述第一光束通过第一聚焦单元进行聚焦，并聚焦在激光晶体的第一端面；将经光路转换后的第二光束经第二聚焦单元进行聚焦，并聚焦在激光晶体的第二端面。

本发明实施例二中的产生绿光连续激光的方法，能够产生绿光波段的上转换激光连续输出，具有输出激光光束质量好、线宽窄、光光转换效率高等优点。

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 (18)

1.一种产生绿光连续激光的固体激光器，其特征在于，所述激光器包括：泵浦源、分光单元、光路转换单元、激光晶体、谐振腔、第一法布里珀罗标准具、第二法布里珀罗标准具；

泵浦源，用于产生798-801nm的泵浦光；

分光单元，用于将所述泵浦光分为第一光束和第二光束；其中，所述第一光束入射到激光晶体的第一端面，所述第二光束经所述光路转换单元入射到激光晶体的第二端面；

激光晶体，用于在所述第一光束和所述第二光束的激励下产生上转换荧光；

谐振腔，用于输出绿光波段的激光；

第一法布里珀罗标准具、第二法布里珀罗标准具，相邻放置于所述谐振腔中，用于压缩输出激光的线宽；

其中，所述激光晶体为Er³⁺:YAlO₃晶体；

所述Er³⁺:YAlO₃晶体的Er³⁺掺杂浓度为1％，泵浦光泵浦Er³⁺:YAlO₃晶体产生上转换荧光的过程如下：位于⁴I_9/2能级的Er³⁺离子被中心波长为800nm的泵浦光激发，当位于⁴I_9/2能级的Er³⁺离子积累到一定程度时，向上跃迁到⁴F_7/2能级，当位于⁴F_7/2能级的Er³⁺离子积累到一定程度时，向下弛豫到²H_11/2能级，当位于²H_11/2能级的Er³⁺离子积累到一定程度，实现了粒子数反转，Er³⁺离子在⁴F_7/2能级与⁴I_15/2能级之间跃迁，并通过谐振腔产生中心波长为551nm的绿光波段的激光。

2.如权利要求1所述的激光器，其中，第一法布里珀罗标准具、第二法布里珀罗标准具的厚度均为0.5mm。

3.如权利要求1所述的激光器，所述激光器还包括光纤耦合单元，用于将泵浦源产生的泵浦光耦合输出。

4.如权利要求3所述的激光器，所述激光器还包括准直单元，用于将光纤耦合输出的泵浦光进行准直。

5.如权利要求1所述的激光器，其中，所述分光单元为50:50的分光镜。

6.如权利要求1所述的激光器，所述激光器还包括第一聚焦单元、第二聚焦单元；

所述第一聚焦单元，用于将所述第一光束聚焦在所述激光晶体的第一端面；

所述第二聚焦单元，用于将经光路转换单元之后的第二光束聚焦在所述激光晶体的第二端面。

7.如权利要求6所述的激光器，其中，所述谐振腔为L型平凹腔。

8.如权利要求7所述的激光器，其中，所述L型平凹腔包括第一腔镜、第二腔镜、激光输出镜；所述第一光束在经第一聚焦单元聚焦后入射到第一腔镜表面；所述第二光束在经第二聚焦单元聚焦后入射到第二腔镜表面；所述第一法布里珀罗标准具、第二法布里珀罗标准具均位于第一腔镜与激光输出镜之间。

9.如权利要求6所述的激光器，其中，所述光路转换单元包括第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜；

所述分光单元产生的第二光束以45度角入射到第一反射镜表面，经第一反射镜反射后以45度角入射到第二反射镜表面，经第二反射镜反射后以45度角入射到第三反射镜表面，然后经第三反射镜反射后垂直入射到第二聚焦单元表面。

10.如权利要求4所述的激光器，其中，所述准直单元为两面镀有800nm高透膜的平凸透镜。

11.如权利要求6所述的激光器，其中，所述第一聚焦单元为两面镀有800nm高透膜的平凸透镜；所述第二聚焦单元为两面镀有800nm高透膜的平凸透镜。

12.如权利要求8所述的激光器，其中，所述第一腔镜为二色镜，所述二色镜的双面45度镀有800nm高透膜，所述二色镜朝向第二腔镜的一面45度镀有525nm-565nm高反膜。

13.如权利要求8所述的激光器，其中，所述第二腔镜为平凹镜，所述第二腔镜的双面镀有800nm高透膜，所述平凹镜的凹面镀有525-565nm高反膜。

14.如权利要求8所述的激光器，其中，所述激光输出镜为平平镜，所述激光输出镜朝向第一腔镜的一面镀有对525-565nm透过率为2％的膜。

15.如权利要求1所述的激光器，其中，所述Er³⁺:YAlO₃晶体的Er³⁺掺杂浓度为1％，所述Er³⁺:YAlO₃晶体的双端面镀有对525-565nm和800nm的高透膜。

16.如权利要求9所述的激光器，其中，所述第一反射镜、所述第二反射镜、所述第三反射镜均为平平镜；所述第一反射镜朝向第二反射镜的一面、所述第二反射镜朝向第三反射镜的一面、所述第三反射镜朝向第二聚焦单元的一面均45度镀有800nm高反膜。

17.如权利要求1所述的激光器，其中，所述泵浦源为半导体激光器。

18.一种采用权利要求1-17任一所述的固体激光器产生绿光连续激光的方法，其特征在于，所述方法包括：

S1、将泵浦源产生的波长为798-801nm的泵浦光经光纤耦合单元耦合输出；并将所述耦合输出的泵浦光经准直单元进行准直；

S2、将所述第一光束通过第一聚焦单元进行聚焦，并聚焦在激光晶体的第一端面，将经光路转换后的第二光束经第二聚焦单元进行聚焦，并聚焦在激光晶体的第二端面；

S3、将波长为798-801nm的泵浦光经分光单元分为第一光束和第二光束；

S4、将所述第一光束入射到激光晶体的第一端面，将所述第二光束经光路转换单元入射到所述激光晶体的第二端面；

其中，所述激光晶体位于所述谐振腔中，用于在所述第一光束和所述第二光束的激励下产生上转换荧光，并经谐振腔产生绿光波段的激光；

S5、将所述激光经过平行放置于谐振腔中的第一法布里珀罗标准具、第二法布里珀罗标准具之后从谐振腔的激光输出镜输出；

S6、调节第一法布里珀罗标准具相对第二法布里珀罗标准具的倾斜角度，直至使信号发生器上测取的输出激光的线宽达到调节过程中的极小值。