CN106129801A - 半导体端泵浦腔内倍频高功率紫外激光器 - Google Patents

半导体端泵浦腔内倍频高功率紫外激光器 Download PDF

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Abstract

一种半导体端泵浦腔内倍频高功率紫外激光器，包括泵浦源、四个分为两组双端设置的准直聚焦系统、两组半导体泵浦耦合系统、谐振腔，所述的谐振腔内设有两块激光晶体、声光调Q、倍频晶体和合频晶体，泵浦源产生泵浦光，设置在泵浦源输出端并由第一平凸准直透镜、第二平凸准直透镜组成准直聚焦系统对泵浦光准直聚焦，并由两组半导体泵浦耦合系统分别将经准直聚焦系统准直聚焦后的泵浦光耦合到谐振腔的两块激光晶体。由于采用两组双端半导体耦合系统泵浦激光晶体方式，利用腔内倍频、合频技术，实现1064nm基频光到532nm倍频光转换，再通过基频光和倍频光合频得到355nm紫外激光。

Description

半导体端泵浦腔内倍频高功率紫外激光器
技术领域
本发明涉及半导体端泵浦腔内倍频355nm高功率紫外激光器，属于激光设备技术领域
背景技术
紫外激光器的输出波长短。材料作用力强，分辨率高，聚焦点可小到几个微米数量级，已经在半导体领域，材料精细加工，紫外固化等外固化等领域有了广泛的应用。半导体端泵浦腔内倍频紫外激光器具有光束质量好。功率稳定性好，可靠性高，使用方便，体积小等诸多优点。
半导体泵浦的固体紫外激光输出的实现：半导体激光器端泵浦或者侧泵浦Nd:YVO4、Nd:GdVO4、Nd:YLF等激光晶体产生基频光，基频光通过倍频晶体倍频产生二倍频绿光，最后通过合频晶体合频产生紫外激光输出。主要采用的技术有：
端泵腔外倍频：光谱物理公司(SP)，相干(Coherent)均采用腔外倍频方法实现绿光和紫外激光输出。这种方法是将高功率的脉冲红外激光能过一个聚焦系统通过非线性晶体实现频率转换。这种方法要求聚焦点光斑尺寸小，因此晶体比较容易损坏，对晶体镀膜的要求高。光谱和相干公司均采用对晶体自动移动的方法，在一定试用时间后进行换位置而实现晶体的长时间可靠工作。此技术对晶休的控制有非常严格的要求，整个比较复杂。
侧泵腔内倍频：JDSU公司采用侧泵腔内倍频的方式实现紫外激光输出，该方式可得到高功率紫外输出，由于侧泵效率低导致电光转化效率低。
端泵腔内倍频：Photonics公司、DPSSL公司和Yuco公司等公司采用该方式实现紫激光输出。由于激光器腔内光强比腔外有一个数量级的提高，在实现同样非线性转换效率，该方法对非线怀晶体的镀腊要求要低得多。
发明内容
本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷，提供一种半导体端泵浦高功率紫外激光器，其实现15W紫外激光输出。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：一种半导体端泵浦腔内倍频高功率紫外激光器，包括泵浦源、四个分为两组双端设置的准直聚焦系统、两组半导体泵浦耦合系统、谐振腔，所述的谐振腔内设有两块激光晶体、声光调Q、倍频晶体和合频晶体，泵浦源产生泵浦光，设置在泵浦源输出端并由第一平凸准直透镜、第二平凸准直透镜组成准直聚焦系统对泵浦光准直聚焦，并由两组半导体泵浦耦合系统分别将经准直聚焦系统准直聚焦后的泵浦光耦合到谐振腔的两块激光晶体，所述的谐振腔内两块带焦距的热效应补偿凹凸镜补偿激光晶体热效应，声光调Q调制1064nm基频光增强基频光功率密度，腔内振荡的1064nm基频光通过倍频晶体产生532nm倍频光，1064nm基频光和产生的532nm倍频光通过合频晶体合频产生355nm激光器，355nm激光通过布儒斯特角切割合频晶体方式分离谐振腔输出。
作为一种改进：所述的谐振腔内还包括两块带焦距的热效应补偿凹凸镜，所述的两块带焦距的热效应补偿凹凸镜用以补偿激光晶体热效应。
作为一种改进：所述由第一平凸准直透镜和第二平凸准直透镜构成的准直聚焦系统的放大倍率为1:3。
作为一种改进：所述的谐振腔内的两块激光晶体为Nd:YVO4、Nd:GdVO4、Nd:YLF。
作为一种改进：倍频晶体为Ⅰ类相位匹配方式LBO，晶体尺寸为3x3x(5-12)mm3，合频晶体为Ⅱ类相位匹配方式LBO，晶体尺寸为3x3x(15-25)mm3。
本发明采用两组双端半导体耦合系统泵浦激光晶体方式，利用腔内倍频、合频技术，实现1064nm基频光到532nm倍频光转换，再通过基频光和倍频光合频得到355nm紫外激光。通过对谐振腔的设计，激光晶体处具用较大的基模体积，同时非线性晶体处具有较小的基模光斑，显著提高了非线性转换效率。利用泵浦光耦合系统，保证激光晶体处泵浦光与激光晶体处的基模振荡激光达到很好的空间模式匹配。
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明一种半导体端泵浦高功率紫外激光器的原理示意图。
具体实施方式
如图1所示，采用两组四个泵浦源半导体激光器1、2、3、4构成两组双端泵浦方式泵浦激光晶体，其中半导体激光器1输出的808nm、880nm、888nm泵浦光经过由两个平凸准直透镜5、6构成的准直聚焦系统耦合到激光晶体22与半导体激光器2输出的808nm、880nm、888nm泵浦光经过由两个平凸准直透镜7、8构成的聚焦准直系统耦合到激光晶体22组成一组双端泵浦。其中半导体激光器3输出的808nm、880nm、888nm泵浦光经过由两个平凸准直透镜9、10构成的光学耦准直系统耦合到激光晶体23，与半导体激光器4输出的808nm、880nm、888nm泵浦光经过由两个平凸准直透镜11、12构成的聚焦准直系统耦合到激光晶体22组成另一组双端泵浦。谐振腔内插入两块一定焦距的热效应补偿凹凸镜19、20补偿激光晶体热效应。产生的1064nm基频光经过由六个平面镜13、14、15、16、17、18构成的谐振腔进行振荡，并由声光调Q开关21进行调制，调制的1064nm基频光往返经过两次倍频晶体24进行1064nm基频光到532nm绿光的转换，未完成倍频转换的1064nm基频光与532nm倍频光经过合频晶体25进行合频，得到的355nm紫外激光从合频晶体25布儒斯特角切割的一面输出。
具体设计应用时，输出功率15W的半导体端泵浦腔内倍频高功率紫外激光器，主要由四个带尾纤的40W半导体激光器1、2、3、4，构成耦合系统中的平凸准直透镜5、6、7、8、9、10、11、12，平面镜13、14、15、16、17、18，两块一定焦距的热效应补偿凹凸镜19、20，声学Q开关21，激光晶体22、23，倍频晶体24，合频晶体25构成。半导体激光器1、2、3、4均采用输出功率为40W的808nm、880nm、888nm半导体激光器，其尾纤纤芯直径为400微米，数值孔径NA＝0.22.耦合系统中的平凸准直透镜5、6，平凸准直透镜7、8，平凸准直透镜9、10，平凸准直透镜11、12扩束比例均为1：2。耦合系统透镜都镀808nm、880nm、888nm增透膜。激光晶体22、23均为Nd:YVO4，其尺寸为3x3x(12-30)mm3，其掺杂浓度为0.25％-1％。或为Nd:GdVO4、Nd:YLF等其它激光晶体。倍频晶体24为I类匹配方式LBO，其尺寸为3x3x(5-12)mm3。合频晶体25为II类匹配方式LBO，其尺寸为3x3x(15-25)mm3，一面布儒斯特角切割。倍频晶体与合频晶体都用TEC进行控温，控温精度为正负0.02度。
本实施例对高功率泵浦谐振腔的设计：在高功率泵浦下，激光晶体有很强的热透镜效应，激光晶体在双端半导体激光器各40W(808nm、880nm、888nm)泵浦，晶体的热透镜焦距F＝110-400mm；腔内插入两块一定焦距的热效应补偿凹凸镜19、20补偿激光晶体热效应，使基频光基模在激光晶体处光斑大小直径在1mm左右，非线性晶体处光斑大小直径在0.25mm左右。利用半导体激光器聚焦准直系统，保证激光晶体处泵浦学与晶体处振荡激光达到很好的模式匹配，提高了基频光的转换效率。非线性晶体处较小的光斑提高了非线性转换效率。
本实施例对频率转换过程中偏振模分析：a-cut激光晶体Nd:YVO4发出的1064nm基频光26为P偏振，P偏振的基频光经过I类LBO倍频晶体产生532nm倍频28光为S偏振光，P偏振的基频光与532nm S偏振倍频光经过II类匹配合频晶体LBO，产生P偏振的355nm紫外激光27。355nm紫外激光27与1064nm基频激光26具有相同的偏振，在合频晶体LBO不镀膜实现全透的布儒斯特角切割差别只有0.65度左右。因此对合频晶体进行基频光布儒斯特角切割，得到紫外355nm激光输出。
本实施例对各腔镜与晶体的镀膜选择：平镜13镀1064基频光全反膜，平镜14、15、16、17一面镀泵浦光808nm、880nm、888nm增透膜，一面镀泵浦光808nm、880nm、888nm增透与基频光1064nm全反膜，平镜18镀基频光1064nm与倍频光532nm全反膜，热效应补偿凹凸镜19、20镀基频光1064nm增透膜，激光晶体22、23镀泵浦光808nm、880nm、888nm与1064nm基频光增透膜。倍频晶体两面镀基频光1064nm与倍频光532nm增透膜，合频晶体平面那面镀基频光1064nm与倍频光532nm增透膜。
虽然本发明已以具体实施例公开如上，然而其并非用以限定本发明，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，仍可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围应当视所附的权利要求书的范围所界定者为准。

Claims (9)

1.一种半导体端泵浦腔内倍频高功率紫外激光器，其特征在于：包括泵浦源、四个分为两组双端设置的准直聚焦系统、两组半导体泵浦耦合系统、谐振腔，所述的谐振腔内设有两块激光晶体、声光调Q、倍频晶体和合频晶体，泵浦源产生泵浦光，设置在泵浦源输出端并由第一平凸准直透镜、第二平凸准直透镜组成准直聚焦系统对泵浦光准直聚焦，并由两组半导体泵浦耦合系统分别将经准直聚焦系统准直聚焦后的泵浦光耦合到谐振腔的两块激光晶体，所述的谐振腔内两块带焦距的热效应补偿凹凸镜补偿激光晶体热效应，声光调Q调制1064nm基频光增强基频光功率密度，腔内振荡的1064nm基频光通过倍频晶体产生532nm倍频光，1064nm基频光和产生的532nm倍频光通过合频晶体合频产生355nm激光器，355nm激光通过布儒斯特角切割合频晶体方式分离谐振腔输出。
2.根据权利要求1所述的半导体端泵浦腔内倍频高功率紫外激光器，其特征在于：所述的谐振腔内还包括两块带焦距的热效应补偿凹凸镜，所述的两块带焦距的热效应补偿凹凸镜用以补偿激光晶体热效应。
3.根据权利要求1或2所述的半导体端泵浦腔内倍频高功率紫外激光器，其特征在于：所述由第一平凸准直透镜和第二平凸准直透镜构成的准直聚焦系统的放大倍率为1:3。
4.根据权利要求1或2所述的半导体端泵浦腔内倍频高功率紫外激光器，其特征在于：所述的谐振腔内的两块激光晶体为Nd:YVO4、Nd:GdVO4、Nd:YLF。
5.根据权利要求3所述的半导体端泵浦腔内倍频高功率紫外激光器，其特征在于：所述的谐振腔内的两块激光晶体为Nd:YVO4、Nd:GdVO4、Nd:YLF。
6.根据权利要求1或2所述的半导体端泵浦腔内倍频高功率紫外激光器，其特征在于：倍频晶体为Ⅰ类相位匹配方式LBO，晶体尺寸为3x3x(5-12)mm3，合频晶体为Ⅱ类相位匹配方式LBO，晶体尺寸为3x3x(15-25)mm3。
7.根据权利要求3所述的半导体端泵浦腔内倍频高功率紫外激光器，其特征在于：倍频晶体为Ⅰ类相位匹配方式LBO，晶体尺寸为3x3x(5-12)mm3，合频晶体为Ⅱ类相位匹配方式LBO，晶体尺寸为3x3x(15-25)mm3。
8.根据权利要求4所述的半导体端泵浦腔内倍频高功率紫外激光器，其特征在于：倍频晶体为Ⅰ类相位匹配方式LBO，晶体尺寸为3x3x(5-12)mm3，合频晶体为Ⅱ类相位匹配方式LBO，晶体尺寸为3x3x(15-25)mm3。
9.根据权利要求5所述的半导体端泵浦腔内倍频高功率紫外激光器，其特征在于：倍频晶体为Ⅰ类相位匹配方式LBO，晶体尺寸为3x3x(5-12)mm3，合频晶体为Ⅱ类相位匹配方式LBO，晶体尺寸为3x3x(15-25)mm3。
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