CN106451052A - 一种产生绿色激光的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种产生绿色激光的装置，包括泵浦源、透镜或无透镜、激光谐振腔。泵浦源为高亮度光子晶体激光器，其用于发射激光，透镜用于将激光聚焦并从激光谐振腔一端面入射，激光谐振腔由在自倍频晶体或胶合晶体的两个通光端面上镀腔镜膜组成。胶合晶体是由激光晶体和倍频晶体通过胶合的方式固定在一起，形成一个独立的倍频器件。本方发明用高亮度光子晶体激光器代替普通半导体激光器作为泵浦源，只需一个透镜聚焦，或不使用透镜聚焦，结构简单紧凑，且由于作为泵浦源的光子晶体激光器亮度高，而能有效的提高倍频的效率。

Description

一种产生绿色激光的装置
技术领域
本发明涉及一种用于激光技术领域，特别涉及一种产生绿色激光的装置。
背景技术
绿光激光器广泛应用于打印，材料加工，数据存储，医疗，显示等方面，尤其是近年来兴起的第四代显示技术，激光显示。激光显示与传统的显示技术相比具有色域范围广、寿命长、节约环保等特点。激光显示的光源由红光，蓝光和绿光激光器组成。目前已有商用的红光和蓝光半导体激光器，然而绿光激光器一直制约着高性能激光显示的发展，虽然近几年直接半导体绿光激光器技术有了很大的进步，功率能达到瓦特量级，但其光束质量差，效率低，输出不稳定等，还远不够成熟。目前获得绿色激光的方法，大多是利用半导体激光器泵浦掺杂Nd3+或Yb3+的激光晶体产生1064nm的激光，再通过倍频晶体(KTP，LBO，PPLN，PPLT等)进行倍频产生绿色激光。
通过将Nd:YVO4激光晶体和KTP晶体准直后胶合在一起，并在表面镀膜已形成激光振荡，可简化倍频结构，获得高效率的绿色激光输出。这种利用胶合晶体的紧凑型绿光激光芯片已经成功获得商用。而在倍频晶体中掺杂Nd3+或Yb3+，可形成自倍频晶体，使得在同一个晶体中能同时实现激光过程和非线性倍频过程，整个结构更加简单紧凑，成本低，比较常用的自倍频晶体是Nd:GdCa4O(BO3)3(简称Nd:GdCOB)、Nd:Ca4YO(BO3)3(简称Nd:YCOB)和Nd:MgO:LiNbO3。利用提拉法可以生长出大尺寸，高光学质量的Nd:GdCOB和Nd:YCOB。目前，已有研究报道用于准相位匹配的极化周期为7.41um，长度为16mm的自倍频晶体Nd:PPLN已经成功制成，并获得了80mW绿色激光输出，如文献1：Dong Zhou Wang，De Hui Sun，et al.，Periodically poled self-frequency-doubling green laser fabricated from Nd:Mg:LiNbO3 single crystal，Opt.Express，23：17727-17738，2015。半导体激光器(Lasre-diode，LD)应其体积小、功率大、成本低等优点被广泛应用于固体激光器的泵浦。但是由于普通宽条激光器发散角大，在快轴方向有四十多度，如图5，需要多个光学透镜对光束进行整形聚焦，成本高，封装难度大，使得整个倍频产生绿色激光的方案结构复杂，体积较大，且涉及到的光学元件较多。除此之外，普通宽条激光器光束质量差，亮度小，使得在利用胶合晶体或自倍频晶体进行倍频的效率低。
发明内容
为解决现有技术中的至少一问题而提出本发明。本发明在下文中参考实施例的示例将更详细的描述，但本发明并不局限于所述实施例。
本发明提出了一种产生绿色激光的装置的一种技术方案是该装置包括泵浦源、透镜和激光谐振腔，其中
根据本发明的实施例，所述泵浦源为高亮度光子晶体激光器，且位于透镜一侧，用于发射泵浦光；
根据本发明的实施例，所述透镜位于所述泵浦源和所述激光谐振腔中间，用于将激光聚焦并从激光谐振腔一端面入射；
根据本发明的实施例，所述激光谐振腔包括自倍频晶体或胶合晶体，以及镀在自倍频晶体或胶合晶体两个通光端面上的光学薄膜，用于吸收泵浦光并产生基频光进而倍频并输出；
根据本发明的实施例，所述透镜的个数为1；
根据本发明的实施例，所述光学薄膜包括泵浦光增透、基频光和倍频光高反膜和倍频光增透、泵浦光和基频光高反膜；
根据本发明的实施例，所述胶合晶体包括激光晶体和倍频晶体。
本发明提出了一种产生绿色激光的装置的另一种技术方案与上述技术方案不同的是该装置没有使用透镜，因此将所述高亮度光子晶体激光器与激光谐振腔一通光腔面对接，且由泵浦源发射的泵浦光入射至所述激光谐振腔并被吸收，所述自倍频晶体的接收角大所述高亮度光子晶体激光器的垂直发射角，所述自倍频晶体或激光晶体端面的高度H≥2LtanΘ，L为自倍频晶体或激光晶体的长度，Θ为高亮度光子晶体激光器的垂直发散角。
本发明中涉及的基于高亮度光子晶体激光器绿色激光产生的技术方案，所涉及的光学元件少，只需一个透镜聚焦，或不使用透镜聚焦，结构简单紧凑，且由于作为泵浦源的光子晶体激光器亮度高，而能有效的提高倍频的效率。
附图说明
图1为本发明利用自倍频晶体和透镜产生绿色激光的结构示意图；
图2为本发明利胶合晶体和透镜产生绿色激光的结构示意图；
图3为本发明利用自倍频晶体和无透镜产生绿色激光的结构示意图；
图4为本发明利用胶合晶体和无透镜产生绿色激光的结构示意图；
图5为普通半导体激光器远场发散角示意图；
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种数据、器件的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术有限而造成的偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的装置。
本发明一方面提供了一种产生绿色激光的装置，该装置包括泵浦源1、透镜2或无透镜2、激光谐振腔。
所述激光谐振腔包括自倍频晶体或胶合晶体，以及镀在自倍频晶体3或胶合晶体两个通光端面上的光学薄膜，用于吸收泵浦光并产生基频光进而倍频并输出。
所述泵浦源1位于透镜2接收泵浦光端面的一侧，用于发射泵浦光。
所述透镜2用于将激光聚焦并从激光谐振腔一端面入射，且透镜2位于泵浦源1和激光谐振腔中间，由于所述泵浦源1垂直发散角小，用一个透镜2就可以完成光束整形，其中该装置也可以不使用透镜2，将泵浦源1出光端面与自倍频晶体3或胶合晶体接收激光端面对接，从泵浦源1发射的泵浦光入射至激光谐振腔并被吸收。其中自倍频晶体3应为接受角较大的晶体，所述接受角大于所述泵浦源1的垂直发散角，这样设计目的为了泵浦光耦合进自倍频晶体3的转换效率更大。
所述胶合晶体是由激光晶体4和倍频晶体5通过胶合的方式固定在一起，形成一个独立的倍频器件。所述自倍频晶体3或胶合晶体用于产生倍频光，所述光学薄膜包括泵浦光增透、基频光和倍频光高反膜6和倍频光增透、泵浦光以及基频光高反膜7。
所述泵浦源1为高亮度光子晶体激光器，所述高亮度光子晶体激光器是指在传统半导体激光器外延生长结构中的n型一侧引入一维光子晶体结构，将光场从有源区扩展到n掺杂的光子晶体区域，从而实现小于10°的垂直发射角，同时增大近场光斑尺寸，在材料的激光损伤阈值一定的情况下能增大输出的最高功率，从而提高亮度。由于光子晶体激光器亮度大，可有效提高倍频效率。
所述自倍频晶体3可以是Yb:YAB，或是Yb:GdCOB，或是Yb:YCOB，或是NYAB，或是NGAB，或是NLSB，或是Nd:LCB，或是Nd:ReCOB，其中Re指稀土离子(La，Nd，Sm，Gd，Er，Y)中的一种，按倍频的相位匹配方向切割，切割方向为产生绿色激光自倍频方向。所述的自倍频晶体3还可以是Nd:PPLN或Nd:PPLT，其极化周期大小满足准相位匹配而实现绿色激光输出。所述自倍频晶体3的尺寸要依赖于泵浦源1的垂直发散角，且泵浦源1的垂直发散角一般大于其水平发散角，Θ为泵浦源1的垂直发散角，L为自倍频晶体3的长度，H为自倍频晶体3端面高度，泵浦源1的垂直发散角θ应小于自倍频晶体3长度为L时的接受角，且H≥2LtanΘ。
所述胶合晶体是将激光晶体4和倍频晶体5通过胶合方式固定在一起，其中激光晶体4可以是Nd:YVO4或Nd:GdVO4，倍频晶体5可以是KTP或LBO，倍频晶体5按倍频的相位匹配方向切割，切割方向为产生绿色激光倍频方向；所述的倍频晶体5还可以是PPLN、PPLT或PPKTP，其极化周期大小满足准相位匹配而实现绿色激光输出。所述胶合晶体的尺寸要依赖于泵浦源1的垂直发散角，且泵浦源1的垂直发散角一般大于其水平发散角，Θ为泵浦源1的垂直发散角，L为激光晶体4的长度，H为激光晶体4端面高度，则H≥2LtanΘ。
所述泵浦光增透、基频光和倍频光高反膜6，镀在自倍频晶体3或胶合晶体前端面对泵浦光增透，且对基频光和倍频光高反。所述倍频光增透、泵浦光以及基频光高反膜7镀在自倍频晶体3或胶合晶体后端面对泵浦光和基频光高反，且对倍频光增透。
实施例1
图1为本发明利用自倍频晶体和透镜产生绿色激光的结构示意图。如图所示，泵浦源1采用808nm波长的高亮度光子晶体激光器，其垂直发散角为3°，水平发散角为2.9°，自倍频晶体3采用Nd:GdCOB晶体，按倍频的相位匹配方向(θ＝113°，)切割成柱状，长度4mm，端面尺寸为1.3mm×1.3mm，镀制在晶体前端面的光学薄膜6对808nm波长的泵浦光增透，且对1090nm波长的基频光以及545nm波长的倍频光高反，自倍频晶体3后端面的光学薄膜7对808nm波长的泵浦光以及1090nm波长的基频光高反，且对545nm波长的倍频光增透；前后端面所镀光学薄膜6、7构成平平腔结构的激光谐振腔。高亮度光子晶体激光器发射808nm波长的激光，经透镜2聚焦至自倍频晶体3接收光的一端面，进行泵浦获得545nm波长的绿色激光并输出。
实施例2
本实施例采用的晶体与光路与实施例1相同，区别在于：
(1)泵浦源1采用796nm波长的高亮度光子晶体激光器；
(2)自倍频晶体2前端面的光学薄膜6对796nm波长的泵浦光增透，且对1090nm波长的基频光以及545nm波长的倍频光高反，自倍频晶体3晶体后端面的光学薄膜7对796nm波长的泵浦光以及1090nm波长的基频光高反，且对545nm波长的倍频光增透；前后端面所镀光学薄膜6、7构成平平腔结构的激光谐振腔。高亮度光子晶体激光器发射796nm波长的激光，经透镜2聚焦至自倍频晶体3接收激光的一端面，进行泵浦获得545nm波长的绿色激光并输出。
实施例3
本实施例采用的光路与实施例1相同，区别在于：
(1)泵浦源1采用的是976nm波长的高亮度光子晶体激光器；
(2)自倍频晶体3采用Yb:YAB晶体，按倍频的相位匹配方向(θ＝0°，)切割成柱状，长度5mm，端面尺寸为3mm×3mm。
(3)自倍频晶体3前端面的光学薄膜6对976nm波长的泵浦光增透，且对1040nm波长的基频光以及520nm波长的倍频光高反，自倍频晶体3后端面的光学薄膜7对976nm波长的泵浦光以及1040nm波长的基频光高反，且对520nm波长的倍频光增透；前后端面所镀光学薄膜6、7构成平平腔结构的激光谐振腔。高亮度光子晶体激光器发射976nm波长的激光，经透镜聚2焦至自倍频晶体3接收激光的一端面，进行泵浦获得520nm波长的绿色激光输出。
实施例4
图2为本发明利胶合晶体和透镜产生绿色激光的结构示意图。如图所示，本实施例采用的光路与实施例1相同，区别在于：
将自倍频晶体3换成胶合晶体，通光端面尺寸1mm×1mm，其中激光晶体4采用Nd:YVO4晶体，长度1mm，倍频晶体4采用PPLN晶体，长度为5mm，其极化周期对应基频光波长为1064nm的准相位匹配，激光晶体4与倍频晶体5通过胶合的方式固定在一起。镀制在胶合晶体前端面的光学薄膜6对808nm波长的泵浦光附增透，且对1064nm波长的基频光以及532nm波长的倍频光高反，胶合晶体后端面的光学薄膜7对808nm波长的泵浦光以及1064nm波长的基频光高反，且对532nm波长的倍频光增透；前后端面所镀光学薄膜6、7构成平平腔结构的激光谐振腔。高亮度光子晶体激光器发射的808nm波长激光，经透镜2聚焦至胶合晶体，进行泵浦获得532nm波长绿色激光并输出。
实施例5
图3为本发明利用自倍频晶体和无透镜产生绿色激光的结构示意图。如图所示，泵浦源1采用808nm波长的高亮度光子晶体激光器，垂直发散角为3°，水平发散角为2.9°，自倍频晶体3采用Nd:GdCOB晶体，按倍频的相位匹配方向(θ＝113°，)切割成柱状，晶体长度为340um，端面尺寸为1mm×1mm，晶体高度H或宽度均大于2LtanΘ＝35um。Nd:GdCOB晶体的接受角为18mrad·mm，即1.031°·mm，则当晶体长度L为340um时，接受角为3°，泵浦用的光子晶体激光器的发散角小于或等于3°，在晶体接受角的范围之内。镀制在自倍频晶体3前端面的光学薄膜6对808nm波长的泵浦光增透，且对1090nm波长的基频光以及545nm波长的倍频光高反，自倍频晶体3后端面的光学薄膜7对808nm波长的泵浦光以及1090nm波长的基频光高反，且对545nm波长的倍频光增透；前后端面所镀光学薄膜6、7构成平平腔结构的激光谐振腔。高亮度光子晶体激光器出光端面与自倍频晶体3的前端面直接对接在一起，高亮度光子晶体激光器发射的激光直接耦合进入自倍频晶体3中，进行泵浦获得545nm波长的绿色激光输出。
实施例5也可以采用实施例1～4中不同波长的高亮度光子晶体激光器和不同材料的自倍频晶体3或胶合晶体。区别在于在自倍频晶体3或胶合晶体的长度与高度应满足H≥2LtanΘ，L为自倍频晶体3的长度，Θ为高亮度光子晶体激光器的垂直发散角。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种产生绿色激光的装置，包括泵浦源、透镜和激光谐振腔，其中
所述泵浦源为高亮度光子晶体激光器，且位于透镜一侧，用于发射泵浦光；
所述透镜位于所述泵浦源和所述激光谐振腔中间，用于将激光聚焦并从激光谐振腔一端面入射；
所述激光谐振腔包括自倍频晶体或胶合晶体，以及镀在自倍频晶体或胶合晶体两个通光端面上的光学薄膜，用于吸收泵浦光并产生基频光进而倍频并输出。
2.根据权利要求1所述的一种产生绿色激光的装置，其特征在于，所述透镜的个数为1。
3.根据权利要求1所述的一种产生绿色激光的装置，其特征在于，所述光学薄膜包括泵浦光增透、基频光和倍频光高反膜和倍频光增透、泵浦光和基频光高反膜。
4.根据权利要求1～3任意一项所述的一种产生绿色激光的装置，其特征在于，所述胶合晶体包括激光晶体和倍频晶体。
5.一种产生绿色激光的装置，包括泵浦源和激光谐振腔，其中
所述泵浦源为高亮度光子晶体激光器，并将所述高亮度光子晶体激光器与激光谐振腔一通光腔面对接；
所述高亮度光子晶体激光器用于发射泵浦光，且入射至所述激光谐振腔并被吸收；
所述激光谐振腔包括自倍频晶体或胶合晶体，以及镀在自倍频晶体或胶合晶体两个通光端面上的光学薄膜，用于吸收泵浦光并产生基频光进而倍频并输出。
6.根据权利要求5所述的一种产生绿色激光的装置，其特征在于，所述自倍频晶体的接收角大所述高亮度光子晶体激光器的垂直发射角。
7.根据权利要求5所述的一种产生绿色激光的装置，其特征在于，所述光学薄膜包括泵浦光增透、基频光和倍频光高反膜和倍频光增透、泵浦光和基频光高反膜。
8.根据权利要求5～7任意一项所述的一种产生绿色激光的装置，其特征在于，所述胶合晶体包括激光晶体和倍频晶体。
9.根据权利要求8所述的一种产生绿色激光的装置，其特征在于，所述自倍频晶体或激光晶体端面的高度H≥2LtanΘ，L为自倍频晶体或激光晶体的长度，Θ为高亮度光子晶体激光器的垂直发散角。
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