CN106992429A - 一种结构紧凑的高效率级联倍频激光器 - Google Patents

一种结构紧凑的高效率级联倍频激光器 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种结构紧凑的高效率级联倍频激光器，近红外半导体激光器的发射端发出的光线依次穿过光束整形透镜组、级联倍频装置、准直镜和二色镜，多个倍频装置依次设于光束整形透镜组与准直镜之间，准直镜的两面均镀有近红外激光高透膜和倍频激光高透膜，二色镜的两面均镀有45°角近红外激光高反膜和45°角倍频激光高透膜，二色镜的一侧设有光线收集器。本发明所述的一种结构紧凑的高效率级联倍频激光器，可充分利用泵浦光功率，能够获得较高功率的倍频激光。特别对于角度匹配的临界相位匹配晶体，通过以走离补偿方式放置的晶体对，可有效降低在倍频过程中由于走离效应导致的倍频转换效率的急剧下降。

Description

一种结构紧凑的高效率级联倍频激光器
技术领域
本发明属于激光器领域，尤其是涉及一种结构紧凑的高效率级联倍频激光器。
背景技术
全固态激光器以其光束质量好、效率高、寿命长、体积小等优点成为性能优良的相干光源。随着基因测序、生物检测、激光荧光、生物光子仪器技术的快速发展，小型化、低成本、多种波长固体激光器成为一种有广泛需求的激发探测光源，例如405nm，488nm，515nm，532nm，650nm等波长激光器。目前，由于蓝、绿波长半导体激光芯片技术的限制，将半导体激光整形直接输出激光的技术方案，具有成本高且激光功率较低的缺点。利用成本较低的近红外半导体激光泵浦非线性晶体进行直接倍频的方案，是一个较好的选择，但是常规半导体激光的发散角大，激光聚焦后瑞利长度短，难以通过尺寸较长的非线性晶体实现半导体激光的高效率倍频光输出。根据文献报道，这类方案所用的半导体泵浦光源多为脊形光波导结构或者带有DFB光耦合输出的半导体激光器，虽然这类半导体激光器光束质量较好(M2<2)，但价格昂贵、技术复杂且输出功率较低。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种结构紧凑的高效率级联倍频激光器，通过近红外半导体激光直接泵浦非线性晶体获得倍频光，使用近红外半导体激光器经过光束整形后依次通过多块非线性倍频晶体(角度匹配的临界相位匹配晶体或温度匹配/准相位匹配的非临界相位匹配晶体等)，在确定倍频晶体的长度时，保证泵浦光在通过晶体时能产生高效率的非线性频率转换，以高效级联倍频的方式，获得较高功率的倍频激光。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种结构紧凑的高效率级联倍频激光器，包括：依次设置的近红外半导体激光器、光束整形透镜组、级联倍频装置、准直镜和二色镜。
所述近红外半导体激光器的发射端发出的光线依次穿过光束整形透镜组、级联倍频装置、准直镜和二色镜。
所述级联倍频装置包括多个倍频装置，多个倍频装置依次设于光束整形透镜组与准直镜之间。
所述准直镜的两面均镀有近红外激光高透膜和倍频激光高透膜。
所述二色镜的轴线与入射光线呈45°角设置，二色镜的两面均镀有45°角近红外激光高反膜和45°角倍频激光高透膜，二色镜的一侧设有光线收集器。
所述光线收集器的接收端正对于二色镜的反射光。
进一步的，所述近红外半导体激光器为近红外边发射半导体激光器、垂直腔面发射半导体激光器或光纤耦合输出的近红外半导体激光器。
进一步的，所述近红外半导体激光器电连接第一温度控制器，所述第一温度控制器通过控温热沉对近红外半导体激光器进行温度控制。
进一步的，所述光束整形透镜组包括非球面透镜和柱透镜，所述非球面透镜设于近红外半导体激光器与柱透镜之间。
进一步的，所述倍频装置包括一个聚焦镜和一个倍频晶体，所述聚焦镜设于倍频晶体靠近光束整形透镜组的一侧，近红外半导体激光器发出的光线最先穿过的聚焦镜的两面均镀有近红外激光高透膜，其余聚焦镜的两面均镀有近红外激光高透膜和倍频激光高透膜。
进一步的，所述倍频晶体设有多个，每个倍频晶体电连接一个第二温度控制器，所述第二温度控制器通过控温热沉对倍频晶体进行温度控制。
进一步的，所述第一温度控制器包括TEC半导体制冷片，所述第二温度控制器为TEC温控装置，所述TEC温控装置包括两个TEC半导体制冷片，两个TEC半导体制冷片分别设于倍频晶体相对的两侧，TEC半导体制冷片靠近倍频晶体的一侧无缝贴合有控温热沉。
或者，所述第一温度控制器包括TEC半导体制冷片，所述第二温度控制器为温控炉装置，所述温控炉装置包括合金金属丝，所述合金金属丝缠绕在两个控温热沉上，两个控温热沉之间设有倍频晶体。
进一步的，：所述第一温度控制器和第二温度控制器的温度控制精度均大于0.1℃。
进一步的，所述聚焦镜为消色差聚焦镜。
进一步的，所述倍频晶体为角度匹配的临界相位匹配晶体时，临界相位匹配晶体以走离补偿方式设置。
相对于现有技术，本发明所述的一种结构紧凑的高效率级联倍频激光器具有以下优势：
1、本发明可适用于光束质量相对较差、瑞利长度较短的泵浦激光源。
2、本发明可充分利用泵浦光功率，能够获得较高功率的倍频激光。特别对于角度匹配的临界相位匹配晶体，通过以走离补偿方式放置的晶体对，可有效降低在倍频过程中由于走离效应导致的倍频转换效率的急剧下降。
3、本发明适用于多种波长的LD激光器，产品类型丰富，成本低，便于推广使用。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例1的结构组成示意图；
图2为本发明中TEC温控装置的结构组成示意图；
图3为本发明中温控炉装置的结构组成示意图；
图4为本发明实施例2的结构组成示意图。
附图标记说明：
1-第一温度控制器；2-近红外半导体激光器；3-控温热沉；4-光束整形透镜组；41-非球面透镜；42-柱透镜；5-倍频装置；51-聚焦镜；53-第二温度控制器；54-倍频晶体；7-TEC半导体制冷片；8-近红外光；81-倍频光；82-基频光；10-合金金属丝；11-准直镜；12-二色镜；13-光线收集器。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1～4所示，包括：依次设置的近红外半导体激光器2、光束整形透镜组4、级联倍频装置、准直镜11和二色镜12。
所述近红外半导体激光器2的发射端发出的光线依次穿过光束整形透镜组4、级联倍频装置、准直镜11和二色镜12。
所述级联倍频装置包括多个倍频装置5，多个倍频装置5依次设于光束整形透镜组4与准直镜11之间。
所述准直镜11的两面均镀有近红外激光高透膜和倍频激光高透膜；
所述二色镜12的轴线与入射光线呈45°角设置，二色镜12的两面均镀有45°角近红外激光高反膜和45°角倍频激光高透膜，二色镜12的一侧设有光线收集器13。
所述光线收集器13的接收端正对于二色镜12的反射光。
所述近红外半导体激光器2为近红外边发射半导体激光器、垂直腔面发射半导体激光器或光纤耦合输出的近红外半导体激光器。
所述近红外半导体激光器2电连接第一温度控制器1，所述第一温度控制器1通过控温热沉3对近红外半导体激光器2进行温度控制。
所述光束整形透镜组4包括非球面透镜41和柱透镜42，所述非球面透镜41设于近红外半导体激光器2与柱透镜42之间。
所述倍频装置5包括一个聚焦镜51和一个倍频晶体54，所述聚焦镜51设于倍频晶体54靠近光束整形透镜组4的一侧，近红外半导体激光器2发出的光线最先穿过的聚焦镜51的两面均镀有近红外激光高透膜，其余聚焦镜51的两面均镀有近红外激光高透膜和倍频激光高透膜。
所述倍频晶体54设有多个，每个倍频晶体54电连接一个第二温度控制器53，所述第二温度控制器53通过控温热沉3对倍频晶体54进行温度控制。
所述第一温度控制器1包括TEC半导体制冷片7，所述第二温度控制器53为TEC温控装置，所述TEC温控装置包括两个TEC半导体制冷片7，两个TEC半导体制冷片7分别设于倍频晶体54相对的两侧，TEC半导体制冷片7靠近倍频晶体54的一侧无缝贴合有控温热沉3。
或者，所述第一温度控制器1包括TEC半导体制冷片7，所述第二温度控制器53为温控炉装置，所述温控炉装置包括合金金属丝10，所述合金金属丝10缠绕在两个控温热沉3上，两个控温热沉3之间设有倍频晶体54。
所述第一温度控制器1和第二温度控制器53的温度控制精度均大于0.1℃。
所述聚焦镜51为消色差聚焦镜。
所述倍频晶体54为角度匹配的临界相位匹配晶体时，临界相位匹配晶体以走离补偿方式设置。
该装置工作原理，本发明的实施方案1：近红外半导体激光器2发出近红外光8，近红外光8经过光束整形透镜组4整形，获得近红外波段的准直光斑，经过聚焦镜51将泵浦光聚焦到倍频晶体54的端面，倍频晶体54长度的选择是保证泵浦光在通过晶体时能产生高效率的非线性频率转换。由于近红外半导体激光器2的光束发散角大，经过聚焦镜51之后的瑞利长度较短，因此半导体泵浦光通过倍频晶体54时的有效作用距离较短，转换效率较低。将剩余的泵浦光经过下一个焦镜51聚焦到倍频晶体54端面，进行二次倍频利用，同时，前级产生的倍频激光在下一级倍频中可以作为种子光，在剩余泵光作用下进行放大，提高了转换效率。通过多个倍频晶体54的级联过程，直至剩余的半导体激光功率密度无法继续进行有效的非线性频率转换，至此倍光作用结束，光线通过二色镜12将基频光82和倍频光81分离开来，光线收集器13接收剩余半导体激光。
本发明的实施方案2：对于角度匹配的临界相位匹配晶体，通过走离补偿方式成对放置倍频晶体54，可有效降低由于走离效应导致的倍频转换效率的急剧下降，以实现高效率倍频。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种结构紧凑的高效率级联倍频激光器，其特征在于：包括：依次设置的近红外半导体激光器(2)、光束整形透镜组(4)、级联倍频装置、准直镜(11)和二色镜(12)；
所述近红外半导体激光器(2)的发射端发出的光线依次穿过光束整形透镜组(4)、级联倍频装置、准直镜(11)和二色镜(12)；
所述级联倍频装置包括多个倍频装置(5)，多个倍频装置(5)依次设于光束整形透镜组(4)与准直镜(11)之间；
所述准直镜(11)的两面均镀有近红外激光高透膜和倍频激光高透膜；
所述二色镜(12)的轴线与入射光线呈45°角设置，二色镜(12)的两面均镀有45°角近红外激光高反膜和45°角倍频激光高透膜，二色镜(12)的一侧设有光线收集器(13)；
所述光线收集器(13)的接收端正对于二色镜(12)的反射光。
2.根据权利要求1所述的一种结构紧凑的高效率级联倍频激光器，其特征在于：所述近红外半导体激光器(2)为近红外边发射半导体激光器、垂直腔面发射半导体激光器或光纤耦合输出的近红外半导体激光器。
3.根据权利要求1所述的一种结构紧凑的高效率级联倍频激光器，其特征在于：所述近红外半导体激光器(2)电连接第一温度控制器(1)，所述第一温度控制器(1)通过控温热沉(3)对近红外半导体激光器(2)进行温度控制。
4.根据权利要求1所述的一种结构紧凑的高效率级联倍频激光器，其特征在于：所述光束整形透镜组(4)包括非球面透镜(41)和柱透镜(42)，所述非球面透镜(41)设于近红外半导体激光器(2)与柱透镜(42)之间。
5.根据权利要求1所述的一种结构紧凑的高效率级联倍频激光器，其特征在于：所述倍频装置(5)包括一个聚焦镜(51)和一个倍频晶体(54)，所述聚焦镜(51)设于倍频晶体(54)靠近光束整形透镜组(4)的一侧，近红外半导体激光器(2)发出的光线最先穿过的聚焦镜(51)的两面均镀有近红外激光高透膜，其余聚焦镜(51)的两面均镀有近红外激光高透膜和倍频激光高透膜。
6.根据权利要求5所述的一种结构紧凑的高效率级联倍频激光器，其特征在于：所述倍频晶体(54)设有多个，每个倍频晶体(54)电连接一个第二温度控制器(53)，所述第二温度控制器(53)通过控温热沉(3)对倍频晶体(54)进行温度控制。
7.根据权利要求3所述的一种结构紧凑的高效率级联倍频激光器，其特征在于：所述第一温度控制器(1)包括TEC半导体制冷片(7)，所述第二温度控制器(53)为TEC温控装置，所述TEC温控装置包括两个TEC半导体制冷片(7)，两个TEC半导体制冷片(7)分别设于倍频晶体(54)相对的两侧，TEC半导体制冷片(7)靠近倍频晶体(54)的一侧无缝贴合有控温热沉(3)；
或者，所述第一温度控制器(1)包括TEC半导体制冷片(7)，所述第二温度控制器(53)为温控炉装置，所述温控炉装置包括合金金属丝(10)，所述合金金属丝(10)缠绕在两个控温热沉(3)上，两个控温热沉(3)之间设有倍频晶体(54)。
8.根据权利要求3或7所述的一种结构紧凑的高效率级联倍频激光器，其特征在于：所述第一温度控制器(1)和第二温度控制器(53)的温度控制精度均大于0.1℃。
9.根据权利要求5所述的一种结构紧凑的高效率级联倍频激光器，其特征在于：所述聚焦镜(51)为消色差聚焦镜。
10.根据权利要求5所述的一种结构紧凑的高效率级联倍频激光器，其特征在于：所述倍频晶体(54)为角度匹配的临界相位匹配晶体时，临界相位匹配晶体以走离补偿方式设置。
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