CN109586153B - 掺钕氟化锂钇纳秒脉冲蓝光激光器 - Google Patents

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Abstract

一种掺钕氟化锂钇Nd:YLF纳秒脉冲蓝光激光器，属于激光器技术领域，利用激光二极管泵浦Nd:YLF晶体电光调Q激光器产生的903nm和1053nm两个基频纳秒脉冲激光腔内和频获得486nm太阳暗线蓝光激光输出。本发明具有结构紧凑、峰值功率高、光束质量好的特点，特别适合应用于海洋雷达探测和水下通信等领域。

Description

掺钕氟化锂钇纳秒脉冲蓝光激光器
技术领域
本发明涉及全固态激光器，特别是一种掺钕氟化锂钇(以下简称为Nd:YLF)纳秒脉冲蓝光激光器。
背景技术
在激光研究领域，蓝光激光器是一种较新的可见激光光源，由于其在国防、工业和医疗等领域的应用越来越广泛而倍受关注。近年来，蓝光激光器已在激光水下通信、海洋探测、高密度光存储、激光显示、光谱分析、生物工程和激光医疗等领域得到应用。在激光水下通信和海洋探测系统中，一般采用450～550nm蓝绿波段激光光源，其中在深海区，蓝光的穿透能力更强。太阳辐射光谱在486.1nm波长处由于氢原子的吸收而存在夫琅禾费暗线，采用该波长脉冲激光作为发射源，可以提高海洋应用系统的信噪比。专利CN 107968313 A中介绍了一种采用355nm紫外激光泵浦光参量振荡器获得486.1nm蓝光激光的方法，该方案的结构较复杂，需要进行多次频率变换，且需要对光参量振荡器输出激光波长进行主动控制，不适合小型化低功耗的应用场合，且存在高峰值功率紫外光导致光学元件的损伤风险。
掺钕氟化锂钇Nd:YLF晶体是一种各向异性晶体，具有上能级寿命长、无热退偏等优点。利用高效的激光二极管LD端面泵浦技术结合电光调Q技术，采用Nd:YLF作为激光增益介质，其4F3/2→4I9/2的准三能级激光跃迁产生的903nm脉冲激光和4F3/2→4I11/2四能级激光跃迁产生的1053nm脉冲激光在激光谐振腔内和频获得486.1nm蓝光激光脉冲输出。该激光器具有结构紧凑、窄脉冲宽度、高峰值功率、高重复频率和光束质量好等优点。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术结构复杂的缺点，提供一种小型化、结构紧凑的486.1nm蓝光脉冲激光器方案。
本发明的基本思想是：
利用激光二极管泵浦Nd:YLF晶体的两种激光发射波长903nm和1053nm腔内和频，可获得486.1nm目标波长，结合电光调Q技术，可获得高峰值功率蓝光激光脉冲输出。
本发明的技术解决方案是：
掺钕氟化锂钇纳秒脉冲蓝光激光器，包括激光谐振腔第一支路、激光谐振腔第二支路、激光谐振腔共用支路和驱动器，其中第一支路为903nm激光支路，第二支路为1053nm激光支路，共用支路为和频输出支路。
所述的激光谐振腔第一支路包括第一泵浦源、第一泵浦耦合透镜组、第一腔镜、第一激光晶体、第一偏振片、第一波片和第一调Q晶体，上述元件的性能参数和位置关系如下：
所述的第一泵浦源可以是输出中心波长为793nm、797nm和806nm的光纤耦合输出激光二极管中的任意一种，其中心波长对应Nd:YLF晶体的吸收峰，泵浦光经所述的第一泵浦耦合透镜组准直聚焦，该泵浦耦合透镜组镀有对泵浦光波长793～806nm增透膜，聚焦后的泵浦光经所述的第一腔镜进入所述的第一激光晶体，第一腔镜的泵浦光入射面镀有793～806nm增透膜，出射面镀有793～806nm、1047nm增透膜和903nm高反膜，泵浦光焦点位于第一激光晶体内，该第一激光晶体为a轴切割Nd:YLF晶体，其c轴平行于谐振腔平面，晶体的两个通光面均镀有793～806nm、903nm和1047nm增透膜，Nd:YLF晶体的4F3/2→4I9/2跃迁包括π偏振903nm激光和σ偏振908nm激光，由于所述的第一偏振片的偏振选择，σ偏振908nm激光被抑制，只有平行于c轴的π偏振903nm激光可以起振，所述的第一偏振片、第一波片和第一调Q晶体组成电光调Q开关，产生903nm纳秒激光脉冲，其中第一偏振片为布儒斯特角偏振片，镀有903nm增透膜，第一波片为903nm四分之一波片，镀有903nm增透膜，第一调Q晶体是磷酸二氘钾KD*P、偏硼酸钡BBO和磷酸钛氧铷RTP中的任意一种，镀有903nm增透膜。
所述的激光谐振腔第二支路包括第二泵浦源、第二泵浦耦合透镜组、第二腔镜、第二激光晶体、第二偏振片、第二波片和第二调Q晶体，上述元件的性能参数和位置关系如下：
所述的第二泵浦源可以是输出中心波长为793nm、797nm或806nm的光纤耦合输出激光二极管中的任意一种，其中心波长对应Nd:YLF晶体的吸收峰，泵浦光经所述的第二泵浦耦合透镜组准直聚焦，该泵浦耦合透镜组镀有对泵浦光波长793～806nm增透膜，聚焦后的泵浦光经所述的第二腔镜进入所述的第二激光晶体，第二腔镜的泵浦光入射面镀有793～806nm增透膜，出射面镀有793～806nm增透膜和1053nm高反膜，泵浦光焦点位于第二激光晶体内，该第二激光晶体为a轴切割Nd:YLF晶体，其c轴垂直于谐振腔平面，晶体的两个通光面均镀有793～806nm和1053nm增透膜，Nd:YLF晶体的4F3/2→4I11/2跃迁包括π偏振1047nm激光和σ偏振1053nm激光，由于所述的第二偏振片的偏振选择，π偏振1047nm激光被抑制，只有垂直于c轴的σ偏振1053nm激光可以起振，所述的第二偏振片、第二波片和第二调Q晶体组成电光调Q开关，产生1053nm纳秒激光脉冲，其中第二偏振片为布儒斯特角偏振片，镀有1053nm增透膜，第二波片为1053nm四分之一波片，镀有1053nm增透膜，第二调Q晶体是磷酸二氘钾KD*P、偏硼酸钡BBO或者磷酸钛氧铷RTP中的任意一种，镀有1053nm增透膜。
所述的激光谐振腔共用支路包括第三腔镜、输出镜、和频晶体和第四腔镜，上述元件的性能参数和位置关系如下：
所述的第三腔镜与激光谐振腔第一支路光轴的夹角为30～75°，该腔镜镀有903nm增透膜和1053nm高反膜，第一支路产生的903nm纳秒脉冲激光经第三腔镜透射产生的透射光与第二支路产生的1053nm纳秒脉冲激光经第三腔镜反射产生的反射光进入共用支路合并作为基频光，基频光经所述的输出镜透射，该输出镜与激光谐振腔第一支路光轴的夹角为45°，该腔镜镀有903nm、1053nm增透膜和486nm高反膜，903nm和1053nm两种基频光进入所述的和频晶体，由于和频晶体的非线性效应产生486nm和频光，该和频晶体是一类相位匹配的三硼酸锂LBO晶体，该晶体的两个通光面均镀有903nm、1053nm和486nm增透膜，根据相位匹配条件903nm+1053nm→486.1nm，计算可得LBO晶体的切割角度为θ＝90°，
Figure BDA0001933424950000031
所述的第四腔镜镀有903nm、1053nm和486nm高反膜，903nm和1053nm基频光以及486nm和频光被第四腔镜反射后再次通过和频晶体，到达输出镜，所述的486和频光经第四腔镜反射输出，所述的基频光经所述的输出镜透射后，其中一部分903nm纳秒激光脉冲在所述的第一腔镜与第四腔镜之间形成903nm激光振荡，另一部分1053nm纳秒激光脉冲在所述的第二腔镜与第四腔镜之间形成1053nm激光振荡。
所述的驱动器包括LD驱动器和调Q驱动器，其中所述的LD驱动器用于驱动所述的第一泵浦源和第二泵浦源，工作在脉冲方式，所述的调Q驱动器用于驱动所述的第一调Q晶体和第二调Q晶体，所述的LD驱动器的外触发输出端与所述的调Q驱动器的触发输入端相连。
本发明具有以下优点：
1.利用LD泵浦Nd:YLF晶体的两种波长激光和频，和频光的中心波长稳定，恰好可落入夫琅禾费暗线，不需要对输出波长进行主动控制。
2.通过腔内和频的方式，有效提高和频晶体处的基频光功率密度，从而获得高和频效率；
3.采用电光调Q方式，可获得高峰值功率纳秒脉冲激光，输出激光脉冲的重频与时序可控，稳定性高；
附图说明
图1是本发明掺钕氟化锂钇纳秒脉冲蓝光激光器的光路示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明技术作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
如图1所示，本发明掺钕氟化锂钇纳秒脉冲蓝光激光器的特征在于，其结构包括激光谐振腔第一支路1、激光谐振腔第二支路2、激光谐振腔共用支路3和驱动器4。上述元部件的位置关系如下；
所述的激光谐振腔第一支路1包括第一泵浦源1-1、第一泵浦耦合透镜组1-2、第一腔镜1-3、第一激光晶体1-4、第一偏振片1-5、第一波片1-6和第一调Q晶体1-7，各元部件参数和位置关系如下：
所述的第一泵浦源1-1为806nm的光纤耦合输出激光二极管；
所述的第一泵浦耦合透镜组1-2镀有对泵浦光波长793～806nm增透膜；
所述的第一腔镜1-3镀有793～806nm、1047nm增透膜和903nm高反膜；
所述的第一激光晶体1-4为a轴切割Nd:YLF晶体，晶体尺寸为3mm×3mm×12mm，Nd3+掺杂浓度为0.8at.％，其c轴平行于谐振腔平面，晶体的两个3mm×3mm通光面均镀有793～806nm、903nm和1047nm增透膜；
所述的第一偏振片1-5为布儒斯特角偏振片，镀有903nm增透膜；
所述的第一波片1-6为903nm四分之一波片，镀有903nm增透膜；
所述的第一调Q晶体1-7是磷酸二氘钾KD*P，晶体尺寸为Φ4mm×18mm，晶体的Φ4mm通光面均镀有903nm增透膜；
沿所述的第一泵浦源1-1发射的泵浦光经所述的第一泵浦耦合透镜组1-2准直聚焦后，经所述的第一腔镜1-3进入所述的第一激光晶体1-4，泵浦光焦点位于第一激光晶体1-4内，第一激光晶体1-4在泵浦光的激发下产生903nm激光，所述的903nm激光依次通过所述的第一偏振片1-5、第一波片1-6和第一调Q晶体1-7组成的电光调Q开关，产生903nm纳秒激光脉冲；
所述的激光谐振腔第二支路2包括第二泵浦源2-1、第二泵浦耦合透镜组2-2、第二腔镜2-3、第二激光晶体2-4、第二偏振片2-5、第二波片2-6和第二调Q晶体2-7，各元部件参数和位置关系如下：
所述的第二泵浦源2-1为806nm的光纤耦合输出激光二极管；
所述的第二泵浦耦合透镜组2-2镀有对泵浦光波长793～806nm增透膜；
所述的第二腔镜2-3镀有793～806nm增透膜和1053nm高反膜；
所述的第二激光晶体2-4为a轴切割Nd:YLF晶体，其c轴垂直于谐振腔平面，晶体的两个通光面均镀有793～806nm和1053nm增透膜；
所述的第二偏振片2-5为布儒斯特角偏振片，镀有1053nm增透膜；
所述的第二波片2-6为1053nm四分之一波片，镀有1053nm增透膜；
所述的第二调Q晶体是磷酸二氘钾KD*P，，晶体尺寸为Φ4mm×18mm，晶体的Φ4mm通光面均镀有903nm增透膜；
沿所述的第二泵浦源2-1发射的泵浦光经所述的第二泵浦耦合透镜组2-2准直聚焦后，经所述的第二腔镜2-3进入所述的第二激光晶体2-4，泵浦光焦点位于第二激光晶体2-4内，第二激光晶体2-4在泵浦光的激发下产生1053nm激光，所述的903nm激光依次通过所述的第二偏振片2-5、第二波片2-6和第二调Q晶体2-7组成的电光调Q开关，产生1053nm纳秒激光脉冲；
所述的激光谐振腔共用支路3包括第三腔镜3-1、输出镜3-2、和频晶体3-3和第四腔镜3-4，各元部件参数和位置关系如下：
所述的第三腔镜3-1与激光谐振腔第一支路1光轴的夹角为40°，镀有903nm增透膜和1053nm高反膜；
所述的输出镜3-2与激光谐振腔第一支路1光轴的夹角为75°，镀有903nm、1053nm增透膜和486nm高反膜；
所述的和频晶体3-3是一类相位匹配的三硼酸锂LBO晶体，晶体尺寸为4mm×4mm×12mm，该晶体的两个4mm×4mm通光面均镀有903nm、1053nm和486nm增透膜，晶体切割角度为θ＝90°，
Figure BDA0001933424950000051
所述的第四腔镜3-4镀有903nm、1053nm和486nm高反膜；
所述的903nm纳秒激光脉冲经所述的第三腔镜3-1透射后进入所述的激光谐振腔共用支路3，所述的1053nm纳秒激光脉冲经所述的第三腔镜3-1反射后进入所述的激光谐振腔共用支路3，所述的903nm纳秒激光脉冲和所述的1053nm纳秒激光脉冲在共所述的激光谐振腔共用支路3中合并作为基频光，所述的基频光通过所述的输出镜3-2进入所述的和频晶体3-3产生和频光，所述的基频光和所述的和频光经所述的第四腔镜3-4反射后再次通过所述的和频晶体3-3，所述的和频光经所述的输出镜3-2反射输出，所述的基频光经所述的输出镜3-2透射，其中所述的903nm纳秒激光脉冲经所述的第三腔镜3-1透射后，在所述的第一腔镜1-3与第四腔镜3-4之间形成激光振荡，所述的1053nm纳秒激光脉冲经经所述的第三腔镜3-1反射后，在所述的第二腔镜2-1与第四腔镜3-4之间形成激光振荡；
所述的驱动器4包括LD驱动器4-1和调Q驱动器4-2，所述的LD驱动器4-1的驱动输出端与所述的第一泵浦源1-1和第二泵浦源1-2相连，所述的LD驱动器4-1的外触发输出端与所述的调Q驱动器4-2的触发输入端相连，所述的调Q驱动器4-2的输出端与所述的第一调Q晶体1-4和第二调Q晶体4-4相连，所述的LD驱动器4-1工作在脉冲方式，重复频率为500Hz，脉冲宽度为500μs，所述的调Q驱动器输出的高压信号与所述的LD驱动器同步，且调Q高压信号位于LD泵浦脉冲的下降沿时刻。
综上所述，本发明具有结构紧凑、重复频率高、脉冲宽度窄、光束质量好以及输出波长位于夫琅禾费暗线的特点，可获得高峰值功率486.1nm纳秒脉冲蓝光激光输出，适合应用于海洋雷达探测和水下通信等领域。
上述实施方案只为说明本发明的技术特点，不应以此限制本发明的保护范围。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的修改或替换均应涵盖在本发明的保护范围当中。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (17)

1.掺钕氟化锂钇纳秒脉冲蓝光激光器，其特征在于，包括激光谐振腔第一支路(1)、激光谐振腔第二支路(2)、激光谐振腔共用支路(3)和驱动器(4)；所述的激光谐振腔第一支路(1)包括第一泵浦源(1-1)、第一泵浦耦合透镜组(1-2)、第一腔镜(1-3)、第一激光晶体(1-4)、第一偏振片(1-5)、第一波片(1-6)和第一调Q晶体(1-7)；
沿所述的第一泵浦源(1-1)发射的泵浦光经所述的第一泵浦耦合透镜组(1-2)准直聚焦后，经所述的第一腔镜(1-3)进入所述的第一激光晶体(1-4)，泵浦光焦点位于第一激光晶体(1-4)内，该第一激光晶体(1-4)在泵浦光的激发下产生903nm激光，所述的903nm激光依次通过所述的第一偏振片(1-5)、第一波片(1-6)和第一调Q晶体(1-7)组成的电光调Q开关，产生903nm纳秒激光脉冲；
所述的激光谐振腔第二支路(2)包括第二泵浦源(2-1)、第二泵浦耦合透镜组(2-2)、第二腔镜(2-3)、第二激光晶体(2-4)、第二偏振片(2-5)、第二波片(2-6)和第二调Q晶体(2-7)；
沿所述的第二泵浦源(2-1)发射的泵浦光经所述的第二泵浦耦合透镜组(2-2)准直聚焦后，经所述的第二腔镜(2-3)进入所述的第二激光晶体(2-4)，泵浦光焦点位于第二激光晶体(2-4)内，第二激光晶体(2-4)在泵浦光的激发下产生1053nm激光，所述的1053nm激光依次通过所述的第二偏振片(2-5)、第二波片(2-6)和第二调Q晶体(2-7)组成的电光调Q开关，产生1053nm纳秒激光脉冲；
所述的激光谐振腔共用支路(3)包括第三腔镜(3-1)、输出镜(3-2)、和频晶体(3-3)和第四腔镜(3-4)；
所述的903nm纳秒激光脉冲经所述的第三腔镜(3-1)透射后的透射光，与所述的1053nm纳秒激光脉冲经所述的第三腔镜(3-1)反射后的反射光合并作为基频光，所述的基频光通过所述的输出镜(3-2)进入所述的和频晶体(3-3)产生和频光，所述的基频光和所述的和频光经所述的第四腔镜(3-4)反射后再次通过所述的和频晶体(3-3)，所述的和频光经所述的输出镜(3-2)反射后输出，所述的基频光经所述的输出镜(3-2)透射后，其中一部分903nm纳秒激光脉冲在所述的第一腔镜(1-3)与第四腔镜(3-4)之间形成903nm激光振荡，另一部分1053nm纳秒激光脉冲在所述的第二腔镜(2-3 )与第四腔镜(3-4)之间形成1053nm激光振荡；所述的驱动器(4)包括LD驱动器(4-1)和调Q驱动器(4-2)；
所述的LD驱动器(4-1)的驱动输出端分别与所述的第一泵浦源(1-1)和第二泵浦源(2-1)相连，所述的LD驱动器(4-1)的外触发输出端与所述的调Q驱动器(4-2)的触发输入端相连，所述的调Q驱动器(4-2)的输出端分别与所述的第一调Q晶体(1-4)和第二调Q晶体(4-4)相连。
2.根据权利要求1所述的掺钕氟化锂钇纳秒脉冲蓝光激光器，其特征在于所述的第一泵浦源(1-1)和第二泵浦源(2-1)是输出中心波长为793nm、797nm和806nm的光纤耦合输出激光二极管中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的掺钕氟化锂钇纳秒脉冲蓝光激光器，其特征在于所述的第一泵浦耦合透镜组(1-2)和第二泵浦耦合透镜组(2-2)均镀有793～806nm增透膜。
4.根据权利要求1所述的掺钕氟化锂钇纳秒脉冲蓝光激光器，其特征在于所述的第一腔镜(1-3)泵浦光入射面镀有793～806nm增透膜，出射面镀有793～806nm、1047nm增透膜和903nm高反膜。
5.根据权利要求1所述的掺钕氟化锂钇纳秒脉冲蓝光激光器，其特征在于所述的第二腔镜(2-3)泵浦光入射面镀有793～806nm增透膜，出射面镀有793～806nm增透膜和1053nm高反膜。
6.根据权利要求1所述的掺钕氟化锂钇纳秒脉冲蓝光激光器，其特征在于所述的第一激光晶体(1-4)为a轴切割Nd:YLF晶体，该第一激光晶体c轴平行于谐振腔平面，晶体的两个通光面均镀有793～806nm、903nm和1047nm增透膜。
7.根据权利要求1所述的掺钕氟化锂钇纳秒脉冲蓝光激光器，其特征在于所述的第二激光晶体(2-4)为a轴切割Nd:YLF晶体，该第二激光晶体c轴垂直于谐振腔平面，晶体的两个通光面均镀有793～806nm和1053nm增透膜。
8.根据权利要求1所述的掺钕氟化锂钇纳秒脉冲蓝光激光器，其特征在于所述的第一偏振片(1-5)和第二偏振片(2-5)为布儒斯特偏振片，所述的第一偏振片(1- 5)镀有903nm增透膜，所述的第二偏振片(2-5 )镀有1053nm增透膜。
9.根据权利要求1所述的掺钕氟化锂钇纳秒脉冲蓝光激光器，其特征在于所述的第一波片(1-6)为903nm四分之一波片，镀有903nm增透膜。
10.根据权利要求1所述的掺钕氟化锂钇纳秒脉冲蓝光激光器，其特征在于所述的第二波片(2-6)为1053nm四分之一波片，镀有1053nm增透膜。
11.根据权利要求1所述的掺钕氟化锂钇纳秒脉冲蓝光激光器，其特征在于所述的第一调Q晶体(1-7)和第二调Q晶体(2-7)是磷酸二氘钾KD*P、偏硼酸钡BBO和磷酸钛氧铷RTP中的任意一种。
12.根据权利要求11所述的掺钕氟化锂钇纳秒脉冲蓝光激光器，其特征在于所述的第一调Q晶体(1-7)的两个通光面均镀有903nm增透膜，所述的第二调Q晶体(2-7)的两个通光面均镀有1053nm增透膜。
13.根据权利要求1所述的掺钕氟化锂钇纳秒脉冲蓝光激光器，其特征在于所述的第三腔镜(3-1)与所述的激光谐振腔第一支路(1)光轴的夹角为30～75°，该第三腔镜(3-1)镀有903nm增透膜和1053nm高反膜。
14.根据权利要求1所述的掺钕氟化锂钇纳秒脉冲蓝光激光器，其特征在于所述的输出镜(3-2)与所述的激光谐振腔第一支路(1)光轴的夹角为45°，该输出镜(3-2)镀有903nm、1053nm增透膜和486nm高反膜。
15.根据权利要求1所述的掺钕氟化锂钇纳秒脉冲蓝光激光器，其特征在于所述的和频晶体(3-3)是一类相位匹配的三硼酸锂LBO晶体，该晶体的两个通光面均镀有903nm、1053nm和486nm增透膜。
16.根据权利要求15所述的掺钕氟化锂钇纳秒脉冲蓝光激光器，其特征在于所述的一类相位匹配的三硼酸锂LBO晶体的切割角度为θ＝90°，
Figure FDA0002372278080000031
17.根据权利要求1所述的掺钕氟化锂钇纳秒脉冲蓝光激光器，其特征在于所述的第四腔镜(3-4)镀有903nm、1053nm和486nm高反膜。
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