CN109873292A - 一种拉曼激光内腔泵浦掺铥增益介质的蓝光固体激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种拉曼激光内腔泵浦掺铥增益介质的蓝光固体激光器，1μm波段基频激光经过拉曼晶体产生拉曼增益，当拉曼增益大于基频光全反镜和蓝光输出镜构成的斯托克斯光谐振腔的损耗后，产生1.2波段μm斯托克斯光；1.2μm波段斯托克斯光经过掺铥激光晶体时，部分被晶体所吸收，经上转换将Tm离子激发至激光上能级¹G₄，产生蓝光波段的蓝光增益，当蓝光增益大于蓝光全反镜和蓝光输出镜构成的蓝光谐振腔损耗后，形成激光振荡，经蓝光输出镜输出。本发明利用固体拉曼介质的SRS效应产生1.1‑1.2μm波段斯托克斯光，并将掺Tm激光增益介质置于斯托克斯光谐振腔内，实现对掺Tm激光增益介质的高效泵浦，获得蓝光输出。

Description

一种拉曼激光内腔泵浦掺铥增益介质的蓝光固体激光器

技术领域

本发明涉及激光器领域，尤其涉及一种拉曼激光内腔泵浦掺铥增益介质的蓝光固体激光器。

背景技术

波长450-500nm附近的蓝光波段激光在水下通讯、精密加工等领域具有广泛且重要的应用背景。铥(Tm)是少数在蓝光波段具有有效发射跃迁的稀土离子之一，其¹G₄→³H₆的跃迁位于蓝光波段内，例如：Tm:YAG晶体该跃迁的发射波长为～486nm。将Tm离子由基态直接泵浦到激光上能级¹G₄或更高能级需短波长的泵浦光，对应的泵浦源技术和成本以及吸收系数都难以满足实际工作需要，因此掺铥激光增益介质的蓝光辐射往往需通过上转换过程实现基态到激光上能级的泵浦。例如文献[1]中，研究人员采用了785nm和638nm的泵浦光同时泵浦Tm:YAG晶体，785nm泵浦对应³H₆→¹G₄跃迁，随后弛豫至³F₄能级，再被638nm的泵浦光泵浦达到¹G₄，以实现蓝光波段的¹G₄→³H₆跃迁。类似技术方案需要两路不同波长的激光泵浦源，系统复杂，中途涉及弛豫过程，量子亏损大，量子效率低。

另一种相对简便的上转换泵浦方式是利用1.05-1.2μm波段的泵浦光：Tm离子吸收该波段的泵浦光吸收3个泵浦光子，也即经过2次上转换跃迁，可到达激光上能级¹G₄。该方案的优势在于只需单一波长的泵浦光，波长1.05-1.1μm波段的泵浦光可以通过掺钕(Nd)或掺镱(Yb)激光器直接获得，而泵浦吸收相对更高的1.1-1.2μm泵浦光可由1.05-1.1μm波段激光通过受激拉曼散射(SRS)得到。上转换泵浦的主要缺陷在于泵浦速率(强度)，上转换泵浦的吸收系数很低，在光纤激光增益介质中，得益于较长的泵浦程长，仍可以实现较高的泵浦吸收和增益，目前基于1.05-1.2μm上转换泵浦方式的掺Tm ZBLAN光纤蓝光激光器已能实现较高的功率和转换效率^[2]，而采用固体激光增益介质的上转换蓝光激光器受泵浦吸收所限，性能难以保证。

因此，为了提高上转换蓝光激光器的性能，应考虑选择1.1-1.2μm波段泵浦光、以及增加泵浦光强度。

参考文献

[1]B.P.Scott et al.,Upconversion-pumped blue laser in Tm:YAG,Opt.Lett.18,113-115(1993).

[2]M.Mollaee et al.,Single-frequency blue laser fiber amplifier,Opt.Lett.43,423-426(2018)

发明内容

本发明提供了一种拉曼激光内腔泵浦掺铥增益介质的蓝光固体激光器，本发明利用固体拉曼介质的SRS效应产生1.1-1.2μm波段斯托克斯光，并将掺Tm激光增益介质置于斯托克斯光谐振腔内，实现对掺Tm激光增益介质的高效泵浦，获得蓝光输出，详见下文描述：

拉曼激光内腔泵浦掺铥增益介质的蓝光固体激光器，所述蓝光激光器包括：泵浦源、传能光纤、基频光全反镜、基频激光晶体、拉曼晶体、蓝光全反镜、掺铥激光晶体、蓝光输出镜。

其中，所述基频激光晶体和拉曼晶体镀有对1μm波段基频激光和1.2μm波段斯托克斯光增透膜系，基频光全反镜镀有对1μm波段基频激光和1.2μm波段斯托克斯光高反、对泵浦光增透膜系，掺铥激光晶体镀有对1μm波段基频激光、1.2μm波段斯托克斯光和蓝光增透膜系，蓝光全反镜镀有对1μm波段基频激光和1.2μm波段斯托克斯光增透、对蓝光高反膜系，蓝光输出镜镀有对1μm波段基频激光和1.2μm波段斯托克斯光高反、对蓝光部分透过膜系。

所述基频激光晶体吸收所述泵浦源发射的泵浦光、产生激光增益，当增益大于所述基频光全反镜和所述蓝光输出镜构成的基频激光谐振腔的损耗后，产生1μm波段基频激光，在腔内振荡；基频激光经过所述拉曼晶体时产生拉曼增益，当拉曼增益大于所述基频光全反镜和所述蓝光输出镜构成的斯托克斯光谐振腔的损耗后，产生1.2波段μm斯托克斯光，在腔内振荡；1.2μm波段斯托克斯光经过置于斯托克斯光谐振腔内的所述掺铥激光晶体时，部分被晶体所吸收，经上转换将Tm离子激发至激光上能级¹G₄，产生蓝光波段的激光增益，当增益大于所述蓝光全反镜和所述蓝光输出镜构成的蓝光谐振腔损耗后，形成激光振荡，经蓝光输出镜输出。

所述蓝光激光器还包括：调Q器件，所述调Q器件可以是主动Q开关，也可以是被动调Q器件，所述Q开关镀有基频激光增透膜，置于基频激光谐振腔内，使基频光脉冲运转，提高到斯托克斯光的转换效率，从而提高激光器的整体效率。

所述泵浦源对所述基频激光晶体的泵浦方式可以是：端面、侧面或其他泵浦方式。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

1)本发明利用拉曼激光器的SRS过程产生1.2μm波段拉曼斯托克斯光(即掺Tm晶体产生蓝光所需的泵浦光)，匹配掺Tm激光晶体的吸收峰，提高泵浦吸收；

2)本发明将掺Tm激光晶体置于拉曼激光器斯托克斯光谐振腔内，实现内腔泵浦，腔内泵浦光(即拉曼斯托克斯光)功率密度高，从而大幅提高泵浦速率，从而提高泵浦吸收，改善蓝光激光器效率。

附图说明

图1为一种拉曼激光内腔泵浦掺铥增益介质的蓝光固体激光器的结构示意图；

图2为一种拉曼激光内腔泵浦掺铥增益介质的蓝光固体激光器的另一结构示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1：泵浦源； 2：传能光纤；

3：耦合透镜组； 4：基频光全反镜；

5：基频激光晶体Nd:YAG； 6：拉曼晶体BaWO₄；

7：蓝光全反镜； 8：蓝光晶体Tm:YAG；

9：蓝光输出镜； 10：自拉曼晶体Nd:YVO₄；

11：声光Q开关。

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，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例1：

本发明实施例提供了一种拉曼激光内腔泵浦掺铥增益介质的蓝光固体激光器，该蓝光固体激光器包括：泵浦源1、传能光纤2、耦合透镜组3、基频光全反镜4、基频激光晶体Nd:YAG 5、拉曼晶体BaWO₄ 6、蓝光全反镜7、蓝光晶体Tm:YAG 8、以及蓝光输出镜9；

其中，泵浦源1光纤耦合的半导体激光器，波长808nm；传能光纤2芯径400μm，数值孔径NA＝0.22；耦合透镜组3聚焦比1:1，镀有808nm增透膜；基频光全反镜4为平镜，镀有1064nm基频光和1180nm斯托克斯光高反、808nm泵浦光增透膜系；基频激光晶体Nd:YAG 5掺杂浓度1.0％，尺寸3×3×10mm，镀808nm、1064nm和1180nm增透膜系；拉曼晶体BaWO₄ 6为a切割，尺寸3×3×25mm，镀1064nm和1180nm增透膜系；蓝光全反镜7为平镜，镀486nm高反、1064nm和1180nm增透膜系；蓝光晶体Tm:YAG 8掺杂浓度0.5％，尺寸3×3×5mm，镀486nm、1064nm和1180nm增透膜系，蓝光输出镜9为凹镜，曲率半径300mm，镀1064nm和1180nm高反、486nm T＝10％膜系。

泵浦源1的808nm泵浦光被基频激光晶体Nd:YAG 5吸收，产生激光增益，在基频光全反镜4和蓝光全反镜7构成的基频光谐振腔的反馈作用下形成1064nm基频激光振荡，基频激光经过拉曼晶体BaWO₄ 6时产生拉曼增益，在基频光全反镜4和蓝光输出镜9构成的斯托克斯光谐振腔的反馈作用下形成1180nm斯托克斯光振荡，蓝光晶体Tm:YAG 8吸收部分1180nm斯托克斯光，产生486nm蓝光增益，当增益超过蓝光全反镜7和蓝光输出镜9构成的蓝光谐振腔损耗后，形成486nm激光振荡，经蓝光输出镜9输出。

实施例2

本发明实施例提供了一种拉曼激光内腔泵浦掺铥增益介质的蓝光固体激光器，该激光器包括：泵浦源1、传能光纤2、耦合透镜组3、基频光全反镜4、自拉曼晶体Nd:YVO₄ 10、声光Q开关11、蓝光全反镜7、蓝光晶体Tm:YAG 8、以及蓝光输出镜9；

其中，泵浦源1光纤耦合的半导体激光器，波长878.6nm；传能光纤2芯径200μm，数值孔径NA＝0.22；耦合透镜组3聚焦比1:2，镀有878.6nm增透膜；基频光全反镜4为平镜，镀有1064nm基频光和1178nm斯托克斯光高反、878.6nm泵浦光增透膜系；自拉曼晶体Nd:YVO₄10为a切割，掺杂浓度1.0％，尺寸3×3×20mm，镀878.6nm、1064nm和1178nm增透膜系；声光Q开关11的超声波频率80MHz，超声波功率10W，镀1064nm和1178nm增透膜系；蓝光全反镜7为平镜，镀486nm高反、1064nm和1178nm增透膜系；蓝光晶体Tm:YAG 8掺杂浓度1％，尺寸3×3×5mm，镀486nm、1064nm和1178nm增透膜系，蓝光输出镜9为凹镜，曲率半径300mm，镀1064nm和1178nm高反、486nm T＝20％膜系。

泵浦源1的878.6nm泵浦光被自拉曼晶体Nd:YVO₄ 5吸收，产生激光增益，在基频光全反镜4和蓝光全反镜7构成的基频光谐振腔的反馈作用和声光Q开关11的调Q作用下形成脉冲的1064nm基频激光振荡，基频激光经过自拉曼晶体Nd:YVO₄ 10时产生拉曼增益，在基频光全反镜4和蓝光全反镜7构成的斯托克斯光谐振腔的反馈作用下形成1178nm斯托克斯光振荡，蓝光晶体Tm:YAG 8吸收部分1178nm斯托克斯光，产生486nm蓝光增益，当增益超过蓝光全反镜7和蓝光输出镜9构成的蓝光谐振腔损耗后，形成486nm激光振荡，经蓝光输出镜9输出。

实施例3

上述实施例1中，基频激光晶体5可以是Nd:YAG、Nd:YVO₄，也可以是Nd:GdVO₄、Yb:YAG等常用激光晶体，只要能在1μm附近提供激光器增益即可，本发明实施例对此不做限制。

相应地，拉曼晶体6可以是BaWO₄、Nd:YVO₄，也可以是CaWO₄、BaNO₃、KGW等常用拉曼晶体，只要其拉曼主峰频移在500-1500cm^-1附近，能将1μm基频光转换到1.1-1.2μm波段即可，具体实现时，本发明实施例对此不做限制。

若采用实施例2中的自拉曼形式，自拉曼晶体10可以是Nd:YVO₄，也可以是Nd:GdVO₄、Nd:KGW等常用自拉曼晶体，只要能在1μm附近提供激光器增益，且拉曼主峰频移在500-1500cm^-1附近，能将1μm基频光转换到1.1-1.2μm波段即可，具体实现时，本发明实施例对此不做限制。

综上所述，本发明实施例的目的在于通过拉曼晶体的受激拉曼散射产生匹配掺铥激光晶体吸收峰的1.1-1.2μm斯托克斯光，并将掺铥激光晶体置于斯托克斯光谐振腔内实现内腔泵浦，以解决目前掺铥上转换蓝光激光器中泵浦吸收较差，限制对激光器性能的问题。

本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，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 (6)

1.一种拉曼激光内腔泵浦掺铥增益介质的蓝光固体激光器，其特征在于，

1μm波段基频激光经过拉曼晶体产生拉曼增益，当拉曼增益大于基频光全反镜和蓝光输出镜构成的斯托克斯光谐振腔的损耗后，产生1.2波段μm斯托克斯光，在斯托克斯光谐振腔内振荡；

1.2μm波段斯托克斯光经过置于斯托克斯光谐振腔内的掺铥激光晶体时，部分被晶体所吸收，经上转换将Tm离子激发至激光上能级¹G₄，产生蓝光波段的蓝光增益，当蓝光增益大于蓝光全反镜和蓝光输出镜构成的蓝光谐振腔损耗后，形成激光振荡，经蓝光输出镜输出。

2.根据权利要求1所述的一种拉曼激光内腔泵浦掺铥增益介质的蓝光固体激光器，其特征在于，

基频激光晶体吸收泵浦源发射的泵浦光、产生激光增益，当增益大于基频光全反镜和蓝光输出镜构成的基频激光谐振腔的损耗后，产生所述1μm波段基频激光。

3.根据权利要求2所述的一种拉曼激光内腔泵浦掺铥增益介质的蓝光固体激光器，其特征在于，

自拉曼晶体吸收泵浦源发射的泵浦光、产生激光增益，当增益大于基频光全反镜和蓝光输出镜构成的基频激光谐振腔的损耗后，在调Q器件作用下产生所述1μm波段基频激光。

4.根据权利要求3所述的一种拉曼激光内腔泵浦掺铥增益介质的蓝光固体激光器，其特征在于，

所述基频激光晶体和拉曼晶体镀有对1μm波段基频激光和1.2μm波段斯托克斯光增透膜系，基频光全反镜镀有对1μm波段基频激光和1.2μm波段斯托克斯光高反、对泵浦光增透膜系；

掺铥激光晶体镀有对1μm波段基频激光、1.2μm波段斯托克斯光和蓝光增透膜系，蓝光全反镜镀有对1μm波段基频激光和1.2μm波段斯托克斯光增透、对蓝光高反膜系；蓝光输出镜镀有对1μm波段基频激光和1.2μm波段斯托克斯光高反、对蓝光部分透过膜系。

5.根据权利要求3所述的一种拉曼激光内腔泵浦掺铥增益介质的蓝光固体激光器，其特征在于，

所述调Q器件为主动Q开关或被动调Q器件；

所述调Q器件镀有基频激光增透膜，置于基频激光谐振腔内，使基频光脉冲运转，提高到斯托克斯光的转换效率，从而提高激光器的整体效率。

6.根据权利要求1-5中任意权利要求所述的一种拉曼激光内腔泵浦掺铥增益介质的蓝光固体激光器，其特征在于，

所述泵浦源对所述基频激光晶体的泵浦方式是：端面、侧面。