CN110137794B - 一种同轴输出红绿激光的激光器 - Google Patents

一种同轴输出红绿激光的激光器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种同轴输出红绿激光的激光器。它包括泵浦源、微透镜和谐振腔，所述谐振腔包括在光路上依次布置的复合全反射镜、激光晶体、单轴晶体和输出镜，所述泵浦源输出两路激光分别经两个微透镜准直后平行入射至谐振腔，两束激光经复合全反射镜后对激光晶体的不同部位分别进行泵浦，分别为红光和绿光提供增益，在复合全反射镜和输出镜之间分别振荡产生的红光和绿光经单轴晶体合束后从输出镜输出。本发明具有结构简单、成本低、红绿激光功率可调、激光效率高、光束质量好的特点，可用于激光显示，交通辅助灯，汽车激光前照灯，皮肤病治疗和美容等领域。

Description

一种同轴输出红绿激光的激光器
技术领域
本发明属于激光技术领域，具体涉及一种同轴输出红绿激光的激光器。
背景技术
红绿光是激光显示中的两种基本颜色。采用红、绿、蓝三种颜色混色，可实现彩色图像显示。在激光显示中，需要三原色光束同轴输出，且光束发散角、光斑尺寸一致，以减小显示色差。同时也需要实时调节红、绿、蓝激光的功率，以实现不同颜色和亮度的显示。目前在激光显示中，通常采用红、绿、蓝三种颜色的半导体激光器作为光源，并利用两个滤光片将三种激光合束。采用本发明输出的红绿光再用一个分色镜与一束光束发散角、光斑尺寸一致的蓝光合束即可得到高显色度的白光。
另外，本发明得到的红绿光也可以用于十字路口的激光交通灯或激光交通辅助系统中。目前，除了利用发红光或绿光的半导体激光器合束以外，也可通过对Nd:YAG或Yd:YVO4激光器中的1064nm和1319nm的激光倍频得到532nm和660nm的绿光和红光。尽管这些方法可以得到红绿光，但是要么需要加偏振分光镜或分色镜对两种激光进行合束。要么倍频效率低，而且红绿光束很难同轴输出。
申请号201711248991.5公开了《一种白光激光器》，这种方法采用蓝光激光泵浦两个正交布置的激光谐振腔，这两个激光谐振腔共用一个输出镜，分别激射红光和绿光，并与未被吸收的泵浦蓝光同轴输出得到白光。由于这种激光器在泵浦光路上设置了衰减器，激光效率低；并且两个激光谐振腔，采用了两个Pr3+:YLF晶体，提高了系统成本；最后，由于泵浦蓝光经聚焦镜聚焦和经激光晶体吸收后，蓝光的光束质量很难与激射的红光和绿光匹配。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述背景技术存在的不足，提供一种结构简单、成本低的同轴输出红绿激光的激光器，实现高光束质量红绿光的同轴输出。
本发明采用的技术方案是：一种同轴输出红绿激光的激光器，包括泵浦源、微透镜和谐振腔，所述谐振腔包括在光路上依次布置的复合全反射镜、激光晶体、单轴晶体和输出镜，所述泵浦源输出两路激光分别经两个微透镜准直后平行入射至谐振腔，两束激光经复合全反射镜后对激光晶体的不同部位分别进行泵浦，分别为红光和绿光提供增益，在复合全反射镜和输出镜之间分别振荡产生的红光和绿光经单轴晶体合束后从输出镜输出。
进一步地，所述复合全反射镜、激光晶体、单轴晶体的轴线重合，所述两个微透镜的光轴平行于复合全反射镜的轴线，两个微透镜的光轴分别位于复合全反射镜的轴线的上方和下方，两个微透镜的光轴与复合全反射镜的轴线之间的垂直距离相等，所述激光晶体的光轴垂直于复合全反射镜的轴线，所述单轴晶体的光轴与复合全反射镜的轴线呈一定夹角，所述输出镜的轴线与其中一个微透镜的光轴重合。
进一步地，所述复合全反射镜由第一平面镜和第二平面镜拼接而成，所述第一平面镜与第二平面镜的拼接面与复合全反射镜的轴线重合，所述第一平面镜和第二平面镜朝向腔外的面为平面且垂直于所述拼接面，所述第一平面镜和第二平面镜朝向腔内的面为平面且垂直于所述拼接面。
进一步地，所述第一平面镜朝向腔内的面镀有对蓝光透射率大于99.5％、对绿光反射率小于50％、对红光反射率大于99.5％的介质膜；第二平面镜朝向腔内的面镀有对蓝光透射率大于99.5％、对红光反射率小于50％，对绿光反射率大于99.5％的介质膜；所述第一平面镜和第二平面镜朝向腔外的面均镀有对蓝光透过率大于99.5％的介质膜。
进一步地，所述激光晶体为Pr3+：YLF激光晶体，所述激光晶体的两个端面均为平面，激光晶体的两个端面均镀有对蓝光、红光和绿光透射率大于99.5％的介质膜。
进一步地，所述单轴晶体为正单轴晶体或负单轴晶体，所述单轴晶体的两个端面均为平面，单轴晶体的两个端面均镀有对蓝光、红光和绿光透射率大于99.5％的介质膜。
进一步地，所述输出镜为球面镜，所述球面镜与激光晶体相对的一侧为凹面，球面镜另一侧为平面，所述球面镜的凹面对蓝光反射率大于99.5％、对绿光和红光反射率分别为97％和96％的介质膜，所述球面镜的平面镀有对绿光和红光透过率大于99.5％的介质膜。
进一步地，所述泵浦源包括两个蓝光半导体激光器。
进一步地，所述泵浦源输出的蓝光均以光纤导出，所述光纤的末端固定于光纤夹具上，所述光纤末端的光轴与微透镜的光轴重合。
更进一步地，所述光纤夹具包括底座和压板，所述压板紧贴底座表面压紧两根光纤，所述底座表面设有两个平行的V型槽，两根光纤分别固定于两个V型槽内。
本发明的有益效果是：本发明利用单轴晶体在激光谐振腔中，对横向间距较小的一对傍轴传输的正交红绿偏振光进行合束，可实现高光束质量红绿光的同轴输出。本发明采用一块激光晶体提供红绿光振荡的工作物质，降低了系统的复杂程度和成本。本发明采用两个蓝光半导体激光器模块作为泵浦源，通过调节各自泵浦源的电流来调节泵浦功率以分别控制输出红、绿光的功率，避免了衰减片的使用，可提高激光器的效率。本发明具有红绿光同轴输出，光束发散角、光斑尺寸一致，系统简单，成本低等优点。能够应用于激光显示、交通辅助灯、汽车前照灯、皮肤病治疗和美容等领域。
附图说明
图1为本发明实施例1的结构示意图。
图2为本发明实施例1复合全反射镜的结构示意图。
图3为本发明光纤夹具的立体图。
图4为本发明光纤夹具的侧视图。
图5为本发明光纤夹具的俯视图。
图6本发明实施例2的结构示意图。
图7本发明实施例2复合全反射镜的结构示意图。
图中：1-激光晶体；2-单轴晶体；3-输出镜；4-复合全反射镜；5-蓝光半导体激光器；6-光纤；7-光纤夹具；8-微透镜；9-第一平面镜；10-第二平面镜；11-底座；12-压板；13-V型槽；14-点胶槽；15-磁铁槽。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。
如图1所示，为本发明实例1提供的一种同轴输出红绿激光的激光器，包括泵浦源、微透镜和谐振腔，所述谐振腔包括在光路上依次布置的复合全反射镜4、激光晶体1、单轴晶体2和输出镜3，所述泵浦源输出两路激光分别经两个微透镜8准直后平行入射至谐振腔，两束激光经复合全反射镜4后对激光晶体1的不同部位分别进行泵浦，并在复合全反射镜4和输出镜3之间分别振荡产生红光和绿光并经单轴晶体2合束后从输出镜3输出。具体地，复合全反射镜4、激光晶体1、单轴晶体2的轴线重合，所述两个微透镜8的光轴平行于复合全反射镜4的轴线，两个微透镜8的光轴分别位于复合全反射镜4的轴线的上方和下方，两个微透镜8的光轴与复合全反射镜4的轴线之间的垂直距离相等，所述激光晶体1的光轴垂直于复合全反射镜4的轴线，所述单轴晶体2的光轴与复合全反射镜4的轴线呈一定夹角，所述输出镜3的轴线与其中一个微透镜8的光轴重合。
泵浦源输出两路中心波长为440nm(即蓝光波长)的泵浦光经光纤6耦合输出，两根光纤6输出的泵浦光分别经两个微透镜8进行准直，再经复合全反射镜4对Pr3+：YLF激光晶体进行泵浦，复合全反射镜4的两个子平面镜分别与输出镜3构成对红光和绿光的激光谐振腔。由于谐振腔中红光和绿光在激光晶体中不重合，因此，不存在模式竞争，所以可以产生稳定振荡。两个波长的激光功率可以通过分别调节泵浦激光器的功率进行调节。通过单轴晶体的腔内偏振合束技术，可实现红光和绿光的红绿激光同轴输出。
本发明利用单轴晶体在激光谐振腔中，对横向间距较小的一对傍轴传输的正交红绿偏振光进行合束，可实现高光束质量红绿光的同轴输出。本发明采用一块激光晶体提供红绿光振荡的工作物质，降低了系统的复杂程度和成本。采用两个蓝光半导体激光器模块作为泵浦源，通过调节泵浦源的电流来调节泵浦功率以控制输出红、绿光的功率，避免了衰减片的使用，可提高激光器的效率。本发明具有红绿光同轴输出，光束发散角、光斑尺寸一致，系统简单，成本低等优点。能够应用于激光显示、交通辅助灯、汽车前照灯、皮肤病治疗和美容等领域。
上述方案中，如图1、图2所示，复合全反射镜4由第一平面镜9和第二平面镜10拼接而成，拼接面为平面，该拼接面与复合全反射镜的轴线重合，以拼接面为基准建立坐标系，则图中y轴和z轴形成的平面即为所述的拼接面，x轴垂直于y轴和z轴，所述第一平面镜9和第二平面镜10朝向腔外的面(9.1和10.1)为平面且垂直于所述拼接面，所述第一平面镜9和第二平面镜10朝向腔内的面(9.2和10.2)为平面且垂直于所述拼接面。第一平面镜9和第二平面镜10朝向腔外的面(9.1和10.1)均镀有对蓝光透过率大于99.5％的介质膜。
其中，位于x>0区域的第一平面镜9朝向腔内的面9.2镀有对蓝光透射率大于99.5％、对绿光反射率小于50％、对红光反射率大于99.5％的介质膜；通过镀膜可以使红光在第一平面9镜和输出镜3之间振荡，该红光的激光偏振方向垂直于xz平面，为Pr3+：YLF激光晶体中的丄偏振光和单轴晶体中的寻常光的光轴平行于z轴，并过输出镜3的镜面中心。红色激光振荡的光轴位于x>0的区域，且过输出镜3的中心，与距z轴的距离为d/2。其中，d满足条件：
Figure BDA0002036952150000061
α＝π/2-θ为单轴晶体2的光轴与z轴的夹角，no和ne分别为单轴晶体2中寻常光和非寻常光的折射率，L为单轴晶体2的长度。如果单轴晶体2选用YVO4，长度L取15mm，那么d＝1.3mm。
位于x<0区域的第二平面镜10朝向腔内的面10.2镀有对蓝光透射率大于99.5％、对红光反射率小于50％，对绿光反射率大于99.5％的介质膜；通过镀膜可以使绿光在第二平面镜10和输出镜3之间振荡，该绿光的激光偏振方向平行于x轴，为Pr3+：YLF激光晶体1中的π偏振光和单轴晶体2中的非寻常光。
上述方案中，激光晶体1为Pr3+：YLF激光晶体，且为正单轴晶体，a切割，其光轴沿x方向，所述激光晶体1的两个端面1.1均为平面，激光晶体的两个端面均镀有对蓝光、红光和绿光透射率大于99.5％的介质膜。
上述方案中，单轴晶体2为正单轴晶体，所述单轴晶体2的两个端面2.1均为平面，单轴晶体的两个端面均镀有对蓝光、红光和绿光透射率大于99.5％的介质膜。
上述方案中，输出镜3为球面镜，所述球面镜与激光晶体1相对的一侧为凹面3.1，球面镜另一侧为平面3.2，所述球面镜的凹面3.1镀有对蓝光反射率大于99.5％、对绿光和红光反射率分别为97％和96％的介质膜，所述球面镜的平面3.2镀有对绿光和红光透过率大于99.5％的介质膜。
上述方案中，泵浦源包括两个蓝光半导体激光器5，蓝光半导体激光器5输出激光的中心波长为440nm，两个蓝光半导体激光器5均以光纤6导出，光纤6为多模光纤，光纤6纤芯的截面可以是圆形、方形或多边形。两根光纤6的末端固定于光纤夹具7上，所述光纤6末端的光轴与微透镜8的光轴重合。
如图3-5所示，光纤夹具7包括矩形的底座11和矩形钢制的压板12，为方便显示，图中压,12为透视状态，所述压板12紧贴底座表面压紧两根光纤，所述底座11的表面设有两个平行的V型槽13、两个点胶槽14和两个磁铁槽15，两根光纤6分别固定于两个V型槽13内。
V型槽13对称地设置在底座15的中心(即z轴)两侧，两个V型槽13中心之间的间距为d。V型槽13的锥角均为90°，V型槽13的深度小于光纤的包层直径。两个点胶槽14为跑道型或腰圆型，并分列压板12的两侧，并关于x轴对称，点胶槽14的长轴沿x方向，其长度大于V型槽13之间的间距d，点胶槽14的深度大于V型槽的深度。磁铁槽15为圆柱形，分列两个V型槽13的两侧，并关于z轴对称，磁铁槽15的轴线均在x轴上，磁铁槽15中均设置有一块圆柱型的钕铁硼磁铁。磁铁的厚度小于磁铁槽的深度。压板的宽度小于点胶槽的间距，且大于磁铁的直径。光纤6固定时，将两根光纤6分别置于V型槽13中，保证光纤6的端面平齐，并用压板12压住；最后，在点胶槽14中加入紫外胶，并用紫外灯固化。
调整经光纤夹具9固定好的光纤6的光轴关于复合全反射镜4的拼接线或面对称。从两根光纤末端输出的激光分别经两个微透镜10准直，并平行于z轴入射谐振腔。两个微透镜的光轴分别与两根光纤的光轴重合，微透镜距两个光纤输出端的距离等于微透镜的焦距f。微透镜的焦距满足:f＝d/(2NA)，其中NA为光纤的数值孔径。微透镜的两个面镀有对蓝光透过率大于99.5％的介质膜。
如图6所示为本发明实施例2的整体结构示意图，各部件的布置位置与实施例1相同，区别在于本实施例的单轴晶体2为负单轴晶体，复合全反射镜4的第一反射镜和第二反射镜位置对调，输出镜的轴线位于x<0的区域。
复合全反射镜4位于x>0区域的第二平面镜朝向腔内的面镀有对蓝光透射率大于99.5％、对红光反射率小于50％、对绿光反射率大于99.5％的介质膜；通过镀膜可以使绿光在第二平面镜和输出镜3之间振荡，该绿光的激光偏振方向平行于x轴，为Pr3+：YLF激光晶体1的π偏振光和单轴晶体2中的非寻常光。位于x<0区域的第一平面镜朝向腔内的面镀有对蓝光透射率大于99.5％，对绿光反射率小于50％，对红光反射率大于99.5％的介质膜；通过镀膜可以使红光在第一平面镜和输出镜3之间振荡，该红光的激光偏振方向垂直于xz平面，为Pr3+：YLF激光晶体的丄偏振光和单轴晶体2的寻常光。谐振腔中寻常光的光轴平行于z轴，并过输出镜3的镜面中心。这种红色激光振荡的光轴位于x<0的区域，且过输出反射镜3的中心，与距z轴的距离为d/2。其中，d满足条件：
Figure BDA0002036952150000081
其中，α＝π/2-θ为单轴晶体2的光轴与z轴的夹角，no和ne分别为单轴晶体2中寻常光和非寻常光的折射率，L为单轴晶体2的长度。如果单轴晶体2选用α-BBO，长度L取15mm，那么d＝1.04mm。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (8)

1.一种同轴输出红绿激光的激光器，包括泵浦源、微透镜(8)和谐振腔，其特征在于：所述谐振腔包括在光路上依次布置的复合全反射镜(4)、激光晶体(1)、单轴晶体(2)和输出镜(3)，所述泵浦源输出两路激光分别经两个微透镜(8)准直后平行入射至谐振腔，两束激光经复合全反射镜(4)后对激光晶体(1)的不同部位分别进行泵浦，分别为红光和绿光提供增益，在复合全反射镜(4)和输出镜(3)之间分别振荡产生的红光和绿光经单轴晶体(2)合束后从输出镜(3)输出；
所述复合全反射镜(4)、激光晶体(1)、单轴晶体(2)的轴线重合，所述两个微透镜(8)的光轴平行于复合全反射镜(4)的轴线，两个微透镜(8)的光轴分别位于复合全反射镜(4)的轴线的上方和下方，两个微透镜(8)的光轴与复合全反射镜(4)的轴线之间的垂直距离相等，所述激光晶体(1)的光轴垂直于复合全反射镜(4)的轴线，所述单轴晶体(2)的光轴与复合全反射镜(4)的轴线呈一定夹角，所述输出镜(3)的轴线与其中一个微透镜(8)的光轴重合；
所述复合全反射镜(4)由第一平面镜(9)和第二平面镜(10)拼接而成，所述第一平面镜(9)与第二平面镜(10)的拼接面与复合全反射镜(8)的轴线重合，所述第一平面镜(9)和第二平面镜(10)朝向腔外的面为平面且垂直于所述拼接面，所述第一平面镜(9)和第二平面镜(10)朝向腔内的面为平面且垂直于所述拼接面；
以拼接面为基准建立坐标系，y轴和z轴形成的平面即为所述的拼接面，x轴垂直于y轴和z轴，红色激光振荡的光轴过输出镜的中心，与距z轴的距离为d/2；其中，d满足条件：
Figure FDA0002540752820000011
α为单轴晶体的光轴与z轴的夹角，no和ne分别为单轴晶体中寻常光和非寻常光的折射率，L为单轴晶体的长度。
2.根据权利要求1所述的同轴输出红绿激光的激光器，其特征在于：所述第一平面镜(9)朝向腔内的面镀有对蓝光透射率大于99.5％、对绿光反射率小于50％、对红光反射率大于99.5％的介质膜；第二平面镜(10)朝向腔内的面镀有对蓝光透射率大于99.5％、对红光反射率小于50％，对绿光反射率大于99.5％的介质膜；所述第一平面镜(9)和第二平面镜(10)朝向腔外的面均镀有对蓝光透过率大于99.5％的介质膜。
3.根据权利要求1所述的同轴输出红绿激光的激光器，其特征在于：所述激光晶体(1)为Pr3+：YLF激光晶体，所述激光晶体的两个端面均为平面，激光晶体的两个端面均镀有对蓝光、红光和绿光透射率大于99.5％的介质膜。
4.根据权利要求1所述的同轴输出红绿激光的激光器，其特征在于：所述单轴晶体(2)为正单轴晶体或负单轴晶体，所述单轴晶体的两个端面均为平面，单轴晶体的两个端面均镀有对蓝光、红光和绿光透射率大于99.5％的介质膜。
5.根据权利要求1所述的同轴输出红绿激光的激光器，其特征在于：所述输出镜(3)为球面镜，所述球面镜与激光晶体相对的一侧为凹面，球面镜另一侧为平面，所述球面镜的凹面对蓝光反射率大于99.5％、对绿光和红光反射率分别为97％和96％的介质膜，所述球面镜的平面镀有对绿光和红光透过率大于99.5％的介质膜。
6.根据权利要求1所述的同轴输出红绿激光的激光器，其特征在于：所述泵浦源包括两个蓝光半导体激光器(5)。
7.根据权利要求1所述的同轴输出红绿激光的激光器，其特征在于：所述泵浦源输出的蓝光均以光纤(6)导出，所述光纤(6)的末端固定于光纤夹具(7)上，所述光纤(6)末端的光轴与微透镜(8)的光轴重合。
8.根据权利要求7所述的同轴输出红绿激光的激光器，其特征在于：所述光纤夹具(7)包括底座(11)和压板(12)，所述压板(12)紧贴底座表面压紧两根光纤(6)，所述底座(11)表面设有两个平行的V型槽(13)，两根光纤分别固定于两个V型槽(13)内。
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