CN110233416B - 可调谐蓝光脉冲激光器 - Google Patents

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Abstract

一种可调谐蓝光脉冲激光器，属于激光器技术领域。以1μm脉冲激光器为基础，采用倍频、光参量振荡器及和频三种非线性频率变换技术组合，通过调节非线性晶体相对光轴的角度，可获得可调谐蓝光激光脉冲输出(波长范围0.47μm‑0.49μm)，该波段是大洋水的最佳透过波段，可应用于海洋剖面测量、测深激光雷达、水下目标探测和水下激光通信等领域。本发明具有可调谐、窄线宽、结构紧凑、高效率等特点。本发明的激光可调谐波段包括H‑β夫琅禾费暗线486.1nm，该波长的太阳辐射背景可降低一个数量级，有效提升探测器在白天工作时的信噪比。

Description

可调谐蓝光脉冲激光器
技术领域
本发明涉及全固态激光器，特别是一种可调谐蓝光脉冲激光器。
背景技术
蓝光激光在激光显示、生物医学、水下通信和海洋探测等领域都有着广泛的应用。尤其在海洋应用领域，大洋水的最佳光学透过窗口是0.47μm-0.49μm，该波段的高峰值功率蓝光脉冲激光器可有效提升海洋探测系统和水下通信系统的性能。目前蓝光脉冲激光器的研究主要包括几下方向：
1)半导体激光器，包括直接输出蓝绿激光的半导体激光器和半导体激光器通过倍频的方式获得蓝光输出，缺点是输出峰值功率低，光束质量差；
2)激光二极管(LD)泵浦近红外激光增益介质的脉冲固体激光器，获得0.9μm或1.3μm激光输出，再通过二次或三次谐波转换获得蓝光脉冲输出，缺点是准三能级激光跃迁输出能量低，且激光输出波长可调谐范围小；
3)1.9μm激光器四倍频获得蓝绿激光输出，缺点是脉冲能量低，峰值功率低；
4)紫外激光泵浦光参量振荡器，缺点是紫外激光易导致光学薄膜损伤；
中国专利CN107425407A公开了一种基于内腔自倍频的可调谐蓝光辐射源及实现方法，通过腔内自倍频的方式获得可调谐蓝光激光脉冲输出，该发明采用参量增益晶体同时作为倍频晶体，然而参量过程的相位匹配条件与倍频过程的相位匹配条件无法同时满足，因此转换效率较低。本发明采用1μm基频光与0.9μm光参量振荡器(简称OPO)输出信号光和频的方法，激光参量过程与激光和频过程均满足非线性晶体的相位匹配条件，可获得高效蓝光脉冲激光输出。
发明内容
本发明的目的在于解决现有蓝光脉冲激光器脉冲能量低、效率低的缺点，提供一种波长可调谐的高效率全固态蓝光脉冲激光器，结构紧凑，输出能量高，输出波长在0.47μm-0.49μm可调谐。
本发明基本原理是：将一台1μm脉冲激光器输出激光分为两路，其中一路1μm脉冲激光倍频产生0.5μm绿光激光脉冲，0.5μm绿光激光脉冲泵浦OPO，通过调节OPO参量晶体的角度，获得波长可调谐的0.9μm近红外激光输出，将0.9μm脉冲激光与另一路1μm脉冲激光和频，获得可调谐蓝光激光脉冲输出。
本发明的技术解决方案如下：
为实现上述目的，本发明提供了一种可调谐蓝光脉冲激光器，包括1μm脉冲激光器、第一分光镜、第一半波片、第一耦合透镜组、倍频晶体、第二分光镜、第二半波片、第二耦合透镜组、第一参量振荡腔镜、第一参量晶体、第二参量晶体、第二参量振荡腔镜、第三参量振荡腔镜、第四参量振荡腔镜、第三半波片、第三耦合透镜组、第四半波片、第四耦合透镜组、反射镜、合束镜、和频晶体和第三分光镜；
所述的第一参量振荡腔镜、第一参量晶体、第二参量晶体、第二参量振荡腔镜、第三参量振荡腔镜和第四参量振荡腔镜组成光参量振荡器OPO；
所述的1μm脉冲激光器输出激光偏振态为线偏振，脉冲宽度为1ns～20ns。1μm脉冲激光首先经第一分光镜按2:8的能量比例分为一路反射光和一路透射光，其中透射光作为倍频基频光，通过第一半波片使其偏振状态满足倍频的一类相位匹配条件，再通过第一耦合透镜组缩束，增大激光功率密度以提高倍频效率，缩束后的倍频基频光经倍频晶体获得0.5μm脉冲激光输出，剩余的1μm倍频基频光和0.5μm倍频光通过第二分光镜分光，0.5μm倍频光经第二分光镜透射，作为OPO的泵浦光。
泵浦光首先通过第二半波片使其偏振状态满足OPO的相位匹配条件，再通过第二耦合透镜组使泵浦光的光斑与OPO的信号光振荡模式相匹配，泵浦光经第一参量振荡腔镜透射，入射至OPO腔内，泵浦第一参量晶体和第二参量晶体，产生OPO信号光，信号光被第二参量振荡腔镜、第三参量振荡腔镜和第四参量振荡腔镜依次反射，在OPO腔内谐振并经第一参量振荡腔镜部分透射输出。
所述的倍频晶体、第一参量晶体、第二参量晶体和和频晶体是一类相位匹配的三硼酸锂LBO晶体或偏硼酸钡β-BBO晶体，晶体与光轴的夹角可调，调节范围为±3°。
所述的第一半波片和第四半波片是1μm半波片，均镀有1μm增透膜。
所述的第二半波片是0.5μm半波片，镀有0.5μm增透膜。
所述的第三半波片是0.9μm半波片，镀有0.9μm增透膜。
所述的1μm脉冲激光器是Nd:YAG脉冲激光器、Nd:YLF脉冲激光器或者Nd:YVO4脉冲激光器中的一种，激光偏振态为线偏振，脉冲宽度为1ns～20ns。
本发明具有以下优点：
1.可实现0.47-0.49μm波段的蓝光脉冲激光输出，是大洋水的最佳透过窗口，可应用于大洋海水的剖面探测和水下通信等领域；
2.输出激光波长的可调谐至H-β夫琅禾费暗线486.1nm，可适应白天强太阳辐射背景下的应用环境；
3.结构简单紧凑，将高功率、高光束质量1μm脉冲激光器与非线性频率变换技术有效结合，转换效率高，输出脉冲能量高，可满足应用需求。
附图说明
图1是本发明可调谐蓝光脉冲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。
图1是本发明可调谐蓝光脉冲激光器的光路示意图，由图可知，本发明实施例的可调谐蓝光脉冲激光器由1μm脉冲激光器1、第一分光镜2、第一半波片3、第一耦合透镜组4、倍频晶体5、第二分光镜6、第二半波片7、第二耦合透镜组8、第一参量振荡腔镜9、第一参量晶体10、第二参量晶体11、第二参量振荡腔镜12、第三参量振荡腔镜13、第四参量振荡腔镜14、第三半波片15、第三耦合透镜组16、第四半波片17、第四耦合透镜组18、反射镜19、合束镜20、和频晶体21和第三分光镜22组成，上述元部件的特征如下：
本实施例的1μm脉冲激光器1是Nd:YAG脉冲激光器，输出波长为1064.4nm，脉冲宽度约10ns；
本实施例的第一分光镜2是反射光与透射光能量比为2:8的1064nm分光镜；
本实施例的第一半波片3是1064nm半波片，镀有1064nm增透膜；
本实施例的倍频晶体5是一类相位匹配的三硼酸锂LBO晶体，晶体切割角度为θ＝90°，
Figure BDA0002103177130000031
本实施例的第二分光镜6是1064nm、532nm分光镜，镀有1064nm高反膜和532nm增透膜；
本实施例的第二半波片7是532nm半波片，镀有532nm增透膜；
本实施例的第一参量振荡腔镜9镀有532nm、1313nm增透膜和对894nm透过率为30％的部分反射膜；
本实施例的第一参量晶体10和第二参量晶体11是一类相位匹配的三硼酸锂LBO晶体，晶体切割角度为θ＝90°，
Figure BDA0002103177130000041
本实施例的第二参量振荡腔镜12镀有532nm、1313nm增透膜和894nm高反膜；
本实施例的第三参量振荡腔镜13和第四参量振荡腔镜14镀有1313nm增透膜和894nm高反膜；
本实施例的第三半波片15是894nm半波片，镀有894nm增透膜；
本实施例的第四半波片17是1064nm半波片，镀有1064nm增透膜；
本实施例的反射镜19是1064nm全反镜；
本实施例的合束镜20镀有1064nm增透膜和894nm全反膜；
本实施例的和频晶体21是是一类相位匹配的三硼酸锂LBO晶体，晶体切割角度为θ＝90°，
Figure BDA0002103177130000042
本实施例的第三分光镜22镀有486nm增透膜和1064nm、894nm高反膜；
上述元部件的位置关系如下：
沿所述的1μm脉冲激光器1的输出激光方向是第一分光镜2，第二分光镜将光束分为第一反射光和第一透射光；
沿所述的第一分光镜2的反射光方向依次是所述的第四半波片17、第四耦合透镜组18和反射镜19，光束经反射镜19被反射后形成1064.4nm和频第一基频光；
沿所述的第一分光镜2的透射光方向依次是所述的第一半波片3、第一耦合透镜组4、和倍频晶体5，1064.4nm激光经倍频晶体5的倍频作用产生532.2nm倍频光；
沿532.2nm倍频光和剩余1064.4nm激光传输方向是所述的第二分光镜6，剩余1064.4nm激光经第二分光镜6被反射，532.2nm倍频光经第二分光镜6透射作为OPO泵浦光；
沿OPO泵浦光方向依次是所述的第二半波片7、第二耦合透镜组8、和第一参量振荡腔镜9，OPO泵浦光经第一参量振荡腔镜9透射进入OPO谐振腔，泵浦所述的第一参量晶体10和第二参量晶体11，经参量晶体的光参量作用产生894.7nm信号光，光束中剩余的532.2nm泵浦光经第二参量振荡腔镜12透射出OPO腔，894.7nm信号光依次经第二参量振荡腔镜12、第三参量振荡腔镜13和第四参量振荡腔镜14反射，再经第一参量振荡腔镜9部分透射输出，该信号光通过所述的第三半波片15使其偏振态满足和频相位匹配条件，再通过第三耦合透镜组16使激光光斑直径与所述的和频第一基频光的光斑直径相匹配，形成和频第二基频光；
所述的1064.4nm和频第一基频光与和频第二基频光分别经所述的合束镜20透射、反射后，合束形成和频基频光，通过所述的和频晶体21的和频作用，产生486.1nm和频光，486.1nm和频光经所述的第三分光镜22透射输出。
将第一参量晶体10和第二参量晶体11相对光轴的角度调节±0.6°，将和频晶体21相对光轴的角度调节±2°，实现470～495nm输出波长可调谐。
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 (8)

1.一种可调谐蓝光脉冲激光器，其特征在于，包括1μm脉冲激光器(1)、第一分光镜(2)、第一半波片(3)、第一耦合透镜组(4)、倍频晶体(5)、第二分光镜(6)、第二半波片(7)、第二耦合透镜组(8)、第一参量振荡腔镜(9)、第一参量晶体(10)、第二参量晶体(11)、第二参量振荡腔镜(12)、第三参量振荡腔镜(13)、第四参量振荡腔镜(14)、第三半波片(15)、第三耦合透镜组(16)、第四半波片(17)、第四耦合透镜组(18)、反射镜(19)、合束镜(20)、和频晶体(21)和第三分光镜(22)；
所述的第一参量振荡腔镜(9)、第一参量晶体(10)、第二参量晶体(11)、第二参量振荡腔镜(12)、第三参量振荡腔镜(13)和第四参量振荡腔镜(14)构成光参量振荡器；
所述的1μm脉冲激光器(1)的输出激光经所述的第一分光镜(2)分为第一反射光和第一透射光；
沿第一反射光传输方向依次是所述的第四半波片(17)、第四耦合透镜组(18)、和反射镜(19)，经所述的反射镜(19)反射形成第一和频基频光；
所述的第一透射光作为倍频基频光，沿倍频基频光传输方向依次是所述的第一半波片(3)、第一耦合透镜组(4)和倍频晶体(5)，一部分倍频基频光经倍频晶体(5)后转化为倍频光，剩余的倍频基频光和倍频光入射至所述的第二分光镜(6)，剩余的倍频基频光经该第二分光镜(6)反射，倍频光经该第二分光镜(6)透射输出为第二透射光，第二透射光作为泵浦光；
沿所述的泵浦光传输方向依次是所述的第二半波片(7)、第二耦合透镜组(8)和第一参量振荡腔镜(9)，泵浦光经该第一参量振荡腔镜(9)透射进入所述的光参量振荡器，泵浦所述的第一参量晶体(10)和第二参量晶体(11)，其中一部分泵浦光转化为信号光；
沿所述的信号光与剩余泵浦光传输方向是所述的第二参量振荡腔镜(12)，其中剩余泵浦光经所述的第二参量振荡腔镜(12)透射形成第三透射光，信号光经所述的第二参量振荡腔镜(12)反射形成第三反射光，该第三反射光依次经所述的第三参量振荡腔镜(13)和第四参量振荡腔镜(14)反射后，入射至所述的第一参量振荡腔镜(9)，经该第一参量振荡腔镜(9)分为第四透射光和第四反射光，第四透射光作为光参量振荡器的输出信号光，第四反射光作为光参量振荡器的谐振信号光，在腔内振荡；
所述的输出信号光依次通过所述的第三半波片(15)、第三耦合透镜组(16)后形成波长可调谐的0.9μm第二和频基频光；
所述的第一和频基频光和第二和频基频光入射到所述的合束镜(20)合并为和频基频光，入射到所述的和频晶体(21)，产生和频光，该和频光经所述的第三分光镜(22)透射输出。
2.根据权利要求1所述的可调谐蓝光脉冲激光器，其特征在于所述的第一分光镜(2)是能量分光镜，反射和透射的分光比为2:8。
3.根据权利要求1所述的可调谐蓝光脉冲激光器，其特征在于所述的倍频晶体(5)、第一参量晶体(10)、第二参量晶体(11)和和频晶体(21)是一类相位匹配的三硼酸锂LBO晶体或偏硼酸钡β-BBO晶体。
4.根据权利要求3所述的可调谐蓝光脉冲激光器，其特征在于所述的三硼酸锂LBO晶体或偏硼酸钡β-BBO晶体与光轴的夹角可调，调节范围为±2°。
5.根据权利要求1所述的可调谐蓝光脉冲激光器，其特征在于所述的第一半波片(3)和第四半波片(17)是1μm半波片，均镀有1μm增透膜。
6.根据权利要求1所述的可调谐蓝光脉冲激光器，其特征在于所述的第二半波片(7)是0.5μm半波片，镀有0.5μm增透膜。
7.根据权利要求1所述的可调谐蓝光脉冲激光器，其特征在于所述的第三半波片(15)是0.9μm半波片，镀有0.9μm增透膜。
8.根据权利要求1所述的可调谐蓝光脉冲激光器，其特征在于所述的1μm脉冲激光器(1)是Nd:YAG脉冲激光器、Nd:YLF脉冲激光器或者Nd:YVO4脉冲激光器，激光偏振态为线偏振，脉冲宽度为1ns～20ns。
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