CN111048975A - 蓝光LD泵浦Pr:LiNbO3的钠黄光拉曼激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种蓝光LD泵浦Pr:LiNbO3的钠黄光拉曼激光器，包括：激光二极管泵浦源发射增益介质吸收带内的泵浦光，经传能光纤输出，经耦合透镜组聚焦后透过谐振腔共用反射镜进入增益介质；将546nm基频光作为泵浦源，通过优化泵浦条件和输出率条件，使得拉曼增益高于基频光激光增益，斯托克斯光模体积大于基频光模体积，获得一阶斯托克斯光输出；将输出耦合镜镀膜替换为二阶斯托克斯光部分反射、一阶斯托克斯光全反射的多色膜，通过优化泵浦条件和输出率条件，使得二阶斯托克斯光模体积大于一阶斯托克斯光模体积，实现二阶斯托克斯光输出。本发明采用LD直接泵浦单一晶体并结合标准具调谐波长实现精准输出，可极大简化钠黄光固体激光系统。

Description

蓝光LD泵浦Pr:LiNbO3的钠黄光拉曼激光器
技术领域
本发明涉及钠黄光拉曼激光器领域，尤其涉及一种蓝光LD(半导体激光器)泵浦Pr:LiNbO3的钠黄光拉曼激光器。
背景技术
钠导星技术，作为自适应光学(AO)系统中一项极具意义的关键技术，已发展成为我国高技术领域中为数不多的具有从光学晶体材料源头到激光系统集成都具有自主知识产权和一定技术优势的少数几个学科方向之一。钠导星技术要求激光器运转在589nm波段上，因为此波长对应光子可引起钠原子(D2线)共振，产生高亮度的后向散射光，形成人造参考星，实时补偿大气湍流造成的波前畸变，并为地基天文望远镜对外空间天文目标的精确观测提供有力手段，因此成为激光研究者们孜孜追求的理想波长。为获得高亮度的钠导星，连续黄光激光器的平均功率一般不低于10W，且光源具备极窄的线宽，并能精确匹配钠原子D2a谱线吸收谱。
当前，半导体直接泵浦的全固态激光器已发展成熟，且具有转换效率高、性能可靠、寿命长和输出光束质量好等优点。目前，全固态钠黄光拉曼激光器主要通过内腔式拉曼固体激光器结合非线性倍频的方案实现钠黄光输出。高功率连续钠黄光拉曼激光器主要通过Nd:YAG等激光晶体实现1064nm基频光输出，之后通过斯托克斯频移至1178nm，最后倍频实现589nm激光输出，或采用先倍频后拉曼输出的方法。
该方法结构复杂，腔内需同时插入激光晶体、拉曼晶体、倍频晶体，并进行级联泵浦转换，造成系统结构复杂且整体电光转换效率低下，不利于钠黄光功率的提升。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种蓝光LD泵浦Pr:LiNbO3的钠黄光拉曼激光器，本发明采用LD直接泵浦单一晶体并结合标准具调谐波长实现精准输出，可极大简化钠黄光固体激光系统，大幅度提高整体电光转换效率，从而提高钠黄光的输出功率水平，详见下文描述：
一种蓝光LD泵浦Pr:LiNbO3的钠黄光拉曼激光器，所述激光器包括：
激光二极管泵浦源发射增益介质吸收带内的泵浦光，经传能光纤输出，经耦合透镜组聚焦后透过谐振腔共用反射镜进入增益介质；
将546nm基频光作为泵浦源，通过优化泵浦条件和输出率条件，使得拉曼增益高于基频光激光增益，斯托克斯光模体积大于基频光模体积，获得一阶斯托克斯光输出；
将输出耦合镜镀膜替换为二阶斯托克斯光部分反射、一阶斯托克斯光全反射的多色膜，通过优化泵浦条件和输出率条件，使得二阶斯托克斯光模体积大于一阶斯托克斯光模体积，实现二阶斯托克斯光输出。
其中，在谐振腔内插入固体标准具，优化谐振腔的损耗，确定标准具最佳厚度、反射率、倾斜角度，使得中心波长产生理想偏移量，实现波长宽调谐的589nm单纵模激光输出。
进一步地，以传统的粒子数反转激光器理论模型为基础，建立基于Pr:LiNbO3晶体的基频光振荡器理论模型，以此获得546nm基频光输出。
其中，所述通过优化泵浦条件和输出率条件具体为：
利用ABCD矩阵法，根据Pr:LiNbO3晶体的尺寸，计算谐振腔模体积，使泵浦光与激光模式匹配，并使谐振腔稳区范围宽；
采用凹面反射镜增大模体积，通过优化泵浦功率密度、Pr:LiNbO3晶体中光斑尺寸、谐振腔参数、输出耦合率，获得高功率546nm基频光输出。
具体实现时，所述拉曼增益高于基频光激光增益，斯托克斯光模体积大于基频光模体积，获得一阶斯托克斯光输出具体为：
以546nm绿光激光器作为泵浦光，建立基于拉曼激光器的546nm泵浦吸收和斯托克斯光放大的完整稳态理论模型，以此获得585nm级联斯托克斯光输出；
调控一阶斯托克斯光模场面积大于基频光模场面积，通过优化泵浦条件和输出率条件，使得Pr:LiNbO3拉曼增益高于基频光激光增益，获得高效的565nm一阶斯托克斯光输出。
其中，所述激光器还包括：楔形输出镜，
将楔形输出镜的镀膜替换为585nm部分反射、565nm全反射的多色膜，通过提高泵浦功率、改变楔形输出镜的585nm透过率参数，使得二阶斯托克斯光模体积大于一阶斯托克斯光模体积，实现二阶斯托克斯光585nm黄光输出。在满足掺杂条件和非线性基质要求下，激光晶体可以为激活离子Pr3+与其它非线性晶体基质结合。
本发明提供的技术方案的有益效果是：
(1)采用LD直接泵浦单一晶体并结合标准具调谐波长实现精准输出，极大的简化了钠黄光固体激光系统，使得系统的整体电光转换效率得到大幅度提高；
(2)将Pr:LiNbO3晶体引入该领域的研究探索，一经突破，将会带动Yb3+、Er3+、Ho3+、Tm3+等激活离子与其它非线性晶体基质结合的全固态拉曼激光器的快速发展，开辟全固态激光技术的新研究方向；
(3)此研究一旦实现突破，可以克服多个晶体元件带来的级联泵浦转换的能量损失，填补LD直接泵浦全固态激光器在钠导星激光技术领域的研究空白，进一步带动自适应光学系统和天文学领域的快速发展。
附图说明
图1为本发明提供的一种蓝光LD泵浦Pr:LiNbO3的自拉曼激光器的结构示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1：激光二极管泵浦源； 2：传能光纤；
3：耦合透镜组； 4：谐振腔共用反射镜；
5：Pr:LiNbO3晶体； 6：标准具；
7：楔形输出镜； 8：第一凹面反射镜；
9：第二凹面反射镜； 10：全反射镜。
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
为了解决现有全固态钠黄光拉曼激光器结构复杂，钠黄光转化效率低的问题，本发明实施例提供了一种蓝光LD泵浦Pr:LiNbO3的钠黄光拉曼激光器，参见图1，该钠黄光拉曼激光器包括：激光二极管泵浦源1、传能光纤2、耦合透镜组3、谐振腔共用反射镜4、Pr:LiNbO3晶体5、标准具6、楔形输出镜7、第一、第二凹面反射镜8，9、和全反射镜10。
其中，谐振腔共用反射镜4为平镜，镀有泵浦光高透膜、基频光和斯托克斯光高反膜；凹面反射镜8和9均镀有基频光和斯托克斯光高反膜(两个反射镜的镀膜相同)；全反射镜10镀有基频光和斯托克斯光高反膜；Pr:LiNbO3晶体5镀有泵浦光高透膜、基频光和斯托克斯光高反、基频光和斯托克斯光的宽带增透膜；楔形输出镜7选用合适透过率的2°楔角切割的楔形耦合输出镜；标准具6是在获得585nm级联斯托克斯光输出后，在Pr:LiNbO3晶体5和楔形输出镜7之间插入合适位置和合适参数的标准具。
本发明采用LD直接泵浦单一晶体并结合标准具调谐波长实现精准输出。首先采用中心波长为444nm的半导体激光器泵浦Pr:LiNbO3晶体5实现546nm基频光输出，之后，546nm激光器做泵浦源，依次实现一阶斯托克斯光和二阶斯托克斯光输出。最后进行激光器指标优化，实现宽范围调谐的589.16nm单纵模精确输出。
首先，为了获得546nm基频光输出，以传统的粒子数反转激光器理论模型为基础，建立基于Pr:LiNbO3晶体5的基频光振荡器理论模型。即根据Pr：LiNbO3晶体的四能级系统速率方程，结合归一化泵浦速率密度函数及光子数密度函数，建立基模输出情况下的稳态方程，使归一化的444nm泵浦光与546nm基频光空间光场分布函数结合上述稳态方程获得Pr：LiNbO3基频光振荡器的输入输出关系。
在谐振腔设计上，利用ABCD矩阵法，根据Pr:LiNbO3晶体5的尺寸，计算得到合适的谐振腔模体积，使泵浦光与激光模式匹配，并使谐振腔稳区范围尽量宽。实验研究中，拟采用凹面反射镜增大模体积，通过优化泵浦功率密度、Pr:LiNbO3晶体5中光斑尺寸、谐振腔参数、输出耦合率等，获得高功率546nm基频光输出。为了获得585nm级联斯托克斯光输出，以546nm绿光激光器作为泵浦光，建立基于拉曼激光器的546nm泵浦吸收和斯托克斯光放大的完整稳态理论模型。即求解546nm基频光波和斯托克斯光波之间的三阶耦合波方程，获得基模输出情况下的拉曼转换的稳态极限，即泵浦光和斯托克斯光的腔内功率密度分布，进而得到泵浦光和斯托克斯光的输出光功率和斯托克斯光的输出阈值条件。并在实验上调控一阶斯托克斯光模场面积大于基频光模场面积，通过优化泵浦条件和输出率条件，使得Pr:LiNbO3拉曼增益高于基频光激光增益，获得高效的565nm一阶斯托克斯光输出。之后，将楔形输出镜7的镀膜替换为585nm(二阶斯托克斯光)部分反射、565nm(一阶斯托克斯光)全反射的多色膜，通过提高泵浦功率、改变楔形输出镜的585nm透过率参数，使得二阶斯托克斯光模体积大于一阶斯托克斯光模体积，实现二阶斯托克斯光585nm黄光输出。
为了获得589.16nm单纵模钠黄光精确输出，谐振腔内插入固体标准具6，改变标准具6的厚度、反射率和倾斜角度参数，确定输出激光线宽、输出激光的中心波长的调谐带宽，随标准具6的厚度、反射率和倾斜角度变化的曲线。进一步确定标准具6的最佳厚度、反射率和倾斜角度，使得中心波长产生理想偏移量4.16nm，实现波长宽调谐的589.16nm单纵模钠黄光精确输出。
实施例2
下面结合具体的数值对实施例1中的方案进行进一步地介绍，详见下文描述：
其中，Pr:LiNbO3(3mm×3mm×6mm)激光/拉曼晶体5，Pr3+掺杂浓度为0.5％，Pr:LiNbO3晶体5左表面镀有444nm(泵浦光)高透、546nm(基频光)高反和565nm/585nm(斯托克斯光)高反的多色膜，Pr:LiNbO3晶体5右表面镀有546nm(基频光)和(565nm/585nm)斯托克斯光的宽带增透膜。谐振腔共用反射镜4为镀444nm(泵浦光)高透、546nm(基频光)高反和565nm/585nm(斯托克斯光)高反的谐振腔共用反射镜，第一、第二凹面反射镜8和9分别为546nm(基频光)和565nm/585nm(斯托克斯光)的凹面反射镜，全反射镜10是546nm(基频光)和565nm/585nm(斯托克斯光)；楔形输出镜7为不同参数的输出镜。
444nm蓝光半导体激光器发射增益介质吸收带内的泵浦光，经过传能光纤2输出，经耦合透镜组3聚焦后透过谐振腔共用反射镜4进入增益介质，即Pr:LiNbO3晶体5内部，获得546nm基频光输出。将546nm基频光作为泵浦源，通过优化泵浦条件和输出率条件，使得拉曼增益高于基频光激光增益，斯托克斯光模体积大于基频光模体积，获得565nm一阶斯托克斯光输出。将楔形输出镜7替换为585nm(二阶斯托克斯光)部分反射、565nm(一阶斯托克斯光)全反射的腔镜，通过优化泵浦条件和输出率条件，使得二阶斯托克斯光模体积大于一阶斯托克斯光模体积，实现二阶斯托克斯光输出。在谐振腔内Pr:LiNbO3晶体5和楔形输出镜7之间插入固体标准具6，改变标准具6的厚度、反射率和倾斜角度参数，d(mm)表示标准具的厚度(优选0.75mm、0.5mm、0.4mm)，R(％)为标准具反射率(优选4％、3.5％、3％)，倾斜角度θ(°)为谐振腔中振荡光与标准具法线的夹角(优选0°、4°、8°)，谐振腔的损耗进一步被改变，并确定输出激光线宽、中心波长调谐带宽随标准具厚度、反射率和倾斜角度变化曲线。进而确定标准具6的最佳厚度d、反射率R、倾斜角度θ，使得中心波长产生理想偏移量4.16nm，实现波长宽调谐的589.16nm激光输出。
为了实现合理的功率输出，进一步降低楔形输出镜7的透过率，以降低激光器输出阈值，提高激光器输出功率。最终实现平均功率大于0.5W，中心波长为589.16nm的单纵模激光输出。
其中，晶体可以为Pr:LiNbO3晶体，也可以选用Pr：PPLN等新的激活离子与其它非线性晶体基质结合的新型晶体。
综上，本发明的目的在于解决传统全固态钠黄光拉曼激光器结构复杂，腔内需同时插入激光晶体、拉曼晶体、倍频晶体，钠黄光转化效率低的问题。通过采用LD直接泵浦单一晶体并结合标准具调谐波长实现精准输出，极大简化钠黄光固体激光系统，大幅度提高钠黄光拉曼固体激光器的整体电光转换效率，从而提高钠黄光的输出功率水平。同时，本发明将Pr:LiNbO3晶体引入该领域的研究探索，一经突破，将会带动Yb3+、Er3+、Ho3+、Tm3+等激活离子与其它非线性晶体基质结合的全固态拉曼激光器的快速发展，开辟全固态激光技术的新研究方向。
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 (7)

1.一种蓝光LD泵浦Pr:LiNbO3的钠黄光拉曼激光器，其特征在于，所述激光器包括：
激光二极管泵浦源发射增益介质吸收带内的泵浦光，经传能光纤输出，经耦合透镜组聚焦后透过谐振腔共用反射镜进入增益介质；
将546nm基频光作为泵浦源，通过优化泵浦条件和输出率条件，使得拉曼增益高于基频光激光增益，斯托克斯光模体积大于基频光模体积，获得一阶斯托克斯光输出；
将输出耦合镜镀膜替换为二阶斯托克斯光部分反射、一阶斯托克斯光全反射的多色膜，通过优化泵浦条件和输出率条件，使得二阶斯托克斯光模体积大于一阶斯托克斯光模体积，实现二阶斯托克斯光输出。
2.根据权利要求1所述的一种蓝光LD泵浦Pr:LiNbO3的钠黄光拉曼激光器，其特征在于，
在谐振腔内插入固体标准具，优化谐振腔的损耗，确定标准具最佳厚度、反射率、倾斜角度，使得中心波长产生理想偏移量，实现波长宽调谐的589nm单纵模激光输出。
3.根据权利要求1所述的一种蓝光LD泵浦Pr:LiNbO3的钠黄光拉曼激光器，其特征在于，
以传统的粒子数反转激光器理论模型为基础，建立基于Pr:LiNbO3晶体的基频光振荡器理论模型，以此获得546nm基频光输出。
4.根据权利要求1所述的一种蓝光LD泵浦Pr:LiNbO3的钠黄光拉曼激光器，其特征在于，所述通过优化泵浦条件和输出率条件具体为：
利用ABCD矩阵法，根据Pr:LiNbO3晶体的尺寸，计算谐振腔模体积，使泵浦光与激光模式匹配，并使谐振腔稳区范围宽；
采用凹面反射镜增大模体积，通过优化泵浦功率密度、Pr:LiNbO3晶体中光斑尺寸、谐振腔参数、输出耦合率，获得高功率546nm基频光输出。
5.根据权利要求1所述的一种蓝光LD泵浦Pr:LiNbO3的钠黄光拉曼激光器，其特征在于，所述拉曼增益高于基频光激光增益，斯托克斯光模体积大于基频光模体积，获得一阶斯托克斯光输出具体为：
以546nm绿光激光器作为泵浦光，建立基于拉曼激光器的546nm泵浦吸收和斯托克斯光放大的完整稳态理论模型，以此获得585nm级联斯托克斯光输出；
调控一阶斯托克斯光模场面积大于基频光模场面积，通过优化泵浦条件和输出率条件，使得Pr:LiNbO3拉曼增益高于基频光激光增益，获得高效的565nm一阶斯托克斯光输出。
6.根据权利要求1所述的一种蓝光LD泵浦Pr:LiNbO3的钠黄光拉曼激光器，其特征在于，所述激光器还包括：楔形输出镜，
将楔形输出镜的镀膜替换为585nm部分反射、565nm全反射的多色膜，通过提高泵浦功率、改变楔形输出镜的585nm透过率参数，使得二阶斯托克斯光模体积大于一阶斯托克斯光模体积，实现二阶斯托克斯光585nm黄光输出。
7.根据权利要求1所述的一种蓝光LD泵浦Pr:LiNbO3的钠黄光拉曼激光器，其特征在于，在满足掺杂条件和非线性基质要求下，激光晶体可以为激活离子Pr3+与其它非线性晶体基质结合。
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