CN112290366A - 一种绿光激光器 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种绿光激光器，包括位于同一水平面内且在同一中心轴线上的泵浦源、耦合透镜组、薄片激光晶体、二维材料倍频元件、谐振腔输出镜；二维材料倍频元件包括基底和二维材料，二维材料倍频元件的厚度小于非线性晶体的厚度；薄片激光晶体靠近耦合透镜组的表面设置有基频光高反射膜。本申请绿光激光器中的二维材料将基频光转换成倍频光，二维材料热管理便捷，二阶非线性效应强，解决因热透镜效应引起倍频效率低的问题，并且薄片激光晶体和二维材料倍频元件的厚度均较薄，不仅散热性能优异，有效缓解热透镜效应问题，提高光束质量，而且又能缩小激光器的体积，使绿光激光器具有小型化的特点。

Description

一种绿光激光器
技术领域
本申请涉及激光器技术领域，特别是涉及一种绿光激光器。
背景技术
绿光激光器在激光医疗、激光显示、光学存储、信息处理、激光光谱、激光海洋雷达以及激光精密加工等领域具有重要的科学研究价值和广阔的应用前景。
目前，以激光晶体作为增益介质、非线性晶体作为波长变换元件，或者采用自倍频晶体都是实现绿光激光输出的常用方式。绿光激光器中激光晶体的厚度和非线性晶体(倍频晶体)的厚度均为厘米量级，一方面导致激光晶体和非线性晶体的散热性能差，产生热透镜效应，进而导致激光光束质量差；另一方面导致激光器的体积大；并且，非线性晶体因发生非线性吸收(如双光子吸收)等三阶非线性效应而吸收激光功率，导致倍频晶体内部产生温度梯度分布，进而引起折射率分布不均匀，破坏倍频晶体最佳相位匹配条件，导致晶体倍频效率下降。自倍频晶体的厚度同样在厘米量级，同理，使得激光器具有体积大、光束质量差的缺陷。
因此，如何解决上述技术问题应是本领域技术人员重点关注的。
发明内容
本申请的目的是提供一种绿光激光器，以提升激光光束质量和倍频效率，减小激光器的体积。
为解决上述技术问题，本申请提供一种绿光激光器，包括：
位于同一水平面内且在同一中心轴线上的泵浦源、耦合透镜组、薄片激光晶体、二维材料倍频元件、谐振腔输出镜；所述二维材料倍频元件包括基底和二维材料，所述二维材料倍频元件的厚度小于非线性晶体的厚度，所述薄片激光晶体的厚度小于激光晶体的厚度；所述薄片激光晶体靠近所述耦合透镜组的表面设置有基频光高反射膜。
可选的，当所述二维材料倍频元件位于所述薄片激光晶体与所述谐振腔输出镜之间时，所述薄片激光晶体远离所述耦合透镜组的表面设置有倍频光高反射膜，且所述谐振腔输出镜靠近所述二维材料倍频元件的表面设置有基频光高反射膜。
可选的，还包括：
设置于所述谐振腔输出镜远离所述二维材料倍频元件的表面的倍频光高透射膜。
可选的，还包括：
设置于所述薄片激光晶体远离所述耦合透镜组的表面的基频光高透射膜。
可选的，当所述谐振腔输出镜位于所述薄片激光晶体与所述二维材料倍频元件之间时，所述谐振腔输出镜靠近所述薄片激光晶体的表面设置有基频光部分反射膜。
可选的，还包括：
设置于所述薄片激光晶体远离所述耦合透镜组的表面的基频光高透射膜。
可选的，还包括：
设置于所述谐振腔输出镜靠近所述二维材料倍频元件的表面的基频光高透射膜。
可选的，所述二维材料为石墨烯或者过渡金属硫化物。
可选的，所述薄片激光晶体的厚度为百微米量级。
可选的，所述二维材料的厚度为纳米量级。
本申请所提供的一种绿光激光器，包括：位于同一水平面内且在同一中心轴线上的泵浦源、耦合透镜组、薄片激光晶体、二维材料倍频元件、谐振腔输出镜；所述二维材料倍频元件包括基底和二维材料，所述二维材料倍频元件的厚度小于非线性晶体的厚度，所述薄片激光晶体的厚度小于激光晶体的厚度；所述薄片激光晶体靠近所述耦合透镜组的表面设置有基频光高反射膜。
可见，本申请中的绿光激光器包括泵浦源、耦合透镜组、薄片激光晶体、二维材料倍频元件、谐振腔输出镜，二维材料倍频元件包括基底和二维材料，二维材料将基频光转换成倍频光，二维材料热管理便捷，二阶非线性效应强，对激光功率的吸收明显降低，提升倍频效率，并且本申请中的薄片激光晶体和二维材料倍频元件的厚度非常薄，均小于现有技术中的激光晶体和非线性晶体的厚度，不仅散热性能优异，有效缓解热透镜效应问题，提高光束质量，而且又能缩小激光器的体积，使激光器具有小型化的特点。
附图说明
为了更清楚的说明本申请实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例所提供的一种绿光激光器的结构示意图；
图2为本申请实施例所提供的另一种绿光激光器的结构示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
正如背景技术部分所述，目前绿光激光器采用倍频晶体和激光晶体时，由于激光晶体和非线性晶体的厚度均为厘米量级，一方面导致激光晶体和非线性晶体的散热性能差，产生热透镜效应，进而导致激光光束质量差；另一方面导致激光器的体积大；非线性晶体因发生非线性吸收(如双光子吸收)等三阶非线性效应而吸收激光功率，导致倍频晶体内部产生温度梯度分布，进而引起折射率分布不均匀，破坏倍频晶体最佳相位匹配条件，导致晶体倍频效率下降。绿光激光器当采用自倍频晶体时，自倍频晶体的厚度同样在厘米量级，使得激光器具有体积大、光束质量差的缺陷。
有鉴于此，本申请提供了一种绿光激光器，请参考图1，图1为本申请实施例所提供的一种绿光激光器的结构示意图，包括：
位于同一水平面内且在同一中心轴线上的泵浦源1、耦合透镜组2、薄片激光晶体3、二维材料倍频元件4、谐振腔输出镜5；所述二维材料倍频元件4包括基底和二维材料，所述二维材料倍频元件4的厚度小于非线性晶体的厚度，所述薄片激光晶体3的厚度小于激光晶体的厚度；所述薄片激光晶体3靠近所述耦合透镜组2的表面设置有基频光高反射膜。
需要指出的是，在本领域内薄片激光晶体指厚度在百微米量级的激光晶体。泵浦源1发射泵浦激光，其波长位于薄片激光晶体3吸收谱内，泵浦源1可以为激光二极管(LaserDiode，LD)。耦合透镜组2用于耦合泵浦激光将泵浦激光耦合至薄片激光晶体3。
薄片激光晶体3为激光增益介质，其发射谱覆盖1微米波段。本申请中对薄片激光晶体3的材料不做具体限定，根据激光的波长而定。例如，当薄片激光晶体3为Yb:YAG晶体时，激光波长为1030nm；当薄片激光晶体3为Nb:YAG晶体时，激光波长为1064nm。
基频光高反射膜一般指对基频光的反射率达到99％以上。
所述二维材料包括但不限于石墨烯或者过渡金属硫化物，只要对1微米波段的激光具有二阶非线性效应的二维材料可以。本申请中基底的种类不做具体限定，根据激光的波长而定。例如石英、蓝宝石等。
优选地，基底相对的表面均设置有基频光高透射膜和倍频光高透射膜，增加基频光和倍频光透过率，降低损耗。
基频光高透射膜一般指对基频光的透射率达到99％以上，倍频光高透射膜一般指对倍频光的透射率达到99％以上。
下面根据激光谐振腔腔内倍频和腔外倍频两种情况对本申请中的绿光激光器分别进行阐述。
第一种，当所述二维材料倍频元件4位于所述薄片激光晶体3与所述谐振腔输出镜5之间时，绿光激光器结构示意图如图1所示，即激光谐振腔腔内倍频方式，所述薄片激光晶体3远离所述耦合透镜组2的表面设置有倍频光高反射膜，且所述谐振腔输出镜5靠近所述二维材料倍频元件4的表面设置有基频光高反射膜。
倍频光高反射膜一般指对倍频光的反射率达到99％以上。
此时，薄片激光晶体3靠近耦合透镜组2的表面和谐振腔输出镜5构成激光谐振腔，通过激光谐振腔的增益反馈，实现基频光在激光谐振腔内的振荡，二维材料倍频元件4置于激光谐振腔内，当注入二维材料倍频元件4的基频光功率密度超过激光非线性变换阈值时，由于二维材料的二阶非线性效应，基频光转换为倍频光，由谐振腔输出镜5输出，实现绿光激光的输出。
第二种，当所述谐振腔输出镜5位于所述薄片激光晶体3与所述二维材料倍频元件4之间时，绿光激光器结构示意图如图2所示，即激光谐振腔腔外倍频方式，所述谐振腔输出镜5靠近所述薄片激光晶体3的表面设置有基频光部分反射膜。
需要说明的是，基频光部分反射膜已是本领域一种成熟的反射膜，可参考现有相关技术，此处不再详细介绍。
与激光谐振腔腔内倍频方式相同的是，薄片激光晶体3靠近耦合透镜组2的表面和谐振腔输出镜5构成激光谐振腔，通过激光谐振腔内的增益反馈实现基频光在谐振腔内的振荡，并经由谐振腔输出镜5输出。不同的是，二维材料倍频元件4置于激光谐振腔外，激光谐振腔输出的基频光注入二维材料倍频元件4，由于二维材料的二阶非线性效应，基频光转换为倍频光输出，即实现绿光激光的输出。
本申请中的绿光激光器包括泵浦源1、耦合透镜组2、薄片激光晶体3、二维材料倍频元件4、谐振腔输出镜5，二维材料倍频元件4包括基底和二维材料，二维材料将基频光转换成倍频光，二维材料热管理便捷，二阶非线性效应强，对激光功率的吸收明显降低，提升倍频效率，并且本申请中的薄片激光晶体3和二维材料倍频元件4的厚度非常薄，均小于现有技术中的激光晶体和非线性晶体的厚度，不仅散热性能优异，有效缓解热透镜效应问题，提高光束质量，而且又能缩小激光器的体积，使激光器具有小型化的特点。
优选地，在本申请的一个实施例中，当所述二维材料倍频元件4位于所述薄片激光晶体3与所述谐振腔输出镜5之间时，绿光激光器还包括：
设置于所述谐振腔输出镜5远离所述二维材料倍频元件4的表面的倍频光高透射膜，增加倍频光的透射率，降低损耗。
当所述二维材料倍频元件4位于所述薄片激光晶体3与所述谐振腔输出镜5之间时，在上述实施例的基础上，绿光激光器还包括：
设置于所述薄片激光晶体3远离所述耦合透镜组2的表面的基频光高透射膜。
此时，即在薄片激光晶体3远离耦合透镜组2的表面同时设置有倍频光高反射膜和基频光高透射膜，基频光高透射膜可以增加基频光的透射率，降低基频光的损耗，激光增益更强，利于激光起振。
当所述二维材料倍频元件4位于所述薄片激光晶体3与所述谐振腔输出镜5之间时，在上述实施例的基础上，绿光激光器还包括：
设置于所述谐振腔输出镜5靠近所述二维材料倍频元件4的表面的倍频光高透射膜。
此时，即在谐振腔输出镜5靠近二维材料倍频元件4的表面同时设置有基频光高反射膜和倍频光高透射膜，倍频光高透射膜可以增加倍频光的透射率，降低损耗。
优选地，在本申请的一个实施例中，当所述谐振腔输出镜5位于所述薄片激光晶体3与所述二维材料倍频元件4之间时，绿光激光器还包括：
设置于所述薄片激光晶体3远离所述耦合透镜组2的表面的基频光高透射膜，增加基频光的透射率，降低基频光的损耗，激光增益更强，利于激光起振。
当所述谐振腔输出镜5位于所述薄片激光晶体3与所述二维材料倍频元件4之间时，在上述实施例的基础上，绿光激光器还包括：
设置于所述谐振腔输出镜5靠近所述二维材料倍频元件4的表面的基频光高透射膜，增加基频光的透射率，降低损耗。
在上述任一实施例的基础上，在本申请的一个实施例中，所述薄片激光晶体3的厚度为百微米量级，相较于现有相关技术中薄片激光晶体3的厚度为厘米量级，本申请中的薄片激光晶体3厚度明显减小，增强薄片激光晶体3的散热性能，避免因薄片激光晶体3温升引起光束畸变的问题，从而提升激光光束质量；并且，可以有效减小绿光激光器的体积，利于小型化。
优选地，所述二维材料的厚度为纳米量级，相较于现有相关技术中非线性晶体的厚度在厘米量级，本申请中二维材料的厚度明显减小，进一步减小绿光激光器的体积，利于实现小型化。
下面以腔内倍频和腔外倍频两种情况对本申请中的绿光激光器分别进行具体阐述。
实施例一、对于图1所示的绿光激光器，薄片激光晶体3厚度为100μm，薄片激光晶体3靠近耦合透镜组2的表面设置有对波长1030nm激光的高反射膜，薄片激光晶体3远离耦合透镜组2的表面设置有对波长1030nm激光的高透射膜和对波长515nm激光的高反射膜。二维材料倍频元件4的基底选用对波长1030nm和515nm激光损耗较低的石英材料制成的平面透镜，基底厚度为1mm，基底相对的表面(左、右端面)均镀有对波长1030nm激光的高透射膜和对波长515nm激光的高透射膜，二维材料为石墨烯，厚度为纳米量级，经调控后对1030nm激光具有二阶非线性效应。谐振腔输出镜5靠近二维材料倍频元件4的表面镀有对波长1030nm激光的高反射膜和对波长515nm激光的高透射膜，远离二维材料倍频元件4的表面镀有对波长515nm激光的高透射膜。
泵浦源1经由光纤耦合输出光束直径0.6mm的940nm泵浦激光，对应于Yb:YAG的吸收波长，经过耦合透镜组2扩束后耦合至薄片激光晶体3，耦合透镜组2为扩束镜组，选用对940nm激光损耗较低的石英材料制成的凹透镜和凸透镜，其通光孔径大于泵浦激光光束直径，扩束倍率为10倍。薄片激光晶体3为Yb:YAG晶体，通过铟锡焊料固定在水冷热沉上，厚度为100μm，Yb:YAG晶体直径大于扩束后的泵浦激光直径6mm，Yb:YAG晶体吸收940nm泵浦激光后发射1030nm激光，通过谐振腔的增益反馈1030nm激光在谐振腔内振荡，1030nm激光经过置于谐振腔内的二维材料倍频元件4，当激光功率密度超过非线性变换阈值且满足相位匹配条件时，由于二阶非线性效应，1030nm激光转换为515nm激光，经由谐振腔输出镜5输出，实现绿光激光的输出。
实施例二、对于图2所示的绿光激光器，二维材料倍频元件4置于激光谐振腔外，薄片激光晶体3靠近耦合透镜组2的表面镀有对波长1030nm激光的高反射膜、薄片激光晶体3远离耦合透镜组2的表面镀有对波长1030nm激光的高透射膜，谐振腔输出镜5靠近薄片激光晶体3的表面镀有对波长1030nm激光的部分反射膜、谐振腔输出镜5远离薄片激光晶体3的表面镀有对波长1030nm激光的高透射膜，其余与上述实施例一中的绿光激光器中器件相同。
与上述实施例一中过程相同，通过谐振腔内的增益反馈实现1030nm激光在谐振腔内的振荡，经由谐振腔输出镜5输出，而后，1030nm激光注入二维材料倍频元件4基于二阶非线性效应转换为515nm激光输出，即实现绿光激光输出。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
以上对本申请所提供的绿光激光器进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种绿光激光器，其特征在于，包括：
位于同一水平面内且在同一中心轴线上的泵浦源、耦合透镜组、薄片激光晶体、二维材料倍频元件、谐振腔输出镜；所述二维材料倍频元件包括基底和二维材料，所述二维材料倍频元件的厚度小于非线性晶体的厚度，所述薄片激光晶体的厚度小于激光晶体的厚度；所述薄片激光晶体靠近所述耦合透镜组的表面设置有基频光高反射膜。
2.如权利要求1所述的绿光激光器，其特征在于，当所述二维材料倍频元件位于所述薄片激光晶体与所述谐振腔输出镜之间时，所述薄片激光晶体远离所述耦合透镜组的表面设置有倍频光高反射膜，且所述谐振腔输出镜靠近所述二维材料倍频元件的表面设置有基频光高反射膜。
3.如权利要求2所述的绿光激光器，其特征在于，还包括：
设置于所述谐振腔输出镜远离所述二维材料倍频元件的表面的倍频光高透射膜。
4.如权利要求2所述的绿光激光器，其特征在于，还包括：
设置于所述薄片激光晶体远离所述耦合透镜组的表面的基频光高透射膜。
5.如权利要求1所述的绿光激光器，其特征在于，当所述谐振腔输出镜位于所述薄片激光晶体与所述二维材料倍频元件之间时，所述谐振腔输出镜靠近所述薄片激光晶体的表面设置有基频光部分反射膜。
6.如权利要求5所述的绿光激光器，其特征在于，还包括：
设置于所述薄片激光晶体远离所述耦合透镜组的表面的基频光高透射膜。
7.如权利要求5所述的绿光激光器，其特征在于，还包括：
设置于所述谐振腔输出镜靠近所述二维材料倍频元件的表面的基频光高透射膜。
8.如权利要求1至7任一项所述的绿光激光器，其特征在于，所述二维材料为石墨烯或者过渡金属硫化物。
9.如权利要求8所述的绿光激光器，其特征在于，所述薄片激光晶体的厚度为百微米量级。
10.如权利要求9所述的绿光激光器，其特征在于，所述二维材料的厚度为纳米量级。
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