CN112886377A - 一种590nm波段拉曼倍频光源泵浦的翠绿宝石连续可调谐激光器 - Google Patents

一种590nm波段拉曼倍频光源泵浦的翠绿宝石连续可调谐激光器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种590nm波段拉曼倍频光源泵浦的翠绿宝石连续可调谐激光器，属于激光器领域。包括拉曼倍频泵浦源、耦合聚焦系统、第一腔镜、翠绿宝石激光增益介质和平面输出镜；拉曼倍频泵浦源输出590nm波段的泵浦激光，泵浦激光通过耦合聚焦系统后经第一腔镜入射到翠绿宝石激光增益介质上，由平面输出镜输出，激光谐振腔为由第一腔镜和平面输出镜的二镜腔。本发明采用590nm波段拉曼倍频激光器做泵浦源，泵浦波长590nm波段对应翠绿宝石增益介质的b轴的最大吸收峰值，对应b轴的吸收效率为80％，使用较短的晶体长度即可实现足够的激光增益，可实现稳定的高功率波长可调谐翠绿宝石连续激光输出。

Description

一种590nm波段拉曼倍频光源泵浦的翠绿宝石连续可调谐激 光器
技术领域
本发明涉及一种590nm波段拉曼倍频光源泵浦的翠绿宝石连续可调谐激光器，属于激光器技术领域。
背景技术
翠绿宝石晶体(Alexandrite，Cr3+:BeAl2O4)是一种性能优良的宽带振动晶体，波长调谐范围为701～858nm，是性能优越的宽带可调谐激光工作介质。同时，翠绿宝石激光器仅通过二次谐波即可输出350-400nm波段蓝绿激光，是蓝绿激光应用方面一支强有力的候选激光器，能极大拓展小型化固体激光器在军事方面的应用前景。另外，翠绿宝石晶体的受激发射截面σ约为0.7×10-20cm2，较大的στ乘积表明利用翠绿宝石晶体可以实现低阈值激光振荡。另外，翠绿宝石还具有优异的热机械性能，包括高热导率(23Wm-1K-1)、高机械强度和高损伤阈值。因此，翠绿宝石晶体是能够同时兼顾低阈值和大功率输出的优秀激光介质。
目前为止，已经有多种不同种类的泵浦源被用来泵浦翠绿宝石晶体产生连续激光输出。利用闪光灯做泵浦是翠绿宝石激光器最常见的技术，闪光灯发射谱与Alexandrite晶体吸收带宽匹配，可以得到长脉冲高能量近红外激光输出，重复频率为数十赫兹时，最大单脉冲能量可达十焦耳量级，更适合用于高能量激光输出，不利于产生连续激光，效率较低，且闪光灯泵浦体积庞大，结构复杂，不利于集成商业化。
另外，由于翠绿宝石晶体的吸收带几乎涵盖了整个可见光波段，因此可以使用可见光激光器作为泵浦源。传统的可见光泵浦源包括绿光激光器和红光半导体激光器。绿光激光器(输出波长为532nm)作为目前用于翠绿宝石泵浦最常用的光源，在光束质量、强度噪声等方面有着很大的优势。利用532nm绿光激光器进行泵浦，Alexandrite连续激光器得到了大量的研究，但是复杂的伺服系统导致其成本昂贵，而且其输出波长不是翠绿宝石晶体的吸收峰值，相应的532nm波段对应的b轴吸收效率约为28％。
随着半导体激光技术的发展，红光半导体激光器(输出波长在638nm附近)近年来逐渐作为一种新型的翠绿宝石晶体的泵浦源，结构相对紧凑，更有利于推动翠绿宝石激光器向小型化、性能稳定化方向迈进，但是其光束质量，输出波长线宽等方面还有待优化，同时昂贵的价格和有限的生产厂家极大的限制了红光半导体激光器泵浦翠绿宝石激光器的应用。同样，红光半导体激光器输出波长也不是翠绿宝石晶体的吸收峰值，相应的638nm波段对应的b轴吸收效率约为40％。由于绿光和红光波长都不是翠绿宝石晶体的吸收峰值(吸收峰为590nm)，因此将上述泵浦源用于翠绿宝石激光器中时，会限制翠绿宝石激光器的激光输出效率，不利于获得更大功率的波长连续可调的激光输出。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种590nm波段拉曼倍频光源泵浦的翠绿宝石连续可调谐激光器，采用590nm波段拉曼倍频激光器做泵浦源，提供翠绿宝石的泵浦激光，泵浦波长590nm波段对应翠绿宝石增益介质的b轴的最大吸收峰值，对应b轴的吸收效率为80％，使用较短的晶体长度即可实现足够的激光增益，可实现稳定的高功率波长可调谐翠绿宝石连续激光输出。
本发明采用以下技术方案：
一种590nm波段拉曼倍频光源泵浦的翠绿宝石连续可调谐激光器，包括拉曼倍频泵浦源、耦合聚焦系统、第一腔镜、翠绿宝石激光增益介质和平面输出镜；
所述拉曼倍频泵浦源用于输出590nm波段的泵浦激光，泵浦翠绿宝石晶体以实现粒子数反转；
耦合聚焦系统用于将590nm波段拉曼倍频泵浦源出射的泵浦激光聚焦到翠绿宝石激光增益介质的晶体上，聚焦到翠绿宝石激光增益介质上的泵浦光斑直径约为100-500μm。
翠绿宝石激光增益介质，作为激光增益介质，接收耦合聚焦系统聚焦之后的590nm波段泵浦激光，提供激光谐振腔内的增益；
第一腔镜接收翠绿宝石晶体产生的增益激光；平面输出镜，增益激光起振后用于输出连续可调谐激光。
泵浦激光通过耦合聚焦系统后经过激光谐振腔的第一腔镜入射到翠绿宝石激光增益介质上，最后由平面输出镜输出，激光谐振腔为由第一腔镜和平面输出镜的二镜腔。
优选的，还包括第二腔镜和双折射滤光片，泵浦激光通过耦合系统后透过第一腔镜入射到翠绿宝石激光增益介质上，激光谐振腔中产生的激光经第二腔镜偏转反射到双折射滤光片上，最后由平面输出镜输出，激光谐振腔为由第一腔镜、第二腔镜和平面输出镜组成的V型腔。
第二腔镜，接收翠绿宝石晶体产生的增益激光，并反射到平面输出镜上，与第一腔镜和平面输出镜形成谐振腔；
双折射滤光片可通过改变其光轴方向来实现对腔内激光的波长调谐。
优选的，所述拉曼倍频泵浦源的中心波长为590nm±20nm。
优选的，泵浦源可由1180nm波段拉曼光纤激光器倍频得到的激光器，用于输出波长为590nm±20nm的泵浦激光。
当然，也可以基于不同的光纤，采用不同的方法来实现，目前现有技术中已经有很多能够输出590nm波段泵浦激光的激光器，此处不再赘述。
优选的，所述耦合聚焦系统由单个或多个透镜组成，每个透镜两侧均镀有对590nm±50nm波段激光的抗反射介质膜。
优选的，所述第一腔镜为平面镜，两侧均镀有对泵浦激光高透的介质膜，背向泵浦源的一侧镀有对振荡激光高反的介质膜。
优选的，所述翠绿宝石激光增益介质的翠绿宝石晶体沿c轴切割，通光截面尺寸为(1～5)mm*(1～5)mm，通光截面为光学量级抛光，通光长度为2mm-15mm，放置于半导体制冷器(TEC)控制的紫铜热沉上，铜块的温度设置在5-100℃，可以实现不同波长的连续激光输出。
翠绿宝石晶体属于具有低晶体对称性的正交晶系，为双光轴晶体，选择两光轴的锐夹角平分线和钝夹角平分线作为直角坐标系的两个坐标轴，则介电张量取对角形式，此坐标系的三个坐标轴称为晶体的三个主轴，分别为a轴、b轴、c轴，对于翠绿宝石晶体，并规定不同主轴对应的折射率分布为nb>na>nc。此处的a轴、b轴、c轴为本领域的常规定义，此处不再赘述。
优选的，所述第二腔镜为平凹镜，两侧均镀有对泵浦激光高透的介质膜，面向泵浦源的凹侧镀有对振荡激光高反的介质膜。
进一步优选的，所述双折射滤光片相对于起振激光为布儒斯特角放置，材料为石英，两侧均未镀膜，其厚度为0.5mm-7mm。双折射滤光片的两个表面是平行的，其光轴平行于滤光片表面，入射激光以布儒斯特角入射到滤光片的表面并在其内部传播，当旋转光轴的方向时，就可以实现激光波长的调谐变化，即实现一个可调谐连续激光输出。
进一步优选的，所述平面输出镜两侧均镀有对泵浦激光高透的介质膜，面向谐振腔的一侧镀有对振荡激光具有一定输出耦合率0.1％-5％的介质膜。
本发明未详尽之处，均可采用现有技术进行。
本发明的有益效果为：
1)本发明采用590nm波段连续激光作泵浦源，应用于翠绿宝石激光器。590nm波段处于翠绿宝石晶体b轴吸收谱线峰值处，对应的b轴吸收效率约为80％，具有最大的吸收系数，使用较短的晶体长度即可实现足够的激光增益；而且590nm波段拉曼倍频激光器具有高亮度，即更容易获得具有低阈值、高功率的翠绿宝石连续激光输出。
2)本发明利用双折射滤光片进行波长调谐，通过旋转其光轴方向来选择波长，可实现稳定的高功率波长可调谐翠绿宝石连续激光输出。
附图说明
图1为本发明的590nm波段拉曼倍频光源泵浦的翠绿宝石连续激光器的实施例1的结构示意图；
图2为本发明实施例1采用功率计测得的输出激光功率随泵浦功率的变化示意图；
图3为本发明实施例1采用光谱仪测得的最大输出功率下对应的输出激光光谱示意图；
图4为本发明590nm波段拉曼倍频光源泵浦的翠绿宝石连续可调谐激光器的实施例2的结构示意图；
图5为本发明实施例2采用光谱仪和功率计测得的输出激光光谱与功率随泵浦功率的变化示意图；
其中，1、拉曼倍频泵浦源；2、耦合聚焦系统；3、第一腔镜；4、翠绿宝石激光增益介质；5、第二腔镜；6、双折射滤光片；7、平面输出镜。
具体实施方式：
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述，但不仅限于此，本发明未详尽说明的，均按本领域常规技术。
实施例1：
一种590nm波段拉曼倍频光源泵浦的翠绿宝石连续可调谐激光器，如图1所示，包括拉曼倍频泵浦源1、耦合聚焦系统2、第一腔镜3、翠绿宝石激光增益介质4和平面输出镜7；
拉曼倍频泵浦源1用于输出590nm波段的的泵浦激光，为由1180nm波段激光器倍频得到的激光器，用于输出波长为590nm波段的泵浦激光，泵浦翠绿宝石晶体以实现粒子数反转；
耦合聚焦系统2用于将590nm波段拉曼倍频泵浦源出射的泵浦激光聚焦到翠绿宝石激光增益介质的晶体上，聚焦到翠绿宝石激光增益介质4上的泵浦光斑直径为250μm，耦合聚焦系统由单个或多个透镜组成，每个透镜两侧均镀有对590nm±50nm波段激光的抗反射介质膜；
翠绿宝石激光增益介质4，作为激光增益介质，接收耦合聚焦系统2聚焦之后的590nm波段泵浦激光，提供激光谐振腔内的增益；
第一腔镜3为平面镜，两侧均镀有对泵浦激光590nm高透的介质膜，背向泵浦源的一侧镀有对振荡激光高反的介质膜，用于接收翠绿宝石晶体产生的增益激光；
翠绿宝石激光增益介质4，作为激光增益介质，接收耦合聚焦系统聚焦之后的590nm泵浦激光，提供激光谐振腔内的增益。翠绿宝石激光增益介质4的翠绿宝石晶体沿c轴切割，通光截面尺寸为3mm*3mm，通光截面为光学量级抛光，通光长度为10mm，放置于半导体制冷器(TEC)控制的紫铜热沉上，铜块的温度设置在25℃。
平面输出镜7，两侧均镀有对泵浦激光高透的介质膜，面向谐振腔的一侧镀有对振荡激光的输出耦合率1％的介质膜，增益激光起振后用于输出连续可调谐激光；
泵浦激光通过耦合聚焦系统2后经过激光谐振腔的第一腔镜3入射到翠绿宝石激光增益介质4上，最后由平面输出镜7输出。
本实施例1中，第一腔镜3和平面输出镜9构成了谐振腔的两个端镜，谐振腔的长度为35mm。
本发明实施例1的590nm波段拉曼倍频光源泵浦的翠绿宝石连续激光器，可以获得最大输出功率为2.51W的756nm激光输出，输出激光功率随泵浦功率的变化如图2所示，对应的斜效率为41％，在光谱仪上所测得的最大输出功率下对应的光谱如图3所示，中心波长为756nm。
实施例2：
一种590nm波段拉曼倍频光源泵浦的翠绿宝石连续可调谐激光器，结构如实施例1所示，所不同的是，如图4所示，还包括第二腔镜5和双折射滤光片6，本实施例的激光谐振腔为由第一腔镜3、第二腔镜5和平面输出镜7组成的V型腔，在第二腔镜5和平面输出镜7之间加入了双折射滤光片6。为减小腔内损耗，双折射滤光片6相对于起振激光布儒斯特角放置，两侧均未镀膜，厚度为1mm。
第二腔镜5为平凹镜，曲率为500mm，两侧均镀有对泵浦激光590nm波段高透的介质膜，面向泵浦源的一侧镀有对振荡激光高反的介质膜。
本实施例2的光路传播具体为拉曼倍频泵浦源1发出的泵浦激光经过耦合聚焦系统2之后透过第一腔镜3入射到翠绿宝石激光增益介质4上，激光谐振腔中产生的激光经第二腔镜5偏转反射到双折射滤光片6上，最后由平面输出镜7输出起振连续激光，其中，第一腔镜3和第二腔镜4之间放置有翠绿宝石激光增益介质4，第二腔镜5和平面输出镜7之间放置有双折射滤光片6，第二腔镜5和平面输出镜7之间连接线与第一腔镜3和第二腔镜5连接线之间构成9～15°的夹角。
本发明实施例2的590nm波段拉曼倍频光源泵浦的翠绿宝石连续可调谐激光器，可以获得约60nm的波长调谐范围，采用光谱仪和功率计测得对应的输出激光光谱与功率随泵浦功率的变化如图5所示，其中波长最短为727nm，最长为787nm，在755nm波长处有最大的输出功率，约为1.42W。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种590nm波段拉曼倍频光源泵浦的翠绿宝石连续可调谐激光器，其特征在于，包括拉曼倍频泵浦源、耦合聚焦系统、第一腔镜、翠绿宝石激光增益介质和平面输出镜；
所述拉曼倍频泵浦源用于输出590nm波段的泵浦激光，泵浦激光通过耦合聚焦系统后经过激光谐振腔的第一腔镜入射到翠绿宝石激光增益介质上，最后由平面输出镜输出，激光谐振腔为由第一腔镜和平面输出镜的二镜腔。
2.根据权利要求1所述的590nm波段拉曼倍频光源泵浦的翠绿宝石连续可调谐激光器，其特征在于，还包括第二腔镜和双折射滤光片，泵浦激光通过耦合系统后透过第一腔镜入射到翠绿宝石激光增益介质上，激光谐振腔中产生的激光经第二腔镜偏转反射到双折射滤光片上，最后由平面输出镜输出，激光谐振腔为由第一腔镜、第二腔镜和平面输出镜组成的V型腔。
3.根据权利要求2所述的590nm波段拉曼倍频光源泵浦的翠绿宝石连续可调谐激光器，其特征在于，所述拉曼倍频泵浦源的中心波长为590nm±20nm。
4.根据权利要求2所述的590nm波段拉曼倍频光源泵浦的翠绿宝石连续可调谐激光器，其特征在于，所述耦合聚焦系统由单个或多个透镜组成，每个透镜两侧均镀有对590nm±50nm波段激光的抗反射介质膜。
5.根据权利要求2所述的590nm波段拉曼倍频光源泵浦的翠绿宝石连续可调谐激光器，其特征在于，所述第一腔镜为平面镜，两侧均镀有对泵浦激光高透的介质膜，背向泵浦源的一侧镀有对振荡激光高反的介质膜。
6.根据权利要求2所述的590nm波段拉曼倍频光源泵浦的翠绿宝石连续可调谐激光器，其特征在于，所述翠绿宝石激光增益介质的翠绿宝石晶体沿c轴切割，通光截面尺寸为(1～5)mm*(1～5)mm，通光截面为光学量级抛光，通光长度为2mm-15mm，放置于半导体制冷器控制的紫铜热沉上，铜块的温度设置在5-100℃。
7.根据权利要求2所述的590nm波段拉曼倍频光源泵浦的翠绿宝石连续可调谐激光器，其特征在于，所述第二腔镜为平凹镜，两侧均镀有对泵浦激光高透的介质膜，面向泵浦源的凹侧镀有对振荡激光高反的介质膜。
8.根据权利要求2所述的590nm波段拉曼倍频光源泵浦的翠绿宝石连续可调谐激光器，其特征在于，所述双折射滤光片相对于起振激光为布儒斯特角放置，材料为石英，两侧均未镀膜，其厚度为0.5mm-7mm。
9.根据权利要求2所述的590nm波段拉曼倍频光源泵浦的翠绿宝石连续可调谐激光器，其特征在于，所述平面输出镜两侧均镀有对泵浦激光高透的介质膜，面向谐振腔的一侧镀有对振荡激光具有一定输出耦合率0.1％-5％的介质膜。
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