CN113725712A - 基于碱金属蒸气与掺钕固体产生脉冲蓝光激光系统及方法 - Google Patents

基于碱金属蒸气与掺钕固体产生脉冲蓝光激光系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于碱金属蒸气与掺钕固体产生脉冲蓝光激光系统及方法，包括，泵浦模块，包括光源件、设置于所述光源件一侧的整光件以及位于所述整光件另一侧的离轴抛物面镜；碱金属激光模块，与离轴抛物面镜进行配合；掺钕固体激光模块，接收所述碱金属激光模块的碱金属脉冲激光并产生掺钕固体激光；融光模块，所述融光模块接收碱金属激光模块的碱金属激光和掺钕固体激光模块的掺钕固体激光；以及，调控模块，分别与所述碱金属激光模块和掺钕固体激光模块建立连接；本发明碱金属激光系统具有极高的量子效率，光束质量好，增益介质为气态，在高泵浦功率密度下，热透镜效应小，仍能保持较高光束质量的激光输出。

Description

基于碱金属蒸气与掺钕固体产生脉冲蓝光激光系统及方法
技术领域
本发明涉及的激光器技术领域，尤其涉及基于碱金属蒸气与掺钕固体产生脉冲蓝光激光系统及方法。
背景技术
蓝光激光器在国民经济和国防建设中具有广泛的应用前景；目前应用于激光显示、高密度光学存储的连续工作体制的蓝光激光器已经比较成熟，但应用于水下激光探测与通信的脉冲工作体制的蓝光激光器还有待完善；目前主要有两类脉冲蓝光激光器：一是直接利用增益介质产生的脉冲蓝光激光器，二是基于频率变换体制的脉冲蓝光激光器；前者主要有高脉冲能量染料激光器、铜蒸汽激光器、溴化汞(HgBr)准分子激光器、氯化氙(XeCl)准分子拉曼频移激光器、半导体脉冲蓝光激光器等；后者主要有倍频掺钛蓝宝石(Ti:Al2O3)可调谐激光器、基于非线性频率变换技术的激光半导体(LD)泵浦掺钕固体激光器等。
对于染料激光器，因染料寿命以及转换效率不高等问题限制了其应用；对于铜蒸汽激光器，因其工作温度高、激光器体积大、重量重等问题限制了其应用；对于溴化汞准分子激光器，需要预电离方式的泵浦源，造成器件体积庞大、重量重，使用寿命不长；对于氯化氙准分子激光器，由于需要拉曼转换效率不高，故其峰值功率不高；对于半导体脉冲蓝光激光器由于工艺限制，光束质量差，输出功率通常是毫瓦量级，亦不能满足实际需求。
目前实用的脉冲蓝光激光器主要是基于频率变换体制的，其中倍频Ti:Al2O3可调谐激光器由于采用绿光泵浦，而绿光通常又需倍频近红外激光获得，所以产生蓝光需要经历两次倍频过程，光光效率不高，且输出波长需要调谐，结构复杂；而基于非线性频率变换技术的LD泵浦掺钕固体激光器是当前主流的脉冲蓝光激光器，但该激光器由于需要将本来工作在四能级状态的增益介质强制工作在准三能级状态，存在增益竞争，光光转换效率不高，故该类蓝光激光器峰值功率的提升受限。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
鉴于采用掺钕固体作为增益介质进行非线性频率变换获得蓝光激光器方法有限，提出了一种新的产生脉冲蓝光的方法。
因此，本发明目的是提供一种采用碱金属蒸气与掺钕固体作为基频光增益介质，非线性晶体作为和频介质，脉冲时序控制获得高光光转换效率的脉冲蓝光激光器。
为解决光光转换效率不高，蓝光激光器峰值功率的提升受限技术问题，本发明提供如下技术方案：基于碱金属蒸气与掺钕固体产生脉冲蓝光激光系统，包括，
泵浦模块，包括光源件、设置于所述光源件一侧的整光件以及位于所述整光件另一侧的离轴抛物面镜；
碱金属激光模块，与离轴抛物面镜进行配合；
掺钕固体激光模块，接收所述碱金属激光模块的碱金属脉冲激光并产生掺钕固体激光；
融光模块，所述融光模块接收碱金属激光模块的碱金属激光和掺钕固体激光模块的掺钕固体激光；以及，
调控模块，分别与所述碱金属激光模块和掺钕固体激光模块建立连接。
作为本发明所述基于碱金属蒸气与掺钕固体的产生脉冲蓝光激光系统及方法的一种优选方案，其中：所述光源件的第一出光口与所述整光件的接光口相对设置。
作为本发明所述基于碱金属蒸气与掺钕固体的产生脉冲蓝光激光系统及方法的一种优选方案，其中：所述整光件的第二出光口朝向离轴抛物面镜。
作为本发明所述基于碱金属蒸气与掺钕固体的产生脉冲蓝光激光系统及方法的一种优选方案，其中：所述离轴抛物面镜设置于碱金属激光模块的碱金属制光件的一侧。
作为本发明所述基于碱金属蒸气与掺钕固体的产生脉冲蓝光激光系统及方法的一种优选方案，其中：所述碱金属制光件包括碱金属蒸气室和第一温控炉，所述第一温控炉设置于所述碱金属蒸气室外围。
作为本发明所述基于碱金属蒸气与掺钕固体的产生脉冲蓝光激光系统及方法的一种优选方案，其中：所述碱金属激光模块的第一反射镜设置于所述碱金属制光件一侧；
其中，所述碱金属激光模块还包括第一偏振分光件、第一电光调制器、第二反射镜、第一度反射镜和第二度反射镜，第一偏振分光件设置于所述碱金属制光件离轴抛物面镜出光口的一侧，所述第一电光调制器位于所述第一偏振分光件和第二反射镜之间，所述第一度反射镜位于所述第一偏振分光件远离所述第一电光调制器的一端，所述第二度反射镜与第一度反射镜对应设置。
作为本发明所述基于碱金属蒸气与掺钕固体的产生脉冲蓝光激光系统及方法的一种优选方案，其中：所述掺钕固体激光模块包括双色镜、掺钕固体、第二电光调制器、第二偏振分光件和第三度反射镜，所述掺钕固体设置于双色镜和第二电光调制器之间，所述第二偏振分光件设置于所述第二电光调制器和第三度反射镜之间。
作为本发明所述基于碱金属蒸气与掺钕固体的产生脉冲蓝光激光系统及方法的一种优选方案，其中：所述调控模块分别与所述第一电光调制器和第二电光调制器连接。
作为本发明所述基于碱金属蒸气与掺钕固体的产生脉冲蓝光激光系统及方法的一种优选方案，其中：所述融光模块包括第一三色镜、和频件和第二三色镜，所述和频件设置于所述第一三色镜和第二三色镜之间。
本发明提供如下技术方案：一种基于碱金属蒸气与掺钕固体产生脉冲蓝光激光方法，包括，
碱金属激光模块通过泵浦模块获得泵浦源并产生碱金属脉冲激光；
在调控模块的控制下，掺钕固体激光模块接收碱金属脉冲激光并产生波长在1μm附近近红外的掺钕固体激光；
通过融光模块将剩余的碱金属脉冲激光与产生的1μm附近脉冲激光和频产生脉冲蓝光激光。
本发明的有益效果：本发明碱金属激光系统具有极高的量子效率，光束质量好，增益介质为气态，在高泵浦功率密度下，热透镜效应小，仍能保持较高光束质量的激光输出。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为本发明基于碱金属蒸气与掺钕固体的产生脉冲蓝光激光系统及方法的整体示意图。
图2为本发明基于碱金属蒸气与掺钕固体的产生脉冲蓝光激光系统及方法所述的和频过程示意图。
图3为本发明基于碱金属蒸气与掺钕固体的产生脉冲蓝光激光系统及方法所述的谐振腔分时调Q时序图。
图4为本发明基于碱金属蒸气与掺钕固体的产生脉冲蓝光激光系统及方法所述海洋光学光谱仪测得光谱图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
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。
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
再其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
实施例1
参照图1，提供了一种基于碱金属蒸气与掺钕固体的产生脉冲蓝光激光系统的整体结构示意图，如图1，一种基于碱金属蒸气与掺钕固体的产生脉冲蓝光激光系统包括泵浦模块100，包括光源件101、设置于光源件101一侧的整光件102以及位于整光件102另一侧的离轴抛物面镜103；碱金属激光模块200，与离轴抛物面镜103进行配合；掺钕固体激光模块300，接收碱金属激光模块200的碱金属激光，并产生1μm附近近红外激光；融光模块400，融光模块400接收碱金属激光和掺钕固体激光模块300的掺钕固体激光；以及，调控模块500，分别与碱金属激光模块200和掺钕固体激光模块300建立连接。
具体的，本发明主体结构包括泵浦模块100、碱金属激光模块200、掺钕固体激光模块300、融光模块400和调控模块500，通过设置的泵浦模块100、碱金属激光模块200、掺钕固体激光模块300、融光模块400和调控模块500之间相互配合，能够利用泵浦模块100泵浦碱金属激光模块200产生碱金属脉冲激光，然后利用部分碱金属脉冲激光再泵浦掺钕固体激光模块300产生1μm附近近红外脉冲激光，之后在调控模块500的控制下，将剩余的碱金属脉冲激光与新产生的1μm附近近红外脉冲激光在融光模块500中和频产生脉冲蓝光激光；其中，泵浦模块100，提供了产生碱金属激光的泵浦源，其包括光源件101、设置于光源件101一侧的整光件102以及位于整光件102另一侧的离轴抛物面镜103；碱金属激光模块200，用于接收离轴抛物面镜103的泵浦光并制作生产碱金属激光，其与离轴抛物面镜103进行配合；掺钕固体激光模块300，用于接收碱金属激光模块200的部分碱金属激光再泵浦掺钕固体302产生1μm附近近红外脉冲激光；融光模块400，融光模块400接收碱金属激光和掺钕固体激光模块300的掺钕固体激光并使其和频产生蓝色激光；以及，调控模块500，起到调控电光调制器和声光调制器打开和关断的时序，其分别与碱金属激光模块200和掺钕固体激光模块300建立连接。
光源件101的第一出光口101a与整光件102的接光口102a对应设置；整光件102的第二出光口102b朝向离轴抛物面镜103，需说明是，光源件101为半导体激光器，输出半导体激光，其作用是泵浦温控炉中的碱金属蒸气室，实现激光上能级和下能级之间的粒子数反转；半导体激光器经整光件102后输出的光束入射至离轴抛物面镜103，其中，整光件102为光束整形器，其对半导体激光器输出的泵浦激光进行光束整形，压缩线宽，以匹配碱金属蒸气的吸收线宽，而离轴抛物面镜103能够将经光束整形器整形后的泵浦光反射并进行聚焦，提高泵浦光的功率密度；经离轴抛物面镜103反射的光束射向碱金属蒸气室201a内，并使焦点在碱金属蒸气室201a内。
需说明，离轴抛物面镜103设置于碱金属激光模块200的碱金属制光件201一侧，离轴抛物面镜103的聚光面朝向碱金属激光模块200的碱金属制光件201；其中，碱金属制光件201包括碱金属蒸气室201a和第一温控炉201b，第一温控炉201b设置于碱金属蒸气室201a外围，具体的，碱金属蒸气室201a内部充有碱金属单质和缓冲气体，是碱金属激光器的工作物质，经聚焦后的半导体激光泵浦后，可实现碱金属原子激光上下两个能级的粒子数翻转，产生碱金属激光对应波长的增益；以铷蒸气激光为例，可产生波长为795nm激光；其第一温控炉201b用于控制碱金属蒸气室201a的温度，用于提供碱金属激光工作所需的工作温度条件。
进一步的，碱金属激光模块200还包括第一反射镜202、第一偏振分光件203、第一电光调制器204、第二反射镜205、第一45度反射镜206和第二45度反射镜207；第一偏振分光件203设置于所述碱金属制光件201离轴抛物面镜103出光口的一侧，第一电光调制器204位于所述第一偏振分光件203和第二反射镜205之间，第一45度反射镜206位于第一偏振分光件203远离第一电光调制器204的一端，所述第二45度反射镜207与第一45度反射镜206对应设置。
需说明，第一反射镜202为凹面高反镜，凹面高反镜的表面镀有介质膜，对碱金属激光具有较高的反射率；第一偏振分光件203可让p光反射，而让s光透射，具有布儒斯特窗口结构碱金属蒸气室输出的偏振p光到达第一偏振分光件203后反射进入第一电光调制器204。
需说明，第一电光调制器204作为碱金属激光的Q1开关，该调制器利用普克尔效应，通过改变电光晶体上所加电压大小，来改变谐振腔的损耗；当未加偏置电压(Q1关闭)，此时p偏振光在第一反射镜202和第二反射镜205组成的碱金属激光谐振腔中储能；当光电晶体再加上λ/4电压(Q1打开)，p偏振光往返两次通过第一电光调制器204后变成s偏振光，向第一45度反射镜206方向输出脉冲碱金属激光。
需说明，第一45度反射镜206和第二45度反射镜207仅用于改变光的传播方向，使得出射激光与入射泵浦光同方向，实际光路中可去除。
进一步的，掺钕固体激光模块300包括双色镜301、掺钕固体302、第二电光调制器303、第二偏振分光件304和第三45度反射镜305，掺钕固体302设置于双色镜301和第二电光调制器303之间，第二偏振分光件304位于所述第二电光调制器303和第三45度反射镜305之间。
需说明，双色镜301为凹面镜，表面镀有介质膜，对1μm附近近红外激光具有较高的反射率，对碱金属激光具有较高的透射率；掺钕固体302是固体激光器的工作物质，以Nd:YVO4晶体为例，经碱金属激光泵浦后，可实现钕离子激光上下两个能级的粒子数翻转，产生1064nm近红外的激光对应的增益。
需说明，第二偏振分光件303可让p光反射，而让s光透射；第二电光调制器303作为1μm附近近红外激光的Q2开关，该调制器利用普克尔效应，通过改变电光晶体上所加电压大小，来改变谐振腔的损耗；当在光电晶体不加电压时候(Q2关闭)，s偏振光通过第二电光调制器303后到达第二偏振分光件304，全部透射出去，此时谐振腔处于高损耗，钕离子上能级粒子密度逐渐增加；当工作物质储能达到最大的时候，在光电晶体加上λ/2电压(Q2打开)，s偏振光通过第二电光调制器303后偏振面旋转90度变为p偏振光，到达第二偏振分光件304，此时反射到达第三45度反射镜305，输出1μm附近近红外脉冲激光，Q是谐振腔的品质因素。
需说明，第三45度反射镜305仅用于改变光的传播方向，使得出射激光与入射激光同方向，实际光路中可去除。
需强调的是，调控模块500分别与电光调制器204和第二电光调制器303连接，其中，调控模块500为时间数字转换器，其用于产生电光调制器和声光调制器打开和关断的时序，用于碱金属激光器和掺钕固体激光器谐振腔的分时Q因子调节，具体的，时间数字转换器采用分时Q因子调节技术，对碱金属激光器产生的光子分别进行“腔倒空”和掺钕固体激光器产生的光子进行“调Q”输出。
进一步的，融光模块400包括第一三色镜401、和频件402和第二三色镜403，和频件402设置于第一三色镜401和第二三色镜403之间；其中，和频件402的第二温控炉402a设置于和频件402的非线性晶体402b外围；需说明的是，第一三色镜401的表面镀有介质膜，对蓝光激光具有较高的反射率，对1μm附近近红外激光和碱金属激光具有较高的透射率，使得碱金属激光和1μm附近近红外激光在腔内都能射向和频晶体，且保证蓝光激光从第二三色镜输出；第二温控炉402a控制准相位匹配的非线性晶体的温度，用于提供碱金属激光和1μm附近近红外激光和频工作所需的增益介质工作条件；非线性晶体402b是产生和频现象的媒质，和频过程如图2所示；第二三色镜403的表面镀有介质膜，对碱金属激光和1μm附近近红外激光具有较高的反射率，对蓝光激光具有较高的透射率，该镜与第二反射镜301形成掺钕固体激光的平凹腔，对1μm附近近红外激光实现光放大。
实施例2
本实施例为基于碱金属蒸气与掺钕固体的产生脉冲蓝光激光方法，包括，
S1：碱金属激光模块200通过泵浦模块100获得泵浦源并产生碱金属脉冲激光；
其中，泵浦模块100，提供了产生碱金属激光的泵浦源，其包括光源件101、设置于光源件101一侧的整光件102以及位于整光件102另一侧的离轴抛物面镜103；碱金属激光模块200，用于接收离轴抛物面镜103的泵浦光并制作生产碱金属激光，其与离轴抛物面镜103进行配合。
光源件101的第一出光口101a与整光件102的接光口102a对应设置；整光件102的第二出光口102b朝向离轴抛物面镜103，需说明是，光源件101为半导体激光器，输出半导体激光，其作用是泵浦温控炉中的碱金属蒸气室，实现激光上能级和下能级之间的粒子数反转；半导体激光器经整光件102后输出的光束入射至离轴抛物面镜103，其中，整光件102为光束整形器，其对半导体激光器输出的泵浦激光进行光束整形，压缩线宽，以匹配碱金属蒸气的吸收线宽，而离轴抛物面镜103能够将经光束整形器整形后的泵浦光反射并进行聚焦，提高泵浦光的功率密度；经离轴抛物面镜103反射的光束射向碱金属蒸气室201a内，并使焦点在碱金属蒸气室201a内。
需说明，离轴抛物面镜103设置于碱金属激光模块200的碱金属制光件201一侧，离轴抛物面镜103的聚光面朝向碱金属激光模块200的碱金属制光件201；其中，碱金属制光件201包括碱金属蒸气室201a和第一温控炉201b，第一温控炉201b设置于碱金属蒸气室201a外围，具体的，碱金属蒸气室201a内部充有碱金属单质和缓冲气体，是碱金属激光器的工作物质，经聚焦后的半导体激光泵浦后，可实现碱金属原子激光上下两个能级的粒子数翻转，产生碱金属激光对应波长的增益；以铷蒸气激光为例，可产生波长为795nm激光；其第一温控炉201b用于控制碱金属蒸气室201a的温度，用于提供碱金属激光工作所需的工作温度条件。
进一步的，碱金属激光模块200还包括第一反射镜202、第一偏振分光件203、第一电光调制器204、第二反射镜205、第一45度反射镜206和第二45度反射镜207；第一偏振分光件203设置于所述碱金属制光件201离轴抛物面镜103出光口的一侧，第一电光调制器204位于所述第一偏振分光件203和第二反射镜205之间，第一45度反射镜206位于第一偏振分光件203远离第一电光调制器204的一端，所述第二45度反射镜207与第一45度反射镜206对应设置。
需说明，第一反射镜202为凹面高反镜，凹面高反镜的表面镀有介质膜，对碱金属激光具有较高的反射率；第一偏振分光件203可让p光反射，而让s光透射，具有布儒斯特窗口结构碱金属蒸气室输出的偏振p光到达第一偏振分光件203后反射进入第一电光调制器204，其第一偏振分光件和第二偏振分光件是偏振分光棱镜，比如格兰激光偏振棱镜。
需说明，第一电光调制器204作为碱金属激光的Q1开关，该调制器利用普克尔效应，通过改变电光晶体上所加电压大小，来改变谐振腔的损耗；当未加偏置电压(Q1关闭)，此时p偏振光在第一反射镜202和第二反射镜205组成的碱金属激光谐振腔中储能；当光电晶体再加上λ/4电压(Q1打开)，p偏振光往返两次通过第一电光调制器204后变成s偏振光，向第一45度反射镜206方向输出脉冲碱金属激光。
需说明，第一45度反射镜206和第二45度反射镜207仅用于改变光的传播方向，使得出射激光与入射泵浦光同方向，实际光路中可去除。
S2：在调控模块500的控制下，掺钕固体激光模块300接收碱金属脉冲激光并产生波长在1μm附近近红外的掺钕固体激光；需说明，掺钕固体激光模块300接收部分碱金属脉冲激光，“部分”碱金属脉冲激光占比由掺钕固体的长度以及钕粒子浓度有关，本实施例中Nd:YVO4尺寸为2*2*5mm，掺钕浓度为0.3％，吸收碱金属激光的比例为68.4％；2*2*10mm,掺钕浓度为0.3at％，吸收碱金属的比例为73.7％。
S3：通过融光模块400将碱金属脉冲激光与产生的1μm附近脉冲激光和频产生脉冲蓝光激光，需说明，融光模块400将剩余的碱金属脉冲激光，剩余的金属脉冲激光占比由掺钕固体的长度以及钕粒子浓度有关，例如：Nd:YVO4尺寸为2*2*5mm，掺钕浓度为0.3％，剩余碱金属激光的比例31.6％；2*2*10mm,掺钕浓度为0.3at％，剩余碱金属的比例为26.3％；1μm附近范围由掺钕固体类型决定，如果掺钕固体是Nd：YVO4或Nd：YAG的话，波长为1.064μm，如果是Nd:YLF产生1.047μm或1.053μm，Nd：YAP产生1.064μm和1.0795μm；如果是Nd:LMA产生1.054μm,1.065μm和1.083μm，Nd：GdVO4产生1.063μm，所以这个范围是[1.04μm,1.09μm]之间。
其中，掺钕固体激光模块300，用于接收碱金属激光模块200的部分碱金属激光再泵浦掺钕固体302产生1μm附近近红外脉冲激光；融光模块400，融光模块400接收碱金属激光和掺钕固体激光模块300的掺钕固体激光并使其和频产生蓝色激光；以及，调控模块500，起到调控电光调制器和声光调制器打开和关断的时序，其分别与碱金属激光模块200和掺钕固体激光模块300建立连接。
掺钕固体激光模块300包括双色镜301、掺钕固体302、第二电光调制器303、第二偏振分光件304和第三45度反射镜305，掺钕固体302设置于双色镜301和第二电光调制器303之间，第二偏振分光件304位于所述第二电光调制器303和第三45度反射镜305之间。
需说明，双色镜301为凹面镜，表面镀有介质膜，对1μm附近近红外激光具有较高的反射率，对碱金属激光具有较高的透射率；掺钕固体302是固体激光器的工作物质，以Nd:YVO4晶体为例，经碱金属激光泵浦后，可实现钕离子激光上下两个能级的粒子数翻转，产生1064nm近红外的激光对应的增益。
需说明，第二偏振分光件303可让p光反射，而让s光透射；第二电光调制器303作为1μm附近近红外激光的Q2开关，该调制器利用普克尔效应，通过改变电光晶体上所加电压大小，来改变谐振腔的损耗；当在光电晶体不加电压时候(Q2关闭)，s偏振光通过第二电光调制器303后到达第二偏振分光件304，全部透射出去，此时谐振腔处于高损耗，钕离子上能级粒子密度逐渐增加；当工作物质储能达到最大的时候，在光电晶体加上λ/2电压(Q2打开)，s偏振光通过第二电光调制器303后偏振面旋转90度变为p偏振光，到达第二偏振分光件304，此时反射到达第三45度反射镜305，输出1μm附近近红外脉冲激光，Q是谐振腔的品质因素。
需说明，第三45度反射镜305仅用于改变光的传播方向，使得出射激光与入射激光同方向，实际光路中可去除。
需强调的是，调控模块500分别与电光调制器204和第二电光调制器303连接，其中，调控模块500为时间数字转换器，其用于产生电光调制器和声光调制器打开和关断的时序，用于碱金属激光器和掺钕固体激光器谐振腔的分时Q因子调节，具体的，时间数字转换器采用分时Q因子调节技术，对碱金属激光器产生的光子分别进行“腔倒空”和掺钕固体激光器产生的光子进行“调Q”输出。
进一步的，融光模块400包括第一三色镜401、和频件402和第二三色镜403，和频件402设置于第一三色镜401和第二三色镜403之间；其中，和频件402的第二温控炉402a设置于和频件402的非线性晶体402b外围；需说明的是，第一三色镜401的表面镀有介质膜，对蓝光激光具有较高的反射率，对1μm附近近红外激光和碱金属激光具有较高的透射率，使得碱金属激光和1μm附近近红外激光在腔内都能射向和频晶体，且保证蓝光激光从第二三色镜输出；第二温控炉402a控制准相位匹配的非线性晶体的温度，用于提供碱金属激光和1μm附近近红外激光和频工作所需的增益介质工作条件；非线性晶体402b是产生和频现象的媒质，和频过程如图2所示；第二三色镜403的表面镀有介质膜，对碱金属激光和1μm附近近红外激光具有较高的反射率，对蓝光激光具有较高的透射率，该镜与第二反射镜301形成掺钕固体激光的平凹腔，对1μm附近近红外激光实现光放大。
本发明实现脉冲蓝光激光器所述的调控模块500对谐振腔分时调Q时序控制如图3所示，脉冲产生的物理过程可表述如下：
(1)t1时刻，开关Q1开启，开关Q2关闭，碱金属激光模块200的谐振腔呈现低损耗状态，在腔内集聚高功率密度的碱金属激光光子，碱金属激光完成谐振腔储能。
(2)t2时刻，开关Q1关闭，开关Q2关闭，碱金属激光模块200谐振腔内产生的所有碱金属激光光子倒空输出泵浦掺钕晶体，此时掺钕固体激光模块(300)处于高损耗状态，掺钕固体激光上能级粒子数不断增加。
(3)t3时刻，开关Q1开启，开关Q2关闭，碱金属激光模块200的谐振腔呈现低损耗状态，在腔内集聚高功率密度的碱金属激光光子，碱金属激光完成谐振腔储能。此时由于脉冲泵浦消失，掺钕固体激光模块300处于高损耗状态，没有形成激光，所以掺钕固体激光上能级粒子数会自发辐射衰减少部分。
(4)t4时刻，开关Q1关闭，开关Q2开启，碱金属激光模块200谐振腔内产生的所有碱金属激光光子倒空输出泵浦掺钕晶体，此时掺钕固体激光模块300处于低损耗状态，且反转粒子数高于阈值，迅速产生掺钕固体激光脉冲。与此同时，由于碱金属脉冲激光也会被掺钕固体吸收部分，碱金属脉冲峰值会下降，但两束同时激光到达融光模块400，在满足和频条件下可产生脉冲蓝光。
(5)t5时刻，开关Q1开启，开关Q2关闭，碱金属激光模块200的谐振腔呈现低损耗状态，在腔内集聚高功率密度的碱金属激光光子，碱金属激光完成谐振腔储能，重复上述(1)-(4)过程，持续产生脉冲蓝光。
利用“腔倒空”技术产生脉冲碱金属激光，解决了碱金属上能级寿命短，难以产生脉冲激光的难题；并通过谐振腔分时调Q(品质因数)技术，将不同时刻产生的碱金属脉冲激光与近红外脉冲激光同时到达非线性晶体，在时域上保证了和频；且基于复合谐振腔设计，用于和频的两束基频光处于同轴的腔结构中，光路复杂度适中，光路调节难度不大。
实施例3
该实施例不同于第一个实施例的是：由于半导体泵浦的碱金属激光器主要有钾蒸气激光器(Ka-DPAL)、铷蒸气激光器(Rb-DPAL)、铯蒸气激光器(Cs-DPAL)三种，而掺钕固体激光器主要有掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)激光器、掺钕钒酸钇(Nd:YVO4)激光器、掺钕氟化钇锂(Nd:YLF)激光器、掺钕钒酸钆(Nd:GdVO4)激光器等，激光Q开关有电光调制器与偏振分光棱镜组合以及直接采用声光调制器等，非线性晶体有角度相位匹配的LBO、BIBO、KTP等晶体以及准相位匹配的周期极化晶体有PPLN(周期极化LiNbO3)、PPKTP(周期极化KTiOPO4)、PPLT(周期极化LiTaO3)等，因此采用上述技术方案实现脉冲蓝光输出，无论是激光增益介质、Q开关还是和频非线性晶体的选择有多种组合；
本实施例以碱金属采用Rb，掺钕固体302采用Nd:YVO4晶体，第一Q开关Q1和第二Q开关Q2都采用电光调制器和偏振分光棱镜组成，非线性晶体选择LBO晶体为例，阐明实施例2的技术方案。
具体的，光源件101发送半导体激光，在此，光源件101用于泵浦温控炉中的铷蒸气室，实现铷激光上能级和下能级之间的粒子数反转，因此半导体激光在空气中的输出波长选为780.02nm，以匹配铷蒸气的吸收波长，整光件102接收780.02nm的半导体激光，其采用布拉格体光栅组成光束整形，压缩至半导体的线宽到0.12nm，以匹配铷蒸气的吸收线宽，之后，离轴抛物面镜103将780.02nm泵浦光反射并进行聚焦，该镜直径为75mm，焦距为50mm，用于提高泵浦光的功率密度，经离轴抛物面镜103聚焦的光束入射至铷蒸气室内，并使焦点在铷蒸气内，焦点大小为直径0.8mm。
接下来，碱金属蒸气室201a为铷蒸气室，其内部充有铷单质和甲烷(作为缓冲气体)，气室按布儒斯特角放置，光程长度取8mm；经整光件102压缩线宽后的780.02nm半导体激光经离轴抛物面镜103反射、聚焦后泵浦铷蒸气，可实现铷原子激光上下两个能级的粒子数翻转，产生铷激光对应波长为795mm的增益，在此过程中，第一温控炉201b控制铷蒸气室的温度，用于提供铷激光工作所需的工作温度条件，温控炉的控温范围为20-180℃，控制进度为±0.1℃，工作温度可设为157.5℃，第一反射镜202的表面镀有介质膜，对795nm铷激光具有较高的反射率，反射率一般为99.8％，优选值为99.99％，与第一反射镜202组成铷激光的谐振腔，对795nm激光实现光放大，在此，第一电光调制器204采用磷酸二氘钾(KD*P)晶体，Z-0°切割，使得通光面与z轴垂直，通过是否在晶体两端加载λ/4电压(3kV)来控制第一电光调制器204对795nm光的开关，配合偏振分光棱镜203实现腔倒空式的795nm激光输出，其第一偏振分光件203反射P光，透射S光，第二反射镜205表面镀有介质膜，对795nm铷激光具有较高的反射率，反射率一般为99.8％，优选值为99.99％；第一45度反射镜206和第二45度反射镜207表面镀有介质膜，对795nm铷激光具有较高的反射率，反射率一般为99.8％，优选值为99.99％。
双色镜301表面镀有介质膜，对795nm激光具有较高的透射率，透射率一般为99.8％，优选值为99.99％，对1064nm铷激光具有较高的反射率，反射率一般为99.8％，优选值为99.99％，与第二三色镜403组成掺钕固体激光谐振腔，对1064nm激光实现光放大；掺钕固体302采用固体激光器的工作物质优选Nd:YVO4，可实现钕离子激光上下两个能级的粒子数翻转，产生1064nm激光对应的增益，Nd:YVO4晶体沿轴切割，可以实现线偏振激光输出，其规格为2mm×2mm×5mm，掺杂浓度为0.3％，利用热传导原理，由铟箔纸包裹的Nd:YVO4晶体放在铜槽内，可以保证该晶体的工作温度维持在室温；
第二电光调制器303采用磷酸二氘钾(KD*P)晶体，Z-0°切割，使得通光面与z轴垂直，通过是否在晶体两端加载λ/2电压(6kV)来控制第二电光调制器303对1064nm光的开关；第二偏振分光件304反射P光，透射S光；此时，时间数字转换器500用于产生电光调制器和声光调制器打开和关断的控制时序；第三45度反射镜305表面镀有介质膜，对795nm和1064nm激光具有较高的反射率，反射率一般为99.8％，优选值为99.99％；
再后，第一三色镜401的表面镀有介质膜，对455nm蓝光激光具有较高的反射率，反射率一般为99.5％，优选值为99.99％，对1064nm激光和795nm激光具有较高的透射率，透射率一般为99.8％，优选值为99.99％；第二温控炉402的调控精度为0.1℃，设定晶体初始温度为25℃，以该精度对和频件402里的LBO晶体的工作温度进行调控优化，用于提供795nm和1064nm激光和频过程所需的工作条件；LBO晶体规格为3mm×3mm×15mm；
进一步的，第二三色镜403的表面镀有介质膜，对795nm和1064nm激光具有较高的反射率，反射率一般为99.8％，优选值为99.99％；对455nm激光具有较高的透射率，透射率一般为99.5％；该镜与双色镜形成掺钕固体激光的平凹腔，对1064nm激光实现光放大。另外，在合频时，利用LBO晶体选择I类相位匹配，匹配过程o+o→e，有效非线性系数deff(deff＝1.76pm/V)；由于Rb-DPAL具有具有布儒斯特窗口结构，输出的795nm的线偏振光(P偏振)，实验中，将通过a轴切割的Nd:YVO4晶体获得1064nm的π偏振光，通过电光调制在和频件中可以获得同一偏振，满足两束基频光的偏振方向一致的条件。
对本方法中采用的技术效果加以验证说明如下：
典型的传统技术方案如下：哈尔滨工程大学采用凸平非稳腔热补偿技术，结合腔外双程倍频的优化设计，将Nd:GdVO4作为激光介质工作在准三能级状态，在重频为10kHz，输入功率为49.5W条件下，获得了最高峰值功率为2.3kW的脉冲蓝光激光输出，对应的激光脉宽为21.3ns，光光效率为0.989％。
而本实施例中光源件101发送半导体激光功率为17.8W，获得了峰值功率为580W，脉宽为14ns，重频为10kHz，光光效率为0.0456％。通过海洋光学光谱仪测得光谱如图4所示，激光波长在455nm。
采用本发明产生蓝光的光光效率虽然比采用将掺钕固体工作在三能级再进行非线性频率变换再产生蓝光的光光转换效率低，但是提出一种新的产生脉冲蓝光的方法。
重要的是，应注意，在多个不同示例性实施方案中示出的本申请的构造和布置仅是例示性的。尽管在此公开内容中仅详细描述了几个实施方案，但参阅此公开内容的人员应容易理解，在实质上不偏离该申请中所描述的主题的新颖教导和优点的前提下，许多改型是可能的(例如，各种元件的尺寸、尺度、结构、形状和比例、以及参数值(例如，温度、透过率、反射率、安装布置、材料的使用、颜色、定向的变化等)。例如，示出为整体成形的元件可以由多个部分或元件构成，元件的位置可被倒置或以其它方式改变，并且分立元件的性质或数目或位置可被更改或改变。因此，所有这样的改型旨在被包含在本发明的范围内。可以根据替代的实施方案改变或重新排序任何过程或方法步骤的次序或顺序。在权利要求中，任何“装置加功能”的条款都旨在覆盖在本文中所描述的执行所述功能的结构，且不仅是结构等同而且还是等同结构。在不背离本发明的范围的前提下，可以在示例性实施方案的设计、运行状况和布置中做出其他替换、改型、改变和省略。因此，本发明不限制于特定的实施方案，而是扩展至仍落在所附的权利要求书的范围内的多种改型。
此外，为了提供示例性实施方案的简练描述，可以不描述实际实施方案的所有特征(即，与当前考虑的执行本发明的最佳模式不相关的那些特征，或于实现本发明不相关的那些特征)。
应理解的是，在任何实际实施方式的开发过程中，如在任何工程或设计项目中，可做出大量的具体实施方式决定。这样的开发努力可能是复杂的且耗时的，但对于那些得益于此公开内容的普通技术人员来说，不需要过多实验，所述开发努力将是一个设计、制造和生产的常规工作。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种基于碱金属蒸气与掺钕固体产生脉冲蓝光激光系统，其特征在于：包括，
泵浦模块(100)，包括光源件(101)、设置于所述光源件(101)一侧的整光件(102)以及位于所述整光件(102)另一侧的离轴抛物面镜(103)；
碱金属激光模块(200)，与离轴抛物面镜(103)进行配合；
掺钕固体激光模块(300)，接收所述碱金属激光模块(200)的碱金属脉冲激光并产生掺钕固体激光；
融光模块(400)，所述融光模块(400)接收碱金属激光模块(200)的碱金属激光和掺钕固体激光模块(300)的掺钕固体激光；以及，
调控模块(500)，分别与所述碱金属激光模块(200)和掺钕固体激光模块(300)建立连接。
2.如权利要求1所述的基于碱金属蒸气与掺钕固体产生脉冲蓝光激光系统，其特征在于：所述光源件(101)的第一出光口(101a)与所述整光件(102)的接光口(102a)相对设置。
3.如权利要求1或2所述的基于碱金属蒸气与掺钕固体产生脉冲蓝光激光系统，其特征在于：所述整光件(102)的第二出光口(102b)朝向离轴抛物面镜(103)。
4.如权利要求3所述的基于碱金属蒸气与掺钕固体产生脉冲蓝光激光系统，其特征在于：所述离轴抛物面镜(103)设置于碱金属激光模块(200)的碱金属制光件(201)的一侧。
5.如权利要求4所述的基于碱金属蒸气与掺钕固体产生脉冲蓝光激光系统，其特征在于：所述碱金属制光件(201)包括碱金属蒸气室(201a)和第一温控炉(201b)，所述第一温控炉(201b)设置于所述碱金属蒸气室(201a)外围。
6.如权利要求4或5所述的基于碱金属蒸气与掺钕固体产生脉冲蓝光激光系统，其特征在于：所述碱金属激光模块(200)的第一反射镜(202)设置于所述碱金属制光件(201)一侧；
其中，所述碱金属激光模块(200)还包括第一偏振分光件(203)、第一电光调制器(204)、第二反射镜(205)、第一45度反射镜(206)和第二45度反射镜(207)，第一偏振分光件(203)设置于所述碱金属制光件(201)离轴抛物面镜(103)出光口的一侧，所述第一电光调制器(204)位于所述第一偏振分光件(203)和第二反射镜(205)之间，所述第一45度反射镜(206)位于所述第一偏振分光件(203)远离所述第一电光调制器(204)的一端，所述第二45度反射镜(207)与第一45度反射镜(206)对应设置。
7.如权利要求6所述的基于碱金属蒸气与掺钕固体产生脉冲蓝光激光系统，其特征在于：所述掺钕固体激光模块(300)包括双色镜(301)、掺钕固体(302)、第二电光调制器(303)、第二偏振分光件(304)和第三45度反射镜(305)，所述掺钕固体(302)设置于双色镜(301)和第二电光调制器(303)之间，所述第二偏振分光件(304)设置于所述第二电光调制器(303)和第三45度反射镜(305)之间。
8.如权利要求7所述的基于碱金属蒸气与掺钕固体掺钕产生脉冲蓝光激光器，其特征在于：所述调控模块(500)分别与所述第一电光调制器(204)和第二电光调制器(303)连接。
9.如权利要求8所述的基于碱金属蒸气与掺钕固体产生脉冲蓝光激光系统，其特征在于：所述融光模块(400)包括第一三色镜(401)、和频件(402)和第二三色镜(403)，所述和频件(402)设置于所述第一三色镜(401)和第二三色镜(403)之间。
10.一种基于碱金属蒸气与掺钕固体产生脉冲蓝光激光方法，其特征在于：包括，
S1：碱金属激光模块(200)通过泵浦模块(100)获得泵浦源并产生碱金属脉冲激光；
S2：在调控模块(500)的控制下，掺钕固体激光模块(300)接收碱金属脉冲激光并产生波长在1μm附近近红外的掺钕固体激光；
S3：通过融光模块(400)将剩余的碱金属脉冲激光与产生的1μm附近脉冲激光和频产生脉冲蓝光激光。
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