CN114006253B - 非注入锁定式486.1nm蓝光单频窄线宽全固态激光器 - Google Patents

非注入锁定式486.1nm蓝光单频窄线宽全固态激光器 Download PDF

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Abstract

一种非注入锁定式486.1nm蓝光单频窄线宽全固态激光器，属于激光技术领域。以1064.4nm激光器为基础，采用倍频、和频、光参量发生器和光参量振荡器四种非线性频率变换技术组合，实现486.1nm蓝光激光脉冲输出。本发明无需种子注入谐振探测锁定控制机构，具有窄线宽、结构紧凑、稳定性好、环境适应性强、易于工程化和输出能量可定标放大等特点，适合高光谱激光探测技术和海洋探测系统的应用。

Description

非注入锁定式486.1nm蓝光单频窄线宽全固态激光器
技术领域
本发明设计全固态激光器，特别是非注入锁定式486.1nm蓝光单频窄线宽激光器。
背景技术
近年来，蓝光激光器越来越广泛用于光密度光学数据存储、水下通信及探测、激光医疗、激光显示以及激光加工等领域。而全固态激光器是一种用途广泛的激光光源，具有效率高、体积小、结构紧凑、寿命长、稳定性好等优点。可克服传统产生蓝光的气体激光器体效率低、积大、寿命短、价格昂贵等缺点。
在大容量存储技术应用中，蓝光由于其波长短，衍射效应以及光斑面积相对传统红光较小，且存储介质有对短波长激光更加敏感的特点，因而更有利于提高信息存储量，最高可将存储密度提高一个量级；在水下通信以及海洋雷达探测中，由于海水的透明窗口恰好在蓝光波段，对蓝光的吸收损耗小，可用于远距离水下信息传输和探测，并可用于海洋渔业等生物资源勘探，且由于太阳辐射光谱的夫琅禾费暗线处于蓝光486.1nm处，单频窄线宽蓝光激光可克服太阳背景辐射的影响，提高探测器白天工作的信噪比。
目前基于全固态激光器和非线性频率变换技术实现的全固态蓝光激光器的途径主要有三种方式：和频、倍频和三倍频。
1)和频：即用掺Nd3+离子激光器发射1.06μm红外激光，再将其与800nm-860nm波段的泵浦光通过非线性晶体外腔和频得到455nm-475nm波段蓝光输出。该方法缺点是对泵浦光光束质量要求较高，且峰值功率低。
2)倍频：该方法是常用的获得蓝光输出的方法。可用掺Nd3+离子激光介质能级4F3/2→4I9/2之间的跃迁得到946nm红外激光，再通过非线性晶体腔内倍频输出473nm蓝光,但是准三能级跃迁不易输出高能量激光。
3)三倍频：即用掺Nd3+离子激光器发射1.3μm红外激光，再通过非线性晶体腔内三倍频输出440nm附近蓝光。常用方式有两种：一种方法是利用三阶非线性效应直接进行三倍频；另一种方法是先将1.3μm激光倍频再将倍频得到的红光与剩余的1.3μm激光进行和频。后者在技术上可行性更高。
针对目前存在的大能量蓝光脉冲光谱线宽问题，采用光参量振荡器(OPO)技术路线可提高能量输出，但对于光谱线宽，不管是采用种子注入，还是自由振荡的方法，都难以达到百MHz量级的水平。此外，OPO的种子注入方法，需要复杂的腔长控制随动系统，且易失谐，在工程化的可靠性方面存在不足。本发明采用种子注入的光参量生成器(OPG)+光参量放大器(OPA)技术路线，在可以实现大脉冲能量输出的同时，保持接近泵浦脉冲光谱线宽的光谱特性。同样是种子注入，与OPO技术相比，完全略去了腔长控制要求，稳定性提高。
发明内容
本发明的目的在于解决现有的大能量蓝光脉冲激光器光谱线宽、结构稳定性差的缺点，提供一种结构稳定性高、无需种子注入谐振探测锁定控制机构的486nm窄线宽的全固态激光器，输出能量高，光束质量好，结构紧凑，适用于大容量存储技术和海洋探测技术应用。
本发明的基本原理是：以1064nm窄线宽脉冲激光器为基频光，通过非线性频率变换技术，将1064nm激光倍频产生532nm倍频光，1064nm和532nm激光合和频产生355nm和频光，对355nm和频光分为两束，使部分355nm和频光泵浦1313nm激光种子注入的光参量生成器OPG，并产生486nm蓝光注入光参量放大器OPA；分束的另一部分355nm和频光泵浦光参量放大器OPA，获得486nm窄线宽蓝光脉冲的高能量输出。
本发明的技术解决方案如下：
非注入锁定式486.1nm蓝光单频窄线宽全固态激光器，包括基频激光器，倍频晶体，和频晶体，第一分光镜，第一半波片，偏振分光棱镜，缩束透镜组件，反射镜，第二分光镜，种子激光器，准直器，隔离器，第一双色镜，第一参量晶体，第二分光镜，第三分光镜，第二双色镜，第二参量晶体，第三参量晶体，第四分光镜和第五分光镜。
所述的基频激光器是输出波长为1064nm的单频脉冲Nd:YAG激光器，脉冲宽度30ns,基频激光器输出的1064nm基频光先经过两端镀有1064nm和532nm增透膜的倍频晶体LBO倍频获得532脉冲激光输出，剩余的1064nm基频光和532nm倍频光入射进两端镀有1064nm、532nm和355nm增透膜的和频晶体LBO，和频获得355nm脉冲激光输出，经和频晶体输出的光束包括1064nm基频光、532nm倍频光和355nm和频光，该光束通过第一分光镜，该第一分光镜透射输出1064nm基频光和532nm倍频光，反射355nm和频光。
第一分光镜反射的355nm激光依次入射到第一半波片和偏振分光棱镜；经偏振分光棱镜反射的光束入射至镀有355nm增透膜的缩束透镜组件进行缩束以增大与第一参量晶体的耦合输入效率，缩束透镜组件由双凸透镜和双凹透镜组成，缩束后的355nm激光再通过与光路成45°的反射镜反射至第二半波片，经第二半波片入射至第一双色镜，355nm激光经第一双色镜被反射，进入光参量发生器OPG中，作为OPG的泵浦光，该泵浦光通过第一参量晶体后，经第二分光镜反射输出。所述的第一双色镜镀有对355nm的高反膜和对1313nm的增透膜；所述的第二分光镜镀有对355nm的高反膜和对486nm、1313nm的增透膜。
所述的种子激光器是输出波长为1313nm的单频脉冲激光器，种子激光器输出的1313nm种子激光先通过准直器进行准直，再通过隔离器、第一分光镜入射至第一参量晶体，生成486nm的信号光，该486nm信号光与1313nm种子激光一同透过第二分光镜后，入射至第三分光镜，所述的种子光经第三分光镜反射输出，486nm信号光同过第三分光镜入射至第二双色镜。所述的第三分光镜镀有1313nm高反膜和486nm增透膜；第二双色镜镀有355nm的高反膜和对486nm的增透膜.
所述的偏振分光棱镜的355nm透射光经第二双色将反射，作为参量放大器OPA的泵浦光，与从第二双色镜透过的486nm信号光一同耦合进入光参量放大器OPA中，所述的泵浦光通过第二参量晶体与第三参量晶体后，经第四分光镜反射输出；1313nm空闲光经第五分光镜反射输出；486nm蓝光信号光经第五分光镜透射输出。所述的第四分光镜镀有对355nm的高反膜和对486nm、1313nm的增透膜；所述的第五分光镜镀有1313nm高反膜和486nm增透膜。
所述的倍频晶体是一类相位匹配的三硼酸锂LBO晶体，该晶体两端镀有1064nm和532nm增透膜，体的切割角度为θ＝90°，
所述的和频晶体是二类相位匹配的三硼酸锂LBO晶体，该晶体两端镀有1064nm、532nm和355nm增透膜，切割角度为θ＝42.5°，
所述的第一参量晶体为一类相位匹配的偏硼酸钡BBO晶体，该晶体两端镀有对486nm、355nm和1313nm增透膜；述的第二参量晶体和第三参量晶体为两块一类相位匹配的偏硼酸钡BBO晶体，该晶体两端镀有对486nm、355nm和1313nm增透膜，两块BBO晶体相对泵浦光轴交叉对称放置以补偿走离效应。BBO晶体切割角度为θ＝29.6°，
本发明具有以下优点：
1.采用OPG+OPA可简化系统，与传统OPO结构相比，OPG没有谐振腔，不需要实施复杂的主动腔长控制来实现窄线宽输出，且结合OPA可实现大功率窄线宽输出；
2.输出激光波长的可调谐至夫琅禾费暗线486.1nm，可适应白天强太阳辐射背景下的应用环境；
3.通过注入窄线宽1313nm种子激光，将OPG+OPA输出激光的光谱宽度压窄，以满足窄线宽、大能量的蓝光激光器需求；
4.交叉对称放置的两块BBO晶体可以有效补偿走离效应，调高OPG+OPA转换效率；。
5.结构简单紧凑，转换效率高，输出脉冲能量高，适用于实际应用。
附图说明
图1是本发明非注入锁定式486.1nm蓝光单频窄线宽全固态激光器的光路示意图。
具体实施方式
下面结合实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是本发明非注入锁定式486.1nm蓝光单频窄线宽全固态激光器的光路示意图，由图一可知，本发明中非注入锁定式486.1nm蓝光单频窄线宽全固态激光器由基频激光器1，倍频晶体2，和频晶体3，第一分光镜4，第一半波片5，偏振分光棱镜6，缩束透镜组件7，反射镜8，第二半波片9，种子激光器10，准直器11，隔离器12，第一双色镜13，第一参量晶体14，第二分光镜15，第三分光镜16，第二双色镜17，第二参量晶体18，第三参量晶体19，第四分光镜20和第五分光镜21组成。
所述的基频激光器是输出波长为1064nm的单频脉冲Nd:YAG激光器，脉冲宽度30ns，基频激光器的输出激光脉冲宽度与OPG和OPA的最佳泵浦脉冲宽度相匹配；
所述的第一分光镜4镀有1064nm、532nm增透膜和355nm高反膜；
所述的一半波片5镀有355nm增透膜；
所述的偏振分光棱镜6对355nm的p光透射s光反射；
所述的缩束透镜组件7由双凸透镜和双凹透镜组成，镀有355nm增透膜；
所述的反射镜8镀有335nm高反膜；
所述的第二半波片9镀有355nm增透膜；
所述的第一双色镜13镀有对1313nm增透膜和355nm高反膜；
所述的第二双色镜17镀有对486nm增透膜和355nm高反膜；
所述的第二分光镜15和第四分光镜20均镀有1313nm、486nm增透膜和355nm高反膜。
所述的第三分光镜16和第五分光镜21均镀有486nm增透膜和1313nm高反膜。
所述的倍频晶体2是一类相位匹配的三硼酸锂LBO晶体，该晶体两端镀有1064nm和532nm增透膜，体的切割角度为θ＝90°，
所述的和频晶体3是二类相位匹配的三硼酸锂LBO晶体，该晶体两端镀有1064nm、532nm和355nm增透膜，切割角度为θ＝42.5°，
所述的第一参量晶体12为一类相位匹配的偏硼酸钡BBO晶体，该晶体两端镀有对486nm、355nm和1313nm增透膜；述的第二参量晶体16和第三参量晶体17为两块一类相位匹配的偏硼酸钡BBO晶体，该晶体两端镀有对486nm、355nm和1313nm增透膜，两块BBO晶体相对泵浦光轴交叉对称放置以补偿走离效应。BBO晶体切割角度为θ＝29.6°，
沿所述的基频激光器1的输出激光方向依次是：倍频晶体2，和频晶体3，第一分光镜4，第一分光镜将激光光束分为包括1064nm和532nm的第一透射光和355nm的第一反射光；
沿所述的第一分光镜4的反射光方向是第一半波片5和偏振分光棱镜6，该偏振分光棱镜6将p光透射s光反射；
沿所述的偏振分光棱镜6的反射光方向是缩束透镜组件7，反射镜8、第二半波片9和第一双色镜13，所述的反射光作为光参量泵浦光经第一双色镜反射至第一参量晶体14；
沿所述的种子激光器10的输出激光方向依次是准直器11，隔离器12，第一双色镜13，种子激光经第一双色镜泵浦进入第一参量晶体，经参量晶体的光参量作用产生486nm信号光，光束中剩余的355nm泵浦光经第二分光镜15反射输出，剩余的1313nm种子光经第三分光镜16反射输出，信号光经第二分光镜和第三分光镜透射至第二双色镜17，经第二双色镜入射至第二参量晶体18和第三参量晶体19，作为OPA的信号光。
沿所述的偏振分光棱镜6的透射光方向是第二双色镜17，第二参量晶体18，第三参量晶体19，第四分光镜20和第五分光镜21，所述的透射光经第二双色镜反射，泵浦第二参量晶体和第三参量晶体，剩余的355nm泵浦光经第四分光镜20反射输出，剩余的1313nm空闲光经第五分光镜21反射输出，486nm信号光透射经过第四分光镜再由第五分光镜透射输出。
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 (18)

1.一种非注入锁定式486.1nm蓝光单频窄线宽全固态激光器，其特征在于，包括基频激光器(1)，倍频晶体(2)，和频晶体(3)，第一分光镜(4)，第一半波片(5)，偏振分光棱镜(6)，缩束透镜组件(7)，反射镜(8)，第二半波片(9)，种子激光器(10)，准直器(11)，隔离器(12)，第一双色镜(13)，第一参量晶体(14)，第二分光镜(15)，第三分光镜(16)，第二双色镜(17)，第二参量晶体(18)，第三参量晶体(19)，第四分光镜(20)和第五分光镜(21)；
沿所述的基频激光器(1)的输出激光方向依次是所述的倍频晶体(2)、和频晶体(3)和与光路成45°放置的所述的第一分光镜(4)，光束经该第一分光镜(4)分为第一透射光和第一反射光，第一透射光包括基频光和倍频光，第一反射光为和频光；
沿第一分光镜(4)的第一反射光传输方向依次是与光路垂直放置的第一半波片(5)和偏振分光棱镜(6)，第一反射光经该第一半波片(5)输入偏振分光棱镜(6)，该偏振分光棱镜(6)将第一反射光分为第二透射光与第二反射光，其中第二透射光为水平偏振光，第二反射光为垂直偏振光；所述的第二透射光经第二双色镜(17)反射形成第二双色镜反射光，该第二双色镜反射光作为第二光参量泵浦光泵浦第二参量晶体(18)和第三参量晶体(19)，其中一部分泵浦光转化为第二空闲光与第二光参量信号光；
沿所述的偏振分光棱镜(6)的第二反射光传输方向依次是缩束透镜组件(7)和与光路成45°放置的的反射镜(8)，沿该反射镜(8)反射的和频光光路上放置的依次是与光路垂直放置的第二半波片(9)和与光路成45°放置的第一双色镜(13)，经该第一双色镜反射，形成第一双色镜反射光，该第一双色镜反射光作为第一光参量泵浦光泵浦所述的第一参量晶体(14)，其中一部分泵浦光转化为第一信号光与第一空闲光；
所述的种子激光器(10)的输出激光经所述的准直器(11)和隔离器(12)后入射到所述的第一双色镜(13)，经该第一双色镜(13)透射后，形成第一双色镜透射光，作为第一光参量种子光注入第一参量晶体(14)；
沿所述的第一信号光传输方向依次是所述的与光路成45°放置的第二分光镜(15)、第三分光镜(16)和第二双色镜(17)，经所述的第二分光镜(15)与第三分光镜(16)依次反射掉剩余的第一光参量泵浦光与第一空闲光，最终信号光由第三分光镜透射(16)输入至第二双色镜(17)，并由第二双色镜(17)透射形成第二双色镜透射光，该第二双色镜透射光为第二光参量信号光；
沿所述的第二光参量信号光传输方向依次是第二参量晶体(18)、第三参量晶体(19)、与光路成45°放置的第四分光镜(20)和第五分光镜(21)，所述的第四分光镜(20)与第五分光镜(21)依次反射掉剩余的第二光参量泵浦光与第二空闲光，最终由第五分光镜透射输出单频信号光。
2.根据权利要求1所述的非注入锁定式486.1nm蓝光单频窄线宽全固态激光器，其特征在于，所述的基频激光器(1)是输出波长为1064nm的单频Nd:YAG脉冲激光器。
3.根据权利要求1所述的非注入锁定式486.1nm蓝光单频窄线宽全固态激光器，其特征在于，所述的倍频晶体(2)是一类相位匹配的三硼酸锂LBO晶体，该晶体两端镀有1064nm和532nm增透膜。
4.根据权利要求3所述的非注入锁定式486.1nm蓝光单频窄线宽全固态激光器，其特征在于，所述的一类相位匹配的三硼酸锂LBO晶体的切割角度为θ＝90°，φ＝11.3°。
5.根据权利要求1所述的非注入锁定式486.1nm蓝光单频窄线宽全固态激光器，其特征在于，所述的和频晶体(3)是二类相位匹配的三硼酸锂LBO晶体，该晶体两端均镀有1064nm、532nm和355nm增透膜。
6.根据权利要求5所述的非注入锁定式486.1nm蓝光单频窄线宽全固态激光器，其特征在于所述的二类相位匹配的三硼酸锂LBO晶体的切割角度为θ＝42.5°，φ＝90°。
7.根据权利要求1所述的非注入锁定式486.1nm蓝光单频窄线宽全固态激光器，其特征在于所述的种子激光器(10)为单频激光器，中心波长为1313nm。
8.根据权利要求1所述的非注入锁定式486.1nm蓝光单频窄线宽全固态激光器，其特征在于所述的第一参量晶体(14)为一类相位匹配的偏硼酸钡BBO晶体，该晶体两端均镀有对486nm、355nm和1313nm增透膜。
9.根据权利要求1所述的非注入锁定式486.1nm蓝光单频窄线宽全固态激光器，其特征在于所述的第二参量晶体(18)和第三参量晶体(19)为相对于光参量泵浦光轴交叉对称放置的一类相位匹配的偏硼酸钡BBO晶体，该晶体两端镀有对486nm、355nm和1313nm增透膜。
10.根据权利要求8或9所述的非注入锁定式486.1nm蓝光单频窄线宽全固态激光器，其特征在于所述的一类相位匹配的偏硼酸钡BBO晶体的切割角度为θ＝29.6°，φ＝90°。
11.根据权利要求1所述的非注入锁定式486.1nm蓝光单频窄线宽全固态激光器，其特征在于所述的第一分光镜(4)镀有1064nm、532nm增透膜和355nm高反膜。
12.根据权利要求1所述的非注入锁定式486.1nm蓝光单频窄线宽全固态激光器，其特征在于所述的第一半波片(5)与第二半波片(9)镀有355nm增透膜，偏振分光棱镜(6)对355nm的p光透射，s光反射。
13.根据权利要求1所述的非注入锁定式486.1nm蓝光单频窄线宽全固态激光器，其特征在于所述的缩束透镜组件(7)包括双凸透镜和双凹透镜，该双凸透镜和双凹透镜均镀有355nm增透膜。
14.根据权利要求1所述的非注入锁定式486.1nm蓝光单频窄线宽全固态激光器，其特征在于所述的反射镜(8)镀有335nm高反膜。
15.根据权利要求1所述的非注入锁定式486.1nm蓝光单频窄线宽全固态激光器，其特征在于所述的第一双色镜(13)镀有对1313nm增透膜和355nm高反膜。
16.根据权利要求1所述的非注入锁定式486.1nm蓝光单频窄线宽全固态激光器，其特征在于所述的第二分光镜(15)和第三分光镜(20)均镀有1313nm、486nm增透膜和355nm高反膜。
17.根据权利要求1所述的非注入锁定式486.1nm蓝光单频窄线宽全固态激光器，其特征在于所述的第二双色镜(17)镀有对486nm增透膜和355nm高反膜。
18.根据权利要求1所述的非注入锁定式486.1nm蓝光单频窄线宽全固态激光器，其特征在于所述的第三分光镜(16)和第五分光镜(21)均镀有486nm增透膜和1313nm高反膜。
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