CN114498271A - 半导体二极管泵浦紫外激光器 - Google Patents

半导体二极管泵浦紫外激光器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种半导体二极管泵浦紫外激光器。所述半导体二极管泵浦紫外激光器，包括：基频光输出组件、Q开关、三倍频晶体、二倍频晶体和谐振组件；基频光输出组件包括激光晶体、泵浦光耦合件和半导体二极管，激光晶体的两侧分别设有半导体二极管，激光晶体和半导体二极管之间设有泵浦光耦合件；谐振组件包括泵浦侧平面镜、开关侧平面镜和倍频侧平面镜；泵浦侧平面镜设置在激光晶体和泵浦光耦合件，Q开关设置在基频光输出组件和开关侧平面镜之间，三倍频晶体和二倍频晶体设置在开关侧平面镜和倍频侧平面镜之间；基频光输出组件的数量为多个，每个激光晶体两侧的泵浦侧平面镜输出的基频光汇合进入Q开关。

Description

半导体二极管泵浦紫外激光器
技术领域
本发明涉及紫外激光装置技术领域，尤其是涉及一种半导体二极管泵浦紫外激光器。
背景技术
紫外激光器是一种产生紫外光束的激光器，紫外激光器从结构分为固体紫外激光器(光纤紫外激光器)，气体紫外激光器，半导体紫外激光器。紫外激光器的输出波长短、能量集中、分辨率高，聚焦点可小到几个微米数量级，在精密材料微加工、紫外固化、光刻等领域有广泛的应用前景。尤其，半导体二极管泵浦紫外激光器具有光束质量好、功率稳定性好、可靠性高、使用方便、体积小等诸多优点。半导体二极管泵浦紫外激光器通产管采用腔内倍频技术实现输出。
一种半导体二极管泵浦紫外激光器，包括半导体二极管泵浦源和激光晶体，半导体二极管泵浦源的输出端依次布置有第一非球面透镜和第二非球面透镜，第一非球面透镜和第二非球面透镜构成非球面光学耦合系统，第二非球面透镜的输出端布置第一平面镜，第一平面镜的输出端布置激光晶体，激光晶体衔接透镜，透镜的输出端布置Q开关，Q开关的输出端布置第二平面镜，第二平面镜衔接三倍频晶体，三倍频晶体依次衔接二倍频晶体和第三平面镜；半导体二极管泵浦源输出808nm泵浦光经过由第一非球面透镜和第二非球面透镜组成的非球面光学耦合系统以及第一平面镜耦合到激光晶体内，产生的1064nm激光经过由第一平面镜、第二平面镜和第二平面镜构成的谐振腔内振荡并由Q开关调制，调制的1064nm基频光两次经过二倍频晶体将1064nm基频光转换为532nm倍频光，未二次倍频转换的剩余1064nm基频光与532nm倍频光经过三倍频晶体进行和频，得到的355nm紫外激光从三倍频品体布鲁斯特角切割的一面输出。存在的问题是，上述半导体二极管泵浦紫外激光器的输出功率低。
发明内容
本发明的目的在于提供半导体二极管泵浦紫外激光器，以在一定程度上解决现有技术中存在的输出功率低的技术问题。
本发明提供了一种半导体二极管泵浦紫外激光器，包括：基频光输出组件、Q开关、三倍频晶体、二倍频晶体和谐振组件；所述基频光输出组件包括激光晶体、泵浦光耦合件和半导体二极管，所述激光晶体的两侧分别设有所述半导体二极管，所述激光晶体和所述半导体二极管之间设有所述泵浦光耦合件；
所述谐振组件包括泵浦侧平面镜、开关侧平面镜和倍频侧平面镜；所述泵浦侧平面镜设置在所述激光晶体和所述泵浦光耦合件，所述Q开关设置在所述基频光输出组件和所述开关侧平面镜之间，所述三倍频晶体和所述二倍频晶体设置在所述开关侧平面镜和倍频侧平面镜之间；
所述基频光输出组件的数量为多个，每个所述激光晶体两侧的所述泵浦侧平面镜输出的基频光汇合进入所述Q开关。
在同一个基频光输出组件中，激光晶体的两侧均设有半导体二极管，半导体二极管可以输出808nm的泵浦光相应的激光晶体的两侧均设有泵浦光耦合件，一个半导体二极管和一个泵浦光耦合件对应设置，一个半导体二极管的泵浦光通过泵浦耦合件耦合到激光晶体，泵浦激光经过激光晶体后可以形成1064nm的基频光，基频光经过相应的泵浦侧平面镜振荡，最后进入Q开关进行调制；一个基频光输出组件可以形成双端泵浦，多个基频光输出组件可以形成多端泵浦，相应的，多个基频光输出组件通过对应的泵浦侧平面镜均输出1064nm的基频光，多股基频光均进入Q开关进行调制，调制后的基频光依次进入三倍频晶体和二倍频晶体，然后再经过倍频侧平面镜反射进入二倍频晶体，基频光两次经过二倍频晶体后转换成532nm倍频光，未完成二次倍频转换的剩余1064nm基频光与532nm倍频光经过三倍频晶体进行和频，得到的355nm紫外光，紫外光从三倍频晶体布鲁斯特切割的一面输出(三倍频晶体采用布鲁斯特角切割，有利于降低偏振模耦合损耗)。本发明提供的半导体可以实现多端(超过两端)泵浦，从而可以大大提高输出功率。
进一步地，同一个所述基频光输出组件中，所述激光晶体两侧的所述泵浦侧平面镜中的一个为左泵浦侧平面镜，另一个为右泵浦侧平面镜；所述左泵浦侧平面镜和所述右泵浦侧平面镜相对设置，所述右泵浦侧平面镜输出基频光。
进一步地，多个所述基频光输出组件中，第一个所述基频光输出组件中，所述左泵浦侧平面镜竖直设置，所述右泵浦侧平面镜相较于所述左泵浦侧平面镜倾斜设置；
相邻两个所述基频光输出组件中，前一个所述激光晶体的一侧的所述右泵浦侧平面镜与后一个所述激光晶体的一侧的所述左泵浦侧平面镜平行设置；最后一个所述激光晶体的一侧的所述右泵浦侧平面镜与所述开关侧平面镜平行设置。
进一步地，所述基频光输出组件的数量为两个，一个所述基频光输出组件为第一基频光输出组件，另一个所述基频光输出组件为第二基频光输出组件，相应的，所述第一基频光输出组件包括第一激光晶体、第一泵浦光耦合件、第一左半导体二极管和第一右半导体二极管，所述第一激光晶体的一侧设有第一左泵浦侧平面镜，另一侧设有第一右泵浦侧平面镜，所述第二基频光输出组件包括第二激光晶体、第二泵浦光耦合件、第二左半导体二极管和第二右半导体二极管，所述第二激光晶体的二侧设有第二左泵浦侧平面镜，另一侧设有第二右泵浦侧平面镜；所述第二右泵浦侧平面镜与所述第二左泵浦侧平面镜平行设置。
进一步地，所述第一右泵浦侧平面镜的倾斜角度使光线的入射角度为14°。
进一步地，所述开关侧平面镜的迎光面的垂直线，与所述倍频侧平面镜的迎光面的垂直线形成的夹角的角度为161°。
进一步地，所述泵浦光耦合件包括两个非球面透镜，两个所述非球面透镜平行间隔设置。
进一步地，所述半导体二极管的输出功率大于18瓦。
进一步地，所述激光晶体为Nd:YVO4，所述激光晶体的尺寸为3×3×16mm3；所述的三倍频晶体为II类相位匹配方式LBO晶体，所述三倍频晶体的尺寸为3×3×19mm3。
进一步地，所述三倍频晶体上设有第一制冷片，所述二倍频晶体上设有第二制冷片。
应当理解，前述的一般描述和接下来的具体实施方式两者均是为了举例和说明的目的并且未必限制本公开。并入并构成说明书的一部分的附图示出本公开的主题。同时，说明书和附图用来解释本公开的原理。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为本发明实施例的半导体二极管泵浦紫外激光器的原理图；
图2为本发明实施例的半导体二极管泵浦紫外激光器在不同调制频率下的输出功率曲线图；
图3为本发明实施例的半导体二极管泵浦紫外激光器输出激光光斑能量分布图。
图标：11-第一左半导体二极管；12-第一右半导体二极管；13-第二左半导体二极管；14-第二右半导体二极管；21-第一激光晶体；22-第二激光晶体；31-第一泵浦光耦合件；32-第二泵浦光耦合件；41-第一左泵浦侧平面镜；42-第一右泵浦侧平面镜；43-第二左泵浦侧平面镜；44-第二右泵浦侧平面镜；50-开关侧平面镜；60-倍频侧平面镜；70-Q开关；80-三倍频晶体；90-二倍频晶体。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
通常在此处附图中描述和显示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。
基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1至图3所示，本发明提供一种半导体二极管泵浦紫外激光器，包括：基频光输出组件、Q开关70(英文:Q-switching，也称巨脉冲发生器)、三倍频晶体80、二倍频晶体90和谐振组件；基频光输出组件包括激光晶体、泵浦光耦合件和半导体二极管，激光晶体的两侧分别设有半导体二极管，激光晶体和半导体二极管之间设有泵浦光耦合件；谐振组件包括泵浦侧平面镜、开关侧平面镜50和倍频侧平面镜60；泵浦侧平面镜设置在激光晶体和泵浦光耦合件，Q开关70设置在基频光输出组件和开关侧平面镜50之间，三倍频晶体80和二倍频晶体90设置在开关侧平面镜50和倍频侧平面镜60之间(三倍频晶体80靠近开关侧平面镜50，二倍频晶体90靠近倍频侧平面镜60)；基频光输出组件的数量为多个，每个激光晶体两侧的泵浦侧平面镜输出的基频光汇合进入Q开关70。
本实施例中，在同一个基频光输出组件中，激光晶体的两侧均设有半导体二极管，半导体二极管可以输出808nm的泵浦光相应的激光晶体的两侧均设有泵浦光耦合件，一个半导体二极管和一个泵浦光耦合件对应设置，一个半导体二极管的泵浦光通过泵浦耦合件耦合到激光晶体，泵浦激光经过激光晶体后可以形成1064nm的基频光，基频光经过相应的泵浦侧平面镜振荡，最后进入Q开关70进行调制；一个基频光输出组件可以形成双端泵浦，多个基频光输出组件可以形成多端泵浦，相应的，多个基频光输出组件通过对应的泵浦侧平面镜均输出1064nm的基频光，多股基频光均进入Q开关70进行调制，调制后的基频光依次进入三倍频晶体80和二倍频晶体90，然后再经过倍频侧平面镜60反射进入二倍频晶体90，基频光两次经过二倍频晶体90后转换成532nm倍频光，未完成二次倍频转换的剩余1064nm基频光与532nm倍频光经过三倍频晶体80进行和频，得到的355nm紫外光，紫外光从三倍频晶体80布鲁斯特切割的一面输出(三倍频晶体80采用布鲁斯特角切割，有利于降低偏振模耦合损耗)。本实施例提供的半导体可以实现多端(超过两端)泵浦，从而可以大大提高输出功率。
需要说明的是，半导体二极管泵浦紫外激光器还包括壳体，上述元件设置在壳体内。本实施例提供的半导体二极管泵浦紫外激光器利用腔内倍频技术，倍频转换效率高，光斑质量好。
其中，泵浦光耦合件包括两个非球面透镜，两个非球面透镜平行间隔设置。本实施例中，利用非球面透镜进行耦合，可以保证激光晶体处泵浦光与贾光晶体处的振荡激光达到很好的模式匹配，提高基频光转换效率。
具体地，如图1所示，同一个基频光输出组件中，激光晶体两侧的泵浦侧平面镜中的一个为左泵浦侧平面镜，另一个为右泵浦侧平面镜；左泵浦侧平面镜和右泵浦侧平面镜相对设置，右泵浦侧平面镜输出基频光。本实施例中，左泵浦侧平面镜和右泵浦侧平面镜相对设置，则由激光晶体输出的到达左泵浦侧平面镜的基频光可以反射到右泵浦侧平面镜，激光晶体输出的基频光则可由右泵浦侧平面镜输出，结构简单。
其中，可以对应每个基频光输出组件设置相应的中间平面镜，从而将对应的基频光输出组件输出的基频光输送至Q开关70。
作为一种可选方案，如图1所示，多个基频光输出组件中，第一个基频光输出组件中，左泵浦侧平面镜竖直设置(只是如图1所示的方位，而不是限定)，右泵浦侧平面镜相较于左泵浦侧平面镜倾斜设置；相邻两个基频光输出组件中，前一个激光晶体的一侧的右泵浦侧平面镜与后一个激光晶体的一侧的左泵浦侧平面镜平行设置；最后一个激光晶体的一侧的右泵浦侧平面镜与开关侧平面镜50平行设置。
本实施例中，第一个基频光输出组件产生的第一基频光可以通过相应的右泵浦侧平面镜输送至与第二个基频光输出组件相应的左泵浦侧平面镜，然后与第二个基频光输出组件的激光晶体产生的第二基频光一同到达与第二个基频光输出组件相应的右泵浦侧平面镜，以此类推，直至与最后一个基频光输出组件相应的右泵浦侧平面镜，该右泵浦侧平面镜将所有基频光输送至Q开关70，这种结构大大简化了半导体二极管泵浦紫外激光器的结构，有利于提高基频光的转换效率。
基频光输出组件的数量可以为两个(相应的为四端泵浦)、三个(相应的为六端泵浦)或者四个(相应的为八端泵浦)等等。
下面以基频输出组件的数量为两个具体说明：如图1所示，基频光输出组件的数量为两个，一个基频光输出组件为第一基频光输出组件，另一个基频光输出组件为第二基频光输出组件，相应的，第一基频光输出组件包括第一激光晶体21、第一泵浦光耦合件31、第一左半导体二极管11和第一右半导体二极管12，第一激光晶体21的一侧设有第一左泵浦侧平面镜41，另一侧设有第一右泵浦侧平面镜42，第二基频光输出组件包括第二激光晶体22、第二泵浦光耦合件32、第二左半导体二极管13和第二右半导体二极管14，第二激光晶体22的二侧设有第二左泵浦侧平面镜43，另一侧设有第二右泵浦侧平面镜44；第二右泵浦侧平面镜44与第二左泵浦侧平面镜43平行设置。
本实施例中，第一左半导体二极管11和第一右半导体二极管12发出的808nm泵浦光经过相应的泵浦光耦合件耦合至第一激光晶体21中，同时，第二左半导体二极管13和第二右半导体二极管14发出的808nm泵浦光经过相应的泵浦光耦合件耦合至第二激光晶体22中；第一左泵浦侧平面镜41、第一右泵浦侧平面镜42、第二左泵浦侧平面镜43、第二右泵浦侧平面镜44、开关侧平面镜50和倍频侧平面镜60构成谐振腔，第一激光晶体21和第二激光晶体22产生的1064nm基频光通过谐振腔进行腔内激荡，最后进入Q开关70进行调制，调制后的1064nm基频光两次经过二倍频晶体90进行1064nm基频光到532nm倍频光的转换，未完成二次倍频转换的剩余1064nm基频光与532nm倍频光经过三倍频晶体80进行和频，得到的355nm紫外光从三倍频晶体80布鲁斯特切割的一面输出。
如图2所示，当调制频率30KHz时，本实施例提供的半导体二极管泵浦激光器输出功率最大为18.6瓦，808nm泵浦光到355nm紫外激光转换效率为15.5％。在此功率下，测得紫外激光脉冲宽度为38ns，该激光器运行8小时的稳定度小于8％，则可以说明本实施例提供的半导体二极管泵浦激光器输出功率大，稳定性好。如图3所示，可以看出本实施例提供的半导体二极管泵浦激光器输出的光斑圆度好，从而可以说明光斑的质量好。
其中，第一右泵浦侧平面镜42的倾斜角度可以根据需要来设置。可选的，第一右泵浦侧平面镜42的倾斜角度使光线的入射角度为14°，这种结构有利于保障光输送的准确性，有利于提高转化效率，从而提高输出功率。
进一步地，开关侧平面镜50的迎光面的垂直线，与倍频侧平面镜60的迎光面的垂直线形成的夹角的角度为161°。这种结构有利于保障光输送的准确性，有利于提高转化效率，从而提高输出功率。
在上述任一实施例基础之上，进一步地，半导体二极管的输出功率大于18瓦。例如：半导体二极管采用输出功率为30瓦的808nm的半导体二极管，其尾部光纤的芯经直径是400μm，数值孔径为NA＝0.22。
在上述任一实施例基础之上，进一步地，激光晶体可以为Nd:YVO4，激光晶体的尺寸为3×3×16mm3；的三倍频晶体80为II类相位匹配方式LBO晶体，三倍频晶体80的尺寸为3×3×19mm3。
在上述实施例基础之上，进一步地，可以在三倍频晶体80上设有第一制冷片，第一制冷片可以对三倍频晶体80进行降温以使三倍频晶体80保持在允许的工作环境范围内，二倍频晶体90上设有第二制冷片，第二制冷片可以对二倍频晶体90进行降温以使二倍频晶体90保持在允许的工作环境范围内。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。

Claims (10)

1.一种半导体二极管泵浦紫外激光器，其特征在于，包括：基频光输出组件、Q开关(70)、三倍频晶体(80)、二倍频晶体(90)和谐振组件；
所述基频光输出组件包括激光晶体、泵浦光耦合件和半导体二极管，所述激光晶体的两侧分别设有所述半导体二极管，所述激光晶体和所述半导体二极管之间设有所述泵浦光耦合件；
所述谐振组件包括泵浦侧平面镜、开关侧平面镜(50)和倍频侧平面镜(60)；所述泵浦侧平面镜设置在所述激光晶体和所述泵浦光耦合件，所述Q开关(70)设置在所述基频光输出组件和所述开关侧平面镜(50)之间，所述三倍频晶体(80)和所述二倍频晶体(90)设置在所述开关侧平面镜(50)和倍频侧平面镜(60)之间；
所述基频光输出组件的数量为多个，每个所述激光晶体两侧的所述泵浦侧平面镜输出的基频光汇合进入所述Q开关(70)。
2.根据权利要求1所述的半导体二极管泵浦紫外激光器，其特征在于，同一个所述基频光输出组件中，所述激光晶体两侧的所述泵浦侧平面镜中的一个为左泵浦侧平面镜，另一个为右泵浦侧平面镜；所述左泵浦侧平面镜和所述右泵浦侧平面镜相对设置，所述右泵浦侧平面镜输出基频光。
3.根据权利要求2所述的半导体二极管泵浦紫外激光器，其特征在于，多个所述基频光输出组件中，第一个所述基频光输出组件中，所述左泵浦侧平面镜竖直设置，所述右泵浦侧平面镜相较于所述左泵浦侧平面镜倾斜设置；
相邻两个所述基频光输出组件中，前一个所述激光晶体的一侧的所述右泵浦侧平面镜与后一个所述激光晶体的一侧的所述左泵浦侧平面镜平行设置；最后一个所述激光晶体的一侧的所述右泵浦侧平面镜与所述开关侧平面镜(50)平行设置。
4.根据权利要求3所述的半导体二极管泵浦紫外激光器，其特征在于，所述基频光输出组件的数量为两个，一个所述基频光输出组件为第一基频光输出组件，另一个所述基频光输出组件为第二基频光输出组件，相应的，所述第一基频光输出组件包括第一激光晶体(21)、第一泵浦光耦合件(31)、第一左半导体二极管(11)和第一右半导体二极管(12)，所述第一激光晶体(21)的一侧设有第一左泵浦侧平面镜(41)，另一侧设有第一右泵浦侧平面镜(42)，所述第二基频光输出组件包括第二激光晶体(22)、第二泵浦光耦合件(32)、第二左半导体二极管(13)和第二右半导体二极管(14)，所述第二激光晶体(22)的二侧设有第二左泵浦侧平面镜(43)，另一侧设有第二右泵浦侧平面镜(44)；所述第二右泵浦侧平面镜(44)与所述第二左泵浦侧平面镜(43)平行设置。
5.根据权利要求4所述的半导体二极管泵浦紫外激光器，其特征在于，所述第一右泵浦侧平面镜(42)的倾斜角度使光线的入射角度为14°。
6.根据权利要求5所述的半导体二极管泵浦紫外激光器，其特征在于，所述开关侧平面镜(50)的迎光面的垂直线，与所述倍频侧平面镜(60)的迎光面的垂直线形成的夹角的角度为161°。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的半导体二极管泵浦紫外激光器，其特征在于，所述泵浦光耦合件包括两个非球面透镜，两个所述非球面透镜平行间隔设置。
8.根据权利要求1-6中任一项所述的半导体二极管泵浦紫外激光器，其特征在于，所述半导体二极管的输出功率大于18瓦。
9.根据权利要求1所述的半导体二极管泵浦紫外激光器，其特征在于，所述激光晶体为Nd:YVO4，所述激光晶体的尺寸为3×3×16mm3；所述的三倍频晶体(80)为II类相位匹配方式LBO晶体，所述三倍频晶体(80)的尺寸为3×3×19mm3。
10.根据权利要求1所述的半导体二极管泵浦紫外激光器，其特征在于，所述三倍频晶体(80)上设有第一制冷片，所述二倍频晶体(90)上设有第二制冷片。
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