CN115473118A - 一种宽温域稳定的全固态激光器及倍频激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种宽温域稳定的全固态激光器及倍频激光器，包括：泵浦源(1)、聚焦整形系统(2)、谐振腔输入镜(3)、激光晶体(4)、温度辅助系统(5)和谐振腔输出镜(6)；所述激光晶体(4)设置在所述温度辅助系统(5)内，所述温度辅助系统(5)将所述激光晶体(4)的工作温度控制在25℃，所述泵浦源(1)发射的泵浦光依次经过所述聚焦整形系统(2)、所述谐振腔输入镜(3)，照射在所述激光晶体(4)上，产生可见激光，经所述谐振腔输出镜(6)输出。
Description
技术领域
本发明涉及激光与非线性光学技术领域，更具体的说是涉及一种宽温域稳定的全固态激光器及倍频激光器。
背景技术
目前，激光二极管泵浦的固体激光器(DPSSL)具有体积小、效率高、结构简单、使用寿命长等诸多优点，成为近年来研究的热点，在科研、医疗以及军事等领域有着广泛的应用。在众多的DPSSL研究领域中，宽温域稳定输出是一个重要方向。
激光晶体吸收的泵浦光不能全部转化为激光输出，其中很大一部分以热量的形式沉积在晶体中，引起晶体温度的升高。晶体温度的升高会导致激活离子荧光谱线的加宽和量子效率的降低，从而使激光器的阈值升高和效率降低。为了带走晶体中的热量，就必须对激光晶体材料进行制冷，这样又带来新的问题。激光晶体的内部发热和表面散热使晶体内部产生温度梯度，温度梯度会导致热应力，热应力会使晶体发生端面形变并带来折射率的变化，进而导致热透镜效应。热透镜效应使激光发生畸变，影响激光光束的输出质量甚至还会使谐振腔变得不稳定。因此，如何能有效地抑制热效应的不利影响，使激光晶体乃至整个激光器在宽温域内保持稳定的输出特性，是DPSSL发展和应用亟需解决的重要技术难题。
但是，在以DPSSL技术为基础的变频激光器中，也存在同样的问题。利用非线性光学晶体的倍频、和频等效应，可以将位于近红外波段的基频光变频到可见、紫外甚至深紫外波段，满足不同领域的更多需要，如精密微加工、基因测序、光数据存储、大气探测、发射光谱、拉曼光谱、超高能量分辨率光电子能谱仪、光电子发射显微镜等。非线性光学变频主要依赖相位匹配技术，当非线性晶体因吸收损耗引起内部温度变化时，会导致相位失配的增加，进而引起变频效率及变频输出的显著下降，变频环节越多，这种下降就越快、越明显。因此，对于激光二极管泵浦的全固态变频激光器而言，包含泵浦光到基频光，基频光到倍频光，倍频光到三倍频光等多个能量转换过程，当温度变化时会导致每个环节的不稳定，这些因素累积到一起造成最终输出的变化更加显著，因此维持宽温域内稳定工作更加困难。
因此，如何实现温度辅助的上能级激光发射增强，使激光器能够在宽温域内稳定工作是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种宽温域稳定的全固态激光器及倍频激光器，基于电子热平衡条件下的玻尔兹曼分布原理，实现温度辅助的上能级激光发射增强，结合氟化物晶体具有负热光系数的特点，使激光器能够在宽温域内稳定工作。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种宽温域稳定的全固态激光器，包括：泵浦源、聚焦整形系统、谐振腔输入镜、激光晶体、温度辅助系统和谐振腔输出镜；
所述激光晶体设置在所述温度辅助系统内，所述温度辅助系统将所述激光晶体的工作温度控制在25℃，所述泵浦源发射的泵浦光依次经过所述聚焦整形系统、所述谐振腔输入镜，照射在所述激光晶体上，产生可见激光，经所述谐振腔输出镜输出。
优选的，所述激光晶体为Pr3+掺杂氟化物晶体，包括但不限于掺镨氟化钇锂晶体Pr3+:YLiF4，掺镨氟化钆锂晶体Pr3+:GdLiF4，或掺镨氟化镥锂晶体Pr3+:LuLiF4，所涉及的能级跃迁为Pr3+离子的3P1→3H5，发射波长位于522nm附近，所述激光晶体两个通光端面均镀有400-800nm增透膜。
优选的，所述泵浦源为中心波长444nm的LD，具体的，为分布式反馈LD。
优选的，所述聚焦整形系统包含多个透镜，其中，凹平柱形透镜(21)和凸平柱形透镜(22)组成光斑整形系统，将所述泵浦源(1)输出的泵浦光整形成近似平行的方形光斑，双凸圆形透镜(23)将整形后的泵浦光束聚焦至所述激光晶体(4)内；
透镜的参数基于激光谐振腔参数进行设置，使得泵浦光与基频光的光束尺寸相匹配。
优选的，所述谐振腔为所述谐振腔输入镜、所述谐振腔输出镜组成的两镜直腔；
其中，所述谐振腔输入镜为平凹镜，所述谐振腔输入镜靠近所述泵浦源的平面镀以对444nm泵浦光增透的介质膜，靠近所述谐振腔的凹面镀以444nm增透、600-800nm增透、522nm高反的介质膜，所述谐振腔输入镜凹面的曲率半径为20mm-∞；
所述谐振腔输出镜为平凹镜，所述谐振腔输出镜靠近所述谐振腔的凹面镀以对522nm部分透过、600-800nm增透的介质膜，远离所述谐振腔的平面镀以600-800nm增透膜，所述谐振腔输出镜凹面的曲率半径为20mm-∞
优选的，所述激光晶体的泵浦光输入端面镀以444nm增透、600-800nm增透、522nm高反的介质膜，激光输出端面镀以522nm部分透过、600-800nm增透的介质膜。
优选的，所述谐振腔内设置有脉冲调制器，包括但不限于电光调Q开关，声光调Q开关，其它用于可见光波段被动调Q运转的可饱和吸收体，获得脉冲形式的可见基频光。
一种宽温域稳定的全固态倍频激光器，其中，所述谐振腔为三镜折叠腔，所述三镜折叠腔由所述谐振腔输入镜、所述激光晶体、倍频晶体、倍频输出镜和倍频全反镜构成V型腔结构，
所述激光晶体和所述倍频晶体分别置于所述三镜折叠腔的两臂，所述泵浦源发射的泵浦光经所述聚焦整形系统后照射在所述激光晶体上，产生可见基频光，所述可见基频光在另一臂的所述倍频晶体处倍频，产生倍频光，其波长位于深紫外波段，经所述倍频输出镜输出。
优选的，所述谐振腔输入镜为平凹镜，所述谐振腔输入镜靠近所述泵浦源的平面镀以对444nm泵浦光增透的介质膜，靠近所述三镜折叠腔的凹面镀以444nm增透、600-800nm增透、522nm高反的介质膜，所述谐振腔输入镜凹面的曲率半径为20-2000mm；
所述倍频输出镜为平凹镜，靠近所述三镜折叠腔的凹面镀以对261nm增透、522nm高反、600-800nm增透的介质膜，远离所述三镜折叠腔的平面镀以200-800nm增透膜，所述倍频输出镜凹面的曲率半径为20-2000mm；
所述倍频全反镜为平凹镜，靠近所述三镜折叠腔的凹面镀以对261nm、522nm高反，600-800nm增透的介质膜，远离所述三镜折叠腔的平面镀以600-800nm增透膜，所述倍频全反镜凹面的曲率半径为20-2000mm。
根据权利要求8所述的一种宽温域稳定的全固态倍频激光器，其特征在于，所述倍频晶体为非线性光学晶体，包括但不限于KH2PO4、KD2PO4、LiB3O5、CsLiB6O10、K2AlB2O7、KBe2BO3F2，具体的，所述非线性光学晶体为β-BaB2O4，沿522nm的I类倍频方向加工，切角为θ＝49°，φ＝0°，所述非线性光学晶体的两通光端面均镀有200-800nm增透膜。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种宽温域稳定的全固态激光器及倍频激光器，基于电子热平衡条件下的玻尔兹曼分布原理，实现温度辅助的上能级激光发射增强，结合氟化物晶体具有负热光系数的特点，使激光器能够在宽温域内稳定工作。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为Pr3+离子能级结构示意图。
图2附图为本发明实施例1的全固态连续波522nm激光器结构示意图。
图3附图为本发明实施例1与两种普通固体激光器的使用效果对比。
图4附图为本发明实施例2的一体式全固态连续波522nm激光器结构示意图。
图5附图为本发明实施例3的全固态连续波深紫外激光器结构示意图。
图6附图为本发明实施例4的全固态连续波深紫外激光器结构示意图。
图7附图为本发明实施例5的全固态脉冲波深紫外激光器结构示意图。
其中，1为泵浦源，2为聚焦整形系统，3为谐振腔输入镜，4为激光晶体，5为温度辅助系统，6为谐振腔输出镜，7为脉冲调制器，8为倍频晶体，9为倍频输出镜，10为倍频全反镜，21为凹平柱形透镜，22为凸平柱形透镜，23为双凸圆形透镜。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。
本发明实施例公开了一种宽温域稳定的全固态激光器，包括：泵浦源1、聚焦整形系统2、谐振腔输入镜3、激光晶体4、温度辅助系统5和谐振腔输出镜6；
激光晶体4设置在温度辅助系统5内，温度辅助系统5将激光晶体4的工作温度控制在25℃，泵浦源1发射的泵浦光依次经过聚焦整形系统2、谐振腔输入镜3，照射在激光晶体4上，产生可见激光，经谐振腔输出镜6输出。
为进一步优化上述技术方案，激光晶体4为Pr3+掺杂氟化物晶体，包括但不限于掺镨氟化钇锂晶体Pr3+:YLiF4，掺镨氟化钆锂晶体Pr3+:GdLiF4，或掺镨氟化镥锂晶体Pr3+:LuLiF4，所涉及的能级跃迁为Pr3+离子的3P1→3H5，发射波长位于522nm附近，激光晶体4两个通光端面均镀有400-800nm增透膜。
为进一步优化上述技术方案，述泵浦源1为中心波长444nm的LD，具体的，为分布式反馈LD。
为进一步优化上述技术方案，聚焦整形系统2包含多个透镜，其中，凹平柱形透镜21和凸平柱形透镜22组成光斑整形系统，将泵浦源1输出的泵浦光整形成近似平行的方形光斑，双凸圆形透镜23将整形后的泵浦光束聚焦至所述激光晶体4内；
透镜的参数基于激光谐振腔参数进行设置，使得泵浦光与基频光的光束尺寸相匹配。
为进一步优化上述技术方案，谐振腔为谐振腔输入镜3、谐振腔输出镜6组成的两镜直腔；
其中，谐振腔输入镜3为平凹镜，谐振腔输入镜3靠近泵浦源1的平面镀以对444nm泵浦光增透的介质膜，靠近谐振腔的凹面镀以444nm增透、600-800nm增透、522nm高反的介质膜，谐振腔输入镜3凹面的曲率半径为20mm-∞；
谐振腔输出镜6为平凹镜，谐振腔输出镜6靠近谐振腔的凹面镀以对522nm部分透过、600-800nm增透的介质膜，远离谐振腔的平面镀以600-800nm增透膜，谐振腔输出镜6凹面的曲率半径为20mm-∞
为进一步优化上述技术方案，激光晶体4的泵浦光输入端面镀以444nm增透、600-800nm增透、522nm高反的介质膜，激光输出端面镀以522nm部分透过、600-800nm增透的介质膜。
为进一步优化上述技术方案，谐振腔内设置有脉冲调制器7，包括但不限于电光调Q开关，声光调Q开关，其它用于可见光波段被动调Q运转的可饱和吸收体，获得脉冲形式的可见基频光。
一种宽温域稳定的全固态倍频激光器，其中，谐振腔为三镜折叠腔，三镜折叠腔由谐振腔输入镜3、激光晶体4、倍频晶体8、倍频输出镜9和倍频全反镜10构成V型腔结构，
激光晶体4和倍频晶体8分别置于三镜折叠腔的两臂，泵浦源1发射的泵浦光经聚焦整形系统2后照射在激光晶体4上，产生可见基频光，可见基频光在另一臂的倍频晶体8处倍频，产生倍频光，其波长位于深紫外波段，经倍频输出镜9输出。
为进一步优化上述技术方案，谐振腔输入镜3为平凹镜，谐振腔输入镜3靠近泵浦源1的平面镀以对444nm泵浦光增透的介质膜，靠近三镜折叠腔的凹面镀以444nm增透、600-800nm增透、522nm高反的介质膜，谐振腔输入镜3凹面的曲率半径为20-2000mm；
倍频输出镜9为平凹镜，靠近三镜折叠腔的凹面镀以对261nm增透、522nm高反、600-800nm增透的介质膜，远离三镜折叠腔的平面镀以200-800nm增透膜，倍频输出镜9凹面的曲率半径为20-2000mm；
倍频全反镜10为平凹镜，靠近三镜折叠腔的凹面镀以对261nm、522nm高反，600-800nm增透的介质膜，远离三镜折叠腔的平面镀以600-800nm增透膜，倍频全反镜10凹面的曲率半径为20-2000mm。
根据权利要求8的一种宽温域稳定的全固态倍频激光器，其特征在于，倍频晶体8为非线性光学晶体，包括但不限于KH2PO4、KD2PO4、LiB3O5、CsLiB6O10、K2AlB2O7、KBe2BO3F2，具体的，非线性光学晶体为β-BaB2O4，沿522nm的I类倍频方向加工，切角为θ＝49°，φ＝0°，非线性光学晶体的两通光端面均镀有200-800nm增透膜。
(1)激光晶体的宽温域稳定工作
激光晶体的稳定工作是激光器稳定工作的前提和基础。根据简化的Fuchtbauer-Ladenburg(F-L)公式，可知激光晶体在特定波长的发射截面具有如下性质
其中ΔλinT是与温度无关的非均匀加宽，对于特定晶体ΔλinT是个定值，ΔλT是与温度有关的均匀加宽。从公式(1)可以看出发射截面随温度的变化主要受谱线位置λ(T)、荧光寿命τ(T)和均匀加宽ΔλT的影响。对于常见的激光晶体，通常随温度的增加，谱线位置λ(T)和荧光寿命τ(T)变化不大，而均匀加宽ΔλT显著增加，因此当温度升高时发射截面σem(T)减小。根据连续波激光运转的速率方程，可知输出功率和泵浦阈值具有如下性质：
可见当发射截面σem减小时，输出功率降低，泵浦阈值增加。为此，在不结露的前提下，尽量将激光晶体的温度控制得最低，典型值在5℃附近，以保证最大的发射截面和输出功率。即便如此，当晶体升温时，发射截面的减小、热应力及热透镜效应的增加，以及谐振腔的失稳都使输出功率快速衰减，束质劣化，因此难以实现宽温域稳定工作。
为了解决这一问题，本发明选择Pr3+掺杂氟化物晶体作为激光晶体，可以是掺镨氟化钇锂(Pr3+:YLiF4)晶体，掺镨氟化钆锂(Pr3+:GdLiF4)晶体，或者掺镨氟化镥锂(Pr3+:LuLiF4)晶体。选择的能级跃迁为Pr3+的3P1→3H5，对应的激光发射波长位于525nm附近。之所以这样选择，主要原因是我们发现Pr3+的这一跃迁具有独特的温度辅助上能级激光发射增强效应。Pr3+能级结构如附图1所示，由图可知通过Pr3+的能级跃迁可以产生多个可见波长，分别位于480nm(3P0→3H4)、525nm(3P1→3H5)、610nm(3P0→3H6)、640nm(3P0→3F2)、700nm(3P0→3F3)和720nm(3P0→3F4)附近，在这些波长中只有522nm比较特殊，其激光上能级为3P1，而其它所有波长的激光上能级均为3P0。由热平衡条件下的玻尔兹曼分布原理可知，3P1与3P0两个能级遵循以下规律
其中N2、N1分别为3P1、3P0能级上的粒子集居数，E2、E1分别为3P1、3P0能级对应的能量，k为玻尔兹曼常数，T为温度。在激光运转过程中，晶体内部泵浦区域发热，温度升高，将会改变激光粒子的热分布，N2/N1增大。当445nm泵浦功率恒定时，系统处于热平衡状态，此时由3H4到3P2的跃迁速率是恒定的，相应地单位时间内由3P2弛豫到下能级的粒子总数也是恒定的，N2/N1增大意味着更多的粒子数布居于较高能级3P1，发射截面增大，以3P1为激光上能级的发射增强，而布居于较低能级3P0的粒子数减少，发射截面减小，以3P0为激光上能级的发射减弱。因此，当晶体温度升高时，除525nm之外所有激光发射都将减弱，唯独525nm的激光发射增强。这种温度升高促进激光发射的性质只有Pr3+的3P1→3H5跃迁具有，其余跃迁都不具备，我们称之为温度辅助的上能级激光发射增强效应。从基质晶体的角度考虑，氟化钇锂、氟化钆锂、氟化镥锂具有负折射温度梯度，制成激光器的热稳定性优于普通激光材料。有热透镜效应的激光晶体在一级近似下可以看作一个理想的薄透镜，透镜焦距随着泵浦功率而变化。由于晶体热透镜焦距的变化会引起腔模参数的变化，从而影响到腔的稳定性和光束输出特性，所以减小晶体的热透镜效应对于提高腔的稳定性具有非常重要的作用。氟化钇锂、氟化钆锂、氟化镥锂晶体的散热性一般，泵浦辐射产生的热会使晶体沿着晶体轴的方向膨胀，而它们负的折射温度梯度又抵消了晶体通光面膨胀导致的光程变化，所以这几种晶体的热透镜效应是非常小的，有利于提高谐振腔稳定性。在泵浦条件不变的前提下，当Pr3+:YLiF4、Pr3+:GdLiF4、Pr3+:LuLiF4晶体的温度升高时，3P1→3H5跃迁的增强会导致激光性能的提升，而较弱的热透镜效应会导致激光性能的劣化，两者相互抵消使激光输出在较宽的温度范围内变化很小；反之，当Pr3+:YLiF4、Pr3+:GdLiF4、Pr3+:LuLiF4晶体的温度降低时，3P1→3H5跃迁的减弱会导致激光性能一定程度的下降，而热透镜效应的缓解会导致谐振腔稳定性和激光性能的提升，两者相互抵消同样使激光输出在较宽的温度范围内变化很小。因此，本专利所选择的Pr3+掺杂氟化物晶体的3P1→3H5激光运转具有独特的宽温域稳定工作特性，由于温度辅助的上能级激光发射增强效应，该晶体工作于比普通晶体更高的温度，优选的工作温度为25℃，这是本发明最核心、最主要、最独特的技术方案。此外，从445nm泵浦光到522nm激光发射的量子效率较高(85.2％)，相对于其它Pr3+离子辐射波长如610nm、640nm、700nm、720nm晶体内热沉积较少，这也是一个增加激光输出稳定性的有利因素。
(2)激光器的宽温域稳定工作
为了提升激光器的整机稳定性，应该尽量提升每个能量转换环节的热稳定性，除了激光晶体，另一关键因素是泵浦光源。为此，本发明优选分布式反馈(DFB)半导体激光二极管(LD)作为泵浦源，中心波长位于444nm附近。这种特殊结构的泵浦源内置了布拉格光栅(Bragg Grating)，属于侧面发射的半导体激光器。它是在法布里珀罗(F-P)激光器的基础上采用光栅滤光器件使器件只有一个纵模输出，以F-P腔为谐振腔，发出多纵模相干光的半导体发光器件。这类器件具有输出功率大、发散角小、光谱窄的特点，有很高的边模抑制比，能够在较宽的工作温度和电流范围内抑制普通腔半导体激光器常见的模式跳变，保持单纵模特性，无论输出功率还是输出波长都有很高的热稳定性，为本装置提供了性能可靠的、能够宽温域稳定工作的泵浦源。DFB半导体激光器的单纵模发射特性使其可以准确对准激光晶体的吸收峰，为激光晶体持续地提供功率稳定、波长固定的泵浦能量。它与温度辅助的Pr3+掺杂氟化物晶体522nm激光发射一起，构成本发明激光器宽温域稳定工作的优选技术方案。
(3)倍频激光器的宽温域稳定工作
对于倍频激光器，还需考虑新增能量转换环节，即非线性光学晶体的稳定性。目前可以实现522nm倍频的非线性光学晶体有β-BaB2O4(β-BBO)、KDP(KH2PO4)、DKDP(KD2PO4)、LBO(LiB3O5)、CLBO(CsLiB6O10)、KABO(K2AlB2O7)、KBBF(KBe2BO3F2)等，其中β-BBO、KDP、DKDP、LBO综合性能优良，生长工艺成熟，市场使用普遍。在这四种晶体中，又以β-BBO晶体的非线性光学系数最大，转换效率最高，折射率温度系数最小，倍频温度带宽最大，因而最能满足本发明对于提升温度稳定性的需要。从相位匹配的角度考虑，与I类倍频相位匹配过程相关的是两个折射率(基频慢光、倍频快光)，而与II类倍频相位匹配过程相关的是三个折射率(基频慢光、基频快光、倍频快光)，温度变化引起的折射率改变对后者的影响更大，因此I类倍频相位匹配比II类倍频相位匹配具有更大的温度带宽，更能满足本发明对于提升温度稳定性的需要。为此，本发明的深紫外倍频应用优选β-BBO作为变频晶体，沿522nm的I类倍频方向加工，切角为(θ＝49°,φ＝0°)，理论计算表明当晶体温度变化50℃时，相位匹配角仅变化0.1°。它与温度辅助的Pr3+掺杂氟化物晶体522nm激光发射、DFB半导体激光泵浦一起，构成本发明激光器深紫外倍频宽温域稳定工作的优选技术方案。
实施例1：一种可以宽温域稳定工作的全固态连续波522nm激光器。
激光器结构如图2所示，该装置包括泵浦源1、泵浦光整形聚焦系统2、输入镜3、激光晶体4、温度辅助系统5以及谐振腔输出镜6。所述泵浦源1选用中心波长为444nm的DFB蓝光LD，最高功率3.5W；泵浦光整形聚焦系统2是由多个透镜组成的，包括凹平柱形透镜21、凸平柱形透镜22组成的光束整形系统，以及一个焦距40mm的双凸圆形透镜；谐振腔输入镜3是曲率50mm的平凹镜，其表面镀有417-446nm增透，485-800nm高反的介质膜；激光晶体4是Pr3 +:YLF4晶体，Pr3+离子的掺杂浓度为0.5％，长度为6mm，晶体两通光端面抛光但没有镀膜；温度辅助系统5为控温仪，将激光晶体温度控制在30℃；谐振腔输出镜6是曲率50mm的平凹镜，用于输出522nm激光，其凹面镀有522nm部分反射膜(R＝95％)、600-800nm增透的介质膜(用以抑制600-800nm激光波长的振荡)，平面镀有600-800nm增透的介质膜。
实施例1的使用效果如图3中圆点所示。当晶体温度从5℃上升时，激光输出也在缓慢上升，在25℃达到最大值，随后缓慢下降，在45℃下降到最大值的96.9％，75℃下降到最大值的89.7％。在相近实验条件下，我们测试了两种普通固体激光的输出特性，结果如图3中方块和三角符号所示。当晶体温度从5℃上升时，两种固体激光的输出都在单调下降，在45℃下Pr:YLiF4晶体640nm激光下降到最大值的82.4％，Nd:YVO4晶体1064nm激光下降到最大值的92.5％；在75℃下Pr:YLiF4晶体640nm激光下降到最大值的71.8％，Nd:YVO4晶体1064nm激光下降到最大值的79.2％。这项测试表明，本发明具有宽温域稳定工作的显著优势。
实施例2：一种可以宽温域稳定工作的一体式全固态连续波522nm激光器。
激光器结构如图4所示，该装置包括泵浦源1、泵浦光整形聚焦系统2、两端镀有谐振腔腔镜的一体式激光晶体4以及温度辅助系统5。所述泵浦源1选用中心波长为444nm的DFB蓝光LD，最高功率3.5W；泵浦光整形聚焦系统2是由多个透镜组成的(图4中用单透镜示意)，包括两个柱透镜组成的光束整形系统，以及一个焦距40mm的双凸透镜；激光晶体4是Pr3+:YLF4晶体，Pr3+离子的掺杂浓度为0.5％，长度为6mm，靠近泵浦源的端面镀有417-446nm增透，485-800nm高反的介质膜，作为谐振腔全反镜；另一个端面镀有522nm部分反射膜(R＝95％)、600-800nm增透介质膜，作为谐振腔输出镜。温度辅助系统5为控温仪，将激光晶体温度控制在30℃。与实施例1相比，这种结构更加紧凑，尺寸更小，制作成本更低，装配及调整更加简单。
实施例3：一种可以宽温域稳定工作的全固态连续波深紫外激光器。
激光器结构如图5所示，该装置包括泵浦源1、泵浦光整形聚焦系统2、输入镜3、激光晶体4、温度辅助系统5、倍频输出镜9、倍频晶体8以及倍频全反镜10。所述泵浦源1选用中心波长为444nm的DFB蓝光LD，最高功率3.5W；泵浦光整形聚焦系统2是由多个透镜组成的(图5中用单透镜示意)，包括两个柱透镜组成的光束整形系统，以及一个焦距40mm的双凸透镜；谐振腔输入镜3是曲率50mm的平凹镜，其表面镀有417-446nm增透，485-800nm高反的介质膜；激光晶体4是Pr3+:YLF4晶体，Pr3+离子的掺杂浓度为0.5％，长度为6mm，晶体两通光端面抛光但没有镀膜；倍频输出镜9是曲率50mm的平凹镜，用于输出261nm的倍频光，其凹面镀有261nm增透、522nm高反、600-800nm增透的介质膜(用以抑制600-800nm激光波长的振荡)，平面镀有261nm、600-800nm增透的介质膜；倍频晶体8是β-BBO，沿I类倍频相位匹配方向(θ＝49°,φ＝0°)切割，长度5mm，晶体表面镀有对522nm、261nm增透的介质膜；倍频全反镜10是曲率50mm的平凹镜，凹面镀有261、522nm高反、600-800nm增透的介质膜(用以抑制600-800nm激光波长的振荡)，平面镀有600-800nm增透的介质膜。谐振腔输入镜3和倍频输出镜9组成的V型腔前臂长约100mm，倍频输出镜9和倍频全反镜10组成的V型腔后臂长约100-110mm。DFB蓝光LD泵浦激光晶体4产生522nm可见基频光，经过倍频晶体8第一次产生261nm深紫外激光，经倍频全反镜10反射后，剩余基频光再次经过倍频晶体8并第二次产生261nm深紫外激光，两次产生的深紫外激光从倍频输出镜9输出腔外。
实施例4：一种可以宽温域稳定工作的高功率全固态连续波深紫外激光器。
激光器结构如图6所示，该装置包括泵浦源1、泵浦光整形聚焦系统2、输入镜3、激光晶体4、温度辅助系统5、倍频输出镜9、布角切割的倍频晶体8以及倍频全反镜10。该实施例的构成要素和工作原理与实施例3基本相同，唯一不同之处在于倍频晶体8的两个通光端面是沿布儒斯特(Brewster)角切割的，这种倍频晶体的加工方式可以保证腔内振荡的基频光始终是单一线偏振的，并且有效避免了倍频晶体端面与其他光学元件表面形成子谐振腔从而给晶体表面带来损伤，有利于提高倍频元件的抗光伤阈值并获得更高的深紫外输出功率。
实施例5：一种可以宽温域稳定工作的高功率全固态脉冲波深紫外激光器。
激光器结构如图7所示，该装置包括泵浦源1、泵浦光整形聚焦系统2、谐振腔输入镜3、激光晶体4、温度辅助系统5、倍频输出镜9、倍频晶体8、倍频全反镜10以及脉冲调制器7。该实施例的元件1、2、3、4、5、8、9、10与实施例3相同，所不同的是，在激光晶体4之后增加脉冲调制器7，脉冲调制器调制器7可以是电光调Q开关，或者声光Q开关，或者其它能够用于可见光波段被动调Q的可饱和吸收体。DFB蓝光LD泵浦激光晶体4产生522nm可见基频光，经过脉冲调制器7在输入镜3、倍频输出镜9、倍频全反镜10围成的谐振腔内形成脉冲基频光，在倍频晶体8处发生倍频，产生波长为261nm的脉冲深紫外激光，从倍频输出镜9处输出腔外。
本发明采用温度辅助上能级激光发射增强技术，将特殊激光晶体控制在相对高的温度，25℃。其特殊波长的激光发射具有宽温域稳定工作的显著特色，可以适应温度的大范围变化，能够在高功率水平下长时间稳定工作，延长了全固态激光器的使用寿命，拓展了该类激光器的应用范围。当激光晶体温度从25℃变化±20℃时，采用本发明技术制成的522nm激光器的输出变化为3.1％。在同样的温度范围内，采用普通技术制作的LD泵浦Pr:YLiF4晶体640nm激光器的变化幅度为17.6％，LD泵浦Nd:YVO4晶体1064nm激光器的变化幅度为7.5％。当激光晶体的温度为75℃时，本发明激光器的输出变化为10.3％，采用普通技术制作的LD泵浦Pr:YLiF4晶体640nm激光器的变化幅度为28.2％，LD泵浦Nd:YVO4晶体1064nm激光器的变化幅度为20.8％。由此可见，与传统固体激光技术相比本发明技术方案具有宽温域稳定工作的显著优势。本发明稳定的基频光与热光系数小、温度带宽大的非线性光学晶体相结合，产生的261nm深紫外倍频激光也具有稳定工作的特性。除此之外，本发明还具有结构简单、体积小、重量轻等优点，有利于产业化及批量生产。
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他实施例的不同之处，各个实施例之间相同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。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种宽温域稳定的全固态激光器，其特征在于，包括：泵浦源(1)、聚焦整形系统(2)、谐振腔输入镜(3)、激光晶体(4)、温度辅助系统(5)和谐振腔输出镜(6)；
所述激光晶体(4)设置在所述温度辅助系统(5)内，所述温度辅助系统(5)将所述激光晶体(4)的工作温度控制在25℃，所述泵浦源(1)发射的泵浦光依次经过所述聚焦整形系统(2)、所述谐振腔输入镜(3)，照射在所述激光晶体(4)上，产生可见激光，经所述谐振腔输出镜(6)输出。
2.根据权利要求1所述的一种宽温域稳定的全固态激光器，其特征在于，所述激光晶体(4)为Pr3+掺杂氟化物晶体，包括但不限于掺镨氟化钇锂晶体Pr3+:YLiF4，掺镨氟化钆锂晶体Pr3+:GdLiF4，或掺镨氟化镥锂晶体Pr3+:LuLiF4，所涉及的能级跃迁为Pr3+离子的3P1→3H5，发射波长位于522nm附近，所述激光晶体(4)两个通光端面均镀有400-800nm增透膜。
3.根据权利要求1所述的一种宽温域稳定的全固态激光器，其特征在于，所述泵浦源(1)为中心波长444nm的LD，具体的，为分布式反馈LD。
4.根据权利要求1所述的一种宽温域稳定的全固态激光器，其特征在于，所述聚焦整形系统(2)包含多个透镜，其中，凹平柱形透镜(21)和凸平柱形透镜(22)组成光斑整形系统，将所述泵浦源(1)输出的泵浦光整形成近似平行的方形光斑，双凸圆形透镜(23)将整形后的泵浦光束聚焦至所述激光晶体(4)内；
透镜的参数基于激光谐振腔参数进行设置，使得泵浦光与基频光的光束尺寸相匹配。
5.根据权利要求1所述的一种宽温域稳定的全固态激光器，其特征在于，所述谐振腔为所述谐振腔输入镜(3)、所述谐振腔输出镜(6)组成的两镜直腔；
其中，所述谐振腔输入镜(3)为平凹镜，所述谐振腔输入镜(3)靠近所述泵浦源(1)的平面镀以对444nm泵浦光增透的介质膜，靠近所述谐振腔的凹面镀以444nm增透、600-800nm增透、522nm高反的介质膜，所述谐振腔输入镜(3)凹面的曲率半径为20mm-∞；
所述谐振腔输出镜(6)为平凹镜，所述谐振腔输出镜(6)靠近所述谐振腔的凹面镀以对522nm部分透过、600-800nm增透的介质膜，远离所述谐振腔的平面镀以600-800nm增透膜，所述谐振腔输出镜(6)凹面的曲率半径为20mm-∞。
6.根据权利要求1所述的一种宽温域稳定的全固态激光器，其特征在于，所述激光晶体(4)的泵浦光输入端面镀以444nm增透、600-800nm增透、522nm高反的介质膜，激光输出端面镀以522nm部分透过、600-800nm增透的介质膜。
7.根据权利要求1所述的一种宽温域稳定的全固态激光器，其特征在于，所述谐振腔内设置有脉冲调制器(7)，包括但不限于电光调Q开关，声光调Q开关，其它用于可见光波段被动调Q运转的可饱和吸收体，获得脉冲形式的可见基频光。
8.一种宽温域稳定的全固态倍频激光器，其特征在于，包括权利要求1-7所述的一种宽温域稳定的全固态激光器，
其中，所述谐振腔为三镜折叠腔，所述三镜折叠腔由所述谐振腔输入镜(3)、所述激光晶体(4)、倍频晶体(8)、倍频输出镜(9)和倍频全反镜(10)构成V型腔结构，
所述激光晶体(4)和所述倍频晶体(8)分别置于所述三镜折叠腔的两臂，所述泵浦源(1)发射的泵浦光经所述聚焦整形系统(2)后照射在所述激光晶体(4)上，产生可见基频光，所述可见基频光在另一臂的所述倍频晶体(8)处倍频，产生倍频光，其波长位于深紫外波段，经所述倍频输出镜(9)输出。
9.根据权利要求8所述的一种宽温域稳定的全固态倍频激光器，其特征在于，所述谐振腔输入镜(3)为平凹镜，所述谐振腔输入镜(3)靠近所述泵浦源(1)的平面镀以对444nm泵浦光增透的介质膜，靠近所述三镜折叠腔的凹面镀以444nm增透、600-800nm增透、522nm高反的介质膜，所述谐振腔输入镜(3)凹面的曲率半径为20-2000mm；
所述倍频输出镜(9)为平凹镜，靠近所述三镜折叠腔的凹面镀以对261nm增透、522nm高反、600-800nm增透的介质膜，远离所述三镜折叠腔的平面镀以200-800nm增透膜，所述倍频输出镜(9)凹面的曲率半径为20-2000mm；
所述倍频全反镜(10)为平凹镜，靠近所述三镜折叠腔的凹面镀以对261nm、522nm高反，600-800nm增透的介质膜，远离所述三镜折叠腔的平面镀以600-800nm增透膜，所述倍频全反镜(10)凹面的曲率半径为20-2000mm。
10.根据权利要求8所述的一种宽温域稳定的全固态倍频激光器，其特征在于，所述倍频晶体(8)为非线性光学晶体，包括但不限于KH2PO4、KD2PO4、LiB3O5、CsLiB6O10、K2AlB2O7、KBe2BO3F2，具体的，所述非线性光学晶体为β-BaB2O4，沿522nm的I类倍频方向加工，切角为θ＝49°，φ＝0°，所述非线性光学晶体的两通光端面均镀有200-800nm增透膜。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 张玉霞: "Pr3+：GdLiF4晶体光谱及全固态激光特性研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技Ⅰ辑》, pages 21 - 31 * |
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|---|---|---|---|---|
| CN116544767A (zh) * | 2023-05-23 | 2023-08-04 | 山东大学 | 一种窄束腰的连续波紫外固体激光器 |
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