CN116487983A - 一种黄光自倍频激光器 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种黄光自倍频激光器，包括激励源及设置于所述激励源出光方向上的激光晶体和自倍频晶体，所述激励源输出的第一激励光入射至所述激光晶体，以使所述激光晶体输出第二激励光，所述第二激励光利用所述自倍频晶体自身的激光效应和倍频效应进行波长转换，实现黄光激光输出。本申请有助于提升输出倍频光的光束质量。
Description
技术领域
本申请涉及激光技术领域，尤其是涉及一种黄光自倍频激光器。
背景技术
黄光是指波长处于570nm到590nm之间的光，黄光波段的激光在生物医学、军事研究以及大气环境监测等领域有广泛的应用。
目前，实现黄光激光的技术包括包括非线性和频、拉曼频移后倍频或激光倍频后通过拉曼频移实现；其中，固体激光器也能通过1μm附近激光的受激拉曼散射后再进行倍频获得或者通过1.06μm和1.3μm的激光发射后再和频获得，但是存在三阶非线性和二阶非线性两种光学效应，使得自倍频激光器的频率转换过程复杂，而拉曼频移技术本身就是一种三阶非线性光学过程，所需光强较高，同时无论是拉曼频移后的倍频还是激光倍频后的拉曼，激励光入射至谐振腔时会因为拉曼散射造成输出光线功率降低，无法得到光束质量较高的倍频光。而自倍频黄光一直采用半导体激光作为激励源，半导体光束质量差与自倍频模式匹配不兼容，导致一直以来自倍频激光输出光束质量极差。
因此，亟需一种黄光自倍频激光器。
发明内容
为了提升激光器输出倍频光的光束质量，本申请提供一种黄光自倍频激光器。
采用如下技术方案：
一种黄光自倍频激光器，包括激励源及设置于所述激励源出光方向上的激光晶体和自倍频晶体，所述激励源输出的第一激励光入射至所述激光晶体，以使所述激光晶体输出第二激励光，所述第二激励光利用所述自倍频晶体自身的激光效应和倍频效应进行波长转换，实现黄光激光输出。
通过采用上述技术方案，仅用激励源、激光晶体以及自倍频晶体即可而实现倍频输出黄光，不再采用复杂的和频过程或拉曼效应，即无需采用复杂的非线性激光系统，降低了激光器结构设计和镀膜的复杂性，结构更为简单紧凑，易于实现，成本低，以提升输出光线的光斑质量和激光功率，从而提升倍频光的光束质量。
可选的，所述激励源和所述激光晶体之间设置有第一透镜，所述激光晶体与所述自倍频晶体之间设置有第二透镜，所述第一透镜用于会聚所述激励源输出的所述第一激励光，所述第二透镜用于会聚所述激光晶体输出的所述第二激励光。
通过采用上述技术方案，在激光晶体通光面的两侧均设置会聚透镜，有助于将激励源出射的激光会聚至激光晶体中，并将激光晶体激发的激励光会聚至自倍频晶体中，由于从激光晶体输出的近红外激光光束质量较好，可以有效的与自倍频晶体模式兼容，可以提升出射的光线的激光输出功率和光斑质量。
可选的，所述自倍频晶体的入光面镀以1020-1030nm高透过和1140nm高反射的介质膜，所述自倍频晶体的出光面镀以1020-1030nm和1140nm高反射、570nm高透过的介质膜。
可选的，所述自倍频晶体的切割角度为θ=120.6°，φ=38.7°。
通过采用上述技术方案，在保证倍频带宽不衰减的同时转换效率显著提高，使得自倍频晶体在该切割角度下能够具有较优的1140nm的光线转换为570nm的转换效率。
可选的，所述激光晶体的通光长度为20-100nm，所述自倍频晶体的通光长度为0.5-20nm。
通过采用上述技术方案，激光晶体的通光长度为20-100mm，在具有激励作用的激光晶体中，适当的晶体通光长度有助于提高输出光束脉冲能量，并提升输出光束的输出功率，自倍频晶体的通光长度为0.5-20mm，在自倍频晶体中选取合适的通光长度有助于实现相位匹配，以此提升基频光转换至倍频光的转换效率。
可选的，所述激光晶体和所述自倍频晶体均为掺镱硼酸钙氧钇晶体。
通过采用上述技术方案，掺镱硼酸钙氧钇晶体易生长成大尺寸晶体，相对地可降低自倍频晶体成本，同时具有较高的二阶非线性光学系数和高光损伤阈值，使得掺镱硼酸钙氧钇晶体器件可输出高光束质量的黄光激光，并且能够提升在晶体器件单位面积上所能承受的最大激光功率，有助于通过提升激励源输出的激光功率来进一步提升输出黄光激光的激光功率。
可选的，所述黄光自倍频激光器还包括输入镜和输出镜，所述输入镜设置于所述第二透镜和所述自倍频晶体之间，所述输出镜设置于所述自倍频晶体的出光路径上。
通过采用上述技术方案，通过在自倍频晶体通光面的两侧设置输入镜和输出镜，以形成谐振腔，在获取拥有较高光束质量的激励光后，能够通过自倍频晶体的激光效应和倍频效应形成光束质量相对较高的黄光激光。
可选的，所述输入镜的通光面镀以1020-1030nm高透过、1140nm和570nm高反射的介质膜，所述输出镜的通光面镀以1020-1030nm和1140nm高反射、570nm高透过的介质膜。
通过采用上述技术方案，在输入镜和输出镜的通光面对应镀设的介质膜，以减少对激励光1020-1030nm波段的损耗，同时在输入镜镀设1140nm和570nm高反射的介质膜以提升基频光在谐振腔内的频振次数，从而实现黄光波段有效输出。
可选的，所述输出镜为凹面镜，所述凹面镜的曲率半径为50mm-1000mm。
通过采用上述技术方案，在由输入镜、自倍频晶体以及输出镜形成的谐振腔中，选用凹面镜作为输出镜有利于基频光在谐振腔中振荡，曲率半径选取在50nm-1000nm时，曲率半径越大，反射至自倍频晶体的基频光振荡次数越多，以此增加自倍频晶体对于基频光的吸收效率。
可选的，所述激励源为半导体激光器、固体激光器或光纤激光器中的任意一种。
综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：
1.仅用激励源、激光晶体以及自倍频晶体即可而实现倍频输出黄光，不再采用复杂的和频过程或拉曼效应，即无需采用复杂的非线性激光系统，降低了激光器结构设计和镀膜的复杂性，结构更为简单紧凑，易于实现，成本低，以提升输出光线的光斑质量和激光功率，从而提升倍频光的光束质量；
2.掺镱硼酸钙氧钇晶体易生长成大尺寸晶体，相对地可降低自倍频晶体成本，同时具有较高的二阶非线性光学系数和高光损伤阈值，使得掺镱硼酸钙氧钇晶体器件可输出高光束质量的黄光激光，并且能够提升在晶体器件单位面积上所能承受的最大激光功率，有助于通过提升激励源输出的激光功率来进一步提升输出黄光激光的激光功率。
附图说明
图1是本申请第一实施例提供的一种黄光自倍频激光器的光路示意图；
图2是本申请第二实施例提供的一种黄光自倍频激光器的光路示意图；
图3是本申请第二实施例提供的一种黄光自倍频激光器的工作原理图；
图4是本申请提供的掺镱硼酸钙氧钇晶体的吸收图谱。
附图标记说明：1、激励源；2、激光晶体；3、自倍频晶体；4、第一透镜；5、第二透镜；6、输入镜；7、输出镜。
具体实施方式
以下结合附图1-3对本申请提供一种黄光自倍频激光器的作进一步详细说明。
在对本发明实施例进行介绍之前，首先对本发明实施例中涉及的一些名词进行定义和说明。
非线性光学效应：由电磁辐射所产生，但其响应却与照度不成比例的一种现象。其中，以一定频率的入射光，可以通过与介质的相互作用而转换为其他频率的光，即除原来的频率ω外，还将出现2ω、3ω等的高次谐波，还可以产生一系列在光谱上周期分布的不同频率和光强的光。
拉曼散射（拉曼效应）：一定频率的激光照射到样品表面时，物质中的分子与光子发生能量转移，振动态（例如：原子的摆动和扭动，化学键的摆动和振动）发生不同方式和程度的改变，然后散射出不同频率的光。
本发明中的本发明中的“高反射”和“高透过”具有本领域的公知含义。
“高反射”是指对特定波长或波段入射光的反射率大于99%。
“高透过”是指对特定波长或波段光的透过率大于95%。
参考图1，本申请的第一实施例提供了一种黄光自倍频激光器，包括激励源1及设置于激励源1出光方向上的激光晶体2和自倍频晶体3。
激励源1用于发射第一激励光，其中，激励源1为连续波激光器，该连续波激光器的激励方式可以是半导体激光激励或固态激光激励。
激光晶体2用于将激励源1输出的第一激励光转换为第二激励光，其中，第一激励光与第二激励光的波长不同。
在一个示例中，第一激励光可以为由半导体激光器或固体激光器发射的波长为976nm的光线，第二激励光为第一激励光经由激光晶体激发产生的近红外激光，近红外激光包括但不限于波长为1020-1030nm的激光。
自倍频晶体3用于将输入自倍频晶体3的近红外激光根据二阶非线性光学效应，使得1140nm的基频光倍频后形成570nm的黄光激光。
其中，激光晶体2和自倍频晶体3均为掺镱硼酸钙氧钇晶体，掺镱硼酸钙氧钇晶体易生长成大尺寸晶体，相对地可降低自倍频晶体3成本，同时具有较高的二阶非线性光学系数和高光损伤阈值，使得掺镱硼酸钙氧钇晶体器件可输出高光束质量的黄光激光，并且能够提升在晶体器件单位面积上所能承受的最大激光功率，有助于通过提升激励源1输出的激光功率来进一步提升输出黄光激光的激光功率。
且激光晶体2与自倍频晶体3中的Yb离子掺杂浓度根据设备需求进行选择，上述掺镱硼酸钙氧钇晶体在850-1050nm范围内保持有稍强吸收能力。激光晶体2沿光学主轴Y轴方向切割，自倍频晶体3的切割角度为θ=120.6°，φ=38.7°，即570nm最佳晶体相位匹配方向切割，使得基频光达到一类相位匹配，能够在保证倍频带宽不衰减的同时显著提高转换效率，使得自倍频晶体3在该切割角度下能够具有较优的1140nm基频光转换为570nm倍频光的转换效率。
掺镱硼酸钙氧钇晶体还可以替换为能够出射黄光掺镱钙氧硼酸盐晶体，其中，掺镱钙氧硼酸盐晶体的化学式为Yb:ReCa4O(BO3)3(Yb:ReCOB),其中的Re代表Y(钇)和镧系稀土元素Gd、La。该类晶体属于空间群Cm和点群m，是对称性较低的双周晶体，化学性质稳定，不易潮解，二阶非线性光学特性和适中的非线性光学系数（d11=1.5 pm/V）抗损伤阈值高（＞1 GW/cm2），易于生长大尺寸高光学质量晶体等优点。同时具有较宽的透过光谱（200-3700nm），因此掺镱稀土钙氧硼酸盐晶体在自倍频二阶非线性光学应用中有着重要的背景。Yb3+受镧系收缩作用影响，具有较小的离子半径，且该离子掺杂晶体的电子-声子耦合作用较强，可获得超越荧光光谱的激光发射，并基于倍频效应输出黄光。同时，YCOB是兼具自倍频效应和强电子-声子耦合作用的晶体，Yb3+离子掺杂后，可实现Yb:YCOB晶体高功率、高效自倍频黄光激光输出。
激光晶体2的通光长度为20-100mm，在具有激励作用的激光晶体2中，适当的晶体通光长度有助于提高输出光束脉冲能量，并提升输出光束的输出功率。优选地，激光晶体2的通光长度为60nm，在该通光长度下，由激光晶体2激励产生的近红外激光具有最优的激光输出功率，自倍频晶体3的通光长度为0.5-20mm，在自倍频晶体3中选取合适的通光长度有助于实现相位匹配，优选地，自倍频晶体3的通光长度为8mm时，基频光1140nm转换为倍频光570nm的转换效率最高。
激励源1与激光晶体2之间设置有第一透镜4，激光晶体2与自倍频晶体3之间设置有第二透镜5，且第一透镜4的焦点在激光晶体2的入光面上，第二透镜5的焦点在自倍频晶体3的入光面上，第一透镜4用于会聚激励源1输出的激光，第二透镜5用于会聚激光晶体2输出的近红外激光。在激光晶体2通光面的两侧均设置会聚透镜，有助于将激励源1出射的激光会聚至激光晶体2中，并将激光晶体2激发的激励光会聚至自倍频晶体3中，进而提升出射的光线的激光输出功率和光斑质量。激励源1、第一透镜4、激光晶体2、第二透镜5以及自倍频晶体3的光轴均处于同一直线。
为实现黄光波段有效输出，减少对近红外激光的损耗，自倍频晶体3的入光面镀以1020-1030nm高透过和1140nm高反射的介质膜，自倍频晶体3的出光面镀以1020-1030nm和1140nm高反射、570nm高透过的介质膜。在自倍频晶体3的通光面镀设对应的介质膜，以提升激励光的光线输入率，同时尽量避免在出射倍频光时，激励光与倍频光一齐出射。
本方案仅用激励源1、激光晶体2以及自倍频晶体3即可而实现倍频输出黄光，不再采用复杂的和频过程或拉曼效应，即无需采用复杂的非线性激光系统，降低了激光器结构设计和镀膜的复杂性，结构更为简单紧凑，易于实现，成本低，由于从激光晶体输出的近红外激光（1020-1030nm）光束质量较好，可以有效的与自倍频晶体模式兼容，可以提升出射的光线的激光输出功率和光斑质量。
实施原理：激励源1出射的激励光通过第一透镜4会聚于激光晶体2，激光晶体2吸收激励光产生波长为1020-1030nm的近红外激光，近红外激光通过第二透镜5会聚至自倍频晶体3中，输入自倍频晶体3中的近红外激光由于掺镱硼酸钙氧钇晶体的激光效应和二阶非线性光学效应，以产生二倍频率的激光，即通过非线性光学频率转换实现570nm的高光束质量黄色激光输出。
请参阅图2，图2为本申请第二实施例提供的一种黄光自倍频激光器的示意图，第二实施例提供的黄光自倍频激光器的结构与第一实施例的黄光自倍频激光器的结构基本相同，其不同之处在于，在本实施例中，在自倍频晶体3的两侧分别设置有输入镜6和输出镜7，其中，输入镜6设置于第二透镜5和自倍频晶体3之间，输出镜7设置于自倍频晶体3的出光路径上。
增加的输入镜6和输出镜7形成激光谐振腔，为减少对激励光的损耗和抑制1020-1030nm波段起振，需在谐振腔上镀以对该波段高透过的介质膜，即为输入镜6通光方向镀以对1020-1030nm高透过的介质膜，输出镜7镀570nm高透过的介质膜；为实现黄光波段有效输出，输入镜6还需镀以对1140nm和570nm高反射的介质膜，输出镜7镀以对1020-1030nm高反射且对1140nm高反射的介质膜。优选地，在输出镜7的通光面镀以对570nm透过率大于95%的介质膜。且自倍频晶体3的两个通光面均镀以1020-1030nm、1140nm以及570nm高透过的介质膜。
其中，输出镜7为凹面镜，凹面镜的曲率半径为50-1000mm，激励源1为光纤激光器。在由输入镜6和输出镜7形成的谐振腔中，选用凹面镜作为输出镜7有利于基频光在谐振腔中振荡，曲率半径选取在50-1000mm，曲率半径越大反射至自倍频晶体3的基频光振荡次数越多，以增加自倍频晶体3对于基频光的吸收效率。输出镜7和输入镜6之间的距离选取为15-200mm，其有利于基频光振荡。
实施原理：激励源1出射的激励光通过第一透镜4会聚于激光晶体2，激光晶体2吸收激励光产生波长为1020-1030nm及1140nm的近红外激光，近红外激光通过第二透镜5会聚至由输入镜6、自倍频晶体3以及输出镜7组成的谐振腔中，近红外激光在该谐振腔中不停振荡并发生拉曼散射，以产生二倍频率的激光。
如图2和图3所示，激励源1、第一透镜4以及激光晶体2可以替换为输出光线波长为1020-1030nm的光纤激光器，通过使用光纤激光器提供高能量密度和高光斑质量的光束，来减少因谐振腔中拉曼散射造成的功率损失。
参考图4，掺镱硼酸钙氧钇晶体吸收图谱的横坐标为波长，纵坐标为透过率。可以清楚的看到该晶体在900nm左右以及975nm左右，P光和S光的透过率较低，而在波长小于850nm和波长大于1025nm处，P光和S光的透过率最高。通过理论计算可以得出，当波长大于1025nm的光透过掺镱硼酸钙氧钇晶体时，只要掺镱硼酸钙氧钇晶体掺杂浓度较高，一样能实现对激励激光的有效吸收，能够得到功率高、光束质量更好的倍频光。
本具体实施方式的实施例均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种黄光自倍频激光器，其特征在于：包括激励源(1)及设置于所述激励源(1)出光方向上的激光晶体(2)和自倍频晶体(3)，所述激励源(1)输出的第一激励光入射至所述激光晶体(2)，以使所述激光晶体(2)输出第二激励光，所述第二激励光利用所述自倍频晶体(3)自身的激光效应和倍频效应进行波长转换，实现黄光激光输出。
2.根据权利要求1所述的黄光自倍频激光器，其特征在于：所述激励源(1)和所述激光晶体(2)之间设置有第一透镜(4)，所述激光晶体(2)与所述自倍频晶体(3)之间设置有第二透镜(5)，所述第一透镜(4)用于会聚所述激励源(1)输出的所述第一激励光，所述第二透镜(5)用于会聚所述激光晶体(2)输出的所述第二激励光。
3.根据权利要求1所述的黄光自倍频激光器，其特征在于：所述自倍频晶体(3)的入光面镀以1020-1030nm高透过和1140nm高反射的介质膜，所述自倍频晶体(3)的出光面镀以1020-1030nm和1140nm高反射、570nm高透过的介质膜。
4.根据权利要求1所述的黄光自倍频激光器，其特征在于：所述自倍频晶体(3)的切割角度为θ=120.6°，φ=38.7°。
5.根据权利要求1所述的黄光自倍频激光器，其特征在于：所述激光晶体(2)的通光长度为20-100nm，所述自倍频晶体(3)的通光长度为0.5-20nm。
6.根据权利要求1所述的黄光自倍频激光器，其特征在于：所述激光晶体(2)和所述自倍频晶体(3)均为掺镱硼酸钙氧钇晶体。
7.根据权利要求2所述的黄光自倍频激光器，其特征在于：所述黄光自倍频激光器还包括输入镜(6)和输出镜(7)，所述输入镜(6)设置于所述第二透镜(5)和所述自倍频晶体(3)之间，所述输出镜(7)设置于所述自倍频晶体(3)的出光路径上。
8.根据权利要求7所述的黄光自倍频激光器，其特征在于：所述输入镜(6)的通光面镀以1020-1030nm高透过、1140nm和570nm高反射的介质膜，所述输出镜(7)的通光面镀以1020-1030nm和1140nm高反射、570nm高透过的介质膜。
9.根据权利要求8所述的黄光自倍频激光器，其特征在于：所述输出镜(7)为凹面镜，所述凹面镜的曲率半径为50-1000mm。
10.根据权利要求1-9任意一项所述的黄光自倍频激光器，其特征在于：所述激励源(1)为半导体激光器、固体激光器或光纤激光器中的任意一种。
Priority Applications (1)
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Family Applications (1)
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