CN116845685A - 一种高效稳定的全固态可见光激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高效稳定的全固态可见光激光器，包括：沿光路依次设置的泵浦源、聚焦系统、谐振腔输入镜、激光晶体和激光输出镜；泵浦源发射的泵浦光依次经过聚焦系统、所述谐振腔输入镜，照射在所述激光晶体上，产生可见激光，经激光输出镜输出；其中，所述激光晶体为Pr3+掺杂氟化物晶体。该可见光激光器，基于ABCD矩阵，可计算谐振腔内束腰面积大小，实现谐振腔基频光功率密度的提升，并进一步结合Pr3+掺杂氟化物晶体长度的改变，可提高固体激光器的光束质量，可使激光器能够高效稳定工作。
Description
技术领域
本发明涉及激光技术领域，更具体的说是涉及一种高效稳定的全固态可见光激光器。
背景技术
激光具有单色性好、相干性好、方向性好、亮度高等特点，被誉为20世纪最伟大的发现。激光器按常见的工作物质划分可分为气体激光器、固体激光器、染料激光器以及半导体激光器，其中固体激光器由于输出的能量大、峰值功率高、结构紧凑、结实耐用、价格适宜、种类丰富并且波长覆盖面较广等优点而备受关注。对于可见光激光，除了用于激光显示外，在医疗、工业、通讯、量子信息等领域也有着广泛应用。例如，在激光医疗中绿光激光可用于视网膜病变的激光手术治疗；相比于红外激光，在工业中使用可见光进行激光加工的效率更高；通讯领域中由于海水在蓝绿光波段透明度最好，因此蓝绿光激光被认为是水下通讯最好的光源。
采用固态增益介质获得可见光是目前应用最为广泛的手段，可通过可见光激光二极管、利用非线性光学材料对红外光进行激光倍频、基于非线性过程的光学参量振荡、掺杂稀土离子的上转换、掺杂稀土离子的直接下转换等方式获得可见光激光。在掺杂稀土离子的直接下转换获得可见光激光的方式中，镨离子(Pr3+)与其他稀土掺杂离子相比由于其有丰富的激光发射谱线，且谱线的波长范围几乎覆盖了整个可见光区域而备受关注，因此对掺Pr3+固体激光器研究也最为广泛。不论是有关掺Pr3+固体激光器的连续输出还是调Q和锁模，科研人员都对其进行了较为细致的研究。
随着信息化时代的发展,人们对特殊波段激光的关注越来越多,促使各国学者的研究重心往新波段优良激光器的方向转变,比如可见光波段和中红外波段。其中,可见光波段(380～780nm)激光不仅在人们日常生活中有广泛的应用(比如激光头灯、激光提示器、医学、投影仪以及数据存储方面),并且也能应用到其他很多领域(比如新一代显示技术、显微镜、可见光通讯、高端材料制备以及科研等)。2014年,诺贝尔物理学奖授予大功率蓝光LED的突破,很大程度上反应了可见光激光在未来发展的重要性。诺贝尔物理学奖的成果很大程度上推动了蓝光InGaN和GaN激光二极管的商品化。
因此，如何提高固体激光器的光束质量，以满足实际应用中对高功率、高质量可见光激光的需求。同时，随着可见光激光在各个领域的应用越来越广泛，如何进一步提高其效率和稳定性，是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种高效稳定的全固态可见光激光器，可解决实际应用中对高功率、高质量可见光激光的需求问题，以便实现高效稳定的工作。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种高效稳定的全固态可见光激光器，包括：沿光路依次设置的泵浦源、聚焦系统、谐振腔输入镜、激光晶体和激光输出镜；
所述泵浦源发射的泵浦光依次经过所述聚焦系统、所述谐振腔输入镜，照射在所述激光晶体上，产生可见激光，经激光输出镜输出；
其中，所述激光晶体为Pr3+掺杂氟化物晶体。
优先的，所述Pr3+掺杂氟化物晶体，包括：
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，或掺镨铝酸钇晶体Pr3+:YAlO3。
优先的，所述Pr3+掺杂氟化物晶体，所涉及的能级跃迁为Pr3+离子的3P1→3H5，3P0→3H6，3P0→3F2，3P0→3F3，3P0→3F4，发射波长位于522nm，607nm，640nm，698nm和720nm附近，所述激光晶体两个通光端面均镀有400-800nm增透膜。
优先的，所述泵浦源为中心波长444nm的分布式反馈LD。
优先的，所述聚焦系统包含多个透镜，用于将泵浦光束聚焦至所述激光晶体内；
各个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。
优先的，所述激光谐振腔为由所述谐振腔输入镜和激光输出镜组成的凹平谐振腔；
其中，所述谐振腔输入镜为平凹镜，凹面的曲率半径为50mm；所述激光输出镜为平平镜；
所述平凹镜与所述平平镜的两个光端面均镀有与输出不同波长激光的对应介质膜。
优先的，所述激光晶体的长度为7mm。
优先的，所述激光谐振腔内设置有脉冲调整器；
所述脉冲调整器包括：电光调Q开关、声光调Q开关和用于可见光波段被动调Q运转的可饱和吸收体。
优先的，所述激光晶体放置在谐振腔的束腰最小处。
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高效稳定的全固态可见光激光器，包括：沿光路依次设置的泵浦源、聚焦系统、谐振腔输入镜、激光晶体和激光输出镜；泵浦源发射的泵浦光依次经过聚焦系统、所述谐振腔输入镜，照射在所述激光晶体上，产生可见激光，经激光输出镜输出；其中，所述激光晶体为Pr3+掺杂氟化物晶体。该可见光激光器，基于ABCD矩阵，可计算谐振腔内束腰面积大小，实现谐振腔基频光功率密度的提升，并进一步结合Pr3+掺杂氟化物晶体长度的改变，可提高固体激光器的光束质量，可使激光器能够高效稳定工作。
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为本发明实施例1提供的高效稳定的全固态可见光激光器结构示意图；
图2为本发明提供的为Pr3+离子能级结构示意图；
图3为本发明实施例2提供的高效稳定的全固态可见光激光器结构示意图。
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。
参照图1所示，本发明实施例公开了一种高效稳定的全固态可见光激光器，包括：沿光路依次设置的泵浦源1、聚焦系统2、谐振腔输入镜3、激光晶体4、激光输出镜5。
泵浦源1发射的泵浦光依次经过聚焦系统2、谐振腔输入镜3，照射在激光晶体4上，产生可见激光，由激光输出镜5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，或掺镨铝酸钇晶体Pr3+:YAlO3。参照图2所示，所涉及的能级跃迁为Pr3+离子的3P1→3H5，3P0→3H6，3P0→3F2，3P0→3F3，3P0→3F4，发射波长位于522nm，607nm，640nm，698nm和720nm附近，激光晶体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，泵浦源1为中心波长444nm的LD，具体的，为分布式反馈LD(分布式反馈半导体激光器)，是利用沿有源波导形成的衍射光栅的布拉格反射来统一激光纵模的激光器。它提供高波长稳定性和窄线宽，设置衍射光栅的间距可以获得所需的波长。
为进一步优化上述技术方案，聚焦系统2包含多个透镜。
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，激光谐振腔为谐振腔输入镜3和激光输出镜5组成的凹平谐振腔；
其中，谐振腔输入镜3为平凹镜，当激光输出镜5输出522nm激光时，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、522nm高反、600-800nm增透的介质膜；
当输出607nm激光时谐振腔输入镜3靠近泵浦源3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、607nm高反，620-800nm增透的介质膜；
当输出640nm激光时谐振腔输入镜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、640nm高反的介质膜；
当输出698nm激光时谐振腔输入镜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、698nm高反，600-650nm、710nm-800nm增透的介质膜；
输出720nm激光时谐振腔输入镜1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、720nm高反，600-650nm增透的介质膜；谐振腔输入镜3凹面的曲率半径为50mm；
激光输出镜5为平平镜，激光输出镜5靠近凹平谐振腔的平面镀以500-800nm反射率为96％的介质膜，远离凹平谐振腔的平面镀以500-800nm增透膜；
为进一步优化上述技术方案，谐振腔内设置有脉冲调制器6，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激光。
该可见光激光器，基于ABCD矩阵，可计算谐振腔内束腰面积大小，实现谐振腔基频光功率密度的提升，并进一步结合Pr3+掺杂氟化物晶体长度的改变，可提高固体激光器的光束质量，可使激光器能够高效稳定工作。
其中，谐振腔内束腰面积的计算：
ABCD矩阵也被称作光线传输矩阵(Raytransfermatrix)。其本质就是把近轴光线追迹公式在不同折射面之间的交替运算，用线性代数的方式转换成矩阵之间的运算。ABCD矩阵或者光线传输矩阵是一个2*2矩阵，是描述某一光学元件在激光光束中的作用。可以用于光线光学，其中光以几何的射线传输，或者在高斯光束传输时可以用到。
当角度很小时(傍轴近似)，在经过光学元件之前与之后，坐标r和θ之间具有线性关系。下面的矩阵方程可以用来计算该光学元件对参数的改变情况：
其中r为横向偏移，初始傍轴光线相对光轴的距离；θ为偏移角，初始傍轴光线相对光轴的发散角；r'、θ'指的是经光学元件后的傍轴光线相对光轴的距离与发散角。球面镜反射矩阵为R指的是球面镜的曲率半径,凹面镜取负值,凸面镜取正值；由公式(1)可以计算球面镜腔中往返一周的光线矩阵：
其中：
这个公式指的是凹平腔内光束传播的ABCD矩阵公式；R1是输入镜凹镜的曲率半径,L为谐振腔长。
由公式(2)进一步推算往返n次后的光线矩阵，最终得到：
其中：
指的是经多次传播中的光束与光轴的夹角。
而光在两反射镜之间来回不断反射，必须要保证光在腔内来回反射过程中始终不离开谐振腔的腔，即稳定腔，其稳定条件为：
A为上述ABCD矩阵的[1,1]项元素,为具体值；同样,D为上述ABCD矩阵的[2,2]项元素,为具体值。
由以上公式可以看出，必须要保证谐振腔为稳定腔，再将腔内束腰尽量缩小，获得更高的光功率密度，首先选择一个曲率半径为50mm的凹镜作为谐振腔镜，采用的腔型为共心谐振腔。并将激光晶体分别放置在谐振腔的束腰最小处，获得更小的光斑，提高激光器的光转换效率。
实施例1：一种可以高效稳定工作的全固态连续波522nm激光器。
激光器结构如图1所示，该装置包括泵浦源1、泵浦光聚焦系统2、输入镜3、激光晶体4和激光输出镜5。泵浦源1选用中心波长为444nm的DFB蓝光LD(包括DFB型的蓝光半导体激光器)，最高功率3.5W；泵浦光聚焦系统2是由多个透镜组成的，包括凹平柱形透镜、凸平柱形透镜组成的光束聚焦系统，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+:LiYF4晶体，Pr3+离子的掺杂浓度为0.5％，长度为7mm，晶体两通光端面抛光但没有镀膜；激光输出镜5是平镜，面向谐振腔一侧对522nm激光透过率为4％，用于输出522nm激光。
实施例2：一种可以高效稳定工作的高功率全固态脉冲波可见光激光器。
激光器结构如图3所示，该装置包括泵浦源1、泵浦光聚焦系统2、谐振腔输入镜3、激光晶体4、激光输出镜5以及脉冲调制器6。该实施例的元件1、2、3、4、5与实施例1相同，所不同的是，在激光晶体4之后增加脉冲调制器6，脉冲调制器调制器6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可见激光，经过脉冲调制器6在输入镜3和激光输出镜5围成的谐振腔内形成脉冲激光并输出腔外。
本发明采用缩小谐振腔模式束腰，增长晶体长度来减缓晶体端面损伤。采用两凹镜谐振腔，获得极小的谐振腔模式束腰，增大了光功率密度，提高激光输出效率。使用长的晶体，增大晶体端面的光斑面积，减缓晶体端面的光损伤。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。与传统固体激光技术相比本发明技术方案具有高效稳定工作的显著优势。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 (9)
1.一种高效稳定的全固态可见光激光器，其特征在于，包括：沿光路依次设置的泵浦源(1)、聚焦系统(2)、谐振腔输入镜(3)、激光晶体(4)和激光输出镜(5)；
所述泵浦源(1)发射的泵浦光依次经过所述聚焦系统(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，经激光输出镜(5)输出；
其中，所述激光晶体为Pr3+掺杂氟化物晶体。
2.根据权利要求1所述的一种高效稳定的全固态可见光激光器，其特征在于，所述Pr3+掺杂氟化物晶体，包括：
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，或掺镨铝酸钇晶体Pr3+:YAlO3。
3.根据权利要求2所述的一种高效稳定的全固态可见光激光器，其特征在于，所述Pr3+掺杂氟化物晶体，所涉及的能级跃迁为Pr3+离子的3P1→3H5，3P0→3H6，3P0→3F2，3P0→3F3，3P0→3F4，发射波长位于522nm，607nm，640nm，698nm和720nm附近，所述激光晶体两个通光端面均镀有400-800nm增透膜。
4.根据权利要求1所述的一种高效稳定的全固态可见光激光器，其特征在于，所述泵浦源(1)为中心波长444nm的分布式反馈LD。
5.根据权利要求1所述的一种高效稳定的全固态可见光激光器，其特征在于，所述聚焦系统(2)包含多个透镜，用于将泵浦光束聚焦至所述激光晶体(4)内；
各个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。
6.根据权利要求5所述的一种高效稳定的全固态可见光激光器，其特征在于，所述激光谐振腔为由所述谐振腔输入镜(3)和激光输出镜(5)组成的凹平谐振腔；
其中，所述谐振腔输入镜(3)为平凹镜，凹面的曲率半径为50mm；所述激光输出镜(5)为平平镜；
所述平凹镜与所述平平镜的两个光端面均镀有与输出不同波长激光的对应介质膜。
7.根据权利要求1所述的一种高效稳定的全固态可见光激光器，其特征在于，所述激光晶体(4)的长度为7mm。
8.根据权利要求6所述的一种高效稳定的全固态可见光激光器，其特征在于，所述激光谐振腔内设置有脉冲调整器(6)；
所述脉冲调整器(6)包括：电光调Q开关、声光调Q开关和用于可见光波段被动调Q运转的可饱和吸收体。
9.根据权利要求6所述的一种高效稳定的全固态可见光激光器，其特征在于，所述激光晶体(4)放置在谐振腔的束腰最小处。
Priority Applications (1)
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| CN202310811154.8A CN116845685A (zh) | 2023-07-04 | 2023-07-04 | 一种高效稳定的全固态可见光激光器 |
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| CN116845685A true CN116845685A (zh) | 2023-10-03 |
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