CN117650418A - 一种偏振可调的绿光激光器 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种偏振可调的绿光激光器，涉及固体激光器技术领域，包括泵浦源、激光晶体、Q开关以及偏振调节模块，泵浦源输出的泵浦光入射至激光晶体，以使激光晶体输出激励光，激励光输入Q开关后产生脉冲光，并将脉冲光输入偏振调节模块；偏振调节模块包括第一分光镜、第一自倍频晶体、第二自倍频晶体、与第一自倍频晶体连接的第一温控单元、与第二自倍频晶体连接的第二温控单元以及反射镜，第一温控单元和第二温控单元分别用于调控第一自倍频晶体和第二自倍频晶体的温度，以使偏振调节模块输出偏振方向连续变化的绿色光束。本发明有助于产生偏振方向连续变化的绿色。

Description

一种偏振可调的绿光激光器

技术领域

本发明涉及固体激光器技术领域，尤其涉及一种偏振可调的绿光激光器。

背景技术

激光是近代科学技术中的重大发明之一，其中，端面泵浦的532nm波段激光应用于冷加工领域，在金属、非金属以及精密加工中的应用价值尤其突出。由于端泵可获得较高的光束质量，获取光束质量优良，能长效稳定运行的端泵绿光激光，对日渐增长的激光加工行业，意义重大。

公开号为CN116722429B的中国专利公开了一种高光束质量的长脉宽绿光激光器，包括：半导体激光器、耦合透镜组、第一基频光反射镜、调Q器件、第二基频光反射镜、激光晶体、补偿透镜、分色镜、自倍频晶体以及双波长反射镜；所述第一基频光反射镜、第二基频光反射镜、补偿透镜、分色镜以及所述双波长反射镜构成产生基频光振荡的谐振腔，所述半导体激光器出射的激光脉冲，经由所述谐振腔后由所述分色镜输出绿色光束。上述长脉宽绿光激光器仅能单独实现绿色光束的竖直偏振或垂直偏振，因此，提供一种偏振可调的绿光激光器，以提供偏振方向连续变化的绿色光束，是非常有必要的。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种偏振可调的绿光激光器，通过与第一自倍频晶体和第二自倍频晶体对应设置的第一温控单元和第二温控单元实时调控第一自倍频晶体和第二自倍频晶体的温度，以使第一自倍频晶体和第二自倍频晶体的所述脉冲光的偏振匹配改变，以输出偏振方向连续变化的绿色光束。

本发明提供了一种偏振可调的绿光激光器，包括泵浦源和设置于所述泵浦源出光方向上的激光晶体、Q开关以及偏振调节模块，其中，

所述泵浦源输出的泵浦光入射至所述激光晶体，以使所述激光晶体输出激励光，所述激励光输入所述Q开关后产生脉冲光，并将所述脉冲光输入所述偏振调节模块；

所述偏振调节模块包括第一分光镜、第一自倍频晶体、第二自倍频晶体、与所述第一自倍频晶体连接的第一温控单元、与所述第二自倍频晶体连接的第二温控单元以及反射镜，所述第一分光镜、所述第一自倍频晶体、所述第二自倍频晶体以及所述反射镜均设置于所述泵浦源出光方向上，所述第一温控单元和所述第二温控单元分别用于调控所述第一自倍频晶体和所述第二自倍频晶体的温度，使输入至所述第一自倍频晶体和所述第二自倍频晶体的所述脉冲光的偏振匹配改变，以使所述偏振调节模块输出偏振方向连续变化的绿色光束。

在以上技术方案的基础上，优选的，包括设置于所述泵浦源出光方向上的准直镜、聚焦镜以及二向色镜，且所述准直镜、所述聚焦镜以及所述二向色镜均设置于所述泵浦源和所述激光晶体之间。

在以上技术方案的基础上，优选的，所述第一自倍频晶体和所述第二自倍频晶体的切割角度均为θ＝90°，φ＝10.4°。

更进一步优选的，所述第一自倍频晶体的轴线方向和所述第二自倍频晶体的轴线方向相互垂直。

更进一步优选的，所述激光晶体为掺钕钇铝石榴石晶体，所述第一自倍频晶体和所述第二自倍频晶体均为三硼酸锂晶体。

更进一步优选的，还包括与所述第一分光镜对应设置的第二分光镜，所述第二分光镜用于导出所述绿色光束。

更进一步优选的，所述二向色镜的入光面镀设有808nm波段的增透膜，所述二向色镜的出光面镀设有808nm波段的增透膜和1064nm波段的高反膜。

更进一步优选的，所述第一分光镜的入光面镀设有1064nm波段的增透膜，所述第一分光镜的出光面镀设有1064nm波段的增透膜和532nm波段的高反膜。

更进一步优选的，所述反射镜靠近所述第二自倍频晶体的端面镀设有532nm波段和1064nm波段的高反膜。

更进一步优选的，所述泵浦源为半导体激光器、固体激光器或光纤激光器中的任意一种。

本发明提供的一种偏振可调的绿光激光器相对于现有技术具有以下有益效果：

(1)通过与第一自倍频晶体和第二自倍频晶体对应设置的第一温控单元和第二温控单元实时调控第一自倍频晶体和第二自倍频晶体的温度，当第一自倍频晶体和第二自倍频晶体均同时处于匹配，此时两个自倍频晶体接近1:1偏振态输出，当第一自倍频晶体或第二自倍频晶体远离匹配温度，则保持原有匹配温度的自倍频晶体作为主要输出，以实现输出水平偏振光为主或输出垂直偏振光为主的倍频光，从而实现以使第一自倍频晶体和第二自倍频晶体的所述脉冲光的偏振匹配改变，达到输出偏振方向连续变化绿色光束的目的；

(2)激光晶体采用掺钕钇铝石榴石晶体，能够在800-900nm波段范围内保持有稍强吸收能力，能够在保证带宽不衰减的同时显著提高转换效率，第一自倍频晶体和第二自倍频晶体采用相同切割方式θ＝90°，φ＝10.4°，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，使得第一自倍频晶体和第二自倍频晶体在该切割角度下能够较优的将1064nm基频光转换为532nm倍频光的转换效率。

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一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种偏振可调的绿光激光器的光路示意图。

附图标记说明：1、泵浦源；2、激光晶体；3、Q开关；4、偏振调节模块；41、第一分光镜；42、第一自倍频晶体；43、第二自倍频晶体；44、第一温控单元；45、第二温控单元；46、反射镜；5、准直镜；6、聚焦镜；7、二向色镜；8、第二分光镜。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，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方式，都属于本发明保护的范围。

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。

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％。

请参阅图1，本发明提供了一种偏振可调的绿光激光器，包括泵浦源1和设置于泵浦源1出光方向上的激光晶体2、Q开关3以及偏振调节模块4，其中，

泵浦源1用于发射泵浦光，并为激光晶体2提供能量，其中，泵浦源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。其中，泵浦源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。

激光晶体2用于将泵浦源1输出的泵浦光转换为激励光，其中，泵浦光与激励光的波长不同。由于激光晶体2为掺钕钇铝石榴石晶体，上述激光晶体2中的Nd离子掺杂浓度可以根据激光器需求进行选择，并且掺钕钇铝石榴石晶体(Nd:YAG)在800-900nm波段范围内保持有稍强吸收能力，能够在保证带宽不衰减的同时显著提高转换效率，使得激光晶体2具有较优的808nm波段泵浦光转换为1064nm波段激励光的转换效率。

在一个示例中，泵浦光可以为由半导体激光器或固体激光器或光纤激光器发射的波长为808nm波段的光束，激励光为泵浦光经由激光晶体2激发产生的波长为1064nm波段的光束。

Q开关3用于对激励光进行调制，以产生脉冲光。Q开关3通过调节激光腔的品质因数(Q值)，控制光的谐振通道，从而抑制或允许激光脉冲的产生。Q开关3的作用是在需要时快速降低初始激发出来的光子的能量，从而产生高能量、短脉冲。Q开关3可以在对激光光束产生非常小或者非常高损耗之间快速转换，实现高效的激光脉冲输出，即可以产生脉宽从微秒到纳秒量级的脉冲，并且重复频率通常在千赫兹左右，通过合适的施加电压，快速实现谐振腔的状态切换，从而产生高质量的激光脉冲输出。

在本实施例中，泵浦源1输出的泵浦光入射至激光晶体2，以使激光晶体2输出激励光，激励光输入Q开关3后产生脉冲光，并将脉冲光输入偏振调节模块4。

优选地，绿光激光器包括设置于泵浦源1出光方向上的准直镜5、聚焦镜6以及二向色镜7，且准直镜5、聚焦镜6以及二向色镜7均设置于泵浦源1和激光晶体2之间。二向色镜7的入光面镀设有808nm波段的增透膜，二向色镜7的出光面镀设有的808nm波段的增透膜和1064nm波段的高反膜。

在一个示例中，准直镜5用于对泵浦源1进行准直，准直镜53采用平凸透镜，尺寸参数为D30-F100，出光面为R416.73，中心厚度为4.6mm，边厚度为2.05mm。聚焦镜6用于对准直后的泵浦光进行聚焦，并将能量传递到激光晶体2内。聚焦镜6采用平凸透镜，尺寸参数为D30-F100，出光面为R134.35，中心厚度为3.5mm，边厚度为2.66mm。二向色镜7双面镀设有808nm波段的增透膜，右端面镀1064nm波段的高反膜，用于将泵浦光传递到激光晶体2内。

在一个示例中，准直镜5和聚焦镜6是耦合比为1:2的透镜，准直镜5的焦距为20mm，聚焦镜6的焦距为40mm。

在一个示例中，透过准直镜5和聚焦镜6分别准直再聚焦到激光晶体2的端面，二向色镜7和反射镜46构成谐振腔，激光晶体2、Q开关3、第一自倍频晶体42、第二自倍频晶体43置于谐振腔内，构成腔内倍频调Q激光器。激光晶体2采用无偏振输出特性的Nd:YAG晶体(掺钕钇铝石榴石晶体)，产生1064nm基频光偏振态具有随机性。其中，二向色镜7可以采用平凸双色镜，并且二向色镜7和反射镜46构成谐振腔属于非稳腔，曲率一般是R100～1000。

偏振调节模块4包括第一分光镜41、第一自倍频晶体42、第二自倍频晶体43、与第一自倍频晶体42连接的第一温控单元44、与第二自倍频晶体43连接的第二温控单元45以及反射镜46，第一分光镜41、第一自倍频晶体42、第二自倍频晶体43以及反射镜46均设置于泵浦源1出光方向上，第一温控单元44和第二温控单元45分别用于调控第一自倍频晶体42和第二自倍频晶体43的温度，使输入至第一自倍频晶体42和第二自倍频晶体43的脉冲光的偏振匹配改变，以使偏振调节模块4输出偏振方向连续变化的绿色光束。

其中，第一分光镜41的入光面镀设有1064nm波段的增透膜，第一分光镜41的出光面镀设有1064nm波段的增透膜和532nm波段的高反膜，第一分光镜41用于分离脉冲光和倍频光，并将倍频光导出。

第一自倍频晶体42和第二自倍频晶体43均为三硼酸锂晶体(LBO)，第一自倍频晶体42和第二自倍频晶体43均为长方体。上述三硼酸锂晶体(LBO)具有较广的吸收范围，即三硼酸锂晶体可在165～3200nm波段在这个波长范围内具有足够大的非线性光学系数，并且室温下能实现相位匹配。此外第一自倍频晶体42和第二自倍频晶体43还可选用铌酸锂(LiNbO3)、偏硼酸钡(BBO)、硼酸铯锂(LiCsB6O10)以及氟化硼铍酸钾(KBBF)等自倍频晶体。

第一自倍频晶体42的轴线方向和第二自倍频晶体43的轴线方向相互垂直，第一自倍频晶体42和第二自倍频晶体43的切割角度均为θ＝90°，φ＝10.4°。并且三硼酸锂晶体为非线性晶体，通常将晶体光轴方向定义为Z方向，根据坐标系右手螺旋准则，确定晶体的X和Y方向坐标轴。θ为波矢k与晶体光轴的角度，为泵浦光对于晶体的入射角，即泵浦光与晶体端面垂直。沿X方向切割第一自倍频晶体42且沿Y方向切割第二自倍频晶体43时，切割角度为θ＝90°，此时满足非临界相位条件，非线性系数最大。即532nm波段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，使得第一自倍频晶体42和第二自倍频晶体43在该切割角度下能够较优的将1064nm基频光转换为532nm倍频光的转换效率。

第一温控单元44用于对第一自倍频晶体42进行精确控温，以调节第一自倍频晶体42的倍频匹配度；第二温控单元45用于对第二自倍频晶体43进行精确控温，以调节第二自倍频晶体43的倍频匹配度。

反射镜46用于反射脉冲光经第一自倍频晶体42和第二自倍频晶体43产生的倍频光及脉冲光，故反射镜46靠近第二自倍频晶体43的端面镀设有532nm波段和1064nm波段的高反膜。

在一个示例中，反射镜46可以设置为凹面镜，凹面镜的曲率半径为50～1000mm，在由二向色镜7和反射镜46形成的谐振腔中，选用凹面镜作为反射镜46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第一自倍频晶体42和第二自倍频晶体43的基频光振荡次数越多，以增加第一自倍频晶体42和第二自倍频晶体43对于基频光的吸收效率。二向色镜7和反射镜46之间的距离选取为15～200mm，其有利于基频光振荡。

在本实施例中，通过设计采用Ⅰ类相位匹配1064(o)+1064(o)→532(e)，角度相位匹配的LBO晶体，可实现常温下温度匹配，第一自倍频晶体42和第二自倍频晶体43均采用θ＝90°，φ＝10.4°切割，对应最佳匹配温度为50℃。第一自倍频晶体42摆放方式为x轴朝水平方向，用于接收水平偏振1064nm基频光，产生竖直偏振532nm倍频光，第二自倍频晶体43摆放方式为x轴朝竖直方向，用于接收竖直偏振1064nm基频光，产生水平偏振532nm倍频光。通过第一分光镜41将532nm倍频光导出。分光镜双面镀1064nm波段的增透膜，且出光面镀设532nm波段的高反膜，不带偏振特性。第一温控单元44和第二温控单元45分别控制第一自倍频晶体42和第二自倍频晶体43的工作温度。当第一自倍频晶体42和第二自倍频晶体43均控温在50℃时，两个LBO晶体均存在最佳匹配，此时两个LBO晶体的方向偏振竞争一致，会有接近1:1偏振态输出，当第一自倍频晶体42的控温远离50℃，第二自倍频晶体43保持控温50℃时，此时第二自倍频晶体43的竞争优势大，并且输出以水平偏振光为主的532nm波段倍频光，当第一自倍频晶体42保持控温50℃，第二自倍频晶体43控温远离50℃时，此时第一自倍频晶体42的竞争优势大，以主输竖直偏振光为出532nm波段倍频光。即合理地设置第一自倍频晶体42和第二自倍频晶体43的温度，就可以获得连续变化偏振输出的532nm激光。

绿光激光器还包括与第一分光镜41对应设置的第二分光镜8，第二分光镜8用于导出绿色光束。其中，第二分光镜8的右端面镀设有532nm波段的高反膜，用以导出532nm的倍频光。

本发明通过与第一自倍频晶体42和第二自倍频晶体43对应设置的第一温控单元44和第二温控单元45实时调控第一自倍频晶体42和第二自倍频晶体43的温度，当第一自倍频晶体42和第二自倍频晶体43均同时处于匹配，此时两个自倍频晶体接近1:1偏振态输出，当第一自倍频晶体42或第二自倍频晶体43远离匹配温度，则保持原有匹配温度的自倍频晶体作为主要输出，以实现输出水平偏振光为主或输出垂直偏振光为主的倍频光，从而实现以使第一自倍频晶体42和第二自倍频晶体43的所述脉冲光的偏振匹配改变，达到输出偏振方向连续变化绿色光束的目的。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种偏振可调的绿光激光器，其特征在于，包括泵浦源(1)和设置于所述泵浦源(1)出光方向上的激光晶体(2)、Q开关(3)以及偏振调节模块(4)，其中，

所述泵浦源(1)输出的泵浦光入射至所述激光晶体(2)，以使所述激光晶体(2)输出激励光，所述激励光输入所述Q开关(3)后产生脉冲光，并将所述脉冲光输入所述偏振调节模块(4)；

所述偏振调节模块(4)包括第一分光镜(41)、第一自倍频晶体(42)、第二自倍频晶体(43)、与所述第一自倍频晶体(42)连接的第一温控单元(44)、与所述第二自倍频晶体(43)连接的第二温控单元(45)以及反射镜(46)，所述第一分光镜(41)、所述第一自倍频晶体(42)、所述第二自倍频晶体(43)以及所述反射镜(46)均设置于所述泵浦源(1)出光方向上，所述第一温控单元(44)和所述第二温控单元(45)分别用于调控所述第一自倍频晶体(42)和所述第二自倍频晶体(43)的温度，使输入至所述第一自倍频晶体(42)和所述第二自倍频晶体(43)的所述脉冲光的偏振匹配改变，以使所述偏振调节模块(4)输出偏振方向连续变化的绿色光束。

2.如权利要求1所述的偏振可调的绿光激光器，其特征在于，包括设置于所述泵浦源(1)出光方向上的准直镜(5)、聚焦镜(6)以及二向色镜(7)，且所述准直镜(5)、所述聚焦镜(6)以及所述二向色镜(7)均设置于所述泵浦源(1)和所述激光晶体(2)之间。

3.如权利要求1所述的偏振可调的绿光激光器，其特征在于，所述第一自倍频晶体(42)和所述第二自倍频晶体(43)的切割角度均为θ＝90°，φ＝10.4°。

4.如权利要求1所述的偏振可调的绿光激光器，其特征在于，所述第一自倍频晶体(42)的轴线方向和所述第二自倍频晶体(43)的轴线方向相互垂直。

5.如权利要求1所述的偏振可调的绿光激光器，其特征在于，所述激光晶体(2)为掺钕钇铝石榴石晶体，所述第一自倍频晶体(42)和所述第二自倍频晶体(43)均为三硼酸锂晶体。

6.如权利要求1所述的偏振可调的绿光激光器，其特征在于，还包括与所述第一分光镜(41)对应设置的第二分光镜(8)，所述第二分光镜(8)用于导出所述绿色光束。

7.如权利要求2所述的偏振可调的绿光激光器，其特征在于，所述二向色镜(7)的入光面镀设有808nm波段的增透膜，所述二向色镜(7)的出光面镀设有808nm波段的增透膜和1064nm波段的高反膜。

8.如权利要求7所述的偏振可调的绿光激光器，其特征在于，所述第一分光镜(41)的入光面镀设有1064nm波段波段的增透膜，所述第一分光镜(41)的出光面镀设有1064nm波段的增透膜和532nm波段的高反膜。

9.如权利要求8所述的偏振可调的绿光激光器，其特征在于，所述反射镜(46)靠近所述第二自倍频晶体(43)的端面镀设有532nm波段和1064nm波段的高反膜。

10.如权利要求1-9任意一项所述的偏振可调的绿光激光器，其特征在于，所述泵浦源(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。