CN117977352A - 一种529nm和533nm双波长连续激光器及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种529nm和533nm双波长连续激光器及方法，其属于半导体泵浦全固态激光器领域，其技术要点在于：包括：半导体泵浦激光器、光学聚焦系统、谐振腔、双波长激光增益介质、倍频器件；其中，双波长激光增益介质设置在所述谐振腔内；其中，所述双波长激光增益介质为沿z轴光学主轴方向切割的掺钕硅酸钙铊镓晶体。通过调控基频双波长的发射截面竞争，产生同步振荡的基频双波长相干光输出，并通过倍频晶体产生二次谐波，获得可见光波段的529nm和533nm双波长连续激光输出。
Description
技术领域
本发明涉及半导体泵浦全固态激光器领域，更具体地说，尤其涉及一种529nm和533nm双波长连续激光器及方法。
背景技术
在大气遥感探测领域，差分吸收激光雷达技术(DIAL)是检测二氧化氮气体浓度和时空分布的重要手段。其原理是向大气中发射不波长不同的两束激光，利用二氧化氮气体成分对不同波长激光的吸收差值，推算气体的浓度和时空分布，具有空间分辨率高、探测灵敏度高、测量范围大的优点。
在250-600nm的可见光波段内，二氧化氮气体对光的吸收截面较大，且具有多峰值吸收的特点，易形成双波长吸收差，且在这个范围内，其他气体，如臭氧，二氧化硫等，对光的吸收作用非常微弱，对二氧化氮气体浓度测量影响较小。
因此，在250-600nm内建立双波长激光发射，寻找双波长同步振荡激光器，是利用差分吸收激光雷达检测二氧化氮浓度的关键任务。
对于此问题，有以下两种解决方案。
一类方案是可见光双波长直接激发，利用Nd:YAG激光器泵浦染料激光器或两台光参量放大器，生成双广场激光激发，或者生成770nm和774nm双波长激光，再与Nd:YAG激光器基频光进行和频，获得448nm和446nm双波长激光输出。但是这类方法需要的染料激光器转换效率低、需要频繁更换燃料，且系统复杂。
另一类方法是用LD端面泵浦的固体激光器，在近红外波段生成双波长激光发射，再通过简单的倍频方式将频率转换到可见光波段，这类方法结构简单，不需要复杂的谐振腔，但是需要找到合适的增益介质，需要在近红外波段具有相近的双受激辐射峰，且可以通过控制晶体切向和泵浦功率控制双波长组分的强度比。
综上所述，250-600nm内建立双波长激光发射的研究仍然不充分，有待改进。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种529nm和533nm双波长连续激光器。
本发明的另一目的在于提供一种获得529nm和533nm双波长连续激光输出的方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种529nm和533nm双波长连续激光器，包括：半导体泵浦激光器(1)、光学聚焦系统(3)、谐振腔、双波长激光增益介质(5)、倍频器件(6)；
其中，双波长激光增益介质(5)设置在所述谐振腔内；
其中，按照光路的前进方向：半导体泵浦激光器(1)、光学聚焦系统(3)、谐振腔以及双波长激光增益介质(5)构成的整体结构、倍频器件(6)依次设置；
其中，所述双波长激光增益介质为沿z轴光学主轴方向切割的掺钕硅酸钙铊镓晶体。
进一步，所述硅酸钙铊镓晶体属于三方晶系、32点群、各向异性晶体，钕离子掺杂浓度为0.5at.％。
进一步，所述谐振腔包括：谐振腔输入端面镀膜镜片(4)、谐振腔输出端面镀膜镜片(6)；双波长激光增益介质(5)设置在所述谐振腔输入端面镀膜镜片(4)与所述谐振腔输出端面镀膜镜片(6)之间。
进一步，双波长激光增益介质(5)的两个通光端面表面镀膜形成谐振腔。
进一步，谐振腔输入端面镀膜镜片(4)为镀介质膜的平面镜，镀膜情况为：对抽运光波长808nm具有高透过率，透过率大于99％，对基频波长1058nm和1066nm具有高反射率，反射率大于99％，对倍频光波长529nm和533nm具有高反射率，反射率大于99％；
谐振腔输出端面镀膜镜片(6)为镀介质膜的平面镜，镀膜情况为：对抽运光波长808nm具有高透过率，透过率大于99％，对基频波长1058nm和1066nm具有高反射率，反射率大于99％，对倍频光波长529nm和533nm高透过，透过率大于99％。
进一步，倍频器件(7)为具有一类相位匹配的非线性光学晶体。
进一步，所述非线性晶体是本征晶体，其为磷酸钛氧钾(KTP)或磷酸二氢钾(KDP)或偏硼酸钡(BBO)或三硼酸锂(LBO)中的任意一种，能够同时实现对1058nm和1066nm的一类相位匹配。
本发明的有益效果是：
(1)本发明的第一个发明点在于：提出了一种具有高相干性的用于太赫兹波产生源的半导体端面泵浦529nm和533nm双波长连续激光器。其工作为连续运转模式，其选取钕离子掺杂的硅酸钙铊镓晶体作为增益介质，通过选取z轴光学主轴作为切割轴，调控基频1058nm和1065nm波长光的受激发射截面，并控制其在谐振腔内的振荡竞争，形成两个不同波长的纵模在激光谐振腔内同时振荡并激射，产生基频双波长连续激光输出，再采用一个一类相位匹配的倍频器件(一般是具有非线性效应的光学晶体)，在腔内或者腔外对基频双波长进行倍频，形成二次谐波振荡，最终获得529nm和533nm双波长连续激光输出。
(2)本发明的第二个发明点在于：采用半导体端面泵浦掺钕硅酸钙铊镓晶体，钕离子掺杂浓度为0.5at.％，硅酸钙铊镓晶体(CTGS)属于三方晶系，32点群，是各向异性晶体，1微米波段的受激辐射截面强度随切割方向变化，且1058nm和1065nm两个波长组分在不同方向上的强度分布是不同的。选取光学主轴Z轴方向切割[001]，Z轴与晶体学主轴c轴重合，该方向同时满足两个条件：1微米波段的受激发射截面最大，1058nm和1065nm两个波长的受激发射截面同时存在且强度相当。通过调控基频双波长的发射截面竞争，产生同步振荡的基频双波长相干光输出。然后通过倍频晶体产生二次谐波，获得可见光波段的529nm和533nm双波长连续激光输出。输出的双波长功率比值取决于泵浦光的输入功率。同时有效的提高泵浦光能量的利用率，通过谐振腔的合理设计实现良好的腔模匹配，从而获得高光束质量的激光输出。
(3)本发明的第三个发明点在于：采用调控泵浦激光功率的方法，调控输出的基频光谱中1058nm和1065nm两个波长组分的强度占比，1065nm波长组分的泵浦功率阈值为0.5W,1058nm波长组分的泵浦功率阈值为4.2W(此处需要说明的是：半导体泵浦激光器的数量是1个，在高泵浦时，一束光内同时有两个波长成分)，进而调控529nm和533nm双波长激光组分强度比。
附图说明
下面结合附图中的实施例对本发明作进一步的详细说明，但并不构成对本发明的任何限制。
图1是本发明双波长激光器的结构示意图。
图2是本发明双波长激光器中529nm和533nm同时输出的光谱图。
附图标记说明如下：
1-半导体泵浦激光器；2-光纤耦合器；3-光学聚焦系统；4-谐振腔输入端面镀膜镜片；5-双波长激光增益介质；6-谐振腔输出端面镀膜镜片；7-倍频器件。
具体实施方式
实施例1：一种半导体激光器端面泵浦的529nm和533nm双波长振荡连续激光器。
如图1所示，一种半导体激光器端面泵浦的529nm和533nm双波长振荡连续激光器，按照光的前进方向顺序包括：半导体泵浦激光器1、光纤耦合器2、光学聚焦系统3、谐振腔输入端面镀膜镜片4、双波长激光增益介质5、谐振腔输出端面镀膜镜片6、倍频器件7；
其中，所述半导体泵浦激光器1是光纤耦合输出的半导体激光器，泵浦方式为端面泵浦；其波长在808nm的激光器；所述半导体泵浦激光器1是脉冲式的或者连续式的，其偏振态是线偏振的或者随机偏振的。
其中，光纤耦合器2用于耦合泵浦激光器的输出激光，并以固定的发散角输出，进入光学聚焦系统3内。
其中，光学聚焦系统3用于将具有发散角的激光进行聚焦，使得泵浦激光的束腰聚焦在在增益介质5位置。
其中，谐振腔输入端面镀膜镜片4为镀介质膜的平面镜，镀膜情况为：对抽运光波长808nm具有高透过率，透过率大于99％，对基频波长1058nm和1066nm具有高反射率，反射率大于99％，对倍频光波长529nm和533nm具有高反射率，反射率大于99％；
其中，双波长激光增益介质5是沿z轴光学主轴方向切割的稀土钕离子掺杂的硅酸钙铊镓晶体(Nd:CTGS)，其受激发射光谱在1058nm和1066nm两波长处均存在强发射峰，且两者的受激发射截面大小相当；双波长激光增益介质5的晶体前后通光面镀以增透介质膜，对中心波长为532nm的可见光波段和中心波长为1064nm的近红外波段具有高透过率，透过率大于99％；
其中，谐振腔输出端面镀膜镜片6为镀介质膜的平面镜，镀膜情况为：对抽运光波长808nm具有高透过率，透过率大于99％，对基频波长1058nm和1066nm具有高反射率，反射率大于99％，对倍频光波长529nm和533nm高透过，透过率大于99％；
其中，倍频器件7为具有一类相位匹配的非线性光学晶体，通光端面抛光未镀膜。所述倍频器件7所用的非线性晶体是本征晶体，如磷酸钛氧钾(KTP)，磷酸二氢钾(KDP)，偏硼酸钡(BBO)，三硼酸锂(LBO)中的一种，可以同时实现对1058nm和1066nm的一类相位匹配。
工作方法：
a.所述半导体泵浦激光器1产生泵浦激光光束；
b.然后，泵浦激光光束通过光纤耦合器2进行光纤耦合输出，耦合后的激光光束经过光学聚焦系统3进行光学聚焦，使得激光光束的束腰聚焦在增益介质5位置处；
c.聚焦后的激光通过谐振腔，在一个谐振腔内实现两个不同波长的1058nm和1066nm基频双波长激光同时振荡；具体而言，谐振腔包括有：谐振腔输入端面镀膜镜片4、谐振腔输出端面镀膜镜片6，两个镜片内外表面镀以不同透过率的介质膜，对腔内激光进行模式选择，形成驻波，双波长激光增益介质放置在谐振腔输入端面镀膜镜片4、谐振腔输出端面镀膜镜片6之间，通过吸收特定的泵浦光激光波长及腔镜损耗调节，形成稳定高光束质量的1076nm、1079nm双波长基频激光振荡，并通过调节泵浦光激光功率，调节两波长成分的强度比值；
d.通过倍频器件将近红外波段光转换到可见光波段，实现529nm和533nm双波长同时输出，即步骤c产生的双波长激光进入一个具有非线性效应的光学晶体，对1058nm和1066nm波长具有一类相位匹配，获得倍频529nm和533nm双波长连续激光输出；
所述半导体激光器泵浦源设置在光学聚焦系统之前，经过光束整形系统之后的泵浦光与谐振腔内的激发激光满足模式匹配进入谐振腔。
需要说明的是：上述输入镜以及输出镜作为谐振腔端面镜，其曲率半径及镀膜情况可以根需求更改，在一些特殊场合，可以采用多个镜片组成的长谐振腔，如三镜片的V型腔、四镜片的M型腔等折叠腔结构；也可以直接在双波长激光增益介质5的两个通光端面表面镀膜，形成谐振腔，则此时不需要输入镜和输出镜。
以上所举实施例为本发明的较佳实施方式，仅用来方便说明本发明，并非对本发明作任何形式上的限制，任何所属技术领域中具有通常知识者，若在不脱离本发明所提技术特征的范围内，利用本发明所揭示技术内容所作出局部更改或修饰的等效实施例，并且未脱离本发明的技术特征内容，均仍属于本发明技术特征的范围内。
Claims (10)
1.一种529nm和533nm双波长连续激光器，其特征在于，包括：半导体泵浦激光器(1)、光学聚焦系统(3)、谐振腔、双波长激光增益介质(5)、倍频器件(6)；
其中，双波长激光增益介质(5)设置在所述谐振腔内；
其中，按照光路的前进方向：半导体泵浦激光器(1)、光学聚焦系统(3)、谐振腔以及双波长激光增益介质(5)构成的整体结构、倍频器件(6)依次设置；
其中，所述双波长激光增益介质为沿z轴光学主轴方向切割的掺钕硅酸钙铊镓晶体。
2.根据权利要求1所述的一种529nm和533nm双波长连续激光器，其特征在于，所述硅酸钙铊镓晶体属于三方晶系、32点群、各向异性晶体，钕离子掺杂浓度为0.5at.％。
3.根据权利要求1所述的一种529nm和533nm双波长连续激光器，其特征在于，所述谐振腔包括：谐振腔输入端面镀膜镜片(4)、谐振腔输出端面镀膜镜片(6)；双波长激光增益介质(5)设置在所述谐振腔输入端面镀膜镜片(4)与所述谐振腔输出端面镀膜镜片(6)之间。
4.根据权利要求1所述的一种529nm和533nm双波长连续激光器，其特征在于，双波长激光增益介质(5)的两个通光端面表面镀膜形成谐振腔。
5.根据权利要求3所述的一种529nm和533nm双波长连续激光器，其特征在于，振腔输入端面镀膜镜片(4)为镀介质膜的平面镜，镀膜情况为：对抽运光波长808nm具有高透过率，透过率大于99％，对基频波长1058nm和1066nm具有高反射率，反射率大于99％，对倍频光波长529nm和533nm具有高反射率，反射率大于99％；
谐振腔输出端面镀膜镜片(6)为镀介质膜的平面镜，镀膜情况为：对抽运光波长808nm具有高透过率，透过率大于99％，对基频波长1058nm和1066nm具有高反射率，反射率大于99％，对倍频光波长529nm和533nm高透过，透过率大于99％。
6.根据权利要求1至5任意所述的一种529nm和533nm双波长连续激光器，其特征在于，倍频器件(7)为具有一类相位匹配的非线性光学晶体。
7.根据权利要求6所述的一种529nm和533nm双波长连续激光器，其特征在于，所述非线性晶体是本征晶体，其为磷酸钛氧钾(KTP)或磷酸二氢钾(KDP)或偏硼酸钡(BBO)或三硼酸锂(LBO)中的任意一种，能够同时实现对1058nm和1066nm的一类相位匹配。
8.一种获得529nm和533nm双波长连续激光输出的方法，其特征在于，采用如权利要求1所述的529nm和533nm双波长连续激光器来输出529nm和533nm双波长连续激光；
选取z轴光学主轴作为切割轴，调控基频1058nm和1065nm波长光的受激发射截面，并控制其在谐振腔内的振荡竞争，形成两个不同波长的纵模在激光谐振腔内同时振荡并激射，产生基频双波长连续激光输出，再通过一个一类相位匹配的倍频器件，在腔内或者腔外对基频双波长进行倍频，形成二次谐波振荡，最终获得529nm和533nm双波长连续激光输出。
9.一种获得529nm和533nm双波长连续激光输出的方法，其特征在于，采用如权利要求3所述的529nm和533nm双波长连续激光器来输出529nm和533nm双波长连续激光；
包括如下步骤：
a.所述半导体泵浦激光器产生泵浦激光光束；
b.泵浦激光光束通过光纤耦合器进行光纤耦合输出，耦合后的激光光束经过光学聚焦系统进行光学聚焦，使得激光光束的束腰聚焦在增益介质位置处；
c.聚焦后的激光通过谐振腔，在一个谐振腔内实现两个不同波长的1058nm和1066nm基频双波长激光同时振荡；两个镜片内外表面镀以不同透过率的介质膜，对腔内激光进行模式选择，形成驻波，双波长激光增益介质放置在谐振腔输入端面镀膜镜片、谐振腔输出端面镀膜镜片之间，通过吸收特定的泵浦光激光波长及腔镜损耗调节，形成稳定高光束质量的1076nm、1079nm双波长基频激光振荡，并通过调节泵浦光激光功率，调节两波长成分的强度比值；
d.通过倍频器件将近红外波段光转换到可见光波段，实现529nm和533nm双波长同时输出，即步骤c产生的双波长激光进入一个具有非线性效应的光学晶体，对1058nm和1066nm波长具有一类相位匹配，获得倍频529nm和533nm双波长连续激光输出。
10.根据权利要求9所述的一种获得529nm和533nm双波长连续激光输出的方法，其特征在于：
步骤c中，采用调控泵浦激光功率的方法是：调控输出的基频光谱中1058nm和1065nm两个波长组分的强度占比；进而调控529nm和533nm双波长激光组分强度比，其中，1065nm波长组分的泵浦功率阈值为0.5W,1058nm波长组分的泵浦功率阈值为4.2W。
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