CN1893205A - 高倍频效率绿光激光产生方法 - Google Patents
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Abstract
一种高倍频效率绿光激光产生方法，采用泵浦光源侧面泵浦激光工作晶体和“L”或“V”形平－凸短腔，将平面镜和凸面镜做腔体的前后腔镜，并使激光工作模块产生的热透镜焦距，以及凸面镜的曲率半径，与腔长相匹配，通过调Q在“L”或“V”形平－凸短腔内产生高峰值功率准连续基波光，让红外基波光在腔内产生窄脉冲，高功率的振荡，最后通过腔内的非线性倍频晶体产生二次谐波，输出绿光。谐振腔为平－凸短腔激光谐振腔，凸腔的曲率与激光工作模块产生的热透镜焦距匹配，使激光介质基模尺寸极大，有利于提高光束质量。短腔形成窄激光脉冲，高峰值功率有利于提高倍频效率。采用“L”或“V”形谐振腔，消除了两束绿光输出的现象。
Description
所属技术领域
本发明是关于一种激光产生方法，特别是一种绿光激光产生方法。
背景技术
绿光激光的波长小于红外光激光，所以绿光激光的聚焦光斑比红外光激光的小，另外，绿光激光单个光子的能量要大于红外光激光单个光子的能量，所以在与其他物质相互作用的时候绿光激光的热影响区较小。由于绿光激光具有聚焦光斑小，热影响区小的优点，绿光激光可以被用于材料的精细加工。与不可见激光(红外和紫外激光)相比，绿光激光可以直接被人眼睛观察到，所以它还被广范应用于激光演示中。除此之外，绿光激光在激光医学，光储存，信息处理，光检测等方面也有许多应用。正因为绿光激光的应用范围很广，所以绿光激光器的研制成为激光领域所关注的焦点。
在国际上高功率绿光激光器产品主要有以下几家公司生产：相干公司(Coherent Inc.)，光谱物理公司(Spectra-Physics Inc.)，Quantronix，Lee LaserInc，Photonics Industries International Inc.，等。其中相干公司与PhotonicsIndustries International Inc.采用Nd:YLF作为工作物质，再经过倍频产生大于30W的绿光，虽然Nd:YLF可以产生较大的脉冲能量，但与Nd:YAG相比，用Nd:YLF倍频产生的绿光脉冲宽。相干公司绿光激光器产品Evolution-30型号的激光器，其绿光脉冲宽度达200ns，而且光束直径为5mm，M2≈25。Photonics Industries International公司的GM3E系列产品，其绿光脉冲宽度达400ns，而且光束直径在4mm的情况下发散角为5mrad.M2为30。
在国内，山东大学用平凹直线腔腔内调Q倍频得到38W绿光输出(《温控高纯KTP内腔倍频Nd:YAG激光器》，中国激光，Vol.A28，No1.7.2001，孙渝明等人著，山东大学)。华北光电技术研究所用35个15W半导体侧面泵浦Nd:YAG平凹直线腔内倍频得到56W绿光输出M2＝27(《二极管侧面抽运的高平均功率倍频Nd:YAG激光器》，中国激光，Vol.A28，No4.301.2001，姜东升等人著，华北光电技术研究所)。天津大学申请的第ZL 03258237.4号中国专利《双调Q平-凹腔Nd:YAG内腔倍频输出百瓦级的绿光激光器》，采用平凹直线腔型，用80个20W即1600W二极管激光泵浦Nd:YAG，通过KTP晶体最后倍频出104W绿光激光，总光-光转换效率为104/1600＝6.5％。上述倍频激光器均为直线型腔，为了形成单端绿激光输出，在直腔内插入了一个高反二次谐波光的镜片，基波单程通过倍频晶体产生一束绿光输出，同时基波回程通过倍频晶体谐波后被腔内的高反二次谐波光镜片反射，产生另外一束绿光输出，造成输出两束绿光的现象。由于KTP的损伤阈值较低，长时间的腔内高功率倍频产生“灰迹”现象，很容易造成损伤。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能产生单束绿光输出，输出的绿光脉冲窄、倍频效率高、光束质量好，并且激光器使用寿命长的高倍频效率绿光激光产生方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该高倍频效率绿光激光产生方法，采用泵浦光源侧面泵浦激光工作晶体和“L”或“V”形平-凸短腔，将平面镜和凸面镜做腔体的前后腔镜，并使激光工作模块产生的热透镜焦距，以及凸面镜的曲率半径，与腔长相匹配，通过调Q在“L”或“V”形平-凸短腔内产生高峰值功率准连续基波光，让红外基波光在腔内产生窄脉冲，高功率的振荡，最后通过腔内的非线性倍频晶体产生二次谐波，输出绿光。
本发明所具有的优点是：
1、本发明高倍频效率绿光激光产生方法的谐振腔为平-凸短腔激光谐振腔，凸腔的曲率与激光工作模块产生的热透镜焦距匹配，使激光介质基模尺寸极大，有利于提高光束质量。同时短腔形成窄激光脉冲，高峰值功率有利于提高倍频效率。
2、非线性倍频晶体置于平面镜一端，输入非线性倍频晶体的基波光为准平行光束，远小于非线性倍频晶体的接受角，有利于提高倍频效率。
3、进行平面镜，腔镜曲率，腔长综合参数优化设计，经过实验，激光谐振腔内基波在非线性倍频晶体内的功率大于60MW/cm2。
4、采用“L”或“V”形谐振腔代替直线形谐振腔，避免了在腔内插入对二次谐波全反的镜片，提高了基波的振荡功率，消除了两束绿光输出的现象。
5、LBO非线性晶体的光损伤阈值是18.9GW/cm2，CLBO非线性晶体的光损伤阈值是26GW/cm2，BBO非线性晶体的光损伤阈值是10GW/cm2，而KTP的光损伤阈值仅有4.6GW/cm2。因此用光损伤阈值比KTP高的LBO非线性晶体、CLBO非线性晶体及BBO非线性晶体晶体，为高功率倍频激光器的长时间稳定和高寿命提供了保障。
6、由于腔长短，所以结构紧凑，整机体积小。采用“L”或“V”型腔使光路易调。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明高倍频效率绿光激光产生方法中凸腔面反射镜曲率对光束质量和非线性晶体入射角影响的计算结果。
图2是本发明高倍频效率绿光激光产生方法中凸腔面反射镜与固体介质的距离对光束质量和非线性晶体入射角影响的计算结果。
图3是本发明高倍频效率绿光激光产生方法中平腔面反射镜与固体介质的距离对光束质量和非线性晶体入射角影响的计算结果。
图4是本发明高倍频效率绿光激光产生方法的原理示意图。
图5是本发明高倍频效率绿光激光产生方法输出的绿光的功率和脉冲宽度随电流变化的实验结果。
图6是本发明高倍频效率绿光激光产生方法输出的绿光的功率和脉冲宽度随脉冲重复频率变化的实验结果。
图7是本发明高倍频效率绿光激光产生方法输出的绿光的功率长时间稳定性的实验结果。
具体实施方式
如图1、图2及图3所示，通过计算凸腔面反射镜曲率对光束质量和非线性晶体入射角的影响、凸腔面反射镜与固体介质的距离对光束质量和非线性晶体入射角的影响，以及平腔面反射镜与固体介质的距离对光束质量和非线性晶体入射角的影响，根据计算结果，设计本发明高倍频效率绿光激光产生方法。
如图4所示，本发明高倍频效率绿光激光产生方法采用平-凸的“L”形谐振腔，“L”形谐振腔相对于直形谐振腔避免了在腔内插入二次谐波的全反镜，提高了基波振荡的功率。
本发明高倍频效率绿光激光产生方法包括凸面镜11、调Q模块12、激光工作模块13、角度输出镜14、倍频晶体15及平面镜16，其中凸面镜11对基波光高反射，激光工作模块13是一个由泵浦光源侧面泵浦激光工作晶体的模块，角度输出镜14是一片镀有对基波光高反射膜层和对二次谐波光具有高透膜层的镜片。倍频晶体15为非线性倍频晶体LBO，平面镜16镀有对基波和二次谐波光全反射膜层的镜片。
其中，倍频晶体15置于平面镜16与角度输出镜14之间，激光工作模块13与调Q模块12置于凸面镜11与角度输出镜14之间。
高功率谐波绿光激光的产生过程如下：
首先用多个二极管激光泵浦激光晶体产生基波激光。经过调Q模块12的作用，基波激光在腔内形成了高重复频率，短脉冲宽度，高峰值功率的脉冲群。通过角度输出镜14的反射，基波光第一次通过倍频晶体15，一部分基波激光被谐波成绿光激光，透过倍频晶体15的绿光激光和剩余未被谐波的基波光被放置在倍频晶体15后的平面镜16反射回倍频晶体15，被再次进行谐波。最后通过角度输出镜14把绿光激光全部输出，并把通过双程倍频后剩余的基波光反射回激光工作模块13，让它再对激光工作模块13进行受激辐射放大。图5为本发明高倍频效率绿光激光产生方法输出的绿光的功率和脉冲宽度随电流变化的实验结果；图6为本发明高倍频效率绿光激光产生方法输出的绿光的功率和脉冲宽度随脉冲重复频率变化的实验结果；图7为本发明高倍频效率绿光激光产生方法输出的绿光的功率长时间稳定性的实验结果。
经过试验，本发明高倍频效率绿光激光产生方法采用360W二极管列阵侧面泵浦激光晶体，再通过倍频得到了56W的绿光激光输出，基波到谐波转换效率为74％，LD泵浦光到整体绿光的总光-光转换效率为15％，光束质量M2＝11.5，光束直径2mm，发散角θ＜5mrad，脉冲宽度＜100ns，长期运转功率起伏＜4％，达到国际同类产品先进水平。
根据本发明高倍频效率绿光激光产生方法的原理，谐振腔可以采用“L”或“V”形谐振腔，并让绿光从角度输出镜14输出。可以采用的泵浦光源为大功率半导体激光二极管侧面泵浦，或二极管端面纵向泵浦，氪灯、氙灯侧面泵浦。采用的激光工作晶体为Nd:YAG，或Nd:YVO4，Nd:YLF，Nd:GdVO4，Yb:YAG，Er:YAG.使用的光电开关为声光开关，或电光开关或饱和激收型被动Q开关。非线性倍频晶体15可以采用LBO，或CLBO，BBO非线性晶体。
本发明高倍频效率绿光激光产生方法具有以下几点特点：
1、本发明高倍频效率绿光激光产生方法的谐振腔为平-凸短腔激光谐振腔，凸腔的曲率与激光工作模块产生的热透镜焦距匹配，使激光介质基模尺寸极大，有利于提高光束质量。同时短腔形成窄激光脉冲，高峰值功率有利于提高倍频效率。
2、非线性倍频晶体15置于平面镜16一端，输入非线性倍频晶体15的基波光为准平行光束，远小于非线性倍频晶体15的接受角，有利于提高倍频效率。
3、进行平面镜，腔镜曲率，腔长综合参数优化设计，经过实验，激光谐振腔内基波在非线性倍频晶体15内的功率大于60MW/cm2。
4、采用“L”或“V”形谐振腔代替直线形谐振腔，避免了在腔内插入对二次谐波全反的镜片，提高了基波的振荡功率，消除了两束绿光输出的现象。
5、LBO非线性晶体的光损伤阈值是18.9GW/cm2，CLBO非线性晶体的光损伤阈值是26GW/cm2，BBO非线性晶体的光损伤阈值是10GW/cm2，而KTP的光损伤阈值仅有4.6GW/cm2。因此用光损伤阈值比KTP高的LBO非线性晶体、CLBO非线性晶体及BBO非线性晶体晶体，为高功率倍频激光器的长时间稳定和高寿命提供了保障。
6、由于腔长短，所以结构紧凑，整机体积小。采用“L”或“V”型腔使光路易调。
Claims (7)
1、一种高倍频效率绿光激光产生方法，其特征在于：采用泵浦光源侧面泵浦激光工作晶体和“L”或“V”形平-凸短腔，将平面镜和凸面镜做腔体的前后腔镜，并使激光工作模块产生的热透镜焦距，以及凸面镜的曲率半径，与腔长相匹配，通过调Q在“L”或“V”形平-凸短腔内产生高峰值功率准连续基波光，让红外基波光在腔内产生窄脉冲，高功率的振荡，最后通过腔内的非线性倍频晶体产生二次谐波，输出绿光。
2、根据权利要求1所述的高倍频效率绿光激光产生方法，其特征在于：采用“L”或“V”形谐振腔，并让绿光从角度输出镜输出。
3、根据权利要求2所述的高倍频效率绿光激光产生方法，其特征在于：非线性倍频晶体置于平面镜与角度输出镜之间。
4、根据权利要求1所述的高倍频效率绿光激光产生方法，其特征在于：采用的泵浦光源为大功率半导体激光二极管侧面泵浦，或二极管端面纵向泵浦，氪灯、氙灯侧面泵浦。
5、根据权利要求1所述的高倍频效率绿光激光产生方法，其特征在于：采用的激光工作晶体为Nd:YAG，或Nd:YVO4，Nd:YLF，Nd:GdVO4，Yb:YAG，Er:YAG。
6、根据权利要求1所述的高倍频效率绿光激光产生方法，其特征在于：使用的光电开关为声光开关，或电光开关或饱和激收型被动Q开关。
7、根据权利要求1所述的高倍频效率绿光激光产生方法，其特征在于：采用LBO，或CLBO，BBO非线性晶体。
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| CN102581485A (zh) * | 2011-01-13 | 2012-07-18 | 深圳市光大激光科技股份有限公司 | 激光焊接设备 |
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2005
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