CN201345493Y

CN201345493Y - 一种全固态激光器

Info

Publication number: CN201345493Y
Application number: CNU2008201235112U
Authority: CN
Inventors: 刘谊元; 张瑛; 亓岩; 严伟; 毕勇; 贾中达
Original assignee: Optoelectronics Technology Co Ltd Of Beijing Zhongshida and Chinese Academy Of
Current assignee: Beijing Sega law firm
Priority date: 2008-10-30
Filing date: 2008-10-30
Publication date: 2009-11-11
Anticipated expiration: 2018-10-30

Abstract

本实用新型涉及一种全固态激光器，包括谐振腔，其特征在于所述谐振腔包括用作激光晶体的掺钕钒酸钆晶体，所述掺钕钒酸钆晶体中钕的掺杂浓度至少为0.5atm％。本实用新型首次用全固态激光器实现了960nm激光的输出，该激光属于红外波段，应用前景广阔，例如，红外激光用于材料微加工、用于监测工业加工环境安全；红外激光还可应用于激光焊接，可以制造出超过原材料硬度的焊接缝。

Description

一种全固态激光器

技术领域

本实用新型涉及激光器技术领域，尤其涉及一种全固态激光器。

背景技术

现有技术中，通常是使用半导体激光器获得960nm激光输出，尽管半导体激光器体积小、集成度高，但是光束质量较差，无法获得大功率的激光输出。而全固态激光器具有寿命长、稳定性好和光束质量好等一系列优点，能够在各个领域得到应用。

另一方面，现有技术中采用掺钕钒酸钆(Nd:GdVO₄)晶体可获得912nm激光、1063nm激光和1341nm激光，并通过倍频或和频技术获得其它波段激光输出。例如一篇公开号为US005420876的美国专利公开了一种利用Nd:GdVO₄增益微片通过腔内倍频获得532nm激光输出的全固态激光器，如图1所示，此全固态激光器包括泵浦源101、输入镜102、Nd:GdVO₄激光增益微片103、倍频晶体104和输出镜105。输入镜102为平平镜，输出镜105为平凹镜，倍频晶体104为KTP倍频晶体。此全固态激光器工作过程如下，泵浦源101产生的泵浦光通过输入镜102进入Nd:GdVO₄激光增益微片103，产生1063nm基频光，1063nm基频光通过KTP倍频晶体获得532nm的二次谐波输出。以上是现有技术利用掺钕钒酸钆(Nd:GdVO₄)晶体所获得的激光，但是至今，还没有使用掺钕钒酸钆(Nd:GdVO₄)全固态激光器得到960nm激光。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种利用掺钕钒酸钆(Nd:GdVO₄)晶体产生960nm激光的全固态激光器，而且还可以通过倍频获得480nm波长的蓝光激光。

为了实现上述实用新型目的，本实用新型提供了一种全固态激光器，包括谐振腔，所述谐振腔包括第一腔面和第二腔面；所述第一腔面为泵浦光入射到谐振腔内的面，所述第二腔面为谐振腔的输出面；所述谐振腔的第一腔面和第二腔面均镀有960nm的反射膜；所述谐振腔内具有用作激光晶体的钕掺杂浓度至少为0.5atm％的掺钕钒酸钆晶体。

上述技术方案中，所述全固态激光器还包括泵浦源，所述泵浦源发射可被所述掺钕钒酸钆晶体强烈吸收的近红外波长的光。

上述技术方案中，所述泵浦源是半导体激光器、氙灯或氪灯。

上述技术方案中，所述半导体激光器是发射中心波长为808nm的GaAs半导体激光器或GaAlAs半导体激光器。

上述技术方案中，所述谐振腔的第一腔面镀有对808nm激光的增透膜。

上述技术方案中，所述谐振腔的第一腔面和第二腔面中，至少有一个腔面镀有1063nm激光的增透膜；所述谐振腔的第一腔面和第二腔面中，至少有一个腔面镀有1341nm激光的增透膜。

上述技术方案中，所述掺钕钒酸钆晶体的出射面镀有1063nm和1341nm的增透膜。

上述技术方案中，所述全固态激光器还包括耦合透镜，所述耦合透镜为自聚焦透镜、柱透镜、非球面镜或耦合透镜组。

上述技术方案中，所述耦合透镜入射面和出射面均镀有对波长808nm的增透膜。

上述技术方案中，所述谐振腔还包括输出镜，所述输出镜为平凹镜或平平镜。

上述技术方案中，，所述全固态激光器还包括至少一个倍频晶体，所述倍频晶体放置在所述掺钕钒酸钆晶体的输出光路上。

上述技术方案中，所述倍频晶体可以为LBO、PPLN、BBO、BiBO、LN、KNO₃、PPKTP、KTA、CBO、CLBO、PPMgOLN、KN或LiI；也可以为半导体材料。

上述技术方案中，所述全固态激光器还包括温度调节装置。

上述技术方案中，所述温度调节装置用于将所述全固态激光器控制于17至37摄氏度的温度中。

本实用新型与现有技术相比，具有如下技术效果：

本实用新型用全固态激光器首次实现了960nm激光的输出，该激光属于红外波段，应用前景广阔，例如，红外激光用于材料微加工、用于监测工业加工环境安全和用作干扰系统以保护军用和民用航机；红外激光还可应用于激光焊接，可以制造出超过原材料硬度的焊接缝。

通过本实用新型可以获得960nm的各种倍频、和频以及差频激光输出。尤其是通过倍频可以获得480nm蓝光激光。全固态的480nm蓝光激光器可以应用在很多领域，例如，高亮度的全固态蓝光激光器可以作为彩色激光显示的标准三基色光源的蓝光模块，这种新型的低功耗、长寿命、高光束质量的激光光源与荧光光源相比不仅效率高，而且更加忠实于自然光，能够消除白炽光源产生的黄影和荧光光源产生的绿影，实现三基色的平衡；利用全固态蓝光激光器可以实现所有数字信息的存储，包括音频、视频、电视、照片等应用，与目前常用作光源的780nm的激光二极管相比较，蓝光激光的优点是波长短，光点面积小，存储量大；此全固态蓝光激光器也可用作数字视频领域中各种光盘的光源；此外，此全固态蓝光激光器还有望在数模转换器件、激光印刷、激光医学、生化技术、材料科学和光通信等许多领域得到广泛的应用。

附图说明

图1为现有技术利用掺钕钒酸钆(Nd:GdVO₄)晶体输出532nm激光的全固态激光器结构示意图；

图2为室温下掺钕钒酸钆(Nd:GdVO₄)晶体的荧光谱线图；

图3(a)为本实用新型获得的960nm激光光谱图；

图3(b)为本实用新型一种获得960nm激光的全固态激光器结构示意图；

图4为本实用新型一种获得480nm蓝光激光的全固态激光器结构示意图；

图5为本实用新型另一种获得480nm蓝光激光的全固态激光器结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作更加详细的描述。

图2为室温下掺钕钒酸钆(Nd:GdVO₄)晶体的荧光谱线图。如图2所示，3条最强的发射谱线分别位于中心波长912.6nm(⁴F_3/2→⁴I_9/2)、1063.1nm(⁴F_3/2→⁴I_11/2)和1341.3nm(⁴F_3/2→⁴I_13/2)处，其中最强的是1063.1nm谱线。Nd:GdVO₄晶体的⁴F_3/2→⁴I_11/2和⁴F_3/2→⁴I_13/2激光跃迁都是四能级系统，⁴F_3/2→⁴I_9/2激光跃迁是准三能级系统，在准三能级系统中存在再吸收现象。因为Nd:GdVO₄晶体的再吸收系数较大，同时由于钕离子(Nd)掺杂浓度越高再吸收越严重，所以严重的再吸收损耗限制了准三能级系统的912.6nm激光的输出。通过大量的实验证明，此时若抑制住1063.1nm和1341.3nm激光的输出，使二者不能够激射，并当Nd:GdVO₄晶体的掺杂浓度不小于0.5atm％(atm％是表示原子百分比)时，一种峰值波长为960nm的激光被激发出来。图3(a)为掺杂浓度为0.5atm％的Nd:GdVO₄晶体由808nm半导体激光器泵浦所得到的输出激光谱线图，图3(a)为光谱仪的测量曲线，可以明显看到两条谱线，其中波峰较高的谱线是峰值波长为960nm输出激光，另一条波峰较低的谱线是中心波长为808nm的泵浦光，其它波长激光都被抑制或损耗掉而没有输出。

图3(b)为本实用新型一种获得960nm激光的全固态激光器结构示意图，它包括泵浦源301、耦合透镜302、掺钕钒酸钆(Nd:GdVO₄)晶体303和输出镜304。泵浦源301的输出光路上依次放置耦合透镜302、Nd:GdVO₄晶体303和输出镜304。上述全固态激光器还包括温度调节装置，温度调节装置将全固态激光器控制于27摄氏度左右(正负不超过10度)的温度下，温度调节装置可以为TEC制冷器或散热片等传统温度调节装置。本实施例中泵浦源301采用输出激光中心波长为808nm的GaAs半导体激光器；耦合透镜302为自聚焦透镜，起到聚焦耦合的作用；Nd:GdVO₄晶体303采用Nd的掺杂浓度为0.5atm％的Nd:GdVO₄晶体，输出镜304为平凹镜。自聚焦透镜的两端面均镀有对808nm激光增透膜(透过率至少为99.8％)；Nd:GdVO₄晶体303的入射面镀有对808nm增透膜(透过率至少为99.5％)、1063nm和1341nm激光增透膜(透过率至少为90％)和960nm激光反射膜(反射率至少为99.8％)；Nd:GdVO₄晶体303的出射面镀有对960nm激光增透膜(透过率至少为99.8％)、1063nm和1341nm激光增透膜(透过率至少为90％)；输出镜304的入射面镀有对960nm激光反射膜(反射率为99％)、1063nm和1341nm激光增透膜(透过率至少为90％)；输出镜304的出射面镀有对960nm激光增透膜(透过率至少为99.8％)、1063nm和1341nm激光增透膜(透过率至少为90％)。其中Nd:GdVO₄晶体303的入射面和输出镜304的入射面构成激光谐振腔，Nd:GdVO₄晶体303的入射面称为第一腔面，输出镜304的入射面称为第二腔面(本实用新型定义泵浦光入射到谐振腔内的面称为第一腔面，谐振腔的输出面称为第二腔面)。

GaAs半导体激光器输出的泵浦光由自聚焦透镜耦合到Nd:GdVO₄晶体303内，端面泵浦Nd:GdVO₄晶体303，Nd:GdVO₄晶体303中的钕离子吸收泵浦光，然后钕离子受激辐射产生的960nm激光在谐振腔内振荡，当增益大于损耗时，就会有峰值波长为960nm的激光从输出镜304输出，平凹镜起到对960nm激光的整形输出的作用。本实施例采用输出功率为3W的GaAs半导体激光器泵浦，全固态激光器的输出功率为30mW。

本实施例中，采用了掺杂浓度为0.5atm％的Nd:GdVO₄晶体，当然也可以采用0.7atm％的Nd:GdVO₄晶体，还可以进一步提高掺杂浓度，如0.9atm％和3atm％。大量实验数据表明，当激光晶体的激活离子的掺杂浓度提高时，输出的960nm激光的光束质量及电光转化效率均有提高。例如，当泵浦源输出功率也为3W，而激活离子的掺杂浓度为0.7atm％时，全固态激光器的输出功率为40mW，激光器输出的光束质量及电光转化效率均高于同为3W泵浦功率但激活离子的掺杂浓度为0.5atm％时全固态激光器所获得的光束质量及电光转化效率。

本实施例中的平凹镜也可以采用平平镜代替，当然输出镜304也可省却不用。当输出镜省却不用时，Nd:GdVO₄晶体303的入射面的膜层不变化，其出射面改为镀1341nm、1063nm增透膜(透过率至少为90％)和960nm反射膜(反射率为99％)。Nd:GdVO₄晶体303的入射面与其出射面形成激光谐振腔，其中Nd:GdVO₄晶体303的入射面称为第一腔面，其出射面称为第二腔面。

960nm激光属于红外波段，应用前景广阔。例如，红外激光用于材料微加工、用于监测工业加工环境安全和用作干扰系统以保护军用和民用航机；红外激光还可应用于激光焊接，可以制造出超过原材料硬度的焊接缝。

图4为本实用新型一种获得480nm蓝光的全固态激光器结构示意图，它包括泵浦源401、耦合透镜402、掺钕钒酸钆(Nd:GdVO₄)晶体403、输出镜404和倍频晶体405。其中泵浦源401的输出光路上依次放置有耦合透镜402、掺钕钒酸钆(Nd:GdVO₄)晶体403、倍频晶体405和输出镜404。上述全固态激光器还包括温度调节装置，温度调节装置用于将全固态激光器控制在27摄氏度左右(正负不超过10度)的温度，温度调节装置可以为TEC制冷器或散热片等传统温度调节装置。泵浦源401为GaAlAs半导体激光器，耦合透镜402采用柱透镜，Nd:GdVO₄晶体403的钕离子掺杂浓度是0.9atm％，倍频晶体405采用LBO(三硼酸锂)I类相位匹配倍频晶体，输出镜404为平凹镜。其中，柱透镜两端面均镀有对808nm泵浦光增透膜(透过率至少为99.8％)；Nd:GdVO₄晶体403的入射面镀有对960nm反射膜(反射率至少为99.8％)、808nm的增透膜(透过率至少为99.5％)以及1341nm和1063nm激光增透膜(透过率至少为90％)，Nd:GdVO₄晶体403的出射面镀有对960nm激光增透膜(透过率至少为99.8％)、480nm激光反射膜(反射率至少为99.5％)以及1341nm和1063nm激光增透膜(透过率至少为90％)；LBO倍频晶体入射面镀有对480nm激光增透膜(透过率至少为99.5％)和对960nm激光增透膜(透过率至少为99.8％)，LBO倍频晶体出射面镀有对480nm激光增透膜(透过率至少为99.5％)和960nm激光增透膜(透过率至少为99.8％)；输出镜404的入射面镀有对960nm激光反射膜(反射率至少为99.8％)、1063nm和1341nm激光增透膜(透过率至少为90％)和480nm激光增透膜(透过率至少为99％)，输出镜404的出射面镀有对1063nm和1341nm激光增透膜(透过率至少为90％)和480nm激光增透膜(透过率至少为99％)。

首先GaAlAs半导体激光器产生的808nm的泵浦光由柱透镜耦合到Nd:GdVO₄晶体403内，Nd:GdVO₄晶体403中的钕离子吸收泵浦光后，钕离子受激辐射产生的960nm激光经LBO倍频晶体倍频后形成480nm二次谐波蓝光激光从输出镜404输出，输出镜404平凹镜起到整形输出480nm激光的作用。

图5为本实用新型另一种获得480nm蓝光的全固态激光器结构示意图，它包括泵浦源501、耦合透镜502、掺钕钒酸钆(Nd:GdVO₄)晶体503和倍频晶体504。其中掺钕钒酸钆(Nd:GdVO₄)晶体503和倍频晶体504通过胶合、光胶或离子键合结合成一体，形成一块晶体块。Nd:GdVO₄晶体503的掺杂浓度为2atm％，耦合透镜502入射面和出射面均镀有808nm的增透膜(透过率至少为99.8％)，晶体块的入射面镀有808nm增透膜(透过率至少为95％)、1063nm和1341nm的增透膜(透过率至少为90％)、960nm的反射膜(反射率至少为99.8％)和480nm的反射膜(反射率至少为99％)，出射面镀有960nm的反射膜(反射率至少为99.8％)、480nm增透膜(透过率至少为99％)以及1063nm和1341nm的增透膜(透过率至少为90％)。其中，晶体块的入射面和出射面构成激光谐振腔。

本实施例中耦合透镜502采用柱透镜，倍频晶体504为PPLN晶体，泵浦源501为GaAlAs半导体激光器，GaAlAs半导体激光器输出808nm的泵浦光，泵浦光由柱透镜耦合到晶体块(Nd:GdVO₄晶体503和倍频晶体504结合的一体)上，泵浦光经过晶体块后输出480nm的激光。当然，本实施例中组成晶体块的Nd:GdVO₄晶体503和PPLN晶体也可以分开放置，相当于图4去除输出镜404的情况，此种情况下，和图4的镀膜情况相比较，Nd:GdVO₄晶体503上的镀膜和图4中的Nd:GdVO₄晶体403的镀膜相同，相应地倍频晶体504相对图4中的倍频晶体405镀膜发生改变，即倍频晶体504的入射面镀有960nm增透膜(透过率大于99.8％)和480nm的增透膜(透过率大于99.5％)，出射面镀有480nm增透膜(透过率至少为99％)、1341nm和1063nm的增透膜(透过率大于90％)和960nm反射膜(反射率大于99.8％)，Nd:GdVO₄晶体503的入射面和倍频晶体504的出射面形成激光谐振腔，Nd:GdVO₄晶体503的入射面称为谐振腔第一腔面，倍频晶体504的出射面称为谐振腔第二腔面。

全固态的480nm蓝光激光器可以应用在很多领域，例如，高亮度的全固态蓝光激光器可以作为彩色激光显示的标准三基色光源的蓝光模块，这种新型的低功耗、长寿命、高光束质量的激光光源与荧光光源相比不仅效率高，而且更加忠实于自然光，能够消除白炽光源产生的黄影和荧光光源产生的绿影，实现三基色的平衡；利用全固态蓝光激光器可以实现所有数字信息的存储，包括音频、视频、电视、照片等应用，与目前常用作光源的780nm的激光二极管相比较，蓝光激光的优点是波长短，光点面积小，存储量大；此全固态蓝光激光器也可用作数字视频领域中各种光盘的光源；此外，此全固态蓝光激光器还有望在数模转换器件、激光印刷、激光医学、生化技术、材料科学和光通信等许多领域得到广泛的应用。

本实用新型中各个光学元件所镀膜层及其反射率或透过率均为优选示例，实际工作时可以作适当调整，尤其是1341nm和1063nm的膜层，当Nd:GdVO₄晶体的入射面作为谐振腔的第一腔面时，优选地在Nd:GdVO₄晶体的出射面同时镀有1063nm和1341nm增透膜；当全固态激光器加有输入镜，输入镜作为谐振腔的第一腔面时，Nd:GdVO₄晶体的入射面和出射面均优选镀有1063nm和1341nm增透膜。而且只要膜的透过率足够高，可以只在谐振腔第一腔面和第二腔面的其中一个腔面上镀有1063nm和1341nm的增透膜；或者在谐振腔第一腔面镀有1063nm和1341nm其中一种波长的增透膜，同时在谐振腔第二腔面镀不同于第一腔面的另一种波长的增透膜。总之，只要膜层能够满足抑制1063nm和1341nm起振，获得激光输出即可，这是本领域技术人员可以理解的。

本实用新型中的泵浦源可以采用单管半导体激光器，也可以采用半导体列阵激光器、氙灯或者氪灯等；耦合透镜除了使用自聚焦透镜和柱透镜外，还可以采用非球面镜或耦合透镜组及其他具有会聚作用的光学元件；倍频晶体除了使用LBO和PPLN外还可以使用BBO、BiBO、LN、KNO₃、PPKTP、KTA、CBO、CLBO、PPMgOLN、KN、LiI及半导体材料等；输出镜除平凹镜外还可以采用平平镜等。本实用新型还可以在倍频晶体后面或者谐振腔外加置其它晶体，例如加置KD*P调Q晶体获得脉冲激光输出；本实用新型可以在Nd:GdVO₄晶体与泵浦源中间加置输入镜，取代激光晶体入射面作为谐振腔的一个端面，由输入镜和输出镜构成谐振腔；当然输入镜和输出镜均可以除去不用，使用在相应晶体上镀膜来代替输入镜和输出镜形成谐振腔。

另外，本实用新型采用半导体激光器端面泵浦的方式，当然还可以采用泵浦源侧面泵浦的方式实现；倍频方式可以是腔内倍频也可以是腔外倍频；本实用新型不仅可以用于产生基频光和二倍频光，也可以产生三倍频、四倍频激光等，同时还可以用于差频光路、和频光路和参量振荡光路，当然其光路和镀膜也会根据具体情况的不同而相应地有所改变。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims

1.一种全固态激光器，包括谐振腔，其特征在于，所述谐振腔包括第一腔面和第二腔面；所述第一腔面为泵浦光入射到谐振腔内的面，所述第二腔面为谐振腔的输出面；所述谐振腔的第一腔面和第二腔面均镀有960nm的反射膜；所述谐振腔内具有用作激光晶体的钕掺杂浓度至少为0.5atm％的掺钕钒酸钆晶体。

2.根据权利要求1所述的全固态激光器，其特征在于，所述全固态激光器还包括用于发射可被所述掺钕钒酸钆晶体强烈吸收的近红外波长的光的泵浦源。

3.根据权利要求2所述的全固态激光器，其特征在于，所述泵浦源是半导体激光器、氙灯或氪灯。

4.根据权利要求3所述的全固态激光器，其特征在于，所述半导体激光器是发射中心波长为808nm的GaAs半导体激光器或GaAlAs半导体激光器。

5.根据权利要求1所述的全固态激光器，其特征在于，所述谐振腔的第一腔面镀有对808nm激光的增透膜。

6.根据权利要求1所述的全固态激光器，其特征在于，所述谐振腔的第一腔面和第二腔面中，至少有一个腔面镀有1063nm激光的增透膜；所述谐振腔的第一腔面和第二腔面中，至少有一个腔面镀有1341nm激光的增透膜。

7.根据权利要求6所述的全固态激光器，其特征在于，所述掺钕钒酸钆晶体的出射面镀有1063nm和1341nm的增透膜。

8.根据权利要求1所述的全固态激光器，其特征在于，所述全固态激光器还包括耦合透镜。

9.根据权利要求8所述的全固态激光器，其特征在于，所述耦合透镜为自聚焦透镜、柱透镜、非球面镜或耦合透镜组。

10.根据权利要求8所述的全固态激光器，其特征在于，所述耦合透镜入射面和出射面均镀有对波长808nm的增透膜。

11.根据权利要求1所述的全固态激光器，其特征在于，所述谐振腔还包括输出镜。

12.根据权利要求11所述的全固态激光器，其特征在于，所述输出镜为平凹镜或平平镜。

13.根据权利要求1或11所述的全固态激光器，其特征在于，所述全固态激光器还包括至少一个倍频晶体，所述倍频晶体放置在所述掺钕钒酸钆晶体的输出光路上。

14.根据权利要求13所述的全固态激光器，其特征在于，所述倍频晶体可以为LBO、PPLN、BBO、BiBO、LN、KNO₃、PPKTP、KTA、CBO、CLBO、PPMgOLN、KN或LiI；也可以为半导体材料。

15.根据权利要求1所述的全固态激光器，其特征在于，所述全固态激光器还包括温度调节装置。

16.根据权利要求15所述的全固态激光器，其特征在于，所述温度调节装置是用于将所述全固态激光器控制于17至37摄氏度的温度中的温度调节装置。