CN202405611U - 半导体二极管单端泵浦355nm紫外激光器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及半导体二极管单端泵浦355nm紫外激光器，半导体二极管泵浦源为输出功率40W的879.5nm波段半导体二极管泵浦，半导体二极管泵浦源的输出端依次布置有第一非球面透镜和第二非球面透镜，第二非球面透镜的输出端布置第一平面镜，第一平面镜的输出端布置激光晶体，激光晶体衔接透镜，透镜的输出端布置Q开关，Q开关的输出端布置第二平面镜，第二平面镜衔接三倍频晶体，三倍频晶体依次衔接二倍频晶体和第三平面镜。采用879.5nm波段二极管泵浦高掺杂，超长Nd:YVO4晶体实现5W高功率355nm紫外激光输出，有效的提升了激光器基频光输出功率。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种半导体二极管单端泵浦355nm紫外激光器，属于激光设备技术领域。
背景技术
紫外激光器的输出波长短，材料作用力强，分辨率高，聚焦点可小到几个微米数量级，已经在半导体领域、太阳能光伏、材料精细加工、紫外固化等领域有了广泛的应用。半导体二极管泵浦紫外激光器具有光束质量好、功率稳定性好、可靠性高、使用方便、体积小等诸多优点。目前，全球对半导体二极管泵浦紫外激光器的需求日益增加，应用领域不断扩大。国外多家激光器公司（Coherent、Spectra-physics、JDSU）可以提供瓦级以上的半导体二极管泵浦紫外激光器，国内因紫外激光器设计，工艺等难点问题，激光器的稳定性很难保证。
半导体二极管泵浦紫外激光输出的实现是通过对从Nd:YVO4或Nd:YAG等激光晶体发出的基频光进行二次倍频，然后通过基频光和二次倍频光的和频得到。通常采用的泵浦光波长808nm。由于激光晶体（Nd:YVO4）在808nm处具有强烈的吸收峰，所以通常采用808nm LD来泵浦激光晶体，以获得较高的光光转换效率（808nm到1064nm光光转换效率40%-60%），但由于量子亏损效应的影响，当泵浦功率加大时，晶体端面产生非常大的热量，严重影响输出激光的光束质量，甚至很容易产生晶体开裂或断裂。为了获得基模运转，通常808nm LD单端泵浦激光器输出功率小于10W，转换到紫外激光功率要低于3W。本实用新型采用879.5nm 波段LD泵浦Nd:YVO4晶体，将粒子直接从基态激发到激光上能级，有效的减小了量子亏损。激光晶体可以承受很高的泵浦功率，从而提高基频光输出功率，输出激光更容易获得基模运转。虽然光光转换效率较808nm LD泵浦会小，但是可以通过增加晶体掺杂浓度及长度等措施来改善。最终获得紫外激光输出功率大于5W。
目前半导体端面泵浦高功率激光器采用的耦合系统通常小于1:4，聚焦到晶体内的光斑一般位于0.8-1.2mm之间，尾纤纤芯直径一般为200-600um。半导体端面泵浦高功率激光器所用激光晶体掺杂浓度通常为0.2%-0.4%，晶体长度一般为5mm-20mm。
发明内容
本实用新型的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种半导体二极管单端泵浦355nm紫外激光器。
本实用新型的目的通过以下技术方案来实现：
半导体二极管单端泵浦355nm紫外激光器，特点是：包括半导体二极管泵浦源和激光晶体，半导体二极管泵浦源为输出功率40W的879.5nm波段半导体二极管泵浦，半导体二极管泵浦源的输出端依次布置有第一非球面透镜和第二非球面透镜，第一非球面透镜和第二非球面透镜构成非球面光学耦合系统，第二非球面透镜的输出端布置第一平面镜，第一平面镜的输出端布置激光晶体，激光晶体衔接透镜，透镜的输出端布置Q开关，Q开关的输出端布置第二平面镜，第二平面镜衔接三倍频晶体，三倍频晶体依次衔接二倍频晶体和第三平面镜；半导体二极管泵浦源输出879.5nm泵浦光经过由第一非球面透镜和第二非球面透镜组成的非球面光学耦合系统以及第一平面镜耦合到激光晶体内，产生的1064nm激光经过由第一平面镜、第二平面镜和第三平面镜构成的谐振腔内振荡并由Q开关调制，调制的1064nm基频光两次经过二倍频晶体将1064nm基频光转换为532nm倍频光，未二次倍频转换的剩余1064nm基频光与532nm倍频光经过三倍频晶体进行和频，得到的355nm紫外激光从三倍频晶体布儒斯特角切割的一面输出。
进一步地，上述的半导体二极管单端泵浦355nm紫外激光器，其中，所述第一非球面透镜和第二非球面透镜组成的非球面光学耦合系统的放大倍率为1：8。
更进一步地，上述的半导体二极管单端泵浦355nm紫外激光器，其中，所述激光晶体为Nd:YVO4，其晶体尺寸为3×3×30mm3，晶体掺杂浓度为0.55％。
再进一步地，上述的半导体二极管单端泵浦355nm紫外激光器，其中，所述三倍频晶体为II类相位匹配方式LBO，其晶体尺寸为3×3×25mm3。
再进一步地，上述的半导体二极管单端泵浦355nm紫外激光器，其中，所述第一平面镜、第二平面镜和第三平面镜构成的谐振腔内插入有单片凸透镜，补偿晶体热效应，提高输出功率，改善光束质量。
本实用新型技术方案突出的实质性特点和显著的进步主要体现在：
本实用新型采用879.5nm波段二极管泵浦高掺杂，超长Nd:YVO4晶体实现5W高功率355nm紫外激光输出，有效的提升了激光器基频光输出功率。腔内插入凸透镜，对晶体热透镜效应进行有效补偿，使得激光器输出功率不容易饱和，同时因透镜聚焦作用使得倍频晶体处具有较小的光斑，显著提高了倍频转换效率。三倍频晶体采用布儒斯特角切割，相比与镀膜方式，三倍频晶体的工作寿命可以大大延长。
附图说明
下面结合附图对本实用新型技术方案作进一步说明：
图1：半导体二极管单端泵浦355nm紫外激光器原理示意图。
具体实施方式
本实用新型设计一种半导体二极管单端泵浦355nm紫外激光器，采用879.5nm波段二极管泵浦高掺杂，超长Nd:YVO4晶体实现5W高功率355nm紫外激光输出。
如图1所示，半导体二极管单端泵浦355nm紫外激光器，包括半导体二极管泵浦源1和激光晶体5，半导体二极管泵浦源1为输出功率40W的879.5nm波段半导体二极管泵浦，半导体二极管泵浦源1的输出端依次布置有第一非球面透镜2和第二非球面透镜3，第二非球面透镜3的输出端布置第一平面镜4，第一平面镜4的输出端布置激光晶体5，激光晶体5衔接透镜6，透镜6的输出端布置Q开关7，Q开关7的输出端布置第二平面镜8，第二平面镜8衔接三倍频晶体9，三倍频晶体9依次衔接二倍频晶体10和第三平面镜11；半导体二极管泵浦源1输出879.5nm泵浦光经过由第一非球面透镜2和第二非球面透镜3组成的非球面光学耦合系统以及第一平面镜4耦合到激光晶体5内，产生的1064nm激光经过由第一平面镜4、第二平面镜8和第三平面镜11构成的谐振腔内振荡并由Q开关7进行调制，调制的1064nm基频光两次经过二倍频晶体10将1064nm基频光转换为532nm倍频光，未二次倍频转换的剩余1064nm基频光与532nm倍频光经过三倍频晶体9进行和频，得到的355nm紫外激光从三倍频晶体9布儒斯特角切割的一面输出。
半导体二极管泵浦源1采用输出功率40W的879.5nm波段半导体二极管，其尾纤纤芯直径为100微米，数值孔径NA=0.22。第一非球面透镜2和第二非球面透镜3组成的非球面光学耦合系统的放大倍率为1：8。激光晶体5为Nd:YVO4，其晶体尺寸为3×3×30mm3，或更长晶体，晶体掺杂浓度为0.55％或更高掺杂浓度。三倍频晶体9为II类相位匹配方式LBO，晶体端面采用布儒斯特角切割，其晶体尺寸为3×3×25mm3。
首先考虑测量晶体的热透镜焦距，在30W较大泵浦功率泵浦下，激光晶体的热透镜焦距F=150mm。利用winlase软件进行模拟计算得到腔的稳区图。由稳区图可以看出，激光器存在稳区，对应热焦距F=140-510mm，所以在大功率泵浦底下，激光器可以保持稳定运转。
根据上述技术方案，构建了半导体二极管单端泵浦355nm紫外激光器装置，在抽运光功率为30W时，在不同频率调制下激光器的输出功率，当调制频率f=30kHz时，激光器输出功率大于5W，泵浦光到355nm紫外激光的转换效率约为17%，如此高的转换效率已接近理论值。在此泵浦功率下，在20kHz时，激光脉冲宽度为12ns。在激光功率5W时，用光束质量分析仪测得光束质量因子M2<1.3。该激光器运行8小时的稳定度曲线可以看出稳定度小于3%。从结果可以看出，紫外激光器具有转换效率高、光束质量好、运行稳定等优点，广泛用于紫外激光应用领域。
本实用新型采用879.5nm波段半导体二极管作为泵浦源，有效的提升了激光器基频光输出功率。第一平面镜、第二平面镜和第三平面镜构成的谐振腔内插入有单片凸透镜，补偿晶体热效应，提高输出功率，改善光束质量，对晶体热透镜效应进行有效补偿，使得激光器输出功率不容易饱和，同时因透镜聚焦作用使得倍频晶体处具有较小的光斑，显著提高了倍频转换效率。三倍频晶体采用布儒斯特角切割， 相比与镀膜方式，三倍频晶体的工作寿命可以大大延长。
需要理解到的是：以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。
Claims (5)
1.半导体二极管单端泵浦355nm紫外激光器，其特征在于：包括半导体二极管泵浦源和激光晶体，半导体二极管泵浦源为输出功率40W的879.5nm波段半导体二极管泵浦，半导体二极管泵浦源的输出端依次布置有第一非球面透镜和第二非球面透镜，第一非球面透镜和第二非球面透镜构成非球面光学耦合系统，第二非球面透镜的输出端布置第一平面镜，第一平面镜的输出端布置激光晶体，激光晶体衔接透镜，透镜的输出端布置Q开关，Q开关的输出端布置第二平面镜，第二平面镜衔接三倍频晶体，三倍频晶体依次衔接二倍频晶体和第三平面镜；半导体二极管泵浦源输出879.5nm泵浦光经过由第一非球面透镜和第二非球面透镜组成的非球面光学耦合系统以及第一平面镜耦合到激光晶体内，产生的1064nm激光经过由第一平面镜、第二平面镜和第三平面镜构成的谐振腔内振荡并由Q开关调制，调制的1064nm基频光两次经过二倍频晶体将1064nm基频光转换为532nm倍频光，未二次倍频转换的剩余1064nm基频光与532nm倍频光经过三倍频晶体进行和频，得到的355nm紫外激光从三倍频晶体布儒斯特角切割的一面输出。
2.根据权利要求1所述的半导体二极管单端泵浦355nm紫外激光器，其特征在于：所述第一非球面透镜和第二非球面透镜构成的非球面光学耦合系统的放大倍率为1：8。
3.根据权利要求1所述的半导体二极管单端泵浦355nm紫外激光器，其特征在于：所述激光晶体为Nd:YVO4，其晶体尺寸为3×3×30mm3，晶体掺杂浓度为0.55％。
4.根据权利要求1所述的半导体二极管单端泵浦355nm紫外激光器，其特征在于：所述三倍频晶体为II类相位匹配方式LBO，其晶体尺寸为3×3×25mm3。
5.根据权利要求1所述的半导体二极管单端泵浦355nm紫外激光器，其特征在于：所述第一平面镜、第二平面镜和第三平面镜构成的谐振腔内插入有单片凸透镜。
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|---|---|---|---|---|
| CN107749560A (zh) * | 2017-11-24 | 2018-03-02 | 深圳市杰普特光电股份有限公司 | 单泵双端泵浦紫外激光器 |
| CN108365515A (zh) * | 2018-03-26 | 2018-08-03 | 山东大学 | 一种单端泵浦高功率窄脉冲基模激光器及其工作方法 |
| CN114498271A (zh) * | 2022-02-18 | 2022-05-13 | 北京华岸科技有限公司 | 半导体二极管泵浦紫外激光器 |
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- 2011-12-29 CN CN2011205622737U patent/CN202405611U/zh not_active Expired - Lifetime
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Granted publication date: 20120829 |
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| CX01 | Expiry of patent term |