CN203747229U - 一种光学参量振荡调q激光模组及激光器封装 - Google Patents
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Abstract
一种光学参量振荡调Q激光模组及激光器封装，该光学参量振荡调Q激光模组由激光晶体、调Q晶体、薄型非线性光学晶体和导热基板组成。其特点是：在保证通光面互相平行的情况下，激光晶体、调Q晶体和非线性光学晶体固定在导热基板上。以此为基础，构建的紧凑型光学参量振荡调Q激光器的结构包括半导体激光二极管泵浦源，薄型激光模组、腔镜、输出滤波片。其特点是：上述元件以金属管壳作为承载平台固定在其上，且所述组件封装在激光器保护管壳内，薄型激光模组安装在金属管壳上，与光传播方向平行，腔镜垂直于金属管壳，且中心轴与光传播方向平行，输出滤波片垂直于金属管壳放置于另一端，形成调Q激光器结构。
Description
技术领域
本实用新型专利涉及激光技术领域，尤其涉及一种薄型一体化光学参量振荡调Q激光模组的封装结构和方法。
背景技术
光学参量振荡技术作为一种在传统激光所达不到的波长区域内实现可调谐、高相干性激光输出技术而吸引了人们广泛的兴趣。在典型的光学参量振荡过程中，特定频率的泵浦激光器的泵浦光（pump）被转换成两个新的不同频率的光，具有较高频率的光被称为信号光（signal），而另一束则被称为闲频光（idler）。
当前被研究和应用得最广泛的光学参量振荡过程是以近红外1.064μm的激光转换成1.5μm左右的信号光和3至5μm左右的闲频光。其中1.4μm到1.6μm波段作为人眼安全的激光波段之一，在激光测距、目标指示、环境监测、激光雷达等方面都有着及其重要的应用。波长在3μm到5μm的中红外激光处于大气传播的一个窗口，对大雾、烟尘等具有较强的穿透能力，因此在军事对抗、环境监测、遥感、医疗以及光谱学研究等诸多领域都有着重要的应用价值和前景。
在中红外光学参量振荡激光器中，通常包含用来产生1.064μm近红外激光的激光晶体和用来产生光学参量振荡的非线性晶体，为了提高非线性光学参量振荡转换效率，脉冲形式的泵浦光由于能量密度更高，因此要比连续工作模式的效率更高，因此在脉冲中红外光学参量振荡激光器，还包括调Q晶体。对于激光晶体来说，掺钕钒酸钇(Nd:YVO4)由于其具有增益高，偏振输出，并且在808 nm抽运波长上具有很高的吸收系数等优点，被认为是最佳增益介质。对于非线性晶体来说，由于双折射相位匹配（BPM）存在走离效应，转换效率低，运转阈值高等缺点，阻碍了其在光学参量振荡过程中的应用。随着以周期性极化工艺的成熟，基于准相位匹配（QPM）技术的光学器件，由于能够最大限度地利用非线性光学晶体的有效非线性系数，并能实现所选定方向的匹配，使其具有转换效率高、体积小、使用方便等特点。其中掺氧化镁周期性极化反转铌酸锂(MgO:PPLN)由于具有抗损伤阈值高、非线性系数大、成本低并且适合大规模工业化生产等优点而被认为是最具研究和实用前景的非线性光学晶体。
传统的光学参量振荡调Q激光器中存在5个甚至更多的分离光学元件，并且为了得到最佳的输出效率，这些光学器件需要精确地调节准直并固定，由此导致了当前光学参量振荡调Q激光器体积大、结构复杂、价格昂贵并且可靠性差。此外基于外加电场的周期性极化技术制作的掺氧化镁周期性极化反转铌酸锂晶体通常较薄（0.5 mm到1 mm）。因此使用这种薄型晶体会带来更大的调节难度，不易批量生产。专利201110446152.0和专利ZL201120417436.2发明了一种创新的“mGreen”一体化紧凑绿光芯片，将腔内倍频固体激光器的结构简化至2个光学元件，使得基于MgO:PPLN晶体的绿光固体激光器能够达到低成本，大批量的生产，解决了激光显示产业当前面临的绿光激光器方面的技术瓶颈。基于这个设计理念，本专利提出了一种将薄型激光晶体，调Q晶体和非线性倍频晶体集成为一体的结构设计，极大低简化了光学参量振荡调Q激光器制作工艺，使得低成本、批量紧凑型光学参量振荡调Q激光器成为可能。
发明内容
为解决现有技术存在的问题，本实用新型专利提出一种体积小，结构简单，稳定性好、调节和维修方便的薄型一体化光学参量振荡调Q激光模组和以此为基础的光学参量振荡调Q激光器。
本实用新型专利采用的技术方案是：
本实用新型专利提出一种薄型一体化光学参量振荡调Q激光模组，包括激光晶体（如Nd:YVO4）、调Q晶体（如Cr:YAG）、非线性光学晶体（如MgO:PPLN）和导热基板（如Si）。在模组通光方向上，3种晶体依上述次序固定在导热基板上，两两晶体之间通光面保持平行且间隔一定的距离。导热基板与晶体之间通过夹料固定。三种晶体的通光面上镀有优化设计的特殊光学镀膜。
上述技术方案中，激光晶体的入射面镀808 nm增透膜(HT或者AR808nm)和1064nm高反膜(HR1064nm)，出射面镀1064nm增透膜(AR1064nm)；调Q晶体的入射面和出射面镀膜相同，均为1064nm增透膜(AR1064nm)；非线性光学晶体的入射面镀1064 nm增透膜（AR1064nm）和信号光波长的高反膜（HRsignal），或者镀1064 nm增透膜（AR1064nm），信号光波长的高反膜（HRsignal）和闲频光波长的高反膜（HRidler），出射面镀1064 nm高反膜（HR1064 nm）和信号光波长的高反膜（HRsignal），或者1064 nm增透膜（AR1064nm）和信号光波长的增透膜（ARsignal）。
上述技术方案中，三种晶体在通光方向上互相相对的光学通光面保持一定的间隔距离，所述距离可以回0到50 mm不同的长度取值范围。
上述技术方案中，夹料可以是导热胶或者金属焊料。
以此为基础，本实用新型专利还提出一种紧凑型光学参量振荡调Q激光器的封装，包括半导体激光二极管泵浦光源、薄型激光模组（输出面镀有1064 nm高反膜和信号光波长的高反膜），和输出滤波片，其特点是，上述元件均以金属管壳作为承载并固定在其上，且所有组件均封装在激光器保护管壳内，所述半导体激光二极管泵浦光源发出的泵浦激光照射在所述薄型激光模组上，输出滤波片垂直于通光方向固定在金属管壳上，形成光学参量振荡调Q激光器结构，激光晶体、调Q晶体和非线性光学晶体共同形成光学谐振腔。如果采用输出面镀有1064 nm增透膜和信号光波长的增透膜的薄型激光模组，则还需在上述结构中薄型激光模组和输出滤波片之间，插入一个腔镜，腔镜同样垂直与通光方向固定在金属管壳上，激光晶体、调Q晶体、非线性光学晶体和腔镜共同形成光学谐振腔。
上述技术方案中，腔镜的一面镀532nm增透膜、1064nm高反膜；腔镜的另一面镀1064nm和532nm的增透膜。
上述技术方案中，腔镜为平凹镜，垂直于通光方向固定在金属管壳内，且中心轴与光传播方向平行。平凹镜的凹面面向激光芯片。
上述技术方案中，腔镜为平镜，垂直于通光方向固定在金属管壳内，且中心轴与光传播方向平行。
上述技术方案中，光学参量振荡调Q激光器的金属管壳上有1处刻有定位线；所述定位线定位所述激光模块到半导体激光二极管泵浦光源的最佳距离。
上述技术方案中，光学参量振荡调Q激光器的金属管壳上有1处刻有定位线；所述定位线定位所述腔镜到激光模块的最佳距离。
附图说明
图1（a）是薄型一体化光学参量振荡调Q激光模组的第一个实施例的结构示意图。
图1（b）是薄型一体化光学参量振荡调Q激光模组的第二个实施例的结构示意图。
图1（c）是薄型一体化光学参量振荡调Q激光模组的第三个实施例的结构示意图。
图1（d）是薄型一体化光学参量振荡调Q激光模组的第四个实施例的结构示意图。
图2（a）是基于薄型一体化光学参量振荡调Q激光模组的激光器的第一个实施例的结构示意图。
图2（b）是基于薄型一体化光学参量振荡调Q激光模组的激光器的第一个实施例的结构俯视示意图。
图3（a）是基于薄型一体化光学参量振荡调Q激光模组的激光器的第二个实施例的结构示意图。
图3（b）是基于薄型一体化光学参量振荡调Q激光模组的激光器的第二个实施例的结构俯视示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型进行进一步的说明。
图1（a）是薄型一体化光学参量振荡调Q激光模组的第一个实施例的结构示意图，该实施例包括激光晶体101，调Q晶体102和非线性光学晶体103。激光晶体101的入射面镀808 nm增透膜(HT或者AR808nm)和1064nm高反膜(HR1064nm)，出射面镀1064nm增透膜(AR1064nm)；调Q晶体102的入射面和出射面镀膜相同，均为1064nm增透膜(AR1064nm)；非线性光学晶体103的入射面镀1064 nm增透膜（AR1064nm）和信号光波长的高反膜（HRsignal），或者镀1064 nm增透膜（AR1064nm），信号光波长的高反膜（HRsignal）和闲频光波长的高反膜（HRidler），出射面镀1064 nm高反膜（HR1064 nm）和信号光波长的高反膜（HRsignal），或者1064 nm增透膜（AR1064nm）和信号光波长的增透膜（ARsignal），该信号光（signal）波长范围在1400 nm到1600 nm之间，闲频光（idler）波长范围在2μm至5μm之间。在晶体通光方向上三个晶体两两之间相对的光学通光面保持平行且间隔一定的距离，这个距离的取值范围可以是小于50 mm的任意优化长度。导热基板105与晶体之间通过夹料104结合，导热基板105可以是导热材料（如硅片等）或者是金属材料（如铜等），夹料104可以是导热胶或者金属焊料，固定方式可以为胶合，共晶焊接或者其他焊接方式，但不限于此。
图1（b）是薄型一体化光学参量振荡调Q激光模组的第二个实施例的结构示意图，与图1（a）所示的第一个实施例不同在于激光晶体101和调Q晶体102之间的距离为0，两者通过光胶或者胶合等技术紧密连接在一起，调Q晶体102和非线性光学晶体103之间的距离保持小于50 mm的任意优化长度。该实施例其它特点与图1（a）所示的第一个实施例相同。
图1（c）是薄型一体化光学参量振荡调Q激光模组的第三个实施例的结构示意图，与图1（a）所示的第一个实施例不同在于调Q晶体102和非线性光学晶体103之间的距离为0，两者通过光胶或者胶合等技术紧密连接在一起，激光晶体101和调Q晶体102之间的距离保持小于50 mm的任意优化长度。该实施例其它特点与图1（a）所示的第一个实施例相同。
图1（d）是薄型一体化光学参量振荡调Q激光模组的第四个实施例的结构示意图，与图1（a）所示的第一个实施例不同在于激光晶体101、调Q晶体102和非线性光学晶体103之间的距离均为0，三者之前两两通过光胶或者胶合等技术紧密连接在一起。该实施例其它特点与图1（a）所示的第一个实施例相同。
图2（a）和图2（b）是基于薄型一体化光学参量振荡调Q激光模组的紧凑型激光器的第一个实施例的结构示意图，该实施例包括半导体激光二极管201，薄型激光模组202，输出滤波片203，金属管壳204和定位线205。输出滤波片203允许由参量振荡产生的光（即信号光和/或闲频光通过，不允许泵浦光（波长808nm和1064nm）通过。各个元件均以金属管壳204作为承载并固定在其上。半导体激光二极管201发出的泵浦激光照射在薄型激光模组202上。薄型激光模组的输入面和输出面共同形成光学谐振腔。图2（b）为该实施例的结构俯视示意图。在该实施例中，在金属管壳204上刻有定位线205，该定位线205是用来定位半导体激光二极管201和激光模组202之间的距离，在此距离下，激光器的输出功率特性最佳。一般的，半导体激光二极管201到薄型激光模组202的间距范围为0.3 – 5 mm之间。
图3（a）和图3（b）是基于薄型一体化光学参量振荡调Q激光模组的紧凑型激光器的第二个实施例的结构示意图。该实施例包括半导体激光二极管301，薄型激光模组302，输出滤波片303，腔镜307，金属管壳304和定位线305和306。各个元件均以金属管壳304作为承载并固定在其上。输出滤波片303允许由参量振荡产生的光（即信号光和/或闲频光通过，不允许泵浦光（波长808nm和1064nm）通过。半导体激光二极管301发出的泵浦激光照射在薄型激光模组302上。腔镜307垂直于通光方向固定于金属管壳304上，且中心轴与光传播方向平行。薄型激光模组302的输入面和腔镜307共同形成光学谐振腔。图3（b）是本实施例的结构俯视示意图。在该实施例中，在金属管壳上刻有定位线305和306，定位线305是用来定位半导体激光二极管301和激光模组302之间的距离，在此距离下，激光器的输出特性最佳。一般的，半导体激光二极管301到薄型激光模组302的间距范围为0.3 – 5 mm之间,定位线306是用来定位薄型激光模组302和腔镜307之间的距离，在此距离下，激光器的输出特性最佳。一般的，薄型激光模组302和腔镜307的间距范围为0.2 – 50 mm之间。
需要说明的是，半导体激光二极管泵浦光源用于发射泵浦光，所述泵浦光的波长可以有多种可能。在上述实施例中，所述半导体激光二极管泵浦光源发射的泵浦激光的波长为808 nm。
还需要指出的是，以上仅以薄型激光模组为例说明了本实用新型专利的基本思想。显然，本实用新型专利可应用于基于光学参量振荡过程之外，还可以用于基于倍频、差频、或和频等非线性过程的激光模组制作。同时还需要指出的是，以上用于制作的激光晶体还可为其他掺杂的增益介质，如掺钕钒酸钆（Nd:GdVO4）等，而非线性光学晶体也可以为其他晶体，例如周期极化的钽酸锂（PPLT），周期极化的磷酸钛氧钾（PPKTP），三硼酸锂（LBO）和磷酸钛氧钾（KTP）等。
Claims (17)
1.一种薄型一体化光学参量振荡调Q激光模组，其特征在于，包括激光晶体，调Q晶体、薄型非线性光学晶体和导热基板，在芯片通光方向上激光晶体、调Q晶体和非线性光学晶体依次摆放，各晶体之间具有一定距离且各端面互相平行，并通过夹料与导热基板结合，三种晶体通光面上镀有光学镀膜。
2.权利要求1所述的薄型一体化光学参量振荡调Q激光模组，其特征在于，所述导热基板是导热材料。
3.权利要求1所述的薄型一体化光学参量振荡调Q激光模组，其特征在于，所述激光晶体的入射面镀808 nm增透膜和1064nm高反膜，出射面镀1064nm增透膜，调Q晶体的入射面和出射面镀膜相同，均为1064nm增透膜，非线性光学晶体的入射面镀1064 nm增透膜和信号光波长的高反膜，出射面镀1064 nm高反膜和信号光波长的高反膜。
4.权利要求1所述的薄型一体化光学参量振荡调Q激光模组，其特征在于，所述激光晶体的入射面镀808 nm增透膜和1064nm高反膜，出射面镀1064nm增透膜，调Q晶体的入射面和出射面镀膜相同，均为1064nm增透膜，非线性光学晶体的入射面镀1064 nm增透膜，信号光波长的高反膜和闲频光波长的高反膜，出射面镀1064 nm高反膜，信号光波长的高反膜和闲频光波长的高反膜。
5.权利要求1所述的薄型一体化光学参量振荡调Q激光模组，其特征在于，所述激光晶体的入射面镀808 nm增透膜和1064nm高反膜，出射面镀1064nm增透膜，调Q晶体的入射面和出射面镀膜相同，均为1064nm增透膜，非线性光学晶体的入射面镀1064 nm增透膜，信号光波长的高反膜和闲频光波长的高反膜，出射面镀1064 nm高反膜，信号光波长的增透膜和闲频光波长的增透膜。
6.权利要求1所述的薄型一体化光学参量振荡调Q激光模组，其特征在于，其产生的信号光波长范围在1400 nm到1600 nm之间，闲频光波长范围在2μm至5μm之间。
7.权利要求1所述的薄型一体化光学参量振荡调Q激光模组，其特征在于，两两晶体通光方向上相对的光学面之间隔出一定距离，所述的距离是0到50mm不同的长度取值范围。
8.权利要求1所述的薄型一体化光学参量振荡调Q激光模组，其特征在于，所述夹料是导热胶或金属焊料。
9.一种紧凑型光学参量振荡调Q激光器封装，包括半导体激光二极管泵浦光源和权利要求1所述的薄型一体化光学参量振荡调Q激光模组，其特点是，半导体激光二极管泵浦光源和权利要求1所述的薄型一体化光学参量振荡调Q激光模组均以金属管壳作为承载并固定在其上，且所有组件均封装在激光器保护管壳内，半导体激光二极管泵浦光源发出的泵浦激光照射在权利要求1所述的薄型一体化光学参量振荡调Q激光模组上，权利要求1所述的薄型一体化光学参量振荡调Q激光模组的非线性光学晶体的入射面镀1064 nm增透膜和信号光波长的高反膜，出射面镀1064 nm高反膜和信号光波长的高反膜，因此激光晶体，调Q晶体和非线性光学晶体对1064nm光形成光学谐振腔，非线性光学晶体两端面对信号光形成光学谐振腔。
10.一种紧凑型光学参量振荡调Q激光器封装，包括半导体激光二极管泵浦光源和权利要求1所述的薄型一体化光学参量振荡调Q激光模组，其特点是，半导体激光二极管泵浦光源和权利要求1所述的薄型一体化光学参量振荡调Q激光模组均以金属管壳作为承载并固定在其上，且所有组件均封装在激光器保护管壳内，半导体激光二极管泵浦光源发出的泵浦激光照射在权利要求1所述的薄型一体化光学参量振荡调Q激光模组上，权利要求1所述的薄型一体化光学参量振荡调Q激光模组的非线性光学晶体的入射面镀1064 nm增透膜，信号光波长的高反膜和闲频光波长的高反膜，出射面镀1064 nm高反膜，信号光波长的高反膜和闲频光波长的高反膜，因此激光晶体、调Q晶体和非线性光学晶体对1064nm光形成光学谐振腔，非线性光学晶体两端面对信号光和闲频光形成光学谐振腔。
11.一种紧凑型光学参量振荡调Q激光器封装，包括半导体激光二极管泵浦光源，权利要求1所述的薄型一体化光学参量振荡调Q激光模组和输出滤波片，其特点是，半导体激光二极管泵浦光源和权利要求1所述的薄型一体化光学参量振荡调Q激光模组和输出滤波片均以金属管壳作为承载并固定在其上，且所有组件均封装在激光器保护管壳内，半导体激光二极管泵浦光源发出的泵浦激光照射在权利要求1所述的薄型一体化光学参量振荡调Q激光模组上，权利要求1所述的薄型一体化光学参量振荡调Q激光模组的非线性光学晶体的入射面镀1064 nm增透膜，信号光波长的高反膜和闲频光波长的高反膜，出射面镀1064 nm高反膜，信号光波长的增透膜和闲频光波长的增透膜，权利要求1所述的薄型一体化光学参量振荡调Q激光模组输出面镀1064 nm高反膜和信号光波长的高反膜，输出滤波片垂直于通光方向固定在金属管壳上，形成光学参量振荡调Q激光器结构，激光晶体、调Q晶体和非线性光学晶体共同形成光学谐振腔。
12.一种紧凑型光学参量振荡调Q激光器封装，包括半导体激光二极管泵浦光源，权利要求1所述的薄型一体化光学参量振荡调Q激光模组、腔镜和输出滤波片，其特点是，半导体激光二极管泵浦光源和权利要求1所述的薄型一体化光学参量振荡调Q激光模组、腔镜和输出滤波片均以金属管壳作为承载并固定在其上，且所有组件均封装在激光器保护管壳内，半导体激光二极管泵浦光源发出的泵浦激光照射在权利要求1所述的薄型一体化光学参量振荡调Q激光模组上，权利要求1所述的薄型一体化光学参量振荡调Q激光模组输出面镀1064 nm增透膜和信号光波长的增透膜，所述腔镜和输出滤波片垂直于通光方向固定在金属管壳上，形成光学参量振荡调Q激光器结构，激光晶体，调Q晶体，非线性光学晶体和腔镜共同形成光学谐振腔。
13.权利要求9或10或11或12所述的一种紧凑型光学参量振荡调Q激光器封装，其特征在于，紧凑型光学参量振荡调Q激光器的金属管壳上有1处刻有定位线，定位线定位权利要求1所述的薄型一体化光学参量振荡调Q激光模组到半导体激光二极管泵浦光源的最佳距离。
14.权利要求12所述的一种紧凑型光学参量振荡调Q激光器封装，其特征在于，腔镜的一面镀1064nm和信号光波长的高反膜，腔镜的另一面镀1064nm和信号光波长的增透膜。
15.权利要求12所述的一种紧凑型光学参量振荡调Q激光器封装，其特征在于，腔镜为平凹镜，平凹镜垂直于通光方向固定在金属管壳内，且中心轴与光传播方向平行，平凹镜的凹面面向激光芯片。
16.权利要求12所述的一种紧凑型光学参量振荡调Q激光器封装，其特征在于，腔镜为平镜，垂直于通光方向固定在金属管壳内，且中心轴与光传播方向平行。
17.权利要求12所述的一种紧凑型光学参量振荡调Q激光器封装，其特征在于，紧凑型光学参量振荡调Q激光器的金属管壳上有1处刻有定位线，所述定位线定位所述腔镜到权利要求1所述的薄型一体化光学参量振荡调Q激光模组的最佳距离。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20140730 Termination date: 20181120 |