CN208078376U - 三点温度补偿473nm蓝光连续激光器 - Google Patents

Abstract

一种三点温度补偿473nm蓝光连续激光器，由泵浦源与泵浦耦合部分、谐振腔与腔内倍频部分，输出光束整形部分与三点温度补偿控温部分四个部分组成，可以为光谱分析、生物分析、三基色配色等应用提供必须的蓝光单色基准光源。该473nm蓝光激光器，可连续输出473nm蓝激光，输出功率大于1W，功率稳定性优于1％，泵浦光至输出光的光‑光转换效率大于18％，输出光束直径10mm，发散角小于0.05mrad，输出波前PV小于λ/3。

Description

三点温度补偿473nm蓝光连续激光器

技术领域

本实用新型涉及473nm蓝光连续激光器，特别是一种三点温度补偿473nm蓝光连续激光器。具体是涉及一种可用于光谱分析、生物分析、三基色配色等的蓝光单色基准光源。

背景技术

473nm蓝光连续输半导体泵浦固体激光器在光谱分析、生物分析、三基色配色等领域均有广泛应用。随着分析测试技术与三基色配色技术的迅速发展，采用473nm 波段的高亮度纯色蓝激光作为光谱分析、生物分析和三基色配色等系统基准光源，开展相关领域的技术研究越来越受到人们的关注。近年来，国内外对于如何采用半导体激光泵浦获得稳定高效的473nm纯色蓝光激光输出研究成为激光领域热点研究课题之一。

在各种光谱分析、生物分析、三基色配色等领域中大量需要采用473nm波段高亮度蓝光激光作为基准光源。因此国内外对于473nm的蓝光激光器的研究与研制已经开展的近20年，市场上已经形成了各种各样的产品。但是由于473nm波段是通过 946nm基频倍频获得的，而946nm基频为准三能级结构,基频与倍频效率都很低，目前国内外报道的473nm激光的光光转化效率都在10％左右，偶有实验室研究报道也是仅仅提高2～3％，总体都小于13％。由于低转化效率而要获得高功率输出就只有增大泵浦能量，而泵浦能量的增加会带来一系列的问题，如泵浦源输出功率增大，驱动电流增大，驱动与控温系统复杂，热效应突出，转化效率降低和整机体积增大等，更主要的是上述问题还带来了成本的增加和输出稳定性的降低。而近年来，选用 473nm波段高亮度蓝光激光作为单色基准光源时，对输出光束质量也提出了更高更明确的要求。而目前对于473nm波段段蓝光激光器的研究主要集中在提高效率和输出稳定性上，主要采用光学谐振系统优化的手段解决。将多点温度补偿、谐振腔设计和输出光学整形系统设计三方面相结合共同解决上述问题的研究却少见相关报道。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种用于光谱分析、生物分析、三基色配色等应用的三点温度补偿473nm蓝光连续激光器，该激光器可连续输出473nm蓝激光，输出功率大于1W，功率稳定性优于1％，泵浦光至输出光的光-光转换效率大于18％，输出光束直径10mm，发散角小于0.05mrad，输出波前PV小于λ/3。

为实现上述目的，本实用新型的技术解决方案如下：

一种三点温度补偿473nm蓝光连续激光器，其特点在于包括泵浦源半导体激光器，沿该半导体激光器的激光输出方向依次是柱面快轴压缩微透镜、非球面耦合聚焦透镜、平凹后腔镜、介质晶体、倍频晶体、平面输出腔镜、双凹面整形扩束透镜和双胶合准直输出透镜：

所述的半导体激光器的正极固定在第一散热热沉上表面的一端，第一散热热沉上表面的另一端通过绝缘材料固定有泵浦源负极连接板，泵浦源的负极通过负极引线链接在负极连接板上，第一散热热沉的下表面与第一半导体制冷器的控温面贴合，该第一半导体制冷器的另一面贴合安装在激光器的散热外壳底板上；所述的第一热沉、第一温度传感器、第一半导体制冷器、外壳底板和第三温度采集与控制系统组成泵浦源工作温度补偿控制组件，采集并控制半导体激光器的工作温度，使其输出波长工作在介质晶体最大吸收峰；

所述的介质晶体安装在第二散热热沉中间的通孔内，热沉通孔的内壁与介质晶体四面贴合，第二散热热沉的底面与第二半导体制冷器的控温面贴合，该第二半导体制冷器的另一面与整机外壳底板贴合安装，第二散热热沉内部安装第二温度传感器；所述的第二热沉、第二温度传感器、第二半导体制冷器、外壳底板)和第二温度采集与控制系统组成介质晶体工作温度补偿控制组件，采集并控制介质晶体的工作温度，使其稳定工作在选定的温度点上；

所述的倍频晶体安装在第三散热热沉的中间通孔内，热沉的内壁与倍频晶体的四面贴合，所述的第三散热热沉的底面与第三半导体制冷器的控温面贴合，第三半导体制冷器的另一面与整机外壳底板贴合安装，第三散热热沉内部安装第三温度传感器；所述的第三热沉、第三温度传感器、第三半导体制冷器、外壳底板和第三温度采集与控制系统组成倍频晶体的工作温度补偿控制组件，采集并调节倍频晶体的工作温度，使其倍频效率最高，并稳定工作在匹配温度点上；

所述的半导体激光器的发光面与所述的柱面快轴压缩微透镜相胶合；

所述的平凹后腔镜的凹面曲率与所述的介质晶体的热效应透镜焦距相匹配，共同消除振荡基频光的相差，使得振荡基频光的束腰位于所述的平面输出腔镜的内表面上；

所述的半导体激光器输出泵浦光泵浦所述的介质晶体被激发出准三能级基频946nm激光通过腔内插入倍频晶体形成473nm倍频高亮度蓝激光透过所述的平面输出腔镜输出倍频光束，经所述的双凹面整形扩束透镜和双胶合准直输出透镜形成波前达到三分之一波长的输出光。

本实用新型的技术效果如下：

1、本实用新型基频光通过腔内插入倍频晶体形成473nm倍频高亮度蓝激光透过输出腔镜输出，输出倍频光束与腔内基频光光束特性相同。根据激光腔参数，在输出光透过输出镜后匹配设置双凹面整形扩束透镜，输出光通过整形扩束透镜后再通过双胶合准直输出透镜形成波前达到三分之一波长的输出光。

2、三点温度补偿控温部分由泵浦源工作温度点补偿控制组件，介质晶体工作温度点补偿控制组件、倍频晶体工作温度点控制组件和温度采集与控制系统组成。三个器件的工作温度通过温度采集与控制系统分别补偿控制在各自的温度点上，使激光输出光光转化效率达到18％以上，输出功率稳定性优于1％。泵浦源补偿温度控制组件利用808nm波段半导体激光输出波长与工作温度存在温度变化1℃输出波长变化0.3nm的特性，通过泵浦源补偿控温组件控制其工作温度，使其输出波长工作在介质晶体最大吸收峰。通过介质晶体补偿控温组件控制介质晶体工作温度，使其稳定工作在选定的温度点上，使介质晶体产生的热透镜焦距稳定并与平凹后腔镜凹面曲率匹配，消除谐振基频光像差。倍频晶体补偿控温组件利用倍频晶体温度匹配的倍频特性，调节倍频晶体工作温度，使其倍频效率最高，并稳定工作在匹配温度点上。

3、本实用新型可连续输出473nm蓝激光，输出功率大于1W，功率稳定性优于 1％，泵浦光至输出光的光-光转换效率大于18％，输出光束直径10mm，发散角小于 0.05mrad，输出波前PV小于λ/3。

附图说明

图1为本实用新型三点温度补偿473nm蓝光连续激光器系统图

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型作详细说明，但不应以此限制本实用新型的保护范围。

先请参阅图1，图1为本实用新型三点温度补偿473nm蓝光连续激光器系统图。由图可见，本实用新型三点温度补偿473nm蓝光连续激光器，由泵浦源与泵浦耦合部分、谐振腔与腔内倍频部分，输出光束整形部分与三点温度补偿控温部分四个部分组成。

图1中，泵浦源半导体激光器03为808nm波段单管半导体激光器，最大输出功率6W，发光面积400μm×2μm。泵浦源半导体激光器正极032固定在铜制第一散热热沉13上表面一端，泵浦源发光面向着激光腔的方向。泵浦源铜制第一散热热沉 13上表面另一端通过绝缘材料02固定泵浦源负极连接板01，泵浦源负极通过负极引线031链接在负极连接板01上。第一散热热沉13下表面与泵浦源补偿控温半导体制冷器15控温面贴合，半导体制冷器15的另一面贴合安装在激光器散热外壳底板22上。第一散热热沉13中间部位内嵌安装泵浦源工作温度测试传感器14。泵浦源半导体激光器03、第一散热热沉13、负极连接板02、泵浦源补偿控温半导体制冷器15、泵浦源工作温度传感器14和整机外壳散热底板22共同组成泵浦源部分。泵浦源半导体激光器03向着激光腔方向的发光面胶合柱面快轴压缩微透镜04，泵浦光经过柱面压缩微透镜04后向前通过非球面耦合聚焦透镜05，沿着泵浦光光轴前后调节耦合聚焦透镜05位置，使泵浦光透过后腔镜06聚焦在介质晶体07内部距离后表面1mm长度的位置。柱面快轴压缩微透镜04采用直径400μm石英柱面光纤，表面镀805～810nm波段增透膜。非球面耦合聚焦透镜05向泵浦源一面为凸球面，朝向激光腔的一面为二次双曲面，双面均镀805～810nm波段增透膜。

谐振腔与腔内倍频部分由平凹后腔镜06、介质晶体07，倍频晶体08和平面输出镜09组成。谐振腔各组成元件沿着光轴方向依次摆放成平凹直线型腔内倍频结构。依次摆放关系为：泵浦光通过耦合聚焦镜05后，向前通过谐振腔平凹后腔镜 06平面后，向前通过平凹后腔镜凹面向前，透过介质晶体07后表面，聚焦在距离后表面1mm长度处，泵浦光聚焦后发散再向前到达介质晶体07前表面，被前表面的反射膜反射回介质晶体内。平凹后腔镜06采用熔石英材料，直径10mm，中心厚度 2mm，朝向泵浦源03的一面为平面，镀805～810nm波段增透膜，朝向介质晶体07 的一面为凹球面，曲率半径为70mm，凹面还同时镀805～810nm波段增透膜和946nm 全反射膜。介质晶体07采用Nd：YAG材料，尺寸为3×3×3mm，掺Nd浓度为1％，朝向后腔镜06的一面光滑表面，距离后腔镜06凹面中心点距离3mm，并镀805～810nm波段和946nm波段增透膜。介质晶体07朝向倍频晶体08的一面也为光滑表面，且同时镀镀805～810nm波段全反射膜和946nm增透膜。介质晶体07其余四个表面为毛面不镀膜。介质晶体07安装在介质晶体铜制第二散热热沉16中间的方形通孔内，通孔尺寸与介质晶体07外形尺寸相同，内壁与介质晶体07四面贴合。铜制介质晶体第二散热热沉16底面与补偿控温半导体制冷器18的控温面贴合，介质晶体补偿控温半导体制冷器18另一面与整机外壳底板22贴合安装。介质晶体07下侧的铜制第二散热热沉16内部安装介质晶体07工作温度传感器17。倍频晶体08 采用二类匹配BiBO晶体，尺寸2×2×10mm，朝向介质晶体的一面为光滑表面，距离介质晶体07前表面5mm，并同时镀946nm增透膜和473nm全反射膜。倍频晶体08 朝向输出镜09的一面也为光滑表面，距离输出腔镜09距离为3mm，并同时镀946nm 和473nm增透膜。倍频晶体08其他四个表面为毛面不镀膜。倍频晶体08同样结构的安装在其铜制第三散热热沉19中间的通孔内，通孔尺寸与倍频晶体08外形尺寸相同，内壁与倍频晶体08四面贴合。铜制倍频晶体第三散热热沉19的底面与补偿控温半导体制冷器21控温面贴合，倍频晶体08补偿控温半导体制冷器21另一面也与整机外壳底板22贴合安装。倍频晶体08下侧的铜制第三散热热沉19内部安装倍频晶体08工作温度传感器20。输出镜09采用熔石英材料，直径为10mm，双面为平面，朝向倍频晶体08的后表面同时镀946nm全反射膜和473nm增透膜，输出镜09 另一表面为激光输出面镀473nm增透膜。

473nm高亮度蓝激光透过输出镜09输出，473nm倍频输出光束特性与946nm基频光光束特性一致，在输出镜09内腔面上的束腰处聚焦后以与腔参数匹配的光束特性输出。结合平凹后腔镜06、介质晶体08工作时的等效热透镜、倍频晶体08通光光程和输出镜09的通过光程，可计算出输出光光束参数。在输出镜09前方3mm的位置摆放双面为凹面的整形扩束透镜10。整形扩束透镜10采用熔石英材料，双面曲率半径2.54mm，直径5mm，中心厚度1.3mm，双面同时镀473nm增透膜。整形扩束透镜10后距离其中心15.6mm位置摆放准直输出透镜组，该准直输出透镜组由双凸透镜11和凹凸透镜12胶合而成，双凸透镜11朝向整形扩束透镜10的一面镀473nm 增透膜，另一面不镀膜与凹凸透镜12同样不镀膜的凹面胶合，凹凸透镜12的凸面镀473nm增透膜为激光最终输出面。凹凸透镜12凸面输出的473nm高亮度蓝激光光束直径10mm，发散角小于0.05mrad，输出波前为三分之一波长。当泵浦源03输出功率5.4W时，473nm蓝激光输出功率为1.02W。

三点温度补偿控温部分由泵浦源03工作温度补偿控制组件，介质晶体07工作温度补偿控制组件、倍频晶体08工作温度控制组件和温度采集与控制系统组成。泵浦源03工作温度补偿控制组件由第一散热热沉13、泵浦源工作温度传感器14、泵浦源控温半导体制冷器15、外壳底板22和控制系统23的泵浦源控温组CON3组成。激光器工作时，依据泵浦源输出波长随工作温度每变化1℃波长变化0.3nm的特性，通过控制系统23的泵浦源03控温组CON3补偿控制泵浦源03恒定工作在使其输出波长为807nm的温度点上。介质晶体07工作温度补偿控制组件由介质晶体第二散热第二散热热沉16、介质晶体工作温度传感器17、介质晶体控温半导体制冷器18、外壳底板22和控制系统23中介质晶体07的控温组CON2组成。激光器工作且泵浦源03输出泵浦功率为5.4W时，通过控制系统23中介质晶体07的控温组CON2补偿控制介质晶体07恒定工作在19.3℃，介质晶体07产生的等效热透镜与平凹后腔镜 06匹配，实现消除腔内振荡光像差。倍频晶体08工作温度补偿控制组件由倍频晶体热沉19、倍频晶体工作温度传感器20、倍频晶体控温半导体制冷器21、外壳底板22和控制系统23中倍频晶体08的控温组CON1组成。激光器工作时，通过控制系统23中倍频晶体08的控温组CON1补偿控制倍频晶体08恒定工作在30.5℃，使倍频晶体08的倍频效率最高。通过分别对泵浦源03、介质晶体07和倍频晶体08 三个器件工作温度补偿控制，实现激光输出功率稳定性优于1％，泵浦源到输出光的光-光转化效率大于18％。

Claims (1)

1.一种三点温度补偿473nm蓝光连续激光器，其特征在于包括泵浦源半导体激光器(03)，沿该半导体激光器(03)的激光输出方向依次是柱面快轴压缩微透镜(04)、非球面耦合聚焦透镜(05)、平凹后腔镜(06)、介质晶体(07)、倍频晶体(08)、平面输出腔镜(09)、双凹面整形扩束透镜(10)和双胶合准直输出透镜：

所述的半导体激光器(03)的正极(032)固定在第一散热热沉(13)上表面的一端，第一散热热沉(13)上表面的另一端通过绝缘材料(02)固定有泵浦源负极连接板(01)，泵浦源的负极(033)通过负极引线(031)链接在负极连接板(01)上，第一散热热沉(13)的下表面与第一半导体制冷器(15)的控温面贴合，该第一半导体制冷器(15)的另一面贴合安装在激光器的散热外壳底板(22)上；所述的第一散热热沉(13)、第一温度传感器(14)、第一半导体制冷器(15)、外壳底板(22)和第三温度采集与控制系统(CON3)组成泵浦源工作温度补偿控制组件，采集并控制半导体激光器(03)的工作温度，使其输出波长工作在介质晶体最大吸收峰；

所述的介质晶体(07)安装在第二散热热沉(16)中间的通孔内，热沉通孔的内壁与介质晶体(07)四面贴合，第二散热热沉(16)的底面与第二半导体制冷器(18)的控温面贴合，该第二半导体制冷器(18)的另一面与整机外壳底板(22)贴合安装，第二散热热沉(16)内部安装第二温度传感器(17)；所述的第二散热热沉(16)、第二温度传感器(17)、第二半导体制冷器(18)、外壳底板(22)和第二温度采集与控制系统(CON2)组成介质晶体工作温度补偿控制组件，采集并控制介质晶体(07)的工作温度，使其稳定工作在选定的温度点上；

所述的倍频晶体(08)安装在第三散热热沉(19)的中间通孔内，热沉的内壁与倍频晶体的四面贴合，所述的第三散热热沉(19)的底面与第三半导体制冷器(21)的控温面贴合，第三半导体制冷器(21)的另一面与整机外壳底板(22)贴合安装，第三散热热沉(19)内部安装第三温度传感器(20)；所述的第三散热热沉(19)、第三温度传感器(20)、第三半导体制冷器(21)、外壳底板(22)和第三温度采集与控制系统(CON1)组成倍频晶体(08)的工作温度补偿控制组件，采集并调节倍频晶体(08)的工作温度，使其倍频效率最高，并稳定工作在匹配温度点上；

所述的半导体激光器(03)的发光面与所述的柱面快轴压缩微透镜(04)相胶合；

所述的平凹后腔镜(06)的凹面曲率与所述的介质晶体(07)的热效应透镜焦距相匹配，共同消除振荡基频光的相差，使得振荡基频光的束腰位于所述的平面输出腔镜(09)的内表面上；

所述的半导体激光器(03)输出泵浦光泵浦所述的介质晶体(07)被激发出准三能级基频946nm激光通过腔内插入倍频晶体(08)形成473nm倍频高亮度蓝激光透过所述的平面输出腔镜(09)输出倍频光束，经所述的双凹面整形扩束透镜(10)和双胶合准直输出透镜形成波前达到三分之一波长的输出光。