CN212810846U - 一种半导体直接泵浦的金刚石拉曼激光器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种半导体直接泵浦的金刚石拉曼激光器，所述激光器包括：半导体激光器输出线偏振态的泵浦光，泵浦光经光束整形系统扩束和准直后进入光隔离器，由耦合系统入射进金刚石拉曼振荡器，经受激拉曼散射产生Stokes光，最后通过滤波片输出纯净的目标波长激光。本实用新型为提高半导体激光器输出光束质量提供了一种新技术手段，实现了高转换效率、高功率以及高亮度的激光输出。

Description

一种半导体直接泵浦的金刚石拉曼激光器

技术领域

本实用新型涉及高功率激光器领域，尤其涉及一种半导体直接泵浦的金刚石拉曼激光器。

背景技术

高功率、高亮度的激光光源，在医疗、科学研究、军事等领域均有重要的应用。半导体激光器作为目前应用最广泛的光电子器件之一，具有体积小、价格低、寿命长、光电效率高以及功耗低等优点，作为产生高功率激光输出的有效手段，半导体泵浦激光器可以实现皮秒级、千瓦级平均功率的激光光源。然而其作为激光光源最大的缺陷是输出光快慢轴方向光束质量不对称，快轴方向接近衍射极限，慢轴方向光束质量较差，存在发散角大，椭圆光斑等问题，从而限制了半导体激光器的直接应用，因此改善半导体激光器输出光的光束质量尤为重要。

金刚石作为拉曼增益介质，表现出的宽光谱透过范围、极为突出的热导率和较低的热膨胀系数使其相比于其他常用拉曼晶体能够承受更高的泵浦功率，这使得金刚石拉曼激光器在高功率泵浦作用下表现优良，同时基于受激拉曼散射原理，可以实现有效的波长转换。且由于在拉曼转换过程中Stokes光的空间和相位等特性不受泵浦光光束特征的影响，这使得产生的Stokes光相比于泵浦光呈现出一定的光束净化效果，因而即使在泵浦光光束质量极差的条件下，使用金刚石拉曼激光器仍可以获得光束质量良好的激光输出。目前，金刚石拉曼激光器的输出功率主要受限于有限的泵浦功率，随着泵浦功率的进一步提高，有望获得更高功率、更高转换效率的高光束质量的激光输出。

半导体直接泵浦的金刚石拉曼激光器，将大功率半导体激光直接耦合到金刚石拉曼振荡器中，同时具备半导体激光器与金刚石拉曼激光器的各种优点，可以有效解决半导体激光器输出光束质量差，金刚石拉曼激光器缺少高功率泵浦源等问题，从而实现高转换效率、高功率、高亮度的激光输出，从而扩展其在各个领域方面的应用。

实用新型内容

本实用新型提供了一种半导体直接泵浦的金刚石拉曼激光器，提高了半导体激光器输出光束质量的新技术手段，从而实现高功率、高亮度的激光输出，详见下文描述：

一种半导体直接泵浦的金刚石拉曼激光器，所述激光器包括：

半导体激光器输出线偏振态的泵浦光，泵浦光经光束整形系统扩束和准直后进入光隔离器，由耦合系统入射进金刚石拉曼振荡器，经受激拉曼散射产生Stokes光。

在一种实现方式中，所述耦合系统包括：二分之一波片、第一聚焦透镜，所述二分之一波片用于调节泵浦光的偏振态，第一聚焦透镜将泵浦光耦合到金刚石拉曼振荡器中；

所述金刚石拉曼振荡器包括：沿着光路顺序依次设置的第一输入镜、第一拉曼晶体、及第一输出镜。

在一种实现方式中，所述耦合系统包括：第二聚焦透镜，所述第二聚焦透镜用于将泵浦光耦合到金刚石拉曼振荡器中；

所述金刚石拉曼振荡器包括：沿着光路顺序依次设置的第二输入镜、第二拉曼晶体、及第二输出镜，所述第二拉曼晶体的两端切割角度θ＝arctan(n₀)，n₀为第二拉曼晶体折射率。

一种半导体直接泵浦的金刚石拉曼激光器，其特征在于，所述激光器包括：

半导体激光器输出线偏振态的泵浦光，泵浦光经光束整形系统扩束和准直后进入光隔离器，再由拉曼晶体入射端面耦合进金刚石拉曼振荡器，经受激拉曼散射产生Stokes光。

在一种实现方式中，所述金刚石拉曼振荡器包括：第三拉曼晶体，第三拉曼晶体的入射端面为半柱透镜，泵浦光经入射端面耦合进第三拉曼晶体。

在一种实现方式中，所述金刚石拉曼振荡器包括：第四拉曼晶体，第四拉曼晶体的入射、出射端面均为半柱透镜，泵浦光经入射端面耦合进第四拉曼晶体。

优选地，所述金刚石拉曼激光器还包括：滤波片。

本实用新型提供的技术方案的有益效果是：

1、该实用新型首次提出直接将半导体激光器发出的激光耦合到金刚石拉曼振荡器中，实现半导体激光器输出光束质量的提高，该设计同时具备半导体激光器和金刚石拉曼激光器的优点，可实现高转换效率、高功率、高亮度的激光输出；

2、该金刚石拉曼激光器，不存在“空间烧孔”效应，这在很大程度上避免了纵模不稳定等问题；拉曼增益介质采用金刚石晶体，其具有高拉曼增益系数、最大的拉曼频移和相对折中的拉曼线宽；此外，金刚石表现出的宽光谱透过范围、极为突出的热导率和较低的热膨胀系数使其相比于其他常用拉曼晶体能够承受更高的泵浦功率，从而获得更高的输出功率；

3、得益于拉曼激光器固有的自相位匹配的特点，拉曼增益与泵浦光和输出光束的方向无关，这使得即使在低光束质量泵浦的情况下仍可获得高亮度的激光输出；高功率、窄线宽但输出光束质量差的半导体激光器结合金刚石拉曼振荡器，可以获得高功率、高亮度的激光光源；

4、该金刚石拉曼振荡器结构简单且紧凑，便于全固态激光器的集成化。

附图说明

图1为半导体直接泵浦的金刚石拉曼激光器的结构示意图；

图2为光束整形系统的结构示意图；

图3为耦合系统的结构示意图；

其中，(a)为由二分之一波片和聚焦透镜组成的耦合系统结构示意图；(b)为仅由聚焦透镜组成的耦合系统结构示意图。

图4为由输入镜、平行切割的金刚石晶体以及输出镜组成的金刚石拉曼振荡器的示意图；

图5为由输入镜、θ角切割的金刚石晶体以及输出镜组成的金刚石拉曼振荡器的示意图；

图6为入射端采取半柱透镜设计的金刚石晶体的示意图；

图7为入射和出射端均采取半柱透镜设计的金刚石晶体的示意图。

1：半导体激光器； 2：光束整形系统；

3：光隔离器； 4：耦合系统；

5：金刚石拉曼振荡器； 6：滤波片。

其中，

2-1：扩束镜； 2-2：快轴准直镜；

4-1：二分之一波片； 4-2：第一聚焦透镜；

4-3：第二聚焦透镜；

5-1：第一输入镜； 5-2：第一拉曼晶体；

5-3：第一输出镜； 5-4：第二输入镜；

5-5：第二拉曼晶体； 5-6：第二输出镜；

5-7：第三拉曼晶体； 5-8：第四拉曼晶体。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本实用新型实施方式作进一步地详细描述。

参见图1，由半导体激光器泵浦的金刚石拉曼激光器包括：半导体激光器1、光束整形系统2、光隔离器3、耦合系统4、金刚石拉曼振荡器5和滤波片6。

半导体激光器1可输出线宽小于1nm，功率大于50W的泵浦光，泵浦光为线偏振态。泵浦光经过光束整形系统2扩束和准直后进入光隔离器3，再由耦合系统4入射进金刚石拉曼振荡器5，通过受激拉曼散射产生Stokes光，最后通过滤波片6过滤掉多余的杂质光，输出纯净的目标波长激光。

其中，参见图2，光束整形系统2由扩束镜2-1和快轴准直镜2-2组成，扩束镜2-1和快轴准直镜2-2的通光面均镀有对泵浦光增透的宽带介质膜，用于实现光束的扩束和准直。光隔离器3用于实现对半导体激光器1的保护，使得泵浦光只能单向通过，由光学器件反射的光无法通过光隔离器3。

综上所述，本实用新型首先提出一种半导体直接泵浦的金刚石拉曼激光器，将高功率半导体激光器输出的激光直接耦合进金刚石拉曼激光器，提高了半导体激光器输出光束质量及亮度，实现高转换效率、高功率以及高亮度的激光输出。

下面结合具体的附图、器件结构对上述的耦合系统4、金刚石拉曼振荡器5进行进一步地介绍。

实施例1

该实施例对耦合系统4、金刚石拉曼振荡器5的结构均进行了进一步地限定，其余器件结构不做限定，详见下文描述：

耦合系统4参见图3(a)所示，包括：二分之一波片4-1、第一聚焦透镜4-2。二者均双面镀有对泵浦光增透的宽带介质膜，通过二分之一波片4-1来调节泵浦光的偏振态以获得最大的拉曼增益，第一聚焦透镜4-2可将泵浦光耦合到金刚石拉曼振荡器5中。

具体实现时，对应的金刚石拉曼振荡器5如图4所示。拉曼谐振腔，包括：第一输入镜5-1，为平凹镜，平面镀有对泵浦光增透的宽带介质膜，凹面镀有对Stokes光高反射的宽带介质膜；第一拉曼晶体5-2，为平行切割的金刚石晶体，两端不镀膜或镀对Stokes光增透的宽带介质膜；第一输出镜5-3，为平凹镜，凹面镀有对泵浦光高反射、对Stokes光部分反射的宽带介质膜，平面镀有对Stokes光部分透射的宽带介质膜。

实施例2

该实施例对耦合系统4、金刚石拉曼振荡器5的结构均进行了进一步地限定，其余器件结构不做限定，详见下文描述：

耦合系统4参见图3(b)所示，仅由第二聚焦透镜4-3组成，其为平凸透镜，且双面镀有对泵浦光增透的宽带介质膜，泵浦光经由第二聚焦透镜4-3直接耦合到金刚石拉曼振荡器5中。

具体实现时，对应的金刚石拉曼振荡器5如图5所示。拉曼谐振腔包括：第二输入镜5-4，为平凹镜，平面镀有对泵浦光增透的宽带介质膜，凹面镀有对Stokes光高反射的宽带介质膜；第二拉曼晶体5-5，两端切割角度θ＝arctan(n₀)，n₀为第二拉曼晶体5-5的折射率，其两端不镀膜或镀对Stokes光增透的宽带介质膜；第二输出镜5-6，其为平凹镜，凹面镀有对泵浦光高反射、对Stokes光部分反射的宽带介质膜，平面镀有对输出Stokes光部分透射的宽带介质膜。

实施例3

该实施例对金刚石拉曼振荡器5的结构进行了进一步地限定，且该实施例中耦合系统4可以省略，对其余器件结构不做限定，详见下文描述：

该金刚石拉曼激光器仅由半导体激光器1、光束整形系统2、光隔离器3、金刚石拉曼振荡器5和滤波片6组成，不包含耦合系统4。

金刚石拉曼振荡器5的结构如图6所示，其拉曼谐振腔仅由第三拉曼晶体5-7组成。第三拉曼晶体5-7的入射端采取半柱透镜设计，入射端面曲率半径R₁在3.4-6mm之间，晶体总长L₁为8-10mm，且入射端面镀有对泵浦光增透，同时对Stokes光高反射的宽带介质膜。泵浦光经入射端面直接耦合进第三拉曼晶体5-7，其出射端面镀有对泵浦光高反射、对Stokes光部分反射的宽带介质膜。

优选地，入射端面的曲率半径R₁＝6mm，具体实现时，本发明实施例对上述数值不做限制，可根据实际应用中的需要进行设定。

实施例4

该实施例对金刚石拉曼振荡器5的结构进行了进一步地限定，且该实施例中耦合系统4可以省略，对其余器件结构不做限定，详见下文描述：

该金刚石拉曼激光器仅由半导体激光器1、光束整形系统2、光隔离器3、金刚石拉曼振荡器5和滤波片6组成，不包含耦合系统4。

金刚石拉曼振荡器5的结构如图7所示，其拉曼谐振腔仅由第四拉曼晶体5-8组成。第四拉曼晶体5-8的两端均采取半柱透镜设计，入射端面曲率半径R₂以及出射端面曲率半径R₃可在2-10mm范围内选取，晶体总长L₂为8-10mm。泵浦光经入射端面直接耦合进第四拉曼晶体5-8，其入射端面镀有对泵浦光增透，对Stokes光高反射的宽带介质膜；出射端面镀有对泵浦光高反射、对Stokes光部分反射的宽带介质膜。

优选地，入射端面曲率半径R₂＝3.5mm，出射端面曲率半径R₃＝3.5mm，具体实现时，本发明实施例对上述数值不做限制，根据实际应用中的需要进行设定。

通过上述实施例3和4，形成了腔镜晶体一体化的设计，不仅不需要对腔镜进行调节，而且由于拉曼晶体的入射端均采取半柱透镜设计，因而均可省略耦合系统4。该设计使得激光器更加稳定，便于全固态激光器的集成化。

本实用新型实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本实用新型实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种半导体直接泵浦的金刚石拉曼激光器，其特征在于，所述激光器包括：

半导体激光器输出线偏振态的泵浦光，泵浦光经光束整形系统扩束和准直后进入光隔离器，由耦合系统入射进金刚石拉曼振荡器，经受激拉曼散射产生Stokes光。

2.根据权利要求1所述的一种半导体直接泵浦的金刚石拉曼激光器，其特征在于，

所述耦合系统包括：二分之一波片、第一聚焦透镜，所述二分之一波片用于调节泵浦光的偏振态，第一聚焦透镜将泵浦光耦合到金刚石拉曼振荡器中；

所述金刚石拉曼振荡器包括：沿着光路顺序依次设置的第一输入镜、第一拉曼晶体、及第一输出镜。

3.根据权利要求1所述的一种半导体直接泵浦的金刚石拉曼激光器，其特征在于，

所述耦合系统包括：第二聚焦透镜，所述第二聚焦透镜用于将泵浦光耦合到金刚石拉曼振荡器中；

所述金刚石拉曼振荡器包括：沿着光路顺序依次设置的第二输入镜、第二拉曼晶体、及第二输出镜，所述第二拉曼晶体的两端切割角度θ＝arctan(n₀)，n₀为第二拉曼晶体折射率。

4.一种半导体直接泵浦的金刚石拉曼激光器，其特征在于，所述激光器包括：

半导体激光器输出线偏振态的泵浦光，泵浦光经光束整形系统扩束和准直后进入光隔离器，再由拉曼晶体入射端面耦合进金刚石拉曼振荡器，经受激拉曼散射产生Stokes光。

5.根据权利要求4所述的一种半导体直接泵浦的金刚石拉曼激光器，其特征在于，

所述金刚石拉曼振荡器包括：第三拉曼晶体，第三拉曼晶体的入射端面为半柱透镜，泵浦光经入射端面耦合进第三拉曼晶体。

6.根据权利要求4所述的一种半导体直接泵浦的金刚石拉曼激光器，其特征在于，

所述金刚石拉曼振荡器包括：第四拉曼晶体，第四拉曼晶体的入射、出射端面均为半柱透镜，泵浦光经入射端面耦合进第四拉曼晶体。

7.根据权利要求1-6中任一权利要求所述的一种半导体直接泵浦的金刚石拉曼激光器，其特征在于，所述金刚石拉曼激光器还包括：滤波片。

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