CN215452041U - 可见光调q微片激光器、装置、激光教学系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种可见光调Q微片激光器、装置、激光教学系统，所述可见光调Q微片激光器包括泵浦源，用于提供泵浦光；谐振腔组件，所述谐振腔组件包括选择性透过膜、部分反射膜，所述选择性透过膜、所述部分反射膜相对设置并形成谐振腔；工作介质，设置于所述谐振腔内，用于接收所述泵浦光并进行介质内粒子数反转；其中，粒子数反转后的所述工作介质对泵浦光进行受激辐射放大；石墨烯薄膜，设置于所述工作介质与所述部分反射膜之间；其中，所述工作介质是掺镨氟化钇锂晶体。本申请公开的可见光调Q微片激光器能够输出可见光光谱内的脉冲激光，以应对更广阔的使用需求，同时采取微片结构使激光器的结构更紧凑，减小了激光器的体积。

Description

可见光调Q微片激光器、装置、激光教学系统

技术领域

本申请涉及固体激光器领域，尤其是涉及一种可见光调Q微片激光器、装置、激光教学系统。

背景技术

相关技术中，固体激光器可作大能量和高功率相干光源，在军事、加工、医疗和科学研究领域有广泛的用途。其中，固体激光器按波长可分为红外激光器、可见光激光器、紫外激光器等多种类别。例如，可见光固体激光器的输出光波长在400纳米至700纳米的可见光范围内。由于可见光固体激光器独特的可见性，可见光半固体激光器可用作彩色显示器光源、光存储、水下通信、激光投影等。

然而，相关技术中，可见光固体激光器由泵浦源持续提供能量长时间地产生激光输出，得到连续激光。相比于脉冲激光，连续激光的输出功率低，不足以满足技术发展的需要。

实用新型内容

本申请旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本申请提出一种可见光调Q微片激光器、装置、激光教学系统。其中，可见光调Q微片激光器能够输出脉冲可见光激光，获得峰值功率高、线宽窄的脉冲激光。此外，本申请的技术方案通过对谐振腔组件依次层叠获得微片激光器，使得可见光激光器在结构紧凑程度上有突破性进展，且微片激光器腔长较短，容易实现光束质量好、光强亮度大的可见光激光输出，体积小，适合批量性生产。

第一方面，本申请提供了一种可见光调Q微片激光器，所述可见光调Q微片激光器包括：

泵浦源，用于提供泵浦光；谐振腔组件，所述谐振腔组件包括选择性透过膜、部分反射膜，所述选择性透过膜、所述部分反射膜相对设置并形成谐振腔；工作介质，设置于所述谐振腔内，用于接收所述泵浦光并进行介质内粒子数反转；其中，粒子数反转后的所述工作介质对输入光进行受激辐射放大；石墨烯薄膜，设置于所述工作介质与所述部分反射膜之间；其中，所述工作介质是掺镨氟化钇锂晶体。

本申请实施例中可见光调Q微片激光器包括如下技术效果：通过选择掺镨氟化钇锂晶体作为工作介质，能够输出可见光光谱内的激光，同时通过采用石墨烯薄膜作为可饱和吸收体调Q开关，实现输出可见光脉冲激光，以应对更广阔的使用需求。其中，可见光调Q微片激光器可用于红外测距，能够极大地提高测距的精度和便利性。同时，由于可见光激光独特的可见性，脉冲激光输出为可见光时，在实际教学时，能够直观展现脉冲激光的轨迹和性状，有效提升教学展示效果。

在一些实施例中，所述泵浦源包括：半导体激光器，用于提供初始光束；传输光纤，与所述半导体激光器耦合连接，用于对所述初始光束进行增益放大，并得到所述泵浦光；输出端口，与所述传输光纤耦合连接，用于将所述泵浦光耦合至所述谐振腔中。

在一些实施例中，所述泵浦光的波段为435纳米至450纳米。

在一些实施例中，所述可见光调Q微片激光器，还包括：耦合透镜组，与所述泵浦源耦合连接，用于将所述泵浦光耦合至所述谐振腔中。

在一些实施例中，所述耦合透镜组，还包括：准直透镜，用于对所述泵浦光进行准直，并得到准直泵浦光；聚焦透镜，用于将所述准直泵浦光聚焦至所述谐振腔中。

在一些实施例中，所述选择性透过膜用于选择性透过蓝光，并选择性反射红光；其中，所述蓝光的波段为435纳米至450纳米，所述红光的波段为622纳米至760纳米。

在一些实施例中，所述石墨烯薄膜，用于选择性吸收所述谐振腔内的光；其中，所述石墨烯薄膜的透过率与所述谐振腔内的光强相对应。

在一些实施例中，所述谐振腔组件、所述工作介质、所述石墨烯薄膜依次层叠。

第二方面，本申请还提供了一种装置，所述装置包括上述任一项实施例所述的可见光调Q微片激光器。

第三方面，本申请还提供了一种激光教学系统，所述激光教学系统包括上述任一项所述的可见光调Q微片激光器。

本申请的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

下面结合附图和实施例对本申请做进一步的说明，其中：

图1为本申请实施例一种可见光调Q微片激光器的框架图；

图2为本申请实施例一种泵浦源的框架图；

图3为本申请实施例又一种可见光调Q微片激光器的框架图；

附图标记：100、可见光调Q微片激光器；110、泵浦源；111、半导体激光器；112、传输光纤；113、输出端口；120、谐振腔；121、选择性透过膜；122、工作介质；123、石墨烯薄膜；124、部分反射膜；130、耦合透镜组；131、准直透镜；132、聚焦透镜。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。

在本申请的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

在本申请的描述中，若干的含义是一个以上，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本申请的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本申请中的具体含义。

本申请的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

相关技术中，可见光激光器只能输出连续激光，而不能获得峰值功率高、线宽窄的脉冲激光，而连续激光的产生伴随着巨大的热量，需要在激光器中设置采用良好的冷却系统，对激光器的性能要求高。

基于上述技术问题，本申请提供一种可见光调Q微片激光器，能够输出可见光光谱内的脉冲激光，以应对更广阔的使用需求。其中，可见光调Q微片激光器可用于输出可见光脉冲进行激光测距，相比于常规技术中的红外测距，能够极大地提高测距的便利性。同时，由于可见光激光独特的可见性，脉冲激光输出为可见光时，在实际教学时，能够直观展现脉冲激光的轨迹和性状，有效提升教学展示效果。

请参照图1，本申请提供了一种可见光调Q微片激光器100，包括：泵浦源110，用于提供泵浦光；谐振腔组件，所述谐振腔组件包括选择性透过膜121、部分反射膜124，所述选择性透过膜121、所述部分反射膜124相对设置并形成谐振腔120；工作介质122，设置于所述谐振腔120内，用于接收所述泵浦光并进行介质内粒子数反转；其中，粒子数反转后的所述工作介质122对输入光进行受激辐射放大；石墨烯薄膜123，设置于所述工作介质122与所述部分反射膜124之间；其中，所述工作介质122是掺镨氟化钇锂晶体。

通常情况下，激光器是利用受激辐射原理使光在某些受激发的物质中放大或者振荡发射激光的器件。受激辐射指的是处于激发态的原子在外来辐射场的作用下，向低能态或基态跃迁时，辐射出光子的现象；受激辐射发出的光子和外来辐射场的频率、位相、传播方向以及偏振状态全相同；受激辐射发出的激光光学特性高度一致，即激光是一种受激辐射的干涉光，干涉光相比于普通光源单色性好、方向性好、亮度也更高。

可以理解的，本申请实施例中的工作介质122指的是上述激光器中使光在受激辐射下放大或振荡输出激光的受激发的物质。工作介质122也称为增益介质，可以是固体、气体、半导体和液体等媒质。激光的产生需要选择合适的工作介质122，在合适的工作介质122中能够实现粒子数反转；粒子数反转指的是通常情况下，处于低能级的原子数大于高能级的原子数时，无法得到激光，为了得到激光，必须使高能级的原子数目大于低能级的原子数目，即粒子数反转时，才能发生受激辐射，使入射的光放大得到激光。

具体的，产生激光必不可少的条件是粒子数反转和增益大于损耗。亚稳态能级的工作介质122能够实现粒子数反转，使受激辐射占主导地位，从而实现光放大输出激光。泵浦源110用于提供泵浦光，处于亚稳态能级的工作介质122吸收泵浦光后，被激励到激发态并释放粒子。工作介质122需要有合适的能级结构和跃迁特性，使这种反转在整个激光发射作用过程中尽可能有效地保持下去，实现增益大于损耗。

本申请实施例中采用的工作介质122是掺镨氟化钇锂晶体。氟化钇锂晶体是一种双折射的晶体，掺入镨离子后的掺镨氟化钇锂晶体具有在可见光光谱范围内实现激光发射所需的特性。由于镨离子的能级结构覆盖了整个可见光光谱范围，在可见波段存在丰富的跃迁，因此，掺杂了镨离子的晶体材料是在激光器中产生可见光的理想材料。掺镨材料可以实现蓝色、绿色、橙色、红色和深红色等可见光的激光输出。

可以理解的，为了根据实际需要选择不同波长的可见光输出，需要选择合适的谐振腔120。谐振腔120是光波在其中来回反射从而提供光能反馈的腔体，本申请实施例中，谐振腔120由选择性透过膜121、部分反射膜124相对设置而成。其中，选择性透过膜121设置在泵浦光入射的一侧，用于透射泵浦光，并反射所需频率、相位、方向的光；部分反射膜124设置在输出激光的一侧，用于透射所需频率的输出光，反射其他不符合所需频率的光，以实现输出特定波长激光的目的。

具体的，当泵浦光通过选择性透过膜121入射到设置于谐振腔120内的工作介质122，即本申请实施例中的掺镨氟化钇锂晶体时，泵浦光作为外来能量激励掺镨氟化钇锂晶体的粒子到激发态，由于掺镨氟化钇锂晶体的能级结构和跃迁特性，处于激发态的粒子发生受激辐射并辐射出光子，实现粒子数反转。且谐振腔120两侧设置了用于反射所需性质光束的反射膜，只对所需频率、方向一致的光进行放大，其他频率和方向的光均逸出腔外。受激辐射光子在谐振腔120内起振，并多次往返形成相干的持续振荡后，产生频率、方向一致的激光光束。

通常情况下，谐振腔120中产生足够光强的激光光束以后，可以选择连续或者脉冲的工作方式输出激光。脉冲激光指的是每间隔一段时间发出一个光脉冲的工作方式，脉冲激光的输出功率大，在发送信号、减少热的产生方面是连续激光不能替代的。本申请实施例采用调Q技术实现脉冲激光的输出。调Q技术是为压缩激光器输出脉冲宽度和提高脉冲峰值功率而采取的一种特殊技术，所述Q值是用于评定激光器中光学谐振腔120质量好坏的品质因数，定义为在激光谐振腔120内，储存的总能量与腔内单位时间损耗的能量之比，Q值愈高,所需要的泵浦阈值越低，即激光越容易起振。常规的脉冲固体激光器若不采用特殊的技术措施，脉冲激光在腔内的振荡持续时间与泵浦光脉冲时间相同，即短时间内积累的辐射光子数有限，因此输出激光的脉冲功率水平是有限的。如果采用相关的技术，使泵浦光脉冲在开始后的一段时间内，降低共振腔的Q值而使谐振腔120内不产生激光振荡，则工作介质122内的粒子数反转程度会不断通过泵浦光的输入积累而增大；然后在选定的时刻，突然快速增大谐振腔120的Q值，使腔内迅速发生激光振荡，积累到较高程度的反转粒子数能量会集中在很短的时间间隔内快速释放出来，从而可获得窄脉冲宽度和高峰值功率的激光输出。为实现以上目的，可在谐振腔120内引入一个快速光开关：Q开关。Q开关的作用是在泵浦光刚开始入射至谐振腔120内的一段时间内使Q值处于较低的状态，此时腔内不能形成振荡而粒子数反转不断得到增强；在粒子数反转程度达到最大时,腔内Q开关突然转换为高Q值的状态,从而在腔内形成瞬时的强激光振荡,并产生激光脉冲输出到腔外。在调Q技术中，Q开关的种类有多种类型，本申请实施例采用可饱和吸收体开关作为由激光器本身完成Q值变化的被动Q开关。所述可饱和吸收体对激光的透过率是光强的函数，即当光强度超过可饱和吸收体的阈值时，光将从可饱和吸收体中穿过，而光强低时可饱和吸收体会将光吸收。

具体的，本申请实施例采用石墨烯薄膜123作为可饱和吸收体Q开关，设置其于工作介质122与所述部分反射膜124之间，以控制谐振腔120内激光起振的时机。石墨烯薄膜123作为宽带可饱和吸收体，对光具有非线性吸收特性，即对强光吸收小、对弱光吸收大。且石墨烯的非线性吸收特性与光的波长无关，可应用于激光器中转换输出不同波长的激光。

例如，如上述，本申请实施例通过设置选择性透过膜121，使泵浦光入射到谐振腔120的工作介质122中，工作介质122受泵浦光激励实现粒子数反转，发生受激辐射并辐射光子，发生粒子数反转,然而由于此时光强低，石墨烯薄膜123对光的吸收率高，即谐振腔120中损耗的能量高，造成Q值降低，激光不能起振。此时泵浦光持续输入，谐振腔120的粒子数反转程度继续增强。当工作介质122被充分泵浦而达到激光振荡阈值时，石墨烯薄膜123发生饱和吸收，透过率上升，谐振腔120的Q值随即升高到很高的数值，使腔内迅速发生激光振荡，积累到较高程度的反转粒子能量集中在很短的时间间隔内快速释放出来，从而可获得窄脉冲宽度和高峰值功率的脉冲激光输出。同时由于本申请实施例中采用的工作介质122为掺镨氟化钇锂晶体，可产生可见光光谱范围内的脉冲激光。

本申请实施例通过选择掺镨氟化钇锂晶体作为工作介质122，能够输出可见光光谱内的激光，同时通过采用石墨烯薄膜123作为可饱和吸收体调Q开关，实现输出可见光脉冲激光，以应对更广阔的使用需求。例如，可见光调Q微片激光器100可用于输出可见光脉冲进行激光测距，相比于常规技术中的红外测距，能够极大地提高测距的便利性。同时，由于可见光激光独特的可见性，脉冲激光输出为可见光时，在实际教学时，能够直观展现脉冲激光的轨迹和性状，有效提升教学展示效果。

请参照图2，在一些实施例中，所述泵浦源110包括：半导体激光器111，用于提供初始光束；传输光纤112，与所述半导体激光器111耦合连接，用于对所述初始光束进行传输，并得到所述泵浦光；输出端口113，与所述传输光纤112耦合连接，用于将所述泵浦光耦合至所述谐振腔120中。

具体的，本申请实施例中，泵浦源110用于为上述可见光调Q微片激光器100提供泵浦光，其中包括半导体激光器111、传输光纤112和输出端口113。所述半导体激光器111用于产生激光作为泵浦光，并与传输光纤112的一端连接，泵浦光经连接端口进入传输光纤112进行传输；传输光纤112的另一端与输出端口113连接，泵浦光经传输光纤112传输后从输出端口113输出，并入射到可见光调Q微片激光器100的谐振腔120中，以激励工作介质122产生激光。

在一些实施例中，所述泵浦光的波段为435纳米至450纳米。

可以理解的，由于泵浦光的作用是激励工作介质122中的原子从低能级跃迁到高能级，从而实现粒子数反转，因此对于泵浦光的要求是泵浦光的光子频率比输出激光的光子频率高，即入射光光子能量大于出射光光子能量。

例如，若可见光调Q微片激光器100输出的脉冲激光为红光，则泵浦源110的半导体激光器111可选用蓝光半导体激光器111。蓝光的波段为435纳米至450纳米，红光的波段为622纳米至760纳米，即蓝光的光子可激励相应的工作介质122辐射出红光光子。可以理解的，选择相应的泵浦源110以输出不同的泵浦光波段可根据实际需要进行调整。

请参照图3，在一些实施例中，所述可见光调Q微片激光器100，还包括：耦合透镜组130，与所述泵浦源110耦合连接，用于将所述泵浦光耦合至所述谐振腔120中。

请再次参照图3，在一些实施例中，所述耦合透镜组130，还包括：准直透镜131，用于对所述泵浦光进行准直，并得到准直泵浦光；聚焦透镜132，用于将所述准直泵浦光聚焦至所述谐振腔120中。

具体的，图3中虚线所示为泵浦光，泵浦光从泵浦源110的输出端口113出射后，通过准直透镜131进行准直，准直泵浦光通过聚焦透镜132，其中，聚焦透镜132的焦点设置在谐振腔120的预设位置，则聚焦后的泵浦光将以最大限度入射到可见光调Q微片激光器100的谐振腔120中。可以理解的，设置耦合透镜组130对泵浦光进行准直、聚焦可以有效地提高泵浦光利用效率，并避免散射导致的能量耗损。

在一些实施例中，所述选择性透过膜121用于选择性透过蓝光，并选择性反射红光；其中，所述蓝光的波段为435纳米至450纳米，所述红光的波段为622纳米至760纳米。

具体的，若可见光调Q微片激光器100输出的脉冲激光为红光，泵浦光为蓝关。由于泵浦光为蓝光，泵浦光从聚焦透镜132出射并入射到可见光调Q微片激光器100的谐振腔120中时，需要通过选择透过膜，因此选择性透过膜121需对蓝光有透过性。且可见光调Q微片激光器100输出为红光脉冲激光，根据上述内容，红光将在谐振腔120中来回反射形成相干的持续振荡，产生激光光束输出；因此，为实现上述目的，谐振腔120的选择性透过膜121对红光有反射性。

可以理解的，选择相应的选择性透过膜121以实现对不同的泵浦光透射、对不同的振荡激光反射可根据实际需要进行调整。

在一些实施例中，所述石墨烯薄膜123，用于选择性吸收所述谐振腔120内的光；其中，所述石墨烯薄膜123的透过率与所述谐振腔120内的光强相对应。

请再次参照图1，在一些实施例中，所述谐振腔120组件、所述工作介质122、所述石墨烯薄膜123依次层叠。

具体的，本申请实施例中，所述谐振腔120组件包括选择性透过膜121、部分反射膜124，选择性透过膜121镀在作为工作介质122的掺镨氟化钇锂晶体的一侧，所述一侧指泵浦光入射的一侧；石墨烯薄膜123镀在掺镨氟化钇锂晶体的另一侧，所述另一侧指激光输出的一侧；部分反射膜124镀于石墨烯薄膜123远离掺镨氟化钇锂晶体的一侧，用于对所需输出波长的激光选择性透过，并滤除其他波长的光。

可以理解的，上述组件通过依次层叠可形成结构紧凑的微片激光器，且采用膜类材料可减小激光器的体积，易于批量生产、降低生产成本。

第二方面，本申请还提供了一种装置，包括上述任一实施例的可见光调Q微片激光器100。

第三方面，本申请还提供了一种激光教学系统，包括上述的可见光调Q微片激光器100。

具体的，本申请提供了一种激光教学系统，所述装置包括上述任一实施例的可见光调Q激光器。在实际教学时，利用可见光调Q微片激光器100，在教学系统中输出可见光脉冲激光，能够直观展现脉冲激光的轨迹和性状，便于人眼进行识别，有效提升教学展示效果，且由于输出激光对于人眼的可见性，使得在教学系统中使用激光更为安全。

上面结合附图对本申请实施例作了详细说明，但是本申请不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本申请宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

Claims (10)

1.可见光调Q微片激光器，其特征在于，包括：

泵浦源，用于提供泵浦光；

谐振腔组件，所述谐振腔组件包括选择性透过膜、部分反射膜，所述选择性透过膜、所述部分反射膜相对设置并形成谐振腔；

工作介质，设置于所述谐振腔内，用于接收所述泵浦光并进行介质内粒子数反转；其中，粒子数反转后的所述工作介质对泵浦光进行受激辐射放大；

石墨烯薄膜，设置于所述工作介质与所述部分反射膜之间；

其中，所述工作介质是掺镨氟化钇锂晶体。

2.根据权利要求1所述的可见光调Q微片激光器，其特征在于，所述泵浦源包括：

半导体激光器，用于提供初始光束；

传输光纤，与所述半导体激光器耦合连接，用于对所述初始光束进行传输，并得到所述泵浦光；

输出端口，与所述传输光纤耦合连接，用于将所述泵浦光耦合至所述谐振腔中。

3.根据权利要求2所述的可见光调Q微片激光器，其特征在于，所述泵浦光的波段为435纳米至450纳米。

4.根据权利要求3所述的可见光调Q微片激光器，其特征在于，所述可见光调Q微片激光器，还包括：

耦合透镜组，与所述泵浦源耦合连接，用于将所述泵浦光耦合至所述谐振腔中。

5.根据权利要求4所述的可见光调Q微片激光器，其特征在于，所述耦合透镜组，还包括：

准直透镜，用于对所述泵浦光进行准直，并得到准直泵浦光；

聚焦透镜，用于将所述准直泵浦光聚焦至所述谐振腔中。

6.根据权利要求3所述的可见光调Q微片激光器，其特征在于，所述选择性透过膜用于选择性透过蓝光，并选择性反射红光；

其中，所述蓝光的波段为435纳米至450纳米，所述红光的波段为622纳米至760纳米。

7.根据权利要求1所述的可见光调Q微片激光器，其特征在于，所述石墨烯薄膜，用于选择性吸收所述谐振腔内的光；

其中，所述石墨烯薄膜的透过率与所述谐振腔内的光强相对应。

8.根据权利要求1所述的可见光调Q微片激光器，其特征在于，所述谐振腔组件、所述工作介质、所述石墨烯薄膜依次层叠。

9.装置，其特征在于，包括权利要求1至权利要求8任一项所述的可见光调Q微片激光器。

10.激光教学系统，其特征在于，包括权利要求1至权利要求8任一项所述的可见光调Q微片激光器。

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