CN2615924Y - 半导体光纤耦合泵浦高功率绿光激光器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种半导体光纤耦合泵浦功率绿光激光器，属于光电技术领域。它由大功率光纤耦合半导体激光器的泵浦源、折射率梯度透镜，激光晶体、非线性倍频晶体，两个腔镜构成。泵浦源通过梯度透镜把泵浦光聚焦在激光晶体上，在两个腔镜组成的振荡腔内，形成波长为1064nm基频振荡光通过安置在腔体内的非线性倍频晶体，形成波长为532nm的输出绿光。本实用新型具有设计新颖、结构紧凑、输出功率大、成本低廉、调节方便，易于形成小型化、生产化批量生产；它可广泛地应用于医疗、娱乐、水下、存储、泵浦、生物和材料处理等领域。

Description

半导体光纤耦合泵浦高功率绿光激光器

                    技术领域

本实用新型涉及一种固体激光器，特别是涉及一种半导体光纤耦合泵浦高功率绿光激光器，属于光电技术领域。

                    背景技术

目前产生绿激光的方式主要有两种：一种是气体激光---氩离子(Ar⁺)激光，波长为514nm；一种是固体激光结合非线性倍频技术---如Na:YAG+KTP倍频，波长为532nm。绿光不仅在医疗、显示、娱乐、水下和存储等领域有着广泛的用途，而且在泵浦、生物和材料处理等领域也有着广阔的应用前景。气体激光器是最早用于产生绿光的手段，但由于气体泄漏、衰减以及庞大的电源与水冷系统，极大地限制了绿光的应用。用灯泵的固体激光器结合非线性倍频技术，可以得到大功率的波长532nm的绿光；但由于灯的寿命短，大的热透镜效应引起的光束质量不高，同样需要水冷系统等原因，也不是产生绿光的理想手段。近几年来，出现了一种半导体泵浦固体激光器，特别是半导体端面泵浦固体激光器结合非线性倍频技术的出现，已经成为替代气体激光器产生绿激乐的比较理想的手段。半导体泵浦固体激光器，与灯泵固体激光器相比，不仅结构紧凑、体积小、功耗小、功率大，而且寿命长，光束质量好。

图1所示为现有技术中典型的腔内倍频的半导体泵浦绿光连续激光器的结构示意图。这种激光器由半导体激光器的发光单元1，光学聚焦系统、激光晶体6、非线性倍频晶体7，基频激光腔镜5和8以及输出的绿激光9组成。由于半导体激光器在垂直、水平方向上的发光面积和发散角差异很大，无法用一个透镜完成所需的聚焦功能，一般至少要用三个透镜。因此，该激光器的光学聚焦系统由透镜2、透镜3和透镜4构成。这种激光器，其泵浦光功率一般为数瓦，可以得到数百毫瓦的绿光输出。若要得到更高功率输出，必须增加泵浦光功率，这意味着要增加半导体激乐器的发光面积，则在光学聚焦系统中必须再增加光束整形器件。显然，该激光器虽然可以得到预期功率的绿光输了，但光学系统复杂，造价高，调节难度大，不利于小型化、工业化大批量生产。

                    发明内容

本实用新型的目的，就是为了弥补现有技术的不足，提供一种结构紧凑，易于调节，成本低廉的半导体光纤耦保泵浦高功率绿光激光器。

为了实现上述目的，本实用新型所称的半导体光纤耦合泵浦高功率绿光激光器的技术方案是这样的：它由半导体泵浦源、光学聚焦系统、激光晶体、非线性倍频晶体，两个腔镜等构成。其特征是：半导体泵浦源是一个大功率光纤耦合半导体激光器，光学聚焦系统仅由一个折射率梯度透镜构成，两个腔镜组成振荡腔。泵浦源通过折射率梯度透镜把泵浦光聚焦在激光晶体上，在两个腔镜组成的振荡腔内，形成波长为1064nm的基频振荡光，通过安置在腔内的非线性倍频晶体，形成波长为532nm的输出绿光。组成振荡腔中的一个腔镜为平面镜，膜层要求为808nm增透，1064nm高反，并且直接镀在激光晶体上；另一个腔镜为独立的平面镜或凹面镜，膜层要求为1064nm高反，532nm增透。非线性倍频晶体的膜层要求的：靠近激光晶体的一面为1064nm增透，532nm高反；靠近输出镜一端的端面为1064nm增透，532nm增透。这样，相反方向的绿光也可以通过反射得以输出，有效地提高输出绿光的功率。

折射率梯率透镜的折射率分布为n(r)＝n₀(1-Ar²/2)，式中n(r)表示距离光轴r处的折射率，n₀为光轴处的折射率，A为一个正的常数(A的数值决定于透镜的材料性能)。折射率梯度透镜的特点是，入射光线在透镜中形成的轨迹为一条正弦轨迹，如图3所示，箭头表示正弦轨迹。一个周期的长度为 $P,P=2\mathrm{\π}/\sqrt{A}.$ 因此，透镜的长度以正弦的周期表示，如：0.29P。折射率透镜的成像示意图如图4所示。

(1)式中，d₁和d₂分别表示物距和像距，L为折射率梯度透镜的长度，n₀是透镜在光轴处的折射率，A为正常数。

选取一个已知的折射率梯度透镜，根据预先设计的泵浦点的大小和所用光纤的芯径、获得所需放大倍数M，由(1)和(2)式即可求得所需的物距d₁和像距d₂，据此，设计出折射率梯度透镜到光纤端头及激光晶体的距离。

本实用新型所称的半导休光纤耦合泵浦高功率绿光激光器，使用一个折射率梯度透镜，即可取代现有技术中构成光学聚焦系统的三个透镜，且调节泵浦点参数简单易行；由于使用了折射率梯度透镜的数值孔径大，避免了使用常规透镜组带来的损耗，有效地提高了泵浦光的使用效率。本实用新型具有设计新颖，结构紧凑，泵浦效率高，输出功率大，造价低廉，易于调节，操作简便，无水冷等优点，有利于小型化，工业化大批量生产。本实用新型可广泛用于医疗、显示、娱乐、水下、存储等领域，而且在泵浦、生物、材料处理等领域也有着广泛的应用前景。

                    附图说明

图1：现有半导体泵浦绿光激乐器结构示意图。

图2：半导体光纤耦合泵浦高功率绿光激光器结构示意图。

图3：光纤在折射率梯度透镜中的正弦轨迹示意图。

图4：折射率梯度透镜的成像关系示意图。

                  具体实施方式

本实用新型涉及的半导体光纤耦合泵浦高功率绿光激光器的具体实施方式，结合附图2至4详细叙述如下：本绿光激光器由大功率光纤耦合半导体激光器的泵浦源10、折射率梯度透镜11、激光晶体6，非线性倍频晶体7，腔镜5和腔镜8构成。泵浦源10使用芯径为400微米、数值孔径为0.22、输出功率为L＝0.25P(P为一个正弦轨迹周期的长度)，对泵浦光进行聚焦。激光晶体6为Φ3mm×4mm的Nd:YAG晶体，一面镀808nm增透，1064nm高反膜作为腔镜5，另一面镀1064nm增透膜。非线性倍频晶体7选用10mm长的4mm×4mm的KTP晶体，一面镀1064nm增透、532nm高反膜，另一面镀1064nm增透、532nm增透膜。输出腔镜8选用曲率半径为500mm的凹面镜，膜层特性为1064nm高反、532nm增透。由腔镜5与腔镜8组成的振荡腔腔长为80mm。设计的泵浦光点直径为0.4mm。根据公式(2)和(1)分别可求得所需要的物距d₁＝1.5mm，像距d₂＝0.5mm。由上述设计参数组装出的激光器，激光头体积仅为100×30×30m³。泵浦光10通过聚焦透镜11被聚焦在激光晶体6上，在振荡腔内，形成波长为1064nm的基频振荡光，再通过非线性倍频晶体7，形成波长为532nm的输出功率高达2.5W的绿光9。

Claims (4)

1、一种半导体光纤耦合泵浦高功率绿光激光器，由半导体激光器的发光单元(10、光学聚焦系统、激光晶体(6)、非线性倍频晶体(7)、腔镜(5)和腔镜(8)等构成，其特征是：半导体激光器的发光单元(10)是一个大功率光纤耦合半导体激光器的泵浦源(10)，光学聚焦系统由一个折射率梯度透镜(11)构成，腔镜(5)和腔镜(8)组成振荡腔；泵浦源(10)通过折射率梯度透镜(11)，把泵浦光(10)聚焦在激光晶体(6)上，在腔镜(5)和腔镜(8)组成振荡腔内，形成波长为1064nm的基频振荡光通过安置在腔体内的非线性倍频晶体(7)，形成波长为532nm的输出绿光(9)，腔镜(5)直接镀在激光晶体(6)上。

2、根据权利要求1所述的半导体光纤耦合泵浦高功率绿光激光器，其特征是：腔镜(5)为平面镜，膜层要求为808nm增透，1064nm高反。

3、根据权利要求1或2所述的半导体光纤耦合泵浦高功率绿光激光器，其特征是：腔镜(8)为独立的平面镜或凹面镜，膜层要求为1064nm高反，532nm增透。

4、根据权利要求1所述的半导体光纤耦合泵浦高功率绿光激光器，其特征是：非线性倍频晶体(7)的膜层要求为靠近激光晶体(6)的一面为1064nm增透，532nm高反；靠近输出腔镜(8)的另一端面为1064nm增透，532nm增透。

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