CN101179176A - 半导体双端面泵浦三次谐波紫外激光器 - Google Patents

半导体双端面泵浦三次谐波紫外激光器 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种半导体双端面泵浦三次谐波紫外激光器，包括半导体泵浦模块、光学耦合***、基波增益介质晶体、二次谐波非线性晶体、三次谐波非线性晶体、波片、调制器件、激光谐振腔镜、紫外激光反射镜。半导体泵浦模块输出的泵浦光传输到光学耦合***中，经光学耦合***准直聚焦后直接耦合于基波增益介质晶体端面，基波增益介质晶体受激发射出的光在激光谐振腔内经激光谐振腔镜的选模作用形成基频光束，在调制器件的调制作用下，得到调制激光；调制后的基频激光经二次谐波非线性晶体后得到绿激光输出后经波片偏振旋转；相同偏振态的基频激光和绿激光射入三次谐波非线性晶体内进行混频，得到三次谐波紫外激光输出。

Description

半导体双端面泵浦三次谐波紫外激光器
【技术领域】
本发明属于激光技术领域，涉及一种半导体激光二极管双端面泵浦三次谐波紫外激光器。
【技术背景】
三次谐波紫外激光器一直是固体激光器领域的技术难点，但因其在很多实际运用中都有非常广泛的应用，所以三次谐波紫外激光器已成为人们研究的热点。利用三次谐波紫外激光加工材料过程称为“光蚀”效应，高能量的光子直接破坏材料的化学键属于“冷”处理过程，热影响区域微乎其微。相比之下，可见光和红外激光利用聚焦到加工部位的热量来熔化材料，热量经过传导会影响到周围的材料，产生有害的热影响区域；同时，由于三次谐波紫外激光在聚焦时，聚焦点可小到亚微米数量级，从而对金属和聚合物的微处理更具优越性，可以进行小部件的加工，即使在不高的脉冲能量水平下，也能得到较高的能量密度，有效地进行材料加工。所以，三次谐波紫外激光器具有良好的“冷加工”和“聚焦”性能，两者结合在一起，使其可以加工极其微小的部件；不仅如此，由于大多数材料都能够有效地吸收紫外激光，从而三次谐波紫外激光器有更高的灵活性和更广泛的应用场合，可以被用来加工红外和可见激光加工不了的材料。
与266nm波长的深紫外激光器相比，三次谐波紫外激光器其技术更为成熟，其性能更为稳定，能输出较高的激光功率和激光峰值功率，可以在各种加工材料上获得非常好的加工效果；其特征尺寸也很小，任何厚度小于125个微米的金属都可以用来进行快速切割，切口干净，具有良好的应用前景。
在产生三次谐波紫外激光的方法中，常采用激光谐振腔腔外混频的方法。这种方法很难得到高功率、高效率的三倍谐波输出，为了提高腔外谐波的转换效率，通常采用透镜聚焦来增强基波的功率密度，但聚焦后的光束很容易造成非线性晶体膜层和晶体本身的破坏，影响谐波总功率的输出；同时，腔外混频为单程行为，基波和二次谐波一次性通过三倍频晶体，转换效率较低。
现在普遍使用的三次谐波紫外激光器可分为气体，灯泵浦，侧面泵浦，端面泵浦等几个类型。气体紫外激光器的体积大，效率低，设备过于复杂不便于维护；灯泵浦的紫外激光器效率比较低，可靠性较差；侧面泵浦和端面泵浦的紫外激光器在体积和操作等方面较为相近，但是相比之下，端面泵浦紫外激光器的光束质量和转换效率是侧面泵浦紫外激光器无法比拟的。
此外，传统的半导体泵浦三次谐波紫外激光器在技术设计方面存在一定缺陷，使得紫外激光器的稳定性和光束质量成了需要解决的难题。例如，在激光器的谐振腔型设计方面，为了获得更好的光学质量，通常需要使用凸镜作为激光器谐振腔的腔镜如中国专利申请第200410073574.8号所示，但是凸镜所构成的激光谐振腔较为敏感，而机械设计的精度又很难达到，在搬运过程中就有可能产生因震动或变形而导致激光功率或激光光束质量下降的问题，所以不适合产品化。
同时，在双端面泵浦的三次谐波紫外激光器中，其基频光的产生所采用的泵浦方式大都选用双端面泵浦单块增益介质晶体的结构，如美国专利第6587487号所示，但因受增益介质晶体中的热效应所产生的热应力不能超过晶体的断裂应力的限制，增益介质晶体的单位面积上存在最大泵浦功率及输出功率受到限制(《Power scaling of diode-pumped Nd:YVO4Lasers》，IEEE JQuantum Electronics，2002，38(9)：1291～1299)，所以很难得到高的紫外激光输出。
【发明内容】
本发明所欲解决的技术问题是提供一种充分利用腔内强基波光，得到高效率、高光束质量的半导体双端面泵浦三次谐波紫外激光器。
本发明所采用的技术方案是：一种半导体双端面泵浦三次谐波紫外激光器，包括半导体泵浦模块、光学耦合***、基波增益介质晶体、二次谐波非线性晶体、三次谐波非线性晶体、波片、调制器件、激光谐振腔镜、紫外激光反射镜，半导体泵浦模块输出的泵浦光传输到光学耦合***中，经光学耦合***准直聚焦后耦合于基波增益介质晶体端面，基波增益介质晶体的“C”轴方向竖直向上放置；基波增益介质晶体吸收泵浦光能量后产生受激发射，发射出的光在激光谐振腔内经激光谐振腔镜的选模作用形成高光束质量的基频光束，在调制器件的调制作用下，得到高峰值功率的调制激光；调制后的基频激光经二次谐波非线性晶体后得到绿激光输出后经波片偏振旋转；相同偏振态的基频激光和绿激光射入三次谐波非线性晶体内进行混频，得到三次谐波紫外激光输出；剩余的绿激光在谐振腔镜的反射作用下再次通过三次谐波非线性晶体；第一次转换成的三次谐波紫外激光经谐振腔镜的反射作用与第二次转换成的三次谐波紫外激光一起经紫外激光反射镜的反射输出激光谐振腔腔外，得到三次谐波紫外激光输出。
采用两个半导体泵浦模块分别泵浦两块基波增益介质晶体。
所述半导体泵浦模块的中心波长为808nm或880nm，也可以根据选择的基频增益介质晶体的不同而选择其它波长的半导体泵浦模块。
所述基波增益介质晶体为Nd:YVO4，或者为Nd:YLF、Nd:YAG、Nd:Glass、Yb:YAG、Er:YAG晶体。
所使用的基波增益介质晶体的“C”轴方向竖直向上放置，也可以将其“C”轴方向旋转90°即水平方向放置。
所述二次谐波非线性晶体为I类LBO，也可以为I类BBO、I类CLBO或I类非线性晶体。
所述三次谐波非线性晶体为I类LBO，也可以是I类BBO、I类CLBO或I类非线性晶体。
所述基波增益介质晶体的端面镀有对泵浦光的增透膜。
所述调制器件为声光调制器件，也可以是电光调制器件或吸收型被动调Q开关。
所述激光谐振腔镜皆为平面镜，使激光谐振腔构成平平腔，激光谐振腔也可以采用双凹腔、平凹腔或其它镜片所组成的谐振腔结构。
所述激光器谐振腔结构为“L”型腔结构，也可以采用“V”型角度折叠腔结构。
所述激光器还包括把半导体激光二极管输出的泵浦光传输到光学耦合***中的光纤，也可以将半导体激光二极管输出的泵浦光不经过光纤而直接传输到光学耦合***。
所述激光器还包括位于光路上使三次谐波紫外激光与其他光线相分离而得到三次谐波紫外激光输出的三棱镜。
本发明所达到的有益效果是：选用两个激光二极管分别泵浦两块基波增益介质晶体，减小了每块晶体所承受的泵浦功率，避免因单块晶体上功率密度过高而容易损坏的问题；同时，在基波增益介质晶体破坏阈值范围内，还可以适当增大半导体泵浦模块的泵浦功率，得到更高的紫外激光输出；计算和测量了在不同泵浦功率下基波增益介质晶体和的热透镜效应，用光学矩阵方法计算了腔内高斯模传递的空间分布，设计了激光器腔镜，从而保证了基频激光在热透镜大范围变化下仍能保持稳定振荡；采用腔内倍频和混频的方式，充分利用了腔内强基波光特点，从而得到高转换效率的紫外激光输出；合理设计二次非线性晶体的长度，使未转换的基频光功率和转换后的绿激光功率保持合理的比值，从而使腔内的激光充分转换成紫外激光，提高了紫外激光的转换效率；绿激光两次作用于三次谐波非线性晶体，进一步提高了三次谐波的转换效率；在保证获得高效率、高光束质量的紫外激光条件下，组成激光谐振腔的腔镜设计为平面镜，避免了使用凸镜所带来的不稳定性因素，同时减小了机械设计难度。
【附图说明】
下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的描述。
图1为本发明的半导体双端面泵浦三次谐波紫外激光器结构示意图。
图2是对本发明的基波增益介质晶体吸收不同泵浦功率时热透镜变化情况的理论计算结果。
图3为本发明的半导体双端面泵浦三次谐波紫外激光器紫外激光功率随电流的变化曲线。
图4为本发明的半导体双端面泵浦三次谐波紫外激光器功率为6W、调Q频率为25KHz时测得的单个激光脉冲波形。
图5为本发明的半导体双端面泵浦三次谐波紫外激光器功率为6W、调Q频率为25KHz时测得的多个激光脉冲波形。
图6为发明的半导体双端面泵浦三次谐波紫外激光器在5W时激光功率随时间的变化曲线。
【具体实施方式】
如图1所示，本发明的半导体激光二极管双端面泵浦三次谐波紫外激光器包括：半导体泵浦模块1(共2只)、光纤2(共2根)、光学耦合***3(共2套)、激光谐振腔16(由腔镜4、9和14组成)、基波增益介质晶体5和6(共2块)、调制器件7、光阑8、二次谐波非线性晶体10、波片11(WP：λ@1064nm&λ/2@532nm)、紫外激光反射镜12、三次谐波非线性晶体13、三棱镜15。
选用的半导体泵浦模块1为半导体激光二极管，其中心波长为808nm或880nm，也可以是根据所选用的基波增益介质晶体不同而选用的其它中心波长的半导体泵浦激光二极管。
基波激光为1064nm振荡器，半导体泵浦模块1输出的泵浦光由光纤2传输到光学耦合***3中，经光学耦合***3准直聚焦后直接耦合于基波增益介质晶体5和6端面；基波增益介质晶体5和6的“C”轴垂直放置，保证其产生的基频激光的偏振方向为垂直方向；基波增益介质晶体5和6吸收泵浦光能量后产生受激发射，发射出的光在激光谐振腔16的选模作用形成高光束质量的基频光束，在调制器件7的调制作用下，得到高峰值功率的调制激光。为保证该基频激光在较大范围内能够稳定运行，详细计算和测量了在不同泵浦功率下基波增益介质晶体5和6的热透镜效应，用光学矩阵方法计算了腔内高斯模传递的空间分布，设计了激光器的激光谐振腔的腔镜，从而保证了基频激光在热透镜大范围变化下仍能保持稳定振荡。
绿激光的产生：调制后的基频激光经二次谐波非线性晶体10的倍频作用后得到绿激光输出，其偏振方向为水平方向；此水平偏振的绿激光经波片11偏振旋转90°后，变为垂直偏振光，与基频光的偏振态在同一方向上；合理设计二次非线性晶体10的长度，使未转换的基频光功率和转换后的绿激光功率保持合理的比值，从而使腔内的激光充分转换为紫外激光，提高了紫外激光的转换效率。
紫外激光的产生：同为垂直偏振的基频激光和绿激光经三次谐波非线性晶体13的混频作用，得到三次谐波紫外激光；余下的绿激光在平面腔镜14的反射作用下再次通过三次谐波非线性晶体13，这样绿激光两次作用于三次谐波非线性晶体13，进一步提高了三次谐波的转换效率；第一次转换成的三次谐波紫外激光经平面腔镜14的反射作用与第二次转换成的三次谐波紫外激光一起经紫外激光反射镜12的反射作用输出激光谐振腔16外，在三棱镜15的分离作用下，得到三次谐波紫外激光输出。
其中，基波增益介质晶体5和6端面均镀有对泵浦光和1064nm激光增透的增透膜，以增加对泵浦光的吸收；所使用的基波增益介质晶体为Nd:YVO4，也可使用Nd:YLF、Nd:YAG、Nd:Glass、Yb:YAG、Er:YAG等基波增益介质晶体；调制器件7的两端面镀有1064nm增透膜，所使用的调制器件为声光调制器件，也可以是电光调制器件和吸收型被动调Q开关；二次谐波非线性晶体10为I类LBO晶体，两端镀有532nm及1064nm双色增透膜，也可以是I类BBO、I类CLBO或其它I类非线性晶体，如LiNb3O4晶体；三次谐波非线性晶体13为I类LBO晶体，两端均镀有355nm，532nm及1064nm三色增透膜，也可以是I类BBO、I类CLBO或其它I类非线性晶体；也可以去掉波片，使用II的LBO等非线性晶体。
组成激光谐振腔16的腔镜4和9镀有对泵浦光高透膜、对1064nm激光高反膜；腔镜14镀有对1064nm、532nm和355nm三色高反膜；本发明中腔镜4、9、14皆为平面镜，故激光谐振腔为平平腔；也可以采用双凹腔、平凹腔等腔型结构；本发明所使用激光器谐振腔结构为“L”型腔结构，也适用于“V”型腔或其它角度折叠腔结构。
所使用的基波增益介质晶体Nd:YVO4的“C”轴方向竖直向上放置，也可以将其“C”轴方向旋转90°即水平方向放置，然后将二次谐波非线性晶体和三次谐波非线性晶体的方向分别旋转90°放置。
基波增益介质晶体和谐波非线性晶体(包括二次谐波和三次谐波非线性晶体)均用铟箔包裹后放入水冷散热晶体座中。
在不改变激光器内部结构的情况下，在基波增益介质晶体破坏阈值范围内，还可以提高激光二极管的泵浦功率，进一步增加腔内基频激光的功率密度，从而得到更高功率的紫外激光输出。
本发明的半导体双端面泵浦三次谐波紫外激光器所具有的特点有：
1.计算和测量了在不同泵浦功率下基波增益介质晶体5和6的热透镜效应，用光学矩阵方法计算了腔内高斯模传递的空间分布，设计了激光器腔镜，从而保证了基频激光在热透镜大范围变化下仍能保持稳定振荡；
2.选用两个激光二极管分别泵浦两块基波增益介质晶体5和6，减小了每块晶体所承受的泵浦功率，避免因单块晶体上功率密度过高而容易被损坏的问题；
3.在不改变激光器内部结构的情况下，在基波增益介质晶体破坏阈值范围内，还可以提高激光二极管的泵浦功率，进一步增加腔内基频激光的功率密度，从而得到更高功率的紫外激光输出；
4.采用腔内倍频和混频的方式，充分利用了腔内强基波光特点，从而得到高转换效率的紫外激光输出；
5.合理设计二次非线性晶体10的长度，使未转换的基频光功率和转换后的绿激光功率保持合理的比值，从而使腔内的激光充分转换成紫外激光，提高了紫外激光的转换效率；
6.绿激光两次作用于三次谐波非线性晶体13，进一步提高了三次谐波的转换效率；
7.在保证获得高效率、高光束质量的紫外激光条件下，组成激光谐振腔16的腔镜4、9和14设计为平面镜，避免了使用凸镜所带来的不稳定性因素，同时减小了机械设计难度。
根据以上技术方案所得到的实验结果如下：
根据上述技术方案所建立的半导体泵浦模块双端面泵浦三次谐波紫外激光器，三倍频紫外激光功率大于6W，基频激光到二次谐波激光的转换效率为87％，二次谐波激光到三次谐波激光的转换效率为72％，最小激光脉宽小于15ns，光速发散角＜2mrad，在不加光阑的情况下M2＜2，长期稳定性小于5％，具有结构紧凑，转换效率高，稳定性好等优点。图2是对本发明的基波增益介质晶体吸收不同泵浦功率时热透镜变化情况的理论计算结果。图3为本发明的半导体双端面泵浦三次谐波紫外激光器紫外激光功率随电流的变化曲线。图4为本发明的半导体双端面泵浦三次谐波紫外激光器功率为6W、调Q频率为25KHz时测得的单个激光脉冲波形。图5为本发明的半导体双端面泵浦三次谐波紫外激光器功率为6W、调Q频率为25KHz时测得的多个激光脉冲波形。图6为本发明的半导体双端面泵浦三次谐波紫外激光器在5W时激光功率随时间的变化曲线。

Claims (10)

1.一种半导体双端面泵浦三次谐波紫外激光器，包括半导体泵浦模块、光学耦合***、基波增益介质晶体、二次谐波非线性晶体、三次谐波非线性晶体、波片、调制器件、激光谐振腔镜、紫外激光反射镜，其特征在于：半导体泵浦模块输出的泵浦光传输到光学耦合***中，经光学耦合***准直聚焦后耦合于基波增益介质晶体端面，基波增益介质晶体的“C”轴方向竖直向上放置；基波增益介质晶体吸收泵浦光能量后产生受激发射，发射出的光在激光谐振腔内经激光谐振腔镜的选模作用形成高光束质量的基频光束，在调制器件的调制作用下，得到高峰值功率的调制激光；调制后的基频激光经二次谐波非线性晶体后得到绿激光输出后经波片偏振旋转；相同偏振态的基频激光和绿激光射入三次谐波非线性晶体内进行混频，得到三次谐波紫外激光输出；剩余的绿激光在谐振腔镜的反射作用下再次通过三次谐波非线性晶体；第一次转换成的三次谐波紫外激光经谐振腔镜的反射作用与第二次转换成的三次谐波紫外激光一起经紫外激光反射镜的反射输出激光谐振腔腔外，得到三次谐波紫外激光输出。
2.如权利要求1所述的半导体双端面泵浦三次谐波紫外激光器，其特征在于：采用两个半导体泵浦模块分别泵浦两块基波增益介质晶体。
3.如权利要求2所述的半导体双端面泵浦三次谐波紫外激光器，其特征在于：所述半导体泵浦模块的中心波长为808nm或880nm。
4.如权利要求1所述的半导体双端面泵浦三次谐波紫外激光器，其特征在于：所述基波增益介质晶体为Nd:YVO4，或者为Nd:YLF、Nd:YAG、Nd:Glass、Yb:YAG、Er:YAG晶体。
5.如权利要求1所述的半导体双端面泵浦三次谐波紫外激光器，其特征在于：所使用的基波增益介质晶体的“C”轴方向竖直向上放置，也可以将其“C”轴方向旋转90°即水平方向放置。
6.如权利要求1所述的半导体双端面泵浦三次谐波紫外激光器，其特征在于：所述二次或三次谐波非线性晶体为I类LBO，也可以为I类BBO、I类CLBO或I类非线性晶体。
7.如权利要求1所述的半导体双端面泵浦三次谐波紫外激光器，其特征在于：所述基波增益介质晶体的端面镀有对泵浦光的增透膜。
8.如权利要求1所述的半导体双端面泵浦三次谐波紫外激光器，其特征在于：所述调制器件为声光调制器件，也可以是电光调制器件或吸收型被动调Q开关。
9.如权利要求2所述的半导体双端面泵浦三次谐波紫外激光器，其特征在于：所述激光谐振腔镜皆为平面镜，使激光谐振腔构成平平腔，激光谐振腔也可以采用双凹腔、平凹腔或其它镜片所组成的谐振腔结构。
10.如权利要求9所述的半导体双端面泵浦三次谐波紫外激光器，其特征在于：所述激光器谐振腔结构为“L”型腔结构，也可以采用“V”型角度折叠腔结构。
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