CN102437502A - 一种薄片式515nm波段全固体绿激光器 - Google Patents
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Abstract
一种薄片式515nm波段全固体绿激光器，包括一泵浦源、第一球面耦合反射镜、输出耦合镜、第二球面耦合反射镜、增益介质、热沉，增益介质通过焊接层焊接到热沉上；增益介质的后表面和输出耦合镜的凹面构成平凹谐振腔，输出耦合镜位于所述增益介质的出射光路上；泵浦源、第一球面耦合反射镜和第二球面耦合反射镜组成四程抽运式光学耦合***，第一球面耦合反射镜和泵浦源位于平凹谐振腔的同一侧，第一球面耦合反射镜位于所述泵浦源发射的泵浦光的光路上，第二球面耦合反射镜位于所述增益介质反射的泵浦光的光路上。本发明是一种可获得515nm波长的小型化薄片式全固体绿光激光器，可用于替代染料激光器和氩离子激光器。
Description
技术领域
本发明属于半导体激光泵浦固体激光技术领域，具体的涉及一种获得倍频输出的薄片式515nm波段全固体绿激光器。
背景技术
515nm波段激光在生物化学、便携式投影仪、医疗等领域有重要用途。以牙科为例： 可用于光子化学漂白和牙龈消毒。而且， 515 nm 激光器是泵浦钛宝石激光器的理想泵浦源。过去相关领域多采用染料激光器或氩离子激光器（514.5nm），但染料激光器具有安全性差、染料退化且有毒、能量消耗高、稳定性差等一系列问题，而氩离子激光器体积庞大，功耗高，需要复杂的水冷***，因此急需相应波段的固体激光器来满足市场需求。
目前，国际上仅有德国开发出515nm全固体激光器产品，并申请美国专利：US2005/0041718 A1，其利用非球面镜耦合结构，腔型采用环形腔，缺点是工艺复杂，装调允许失配量小，体积庞大，价格昂贵。
国内也有相关实验报道，中科院物理所（4.44 W of CW 515 nm green light generated by intracavity frequency doubling Yb:YAG thin disk laser with LBO，Optics Communications. 267, 451，2006）、清华大学（二极管泵浦Yb：YAG thin disk激光器调谐及腔内倍频的研究，量子电子学报，25，2，2008）都是利用四个球面反射镜将泵浦光耦合到晶体中，采用V型腔结构，通过腔内倍频获得该波长输出。中国工程物理研究所（高光束质量515 nm 薄片激光器，中国激光，37，11，2010）采用的是Z型腔结构，腔长达1.89米。以上实验装置均具有光学结构复杂、体积庞大、装调困难等缺点，因而难于开发出体积小、激光输出稳定性高的商用产品。
发明内容
为克服现有技术中的不足，本发明的目的在于提供一种结构简单、体积小、效率高、输出稳定性好、易于产品化的薄片式515nm波段全固体绿激光器。
为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明采用了以下技术方案：
一种薄片式515nm波段全固体绿激光器，包括一泵浦源、第一球面耦合反射镜、输出耦合镜、第二球面耦合反射镜、增益介质、热沉，所述增益介质通过焊接层焊接到所述热沉上；
所述增益介质的后表面和输出耦合镜的凹面构成平凹谐振腔，所述输出耦合镜位于所述增益介质的出射光路上；
所述泵浦源、第一球面耦合反射镜和第二球面耦合反射镜组成四程抽运式光学耦合***，所述第一球面耦合反射镜和所述泵浦源位于所述平凹谐振腔的同一侧，所述第二球面耦合反射镜位于所述第一球面耦合反射镜对称的另一侧，所述第一球面耦合反射镜位于所述泵浦源发射的泵浦光的光路上，所述第二球面耦合反射镜位于所述增益介质反射的泵浦光的光路上。
优选的，所述泵浦源包括一半导体激光器列阵和一光纤头，所述半导体激光器列阵发射的泵浦光通过所述光纤头耦合输出。
优选的，所述泵浦源包括一单管半导体激光器和一光束整形***，所述单管半导体激光器发射的泵浦光通过光束整形***整形后输出。
优选的，还包括一倍频晶体和一饱和吸收体，所述倍频晶***于所述输出耦合镜和所述增益介质之间，所述饱和吸收***于所述增益介质与所述倍频晶体之间或位于倍频晶体与输出镜之间。
优选的，本发明的薄片式515nm波段全固体绿激光器，还包括一倍频晶体、一饱和吸收体、一聚焦透镜和一温控***，所述饱和吸收***于所述输出耦合镜和所述增益介质之间，所述聚焦透镜位于所述输出耦合镜之后，所述倍频晶***于所述聚焦透镜之后，并通过所述温控***对所述倍频晶体进行精确温度控制。
本发明的工作原理如下：
泵浦源半导体激光器发出泵浦光，通过耦合***聚焦到增益介质内，当半导体激光器发出的泵浦光功率超过谐振腔对波长 
的振荡阈值功率时，激光增益介质就产生波长的基频光，在增益介质的焊接端面（镀有高反膜）和输出耦合镜凹面之间（既平凹谐振腔）传播振荡，在激光增益介质内循环放大。耦合过程是半导体激光器发出的泵浦光首先被第一球面耦合反射镜反射聚焦到增益介质内，然后由增益介质的焊接端面反射，两次通过增益介质后，未被吸收的泵浦光经第二球面耦合反射镜接收后再次反射聚焦到增益介质，然后再由增益介质的焊接端面反射，这样泵浦光共四次通过增益介质，优化增益介质厚度可保证足够的泵浦能量被吸收。当波长的基频光通过倍频晶体时，通过非线性光学倍频作用，产生倍频光，通过输出耦合镜输出到平凹谐振腔外。热沉采用微通道水冷或热电半导体致冷器（TEC）制冷使激光增益介质的温度尽量低且恒定。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明的薄片式515nm波段全固体绿激光器结构简单、体积小、效率高、输出稳定性好、易于产品化，本发明采用四程抽运光学耦合***和简单的平凹腔结构，解决了德国产品和国内实验中耦合***及腔型过于复杂的问题，优化了泵浦光和激光的模式匹配，从而提高了激光器输出功率并获得稳定的515nm波段输出。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明的一实施例的结构示意图。
图2为本发明的另一实施例的结构示意图。
图3为本发明的再一实施例的结构示意图。
图4为本发明的实施例4的结构示意图。
图5为本发明的实施例5的结构示意图。
图6为本发明的实施例6的结构示意图。
图中标号说明：3、第一球面耦合反射镜，4、倍频晶体，5、输出耦合镜，6、第二球面耦合反射镜，7、增益介质，8、焊接层,9、热沉，10、饱和吸收体，11、聚焦透镜，12、温控***。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。
实施例1：
参见图1所示，一种薄片式515nm波段全固体绿激光器，包括一泵浦源、第一球面耦合反射镜3、输出耦合镜5、第二球面耦合反射镜6、增益介质7、热沉9，所述增益介质7通过焊接层8焊接到所述热沉9上；
所述增益介质7的后表面和输出耦合镜5的凹面构成平凹谐振腔，所述输出耦合镜5位于所述增益介质7的出射光路上；
所述泵浦源、第一球面耦合反射镜3和第二球面耦合反射镜6组成四程抽运式光学耦合***，所述第一球面耦合反射镜3和所述泵浦源位于所述平凹谐振腔的同一侧，所述第二球面耦合反射镜6位于所述第一球面耦合反射镜3对称的另一侧，所述第一球面耦合反射镜3位于所述泵浦源发射的泵浦光的光路上，所述第二球面耦合反射镜6位于所述增益介质7反射的泵浦光的光路上
所述泵浦源采用输出波长为940nm（或968nm）半导体激光器列阵或单管半导体激光器，当用半导体激光列阵时，泵浦光由光纤头耦合输出，当用单管半导体激光器时，需经光束整形***整形后输出。
本发明的薄片式515nm波段全固体绿激光器，还包括一倍频晶体4，所述倍频晶体4位于所述输出耦合镜5和所述增益介7之间。
第一球面耦合反射镜3、第二球面耦合反射镜6的凹面制备对940nm（或968nm）单波长高反膜，反射率大于99.5%。
增益介质7采用Yb：YAG或Yb:LuAG等掺Yb的晶体，其焊接端面上制备对940nm（或968nm）和1030nm双波长高反膜，反射率大于99.5%，另一端面制备940nm（或968nm）和1030nm双波长增透膜，透过率大于99.5%。
热沉9采用微通道水冷或热电半导体致冷器（TEC）制冷。
倍频晶体4为KTP、LBO、BiBO、PPMgLN或其它非线性晶体，其中KTP、LBO、BiBO、PPMgLN等晶体按波长1030nm倍频位相匹配方向切割或相应周期制作，倍频晶体4的两个通光面都制备对1030nm和515nm两个波长的增透膜，透过率大于99.5%；
输出耦合腔镜5凹面制备对波长1030nm的反射率大于99.8%，对波长515nm的透过率大于95%的多层介质膜，输出耦合腔镜5的平面制备对波长515nm的透过率大于99%的增透膜。
当半导体激光器工作时，泵浦光经光纤头（或光束整形***）输出，通过第一球面耦合反射镜3、第二球面耦合反射镜6，耦合到Yb：YAG或Yb:LuAG等掺Yb的晶体中，随着泵浦功率的增加，在激光增益介质Yb：YAG或Yb:LuAG等掺Yb的晶体内产生1030nm基频光振荡，其通过倍频晶体4（KTP、LBO、BiBO、PPMgLN或其它非线性晶体）时，由于非线性光学倍频作用，产生515nm的绿色倍频激光，由输出耦合镜5输出。
实施例2：
参见图2所示，是本发明薄片式515nm波段全固体绿激光器的另一实施例的结构示意图。该实施例的结构与实施例1类似，只是腔内***了饱和吸收体10，随着泵浦功率的增加，在激光增益介质Yb：YAG或Yb:LuAG等掺Yb的晶体内产生1030nm基频光振荡，当基频光通过饱和吸收体10时，产生1030nm脉冲激光，脉冲激光1030nm通过倍频晶体4（KTP、LBO、BiBO、PPMgLN或其它非线性晶体）时，由于非线性光学倍频作用，从而可获得515nm脉冲激光输出。
实施例3：
参见图3所示，是本发明薄片式515nm波段全固体绿激光器再实施例的结构示意图。该实施例的结构与实施例1的耦合结构和谐振腔腔型类似，只是腔内***了饱和吸收体10，通过腔外倍频获得515nm激光脉冲输出。
输出耦合镜5的膜系需做调整，要求输出耦合镜5的凹面制备1030nm的部分反射膜，反射率为70～80%，输出耦合镜5的平面制备1030nm增透膜，透过率大于99%，当泵浦光超过谐振腔对波长1030nm的振荡阈值功率时，在激光增益介质Yb：YAG或Yb:LuAG等掺Yb的晶体内产生1030nm基频光，1030nm在增益介质7的焊接端面和输出耦合镜5的凹面之间（既平凹谐振腔）传播振荡，在激光增益介质内循环放大，当其通过饱和吸收体10时，产生1030nm脉冲激光，由输出耦合镜5输出，在腔外放置聚焦透镜11，把1030nm聚焦到倍频晶体4上，通过非线性光学倍频作用产生515nm脉冲激光输出。倍频晶体4为KTP、LBO、BiBO、PPMgLN或其它非线性晶体，其中KTP、LBO、BiBO、PPMgLN等晶体按波长1030nm倍频位相匹配方向切割或相应周期制作，倍频晶体4的两个通光面都制备对1030nm和515nm两个波长的增透膜，透过率大于99.5%，倍频晶体4通过温控***12进行精确温度控制。
如图4、图5、图6所示分别是本发明薄片式515nm波段全固体绿激光器实施例4、例5、例6的结构示意图。其结构分别与实施例1、例2、例3类似，只是耦合光路发生了改变。
改变的耦合光路如下：
所述第一球面耦合反射镜3和泵浦源位于平凹谐振腔的同一侧，所述第二球面耦合反射镜6位于所述泵浦源发射的泵浦光的光路上，所述第一球面耦合反射镜3位于所述增益介质7反射的泵浦光的光路上，泵浦源发射的泵浦光首先被第二球面反射镜6接收，然后反射注入到增益介质7中，两次通过晶体后，未被吸收的泵浦光被第一球面反射镜3反射并再次注入晶体，完成泵浦光的四程抽运。该结构的泵浦光在运行时，有所交叉，减小了倍频空间，但同时也减小了泵浦光的光斑半径，有利于提升泵浦功率密度。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种薄片式515nm波段全固体绿激光器，包括一泵浦源，其特征在于：还包括第一球面耦合反射镜（3）、输出耦合镜（5）、第二球面耦合反射镜（6）、增益介质（7）、热沉（9），所述增益介质（7）通过焊接层（8）焊接到所述热沉（9）上；
所述增益介质（7）的后表面和输出耦合镜（5）的凹面构成平凹谐振腔，所述输出耦合镜（5）位于所述增益介质（7）的出射光路上；
所述泵浦源、第一球面耦合反射镜（3）和第二球面耦合反射镜（6）组成四程抽运式光学耦合***，所述第一球面耦合反射镜（3）和所述泵浦源位于所述平凹谐振腔的同一侧，所述第二球面耦合反射镜（6）位于所述第一球面耦合反射镜（3）对称的另一侧，所述第一球面耦合反射镜（3）位于所述泵浦源发射的泵浦光的光路上，所述第二球面耦合反射镜（6）位于所述增益介质（7）反射的泵浦光的光路上。
2.根据权利要求1所述的薄片式515nm波段全固体绿激光器，其特征在于：所述泵浦源包括一半导体激光器列阵和一光纤头，所述半导体激光器列阵发射的泵浦光通过所述光纤头耦合输出。
3.根据权利要求1所述的薄片式515nm波段全固体绿激光器，其特征在于：所述泵浦源包括一单管半导体激光器和一光束整形***，所述单管半导体激光器发射的泵浦光通过光束整形***整形后输出。
4.根据权利要求1或2或3所述的薄片式515nm波段全固体绿激光器，其特征在于：还包括一倍频晶体（4），所述倍频晶体（4）位于所述输出耦合镜（5）和所述增益介质（7）之间。
5.根据权利要求4所述的薄片式515nm波段全固体绿激光器，其特征在于：还包括一饱和吸收体（10），所述饱和吸收体（10）位于所述增益介质（7）与所述倍频晶体（4）之间或位于所述倍频晶体（4）与所述输出耦合镜（5）之间。
6.根据权利要求1或2或3所述的薄片式515nm波段全固体绿激光器，其特征在于：还包括一倍频晶体（4）、一饱和吸收体（10）、一聚焦透镜（11）和一温控***（12），所述饱和吸收体（10）位于所述输出耦合镜（5）和所述增益介质（7）之间，所述聚焦透镜（11）位于所述输出耦合镜（5）之后，所述倍频晶体（4）位于所述聚焦透镜（11）之后，并通过所述温控***（12）对所述倍频晶体（4）进行精确温度控制。
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| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20120502 |