CN102738695A - 半导体二极管侧面泵浦腔内倍频紫外激光器及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半导体二极管侧面泵浦的腔内倍频紫外激光器及其方法。它包括顺次相连的第一全反射镜、第一侧泵模块、第一透镜、第二透镜、90°旋光器、第二侧泵模块、声光Q开关、偏振片、第二全反射镜、波片、二倍频晶体、和频晶体和第三全反射镜；其中第一全反射镜和第三全反射镜组成了基频激光谐振腔，第一侧泵模块和第二侧泵模块通过第一透镜、第二透镜、90°旋光器进行热致双折射补偿，基频激光被声光Q开关调制成脉冲光，基频光经过偏振片和第二全反射镜反射后依次通过波片、二倍频晶体、和频晶体，产生的紫外激光从和频晶体的尾端输出。本发明改善1064nm激光的光束质量，提高紫外激光转换效率，降低损耗，使激光器寿命更长，运行更加稳定。

Description

半导体二极管侧面泵浦腔内倍频紫外激光器及其方法

技术领域

本发明涉及一种半导体二极管侧面泵浦的腔内倍频紫外激光器及其方法。

背景技术

紫外激光具有波长短、聚焦性能好、光子能量高和冷处理等特点，还能激发特定的光化学反应，因而在下一代超高密度光驱、精细材料加工、光印刷、医疗、环境监测、光谱分析和科学研究等领域有重要的应用。与传统的产生紫外激光的染料激光器、准分子激光器、N₂激光器以及三、四倍频闪光灯泵浦固体激光器相比，半导体二极管(LD)泵浦的全固态紫外激光器体积小、价格低、效率高、寿命长、可靠性高、重复率高、光束质量好、功率稳定且使用维护方便，因此，对全固态紫外激光器的研究是一个十分重要的课题，己经成为近年来激光研究和应用领域的一个热点。固体激光的波长几乎都在近红外区，很难利用固体激光器直接产生紫外激光。现在产生全固态紫外激光的方法是利用非线性晶体，将固体激光器产生的近红外光进行倍频、和频等频率变换后输出紫外激光。其中利用非线性晶体对1064nm近红外激光进行倍频或和频产生紫外激光是一种非常有效的方法。

由于LD泵浦全固态紫外激光器广阔的应用前景和潜在的巨大市场，国际上许多国家都竞相开展对这种激光器的研究与产品开发。日本的Mitsubishi Electric公司、Sony公司Kubota光电实验室，美国Coherent公司、Spectra-physics公司等相继推出了各自的全固态紫外激光器产品，最大输出功率超过了30W。我国在全固态紫外激光器方面起步较晚，研究水平与国外差距较大，很多都局限于实验结果，而很少将其转换为产品，目前输出功率大于10 W的产品级紫外激光器很罕见。因此，研究开发大功率全固态紫外激光器对于推动民族经济，实现自创品牌具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种半导体二极管侧面泵浦的腔内倍频紫外激光器及其方法。

半导体二极管侧面泵浦的腔内倍频紫外激光器包括顺次相连的第一全反射镜、第一侧泵模块、第一透镜、第二透镜、90°旋光器、第二侧泵模块、声光Q开关、偏振片、第二全反射镜、波片、二倍频晶体、和频晶体和第三全反射镜；其中第一全反射镜和第三全反射镜组成了基频激光谐振腔，第一侧泵模块和第二侧泵模块通过第一透镜、第二透镜、90°旋光器进行热致双折射补偿后，产生的基频激光被声光Q开关调制成脉冲光，基频激光经过偏振片和第二全反射镜反射后依次通过波片、二倍频晶体、和频晶体，产生的紫外激光从和频晶体的尾端输出。

半导体二极管侧面泵浦的腔内倍频紫外激光产生方法是：将腔内双侧泵模块串接结构和腔内倍频的方法相结合，使用第一全反射镜、偏振片、第二全反射镜、和第三全反射镜组成基频激光谐振腔，利用大功率的第一侧泵模块和第二侧泵模块在腔内串接产生基频激光，并在之间加入第一透镜、第二透镜，使第一侧泵模块和第二侧泵模块相互成像，再加入90°旋光器，使第一侧泵模块和第二侧泵模块中光场的径向和切向分量相互调换，这样径向和切向分量之间会引入相反的相位差，从而实现对热致双折射效应的补偿；利用声光Q开关对基频激光进行调制产生脉冲激光，调制后的基频激光通过偏振片产生偏振光并被反射，之后被第二全反射镜反射，经波片改变偏振方向后，进入到二倍频晶体倍频，再通过和频晶体产生紫外激光，和频晶体的一端以布儒斯特角切割，这样既减少腔内损耗，又作为紫外激光的输出端，降低对腔镜镀膜的要求。

本发明利用大功率的侧面泵浦Nd:YAG模块发展成熟，输出功率大，性能稳定，可为频率转换提供足够的基频光能量。由于Nd:YAG晶体体积较大，所以一般侧泵激光器的输出光束质量较差，而且输出光并不是线偏振光。为此，我们通过对谐振腔的设计，很好的控制了腔内激光的尺寸大小，从而可以大大改善1064 nm激光的光束质量。另外我们通过加入偏振片和补偿热致双折射效应等手段，得到了倍频所需的线偏振光。紫外激光在和频晶体布儒斯特角切割的一端发生偏折从而形成激光输出，这种耦合输出的方式可明显降低损耗，同时降低了对腔镜和晶体的镀膜要求，使激光器寿命更长，运行更加稳定。

附图说明

图1是半导体二极管侧面泵浦紫外激光器结构示意图；

图2是实施例1中所得355nm激光输出功率随泵浦电流的变化曲线；

图3是实施例1中所得355nm激光在最高输出功率时的远场光斑图；

图4是实施例1中所得355nm激光在最高输出功率时测量所得的光束质量M²因子。

具体实施方式

本发明利用大功率的侧面泵浦Nd:YAG激光模块为泵浦源，采用双棒串接的结构，利用4f***和90°旋光器的组合补偿热致双折射效应，以腔内倍频的方式获得355 nm紫外激光。下面根据附图详细说明本发明。

如图1所示，半导体二极管侧面泵浦的腔内倍频紫外激光器包括顺次相连的第一全反射镜1、第一侧泵模块2、第一透镜3、第二透镜4、90°旋光器5、第二侧泵模块6、声光Q开关7、偏振片8、第二全反射镜9、波片10、二倍频晶体11、和频晶体12和第三全反射镜13；其中第一全反射镜1和第三全反射镜13组成了基频激光谐振腔，第一侧泵模块2和第二侧泵模块6通过第一透镜3、第二透镜4、90°旋光器5进行热致双折射补偿后，产生的基频激光被声光Q开关7调制成脉冲光，基频激光经过偏振片8和第二全反射镜9反射后依次通过波片10、二倍频晶体11、和频晶体12，产生的紫外激光从和频晶体12的尾端输出。

半导体二极管侧面泵浦的腔内倍频紫外激光产生方法是：将腔内双侧泵模块串接结构和腔内倍频的方法相结合，使用第一全反射镜1、偏振片8、第二全反射镜9、和第三全反射镜13组成基频激光谐振腔，利用大功率的第一侧泵模块2和第二侧泵模块6在腔内串接产生基频激光，并在之间加入第一透镜3、第二透镜4，使第一侧泵模块2和第二侧泵模块6相互成像，再加入90°旋光器5，使第一侧泵模块2和第二侧泵模块6中光场的径向和切向分量相互调换，这样径向和切向分量之间会引入相反的相位差，从而实现对热致双折射效应的补偿；利用声光Q开关7对基频激光进行调制产生脉冲激光，调制后的基频激光通过偏振片8产生偏振光并被反射，之后被第二全反射镜9反射，经波片10改变偏振方向后，进入到二倍频晶体11倍频，再通过和频晶体12产生紫外激光，和频晶体12的一端以布儒斯特角切割，这样既减少腔内损耗，又作为紫外激光的输出端，降低对腔镜镀膜的要求。

实施例：

1064nm激光谐振腔是由第一全反射镜1、偏振片8、第二全反射镜9、和第三全反射镜13组成的。两个额定输出功率75 W的LD侧面泵浦Nd:YAG模块(2,6)在腔内串联，晶体尺寸为φ3 mm×65 mm，掺杂浓度0.6 at%。为了补偿热致双折射效应，我们在两个模块之间加入两个焦距为50 mm的透镜(3,4)组成的4f***，使两个模块中的Nd:YAG晶体棒相互成像，再加入一个90°的石英旋光器(5)，使两个晶体棒中光场的径向和切向分量相互调换，这样在两个晶体棒中的径向和切向分量之间会引入相反的相位差，从而实现对热致双折射效应的补偿。

为了获得线偏振的1064nm激光，我们在腔内加入偏振片8，并以布儒斯特角放置，这样可以将谐振腔折叠，从而节省空间。二倍频晶体11以及和频晶体12放置在谐振腔较长的一臂内。其中二倍频晶体为Ⅰ类相位匹配的LBO晶体，也可以为Ⅱ类相位匹配的LBO、Ⅱ类KTP、Ⅱ类BBO或者Ⅱ类CLBO。晶体尺寸为3mm×3mm×15mm，切割角θ=90°，φ=0°。晶体入射端，即靠近全反射镜(9)的一端，镀有1064nm增透膜，出射端镀有1064nm和532nm增透膜。晶体放置在恒温炉中，温度保持在150oC。和频晶体为Ⅱ类相位匹配的LBO晶体，也可以是Ⅱ类BBO或者Ⅱ类CLBO。晶体尺寸为3mm×3mm×15mm，切割角θ=42.6，φ=90°。其中晶体出射的一端的端面以布儒斯特角切割，以实现355nm激光的输出耦合。晶体入射端镀有1064nm和532nm增透膜。晶体同样放置在恒温炉中，温度保持在30 oC。

依照上述的设计方案，如图2所示，最终在重复频率10 kHz时，获得了最高15 W的355nm激光输出。此时输出光束的远场光斑如图3所示。图4所示为最高功率时测量所得的光束质量M²因子，x方向和y方向的光束质量分别为1.2和1.1。激光器输出功率稳定度8小时内小于3%。

泵浦源采用侧面泵浦的Nd:YAG模块。倍频时由于相位匹配的需要，基频的1064nm激光必须为线偏振光。但是激光器运转时，Nd:YAG晶体会产生热致双折射效应，从而引发偏振退化，所以必须对热致双折射效应进行补偿。我们将两个相同的Nd:YAG模块在腔内串联，并在之间加入两个相同透镜组成的4f***使两个模块相互成像，再加入一个90°的石英旋光器，使两个模块中光场的径向和切向分量相互调换，从而对热致双折射效应引起的偏振退化进行补偿。

谐振腔采用非对称的平-平腔结构。通过调整谐振腔较长的一端长度的大小，可以方便的调节腔内1064nm激光光束的尺寸，特别是Nd:YAG模块和倍频晶体处的光束尺寸，对于倍频效率有直接的影响。为了获得线偏振的1064nm基频激光，我们在腔内加入了一个布儒斯特角放置的偏振片，同时利用它对光路的偏折，还可以使激光器整体长度减小，结构更加紧凑。腔内加入声光Q开关进行频率调制。调制后的1064nm激光被二倍频晶体倍频得到532nm激光。剩余的1064nm激光和532nm激光一起进入和频晶体得到355nm激光。产生的紫外激光在和频晶体布儒斯特角切割的一端发生偏折从而形成激光输出。

进一步地，上述的设计中的二倍频晶体为Ⅰ类相位匹配的LBO晶体，也可以为Ⅱ类相位匹配的LBO、Ⅱ类KTP、Ⅱ类BBO或者Ⅱ类CLBO。和频晶体为Ⅱ类相位匹配的LBO晶体，也可以是Ⅱ类BBO或者Ⅱ类CLBO。

从上面的实例可以看出，本发明的设计方法可实现大功率稳定的紫外激光输出。

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种半导体二极管侧面泵浦的腔内倍频紫外激光器，其特征在于包括顺次相连的第一全反射镜（1）、第一侧泵模块（2）、第一透镜（3）、第二透镜（4）、90°旋光器（5）、第二侧泵模块（6）、声光Q开关（7）、偏振片（8）、第二全反射镜（9）、波片（10）、二倍频晶体（11）、和频晶体（12）和第三全反射镜（13）；其中第一全反射镜（1）和第三全反射镜（13）组成了基频激光谐振腔，第一侧泵模块（2）和第二侧泵模块（6）通过第一透镜（3）、第二透镜（4）、90°旋光器（5）进行热致双折射补偿后，产生的基频激光被声光Q开关（7）调制成脉冲光，基频激光经过偏振片（8）和第二全反射镜（9）反射后依次通过波片（10）、二倍频晶体（11）、和频晶体（12），产生的紫外激光从和频晶体（13）的尾端输出。

2.一种使用如权利要求1所述激光器的半导体二极管侧面泵浦的腔内倍频紫外激光产生方法，其特征在于将腔内双侧泵模块串接结构和腔内倍频的方法相结合，使用第一全反射镜（1）、偏振片（8）、第二全反射镜（9）、和第三全反射镜（13）组成基频激光谐振腔，利用大功率的第一侧泵模块（2）和第二侧泵模块（6）在腔内串接产生基频激光，并在之间加入第一透镜（3）、第二透镜（4），使第一侧泵模块（2）和第二侧泵模块（6）相互成像，再加入90°旋光器（5），使第一侧泵模块（2）和第二侧泵模块（6）中光场的径向和切向分量相互调换，这样径向和切向分量之间会引入相反的相位差，从而实现对热致双折射效应的补偿；利用声光Q开关（7）对基频激光进行调制产生脉冲激光，调制后的基频激光通过偏振片（8）产生偏振光并被反射，之后被第二全反射镜（9）反射，经波片（10）改变偏振方向后，进入到二倍频晶体（11）倍频，再通过和频晶体（12）产生紫外激光，和频晶体（12）的一端以布儒斯特角切割，这样既减少腔内损耗，又作为紫外激光的输出端，降低对腔镜镀膜的要求。

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