CN102842252B - 一种发散角小光束质量好的绿色激光指示器 - Google Patents

Abstract

一种发散角小光束质量好的绿色激光指示器，其包括：自倍频晶体、泵浦源、自倍频晶体固定冷却散热装置和泵浦源固定冷却散热装置；所述自倍频晶体由自倍频晶体固定冷却散热装置固定并冷却，泵浦源由泵浦源固定冷却散热装置固定并冷却；所述泵浦源对准自倍频晶体的入射端面进行泵浦，并被其充分吸收，所述泵浦条件下自倍频晶体产生绿色指示激光。本发明通过设计自倍频晶体输出端面的曲率半径，而获得不经外整形***而直接产生发散角小、光束质量好的绿色指示激光的自倍频绿色激光指示器。

Description

一种发散角小光束质量好的绿色激光指示器

技术领域

本发明涉及一种激光器，特别涉及一种发散角小、结构紧凑、用于指示的绿色激光指示器。

背景技术

激光由于光束质量好、发散角小而常被用于指示，例如腔瞄等。目前的腔瞄主要为红色激光和绿色激光，由于绿色激光光束受大气干扰小或者几乎没有，所以可明显看到一束激光直射出去，特别是对于肉眼夜间来观察来说，绿光的光线较红光更为柔和，观察起来绿光效果更为舒适，不宜疲劳。但是目前市场用绿色激光指示器甚少，主要原因是绿色半导体二极管难以实现。

另外一种获得绿色激光指示器的途径是利用半导体二极管泵浦Nd:YVO₄/KTP胶合晶体，再通过一组透镜对输出激光进行整形而满足发散角小的需求。但是这种方法存在两个缺陷，一是元件多，整体稳定性不佳，元件间位置有相对移动就会造成输出激光性能降低，二是由于KTP非线性晶体本身特性，这种指示器适用的工作环境范围不宽，启动时间长。

自倍频晶体是一种获得可见激光输出的理想方式。将激活离子掺杂入一块具有非线性光学特性的晶体，使其既是激光晶体，又具有非线性的功能。当晶体的切割方向沿相位匹配的方向切割时，就可以在晶体内部对离子产生的基频激光直接进行自倍频从而获得绿色激光输出。目前，已研制出多种适用于不同应用的自倍频激光器，例如专利“一种适于激光显示用的自倍频绿光固体激光器”（201010272964.3），“一种低功率的绿光激光笔”（201010130463.1）和“一种单频可见光激光器”（201010159919.7）。但是仍没有一种可以不经外整形***而直接产生发散角小、光束质量好的绿色指示激光的自倍频激光器。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，通过设计自倍频晶体输出端面的曲率半径，而获得不经外整形***而直接产生发散角小、光束质量好的绿色指示激光的自倍频绿色激光指示器。

本发明的目的是这样实现的：

本发明提供的发散角小光束质量好的绿色激光指示器，其由自倍频晶体、泵浦源、自倍频晶体固定冷却散热装置和泵浦源固定冷却散热装置组成；

所述自倍频晶体置于自倍频晶体固定冷却散热装置内，自倍频晶体由自倍频晶体固定冷却散热装置固定并冷却；

所述泵浦源由泵浦源固定冷却散热装置固定并冷却；

所述的自倍频晶体为块状自倍频晶体，所述自倍频晶体的二个端面均经过光学抛光处理，所述自倍频晶体的靠近泵浦源的端面为平面端面，该平面端面为光入射端面，其上镀有对泵浦光高透过，对基频光和倍频光高反射的膜；所述自倍频晶体的另一端面为曲率半径R的曲面端面，该曲面端面为光输出端面，其上镀有对基频光高反射和对倍频光高透射的膜；

所述泵浦源对准自倍频晶体的光入射端面进行泵浦，泵浦光被所述自倍频晶体充分吸收，在自倍频晶体内产生发散角为θ的绿色激光，并由自倍频晶体的光输出端面输出；所述发散角θ为：

$\mathrm{\θ}=\frac{1.35\·M^2}{2[\sqrt{\frac{\mathrm{\λ}\·0.001\·M^2}{\mathrm{\π}}}\·\sqrt{\left|{\mathrm{Mc}}_{01}\right|}[1-{{\left(\frac{{\mathrm{Mc}}_{00}+{\mathrm{Mc}}_{11}}{2}\right)}^2]}^{-0.25}]}$

式中M²为光束质量因子实测获得，或者根据泵浦光斑大小ωp和腔膜半径ω估算,Mc₀₀、Mc₀₁与Mc₁₁分别为泵浦光在自倍频晶体内传输一周的传输矩阵Mc的矩阵元，所述Mc₀₀为传输矩阵M_c的第一行第一列矩阵元，Mc₀₁为传输矩阵Mc的第一行第二列矩阵元，Mc₁₁为传输矩阵Mc的第二行第二列矩阵元；所述光在自倍频晶体内传输一周的传输矩阵Mc为：

$\mathrm{Mc}=\left(\begin{array}{cc}1& 0\\ -\frac{2}{R}& 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}1& \frac{L}{2n}\\ 0& 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}1& 0\\ -\frac{1}{f}& 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}1& \frac{L}{2n}\\ 0& 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}1& \frac{L}{2n}\\ 0& 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}1& 0\\ -\frac{1}{f}& 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}1& \frac{L}{2n}\\ 0& 1\end{array}\right)$

式中n为自倍频晶体折射率；f为自倍频晶体工作时的热焦距，实际测量获得；L为自倍频晶体的长度；

发散角θ为自倍频晶体输出端面曲率半径R的一元函数，θ=F(R)，借助计算机利用几何绘图法绘制发散角θ关于自倍频晶体输出端面曲率半径R的函数曲线，从而直观得出设定发散角θ对应的曲率半径R。

所述自倍频晶体截面为0.5～10mm×0.5～10mm方形，或者为半径为0.5～10mm的圆形，长度L为2～8mm；所述自倍频晶体的切割方向沿该自倍频晶体的相位匹配方向。

所述泵浦源为半导体二极管；所述泵浦源对准自倍频晶体光入射端面的中心进行泵浦，泵浦光垂直于自倍频晶体光入射端面进入晶体并被充分吸收；所述半导体二极管的波长为自倍频晶体的吸收波长。

所述泵浦源固定冷却散热装置和自倍频晶体固定冷却散热装置为两端分别设有冷却液进口和冷却液出口的散热装置，据泵浦源尺寸和自倍频晶体尺寸加工的元件，材质为铜、铝或铁。

所述自倍频晶体为掺钕四硼酸钇铝自倍频晶体、掺镱四硼酸钇铝自倍频晶体、掺钕三硼酸钙氧钆自倍频晶体、掺钕三硼酸钙氧钇自倍频晶体、掺镱三硼酸钙氧钆自倍频晶体、掺镱三硼酸钙氧钇自倍频晶体或掺铒三硼酸钙氧钇自倍频晶体。

本发明的绿色激光指示器与现有技术相比具有如下优点：体积小、结构紧凑，可不经外整形***而直接产生发散角小、光束质量好的绿色指示激光。

附图说明

图1是本发明的绿色激光指示器的结构示意图；

图2为自倍频晶体的光输出端面曲率半径R计算方法示意图；

图3为自倍频晶体内部530nm激光的束宽分布；

图4为实施例2制做一种基于Nd:YCOB晶体的板条绿色激光指示器。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

图1是本发明的绿色激光指示器的结构示意图；图2为自倍频晶体的光输出端面曲率半径R计算方法示意图；图3为自倍频晶体内部530nm激光的束宽分布；图4为实施例2制做一种基于Nd:YCOB晶体的板条绿色激光指示器；由图可知，本发明的发散角小光束质量好的绿色激光指示器，其由自倍频晶体1、泵浦源2、自倍频晶体固定冷却散热装置3和泵浦源固定冷却散热装置4组成；

所述自倍频晶体1置于自倍频晶体固定冷却散热装置3内，自倍频晶体1由自倍频晶体固定冷却散热装置3固定并冷却；

所述泵浦源2由泵浦源固定冷却散热装置4固定并冷却；

所述的自倍频晶体1为块状自倍频晶体，所述自倍频晶体1的二个端面均经过光学抛光处理，所述自倍频晶体1的靠近泵浦源2的端面为平面端面，该平面端面为光入射端面，其上镀有对泵浦光高透过，对基频光和倍频光高反射的膜；所述自倍频晶体1的另一端面为曲率半径R的曲面端面，该曲面端面为光输出端面，其上镀有对基频光高反射和对倍频光高透射的膜；

所述泵浦源2对准自倍频晶体1的光入射端面进行泵浦，泵浦光被所述自倍频晶体1充分吸收，在自倍频晶体1内产生发散角为θ的绿色激光，并由自倍频晶体1的光输出端面输出；所述发散角θ为：

$\mathrm{\θ}=\frac{1.35\·M^2}{2[\sqrt{\frac{\mathrm{\λ}\·0.001\·M^2}{\mathrm{\π}}}\·\sqrt{\left|{\mathrm{Mc}}_{01}\right|}[1-{{\left(\frac{{\mathrm{Mc}}_{00}+{\mathrm{Mc}}_{11}}{2}\right)}^2]}^{-0.25}]}$

式中M²为光束质量因子，可实测获得；或者根据泵浦光斑大小ωp和腔膜半径ω估算,Mc₀₀、Mc₀₁与Mc₁₁分别为泵浦光在自倍频晶体内传输一周的传输矩阵Mc的矩阵元，所述Mc₀₀为传输矩阵Mc的第一行第一列矩阵元，Mc₀₁为传输矩阵Mc的第一行第二列矩阵元，Mc₁₁为传输矩阵Mc的第二行第二列矩阵元；所述光在自倍频晶体内传输一周的传输矩阵Mc为：

$\mathrm{Mc}=\left(\begin{array}{cc}1& 0\\ -\frac{2}{R}& 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}1& \frac{L}{2n}\\ 0& 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}1& 0\\ -\frac{1}{f}& 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}1& \frac{L}{2n}\\ 0& 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}1& \frac{L}{2n}\\ 0& 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}1& 0\\ -\frac{1}{f}& 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}1& \frac{L}{2n}\\ 0& 1\end{array}\right)$

式中n为自倍频晶体折射率；f为自倍频晶体工作时的热焦距，实际测量获得；L为自倍频晶体的长度；

发散角θ为自倍频晶体输出端面曲率半径R的一元函数，θ=F(R)，借助计算机利用几何绘图法绘制发散角θ关于自倍频晶体输出端面曲率半径R的函数曲线，从而直观得出设定发散角θ对应的曲率半径R。

所述自倍频晶体1截面为0.5～10mm×0.5～10mm方形，或者为半径为0.5～10mm的圆形，长度L为2～8mm；所述自倍频晶体1的切割方向沿该自倍频晶体1的相位匹配方向。

所述泵浦源2为半导体二极管；所述泵浦源2对准自倍频晶体1光入射端面的中心进行泵浦，泵浦光垂直于自倍频晶体1光入射端面进入晶体并被充分吸收；所述半导体二极管的波长为自倍频晶体的吸收波长。

所述泵浦源固定冷却散热装置4和自倍频晶体固定冷却散热装置3为两端分别设有冷却液进口和冷却液出口的散热装置，据泵浦源尺寸和自倍频晶体尺寸加工的元件，材质为铜、铝或铁。

所述自倍频晶体1为掺钕四硼酸钇铝自倍频晶体、掺镱四硼酸钇铝自倍频晶体、掺钕三硼酸钙氧钆自倍频晶体、掺钕三硼酸钙氧钇自倍频晶体、掺镱三硼酸钙氧钆自倍频晶体、掺镱三硼酸钙氧钇自倍频晶体或掺铒三硼酸钙氧钇自倍频晶体。

实施例1

本实施例制作一种光束质量M²=1，发散角θ<1mrad的绿色激光指示器；本实施例具体结构参考图1。

本实施例的绿色激光指示器，包括：自倍频晶体1、泵浦源2、自倍频晶体固定冷却散热装置3和泵浦源固定冷却散热装置4；自倍频晶体1由自倍频晶体固定冷却散热装置3固定并冷却，泵浦源2由固定冷却散热装置4固定并冷却；泵浦源2对准自倍频晶体1的入射端面进行泵浦，并被其充分吸收；

本实施例中，自倍频晶体1采用尺寸为φ3×8mm，掺杂浓度8at.%的Nd:GdCOB圆棒状自倍频晶体，轴向为1060nm激光的相位匹配方向；自倍频晶体冷却散热装置3一端设有冷却液进口，另一端设有冷却液进口；自倍频晶体冷却散热装置3两端面上留有对称的φ3mm圆孔，圆棒状自倍频晶体1放入自倍频晶体冷却散热装置3内，由两端面的对称圆孔支撑固定，之后用704胶密封（或者采用O圈压式结构将其密封好）；自倍频晶体冷却散热装置3采用紫铜材料，冷却液采用蒸馏水，冷却液从自倍频晶体冷却散热装置3的冷却液体入口进入，流过棒状自倍频晶体1的侧面，通过热交换带走棒状自倍频晶体1内产生的热量，再从自倍频晶体1的冷却液体出口流出。

自倍频晶体1两个端面均进行光学抛光处理，一端面为平面，镀有对811nm泵浦光高透过，对1060nm基频光和530nm倍频光高反射的膜，该端面入射端面靠近泵浦源2；自倍频晶体1另一端面作为输出端面，该输出端面为曲率半径R=-5000的曲面，镀有对1060nm基频光高反射和对530倍频光高透射的膜；

泵浦源2为半导体激光器（LD），输出激光波长为811nm,固定在泵浦源散热装置4上进行散热；LD发出的泵浦光从圆棒状自倍频晶体1的入射端面进入自倍频晶体1，自倍频晶体1充分吸收泵浦光能量产生1060nm基频光。

为满足光束质量M²=1，发散角θ<1mrad要求的绿色指示激光，曲率半径R确定步骤为：绘制R分别取-200mm，-500mm，-1000mm，-2000mm，-5000mm时发散角θ关于热焦距f的变化曲线，如错误！未找到引用源。所示（图中fx为所述热焦距f），a图为R取上述值时，发散角θ关于热焦距f的变化曲线，曲率半径R取-1000mm，-2000mm，-5000mm时有可能满足发散角θ<1mrad的要求；b,c,d三幅图为R取上述三个值，且发散角误差为±0.5mrad时曲线局部放大图，R=-5000稳区较长（热焦距可调节范围较大），有利于***稳定运行；当R=-5000时，调节泵浦光功率密度使热焦距为f=4960mm时，满足发散角θ<1mrad的要求。

如图3所示，为本实施例的绿色激光指示器自倍频晶体1内部530nm激光的束宽分布（以毫米为单位），a，b图分别为晶体前半段与后半段束宽分布；纵坐标为束腰半径，横坐标沿晶体通光方向；该光束半径在自倍频晶体内（0-L）为恒定值；由激光的发散角θ计算公式计算得该绿色激光指示器发出的530nm绿色激光发散角为θ=0.896mrd。

实施例2

如图4所示，本实施例制做一种基于Nd:YCOB晶体的板条绿色激光指示器。本实施例与实施例1类似，不同之处主要有：

自倍频晶体1采用掺杂浓度为8at.%的Nd:YCOB晶体，该自倍频晶体制作成长度L×宽度W×厚度H的板条状，即加工成5mm×1mm×3mm的板条状，自倍频晶体1水平方向（沿长度L方向）为有效非线性系数最大的相位匹配方向。该自倍频晶体的板条的两头的端面，经光学抛光并镀上对于基频光和倍频光高透射的膜。

自倍频晶体1放置并固定在具有散热和控温功能的自倍频晶体固定冷却散热装置3上。泵浦源2被放置在泵浦源固定冷却散热装置4上，泵浦源2对准自倍频晶体1的上表面（长度L×宽度W的面），进行泵浦并被充分吸收，

自倍频晶体1端面曲率半径为R=-999mm，该设计工作热焦距f=1000mm时，激光发射角θ=0.734mrd。

实施例3

本发明制作一种体积小且发散角小、光束质量好的绿色激光指示器。本实施例与实施例1类似，不同之处主要有：

一是，自倍频晶体1加工成3mm×3mm×8mm矩形；

二是，该激光器无晶体冷却***，即实施例1中的自倍频晶体固定冷却散热装置3仅提供固定支撑作用。

相对于实施例1，该激光器体优点积小，但输出的绿色激光功率较低，适用于对指示激光功率要求低的应用需求。

上述实施例仅举出了自倍频晶体1为掺杂浓度8at.%的Nd:GdCOB圆棒状自倍频晶体、Nd:YCOB晶体和掺钕四硼酸钇铝自倍频晶体的实例，但本领域的技术人员均知晓自倍频晶体1可为掺钕四硼酸钇铝自倍频晶体、掺镱四硼酸钇铝自倍频晶体、掺钕三硼酸钙氧钆自倍频晶体、掺钕三硼酸钙氧钇自倍频晶体、掺镱三硼酸钙氧钆自倍频晶体、掺镱三硼酸钙氧钇自倍频晶体或掺铒三硼酸钙氧钇自倍频晶体均可。本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变型，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种发散角小光束质量好的绿色激光指示器，其由自倍频晶体、泵浦源、自倍频晶体固定冷却散热装置和泵浦源固定冷却散热装置组成；

所述自倍频晶体置于自倍频晶体固定冷却散热装置内，自倍频晶体由自倍频晶体固定冷却散热装置固定并冷却；

所述泵浦源由泵浦源固定冷却散热装置固定并冷却；

所述的自倍频晶体为块状自倍频晶体，所述自倍频晶体的二个端面均经过光学抛光处理，所述自倍频晶体的靠近泵浦源的端面为平面端面，该平面端面为光入射端面，其上镀有对泵浦光高透过，对基频光和倍频光高反射的膜；所述自倍频晶体的另一端面为曲率半径R的曲面端面，该曲面端面为光输出端面，其上镀有对基频光高反射和对倍频光高透射的膜；

所述泵浦源对准自倍频晶体的光入射端面进行泵浦，泵浦光被所述自倍频晶体充分吸收，在自倍频晶体内产生发散角为θ的绿色激光，并由自倍频晶体的光输出端面输出；所述发散角θ为：

$\mathrm{\&theta;}=\frac{1.35\&CenterDot;M^2}{2[\sqrt{\frac{\mathrm{\&lambda;}\&CenterDot;0.001\&CenterDot;M^2}{\mathrm{\&pi;}}}\&CenterDot;\sqrt{\left|{\mathrm{Mc}}_{01}\right|}{[1-{\left(\frac{{\mathrm{Mc}}_{00}+{\mathrm{Mc}}_{11}}{2}\right)}^2]}^{-0.25}]}$

式中M²为光束质量因子实测获得；或者根据泵浦光斑大小ωp和腔膜半径ω估算,Mc₀₀、Mc₀₁与Mc₁₁分别为泵浦光在自倍频晶体内传输一周的传输矩阵Mc的矩阵元，所述Mc₀₀为传输矩阵Mc的第一行第一列矩阵元，Mc₀₁为传输矩阵Mc的第一行第二列矩阵元，Mc₁₁为传输矩阵Mc的第二行第二列矩阵元；所述光在自倍频晶体内传输一周的传输矩阵Mc为：

$\mathrm{Mc}=\left(\begin{array}{cc}1& 0\\ -\frac{2}{R}& 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}1& \frac{L}{2n}\\ 0& 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}1& 0\\ -\frac{1}{f}& 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}1& \frac{L}{2n}\\ 0& 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}1& \frac{L}{2n}\\ 0& 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}1& 0\\ -\frac{1}{f}& 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}1& \frac{L}{2n}\\ 0& 1\end{array}\right)$

式中n为自倍频晶体折射率；f为自倍频晶体工作时的热焦距，可实际测量获得；L为自倍频晶体的长度；

发散角θ为自倍频晶体输出端面曲率半径R的一元函数，θ＝F(R)，借助计算机利用几何绘图法绘制发散角θ关于自倍频晶体输出端面曲率半径R的函数曲线，从而直观得出设定发散角θ对应的曲率半径R。

2.根据权利要求1所述的绿色激光指示器，其特征在于，所述自倍频晶体截面为0.5～10mm×0.5～10mm方形，或者为半径为0.5～10mm的圆形，长度L为2～8mm；所述自倍频晶体的切割方向沿该自倍频晶体的相位匹配方向。

3.根据权利要求1所述的绿色激光指示器，其特征在于，所述泵浦源为半导体二极管；所述泵浦源对准自倍频晶体光入射端面的中心进行泵浦，泵浦光垂直于自倍频晶体光入射端面进入晶体并被充分吸收；所述半导体二极管的波长为自倍频晶体的吸收波长。

4.根据权利要求1所述的绿色激光指示器，其特征在于，所述泵浦源固定冷却散热装置和自倍频晶体固定冷却散热装置为两端分别设有冷却液进口和冷却液出口的散热装置，据泵浦源尺寸和自倍频晶体尺寸加工的元件，材质为铜、铝或铁。

5.根据权利要求1所述的绿色激光指示器，其特征在于，所述自倍频晶体为掺钕四硼酸钇铝自倍频晶体、掺镱四硼酸钇铝自倍频晶体、掺钕三硼酸钙氧钆自倍频晶体、掺钕三硼酸钙氧钇自倍频晶体、掺镱三硼酸钙氧钆自倍频晶体、掺镱三硼酸钙氧钇自倍频晶体或掺铒三硼酸钙氧钇自倍频晶体。