CN105071217A - 一种自倍频全固态黄光激光器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自倍频全固态黄光激光器。该激光器包括激励源、聚焦***、自倍频晶体、激光谐振腔，其中，所述自倍频晶体是镱离子掺杂硼酸钙氧稀土盐晶体，沿晶体非主平面有效非线性系数最大方向切割；所述激励源为900-980nm的光源；所述的激光谐振腔由输入腔镜和输出腔镜组成，输入腔镜和输出腔镜上分别有介质膜以抑制1020-1080nm波段起振，将激励光经过准直聚焦并通过输入腔镜注入到所述自倍频晶体中，所述自倍频晶体吸收激励光能量在激光谐振腔中产生基频光，基频光通过自倍频晶体进行选择波长倍频，实现570nm～590nm黄光激光输出。该激光器具有输出功率高、结构简单、紧凑、成本低、温度适应性强等优势。

Description

一种自倍频全固态黄光激光器

技术领域

本发明涉及一种自倍频黄光激光器，属于激光技术领域，涉及激光和非线性晶体器件。

背景技术

黄光是指波长处于570nm到590nm间的光，该波段属于可见区域，在医疗、娱乐、军事、环境监测等领域均有重要应用和需求。目前实现全固态黄光特别是黄色激光的技术包括非线性和频、拉曼频移后倍频或激光倍频后通过拉曼频移实现。其中非线性和频技术为利用钕离子掺杂激光材料的1.06μm和1.3μm发射，通过非线性光学晶体实现腔外和频或者腔内和频的形式实现黄光输出，无论是腔外还是腔内和频的方式，涉及复杂的激光腔结构和镀膜方式，同时，至少需要两块晶体：激光晶体和倍频晶体来实现和频过程。拉曼频移后倍频技术主要是通过钕激光在1.06μm激光发射后利用拉曼频移介质实现1.18μm拉曼激光，之后通过倍频实现黄光输出，激光倍频后拉曼频移技术是通过钕激光在1.06μm激光发射后利用倍频技术实现532nm激光，之后利用拉曼频移介质的拉曼频移实现黄光输出。拉曼频移技术本身就是一种三阶非线性光学过程，所需光强较高，同时无论是拉曼频移后的倍频还是激光倍频后的拉曼，其结构和设计均较为复杂。利用镝离子发射通过蓝光泵浦实现黄光输出也是目前开始研究并获得黄光的重要技术，可实用的蓝光光源包括倍频激光和蓝光半导体激光器，倍频激光需用结构和设计复杂的激光器***，成本较高，不利于产业化应用；而蓝光半导体激光器如GaN等，价格较为昂贵，温度稳定性等也难以达黄光产业化的需求。

专利CN101562311A公开了一种砷酸钛氧钾晶体全固态拉曼自倍频黄光激光器，是一种基于拉曼效应的黄光激光器，包括激光二极管泵浦源、谐振腔,由冷却装置对其进行温度控制,采用一块KTA晶体替代拉曼晶体和倍频晶体,谐振腔中依次放置激光增益介质、调Q装置和KTA晶体；由KTA晶体实现1.06微米基频光的拉曼转换获得1.14微米附近的拉曼光,同时,该KTA晶体还可实现拉曼光的倍频获得0.57微米附近的黄光。除了拉曼效应所需功率密度高、由激光和非线性晶体两块组成，其结构设计较为复杂，同时，KTA晶体需用助熔剂法生长，生长周期长，成本高。

自倍频激光器具有结构简单、稳定、紧凑、输出功率高等优势。目前，传统自倍频激光器主要基于钕离子掺杂的自倍频晶体上，特别是利用钕离子在1.06μm-1.09μm处的激光实现倍频产生绿光输出，但钕离子发射峰为1.06μm、1.3μm和0.9μm三个波段，无论任何波段均难以直接倍频达到黄光范围。虽然通过1.06μm和1.3μm和频也可实现黄光输出，但该和频过程涉及两个波段1.06μm和1.3μm的同时发射，两波段的竞争会使得激光输出出现不稳定且设计复杂。

镱离子掺杂晶体可实现从950-1100nm较宽的发射谱线，而自倍频过程可实现激光的倍频，达到黄绿光波段(555nm)附近。目前所获得的最长镱离子掺杂四硼酸铝钇自倍频黄绿光为569nm(OpticsCommunications207,315,2002)，且此波段需要复杂的调谐过程才能实现，激光腔结构复杂；同时，四硼酸铝钇晶体需用助熔剂法生长，生长周期长，难以满足批量化生产需求。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种自倍频全固态黄光激光器，特别是频率控制实现570nm～590nm的镱离子掺杂自倍频黄光激光器。

发明概述：本发明核心技术为通过镀膜实现从1140-1180nm波段激光起振，控制发射频率；同时，通过自倍频晶体镱离子掺杂硼酸钙氧稀土盐晶体切割角度的变化，选择可实现的倍频黄光有效输出，从而获得黄光激光器。

本发明的技术方案如下：

一种自倍频全固态黄光激光器，包括激励源、聚焦***、自倍频晶体、激光谐振腔，其中，所述自倍频晶体是镱离子掺杂硼酸钙氧稀土盐晶体；

所述自倍频晶体通光方向是自倍频的相位匹配方向，即沿晶体非主平面有效非线性系数最大方向切割；

所述激励源为900-980nm的光源；

所述的激光谐振腔由输入腔镜和输出腔镜组成，输入腔镜和输出腔镜上分别有介质膜以抑制1020-1080nm波段起振，实现从1140-1180nm波段激光起振；输出腔镜上还有对激励源光源高反射的介质膜，以增加晶体对于激励光的有效吸收；

所述自倍频激光晶***于入射腔镜和输出腔镜之间；

通过自倍频激光晶体产生激光振荡和非线性频率转换，将激励源出射的激励光经过所述聚焦***的准直聚焦，并通过输入腔镜注入到所述自倍频晶体中，所述自倍频晶体吸收激励光能量在所述激光谐振腔中产生基频光，基频光利用所述自倍频晶体的倍频效应进行倍频，实现570nm～590nm黄光激光输出。

根据本发明优选的，所述激励源为钛宝石激光器或激光二极管激光器；进一步优选的，所述激励源为发射波长970-980nm的激光二极管激光器。

根据本发明，所述输入腔镜是输入镜镀以介质膜A形成，或者是在所述自倍频晶体的光入射端镀以介质膜A形成；所述介质膜A至少有对900-1100nm高透过的介质膜；

所述输出腔镜是输出镜镀以介质膜B形成，或者是在所述自倍频晶体的光出射端镀以介质膜B形成；所述介质膜B至少有对980-1100nm高透过、对900-980nm高反射的介质膜；

为实现黄光波段有效输出，减少对激励光的损耗，输入镜还需镀以对1100-1200nm和555nm-600nm高反射的介质膜，输出镜镀以对1100-1200nm高反射且对555nm-600nm高反射的介质膜；也即进一步优选的，以上所述介质膜A是对900-1100nm高透过且对1100-1200nm和555nm-600nm高反射的介质膜；所述介质膜B是对980-1100nm高透过、对900-980nm高反射且对1100-1200nm和555nm-600nm高反射的介质膜。

本发明的激光谐振腔设计中，为减少对激励光(900nm附近)的损耗和抑制1020-1080nm波段起振，需在谐振腔上镀以对该波段高透过的介质膜，即为入射镜通光方向镀以对900-1100nm高透过的介质膜，输出镜镀980-1100nm高透过的介质膜；为实现黄光波段有效输出，输入镜还需镀以对1100-1200nm和555nm-600nm高反射的介质膜，输出镜镀以对1100-1200nm高反射且对555nm-600nm高反射的介质膜；为增加晶体对于激励光的有效吸收，输出镜镀以对900-980nm高反射的介质膜。

根据本发明，一个优选的实施方式是：

一种自倍频黄光激光器，包括沿光路方向依次排列的激励源、聚焦***、激光谐振腔，自倍频晶体在激光谐振腔内；其中，所述自倍频晶体是镱离子掺杂硼酸钙氧稀土盐晶体，激光谐振腔由镀介质膜A的输入镜和镀介质膜B的输出镜组成，所述输入镜镀有对900-1100nm高透过且对1100-1200nm和555nm-600nm高反射的介质膜A，输出镜镀有对980-1100nm高透过、对900-980nm高反射且对1100-1200nm和555nm-600nm高反射的介质膜B。

根据本发明，另一个优选的实施方式是：

一种自倍频黄光激光器，包括沿光路方向依次排列的激励源、聚焦***、激光谐振腔，自倍频晶体；其中，所述自倍频晶体是镱离子掺杂硼酸钙氧稀土盐晶体，在自倍频晶体的入射光端镀有介质膜A，出射光端镀有介质膜B，所述介质膜A与介质膜B形成所述的激光谐振腔。所述介质膜A是对900-1100nm高透过且对1100-1200nm和555nm-600nm高反射的介质膜；所述介质膜B是对980-1100nm高透过、对900-980nm高反射且对1100-1200nm和555nm-600nm高反射的介质膜。该激光器也称微片黄光激光器。

根据本发明，所述镱离子掺杂硼酸钙氧稀土盐晶体选自镱掺杂硼酸钙氧钇、镱掺杂硼酸钙氧镧、镱掺杂硼酸钙氧钆中的一种，或者是镱掺杂硼酸钙氧钇、镱掺杂硼酸钙氧镧、镱掺杂硼酸钙氧钆中的2种或3种所形成的混晶。

根据本发明，所述镱离子掺杂硼酸钙氧稀土盐晶体的镱离子掺杂浓度为1％～50％，优选为15％～30％。

根据本发明，自倍频晶体通光面为圆柱形、长方形或其他形状，通光面抛光且镀以对振荡光和倍频光高透过的介质膜或不镀膜，自倍频晶体通光方向长度为0.5mm～50mm，根据具体激光器的规格而定，优选的晶体通光方向长度4～20mm。进一步优选晶体通光方向长度8～15mm。

根据本发明，自倍频晶体沿最佳相位匹配方向切割即为非主平面有效非线性系数最大方向。该方向可用激光波长为1064nm激光器确定，本发明所述自倍频晶体，最佳相位匹配方向为与晶体折射率最大的主轴方向(Z轴)为120°±10°范围且与最小的晶体折射率主轴方向(X轴)为-(40°±10°)范围。该角度是针对黄光自倍频的方向，产生的效果是仅可实现黄光570-590nm的自倍频。

本发明所述的聚焦***由单个或多个凸透镜组成，其焦距根据具体使用情况而定，优选的焦距是1～10cm。可参照现有技术。

本发明所述的将腔镜镀于自倍频晶体通光面(两端镀介质膜A、介质膜B)的实施方式，形成微片黄光激光器。

术语解释：

上述高反射是指对特定波长或波段入射光的反射率大于99％。

上述高透过是指对特定波长或波段光的透过率大于99％。

与现有黄光激光器相比，本发明的有益效果：

1、自倍频激光过程的基础是集激光和倍频效应于一身的自倍频晶体，而自倍频晶体的研发还要考虑成本与制备的容易，否则难以满足批量化生产需求。因此，在自倍频黄光激光器的设计及研制时，还需要考虑自倍频晶体的生长方法，例如助熔剂法生长晶体的周期长，成本高；而提拉法晶体生长能在短时间内获得大尺寸晶体，相应地可降低自倍频晶体成本。本发明采用的镱离子掺杂硼酸钙氧盐自倍频晶体可用提拉法生长，在短时间内可获得大尺寸晶体，降低了生产难度和生产成本。

2、镱离子硼酸钙氧稀土盐晶体发射谱线宽，可实现从950nm到1180nm的正增益，但激光过程是增益最大的波段首先起振实现激光输出，宽波段发射无法实现自倍频黄光。本发明人经过大量研究意外发现，控制发射频率是实现黄光输出的关键，进而通过镀膜等技术手段实现从1080-1150nm波段激光起振；同时，通过自倍频晶体镱离子掺杂硼酸钙氧稀土盐晶体切割角度的变化，选择可实现的倍频黄光有效输出，从而获得黄光激光器。

3、本发明的自倍频黄光激光器是采用集激光和倍频效应于一身的镱离子掺杂硼酸钙氧盐自倍频晶体，通过频率选择实现黄光的激光器。在结构上，突破的现有黄光激光器至少需要两块(甚至多块)晶体的特点，具有结构简单、稳定、紧凑、体积小等优势；还降低了生产调试和加工难度，易于装调，保证了生产过程中的一致性，易于批量化生长；在激光过程上，突破了现有激光器通过复杂和频或拉曼效应的过程，具有激光阈值低、易于实现等优势。

附图说明

图1为实施例1自倍频黄光激光器的结构示意图。其中：1是激励源；2是激光聚焦***，将激励源发出的光聚焦于自倍频晶体中；3是入射镜，镀以对900-1100nm高透过、1100-1200nm和555nm-600nm高反射的介质膜；4是自倍频晶体，沿有效非线性系数最大的相位匹配方向切割，镀有对激励光、振荡光以及倍频光高透过的介质膜；5是输出镜，镀以对900-980nm和1100-1200nm高反射且对980-1100nm高透过和555-600nm高透过的介质膜；6自倍频黄光输出。

图2为实施例1的自倍频黄光激光器激光输出波长图谱；横坐标是波长(nm)，纵坐标是强度(任意单位)。

图3为实施例6自倍频黄光激光器的微片式结构示意图。其中，7是自倍频晶体入射面镀以对900-1100nm高透过、1100-1200nm和555nm-600nm高反射的介质膜；8是自倍频晶体出射面镀以对900-980nm和1100-1200nm高反射且对980-1100nm高透过和555-600nm高透过的介质膜。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例1：实现570nm黄色激光输出的自倍频黄光激光器

结构如图1所示，由激励源1、激光聚焦***2、输入镜3、自倍频晶体镱掺杂硼酸钙氧钇晶体4、和输出镜5沿光路顺序排列而成。

激励源1是发射波长为976nm的激光二极管，激光聚焦***2为2个焦距为2cm的聚焦镜，输入镜3为平平镜，且通光端面上镀以对900-1100nm高透过、1100-1200nm和555nm-600nm高反射的介质膜；

所述镱掺杂硼酸钙氧钇晶体4的镱离子掺杂浓度为20％、通过方向沿1140nm有效非线性系数最大的相位匹配方向切割、长度为8mm、通光面抛光并镀以对900-1200nm和555nm-600nm高透过介质膜；切割角度为：与Z轴成(120°±1°)、与X轴成-(38°±2°)。

所述输出镜5镀以对900-980nm和1100-1200nm高反射且对980-1100nm高透过、对555-600nm高透过的介质膜。

开启激励源1，加大激励功率，可实现570nm黄色激光输出，输出波长如图2所示。

实施例2

如实施例1所述，所不同的是激励源3为钛宝石激光器，发射波长为900nm，镱掺杂硼酸钙氧钇晶体长度为20mm，切割角度：与Z轴成(120±1°)、与X轴成-(34°±2°)，聚焦***由焦距为10cm和5cm的两个凸透镜构成。实现的是波长为590nm的黄色激光输出

实施例3

如实施例1所述，所不同的是自倍频晶体为镱掺杂硼酸钙氧钆晶体，镱离子掺杂浓度为1％。晶体通光方向为1180nm有效非线性系数最大的相位匹配方向，即切割角度为与Z轴成(120°±1°)、与X轴成-(46°±2°)，实现的是波长为580nm的黄色激光输出。

实施例4

如实施例1所述，所不同的是自倍频晶体为镱掺杂硼酸钙氧镧晶体，镱离子掺杂浓度为30％，晶体长度为4mm，表面不镀膜，晶体通光方向为1150nm有效非线性系数最大的相位匹配方向即切割角度为：与Z轴成(125±1°)、与X轴成-(38°±2°)，实现的是波长为575nm黄色激光输出。

实施例5

如实施例1所述，所不同的是自倍频晶体为镱掺杂硼酸钙氧钆与镱掺杂硼酸钙氧钇的混晶，镱离子掺杂浓度为30％，晶体长度为15mm。

实施例6、微片式自倍频黄光激光器，结构如图3所示。

沿光路方向依次排列的激励源1、聚焦***2、自倍频晶体4；其中，所述自倍频晶体4是镱离子掺杂硼酸钙氧钇晶体，镱离子掺杂浓度为20％、通过方向沿1140nm有效非线性系数最大的相位匹配方向切割、长度为10mm；切割角度为与Z轴成-(120°±10°)且与X轴成-(40°±10°)。

在自倍频晶体的入射光端镀有介质膜7，出射光端镀有介质膜8，所述介质膜7与介质膜8形成激光谐振腔。所述介质膜7是对900-1100nm高透过且对1100-1200nm和555nm-600nm高反射的介质膜；所述介质膜8是对980-1100nm高透过、对900-980nm高反射且对1100-1200nm和555nm-600nm高反射的介质膜。激励源1是发射波长为976nm的激光二极管，激光聚焦***2为2个焦距为2cm的聚焦镜。开启激励源1，加大激励功率，可实现570nm黄色激光输出。

Claims (10)

1.一种自倍频全固态黄光激光器，包括激励源、聚焦***、自倍频晶体、激光谐振腔，其中，所述自倍频晶体是镱离子掺杂硼酸钙氧稀土盐晶体；

所述自倍频晶体通光方向是自倍频的相位匹配方向，即沿晶体非主平面有效非线性系数最大方向切割；

所述激励源为900-980nm的光源；

所述的激光谐振腔由输入腔镜和输出腔镜组成，输入腔镜和输出腔镜上分别有介质膜以抑制1020-1080nm波段起振，实现从1140-1180nm波段激光起振；输出腔镜上还有对激励源光源高反射的介质膜，以增加晶体对于激励光的有效吸收；

所述自倍频激光晶***于入射腔镜和输出腔镜之间；

通过自倍频激光晶体产生激光振荡和非线性频率转换，将激励源出射的激励光经过所述聚焦***的准直聚焦，并通过输入腔镜注入到所述自倍频晶体中，所述自倍频晶体吸收激励光能量在所述激光谐振腔中产生基频光，基频光利用所述自倍频晶体的倍频效应进行倍频，实现570nm～590nm黄光激光输出。

2.如权利要求1所述的自倍频全固态黄光激光器，其特征在于所述激励源为钛宝石激光器或激光二极管激光器；优选的，所述激励源为发射波长970-980nm的激光二极管激光器。

3.如权利要求1所述的自倍频全固态黄光激光器，其特征在于所述输入腔镜是输入镜镀以介质膜A形成，或者是在所述自倍频晶体的光入射端镀以介质膜A形成；所述介质膜A至少有对900-1100nm高透过的介质膜。

4.如权利要求1所述的自倍频全固态黄光激光器，其特征在于所述输出腔镜是输出镜镀以介质膜B形成，或者是在所述自倍频晶体的光出射端镀以介质膜B形成；所述介质膜B至少有对980-1100nm高透过、对900-980nm高反射的介质膜。

5.如权利要求1所述的自倍频全固态黄光激光器，其特征在于输入镜还需镀以对1100-1200nm和555nm-600nm高反射的介质膜，输出镜镀以对1100-1200nm高反射且对555nm-600nm高反射的介质膜；以实现黄光波段有效输出，减少对激励光的损耗。

6.如权利要求1所述的自倍频全固态黄光激光器，其特征在于，所述镱离子掺杂硼酸钙氧稀土盐晶体选自镱掺杂硼酸钙氧钇、镱掺杂硼酸钙氧镧、镱掺杂硼酸钙氧钆中的一种，或者是镱掺杂硼酸钙氧钇、镱掺杂硼酸钙氧镧、镱掺杂硼酸钙氧钆中的2种或3种所形成的混晶；优选所述镱离子掺杂硼酸钙氧稀土盐晶体的镱离子掺杂浓度为1％～50％，最优选15％～30％。

7.如权利要求1或6所述的自倍频全固态黄光激光器，其特征在于，自倍频晶体通光面为圆柱形、长方形或其他形状，通光面抛光且镀以对振荡光和倍频光高透过的介质膜或不镀膜；自倍频晶体通光方向长度为0.5mm～50mm，优选的晶体通光方向长度4～20mm。

8.如权利要求1所述的自倍频全固态黄光激光器，其特征在于，所述自倍频晶体沿晶体非主平面有效非线性系数最大方向切割可用激光波长为1064nm激光器确定，最佳相位匹配方向为：与晶体折射率最大的主轴方向Z轴为120°±10°范围且与最小的晶体折射率主轴方向X轴为-(40°±10°)范围。

9.一种自倍频黄光激光器，包括沿光路方向依次排列的激励源、聚焦***、激光谐振腔，自倍频晶体在激光谐振腔内；其中，所述自倍频晶体是镱离子掺杂硼酸钙氧稀土盐晶体，激光谐振腔由镀介质膜A的输入镜和镀介质膜B的输出镜组成，所述输入镜镀有对900-1100nm高透过且对1100-1200nm和555nm-600nm高反射的介质膜A，输出镜镀有对980-1100nm高透过、对900-980nm高反射且对1100-1200nm和555nm-600nm高反射的介质膜B。

10.一种自倍频黄光激光器，包括沿光路方向依次排列的激励源、聚焦***、激光谐振腔，自倍频晶体；其中，所述自倍频晶体是镱离子掺杂硼酸钙氧稀土盐晶体，在自倍频晶体的入射光端镀有介质膜A，出射光端镀有介质膜B，所述介质膜A与介质膜B形成所述的激光谐振腔；所述介质膜A是对900-1100nm高透过且对1100-1200nm和555nm-600nm高反射的介质膜；所述介质膜B是对980-1100nm高透过、对900-980nm高反射且对1100-1200nm和555nm-600nm高反射的介质膜；该激光器也称微片黄光激光器。