CN105470795A - 医用全固态黄光激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种医用全固态黄光激光器，包括：泵浦源***，包括依次连接的半导体激光器和聚焦耦合透镜***；谐振腔，其呈直线腔，位于聚焦耦合透镜***的输出端；谐振腔包括依次放置的输入镜、增益介质、黄光输出镜、滤光片；增益介质是Dy:BSO；半导体激光器发出的泵浦光被聚焦耦合透镜***聚焦在位于谐振腔里的增益介质；增益介质吸收泵浦光，在谐振腔产生振荡，激发出黄光激光，依次经过黄光输出镜和滤光片，输出黄光激光。本发明采用提高激活离子的掺杂浓度与增加吸收程相结合的方式，无需非线性频率转换过程，有效提高了增益介质对泵浦光的吸收率，提高了全固态黄光激光器的稳定性。

Description

医用全固态黄光激光器
技术领域
本发明涉及生物医学领域，更具体地说，本发明涉及一种医用全固态黄光激光器。
背景技术
黄光波段(中心波长580纳米，波长范围597--577纳米)的激光接近人眼最敏感的波长(555nm)，该波段在激光钠导星、激光雷达、激光医疗、舞台表演、城市观景、国防军事和科学研究等领域有广泛的应用前景。在天文望远镜中，589nm的激光可替代传统的钠导信号光源；军事上，可用于空间目标探测与识别；医学上，579nm的激光非常接近氧合血红蛋白吸收峰(577nm),尤其在眼科诊断和治疗方面，相比其它波长的激光，黄色激光波段有着显著优点，具有不可替代的作用。
目前，黄光激光器主要有双波长和频激光器、光纤拉曼激光器和红外波长倍频激光器等。双波长和频激光器，模式竞争效应明显、谐振腔膜系复杂、转换效率低、光束质量和稳定性较差；光纤拉曼激光器由于受激布里渊散射和线宽非线性展宽的特点，不适合用于产生高功率窄线宽的激光输出；红外波长倍频激光器对激光谐振腔腔镜的镀膜参数要求苛刻，并且转换效率低，黄光激光输出功率较低。随着激光二极管的日益成熟，半导体泵浦的全固态激光器以其高效率、长寿命、小型化和高光束质量等优点，已经成为过去20年来研究最热门、应用最广泛的激光器之一，是目前最具潜力的新一代激光源之一，成为激光技术的主要研究和发展方向。
固态黄光激光器的实现方法主要有以下三种：一是采用腔内和频方式，通过腔内和频的方式获得黄光输出，模式竞争效应明显、谐振腔膜系复杂、转换效率低、光束质量和稳定性较差；二是采用光纤拉曼激光放大的方式，相位控制要求精度很高、***比较复杂；三是采用Raman激光器倍频的方式，拉曼晶体中存在着额外的热效应，在较高泵浦速率下很难获得良好的光束质量；热效应的增加同样对激光器的稳定性造成了较大的影响。
发明内容
针对上述技术中存在的不足之处，本发明提供一种医用全固态黄光激光器，采用提高激活离子的掺杂浓度与增加吸收程相结合的方式，无需非线性频率转换过程，在缓解热效应与吸收率之间矛盾的同时，有效提高了增益介质对泵浦光的吸收率，提高了全固态黄光激光器的稳定性。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，本发明通过以下技术方案实现：
本发明所述的医用全固态黄光激光器，包括：
泵浦源***，其包括依次连接的半导体激光器和聚焦耦合透镜***；
谐振腔，其呈直线腔，位于所述聚焦耦合透镜***的输出端；所述谐振腔包括依次放置的输入镜、增益介质、黄光输出镜、滤光片；
其中，所述增益介质是Dy:BSO；
所述半导体激光器发出的泵浦光被所述聚焦耦合透镜***聚焦在位于所述谐振腔里的所述增益介质；
所述增益介质吸收泵浦光，在所述谐振腔产生振荡，激发出黄光激光，依次经过黄光输出镜和滤光片，输出黄光激光。
优选的是，所述半导体激光器发出的泵浦光是447nm蓝光或457nm蓝光或284nm的紫外光。
优选的是，所述增益介质的前端面镀有第一膜系，所述增益介质的后端面镀有第二膜系；
所述第一膜系包括对泵浦光高透的第一膜和对黄光抗反的第二膜；
所述第二膜系包括对黄光高透的第三膜和对泵浦光高反的第四膜。
优选的是，所述增益介质为Dy:BSO单晶。
优选的是，所述增益介质为Dy:BSO陶瓷。
优选的是，所述增益介质中，硅酸铋的掺镝浓度为0.5at.％-5at.％。
优选的是，所述黄光输出镜的曲率半径为50mm-100mm。
优选的是，还包括对所述增益介质散热的制冷装置，所述制冷装置包括：
紫铜散热器，其包裹在所述增益介质的侧面；
半导体制冷器，其连接到所述紫铜散热器的底部；
散热片，其连接到所述制冷器的底部。
优选的是，还包括用于输出稳定单频黄光的法布里-珀罗(F-P)标准具，所述法布里-珀罗(F-P)标准具位于所述增益介质和所述黄光输出镜之间。
优选的是，所述聚焦耦合透镜***包括依次位于所述半导体激光器和所述输入镜之间的准直镜和聚焦镜。
本发明至少包括以下有益效果：
1)谐振腔呈直线腔，结构简单，稳定性和可靠性好，便于光学元件的更换和调试，适合于黄光激光器的输出性能探索和参数优化；
2)增益介质的前端面镀有第一膜系，增益介质的后端面镀有第二膜系；第一膜系包括对泵浦光高透的第一膜和对黄光抗反的第二膜；第二膜系包括对黄光高透的第三膜和对泵浦光高反的第四膜；第一膜系和第二膜系将第一次经过增益介质剩余的泵浦光重新反射回增益介质中去，相当于增加了增益介质的吸收程，实现了纵向的较均匀泵浦，提高了增益介质对泵浦光的吸收效率；也有利于缓解增益介质端面热负载过于严重，提高医用全固态黄光激光器的稳定性；另外，第一膜系和第二膜系增加泵浦光功率密度，减少损耗；
3)增益介质为Dy:BSO单晶，无需非线性频率转换过程，均可一步式实现黄光激光输出；从根本上解决困扰全固态黄光激光器的稳定性问题，具有稳定性好的优点；
4)增益介质为Dy:BSO陶瓷，无需非线性频率转换过程，均可一步式实现黄光激光输出；从根本上解决困扰全固态黄光激光器的稳定性问题，具有稳定性好的优点；
5)增益介质中，硅酸铋的掺镝浓度为0.5at.％-5at.％；提高激活离子的掺杂浓度，提高增益介质对泵浦光的吸收率；
6)泵浦光是447nm蓝光或457nm蓝光或284nm的紫外光，均可实现黄光激光输出；其中，457nm蓝光的泵浦源，具有较高的泵浦光功率和亮度，提升医用全固态黄光激光器的输出功率和效率。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明所述的医用全固态黄光激光器的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
如图1所示，本发明提供一种医用全固态黄光激光器，包括：泵浦源***10，其包括依次连接的半导体激光器11和聚焦耦合透镜***12；谐振腔20，其呈直线腔，位于聚焦耦合透镜***12的输出端；谐振腔20包括依次放置的输入镜21、在硅酸铋中掺镝的增益介质22、黄光输出镜23、滤光片24；其中，增益介质22是Dy:BSO；半导体激光器11发出的泵浦光被聚焦耦合透镜***12聚焦在位于谐振腔20里的增益介质22；增益介质22吸收泵浦光，在谐振腔20产生振荡，激发出黄光激光，依次经过黄光输出镜23和滤光片24，输出黄光激光。
上述实施方式中，Dy:BSO是在BSO(BismuthSilicateCrystal，硅酸铋晶体)中掺Dy(元素镝)，所以，Dy:BSO指的是在基材硅酸铋中掺镝，是现有技术中存在的产品。
通过在增益介质22中的硅酸铋掺镝，无需非线性频率转换过程，均可实现黄光激光输出，并且提高了增益介质对泵浦光的吸收率；谐振腔20呈直线腔，结构简单，稳定性和可靠性好，便于光学元件的更换和调试，适合于黄光激光器的输出性能探索和参数优化。
上述实施方式中，半导体激光器11优选为GaN-LD(GalliumNitrideLaserDiode，氮化镓半导体激光器)。
上述实施方式中，泵浦源***10可以是一个半导体激光器11产生一个波长的泵浦光，也可以是多个半导体激光器11产生多个泵浦光形成合束的泵浦光，从而形成一个高功率的泵浦源，有利于提高输出功率。
上述实施方式中，输入镜21和黄光输出镜23，对于振荡的黄光有高反射率。输入镜21为平面镜，镀有对泵浦光大于95％的增透膜，并且该膜对570-580nm谱线的反射率大于99.8％；黄光输出镜23对于震荡的黄光能够部分反射，从而使黄光激光从谐振腔20输出。
上述实施方式中，滤光片24对泵浦光进行滤除，实现黄光激光输出。
作为本发明的另一种实施方式，半导体激光器11发出的泵浦光是447nm蓝光或457nm蓝光或284nm的紫外光。泵浦光是447nm蓝光或457nm蓝光或284nm的紫外光，均可实现黄光激光输出。其中，457nm蓝光的泵浦源，具有较高的泵浦光功率和亮度，提升医用全固态黄光激光器的输出功率和效率。
作为本发明的另一种实施方式，增益介质22的前端面镀有第一膜系，增益介质22的后端面镀有第二膜系；第一膜系包括对泵浦光高透的第一膜和对黄光抗反的第二膜；第二膜系包括对黄光高透的第三膜和对泵浦光高反的第四膜。第一膜系和第二膜系将第一次经过增益介质22剩余的泵浦光重新反射回增益介质22中去，相当于增加了增益介质22的吸收程，实现了纵向的较均匀泵浦，提高了增益介质22对泵浦光的吸收效率，也有利于缓解增益介质22端面热负载过于严重，提高医用全固态黄光激光器的稳定性。另外，第一膜系和第二膜系增加泵浦光功率密度，减少损耗。
作为本发明的另一种实施方式，增益介质22为Dy:BSO单晶。通过Dy:BSO单晶的增益介质22，无需非线性频率转换过程，可一步式实现黄光激光输出，从根本上解决困扰全固态黄光激光器的稳定性问题，具有稳定性好的优点。
作为本发明的另一种实施方式，增益介质22为Dy:BSO陶瓷。通过Dy:BSO陶瓷的增益介质22，无需非线性频率转换过程，可一步式实现黄光激光输出，从根本上解决困扰全固态黄光激光器的稳定性问题，具有稳定性好的优点。
作为本发明的另一种实施方式，增益介质22中，硅酸铋的掺镝浓度为0.5at.％-5at.％。硅酸铋的掺镝浓度为0.5at.％-5at.％，提高了激活离子的掺杂浓度，提高增益介质22对泵浦光的吸收率。
作为本发明的另一种实施方式，黄光输出镜23的曲率半径为50mm-100mm。
作为本发明的另一种实施方式，医用全固态黄光激光器还包括对增益介质22散热的制冷装置25，制冷装置25包括：紫铜散热器，其包裹在增益介质22的侧面；半导体制冷器，其连接到紫铜散热器的底部；散热片，其连接到制冷器的底部。制冷装置25对增益介质22进行散热，缓解热效应。
作为本发明的另一种实施方式，医用全固态黄光激光器还包括用于输出稳定单频黄光的法布里-珀罗(F-P)标准具，法布里-珀罗(F-P)标准具位于增益介质和黄光输出镜之间。
作为本发明的另一种实施方式，聚焦耦合透镜***12包括依次位于半导体激光器11和输入镜21之间的准直镜和聚焦镜，准直镜用于防止泵浦光从输入镜21返回对半导体激光器11造成损伤；聚焦镜使泵浦光聚焦。
实施例1
半导体激光器11发出447nm蓝光，增益介质22为Dy:BSO陶瓷，掺杂浓度为1at.％，尺寸为3×3×10mm3，其透射率大于99.8％；黄光输出镜23的曲率半径为50mm，对570-580nm谱线反射率为99.5％。
实施例2
与实施例1不同的是，增益介质22为Dy:BSO陶瓷，掺杂浓度为3at.％，尺寸为3×3×10mm3，其透射率大于99％；黄光输出镜23的曲率半径为100mm，对570-580nm谱线反射率为99％。
实施例3
与实施例1不同的是，增益介质22为Dy:BSO单晶，掺杂浓度为1at.％，尺寸为3×3×10mm3，其透射率大于99.8％；黄光输出镜23的曲率半径为50mm，对570-580nm谱线反射率为98％。
实施例4
与实施例1不同的是，增益介质22为Dy:BSO单晶，掺杂浓度为3at.％，尺寸为3×3×10mm3，其透射率大于99.8％；黄光输出镜23的曲率半径为100mm，对570-580nm谱线反射率为97％。
实施例5
与实施例1不同的是，增益介质22为Dy:YAG(YAG，钇铝石榴石；Dy:YAG，在钇铝石榴石中掺镝)单晶，掺杂浓度为0.5at.％，尺寸为3×3×10mm3，其透射率<90％；黄光输出镜23的曲率半径为50mm，对570-580nm谱线反射率为99.5％。
实施例6
与实施例1不同的是，增益介质22为Dy:YAG(YAG，钇铝石榴石；Dy:YAG，在钇铝石榴石中掺镝)单晶，掺杂浓度为5at.％，尺寸为3×3×10mm3，其透射率<90％；黄光输出镜23的曲率半径为50mm，对570-580nm谱线反射率为99％。
实施例7
与实施例1不同的是，增益介质22为Dy:BSO陶瓷，掺杂浓度为0.5at.％，尺寸为3×3×10mm3，其透射率<90％；黄光输出镜23的曲率半径为50mm，对570-580nm谱线反射率为98％。
实施例8
与实施例1不同的是，增益介质22为Dy:BSO陶瓷，掺杂浓度为5at.％，尺寸为3×3×10mm3，其透射率<90％；黄光输出镜23的曲率半径为100mm，对570-580nm谱线反射率为97％。
实施例9
与实施例1不同的是，增益介质22经过非线性频率转换，黄光激光输出不稳定。
实施例10
与实施例1不同的是，半导体激光器11发出457nm蓝光(由Nd:YVO4的准三能级914nm谱线倍频获得)，能够提高半导体激光器11的功率和亮度，从而获得较大功率的黄光激光输出。
实施例11
与实施例1不同的是，半导体激光器11发出284nm紫外光，也可实现黄光激光的输出。
实施例1-实施例5，医用全固态黄光激光器的各参数如下表1所示：
表1各实施例参数表
由表1可知：
对比实施例3、4、5、6的增益介质，增益介质为Dy:BSO单晶或Dy:BSO陶瓷相比Dy:YAG单晶，增益介质的透射率有所提高；
对比实施例1、2、7、8的掺杂浓度，Dy:BSO陶瓷的掺杂浓度为1at.％-3at.％时，增益介质的透射率有所提高。
对比实施例1、2、3、4、9，增益介质为Dy:BSO单晶或Dy:BSO陶瓷，无需非线性频率转换，一步式输出黄光激光的稳定性提高。
对比实施例1、2、10、11，泵浦光是447nm蓝光或457nm蓝光或284nm的紫外光，均可实现黄光激光输出。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (10)

1.一种医用全固态黄光激光器，其特征在于，包括：
泵浦源***，其包括依次连接的半导体激光器和聚焦耦合透镜***；
谐振腔，其呈直线腔，位于所述聚焦耦合透镜***的输出端；所述谐振腔包括依次放置的输入镜、增益介质、黄光输出镜、滤光片；
其中，所述增益介质是Dy:BSO；
所述半导体激光器发出的泵浦光被所述聚焦耦合透镜***聚焦在位于所述谐振腔里的所述增益介质；
所述增益介质吸收泵浦光，在所述谐振腔产生振荡，激发出黄光激光，依次经过黄光输出镜和滤光片，输出黄光激光。
2.如权利要求1所述的医用全固态黄光激光器，其特征在于，
所述半导体激光器发出的泵浦光是447nm蓝光或457nm蓝光或284nm的紫外光。
3.如权利要求1所述的医用全固态黄光激光器，其特征在于，所述增益介质的前端面镀有第一膜系，所述增益介质的后端面镀有第二膜系；
所述第一膜系包括对泵浦光高透的第一膜和对黄光抗反的第二膜；
所述第二膜系包括对黄光高透的第三膜和对泵浦光高反的第四膜。
4.如权利要求1所述的医用全固态黄光激光器，其特征在于，
所述增益介质为Dy:BSO单晶。
5.如权利要求1所述的医用全固态黄光激光器，其特征在于，
所述增益介质为Dy:BSO陶瓷。
6.如权利要求1所述的医用全固态黄光激光器，其特征在于，
所述增益介质中，硅酸铋的掺镝浓度为0.5at.％-5at.％。
7.如权利要求1所述的医用全固态黄光激光器，其特征在于，所述黄光输出镜的曲率半径为50mm-100mm。
8.如权利要求1-7中任一项所述的医用全固态黄光激光器，其特征在于，还包括对所述增益介质散热的制冷装置，所述制冷装置包括：
紫铜散热器，其包裹在所述增益介质的侧面；
半导体制冷器，其连接到所述紫铜散热器的底部；
散热片，其连接到所述制冷器的底部。
9.如权利要求1-7中任一项所述的医用全固态黄光激光器，其特征在于，还包括用于输出稳定单频黄光的法布里-珀罗(F-P)标准具，所述法布里-珀罗(F-P)标准具位于所述增益介质和所述黄光输出镜之间。
10.如权利要求1-7中任一项所述的医用全固态黄光激光器，其特征在于，
所述聚焦耦合透镜***包括依次位于所述半导体激光器和所述输入镜之间的准直镜和聚焦镜。
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