CN113206428A - 一种基于功能复合晶体级联变频的新型近中红外激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于功能复合晶体级联变频的新型近中红外激光器，包括光路上依次设置的带耦合***的泵浦源、基频光全反镜片、三段键合功能复合晶体、Q开关、光参量振荡腔全反镜片、KTA晶体和输出镜片，所述带耦合***的泵浦源、基频光全反镜片、三段键合功能复合晶体、Q开关、光参量振荡腔全反镜片、KTA晶体和输出镜片的轴向中心线重合，所述基频光全反镜片与输出镜片之间构成一个基频光谐振腔，所述光参量振荡腔全反镜片与输出镜片之间构成一个光参量振荡腔。上述技术方案，结构设计合理、结构简单、激光转换效率高、实现高效1.7微米波段激光输出且实用性好。

Description

一种基于功能复合晶体级联变频的新型近中红外激光器
技术领域
本发明涉及激光器技术领域，具体涉及一种基于功能复合晶体级联变频的新型近中红外激光器。
背景技术
1.7微米区域的光源可以减少生物组织的散射和吸收，在生物成像中提高成像深度；C-H键在1.7微米附近有强吸收峰，可用于皮脂腺激光手术和一些高密度聚合物的焊接。可以说，1.7微米波段在生物光子学、激光医疗、光谱技术、中红外激光产生等领域具有重要应用，极具研究价值。然而，1.7微米波段难于通过普通固体激光器直接实现，目前，通过普通频率变换的激光输出功率较低，实用性差。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种结构设计合理、结构简单、激光转换效率高、实现高效1.7微米波段激光输出且实用性好的基于功能复合晶体级联变频的新型近中红外激光器。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种基于功能复合晶体级联变频的新型1.7微米波段激光器，包括光路上依次设置的带耦合***的泵浦源、基频光全反镜片、三段键合功能复合晶体、Q开关、光参量振荡腔全反镜片、KTA晶体和输出镜片，所述带耦合***的泵浦源、基频光全反镜片、三段键合功能复合晶体、Q开关、光参量振荡腔全反镜片、KTA晶体和输出镜片的轴向中心线重合，所述基频光全反镜片与输出镜片之间构成一个基频光谐振腔，所述光参量振荡腔全反镜片与输出镜片之间构成一个光参量振荡腔。
本发明进一步设置为：所述三段键合功能复合晶体是三段式键合的YVO4/Nd:YVO4/YVO4晶体，中间的Nd:YVO4为自拉曼晶体，Nd:YVO4晶体两端键合YVO4晶体。
本发明还进一步设置为：所述KTA晶体为非临界相位匹配切割KTA晶体。
本发明还进一步设置为：所述Q开关包括声光Q开光、电光Q开关和被动调Q晶体。
本发明还进一步设置为：所述带耦合***的泵浦源为输出波长为808纳米或者880纳米的半导体激光器。
本发明还进一步设置为：所述基频光全反镜片对808纳米或者880纳米波段激光增透，同时对1.06和1.18微米波段激光高反射。
本发明还进一步设置为：所述光参量振荡腔全反镜片对1.06微米和1.18微米波段激光增透，同时对1.7微米波段激光高反射。
本发明还进一步设置为：所述输出镜片对1.06微米和1.18微米波段激光高反射，同时对1.7微米波段部分透过，用于输出1.7微米波段激光，同时对1.5微米波段激光高透射，透过率大于50％，用于抑制1.06微米作为基频光驱动KTA光参量振荡产生的1.5微米波段的激光。
本发明还进一步设置为：由带耦合***的泵浦源抽运三段键合功能复合晶体产生1.06微米波段的荧光，在由基频光全反镜片和输出腔镜组成的基频光谐振腔内形成振荡激光，并通过Q开光调制，使得振荡激光具有较强的峰值功率，再通过三段键合功能复合晶体自拉曼产生1.18微米激光经过KTA晶体时通过参量振荡产生1.7微米波段的激光，并且1.7微米波段的激光在光参量振荡腔全反镜片和输出镜片组成的光参量振荡腔内振荡加强并部分输出。
本发明的优点是：与现有技术相比，本发明结构设置更加合理，利用三段键合功能复合晶体相对普通的自拉曼晶体可大幅改善热效应，并增加拉曼增益介质长度，有效提高了拉曼激光转换效率，为近一步与KTA光参量振荡级联的变频技术提供了可能，而且KTA光参量振荡采用非临界相位匹配技术，具有没有走离效应、可以通过增加晶体的有效长度来获得很高的光参量振荡转化效率等优点。结构设计合理、结构简单、激光转换效率高、实现高效1.7微米波段激光输出且实用性好。
下面结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
附图说明
图1为本发明实施例的结构示意图；
图2为本发明实施例的镜片透过率曲线示意图；
图3为本发明实施例的YVO4/Nd:YVO4/YVO4自拉曼KTA-OPO激光实验谱线图；
图4为本发明实施例的激光输出波长示意图。
具体实施方式
在本实施例的描述中，需要说明的是，如出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”、“前”、“后”等，其所指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此，不能理解为对本发明的限制。此外，如出现术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
参见图1、图2、图3和图4，本发明公开的一种基于功能复合晶体级联变频的新型近中红外激光器，包括光路上依次设置的带耦合***的泵浦源7、基频光全反镜片1、三段键合功能复合晶体2、Q开关6、光参量振荡腔全反镜片3、KTA晶体4和输出镜片5，所述带耦合***的泵浦源7、基频光全反镜片1、三段键合功能复合晶体2、Q开关6、光参量振荡腔全反镜片3、KTA晶体4和输出镜片5的轴向中心线重合，所述基频光全反镜片1与输出镜片5之间构成一个基频光谐振腔，所述光参量振荡腔全反镜片3与输出镜片5之间构成一个光参量振荡腔。
所述三段键合功能复合晶体2是三段式键合的YVO4/Nd:YVO4/YVO4晶体，中间的Nd:YVO4为自拉曼晶体，Nd:YVO4晶体两端键合YVO4晶体。
作为优选的，三段键合功能复合晶体2的设计从改善拉曼激光热效应出发，综合考虑激光性能和提高拉曼变频性能，决定了最后激光输出的效率。在该三段键合功能复合晶体时，中间的Nd:YVO4为自拉曼晶体，主要根据其激光性能来设计；Nd:YVO4晶体的泵浦输入端键合一段未掺杂的YVO4晶体以改善热效应为主进行设计；Nd:YVO4晶体的另一端键合一段较长的未掺杂晶体，作为拉曼增益介质以提高拉曼变频效率。Nd:YVO4晶体两端键合的YVO4晶体不但可通过热传导帮助Nd:YVO4晶体散热，改善拉曼器件的热效应，而且可与Nd:YVO4晶体一起作为拉曼增益介质，增长了拉曼介质的作用长度，有效提高拉曼变频效率和输出功率，从而降低激光阈值。而且晶体变长后，与冷却的热沉相互接触面积增大，提高了晶体的冷却效果。热透镜效应的改善，又可降低对基频和拉曼光的衍射损耗，改善激光光束质量。三段不同功能晶体通过扩散键合技术实现复合：首先将三段晶体端面经过精密抛光处理后贴在一起形成光胶，然后再对晶体进行热处理，实现界面分子相互扩散、融合，最终形成稳定化学键，达到真正意义上的结合为一体。所以该***的基频光为1.06微米波段激光，由Nd:YVO4晶体决定，拉曼产生的一阶斯托克斯光为1.18微米波段激光。
根据平时Nd:YVO4晶体的激光性能特性，我们选择掺杂Nd3+浓度0.3％，尺寸为3×3×10mm3的a切Nd:YVO4晶体；在其泵浦输入端键合一段尺寸为3×3×3mm3的a切纯YVO4晶帽，因为要保证泵浦光的束腰位置落在Nd:YVO4晶体上，所以该晶帽尺寸不能过长；在另一端键合一段尺寸为3×3×17mm3的a切纯YVO4长晶体，该段晶体主要为了增加拉曼介质的相互作用长度，所以尽量选取较长的晶体。Nd:YVO4晶体两端键合的纯的YVO4晶体不但可通过热传导帮助Nd:YVO4晶体散热，改善自拉曼***的热效应，而且可与Nd:YVO4晶体一起作为拉曼增益介质，使得拉曼介质的作用长度达30mm，有效提高拉曼转换效率和输出功率。
所述KTA晶体4为非临界相位匹配切割KTA晶体。
作为优选的，KTA晶体4为按其相位匹配角(θ＝90°，φ＝0°)的非临界相位匹配切割KTA晶体(即沿其晶轴X轴方向)，长度20到30mm。对在本实施例激光器***中由其光参量振荡产生的信号光波长在1.7微米波段。
所述Q开关6包括声光Q开光、电光Q开关和被动调Q晶体。
所述带耦合***的泵浦源7为输出波长为808纳米或者880纳米的半导体激光器。
所述基频光全反镜片1对808纳米或者880纳米(具体同采用的泵浦源输出激光波长)波段激光增透，同时对1.06和1.18微米波段激光高反射。
所述光参量振荡腔全反镜片3对1.06微米和1.18微米波段激光增透同时对1.7微米波段激光高反射。
所述输出镜片5对1.06微米和1.18微米波段激光高反射，同时对1.7微米波段部分透过，用于输出1.7微米波段激光，同时对1.5微米波段激光高透射，透过率大于50％，用于抑制1.06微米作为基频光驱动KTA光参量振荡产生的1.5微米波段的激光。
工作过程：由带耦合***的泵浦源7抽运三段键合功能复合晶体2产生1.06微米波段的荧光，在由基频光全反镜片1和输出腔镜5组成的基频光谐振腔内形成振荡激光，并通过Q开光6调制，使得振荡激光具有较强的峰值功率，再通过三段键合功能复合晶体2自拉曼产生1.18微米激光经过KTA晶体4时通过参量振荡产生1.7微米波段的激光，并且1.7微米波段的激光在光参量振荡腔全反镜片3和输出镜片5组成的光参量振荡腔内振荡加强并部分输出。
本实施例利用三段键合功能复合晶体2相对普通的自拉曼晶体可大幅改善热效应，并增加拉曼增益介质长度，有效提高了拉曼激光转换效率，为近一步与KTA光参量振荡级联的变频技术提供了可能，而且KTA光参量振荡采用非临界相位匹配技术，具有没有走离效应、可以通过增加晶体的有效长度来获得很高的光参量振荡转化效率等优点。
本实施例最关键的光参量振荡腔全反镜片3和输出镜片5镀制了如图2所示镜片透过率参数，图中M2对应光参量振荡腔全反镜片3的镀膜透过率曲线，M1对应输出镜片5的镀膜透过率曲线。
按以上要求搭建***后，测量到的激光输出波长，中心波长在1742nm。在15W的入射抽运功率和90kHz声光调Q重复频率下，获得了最大输出功率2.1W、脉宽10.8ns的1.7微米信号光输出，转换率达14％。
本发明结构设计合理、结构简单、激光转换效率高、利用三段键合YVO4/Nd:YVO4/YVO4功能复合晶体与KTA光参量振荡级联，发挥复合功能晶体的高效拉曼转换效率，实现高效的1.7微米波段激光输出，且实用性好。
上述实施例对本发明的具体描述，只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限定，本领域的技术工程师根据上述发明的内容对本发明作出一些非本质的改进和调整均落入本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于功能复合晶体级联变频的新型近中红外激光器，其特征在于：包括光路上依次设置的带耦合***的泵浦源、基频光全反镜片、三段键合功能复合晶体、Q开关、光参量振荡腔全反镜片、KTA晶体和输出镜片，所述带耦合***的泵浦源、基频光全反镜片、三段键合功能复合晶体、Q开关、光参量振荡腔全反镜片、KTA晶体和输出镜片的轴向中心线重合，所述基频光全反镜片与输出镜片之间构成一个基频光谐振腔，所述光参量振荡腔全反镜片与输出镜片之间构成一个光参量振荡腔。
2.根据权利要求1所述的一种基于功能复合晶体级联变频的新型近中红外激光器，其特征在于：所述三段键合功能复合晶体是三段式键合的YVO4/Nd:YVO4/YVO4晶体，中间的Nd:YVO4为自拉曼晶体，Nd:YVO4晶体两端键合YVO4晶体。
3.根据权利要求2所述的一种基于功能复合晶体级联变频的新型近中红外激光器，其特征在于：所述KTA晶体为非临界相位匹配切割KTA晶体。
4.根据权利要求3所述的一种基于功能复合晶体级联变频的新型近中红外激光器，其特征在于：所述Q开关包括声光Q开光、电光Q开关和被动调Q晶体。
5.根据权利要求4所述的一种基于功能复合晶体级联变频的新型1.7微米波段激光器，其特征在于：所述带耦合***的泵浦源为输出波长为808纳米或者880纳米的半导体激光器。
6.根据权利要求5所述的一种基于功能复合晶体级联变频的新型近中红外激光器，其特征在于：所述基频光全反镜片对808纳米或者880纳米波段激光增透，同时对1.06和1.18微米波段激光高反射。
7.根据权利要求6所述的一种基于功能复合晶体级联变频的新型近中红外激光器，其特征在于：所述光参量振荡腔全反镜片对1.06微米和1.18微米波段激光增透，同时对1.7微米波段激光高反射。
8.根据权利要求7所述的一种基于功能复合晶体级联变频的新型近中红外激光器，其特征在于：所述输出镜片对1.06微米和1.18微米波段激光高反射，同时对1.7微米波段部分透过，用于输出1.7微米波段激光，同时对1.5微米波段激光高透射，透过率大于50％，用于抑制1.06微米作为基频光驱动KTA光参量振荡产生的1.5微米波段的激光。
9.根据权利要求1所述的一种基于功能复合晶体级联变频的新型近中红外激光器，其特征在于：由带耦合***的泵浦源(7)抽运三段键合功能复合晶体(2)产生1.06微米波段的荧光，在由基频光全反镜片(1)和输出腔镜(5)组成的基频光谐振腔内形成振荡激光，并通过Q开光(6)调制，使得振荡激光具有较强的峰值功率，再通过三段键合功能复合晶体(2)自拉曼产生1.18微米激光经过KTA晶体(4)时通过参量振荡产生1.7微米波段的激光，并且1.7微米波段的激光在光参量振荡腔全反镜片(3)和输出镜片(5)组成的光参量振荡腔内振荡加强并部分输出。
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