CN117977352A - 一种529nm和533nm双波长连续激光器及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种529nm和533nm双波长连续激光器及方法，其属于半导体泵浦全固态激光器领域，其技术要点在于：包括：半导体泵浦激光器、光学聚焦***、谐振腔、双波长激光增益介质、倍频器件；其中，双波长激光增益介质设置在所述谐振腔内；其中，所述双波长激光增益介质为沿z轴光学主轴方向切割的掺钕硅酸钙铊镓晶体。通过调控基频双波长的发射截面竞争，产生同步振荡的基频双波长相干光输出，并通过倍频晶体产生二次谐波，获得可见光波段的529nm和533nm双波长连续激光输出。
Description
技术领域
本发明涉及半导体泵浦全固态激光器领域，更具体地说，尤其涉及一种529nm和533nm双波长连续激光器及方法。
背景技术
在大气遥感探测领域，差分吸收激光雷达技术(DIAL)是检测二氧化氮气体浓度和时空分布的重要手段。其原理是向大气中发射不波长不同的两束激光，利用二氧化氮气体成分对不同波长激光的吸收差值，推算气体的浓度和时空分布，具有空间分辨率高、探测灵敏度高、测量范围大的优点。
在250-600nm的可见光波段内，二氧化氮气体对光的吸收截面较大，且具有多峰值吸收的特点，易形成双波长吸收差，且在这个范围内，其他气体，如臭氧，二氧化硫等，对光的吸收作用非常微弱，对二氧化氮气体浓度测量影响较小。
因此，在250-600nm内建立双波长激光发射，寻找双波长同步振荡激光器，是利用差分吸收激光雷达检测二氧化氮浓度的关键任务。
对于此问题，有以下两种解决方案。
一类方案是可见光双波长直接激发，利用Nd:YAG激光器泵浦染料激光器或两台光参量放大器，生成双广场激光激发，或者生成770nm和774nm双波长激光，再与Nd:YAG激光器基频光进行和频，获得448nm和446nm双波长激光输出。但是这类方法需要的染料激光器转换效率低、需要频繁更换燃料，且***复杂。
另一类方法是用LD端面泵浦的固体激光器，在近红外波段生成双波长激光发射，再通过简单的倍频方式将频率转换到可见光波段，这类方法结构简单，不需要复杂的谐振腔，但是需要找到合适的增益介质，需要在近红外波段具有相近的双受激辐射峰，且可以通过控制晶体切向和泵浦功率控制双波长组分的强度比。
综上所述，250-600nm内建立双波长激光发射的研究仍然不充分，有待改进。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种529nm和533nm双波长连续激光器。
本发明的另一目的在于提供一种获得529nm和533nm双波长连续激光输出的方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种529nm和533nm双波长连续激光器，包括：半导体泵浦激光器(1)、光学聚焦***(3)、谐振腔、双波长激光增益介质(5)、倍频器件(6)；
其中，双波长激光增益介质(5)设置在所述谐振腔内；
其中，按照光路的前进方向：半导体泵浦激光器(1)、光学聚焦***(3)、谐振腔以及双波长激光增益介质(5)构成的整体结构、倍频器件(6)依次设置；
其中，所述双波长激光增益介质为沿z轴光学主轴方向切割的掺钕硅酸钙铊镓晶体。
进一步，所述硅酸钙铊镓晶体属于三方晶系、32点群、各向异性晶体，钕离子掺杂浓度为0.5at.％。
进一步，所述谐振腔包括：谐振腔输入端面镀膜镜片(4)、谐振腔输出端面镀膜镜片(6)；双波长激光增益介质(5)设置在所述谐振腔输入端面镀膜镜片(4)与所述谐振腔输出端面镀膜镜片(6)之间。
进一步，双波长激光增益介质(5)的两个通光端面表面镀膜形成谐振腔。
进一步，谐振腔输入端面镀膜镜片(4)为镀介质膜的平面镜，镀膜情况为：对抽运光波长808nm具有高透过率，透过率大于99％，对基频波长1058nm和1066nm具有高反射率，反射率大于99％，对倍频光波长529nm和533nm具有高反射率，反射率大于99％；
谐振腔输出端面镀膜镜片(6)为镀介质膜的平面镜，镀膜情况为：对抽运光波长808nm具有高透过率，透过率大于99％，对基频波长1058nm和1066nm具有高反射率，反射率大于99％，对倍频光波长529nm和533nm高透过，透过率大于99％。
进一步，倍频器件(7)为具有一类相位匹配的非线性光学晶体。
进一步，所述非线性晶体是本征晶体，其为磷酸钛氧钾(KTP)或磷酸二氢钾(KDP)或偏硼酸钡(BBO)或三硼酸锂(LBO)中的任意一种，能够同时实现对1058nm和1066nm的一类相位匹配。
本发明的有益效果是：
(1)本发明的第一个发明点在于：提出了一种具有高相干性的用于太赫兹波产生源的半导体端面泵浦529nm和533nm双波长连续激光器。其工作为连续运转模式，其选取钕离子掺杂的硅酸钙铊镓晶体作为增益介质，通过选取z轴光学主轴作为切割轴，调控基频1058nm和1065nm波长光的受激发射截面，并控制其在谐振腔内的振荡竞争，形成两个不同波长的纵模在激光谐振腔内同时振荡并激射，产生基频双波长连续激光输出，再采用一个一类相位匹配的倍频器件(一般是具有非线性效应的光学晶体)，在腔内或者腔外对基频双波长进行倍频，形成二次谐波振荡，最终获得529nm和533nm双波长连续激光输出。
(2)本发明的第二个发明点在于：采用半导体端面泵浦掺钕硅酸钙铊镓晶体，钕离子掺杂浓度为0.5at.％，硅酸钙铊镓晶体(CTGS)属于三方晶系，32点群，是各向异性晶体，1微米波段的受激辐射截面强度随切割方向变化，且1058nm和1065nm两个波长组分在不同方向上的强度分布是不同的。选取光学主轴Z轴方向切割[001]，Z轴与晶体学主轴c轴重合，该方向同时满足两个条件：1微米波段的受激发射截面最大，1058nm和1065nm两个波长的受激发射截面同时存在且强度相当。通过调控基频双波长的发射截面竞争，产生同步振荡的基频双波长相干光输出。然后通过倍频晶体产生二次谐波，获得可见光波段的529nm和533nm双波长连续激光输出。输出的双波长功率比值取决于泵浦光的输入功率。同时有效的提高泵浦光能量的利用率，通过谐振腔的合理设计实现良好的腔模匹配，从而获得高光束质量的激光输出。
(3)本发明的第三个发明点在于：采用调控泵浦激光功率的方法，调控输出的基频光谱中1058nm和1065nm两个波长组分的强度占比，1065nm波长组分的泵浦功率阈值为0.5W,1058nm波长组分的泵浦功率阈值为4.2W(此处需要说明的是：半导体泵浦激光器的数量是1个，在高泵浦时，一束光内同时有两个波长成分)，进而调控529nm和533nm双波长激光组分强度比。
附图说明
下面结合附图中的实施例对本发明作进一步的详细说明，但并不构成对本发明的任何限制。
图1是本发明双波长激光器的结构示意图。
图2是本发明双波长激光器中529nm和533nm同时输出的光谱图。
附图标记说明如下：
1-半导体泵浦激光器；2-光纤耦合器；3-光学聚焦***；4-谐振腔输入端面镀膜镜片；5-双波长激光增益介质；6-谐振腔输出端面镀膜镜片；7-倍频器件。
具体实施方式
实施例1：一种半导体激光器端面泵浦的529nm和533nm双波长振荡连续激光器。
如图1所示，一种半导体激光器端面泵浦的529nm和533nm双波长振荡连续激光器，按照光的前进方向顺序包括：半导体泵浦激光器1、光纤耦合器2、光学聚焦***3、谐振腔输入端面镀膜镜片4、双波长激光增益介质5、谐振腔输出端面镀膜镜片6、倍频器件7；
其中，所述半导体泵浦激光器1是光纤耦合输出的半导体激光器，泵浦方式为端面泵浦；其波长在808nm的激光器；所述半导体泵浦激光器1是脉冲式的或者连续式的，其偏振态是线偏振的或者随机偏振的。
其中，光纤耦合器2用于耦合泵浦激光器的输出激光，并以固定的发散角输出，进入光学聚焦***3内。
其中，光学聚焦***3用于将具有发散角的激光进行聚焦，使得泵浦激光的束腰聚焦在在增益介质5位置。
其中，谐振腔输入端面镀膜镜片4为镀介质膜的平面镜，镀膜情况为：对抽运光波长808nm具有高透过率，透过率大于99％，对基频波长1058nm和1066nm具有高反射率，反射率大于99％，对倍频光波长529nm和533nm具有高反射率，反射率大于99％；
其中，双波长激光增益介质5是沿z轴光学主轴方向切割的稀土钕离子掺杂的硅酸钙铊镓晶体(Nd:CTGS)，其受激发射光谱在1058nm和1066nm两波长处均存在强发射峰，且两者的受激发射截面大小相当；双波长激光增益介质5的晶体前后通光面镀以增透介质膜，对中心波长为532nm的可见光波段和中心波长为1064nm的近红外波段具有高透过率，透过率大于99％；
其中，谐振腔输出端面镀膜镜片6为镀介质膜的平面镜，镀膜情况为：对抽运光波长808nm具有高透过率，透过率大于99％，对基频波长1058nm和1066nm具有高反射率，反射率大于99％，对倍频光波长529nm和533nm高透过，透过率大于99％；
其中，倍频器件7为具有一类相位匹配的非线性光学晶体，通光端面抛光未镀膜。所述倍频器件7所用的非线性晶体是本征晶体，如磷酸钛氧钾(KTP)，磷酸二氢钾(KDP)，偏硼酸钡(BBO)，三硼酸锂(LBO)中的一种，可以同时实现对1058nm和1066nm的一类相位匹配。
工作方法：
a.所述半导体泵浦激光器1产生泵浦激光光束；
b.然后，泵浦激光光束通过光纤耦合器2进行光纤耦合输出，耦合后的激光光束经过光学聚焦***3进行光学聚焦，使得激光光束的束腰聚焦在增益介质5位置处；
c.聚焦后的激光通过谐振腔，在一个谐振腔内实现两个不同波长的1058nm和1066nm基频双波长激光同时振荡；具体而言，谐振腔包括有：谐振腔输入端面镀膜镜片4、谐振腔输出端面镀膜镜片6，两个镜片内外表面镀以不同透过率的介质膜，对腔内激光进行模式选择，形成驻波，双波长激光增益介质放置在谐振腔输入端面镀膜镜片4、谐振腔输出端面镀膜镜片6之间，通过吸收特定的泵浦光激光波长及腔镜损耗调节，形成稳定高光束质量的1076nm、1079nm双波长基频激光振荡，并通过调节泵浦光激光功率，调节两波长成分的强度比值；
d.通过倍频器件将近红外波段光转换到可见光波段，实现529nm和533nm双波长同时输出，即步骤c产生的双波长激光进入一个具有非线性效应的光学晶体，对1058nm和1066nm波长具有一类相位匹配，获得倍频529nm和533nm双波长连续激光输出；
所述半导体激光器泵浦源设置在光学聚焦***之前，经过光束整形***之后的泵浦光与谐振腔内的激发激光满足模式匹配进入谐振腔。
需要说明的是：上述输入镜以及输出镜作为谐振腔端面镜，其曲率半径及镀膜情况可以根需求更改，在一些特殊场合，可以采用多个镜片组成的长谐振腔，如三镜片的V型腔、四镜片的M型腔等折叠腔结构；也可以直接在双波长激光增益介质5的两个通光端面表面镀膜，形成谐振腔，则此时不需要输入镜和输出镜。
以上所举实施例为本发明的较佳实施方式，仅用来方便说明本发明，并非对本发明作任何形式上的限制，任何所属技术领域中具有通常知识者，若在不脱离本发明所提技术特征的范围内，利用本发明所揭示技术内容所作出局部更改或修饰的等效实施例，并且未脱离本发明的技术特征内容，均仍属于本发明技术特征的范围内。
Claims (10)
1.一种529nm和533nm双波长连续激光器，其特征在于，包括：半导体泵浦激光器(1)、光学聚焦***(3)、谐振腔、双波长激光增益介质(5)、倍频器件(6)；
其中，双波长激光增益介质(5)设置在所述谐振腔内；
其中，按照光路的前进方向：半导体泵浦激光器(1)、光学聚焦***(3)、谐振腔以及双波长激光增益介质(5)构成的整体结构、倍频器件(6)依次设置；
其中，所述双波长激光增益介质为沿z轴光学主轴方向切割的掺钕硅酸钙铊镓晶体。
2.根据权利要求1所述的一种529nm和533nm双波长连续激光器，其特征在于，所述硅酸钙铊镓晶体属于三方晶系、32点群、各向异性晶体，钕离子掺杂浓度为0.5at.％。
3.根据权利要求1所述的一种529nm和533nm双波长连续激光器，其特征在于，所述谐振腔包括：谐振腔输入端面镀膜镜片(4)、谐振腔输出端面镀膜镜片(6)；双波长激光增益介质(5)设置在所述谐振腔输入端面镀膜镜片(4)与所述谐振腔输出端面镀膜镜片(6)之间。
4.根据权利要求1所述的一种529nm和533nm双波长连续激光器，其特征在于，双波长激光增益介质(5)的两个通光端面表面镀膜形成谐振腔。
5.根据权利要求3所述的一种529nm和533nm双波长连续激光器，其特征在于，振腔输入端面镀膜镜片(4)为镀介质膜的平面镜，镀膜情况为：对抽运光波长808nm具有高透过率，透过率大于99％，对基频波长1058nm和1066nm具有高反射率，反射率大于99％，对倍频光波长529nm和533nm具有高反射率，反射率大于99％；
谐振腔输出端面镀膜镜片(6)为镀介质膜的平面镜，镀膜情况为：对抽运光波长808nm具有高透过率，透过率大于99％，对基频波长1058nm和1066nm具有高反射率，反射率大于99％，对倍频光波长529nm和533nm高透过，透过率大于99％。
6.根据权利要求1至5任意所述的一种529nm和533nm双波长连续激光器，其特征在于，倍频器件(7)为具有一类相位匹配的非线性光学晶体。
7.根据权利要求6所述的一种529nm和533nm双波长连续激光器，其特征在于，所述非线性晶体是本征晶体，其为磷酸钛氧钾(KTP)或磷酸二氢钾(KDP)或偏硼酸钡(BBO)或三硼酸锂(LBO)中的任意一种，能够同时实现对1058nm和1066nm的一类相位匹配。
8.一种获得529nm和533nm双波长连续激光输出的方法，其特征在于，采用如权利要求1所述的529nm和533nm双波长连续激光器来输出529nm和533nm双波长连续激光；
选取z轴光学主轴作为切割轴，调控基频1058nm和1065nm波长光的受激发射截面，并控制其在谐振腔内的振荡竞争，形成两个不同波长的纵模在激光谐振腔内同时振荡并激射，产生基频双波长连续激光输出，再通过一个一类相位匹配的倍频器件，在腔内或者腔外对基频双波长进行倍频，形成二次谐波振荡，最终获得529nm和533nm双波长连续激光输出。
9.一种获得529nm和533nm双波长连续激光输出的方法，其特征在于，采用如权利要求3所述的529nm和533nm双波长连续激光器来输出529nm和533nm双波长连续激光；
包括如下步骤：
a.所述半导体泵浦激光器产生泵浦激光光束；
b.泵浦激光光束通过光纤耦合器进行光纤耦合输出，耦合后的激光光束经过光学聚焦***进行光学聚焦，使得激光光束的束腰聚焦在增益介质位置处；
c.聚焦后的激光通过谐振腔，在一个谐振腔内实现两个不同波长的1058nm和1066nm基频双波长激光同时振荡；两个镜片内外表面镀以不同透过率的介质膜，对腔内激光进行模式选择，形成驻波，双波长激光增益介质放置在谐振腔输入端面镀膜镜片、谐振腔输出端面镀膜镜片之间，通过吸收特定的泵浦光激光波长及腔镜损耗调节，形成稳定高光束质量的1076nm、1079nm双波长基频激光振荡，并通过调节泵浦光激光功率，调节两波长成分的强度比值；
d.通过倍频器件将近红外波段光转换到可见光波段，实现529nm和533nm双波长同时输出，即步骤c产生的双波长激光进入一个具有非线性效应的光学晶体，对1058nm和1066nm波长具有一类相位匹配，获得倍频529nm和533nm双波长连续激光输出。
10.根据权利要求9所述的一种获得529nm和533nm双波长连续激光输出的方法，其特征在于：
步骤c中，采用调控泵浦激光功率的方法是：调控输出的基频光谱中1058nm和1065nm两个波长组分的强度占比；进而调控529nm和533nm双波长激光组分强度比，其中，1065nm波长组分的泵浦功率阈值为0.5W,1058nm波长组分的泵浦功率阈值为4.2W。
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| CN202410140513.6A CN117977352A (zh) | 2024-01-31 | 2024-01-31 | 一种529nm和533nm双波长连续激光器及方法 |
Publications (1)
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| CN117977352A true CN117977352A (zh) | 2024-05-03 |
Family
ID=90845596
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202410140513.6A Pending CN117977352A (zh) | 2024-01-31 | 2024-01-31 | 一种529nm和533nm双波长连续激光器及方法 |
Country Status (1)
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| CN (1) | CN117977352A (zh) |
-
2024
- 2024-01-31 CN CN202410140513.6A patent/CN117977352A/zh active Pending
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