基于掺铥离子晶体的全固态蓝绿光激光器的制作方法

1.本发明涉及激光器，特别是一种基于掺铥离子晶体的全固态蓝绿光激光器。


背景技术：

2.462～525nm波段的蓝绿光激光处于海水的低损耗窗口，在水下探测、传输、传感和通信等方面具有重要的应用。特别是其中位于486.1nm波长处的蓝光由于氢原子的吸收而形成了太阳辐射光谱中的夫琅禾费暗线，利用此波长进行激光传输或通讯可有效规避环境噪声，提高信噪比。蓝光激光以其波长短、光斑小等优点可以显著提升光存储中的信息容量，成为了高密度光存储研究中的热点方向。此外蓝绿激光也对应于含氧血红蛋白的吸收波段，在激光血管内照射治疗仪方面也有重要的应用前景。目前现有技术主要利用半导体技术和非线性光学效应来获得蓝绿光激光，比如利用钕离子波长间的和频获得(laser physics,21,2011)，掺铥晶体上转换获得(cn109873292a)，掺铥光纤四倍频获得(cn103311782a)。但是现有技术获得的蓝绿光激光往往存在效率不高、系统复杂等不足，难以满足现代信息社会对高效率、高集成蓝绿光激光器的要求。因此，亟需一种能够获得高效率、高功率、高集成蓝绿光激光器的方法来满足高效率水下信息传递、地貌探测光存储及医疗等方面的需求。
3.铥离子能级3f
4-3
h6的跃迁可以发射2μm附近的激光，再结合非线性光学晶体ppln、lbo、ktp等可以获得蓝绿光激光的输出。目前掺铥晶体已经在2μm波段获得了百瓦级的输出功率(appl phys b(2009)94:195
–
198，laser phys.29(2019)115004(4pp))，再利用倍频技术，可以获得较高转换效率、较高输出功率的蓝绿光激光。相比于掺铥光纤，掺铥晶体品种丰富，中红外发射波长多样，有利于实现倍频后多种波长的蓝绿光激光发射。同光纤相比，掺铥晶体的发射光谱较宽，有利于实现激光输出波长的可调谐以及产生超快激光。此外，晶体还具有优良的热性能与损伤阈值，高功率泵浦下具有较弱的非线性效应，在产生大能量、短脉冲、高峰值功率激光方面具有显著优势。


技术实现要素：

4.针对现有技术的不足，本发明提供一种基于掺铥离子晶体的全固态蓝绿光激光器，利用掺铥离子的晶体获得1.85～2.1μm附近的中红外基频光，再利用非线性倍频技术获得462.5～525nm左右蓝绿光激光输出，具有波长可调谐、结构简单、输出功率高、转换效率高和稳定性高等优点。
5.本发明的技术解决方案如下：
6.一种基于掺铥离子晶体的全固态蓝绿光激光器，能够输出462.5～525nm蓝绿光激光，其特点在于：包括激发源、增益介质、非线性倍频晶体、腔镜系统和调谐元件，所述的腔镜系统包括平面镜、平凹腔镜和平凹后腔镜；
7.沿所述的激发源的激光输出方向依次是所述的平面镜、增益介质、调谐元件、平凹腔镜；与之前光路呈一定角度的，在所述的平凹腔镜的反射光路方向依次安置着所述的非
线性倍频晶体与平凹后腔镜；所述的平面镜、平凹腔镜与平凹后腔镜共同组成了折叠型的谐振腔；
8.所述的平面镜、平凹腔镜和平凹后腔镜分别对其工作波长进行了镀膜优化，所述的平面镜镀以1.85～2.1μm高反射和793nm高透过的介质膜；所述的平凹腔镜镀以1.85～2.1μm高反射、0.925～1.05μm高反射、793nm高反射和462.5～525nm高透过的介质膜；所述的平凹后腔镜镀以1.85～2.1μm高反射、0.925～1.05μm高反射和462.5～525nm高反射的介质膜。
9.所述的激发源为输出波长在793nm附近的激光二极管激光器；
10.所述的增益介质为掺铥离子晶体；
11.所述的非线性倍频晶体可以选取一级倍频晶体和二级倍频晶体组合的方式，或单一非线性晶体直接输出的方式；
12.当所述的非线性倍频晶体选择采用一级倍频晶体和二级倍频晶体组合的方式时，所述的一级倍频晶体选取自ktp、ppln或lbo晶体，所述的二级倍频晶体选取自ktp、lbo或bbo晶体；
13.当所述的非线性倍频晶体选择采用单一非线性晶体直接输出的方式时，所述的非线性倍频晶体为一具有多周期光学超晶格结构的周期极化铌酸锂晶体，在同一晶体中具有多种极化周期，能够实现在同一块晶体中完成激光的四倍频。
14.本发明基于掺铥离子晶体的全固态蓝绿光激光器，包括激发源、增益介质、非线性倍频晶体、腔镜系统和调谐元件，首先产生波长1.85～2.1μm附近的中红外激光输出，随后通过非线性倍频技术将其转换为波长462.5～525nm的蓝绿光激光输出。
15.所述的增益介质为掺铥离子晶体，选自铥掺杂氟化钇锂、氟化镥锂、氟化钆锂、氟化镧、氟化铅、licaalf6、lisralf6、钇铝石榴石、铝酸钇、铝酸钇钙、氧化钇、氧化镥、氧化钪等晶体。
16.所述的掺铥离子晶体在工作时根据具体使用需求，加工成通光方向1～30mm长的棒，通光面为圆柱形、矩形或其他形式。
17.在基频光激光腔内加入调谐元件，从而实现输出波长可调谐的蓝绿光激光。优选的，调谐元件可以从如下方案中选取：棱镜、光栅、双折射滤波片或法布里-珀罗标准具。
18.通过非线性倍频晶体将增益介质所输出的1.85～2.1μm激光转换为波长462.5～525nm的蓝绿光激光，根据非线性倍频晶体的选择，有如下两种优选的实施方法：
19.根据本发明，方法一为，分别选取两块非线性倍频晶体，通过一级倍频晶体将1.85～2.1μm基频激光先转换为0.925～1.05μm的一级倍频光，再通过二级倍频晶体将其转换为462.5～525nm蓝绿光激光。
20.在方法一中，一级倍频晶体选取ktp、ppln或lbo晶体，二级倍频晶体选取ktp、lbo或bbo晶体。
21.在方法一中，腔镜系统包括m1镜、m2镜和m3镜，并且对其工作波长进行了镀膜优化。m1镜镀以1.85～2.1μm高反射和793nm高透过的介质膜，m2镜镀以1.85～2.1μm高反射、0.925～1.05μm高反射、793nm高反射和462.5～525nm高透过的介质膜，m3镜镀以1.85～2.1μm高反射、0.925～1.05μm高反射和462.5～525nm高反射的介质膜。
22.在方法一中，激光器工作流程为：
23.[1]激发源发射的泵浦光经过m1镜入射到增益介质，产生1.85～2.1μm基频激光；
[0024]
[2]1.85～2.1μm基频激光经过m2镜反射入一级倍频晶体中，产生0.925～1.05μm一级倍频光；
[0025]
[3]0.925～1.05μm一级倍频光入射到二级倍频晶体中，从而产生462.5～525nm蓝绿光激光；
[0026]
[4]462.5～525nm蓝绿光激光经过m2镜的反射，经由m2镜输出。
[0027]
根据本发明，方法二为，选取单一的非线性倍频晶体，能够直接将增益介质所输出的1.85～2.1μm基频激光转换为波长462.5～525nm的蓝绿光激光。
[0028]
在方法二中，非线性倍频晶体为一具有多周期光学超晶格结构的周期极化铌酸锂晶体，在同一晶体中具有多种极化周期，能够实现在同一块晶体中完成激光的四倍频。
[0029]
在方法二中，腔镜系统包括m1镜、m2镜和m3镜，其镀膜优化与方法一中的相同。
[0030]
在方法二中，激光器工作流程为：
[0031]
[1]激发源发射的泵浦光经过m1镜入射到增益介质，产生1.85～2.1μm基频激光；
[0032]
[2]1.85～2.1μm激光通过m2镜反射入非线性倍频晶体中，产生462.5～525nm蓝绿光激光；
[0033]
[3]462.5～525nm蓝绿光在m2与m3组成的腔体中震荡后，最终激光经过m2镜输出。
[0034]
上述的基于掺铥离子晶体的全固态蓝绿光激光器，所述的制冷系统为水循环制冷、风冷或半导体制冷，能够有效排散激光器工作中产生的热量，保障正常工作。
[0035]
上述的基于掺铥离子晶体的全固态蓝绿光激光器，所述的控制系统为电流控制与稳定系统，能够保障泵浦激光器的输出功率稳定，进而提高蓝绿光激光器工作的稳定性。
[0036]
与现有的蓝绿光激光器相比，本发明的有益效果：
[0037]
1.掺铥晶体品种丰富，中红外发射波长多样，有利于实现倍频后多种波长的蓝绿光激光发射；
[0038]
2.掺铥晶体具有较宽的发射光谱，配合调谐元件可以实现激光的输出波长在一定范围内可调节；
[0039]
3.掺铥晶体具有优良的热性能与损伤阈值，在产生大能量、短脉冲、高峰值功率、高重频的激光上具有显著优势；
[0040]
4.晶体能够实现高浓度的铥离子掺杂，可以有效降低所使用的激光增益介质尺寸，有利于激光器的小型化应用。
附图说明
[0041]
图1为本发明基于掺铥离子晶体的全固态蓝绿光激光器实施例1的结构图
[0042]
图2为本发明基于掺铥离子晶体的全固态蓝绿光激光器实施例2的结构图
[0043]
图3为本发明基于掺铥离子晶体的全固态蓝绿光激光器实施例3的结构图。
具体实施方式
[0044]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清晰，以下结合附图及实施例具体说明本发明。此处实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0045]
实施例1
[0046]
使用掺铥氧化钪晶体作为增益介质，利用两块非线性倍频晶体倍频的500～525nm可调谐蓝绿光激光器。
[0047]
结构如图1所示，由激发源1，增益介质2、非线性倍频晶体3、腔镜系统、调谐元件m4、制冷系统、控制系统按照光路顺序组成。
[0048]
激发源1是发射波长为793nm的激光二极管。增益介质2为掺杂浓度为5at.％的tm:sc2o3晶体，沿着通光方向c向切割成3x3x5 mm的方形激光棒，端面抛光。非线性倍频晶体3分为一级倍频晶体31ktp和二级倍频晶体32lbo。
[0049]
激光腔体采用折叠腔设计，使用三个带有镀膜的腔镜。平面镜m1镀以2.0～2.1μm高反射和793nm高透过的介质膜，平凹腔镜m2镀以2.0～2.1μm高反射、1.0～1.05μm高反射、793nm高反射和500～525nm高透过的介质膜，平凹后腔镜m3镀以2.0～2.1μm高反射、1.0～1.05μm高反射和500～525nm高反射的介质膜。
[0050]
调谐元件m4采用石英双折射滤波片，以布儒斯特角插入在平凹腔镜m2镜之前，通过转动石英片角度即可实现基频光波长的调谐，进而实现最终输出的蓝绿激光波长的调谐。
[0051]
激发源、增益介质、非线性倍频晶体、腔镜与调谐元件校准后摆放在同一准直轴线上。激发源发射的泵浦光经过准直与聚焦后通过m1镜入射到增益介质，产生2.0～2.1μm基频激光，基频激光通过调谐元件m4即可实现波长的调谐。基频激光经过输出m2镜反射入一级倍频晶体中，产生1.0～1.05μm一级倍频光。一级倍频光入射到二级倍频晶体中，从而产生500～525nm蓝绿光激光。最终，500～525nm蓝绿光激光经过m3镜的反射，经由平凹腔镜m2输出。
[0052]
实施例2
[0053]
使用掺铥氟化镧晶体作为增益介质，利用一块具有多周期光学超晶格结构的周期极化铌酸锂晶体倍频的462.5～500nm可调谐蓝绿光激光器。
[0054]
结构如图2所示，由激发源1、增益介质2、非线性倍频晶体3、腔镜系统、调谐元件、制冷系统、控制系统按照光路顺序组成。
[0055]
激发源1是发射波长为793nm的激光二极管。增益介质2为掺杂浓度为4at.％的tm:laf3晶体，沿着通光方向c向切割成3x3x8 mm的方形激光棒，端面抛光。非线性倍频晶体为一经过特殊极化周期设计的铌酸锂晶体，在同一晶体中具有两种极化周期，能够实现在同一块晶体中完成对1.85～2.0μm激光的四倍频，从而输出蓝绿光激光。
[0056]
激光腔体采用折叠腔设计，使用三个带有镀膜的腔镜。平面镜m1镀以1.85～2.0μm高反射和793nm高透过的介质膜，平凹腔镜m2镀以1.85～2.0μm高反射、925～1000nm高反射、793nm高反射和462.5～500nm高透过的介质膜，平凹后腔镜m3镀以1.95～2.0μm高反射、925～1000nm高反射和462.5～500nm高反射的介质膜。
[0057]
调谐元件m4采用石英双折射滤波片，以布儒斯特角插入在m2镜之前，通过转动石英片角度即可实现基频光波长的调谐，进而实现最终输出的蓝绿激光波长的调谐。
[0058]
激发源、增益介质、非线性倍频晶体与腔镜校准后摆放在同一准直轴线上。激发源发射的泵浦光经过准直与聚焦后通过m1镜入射到增益介质，产生1.85～2.0μm基频激光。基频激光经过m2镜反射后入射非线性倍频晶体中，在周期极化铌酸锂晶体中进行频率变化，输出462.5～500nm蓝绿光激光。最终，462.5～500nm蓝绿光激光经过m3镜的反射，经由平凹腔镜m2输出。
[0059]
上述蓝绿光激光产生装置实施例1和2的激发源、增益介质和非线性倍频晶体均通过水循环系统进行有效制冷，排散工作过程中产生的热量。激发源通过控制系统调节电流和输出功率。
[0060]
实施例3
[0061]
使用掺铥铝酸钇钙晶体作为增益介质2，利用两块非线性倍频晶体倍频的486.1nm蓝光激光器。
[0062]
结构如图3所示，由激发源1、增益介质2、非线性倍频晶体3、腔镜系统、制冷系统、控制系统按照光路顺序组成。
[0063]
激发源1是发射波长为793nm的激光二极管。增益介质2为掺杂浓度为4at.％的tm:cayalo4晶体，沿着通光方向a向切割成3x3x6 mm的方形激光棒，端面抛光。非线性倍频晶体3分为一级倍频晶体31ppln和二级倍频晶体32lbo。
[0064]
激光腔体采用折叠腔设计，使用三个带有镀膜的腔镜。平面镜m1镀以1944.4nm高反射和793nm高透过的介质膜，平凹腔镜m2镀以1944.4nm高反射、972.2nm高反射、793nm高反射和486.1nm高透过的介质膜，平凹后腔镜m3镀以1944.4nm高反射、972.2nm高反射和486.1nm高反射的介质膜。
[0065]
激发源、增益介质、非线性倍频晶体、腔镜与调谐元件校准后摆放在同一准直轴线上。激发源发射的泵浦光经过准直与聚焦后通过m1镜入射到增益介质，产生1944.4nm基频激光。基频激光经过输出m2镜反射入一级倍频晶体中，产生972.2nm一级倍频光。一级倍频光入射到二级倍频晶体中，从而产生486.1nm蓝光激光。最终，486.1nm蓝光激光经过平凹后腔镜m3的反射，经由平凹腔镜m2输出。
[0066]
实验表明，本发明具有下列优点：
[0067]
1.掺铥晶体品种丰富，中红外发射波长多样，有利于实现倍频后多种波长的蓝绿光激光发射；
[0068]
2.掺铥晶体具有较宽的发射光谱，配合调谐元件可以实现激光的输出波长在一定范围内可调节；
[0069]
3.掺铥晶体具有优良的热性能与损伤阈值，在产生大能量、短脉冲、高峰值功率、高重频的激光上具有显著优势；
[0070]
4.晶体能够实现高浓度的铥离子掺杂，可以有效降低所使用的激光增益介质尺寸，有利于激光器的小型化应用。
[0071]
该激光器具有发射波长丰富、激光波长可调谐、输出功率高、稳定性高、结构简单和体积小等优点。