全固态组合式拉曼倍频黄光激光器.pdf

本发明提供一种结构紧凑的全固态组合式拉曼倍频黄光激光器，主要采用半导体激光器端面泵浦的直线腔或折叠腔结构，可实验连续或调Q黄光激光输出。主要特征在于在激光腔中放置拉曼组合晶体和非线性晶体。本发明由于采用了拉曼组合晶体克服了现有固体拉曼激光器中激光增益介质和拉曼增益介质分离的缺点，有效降低了激光介质热效应，提高了输出黄光激光的光束质量及系统的稳定性。

1.  一种全固态组合式拉曼倍频黄光激光器，包括半导体激光器端面泵浦系统，直线型或折叠型的激光腔，其特征在于：所述的激光腔内同时放置拉曼组合晶体和非线性光学晶体，由拉曼组合晶体在激光腔内产生基频光并变频为拉曼激光，再通过非线性光学晶体倍频产生黄光激光，该拉曼组合晶体由未掺杂的具有拉曼效应的基质晶体和以此基质晶体掺Nd³⁺形成的激光增益介质键合或光胶形成。

2.  按权利要求1所述的组合式全固态拉曼激光器，其特征在于：所述的拉曼组合晶体为在所述激光增益介质前端和后端键合或光胶未掺杂的具有拉曼效应的基质晶体。

3.  按权利要求1所述的组合式全固态拉曼激光器，其特征在于：所述的拉曼组合晶体为在所述激光增益介质前端键合或光胶未掺杂的具有拉曼效应的基质晶体。

4.  按权利要求1所述的组合式全固态拉曼激光器，其特征在于：所述的拉曼组合晶体为在所述激光增益介质后端键合或光胶未掺杂的具有拉曼效应的基质晶体。

5.  按权利要求1所述的一种全固态组合式拉曼倍频黄光激光器，其特征在于：所述的基质晶体为YVO₄或GdVO₄。

6.  按权利要求1所述的一种全固态组合式拉曼倍频黄光激光器，其特征在于：所述的非线性光学晶体为LBO、BIBO、KTP或KTA。

7.  按权利要求1所述的一种全固态组合式拉曼倍频黄光激光器，其特征在于：所述的半导体激光器端面泵浦系统可选用808nm或880nm附近波长的半导体激光器泵浦。

全固态组合式拉曼倍频黄光激光器
技术领域
本发明涉及固体激光领域，特别是一种全固态组合式拉曼倍频黄光激光器。
技术背景
黄光激光在军事、气象领域可以作为钠信标光源，在激光医疗美容领域可以治疗皮肤血管瘤、鲜红斑痣、毛细血管扩张等，，此外，在光谱学、激光雷达、信息存储等领域也有广泛的应用。目前倍频掺钕激光拉曼激光产生黄光是固体激光技术获得黄光有效手段之一。
通过拉曼激光技术扩展了目前常规固体激光器所能到达的激光波长范围，特别是可获得人眼安全1.5微米波段激光及通过拉曼激光倍频获得黄光激光，所以拉曼激光器成了目前激光技术的研究热点。2007年，James A.Piper和HelenM.Pask发表了拉曼的综述性文章(“Crystalline Raman Lasers，”IEEE J.Sel.Top.Quantum Electron.13，692-704(2007))，阐述了拉曼激光和倍频拉曼光产生可见光的研究现状。2008年11月，中国专利公开了CN 101299512A号“自拉曼倍频全固体黄光激光器”专利申请，此专利涉及同一块晶体既是激光增益介质又是拉曼频移介质，得到调Q的拉曼倍频黄光激光输出。2008年11月，中国专利公开了CN101308993A号“内腔式拉曼倍频全固体黄光激光器”专利申请，此专利涉及激光增益介质和拉曼频移介质分离结构，得到调Q的拉曼倍频黄光激光输出。到目前为止，所有有关拉曼倍频黄光激光器都是采用激光增益介质和拉曼增益介质分离结构或自拉曼获得的，这些方法都不能有效克服激光增益介质热效应和拉曼增益长度对激光输出功率和光束质量的限制。针对这些问题，本发明对此进行了改进，提出了全固态组合式拉曼倍频黄光激光器。
发明内容
本发明的目的是提供一种全固态组合式拉曼倍频黄光激光器，采用拉曼组合晶体在激光腔内产生基频光并变频为拉曼激光，再通过非线性光学晶体倍频的技术路线，通过拉曼组合晶体克服激光增益介质热效应和拉曼增益介质长度对激光输出功率和光束质量的限制，从而实现效率高、光束质量好拉曼倍频黄光激光输出。
本发明的目的通过如下技术措施来实现：全固态组合式拉曼倍频黄光激光器，主要采用半导体激光器端面泵浦的直线腔或折叠腔结构，可实验连续或调Q黄光激光输出。连续黄光激光器其特征在于，采用直线腔时，光路上依次放置半导体激光器端面泵浦系统1、输入腔镜2、拉曼组合晶体3、隔离腔镜5、非线性光学晶体4、直腔输出腔镜6；采用折叠腔时，光路上依次放置半导体激光器端面泵浦系统1、输入腔镜2、拉曼组合晶体3、折叠输出腔镜7、非线性光学晶体4、全反腔镜8。调Q脉冲黄光激光器其特征在于比连续黄光激光器多了一个调Q装置9，而且相对于上述连续黄光激光器的光路中，调Q装置9放置于拉曼组合晶体3后面。
所述的拉曼组合晶体3由未掺杂的具有拉曼效应的基质晶体301和以此基质晶体掺Nd³⁺形成的激光增益介质302光胶或键合(键合是晶体之间通过光胶后在高温条件下进行离子扩散实现稳固结合的一种技术)形成，其结构包括以下三种方式组合：激光增益介质302前端和后端光胶或键合未掺杂的具有拉曼效应的基质晶体301；激光增益介质302前端光胶或键合未掺杂的具有拉曼效应的基质晶体301；激光增益介质302后端光胶或键合未掺杂的具有拉曼效应的基质晶体301。
所述的未掺杂的具有受激拉曼效应晶体301为钒酸盐晶体YVO₄或GdVO₄，具体晶体尺寸长度可根据实际需要选择；掺Nd³⁺激光增益介质302为以上述对应的具有受激拉曼效应晶体为基质的掺Nd³⁺激光晶体，分别为Nd:YVO₄或Nd:GdVO₄。其中掺Nd³⁺浓度和晶体尺寸可根据实际需要选择。
所述的非线性光学晶体4为LBO，BIBO，KTP，KTA。它们的相位匹配角度按产生的拉曼光在室温下的相位匹配角度切割，晶体尺寸可根据实际需要选择。
所述的半导体激光器端面泵浦系统1可选用808nm或880nm附近波长的半导体激光器泵浦。
所述的激光输入腔镜2镀制对808nm或880nm附近波长泵浦光增透、同时对1.06微米基频光和1.17微米拉曼光高反的膜系；直腔输出腔镜6和折叠输出腔镜7镀制对0.58微米的倍频黄光增透、同时对1.06微米基频光和1.17微米拉曼光高反的膜系；隔离腔镜5镀制对0.58微米的倍频黄光高反、同时对1.06微米基频光和1.17微米拉曼光增透的膜系；全反腔镜8镀制对同时对1.06微米基频光和1.17微米拉曼光和0.58微米高反的膜系
所述的调Q装置9选用声光Q开关或电光Q开关或被动调Q晶体。
附图说明
图1为连续直腔全固态组合式拉曼倍频黄光激光器示意；图2为连续折叠腔全固态组合式拉曼倍频黄光激光器示意；图3为调Q直腔全固态组合式拉曼倍频黄光激光器示意；图4为调Q折叠腔全固态组合式拉曼倍频黄光激光器示意；图5为两端组合拉曼组合晶体；图6为前端组合拉曼组合晶体；图7为后端组合拉曼组合晶体。其中，1：半导体激光器端面泵浦系统；2：激光输入腔镜；3：拉曼组合晶体；4：非线性光学晶体；5：隔离腔镜；6：直腔输出腔镜；7：折叠输出腔镜；8：全反腔镜；9：调Q装置；301：未掺杂的具有拉曼效应的基质晶体；302：掺Nd³⁺激光增益介质；
具体实施方式
本发明组合式全固态拉曼激光器的实施方案一：
全固态组合式拉曼倍频黄光激光器采用直线腔输出连续黄光激光。光路上依次放置半导体激光器端面泵浦系统1、输入腔镜2、拉曼组合晶体3、隔离腔镜5、非线性光学晶体4、直腔输出腔镜6。这种方案由输入腔镜2和直腔输出腔镜6组成基波光和拉曼光的激光腔。半导体激光器端面泵浦系统1的泵浦光由激光输入腔镜2入射到拉曼组合晶体3中，被掺Nd³⁺激光增益介质吸收302，然后发射相应波长的基波光在激光腔内振荡，由拉曼组合晶体3整体当作拉曼增益介质将基波光转化为拉曼激光，再通过非线性晶体4转化为黄光激光，由直腔输出腔镜6输出连续黄光激光。
本发明组合式全固态拉曼激光器的实施方案二：
全固态组合式拉曼倍频黄光激光器采用直线腔输出调Q脉冲黄光激光。光路上依次放置半导体激光器端面泵浦系统1、输入腔镜2、拉曼组合晶体3、调Q装置9、隔离腔镜5、非线性光学晶体4、直腔输出腔镜6。这种方案由输入腔镜2和直腔输出腔镜6组成基波光和拉曼光的激光腔。半导体激光器端面泵浦系统1的泵浦光由激光输入腔镜2入射到拉曼组合晶体3中，被掺Nd³⁺激光增益介质吸收302，然后发射相应波长的基波光在激光腔内由调Q装置进行调制形成脉冲光振荡，由拉曼组合晶体3整体当作拉曼增益介质将基波光转化为拉曼激光，再通过非线性晶体4转化为黄光激光，由直腔输出腔镜6输出调Q的脉冲黄光激光。
本发明组合式全固态拉曼激光器的实施方案三：
全固态组合式拉曼倍频黄光激光器采用折叠腔输出连续黄光激光。光路上依次放置半导体激光器端面泵浦系统1、输入腔镜2、拉曼组合晶体3、折叠输出腔镜7、非线性光学晶体4、全反腔镜8。这种方案由输入腔镜2和全反腔镜8组成基波光和拉曼光的激光腔。半导体激光器端面泵浦系统1的泵浦光由激光输入腔镜2入射到拉曼组合晶体3中，被掺Nd³⁺激光增益介质吸收302，然后发射相应波长的基波光在激光腔内振荡，由拉曼组合晶体3整体当作拉曼增益介质将基波光转化为拉曼激光，再通过非线性晶体4转化为黄光激光，由折叠输出腔镜7输出连续黄光激光。
本发明组合式全固态拉曼激光器的实施方案四：
全固态组合式拉曼倍频黄光激光器采用折叠腔输出调Q脉冲黄光激光。光路上依次放置半导体激光器端面泵浦系统1、输入腔镜2、拉曼组合晶体3、调Q装置9、折叠输出腔镜7、非线性光学晶体4、全反腔镜8。这种方案由输入腔镜2和全反腔镜8组成基波光和拉曼光的激光腔。半导体激光器端面泵浦系统1的泵浦光由激光输入腔镜2入射到拉曼组合晶体3中，被掺Nd³⁺激光增益介质吸收302，然后发射相应波长的基波光在激光腔内由调Q装置进行调制形成脉冲光振荡，由拉曼组合晶体3整体当作拉曼增益介质将基波光转化为拉曼激光，再通过非线性晶体4转化为黄光激光，由折叠输出腔镜7输出调Q脉冲黄光激光。
以上四种方案使用了拉曼组合晶体，使得掺Nd³⁺激光增益介质302产生的热量由未掺杂的具有拉曼效应的基质晶体301通过热传导帮助散热，从而有效降低掺Nd³⁺激光增益介质302的热效应，改善激光输出光束质量；而且未掺杂的具有拉曼效应的基质晶体301和掺Nd³⁺激光增益介质302可以共同作为拉曼增益介质，有效的延长了拉曼作用长度。所以采用拉曼组合晶体有利于获得效率高，光束质量好的倍频黄光激光输出。
实施例1：按照图1，制作一台全固态组合式拉曼倍频黄光激光器。采用直线腔输出连续黄光激光，光路上依次放置半导体激光器端面泵浦系统1、输入腔镜2、拉曼组合晶体3、隔离腔镜5、非线性光学晶体4、直腔输出腔镜6。拉曼组合晶体3如图5所示，未掺杂的具有拉曼效应的基质晶体YVO₄301通过光胶或键合组合到以其为基质的掺Nd³⁺激光增益介质Nd:YVO₄302的前端和后端，组合晶体结构为YVO₄301/Nd:YVO₄302/YVO₄301。其中所使用的前端未掺杂的具有拉曼效应的基质晶体YVO₄3的尺寸为3×3×5mm³，后端未掺杂的具有拉曼效应的基质晶体YVO₄301的尺寸为3×3×8mm³，掺Nd³⁺浓度为0.5-at.％的激光增益介质Nd:YVO₄302的尺寸为3×3×7mm³。非线性晶体4为相位匹配角θ＝90°，φ＝3.7°，切割的晶体尺寸3×3×20的正方形非线性光学晶体LBO晶体。激光输入腔镜2镀制对808nm波长的泵浦光增透同时对1.06微米和1.17微米波长的激光高反的膜系；直腔输出腔镜6镀制对0.58微米的倍频黄光增透、同时对1.06微米基频光和1.17微米拉曼光高反的膜系；隔离腔镜5镀制对0.58微米的倍频黄光高反、同时对1.06微米基频光和1.17微米拉曼光增透的膜系。
半导体激光器端面泵浦系统1采用光纤耦合的半导体激光器，最大输出功率30W，发射中心波长为808nm，光纤芯径为200μm，数值孔径为0.12。泵浦光经过由两个焦距均为60mm的球面透镜组成的准直聚焦系统后会聚，通过激光输入腔镜2入射到拉曼组合晶体3中，先通过未掺杂的具有拉曼效应的基质晶体YVO₄301，再聚焦在掺Nd³⁺激光增益介质Nd:YVO₄302内被吸收，然后发射1.06微米波长的基波光在激光腔内振荡，再由拉曼组合晶体3整体(掺Nd³⁺激光增益介质Nd:YVO₄302和未掺杂的具有拉曼效应的基质晶体YVO₄301共同)作为拉曼增益介质将1.06微米波长基波光转化为1.17微米波长的拉曼激光，再通过非线性晶体LBO4转化为黄光激光，由直腔输出腔镜6输出连续黄光激光。
实施例2：按照图2，制作一台全固态组合式拉曼倍频黄光激光器。采用折叠腔输出连续黄光激光，光路上依次放置半导体激光器端面泵浦系统1、输入腔镜2、拉曼组合晶体3、折叠输出腔镜7、非线性光学晶体4、全反腔镜8。拉曼组合晶体3如图5所示，未掺杂的具有拉曼效应的基质晶体YVO₄301通过光胶或键合组合到以其为基质的掺Nd³⁺激光增益介质Nd:YVO₄302的前端和后端，组合晶体结构为YVO₄301/Nd:YVO₄302/YVO₄301。其中所使用的前端未掺杂的具有拉曼效应的基质晶体YVO₄301的尺寸为3×3×5mm³，后端未掺杂的具有拉曼效应的基质晶体YVO₄301的尺寸为3×3×8mm³，掺Nd³⁺浓度为0.5-at.％的激光增益介质Nd:YVO₄302的尺寸为3×3×7mm³。非线性晶体4为相位匹配角θ＝90°，φ＝3.7°，切割的晶体尺寸3×3×20的正方形非线性光学晶体LBO晶体。激光输入腔镜2镀制对808nm波长的泵浦光增透同时对1.06微米和1.17微米波长的激光高反的膜系；折叠输出腔镜7镀制对0.58微米的倍频黄光增透、同时对1.06微米基频光和1.17微米拉曼光高反的膜系；全反腔镜8镀制对同时对1.06微米基频光和1.17微米拉曼光和0.58微米倍频黄光高反的膜系。
半导体激光器端面泵浦系统1采用光纤耦合的半导体激光器，最大输出功率30W，发射中心波长为808nm，光纤芯径为200μm，数值孔径为0.12。泵浦光经过由两个焦距均为60mm的球面透镜组成的准直聚焦系统后会聚，通过激光输入腔镜2入射到拉曼组合晶体中，先通过未掺杂的具有拉曼效应的基质晶体YVO₄301，再聚焦在掺Nd³⁺激光增益介质Nd:YVO₄302内被吸收，然后发射1.06微米波长的基波光在激光腔内振荡，再由拉曼组合晶体3整体(掺Nd³⁺激光增益介质Nd:YVO₄302和未掺杂的具有拉曼效应的基质晶体YVO₄301共同)作为拉曼增益介质将1.06微米波长基波光转化为1.17微米波长的拉曼激光，再通过非线性晶体LBO4转化为黄光激光，由折叠输出腔镜7输出连续黄光激光。
实施例3：按照图3，制作一台全固态组合式拉曼倍频黄光激光器。采用直线腔输出调Q脉冲黄光激光，光路上依次放置半导体激光器端面泵浦系统1、输入腔镜2、拉曼组合晶体3、声光调Q开关9、隔离腔镜5、非线性光学晶体4、直腔输出腔镜6。拉曼组合晶体3如图5所示，未掺杂的具有拉曼效应的基质晶体YVO₄301通过光胶或键合组合到以其为基质的掺Nd³⁺激光增益介质Nd:YVO₄302的前端和后端，组合晶体结构为YVO₄301/Nd:YVO₄302/YVO₄301。其中所使用的前端未掺杂的具有拉曼效应的基质晶体YVO₄301的尺寸为3×3×5mm³，后端未掺杂的具有拉曼效应的基质晶体YVO₄301的尺寸为3×3×8mm³，掺Nd³⁺浓度为0.5-at.％的激光增益介质Nd:YVO₄302的尺寸为3×3×7mm³。非线性晶体4为相位匹配角θ＝90°，φ＝3.7°，切割的晶体尺寸3×3×20的正方形非线性光学晶体LBO晶体。激光输入腔镜2镀制对808nm波长的泵浦光增透同时对1.06微米和1.17微米波长的激光高反的膜系；直腔输出腔镜6镀制对0.58微米的倍频黄光增透、同时对1.06微米基频光和1.17微米拉曼光高反的膜系；隔离腔镜5镀制对0.58微米的倍频黄光高反、同时对1.06微米基频光和1.17微米拉曼光增透的膜系。
半导体激光器端面泵浦系统1采用光纤耦合的半导体激光器，最大输出功率30W，发射中心波长为808nm，光纤芯径为200μm，数值孔径为0.12。泵浦光经过由两个焦距均为60mm的球面透镜组成的准直聚焦系统后会聚，通过激光输入腔镜2入射到拉曼组合晶体中，先通过未掺杂的具有拉曼效应的基质晶体YVO₄301，再聚焦在掺Nd³⁺激光增益介质Nd:YVO₄302内被吸收，然后发射相应波长的基波光在激光腔内由调Q装置进行调制形成脉冲光振荡，再由拉曼组合晶体3整体(掺Nd³⁺激光增益介质Nd:YVO₄302和未掺杂的具有拉曼效应的基质晶体YVO₄301共同)作为拉曼增益介质将1.06微米波长基波光转化为1.17微米波长的拉曼激光，再通过非线性晶体LBO4转化为黄光激光，由直腔输出腔镜6输出调Q脉冲黄光激光。
实施例4：按照图4，制作一台全固态组合式拉曼倍频黄光激光器。采用折叠腔输出调Q脉冲黄光激光，光路上依次放置半导体激光器端面泵浦系统1、输入腔镜2、拉曼组合晶体3、折叠输出腔镜7、非线性光学晶体4、全反腔镜8。拉曼组合晶体3如图5所示，未掺杂的具有拉曼效应的基质晶体YVO₄301通过光胶或键合组合到以其为基质的掺Nd³⁺激光增益介质Nd:YVO₄302的前端和后端，组合晶体结构为YVO₄301/Nd:YVO₄302/YVO₄301。其中所使用的前端未掺杂的具有拉曼效应的基质晶体YVO₄301的尺寸为3×3×5mm³，后端未掺杂的具有拉曼效应的基质晶体YVO₄301的尺寸为3×3×8mm³，掺Nd³⁺浓度为0.5-at.％的激光增益介质Nd:YVO₄302的尺寸为3×3×7mm³。非线性晶体4为相位匹配角θ＝90°，φ＝3.7°，切割的晶体尺寸3×3×20的正方形非线性光学晶体LBO晶体。激光输入腔镜2镀制对808nm波长的泵浦光增透同时对1.06微米和1.17微米波长的激光高反的膜系；折叠输出腔镜7镀制对0.58微米的倍频黄光增透、同时对1.06微米基频光和1.17微米拉曼光高反的膜系；全反腔镜8镀制对同时对1.06微米基频光和1.17微米拉曼光和0.58微米倍频黄光高反的膜系。
半导体激光器端面泵浦系统1采用光纤耦合的半导体激光器，最大输出功率30W，发射中心波长为808nm，光纤芯径为200μm，数值孔径为0.12。泵浦光经过由两个焦距均为60mm的球面透镜组成的准直聚焦系统后会聚，通过激光输入腔镜2入射到拉曼组合晶体中，先通过未掺杂的具有拉曼效应的基质晶体YVO₄301，再聚焦在掺Nd³⁺激光增益介质Nd:YVO₄302内被吸收，然后发射相应波长的基波光在激光腔内由调Q装置进行调制形成脉冲光振荡，再由拉曼组合晶体3整体(掺Nd³⁺激光增益介质Nd:YVO₄302和未掺杂的具有拉曼效应的基质晶体YVO₄301共同)作为拉曼增益介质将1.06微米波长基波光转化为1.17微米波长的拉曼激光，再通过非线性晶体LBO4转化为黄光激光，由折叠输出腔镜7输出调Q脉冲黄光激光。
实施例5：按照图3(或图4)，制作一台全固态组合式拉曼倍频黄光激光器。与实施例3、4不同的是调Q装置6选用电光Q开关或被动调Q开关，得到的全固态组合式拉曼倍频黄光激光器。
实施例6：按照图1(或图2，或图3，或图4)，制作一台全固态组合式拉曼倍频黄光激光器。与实施例1、2、3、4、5不同的是拉曼组合晶体3如图6所示，未掺杂的具有拉曼效应的基质晶体YVO₄301通过光胶或键合组合到以其为基质的掺Nd³⁺激光增益介质Nd:YVO₄302的前端，拉曼组合晶体3结构为YVO₄301/Nd:YVO₄302，得到的全固态组合式拉曼倍频黄光激光器。
实施例7：按照图1(或图2，或图3，或图4)，制作一台全固态组合式拉曼倍频黄光激光器。与实施例1、2、3、4、5、6不同的是拉曼组合晶体3如图7所示，未掺杂的具有拉曼效应的基质晶体YVO₄301通过光胶或键合组合到以其为基质的掺Nd³⁺激光增益介质Nd:YVO₄302的后端，拉曼组合晶体结构为Nd:YVO₄302/YVO₄301，得到的全固态组合式拉曼倍频黄光激光器。
实施例8：按照图1(或图2，或图3，或图4)，制作一台全固态组合式拉曼倍频黄光激光器。与实施例1、2、3、4、5、6、7不同的是非线性晶体4为BIBO(相位匹配角θ＝178.6°，φ＝90°)或KTP(相位匹配角θ＝69°，φ＝0°)或KTA(相位匹配角θ＝76.4°，φ＝0°)，得到的全固态组合式拉曼倍频黄光激光器。
实施例9：按照图1(或图2，或图3，或图4)，制作一台全固态组合式拉曼倍频黄光激光器。与实施例1、2、3、4、5、6、7、8不同的是所述的未掺杂的具有受激拉曼效应晶体301为GdVO₄；掺Nd³⁺激光增益介质302为以GdVO₄为基质的Nd:GdVO₄，得到的全固态组合式拉曼倍频黄光激光器。
实施例10：按照图1(或图2，或图3，或图4)，制作一台结构紧凑的组合式全固态拉曼激光器。与实施例1、2、3、4、5、6、7、8、9不同的是当半导体激光器端面泵浦系统1采用光纤耦合的半导体激光器，发射中心波长为880nm，得到的组合式全固态拉曼激光器。用此中心波长的半导体激光器，使得泵浦光转化到基波光的量子亏损比采用中心波长808nm波长泵浦的量子亏损小，从而更有效的减少热效应，提高激光效率。