专利名称：一种连续蓝光激光器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种激光装置，尤其涉及一种二极管LD Bar光束整形端面泵浦全固态腔内倍频连续蓝光激光器。
背景技术：
蓝光激光器在高密度光存储、超短脉冲、数字视频技术、光谱技术、激光医学等领域有着广泛的应用价值，其中高功率蓝光激光器在激光大屏幕显示、海洋军事应用及水下资源探测中更具有十分重要的应用前景。首先二极管泵浦高功率蓝光激光器可以和二极管泵浦全固化红光及绿光激光器构成三元色激光源，使这一系统具有功耗低、寿命长、效率高、光束质量好的特点，其色度更接近于自然光，从而有效的实现了三元色的平衡。另外由于蓝绿光波长处于海水的低损耗窗口，所以高功率蓝绿激光器已成为海洋军事应用及水下资源探测中的重要光源。例如，卫星或飞机通过蓝绿激光信号依靠大气、空气/海水界面和海水作为光信道实现与深水潜艇之间的通讯；又如，蓝绿激光器可用于机载激光水下侦察探测系统，还可安装在潜艇、排雷器、水下机器人等水下载体上，实现水下探潜、探雷、排雷、反潜网探测、潜艇避撞以及水下资源探测等。
随着半导体激光器的飞速发展和产业化，二极管泵浦的全固化激光器的研发也取得了实质性的进展，并开始实现产业化。现在人们正使用这种紧凑高效的全固化激光器，利用非线性材料通过倍频或和频的方法研制出各种类型的蓝光激光器，其中最行之有效的当属腔内倍频的蓝光激光器。而作为上述蓝光激光器的泵浦源LD Bar光束必须经过准直、整形、聚焦到激光晶体中。由于激光二极管的结构的特点，使得其光束在两个方向上的聚焦性能相差很大。目前大多采用两步反射的方法(如所谓的“梯形镜”法)，把准直之后的线形光束截成多节，重新排列，以达到改善其聚焦性能的目的。上述的两步反射的方法，一方面结构复杂，不利于小型化和模块化；另一方面，由于每一次反射都损失一些光能量，致使整形后的效率受到无法克服的限制。
实用新型内容针对现有技术存在的问题，本实用新型的目的是提供一种新型连续蓝光激光器，该激光器利用折射原理对泵浦光进行整形聚焦，一方面使得结构紧凑、模块化；另一方面，由于利用的是光束的折射，不涉及反射，效率可以得到很大的提高。
为达到上述目的，本实用新型一种连续蓝光激光器包括泵源、光束整形系统、光学耦合系统、激光谐振腔；所述激光谐振腔为直线腔型结构，包括激光谐振腔输入端镜、激光增益介质、倍频晶体、激光谐振腔输出端镜；所述光束整形系统采用折射法原理对入射的光线进行整形；二极管Bar泵源光束经光束整形系统整形后，通过光学耦合系统端面泵浦激光晶体，再经激光谐振腔腔内倍频，实现高功率连续蓝光激光输出。
进一步地，所述泵源可以是LD Bar半导体激光泵源，亦可以是LD Bar光纤耦合半导体激光泵源，亦可以是LD单管激光泵源。
进一步地，所述光束整形系统由一整块透明介质制成，该透明介质上加工有多层入射面和出射面，每层入射面与其出射面之间可以是平行的，也可以是非平行的，如弯曲的。
进一步地，所述光束整形系统为一多层透明介质块，该多层透明介质块由适当数量、具有适当厚度的透明介质片按适当的倾斜角度相互叠加而成。
进一步地，所述光束整形系统由至少两个相互垂直放置的多层透明介质块构成，通过该两多层透明介质块分别实现对入射光线在两相互垂直方向上的重排，即光束整形，所述多层透明介质块由适当数量并具有适当厚度的透明介质片按适当的倾斜角度相互叠加而成。
进一步地，所述激光谐振腔采用Nd类(Nd:YAG，Nd:YVO4，Nd:GdVO4)激光晶体作为其激光增益介质，利用激光晶体可在4F3/2-4I9/2能级跃迁实现激光运转。
进一步地，所述倍频晶体采用LBO(或BBO，BiBO，KNbO3)等非线性晶体，倍频晶体两端面镀增透膜。
进一步地，所述激光谐振腔输入端镜为在所述激光增益介质泵浦端面上经镀膜后直接制成，而使激光谐振腔输入端镜与激光增益介质合而为一，激光增益介质的另一端面镀有增透膜。
进一步地，所述激光谐振腔内可放置有用于控制光束质量的其它选模元件。
本实用新型连续蓝光激光器使用一台二极管Bar光束整形后，通过高效光学耦合系统端面泵浦、通过腔内倍频、用紧凑的直线腔型结构、采用特殊的膜系设计，实现高功率连续蓝光激光输出，因而具有结构紧凑，工作效率高等优点。
本实用新型通过对谐振腔镜合理的膜系设计，即通过特殊镀膜使谐振腔的膜系满足特定的要求，使得增益高的激光跃迁波长(4F3/2-4I11/2和4F3/2-4I13/2)有高的透过率因而有高的损耗，从而受到抑制不起振，而增益低的激光跃迁波长(4F3/2-4I9/2)有低的透过率因而有较低的损耗，从而使其产生振荡获得有效4F3/2-4I9/2激光运转，进而通过倍频实现高功率连续蓝光输出。
图1为本实用新型连续蓝光激光器的结构示意图；图2为折射法实现光束移动的基本原理图；图3利用折射法的两个多层介质片功能模块实现光束整形的范例图；图4利用折射法使用一多层介质片功能模块实现光束整形的范例图；图5为利用折射法使用一个块状功能模块实现光束整形的范例图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式
对本实用新型作进一步详细的说明。
图1所示为二极管Bar经光束整形后直接端面泵浦注入Nd:YAG风冷式腔内倍频连续蓝光激光器，二极管泵源1为40瓦LD Bar，其工作波长为808nm，经光束整形系统2整形，再经光学耦合系统3聚焦后的光斑尺寸大约300×300μm；激光增益介质5为1.0at.％掺杂的Nd:YAG晶体，其尺寸为Φ3×3mm3，激光增益介质通过TEC传导冷却，其温度控制在17℃，在激光增益介质5的泵浦端面上直接镀膜作为激光谐振腔输入端镜4，镀膜参数可取R＞99.8％@946nm，T＝88％@808nm，T＝60％@1.06μm&1.32μm，激光增益介质5的另一端面对946nm和1.06μm&1.32μm镀增透膜，激光腔内放置LBO倍频晶体6，其两个端面对946nm和473nm镀增透膜，尺寸为3×3×15mm3，按I类相位匹配方式切割，切割参数可取Θ＝90°，Φ＝19.37°，温度控制在22±0.1℃；激光谐振腔输出端镜7是曲率半径为100mm的平凹镜，其镀膜情况为R＞99.8％@946nm，T＝85％@473nm。
用上述装置可获得功率达500mW的倍频473nm连续蓝光激光输出。
图2所示为折射法实现光束移动的基本原理图。
根据折射原理，光束以一定的角度入射到透明介质(如玻璃等)中，方向将发生改变。如果此介质是平行介质，光束穿过后传播方向不变，但在入射面内位置将发生移动，如图中所示。不同的移动量可以通过不同的入射角和介质长度来控制，即d＝Lsinα[1-cosα/(n2-sin2α)1/2]，其中，d为移动量，n为介质的折射率，α为入射角，L为介质的长度。当α为负数时，表示介质向另一个方向倾斜，这时的移动量为负数，表明向另一个方向移动。由此可见，要改变光束的移动量，可以在介质长度不变的情况下改变入射角，也可以在一定的不为0的入射角下使用不同的介质长度，或两者结合。
针对不同的要求，使用不同层数的多层光学玻璃片，每片的厚度对应于每节光束的长度。根据每节光束所需要的移动量，确定每片玻璃片的不同倾角。这样的玻璃片模块为一个功能模块，可以实现至少一个方向上的光束重排。具体方案如下(1)如图3所示，利用一个上述的功能模块(12)首先实现一个方向上的重排，利用第二个垂直放置的模块(13)进行另一个方向上的重排，这样，准直后的二极管激光器的线形光束(11)被整形为聚焦性能大大改善的分布(14)；具体的设计范例如下例如线形光束的长度为20mm，把此线形光束分为五节，排列成4mm×4mm的分布。5节光束在一个方向上的移动量分别设计为2mm、1mm、0mm、-1mm和-2mm，在另一个方向上的移动量分别设计为8mm、4mm、0mm、-4mm和-8mm。若以两步重排实现的话，假设第一个功能模块使用10mm的玻璃片，则需要厚度为5mm的玻璃片5块，所需的倾角分别为30.7°、16.6°、0°、-16.6°和-30.7°。要实现第二次重排，在第二个功能模块中，需要使用的玻璃片的厚度为1mm、长度为40mm的玻璃片5片，各片的倾角和第一次相同，分别为30.7°、16.6°、0°、-16.6°和-30.7°。上述设计范例中假设使用的介质材料的折射率为1.5，即一般玻璃的折射率。
(2)图4所示为一个倾斜放置的功能模块。将模块和线形光束的相对位置倾斜，可以同时实现两个方向上的重排，这样，只需要一个多层介质片功能模块，就可以把准直后的二极管激光器的线形光束(11)整形为聚焦性能大大改善的分布(14)。当然，玻璃片的层数、每层的厚度、角度需要重新设计；(3)图5所示为一个整体模块，由一整块透明介质如玻璃组成，根据需要设计加工成多层入射面。每层入射面和出射面平行，每层的倾角和图4所示相应的介质片的倾斜角度相同，这样可以实现和图4所示功能模块同样的整形功能。和图4所示的多层介质片功能模块相比，图5所示块状功能模块在结构上有着明显的优点(1)在镀(增透)膜等工艺上简便的多；(2)图4所示多层介质片功能模块在使用时得按设计值倾斜放置，安装调节不便；而图5所示块状模块由于整体的倾斜角度在加工模块加工时已加工出来，安装时不再需要调节模块的倾斜角，使用极其方便。
权利要求1.一种连续蓝光激光器，其特征在于，包括光束整形系统、光学耦合系统、激光谐振腔；所述激光谐振腔为直线腔型结构，包括激光谐振腔输入端镜、激光增益介质、倍频晶体、激光谐振腔输出端镜；所述光束整形系统采用折射法原理对入射的光线进行整形；二极管Bar泵源光束经光束整形系统整形后，通过光学耦合系统端面泵浦激光晶体，再经激光谐振腔腔内倍频，实现高功率连续蓝光激光输出。
2.如权利要求1所述的连续蓝光激光器，其特征在于，所述泵源可以是LD Bar半导体激光泵源，亦可以是LD Bar光纤耦合半导体激光泵源，亦可以是LD单管激光泵源。
3.如权利要求2所述的连续蓝光激光器，其特征在于，所述光束整形系统由一整块透明介质制成，该透明介质上加工有多层入射面和出射面，每层入射面与其出射面之间可以是平行的，也可以是非平行的，如弯曲的。
4.如权利要求2所述的连续蓝光激光器，其特征在于，所述光束整形系统为一多层透明介质块，该多层透明介质块由适当数量、具有适当厚度的透明介质片按适当的倾斜角度相互叠加而成。
5.如权利要求2所述的连续蓝光激光器，其特征在于，所述光束整形系统由至少两个相互垂直放置的多层透明介质块构成，通过该两多层透明介质块分别实现对入射光线在两相互垂直方向上的重排，即光束整形，所述多层透明介质块由适当数量并具有适当厚度的透明介质片按适当的倾斜角度相互叠加而成。
6.如权利要求1、2、3、4、5任一所述的连续蓝光激光器，其特征在于，所述激光谐振腔采用Nd类(Nd∶YAG，Nd∶YVO4，Nd∶GdVO4)激光晶体作为其激光增益介质，利用激光晶体可在4F3/2-4I9/2能级跃迁实现激光运转。
7.如权利要求6所述的连续蓝光激光器，其特征在于，所述倍频晶体采用LBO(或BBO，BiBO，KNbO3)等非线性晶体，倍频晶体两端面镀增透膜。
8.如权利要求7所述的连续蓝光激光器，其特征在于，所述激光谐振腔输入端镜为在所述激光增益介质泵浦端面上经镀膜后直接制成，而使激光谐振腔输入端镜与激光增益介质合而为一，激光增益介质的另一端面镀有增透膜。
9.如权利要求8所述的连续蓝光激光器，其特征在于，所述激光谐振腔内放置有用于控制光束质量的其它选模元件。
专利摘要本实用新型公开了一种连续蓝光激光器，包括泵源、光束整形系统、光学耦合系统、激光谐振腔；所述激光谐振腔为直线腔型结构，包括激光谐振腔输入端镜、激光增益介质、倍频晶体、激光谐振腔输出端镜；所述光束整形系统采用折射法原理对入射的光线进行整形；二极管Bar泵源光束经光束整形系统整形后，通过光学耦合系统端面泵浦激光晶体，再经激光谐振腔腔内倍频，实现高功率连续蓝光激光输出。本实用新型连续蓝光激光器使用一台二极管Bar光束整形后，通过高效光学耦合系统端面泵浦、通过腔内倍频、用紧凑的直线腔型结构、采用特殊的膜系设计，实现高功率连续蓝光激光输出，因而具有结构紧凑，工作效率高等优点。
文档编号H01S3/00GK2676458SQ200420003380
公开日2005年2月2日 申请日期2004年2月6日 优先权日2004年2月6日
发明者张治国, 王 锋, 李德华, 黄恒, 李平雪, 张磊 申请人:中国科学院物理研究所, 武汉凌云光电科技有限责任公司