专利名称：折叠腔自拉曼倍频全固体黄光激光器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种固体激光器，特别是一种折叠腔自拉曼倍频全固体黄光激光器。
(二)
背景技术：
激光技术是二十世纪的重大实用新型之一，现已广泛用于工业生产、通讯、信息处理、 医疗卫生、军事、文化教育以及科学研究等各个领域。随着半导体激光二极管技术的重大突 破，固体激光器得到强劲的发展，其应用领域不断地扩展。利用LD泵浦的全固体激光器是 一种高效、稳定、、光束质量好、长寿命、结构紧凑的第二代新型固体激光器，已成为激光 学科的重点发展方向之一，在空间通讯，光纤通信，大气研究，环境科学，医疗器械，光学 图象处理，激光打印机等高^f技领域有着独具特色的应用前景。
黄光波段的激光可以治疗皮肤血管瘤、鲜红斑痣、毛细血管扩张、酒渣鼻及蜘蛛痣等， 在激光医疗领域有广泛的应用。黄光激光可以作为钠信标光源，在军事、气象领域有重要应 用。黄光激光器在光谱学、信息存储、激光雷达等领域也有广泛的应用。目前，由LD泵浦 的全固化激光器通过腔内倍频产生红光、绿光、蓝光的研究已经比较成熟，但是，用LD泵 浦的微型激光器产生黄光波段的激光比以上几个波段都困难，这是因为当前的激活离子没有 足够大受激发射截面的谱线使得可以通过直接倍频产生黄光。
目前，国外已经有关于固体黄光激光器的报道。他们主要采用两种方式来实现 一是采 用将两束光和频的方法 (Intracavity sum-frequency generation of 3.23 W continuous-wave yellow light in an Nd:YAG laser,《0ptics Co咖unications》，Vol. 255， 2005, 248-252)， 二是使用倍频拉曼光的技术。和频的方法具有体积大，功率低，转换效率 差，结构不稳定，难以实现等缺点；倍频拉曼光的方法比和频的方法简单，但是目前世界上 多是采用腔外倍频拉曼光的方法(Low threshold, diode end-pumped Nd3+:GdV04 self-Raman laser,《0ptical Materials》，Vol. 29, 2007, 1817-1820)和腔内倍频连续拉曼光的方法 (Efficient all-solid-state yellow laser source producing 1. 2-W average power, 《0ptics Letters》，Vol. 24, 1999， 1490—1492; All—solid—state 704 mW continuous—wave yellow source based on an intracavity, frequency-doubled crystalline Raman laser, 《0ptics Letters》，Vol. 32， 2007， 1114-1116)。腔外倍频拉曼光的方法由于腔外拉曼光 的功率低导致倍频效率差，输出的黄光功率低；而腔内倍频连续拉曼光的方法则由于基频光 的峰值功率低，转换成拉曼光的效率差，也不能获得高功率的黄光输出。
(三) 发明内容
为克服现有技术的缺陷，以实现体积小、成本低、功率高、结构稳定的黄光激光器，本 实用新型提供一种折叠腔自拉曼倍频全固体黄光激光器。
一种折叠腔自拉曼倍频全固体黄光激光器，包括激光二极管(LD)泵浦源、谐振腔，谐 振腔由后腔镜、45度镜和全反镜组成，其特征在于谐振腔的后腔镜和45度镜中间放置自拉 曼晶体和调Q装置，45度镜和全反镜中放置倍频晶体；自拉曼晶体、调Q装置和倍频晶体 均由冷却装置对其进行温度控制；由激光二极管LD泵浦源产生的泵浦光耦合进入自拉曼晶 体并转换成基频光，产生的基频光在自拉曼晶体处由于拉曼效应的作用发生受激拉曼散射而 产生拉曼光，拉曼光在倍频晶体中完成倍频过程，产生黄光并由45度镜输出。
所述的激光二极管LD泵浦源可以是LD端面泵浦源，它包括驱动电源、激光二极管、冷 却装置、光纤和耦合透镜组；也可以是LD侧面泵浦源，它包括驱动电源、LD侧面泵浦模块、 冷却装置。所述的谐振腔在LD侧面泵浦情况下谐振腔内的侧面泵浦模块及自拉曼晶体和调Q开关 的相对位置可相互调换。
所述的自拉曼晶体可以是掺钕(Nd)或掺镱(Yb)的下列晶体的一种钨酸盐类(KGd(W04)2, BaW04, SrW04, Pb(W04)2、 KLu(W0j2等)、钒酸盐类(YV04, GdV04等)、硝酸盐类(Ba(N03)2等)， 碘酸盐类(Lil03等)；也可以是键合晶体钒酸钇/掺钕钒酸钇(YV04/Nd:YV04)。
所述的自拉曼晶体的掺杂浓度当掺钕时为0.05-at. %至3-at. %;掺镱时为0. 05_at. %至10-at. %。
所述的自拉曼晶体在LD端面泵浦情况下，其两个端面均镀有泵浦光波段及1000 nm— 1200 nm波段的增透膜；在LD侧面泵浦情况下，其两个端面均镀有1000 nm—1200 nm波段 的增透膜。
所述的自拉曼晶体可根据需要沿不同方向和角度切割，这样可以有效的提高激光器的性能。
所述的调Q装置可以是电光调Q装置、声光调Q装置和可饱和吸收体被动调Q装置中的 一种；声光调Q装置由射频输入装置和调Q晶体组成，调Q晶体的两端面均镀有1000 nm— 1200 nm波段的增透膜；调制频率为1一50 KHz,通过输入射频波改变调Q晶体的密度，来 实现周期性改变激光谐振腔阈值的目的，起到调Q开关作用；电光调Q装置由电光晶体和驱 动电源组成，利用晶体的电光效应，对通过其中的激光的相位产生调制，进而改变偏振态， 完成开、关门过程；可饱和吸收体是利用材料的激发、跃迁特性，受激吸收时关门、向下跃 迁时开门，以此完成对激光的开、关门控制。
所述的冷却装置有两种方式循环水冷却——晶体侧面均用带有管道的金属块包住，金 属块的管道内持续通有循环冷却水，用来给晶体降低温度；半导体制冷——晶体侧面被半导 体制冷块包围。
所述的倍频晶体可以是磷酸钛氧钾KTP、三硼酸锂LBO等；倍频晶体的两端镀有1000 nm 一1200 nra波段的增透膜。倍频晶体可根据相位匹配及其他需要沿不同方向和角度切割，这 样可以有效的改善激光器的性能，提高激光器的输出功率。
所述的谐振腔内的后腔镜在LD端面泵浦时镀有泵浦光波长的增透膜和对1000nm—1200 nm波段的反射率大于90X的反射膜；在LD侧面泵浦时镀有对1000 nm—1200 nm波段的反 射率大于90%的反射膜；45度镜镀有在1000nm—1200nm波段反射率大于90X的反射膜， 并且该膜对波长为590 nm的光透过范围大于80%;全反镜镀有在1000 nm—1200 nm波段反 射率大于90%的反射膜，并且该膜对590 nm附近的黄光具有大于90^的反射率。
所述的谐振腔的腔长为5 cm—50 cm，谐振腔的后腔镜和输出镜的曲率半径可根据实际 情况选择。
本实用新型中的所有晶体的长度均可以根据具体要求进行选取；晶体的端面形状和面积 可以根据光束截面的面积来确定。
由于拉曼效应为三阶的非线性效应，需要基频光具有高的峰值功率，所以我们在激光器 中使用调Q装置，这样可以有效增加基频光的峰值功率，从而提高基频光到拉曼光的转换效 率，有效的改善了激光器的性能。
激光器的工作流程如下LD泵浦源发出的泵浦光耦合进入自拉曼晶体，当调Q装置 的调Q开关关闭时，泵浦光转为反转粒子存储起来；当Q开关打开时，积攒的大量反转粒子 瞬间通过受激辐射转为基频光，同时由于自拉曼晶体的拉曼效应，基频光在自拉曼晶体出转 换为拉曼光；拉曼光在倍频晶体处完成倍频过程转为黄光，并由45度镜输出。
本实用新型使用一块自拉曼晶体既做激光增益介质又做拉曼介质，采用内腔式自拉曼的 方法，并在腔内使用倍频晶体倍频拉曼光，成功获得了黄色激光。本实用新型采用了调Q技 术，充分利用了基频调Q脉冲的高峰值功率和腔内拉曼光的高功率密度，改善了激光器的性 能，解决了上述激光器的各种缺点，提供了一种新的小体积，稳定性好的全固体黄光激光器，本实用新型激光器与背景技术中的相比具有更高的输出功率和转换效率，并且体积小、性能 稳定、成本低。
图1是本实用新型激光二极管LD端面泵浦源的光路结构示意图，图2是本实用新型激 光二极管LD侧面泵浦源的光路结构示意图。
其中l.激光二极管，2.光纤，3.耦合透镜，4.后腔镜，5.自拉曼晶体，6.调Q装 置，7. 45度镜，8.倍频晶体，9.全反镜，IO丄D侧面泵浦模块，11.冷却装置。
具体实施方式实施例1:
本实用新型实施例1如图1所示，包括激光二极管LD端面泵浦源、谐振腔；谐振腔由 后腔镜4、 45度镜7和全反镜9组成，自拉曼晶体5选掺钕钒酸钆Nd:GdV04晶体，调Q装置 6为声光调Q装置，倍频晶体8选用磷酸钛氧钾KTP晶体。后腔镜4和45度镜7中放置自 拉曼晶体5和声光调Q装置6， 45度镜7和全反镜9中放置倍频晶体8;自拉曼晶体5、声 光调Q装置6和倍频晶体8侧面均用带有管道的金属块围住，金属块内的管道持续通有循环 冷却水，用来给晶体降低温度。
泵浦源包括激光二极管1、光纤2和耦合透镜3,泵浦光经光纤2和耦合透镜3进入谐 振腔；泵浦源的输出波长为808 nm,最大泵浦功率为30 W,光纤的纤芯半径为400 um, 数值孔径为0. 22。
谐振腔的腔长为15 cm。
自拉曼晶体5掺钕钒酸钆Nd:GdV04晶体，尺寸为3X3X15 ram3,掺杂浓度为0. 2-at. %， 沿物理学定义的c轴方向切割，晶体的两端面均镀有1000 nm—1200 nm波段的增透膜(透 过率大于99. 8% );作用是产生基频光并通过受激拉曼散射的作用将基频光转换为拉曼光。
声光调Q装置6由射频输入装置和调Q晶体组成，调Q晶体的长度为35 mm，两端面均 镀有IOOO nm—1200 nm波段的增透膜(透过率大于99. 8% );调制频率为15 KHz，通过输 入射频波改变调Q晶体的密度，来实现周期性改变激光谐振腔阈值的目的，起到调Q开关作 用。
倍频晶体8磷酸钛氧钾KTP晶体，尺寸为3X3X6 mm3，晶体的两端面均镀有1000 nm 一1200 nra波段的增透膜(透过率大于99. 8% ),并且对587 nra波长的光高透(透过率大于 92%);为了满足晶体在20度时的相位匹配条件，我们将KTP晶体沿e =68. 7度，4> =0 度角度切割。
后腔镜4为凹面镜，曲率半径为3000 mm,镀有808 nra波长的增透膜和1000 nm—1200 nm波段的高反膜(反射率大于99.5%)0
45度镜为平镜镀有1000 nm—1200 nm波段的高反膜(对1064 nm波长的反射率R>99. 8%, 对1180 nm波长的反射率R-90.8X),并且该膜对波长为590 nm的光高透(T=90%)。
全反镜9为平镜，镀有1000 nm—1200咖波段的高反膜(对1064 nra波长的反射率 R〉99.8%,对1180 nm波长的反射率R=90.8%)，并且该膜对波长为590 nm的光高反(R= 90% )o
激光器的工作流程激光二极管1发出808 nm波长的泵浦光经光纤2和耦合透镜3进 入掺钕钒酸钆Nd:GdV04晶体中，当声光调Q开关6关闭时，泵浦光转为反转粒子存储起来； 当Q开光打开时，积攒的大量反转粒子通过受激辐射瞬间转为1063 ran基频光；具有较高峰 值功率的基频光在掺钕钒酸钆Nd:GdV04晶体处，由于受激拉曼散射的作用转为1173 nm拉曼 光，在KTP倍频晶体8处由于倍频效应转换为587 nm黄光，经全反镜9反射后并由45度镜 7输出。
实施例2:
本实用新型实施例2如图2所示,包括激光二极管LD侧面泵浦模块10、谐振腔；谐振腔由后腔镜4、 45度镜7和全反镜9组成，自拉曼晶体5为掺钕钨酸钡Nd:BaW04晶体，调Q 装置6是声光调Q装置，倍频晶体8选用磷酸钛氧钾KTP晶体。后腔镜4和45度镜7中放 置LD侧面泵浦模块10及自拉曼晶体5和声光调Q装置6， 45度镜7和全反镜9中放置倍频 晶体8;上述晶体侧面均用带有管道的金属块围住，金属块内的管道持续通有循环冷却水， 用来给晶体降低温度。
所述的激光二极管LD侧面泵浦模块10是由波长为808nra附近的LD侧泵激光头(最高 功率180W)、驱动电源和水冷箱组成的。 谐振腔的腔长为13 cm。
自拉曼晶体5掺钕钨酸钡Nd:BaW04晶体，尺寸为5X5X46. 6 mra3,掺杂浓度为1.2-at. %，两个端面均镀有1000 nm—1200 nm波段的增透膜(透过率大于99. 8% )。
声光调Q装置6由射频输入装置和调Q晶体组成，调Q晶体的长度为35mm，两端面均 镀有IOOO nm—1200 nm波段的增透膜(透过率大于99. 8% );调制频率为10 KHz，通过输 入射频波改变调Q晶体的密度，来实现周期性改变激光谐振腔阈值的目的，起到调Q开关作 用。
倍频晶体8磷酸钛氧钾KTP晶体，尺寸为3X3X6 mm3,晶体的两端面均镀有1000 nm 一1200 nm波段的增透膜(透过率大于99. 8% )，并且对587 rai波长的光高透(透过率大于 92%);为了满足晶体在温度为20度时的相位匹配条件，我们将KTP晶体沿0=68.7度， *=0度角度切割。
后腔镜4为薄凸透镜，曲率半径为800 mm，镀有1000 nm—1200 nm波段的高反膜(反 射率大于99.5%)。
45度镜为平镜镀有1000 nm—1200 ran波段的高反膜(对1064 nm波长的反射率R>99. 8%， 对1180 nm波长的反射率R二90.8W)，并且该膜对波长为590 nm的光高透(T=90%)。
全反镜9为平镜，镀有1000 nm—1200 nm波段的高反膜(对1064 nm波长的反射率 R>99.8%，对1180 nm波长的反射率R-90.8。/。)，并且该膜对波长为590 nm的光高反(R= 90%)。
激光器的工作流程LD侧面泵浦源发出808 nm波长的泵浦光耦合进入掺钕钩酸钡 Nd:BaWO,晶体中，当声光调Q开关6关闭时，泵浦光转为反转粒子存储起来；当Q开光打开 时，积攒的大量反转粒子通过受激辐射瞬间转为基频光；具有较高峰值功率的基频光在自拉 曼晶体处由于受激拉曼散射的作用转为拉曼光，在KTP倍频晶体8处由于倍频效应转换为黄 光，经全反镜9反射后并由45度镜7输出。
实施例3:
与实施例1相同，只是所述的自拉曼晶体5为掺钕钒酸钇Nd:YV04晶体，尺寸为3X3X 15 mm3,沿物理学定义的c轴方向切割，晶体的两端面均镀有1000 nm—1200 nm波段的增 透膜(透过率大于99.8%)，晶体掺杂浓度为2.2-at. %。后腔镜4和45度镜7中放置自拉 曼晶体5和声光调Q装置6， 45度镜7和全反镜9中放置倍频晶体8,谐振腔的腔长为13 cm。
实施例4:
与实施例1相同，只是所述的自拉曼晶体5为掺钕钨酸镥钾Nd:KLu(W04)2晶体，尺寸为3 X3X16 mm3，晶体的两端面均镀有1000 nm—1200 nm波段的增透膜(透过率大于99. 8%), 晶体的掺杂浓度为1-at. %;后腔镜4和45度镜7中放置自拉曼晶体5和声光调Q装置6， 45度镜7和全反镜9中放置倍频晶体8，谐振腔的腔长为15 cm。
实施例5:
与实施例1相同，只是所述的自拉曼晶体5为掺钕钨酸锶Nd:SrW(X晶体，尺寸为4X4X 35咖3，晶体的掺杂浓度为1.5-at.%，晶体的两端面均镀有1000 nm—l200 nm波段的增透 膜(透过率大于99.8%)。后腔镜4和45度镜7中放置自拉曼晶体5和声光调Q装置6， 45 度镜7和全反镜9中放置倍频晶体8，谐振腔的腔长为12 cm。调Q开关为声光调Q，调制频率为20 KHz。 实施例6:
与实施例1相同，只是所述的自拉曼晶体6为掺钕钨酸铅Nd: PbW04晶体，尺寸为3 X 3 X 16 mm3，晶体的两端面均镀有1000 nm—1200 nm波段的增透膜(透过率大于99. 8% )，晶体 的掺杂浓度为0. 5-at. %。调Q装置6为Cr4+:YAG可饱和吸收体被动Q开关，其小信号透过 率为90%，晶体的两端面均镀有1000 ran—1200 nm波段的增透膜(透过率大于99. 8% )。 后腔镜4和45度镜7中放置自拉曼晶体5和声光调Q装置6, 45度镜7和全反镜9中放置 倍频晶体8，谐振腔的腔长为13 cm。
实施例7:
与实施例2相同,只是所述的自拉曼晶体5为掺钕钨酸钆钾Nd:KGd(W0》2晶体，尺寸为4 X4X35 mra3,晶体的两端面均镀有1000 nm—1200 nm波段的增透膜(透过率大于99.8%), 晶体的掺杂浓度为1. 1-at.%;所述的倍频晶体7为三硼酸锂LBO晶体，晶体的两端面均镀 有IOOO nm—1200 nm波段的增透膜(透过率大于99. 8% )。所述的谐振腔的腔长为15 cm， 后腔镜4和45度镜7中放置声光调Q装置6和LD侧面泵浦模块10及自拉曼晶体5， 45度 镜7和全反镜9中放置倍频晶体8。调Q开关为声光调Q，调制频率为10KHz。
实施例8:
与实施例1相同，只是所述的自拉曼晶体5是键合掺钕钒酸钇(YV04/Nd:YV04)，其掺杂 浓度为0.5%，尺寸为3mmX3 mmX3 mm (YV04) +3mmX3 mmX8 mm (Nd:YV04)，晶体的两 端面均镀有808 nm波长和1000 nm—1200 nm波段的增透膜(透过率大于99. 8% )。谐振腔 的腔长为ll cm，后腔镜4和45度镜7中放置自拉曼晶体5和声光调Q装置6， 45度镜7 和全反镜9中放置倍频晶体8。
实例9:
与实施例1相同，只是所述的自拉曼晶体5为掺镱钒酸钆Yb:GdV04晶体，尺寸为5X5X 1 mm3,掺杂浓度为3-at.%;晶体的两端面均镀有1000 nm—1200 nm波段的增透膜(透过率 大于99.8%);泵浦源的输出波长为940 nm，光纤的纤芯半径为100 um。后腔镜4和45 度镜7中放置自拉曼晶体5和声光调Q装置6， 45度镜7和全反镜9中放置倍频晶体8，谐 振腔的腔长为12 cm。
上述九个实施例中的所有晶体均经过水冷却装置11控温，水温为20度。
权利要求1. 一种折叠腔自拉曼倍频全固体黄光激光器，包括激光二极管(LD)泵浦源、谐振腔，谐振腔由后腔镜、45度镜和全反镜组成，其特征在于谐振腔的后腔镜和45度镜中间放置自拉曼晶体和调Q装置，45度镜和全反镜中放置倍频晶体；自拉曼晶体、调Q装置和倍频晶体均由冷却装置对其进行温度控制；由激光二极管LD泵浦源产生的泵浦光耦合进入自拉曼晶体并转换成基频光，产生的基频光在自拉曼晶体处由于拉曼效应的作用发生受激拉曼散射而产生拉曼光，拉曼光在倍频晶体中完成倍频过程，产生黄光并由45度镜输出。
2. 如权利要求1所述的折叠腔自拉曼倍频全固体黄光激光器，其特征在于所述的激光 二极管LD泵浦源可以是LD端面泵浦源，它包括驱动电源、激光二极管、冷却装置、光纤和 耦合透镜组；也可以是LD侧面泵浦源，它包括驱动电源、LD侧面泵浦模块、冷却装置。
3. 如权利要求1所述的折叠腔自拉曼倍频全固体黄光激光器，其特征在于所述的谐振 腔在LD侧面泵浦情况下谐振腔内的侧面泵浦模块及自拉曼晶体和调Q开关的相对位置可相 互调换。
4. 如权利要求1所述的折叠腔自拉曼倍频全固体黄光激光器，其特征在于所述的自拉 曼晶体可以是掺钕(Nd)或掺镱(Yb)的下列晶体的一种钨酸盐类(KGd(W04)2, BaW04， SrW04， Pb(W04)2、 KLu(W0》2等)、钒酸盐类(YV04, GdV(X等)、硝酸盐类(Ba(N03)2等)，碘酸盐类(Li1()3 等)；也可以是键合晶体钒酸钇/掺钕钒酸钇(YV04/Nd:YVO4)。
5. 如权利要求1所述的折叠腔自拉曼倍频全固体黄光激光器，其特征在于所述的自拉 曼晶体在LD端面泵浦情况下，其两个端面均镀有泵浦光波段及1000 nm—1200 nm波段的增 透膜；在LD侧面泵浦情况下，其两个端面均镀有IOOO nm—1200 nm波段的增透膜。
6. 如权利要求1所述的折叠腔自拉曼倍频全固体黄光激光器，其特征在于所述的调Q 装置可以是电光调Q装置、声光调Q装置和可饱和吸收体被动调Q装置中的一种。
7. 如权利要求1所述的折叠腔自拉曼倍频全固体黄光激光器，其特征在于所述的倍频 晶体可以是磷酸钛氧钾KTP、三硼酸锂LBO等；倍频晶体的两端镀有1000 nm—1200 nm波 段的增透膜。
8. 如权利要求1所述的折叠腔自拉曼倍频全固体黄光激光器，其特征在于所述的谐振 腔内的后腔镜在LD端面泵浦时镀有泵浦光波长的增透膜和对1000 nm—1200 nm波段的反射 率大于90%的反射膜；在LD侧面泵浦时镀有对1000 nm—1200 nm波段的反射率大于90% 的反射膜；45度镜镀有在1000 nm—1200 nm波段反射率大于90%的反射膜，并且该膜对 波长为590 nm的光透过范围大于80%;全反镜镀有在1000 nm—1200 nm波段反射率大于90 %的反射膜，并且该膜对590 nm附近的黄光具有大于90X的反射率。
9. 如权利要求1所述的折叠腔自拉曼倍频全固体黄光激光器，其特征在于所述的谐振 腔的腔长为5 cm—50 cm。
专利摘要折叠腔自拉曼倍频全固体黄光激光器，包括激光二极管(LD)泵浦源、谐振腔，谐振腔由后腔镜、45度镜和全反镜组成，其特征在于谐振腔的后腔镜和45度镜中间放置自拉曼晶体和调Q装置，45度镜和全反镜中放置倍频晶体；自拉曼晶体、调Q装置和倍频晶体均由冷却装置对其进行温度控制。本实用新型激光器与背景技术中的相比具有体积小、输出功率和转换效率高，并且体积小、性能稳定、成本低，可广泛地应用于激光医疗领域。
文档编号H01S3/108GK201234056SQ20082002464
公开日2009年5月6日 申请日期2008年6月30日 优先权日2008年6月30日
发明者丛振华, 刘兆军, 琛 张, 张行愚, 李述涛, 王青圃, 范书振, 陈晓寒 申请人:山东大学