一种非临界相位匹配倍频的紫光激光器的制造方法
【专利摘要】本实用新型提供一种非临界相位匹配倍频的紫光激光器。包括LaCOB倍频晶体。所述LaCOB为硼酸钙氧镧（LaCa4O(BO3)3的简称。利用其非临界相位匹配直接倍频商用的中心波长为808±5nm的半导体(LD)激光器，获得中心波长405～407nm输出的高功率紫光激光器，紫光固体激光器。该激光器具有转化效率高、成本低、结构紧凑、小型化、可靠性高、寿命长等优点。本实用新型紫激光器的结构简单，性能稳定，转化率高。因为该激光器所采用的倍频材料LaCOB晶体是沿折射率主轴加工的，应用LaCOB晶体的非临界相位匹配技术，可以增加激光器稳定性，提高激光器效率。其它紫激光器不是利用非线性光学晶体非临界相位匹配技术直接倍频LD得到的。
【专利说明】一种非临界相位匹配倍频的紫光激光器
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种非临界相位匹配倍频的紫光激光器，属于激光与器件的【技术领域】。
【背景技术】
[0002]全固态蓝紫光激光器因其在激光生物医学、激光彩色显示、激光高密度数据存储、激光光谱学、激光打印、激光水下成像与通讯、激光制冷等领域的广泛应用，近年来备受人们重视。目前，实现全固态蓝紫色激光光源的途径主要有三种:(I)直接发射蓝光的激光二极管；(2) LD泵浦全固态激光再通过非线性光学手段获得的蓝紫色激光器；(3)直接倍频LD的蓝紫色光源。直接发射蓝光的半导体激光器，具有结构简单、使用方便、电-光转换效率高等优点，但由于半导体材料本身的缺陷难于克服，使得蓝色激光二极管的发展相对缓慢，与实用化之间还有一段距离。LD泵浦全固态激光再通过非线性光学频率转换如倍频、和频等方法来得到蓝紫色激光输出，中间环节多，整体结构复杂，可靠性相对较差。通过直接倍频LD获得蓝紫色激光具有结构简单、可靠性高、成本低、转化率高，能够实现高的光-光转换效率。最近几年商用LD技术飞速发展，其光束质量和输出功率均得到提高，发射线宽得到压缩，各种新型倍频晶体质量不断提高，直接倍频LD的蓝紫色光源技术得到飞速发展。目前这种通过二次谐波(SHG)将LD泵浦的红外激光输出直接倍频得到蓝紫色激光的技术已获得应用，但其中关键的倍频晶体有限。目前市场上主要有三硼酸锂(LB0)、周期性极化铌酸锂(PPLN)和周期性极化磷酸氧钛钾(PPKTP)等晶体能够实现蓝紫激光的输出，但是其相位匹配方向偏离晶体光学主轴较大，因此BBO晶体基频光与倍频光走离角大，基频光容许角小，不能够利用较长晶体获得高的转化率；PPLN和PPKTP晶体生长慢，晶体加工及制备技术复杂，基频光容许角小。
实用新型内容
[0003]针对现有技术的不足，本实用新型提供一种非临界相位匹配倍频的紫光激光器。本实用新型所述的激光器为利用其非临界相位匹配技术直接倍频商用半导体激光器(LD，中心波长808±5nm)，获得紫光(中心波长405?407nm)输出的全固体激光器。该紫光激光器具有结构简单、使用方便、稳定性好、成本低、寿命长、体积小、转化率高等优点，有利于蓝紫激光器发展和应用。
[0004]本实用新型的技术方案如下:
[0005]专业技术术语:
[0006]1.相位匹配(PM)
[0007]基频光射入非线性光学晶体，在光路的每个地方都产生二次极化波或称倍频光波。光频电场在晶体中传到哪里，就会在那里产生二次谐波，由于晶体折射率的色散，二次谐波发射的二次谐波的传播速度与入射基频波的传播速度不同，不同时刻在晶体中的不同部位所发射的二次谐波在晶体内传播的过程要发生干涉现象，相干的结果决定着输出光的强度。要想得到较强的二次谐波输出，不同时刻在晶体中不同部位所发射的二次谐波必须位相一致，要达到这一目的，就要求入射的基频光在晶体的传播速度与二次谐波在晶体的传播速度相同，从而得到较强的倍频光输出，这就是相位匹配的含义。
[0008]2.临界相位匹配(CPM)非临界相位匹配(NCPM)
[0009]非临界相位匹配(NCPM)对单轴晶而言是指垂直光轴方向的相位匹配，对双轴晶而言是指沿折射率主轴方向的相位匹配，其它情况的相位匹配称为临界相位匹配(CPM)t5NCPM和CPM相比具有走离角为零、容许角大的优势，因而便于利用较长晶体获得较高转化效率。
[0010]3.LaCOB倍频晶体在此是指沿倍频方向加工好的小块晶体，LaCOB晶体是尚未沿倍频方向加工的大块晶体。
[0011]实用新型概述
[0012]本实用新型涉及一种非临界相位匹配倍频的紫光激光器，包括LaCOB倍频晶体。所述LaCOB为硼酸钙氧镧(LaCa4O(BO3)3的简称。利用其非临界相位匹配直接倍频商用的中心波长为808±5nm的半导体(LD)激光器，获得中心波长405?407nm输出的高功率紫光激光器，紫光固体激光器。该激光器具有转化效率高、成本低、结构紧凑、小型化、可靠性高、寿命长等优点。
[0013]目前商用中心波长为808nm±5nm的半导体激光器技术已比较成熟，体积小、重量轻、耗电小，便于与光纤耦合，输出功率越来越高，可以直接进行强度调制和通过温控改变LD的输出波长。利用晶体的NCPM技术直接倍频商用LD，能够获得更高转化效率，更稳定的激光器，通过计算硼酸钙氧镧(LaCOB)晶体在垂直ZX主平面沿Y轴通光的非临界匹配波长在813nm附近，并且用光学参量振荡激光器(OPO)进行测试，发现在基频光811nm?815nm入射下均观测到倍频紫光，将商用中心波长808nm±5nm半导体激光器的出射波长通过控温法调到Sllnm?813nm，通过设计适当的腔镜或者将晶体通光端面镀膜，在室温20°C下可以实现LaCOB晶体非临界相位匹配直接倍频LD，获得了 405?407nm紫光激光。
[0014]实用新型详述
[0015]一种非临界相位匹配倍频的紫光激光器，包括出光中心波长为808±5nm的LD和LaCOB倍频晶体，所述LaCOB倍频晶体的具体切角是(90°，90° )，上述切角遵循晶体学的国际惯例，前一个角度为空间切割方向与空间坐标系中Z轴的夹角，后一个角度为空间切割方向在空间坐标系中XY平面内的投影与X轴的夹角，其中X轴、Y轴和Z轴为三维空间的坐标轴。在20°C的室温下，该LaCOB倍频晶体沿Y轴方向的理论非临界相位匹配波长在813nm附近。本实用新型所设计的紫光激光器是用LaCOB直接倍频商用808±5nm LD获得的，中心波长在405-407nm附近，有利于直接倍频LD蓝紫光激光器的发展和产业化。
[0016]根据本实用新型优选的，所述LD为脉冲运转LD或连续运转LD，所述LD出光中心波长为 811nm_813nm。
[0017]根据本实用新型优选的，在所述LaCOB倍频晶体的出射端设置滤除基频光的滤色片，只得到波长为405-407nm的紫色激光。
[0018]根据本实用新型优选的，在所述LaCOB倍频晶体的入射面设置有镀膜:811_815nm增透膜和405-408nm高反膜；在所述LaCOB倍频晶体的出射面设置有镀膜:811_815nm高反膜和405-408nm增透膜。
[0019]根据本实用新型优选的，在所述LaCOB倍频晶体的入射面前部设置一个811-815nm增透、405_408nm高反的透镜；在所述LaCOB倍频晶体的出射面后部设置一个811-815nm 高反、405_408nm 增透镜。
[0020]本实用新型的优点在于:
[0021]1、本实用新型紫激光器的结构简单，性能稳定，转化率高。因为该激光器所采用的倍频材料LaCOB晶体是沿折射率主轴加工的，应用LaCOB晶体的非临界相位匹配技术，可以增加激光器稳定性，提高激光器效率。其它紫激光器不是利用非线性光学晶体非临界相位匹配技术直接倍频LD得到的。
[0022]2、本实用新型紫激光器是采用直接倍频商用中心波长为808±5nm的LD得到的，输出波长405-407nm短于一般蓝紫激光器,商用808±5nm的LD技术成熟、功率高、价格低，本实用新型紫激光器成本低于其它蓝紫激光器。
[0023]3、蓝紫激光器市场上采用的倍频晶体主要有三硼酸锂(LB0)、周期性极化铌酸锂(PPLN)和周期性极化磷酸氧钛钾(PPKTP)等晶体生长慢，加工复杂，成本高。本实用新型激光器采用的LaCOB晶体用提拉法生长短时间内就可以获得大尺寸单晶，直接沿主轴加工后不需要外加电场极化便能用，LaCOB晶体硬度大，性质稳定，不易潮解，因此本实用新型紫激光器使用寿命长。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1、LaCOB倍频晶体结晶学轴a, b, c,折射率主轴X，Y, Z和晶面(-201)，(010)，(202)的结构示意图；
[0025]图2、LaCOB倍频晶体沿折射率主轴的加工示意图；
[0026]图3、LaCOB晶体直接倍频输出波长81 Inm的光纤耦合LD，LaCOB晶体两侧镀膜；
[0027]图4、LaCOB晶体直接倍频输出波长81 Inm的光纤耦合LD，LaCOB晶体前后放置适当的透镜。
【具体实施方式】:
[0028]下面结合实施例和说明书附图对本实用新型做详细的说明，但不限于此。
[0029]实施例1、
[0030]一种非临界相位匹配倍频的紫光激光器，包括出光中心波长为808±5nm的LD和LaCOB倍频晶体，所述LaCOB倍频晶体的具体切角是(90°，90° )，上述切角遵循晶体学的国际惯例，前一个角度为空间切割方向与空间坐标系中Z轴的夹角，后一个角度为空间切割方向在空间坐标系中XY平面内的投影与X轴的夹角，其中X轴、Y轴和Z轴为三维空间的坐标轴。在20°C的室温下，该LaCOB倍频晶体沿Y轴方向的理论非临界相位匹配波长在813nm附近。本实用新型所设计的紫光激光器是用LaCOB直接倍频商用808±5nm LD获得的，中心波长在405-407nm附近，有利于直接倍频LD蓝紫光激光器的发展和产业化。所述LD为脉冲运转LD或连续运转LD，所述LD出光中心波长为811nm_813nm。
[0031]实施例2、
[0032]如实施例1所述的一种非临界相位匹配倍频的紫光激光器，其区别在于，在所述LaCOB倍频晶体的出射端设置滤除基频光的滤色片，只得到波长为405-407nm的紫色激光。
[0033]实施例3、[0034]如实施例1所述的一种非临界相位匹配倍频的紫光激光器，其区别在于，在所述LaCOB倍频晶体的入射面设置有镀膜:811-815nm增透膜和405_408nm高反膜；在所述LaCOB倍频晶体的出射面设置有镀膜:811-815nm高反膜和405_408nm增透膜。
[0035]实施例4、
[0036]如实施例1所述的一种非临界相位匹配倍频的紫光激光器，其区别在于，在所述LaCOB倍频晶体的入射面前部设置一个811-815nm增透、405-408nm高反的透镜；在所述LaCOB倍频晶体的出射面后部设置一个811-815nm高反、405_408nm增透镜。
[0037]上述LaCOB倍频晶体的制备方法包括如下三种方法:
[0038](I)将LaCOB晶体沿光学主轴XYZ主平面加工，XZ双面抛光。考虑到晶体定向和加工误差，晶体的切角为(90±2°，90±2° )。这里遵循晶体学的国际惯例，前一个角度为空间切割方向与Z轴的夹角，后一个角度为空间切割方向在XY平面内的投影与X轴的夹角。
[0039](2)将LaCOB晶体沿XYZ主平面加工，XZ面抛光，LD发出波长为811_813nm的激光垂直入射至LaCOB倍频晶体的ZX主平面，沿Y轴通光。本发明中，对LaCOB倍频晶体的XZ面抛光，可增加LaCOB倍频晶体Y轴的长度达20?30mm，提高转化效率。
[0040](3)将LaCOB晶体沿XYZ主平面加工，XZ面抛光，在所述LaCOB倍频晶体的入射面增透波长为811-815nm的激光、高反波长为405_408nm的激光；在所述LaCOB倍频晶体的出射面增透波长为405-408nm的激光、高反波长为811_815nm的激光。
【权利要求】
1.一种非临界相位匹配倍频的紫光激光器，其特征在于，该激光器包括出光中心波长为808±5nm的LD和LaCOB倍频晶体，所述LaCOB倍频晶体的具体切角是(90°，90° )。
2.根据权利要求1所述的一种非临界相位匹配倍频的紫光激光器，其特征在于，所述LD为脉冲运转LD或连续运转LD，所述LD出光中心波长为811nm_813nm。
3.根据权利要求1所述的一种非临界相位匹配倍频的紫光激光器，其特征在于，在所述LaCOB倍频晶体的出射端设置滤除基频光的滤色片，只得到波长为405-407nm的紫色激光。
4.根据权利要求1、2或3任意一项所述的一种非临界相位匹配倍频的紫光激光器，其特征在于，在所述LaCOB倍频晶体的入射面设置有镀膜:811-815nm增透膜和405_408nm高反膜；在所述LaCOB倍频晶体的出射面设置有镀膜:811-815nm高反膜和405_408nm增透膜。
5.根据权利要求1、2或3任意一项所述的一种非临界相位匹配倍频的紫光激光器，其特征在于，在所述LaCOB倍频晶体的入射面前部设置一个811-815nm增透、405_408nm高反的透镜；在所述LaCOB倍频晶体的出射面后部设置一个811-815nm高反、405_408nm增透镜。
【文档编号】H01S3/0941GK203521889SQ201320594353
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2013年9月25日 优先权日:2013年9月25日
【发明者】王正平, 刘彦庆, 于法鹏, 许心光, 赵显
申请人:山东大学