可见光波段多波长可调型固体拉曼激光器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于激光器领域。
【背景技术】
[0002] 受激拉曼散射效应（StimulatedRamanScattering,SRS)本质上是光在介质中的 一种非弹性散射过程。入射光子的能量被物质原子吸收后，一部分能量仍以光子的形式辐 射出来，而另外一部分能量则以声子的形式存储在晶格中，最终转化为热能。因此，辐射出 来的光子能量减少，频率降低，波长变长，通常称之为Stokes光。作为一种重要的光学频率 变换手段，SRS已经被广泛应用于激光器中，用来获得传统激光器中难以实现的新波长。
[0003] 研宄表明，具备拉曼频移特性能实现上述光学变换的固体材料种类繁多，包括：特 殊掺杂的光纤和半导体材料，碘酸锂、硝酸钡、掺钕钒酸盐、钨酸盐、钼酸盐、Diamond、KTP等 多种固体晶块。基于这些材料的SRS效应建立的全固态拉曼激光器不仅能输出新的波长， 还具有体积小、效率高、光束质量好和稳定性强等优点，因此，受到国内外研宄人员的广泛 关注，催生了一大批新型固体激光光源，如中红外光纤拉曼激光器、半导体拉曼激光器、基 于固体晶块的拉曼激光器等。
[0004] 其中的基于掺钕钒酸盐晶体的自拉曼激光器的研宄尤为惹人注目。此类激光器的 特点是一块晶体既充当激光增益介质又充当拉曼增益介质，打破了传统拉曼激光器中必须 借助两种增益介质才能实现的常规设计，既简化了谐振腔结构又降低了腔内损耗。相关研 宄对实现小型化、低阈值、高效率的新型固体激光光源而言影响深远。
[0005]研宄发现了YVO# GdV04晶体的拉曼增益活性，在两者的主拉曼频移峰处，对应的 拉曼增益系数较大，所实现的拉曼频移转换具有阈值低、效率高等优势。特别是经过离子掺 杂后的Nd:YV〇dP Nd:GdV04晶体兼具激光增益和拉曼增益特性，是性能优良的自拉曼晶体 材料。随着其生长技术和镀膜技术的不断提高，Nd:YVOjP Nd: GdVO4晶体的品质得以提高， 制作成本逐步降低，已有成熟的产品投放市场。再加上此类晶体具有热光系数各向同性的 优点，使得它们在固体自拉曼激光器的研宄中备受青睐。
[0006] 基于上述晶体的固体拉曼激光器已经实现了中红外波段新波长输出。然而，以上 现有技术仍然面临阈值功率较高、系统体积较大、转换效率较低等诸多缺陷。
【发明内容】
[0007] 本发明提出利用Nd:YV04自拉曼激光器中高阶Stokes效应与腔内混频相结合，以 实现可见光波段多个波长的选择性输出。这样一来，一台小型化高效率的自拉曼固体激光 器可以根据需要输出不同波长，这对于激光加工、精密测量、拉曼光谱仪等系统具有十分重 要的现实意义。它可以有效地拓展上述系统的材料适应性，支持在不同激光波长下对不同 的样品进行检测、成像和加工，有助于解决现有条件下一机带多台不同激光源造成的系统 庞大、成本较高的问题，为真正实现上述系统的"一机多能"奠定基础。
[0008] 可见光波段多波长可调型固体拉曼激光器，其特征在于：依次包括泵浦源LD、自 拉曼晶体、BBO晶体和凹面镜0C，凹面镜0C面向腔内一侧镀有反射率膜和透过率膜；
[0009]自拉曼晶体切割方式为a轴切割，自拉曼晶体面向泵浦一侧的端面上镀有针对第 一波段呈现反射性并且在第二波段呈现增透性的膜，晶体另一侧通光面镀有增透膜；
[0010] 选用BB0晶体进行腔内倍频或和频作用，两个通光面镀有增透膜，BB0晶体切割 角度采用一类相位匹配。
[0011] 进一步，自拉曼晶体为制:￥￥04、恥:6沢0 4或制:1^04。
[0012] 进一步，自拉曼晶体选用l_3at. %掺杂自拉曼晶体。
[0013] 进一步，自拉曼晶体长度为1. 5-4mm。
[0014] 进一步，BBO晶体长度为3-5mm。
[0015] 进一步，BBO晶体与凹面镜0C之前的空间间隙小于等于2mm。
[0016] 进一步，BBO晶体切割角度为巾=0°且0小于等于23°。
[0017] 进一步，自拉曼晶体和BB0晶体的长度比为0. 4-1。
[0018] 应用所述的可见光波段多波长可调型固体拉曼激光器的方法，其特征在于：
[0019] LD输出的泵浦光经过准直聚焦后入射到自拉曼晶体晶体中产生基频光；自拉曼 晶体泵浦端高反射率镀膜、凹面镜0C两者共同构成基频光和Stokes光波段谐振腔；当腔内 的基频光功率密度达到拉曼阈值时，首先产生一阶Stokes光，继续增大泵浦功率激发出二 阶Stokes光；其中基频光和一阶Stokes光再经过BB0晶体二次倍频作用产生两种不同波 长的光，基频光和一阶Stokes光两者经过和频作用产生另一波长的光；一阶Stokes光与二 阶Stokes光经过BB0晶体和频作用产生第四种波长的光；通过控制BB0的相位匹配角度， 即可实现不同可见光波长之间的切换。
[0020] 本发明原理如下：
[0021] 首先，利用Nd:YV0#SB体的自拉曼效应产生基频光和级联Stokes光的同时激射：
[0022] 如图1所示，本发明采用半导体激光二极管（LD)端面泵浦直线型Nd:YV04自拉 曼激光器设计。其中，LD输出的808nm泵浦光经过准直聚焦后入射到Nd:YV04晶体中产生 1064nm基频光。Nd:YV04晶体的泵浦端镀有1000-1500nm高反射率膜，凹面镜0C面向腔内一 侧镀有1000-1500nm高反射率膜和500-800nm高透过率膜，两者共同构成基频光和Stokes 光波段高品质谐振腔。由于Nd:YV04晶体在890CHT1具有较高的拉曼增益系数，当腔内的基 频光功率密度达到拉曼阈值时，首先产生1176nm-阶Stokes光，继续增大泵浦功率可以激 发出1316nm二阶Stokes光。为使上述过程得以顺利进行，并实现较低的阈值功率和较高 的转换效率，本发明对晶体参数的选择和谐振腔设计进行了下述分析和模拟：
[0023] Nd:YV0;体参数的选择：
[0024] 晶体对泵浦光的吸收效率在很大程度上决定了激光器的转换效率，因此我们首先 对Nd:YV04晶体在不同掺杂浓度下对808nm泵浦光的吸收情况进行分析模拟。研宄发现， 808nm泵浦光沿lat. %Nd:YV04晶体c轴偏振时，吸收系数较高a而沿a轴偏振 时，吸收系数下降为aa=lOcnT1。不同的吸收系数意味着不同的吸收深度，我们采用公式 (3-1)和公式（3-2)来分别描述非线偏振泵浦光和线偏振泵浦光在晶体内部的衰减分布。
【主权项】
1. 可见光波段多波长可调型固体拉曼激光器，其特征在于：依次包括泵浦源LD、自拉 曼晶体、BBO晶体和凹面镜0C，凹面镜OC面向腔内一侧镀有反射率膜和透过率膜； 自拉曼晶体切割方式为a轴切割，自拉曼晶体面向泵浦一侧的端面上镀有针对第一波 段呈现反射性并且在第二波段呈现增透性的膜，晶体另一侧通光面镀有增透膜； 选用BBO晶体进行腔内倍频或和频作用，两个通光面镀有增透膜，BBO晶体切割角度 采用一类相位匹配。
2. 根据权利要求1所述的可见光波段多波长可调型固体拉曼激光器，其特征在于：自 拉曼晶体为 Nd: YVO4、Nd: 6沢04或 Nd: LuVO 4。
3. 根据权利要求1所述的可见光波段多波长可调型固体拉曼激光器，其特征在于：自 拉曼晶体选用l_3at. %掺杂自拉曼晶体。
4. 根据权利要求1所述的可见光波段多波长可调型固体拉曼激光器，其特征在于：自 拉曼晶体长度为I. 5-4mm。
5. 根据权利要求1所述的可见光波段多波长可调型固体拉曼激光器，其特征在于：BB0 晶体长度为3-5mm。
6. 根据权利要求1所述的可见光波段多波长可调型固体拉曼激光器，其中，BBO晶体与 凹面镜OC之前的空间间隙小于等于2mm。
7. 根据权利要求1所述的可见光波段多波长可调型固体拉曼激光器，其中，BBO晶体切 割角度为巾=0°且9小于等于23°。
8. 根据权利要求1所述的可见光波段多波长可调型固体拉曼激光器，其中，自拉曼晶 体和BBO晶体的长度比为0. 4-1。
9. 应用如权利要求1所述的可见光波段多波长可调型固体拉曼激光器的方法，其特征 在于： LD输出的泵浦光经过准直聚焦后入射到自拉曼晶体晶体中产生基频光；自拉曼晶体 泵浦端高反射率镀膜、凹面镜OC两者共同构成基频光和Stokes光波段谐振腔；当腔内的 基频光功率密度达到拉曼阈值时，首先产生一阶Stokes光，继续增大泵浦功率激发出二阶 Stokes光；其中基频光和一阶Stokes光再经过BBO晶体二次倍频作用产生两种不同波长 的光，基频光和一阶Stokes光两者经过和频作用产生另一波长的光；一阶Stokes光与二阶 Stokes光经过BBO晶体和频作用产生第四种波长的光；通过控制BBO的相位匹配角度，即 可实现不同可见光波长之间的切换。
【专利摘要】可见光波段多波长可调型固体拉曼激光器属于激光器领域。其特征在于：依次包括泵浦源LD、1-3at.％掺杂的自拉曼晶体、BBO晶体和凹面镜OC，其中，自拉曼晶体泵浦端的高反射率镀膜与OC镜共同构成自拉曼谐振腔，实现基频光和级联Stokes光的同时激射；再通过对BBO晶体相位匹配角度的调节，有选择性地针对特定波长组合进行腔内倍频或和频作用，从而实现不同可见光波长的输出。本发明可根据需要在一台激光器中实现多波长可见光输出，这将有效拓展激光加工、精密测量、拉曼光谱仪等系统的材料适应性，解决目前一机带多台不同激光源造成的体积大、成本高的问题，为真正实现一机多能奠定技术基础。
【IPC分类】H01S3-30, H01S3-16, H01S3-108
【公开号】CN104868358
【申请号】CN201510290930
【发明人】李小丽, 宋海英, 刘世炳
【申请人】北京工业大学
【公开日】2015年8月26日
【申请日】2015年5月31日