专利名称：侧面泵浦高功率红、绿、蓝同时运转的三基色激光器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种多波长固体激光器，特别涉及侧面泵浦高功率红、绿、蓝同时运转的三基色激光装置。
背景技术：
自1960年世界上第一台红宝石激光器诞生以来，各类激光器及激光技术发展极为迅速，其中，多波长激光器尤其是红、绿、蓝三基色激光器的发展备受瞩目。原因是它克服了激光器输出单一波长的缺陷，在诸多领域中都有着广阔的市场和应用前景，如大屏幕激光电视、激光彩色显示、激光娱乐表演、激光制造等。红、绿、蓝三基色激光显示是投影显示领域的最新技术，它比其它显示技术具有更多的优越性超大屏幕、高亮度、色域宽、高度饱和色彩、高分辨率、可在任意形状表面显示、高对比度等。因此，红、绿、蓝三基色激光器也成为了激光显示领域中研究和开发的重点。
目前，就高功率红、绿、蓝三基色激光光源而言，有气体激光器和固体激光器两类。而气体激光器中，采用氩离子和氪离子气体激光器作为三基色光源，不仅耗电量大，体积大，效率低，操作维护困难，寿命也短。因此，已有逐渐被固体激光器所取代的趋势。国际上实现红、绿、蓝三基色激光器的运转通常都以某一激光器输出的单一基频光为基础，再通过多次非线性光学频率的变换(光学参量振荡、倍频、和频)来实现红、绿、蓝三基色激光的输出，如用一台Nd:YLF激光器产生1047nm单一波长的基频光，通过倍频晶体后产生523nm倍频光，该绿光通过光参量振荡器后，同时输出了896nm信号光和1256nm闲置光及523nm的绿光，信号光同闲置光分别经过倍频晶体后分别输出448nm蓝光和628nm红光，从而完成红、绿、蓝三基色激光的输出(US.Patent 5740190)。但该类红、绿、蓝三基色激光的产生过程较为复杂，成本也较高。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术不足，提供一种侧面泵浦高功率红、绿、蓝同时运转的三基色激光器，实现高功率密度的红、绿、蓝三基色激光输出，具有结构紧凑、效率高、运转成本低、便于调整、工作安全的优点。
实现本发明的技术方案是这样解决的平凹全反射端镜的水平光路上依次设置有声光Q开关、激光晶体、第一分束镜、第二分束镜、二次谐波镜、第三倍频晶体、第三平面反射镜；垂直光路上面向第一分束镜的一面依次设置第一倍频晶体、第一平面反射镜，第一分束镜的另一面设置第四平面反射镜；垂直光路上面向第二分束镜的一面依次设置第二倍频晶体、第二平面反射镜，第二分束镜的另一面设置第五平面反射镜。
第一分束镜、第二分束镜的倾斜角度与水平正向夹角为135°。
第一分束镜与第四平面反射镜互成90°，第二分束镜与第五平面反射镜互成90°。
平凹全反射端镜分别和第一平面反射镜、第二平面反射镜、第三平面反射镜构成谐振腔。
第一倍频晶体、第二倍频晶体、第三倍频晶体可以是三硼酸锂(LBO)、磷酸钛氧钾(KTP)、β-偏硼酸钡(BBO)、偏硼酸铋(BIBO)等非线性光学晶体中的一种、两种或三种晶体。将以上倍频晶体的侧面均匀涂抹银粉并用铟箔包裹后放入水冷散热铜块中。
增益介质采用掺钕离子的激光晶体，钕离子在能级4F3/2-4I13/2、4F3/2-4I11/2、4F3/2-4I9/2跃迁以产生1.3微米、1.0微米和0.9微米波段范围的三波长基频光。
本发明侧面泵浦高功率红、绿、蓝同时运转的三基色激光器，采用一个平凹镜作为谐振腔的左侧端镜，同时实现了三波长基频光的全反射，减少了构成激光器谐振腔的元件，使其结构更为简单紧凑；采用分束镜，将沿激光晶体光轴传播的三波长基频光大角度分成三路光，使它们在相应的谐振腔内分别形成振荡，这样，每一路光都可以独立于其它光路进行单独调节，使操作更为方便；采用二次谐波镜，将1.0微米波长范围的基频光二次通过倍频晶体后所产生的倍频光全反射，再由输出镜输出，提高了该波段倍频光的转换效率和输出功率；采用声光Q开关，使连续的三波长基频光转换成具有高重复频率及高峰值功率的脉冲激光，从而获得高效率的红、绿、蓝三基色激光。
附图为本发明的结构示意图。
下面结合附图对本发明的内容作进一步详细说明。
具体实施例方式
参见附图所示，平凹全反射端镜1的水平光路上依次设置有声光Q开关14、激光晶体10、第一分束镜5、第二分束镜6、二次谐波镜9、第三倍频晶体13、第三平面反射镜4；垂直光路上面向第一分束镜5的一面依次设置第一倍频晶体11、第一平面反射镜2，第一分束镜5的另一面设置第四平面反射镜7；垂直光路上面向第二分束镜6的一面依次设置第二倍频晶体12、第二平面反射镜3，第二分束镜6的另一面设置第五平面反射镜8。
第一分束镜5、第二分束镜6的倾斜角度与水平正向夹角为135°。
第一分束镜5与第四平面反射镜7互成90°，第二分束镜6与第五平面反射镜8互成90°。
掺Nd3+的激光晶体吸收泵浦光能量后，形成反转粒子数分布，当Nd3+在能级4F3/2-4I13/2、4F3/2-4I11/2、4F3/2-4I9/2跃迁便产生1.3微米、1.0微米和0.9微米波段范围的三波长基频光。其中0.9微米的基频光入射到平凹全反射端镜1，反射光分别经声光Q开关14、激光晶体10及第一分束镜5以45°反射后经第一倍频晶体11入射到第一平面反射镜2，第一平面反射镜2将未转换的基频光沿原光路反射回平凹全反射端镜1，经第一倍频晶体11产生的倍频蓝光激光由第一平面反射镜2反射分别经第一倍频晶体11、第一分束镜5入射到第四平面反射镜7，第四平面反射镜7将入射光以45°角反射后水平方向输出；1.3微米的基频光入射到平凹全反射端镜1，反射光分别经声光Q开关14、激光晶体10经过第一分束镜5入射到第二分束镜6，第二分束镜6将其以45°角反射后经第二倍频晶体12入射到第二平面反射镜3，第二平面反射镜3将未转换的基频光沿原光路反射回平凹全反射端镜1，经第二倍频晶体12产生的红光激光由第二平面反射镜3反射后再次经第二倍频晶体12、第二分束镜6入射到第五平面反射镜8，第五平面反射镜8将其以45°角反射后水平方向输出；
1.0微米的基频光入射到平凹全反射端镜1，反射光分别经声光Q开关14、激光晶体10经第一分束镜5入射到第二分束镜6，第二分束镜6的出射光经二次谐波镜9后入射到第三倍频晶体13，第三倍频晶体13出射的倍频绿光激光经谐振腔第三平面反射镜4水平方向输出，未转换的基频光由第三平面反射镜4反射后沿原路返回平凹全反射端镜1，基频光再次经第三倍频晶体13产生的倍频绿光激光被二次谐波镜9反射后又经第三倍频晶体13由第三平面反射镜4输出。
下面以LD侧面泵浦Nd3+:YAG激光晶体产生946nm、1319nm、1064nm三波长基频光，用三块LBO倍频晶体将其倍频以产生高功率红绿蓝三基色激光为例具体说明。
激光晶体Nd3+:YAG10吸收泵浦光能量后，形成粒子数反转分布，当钕离子在能级4F3/2-4I13/2、4F3/2-4I11/2、4F3/2-4I9/2跃迁时，便产生1319nm、1064nm和946nm三波长基频光，946nm的基频光经平凹全反射端镜1全反射和第一分束镜5以45°角反射后传播到第一平面反射镜2并形成振荡，1319nm基频光经平凹全反射端镜1全反射并通过第一分束镜5后被第二分束镜6以45°角反射到第二平面反射镜3并在平凹全反射端镜1和第二平面反射镜3之间形成振荡光，而1064nm基频光在平凹全反射端镜1和第三平面反射镜4所组成的谐振腔内形成振荡。分别在三个谐振腔中基频光的束腰半径处加入倍频晶体LBO11、LBO12、LBO13，产生蓝(473nm)、红(660nm)、绿(532nm)三基色激光。473nm蓝色激光和660nm红色激光分别经第一分束镜5、第二分束镜6后被第四平面反射镜7、第五平面反射镜8分别以45°角反射水平输出，二次谐波镜9的加入减少了532nm绿光在谐振腔内的损耗。这样，根据激光晶体的受激发射参数、长度，倍频晶体的有效非线性系数、长度及腔长、束腰半径等参数，按照多波长激光同时运转的理论，合理地控制三种基频光在腔内的比例，便获得了红、绿、蓝三基色激光同时同方向输出。
此外，为提高红、绿、蓝三基色激光的输出功率，可启动声光Q开关14，使连续的三波长基频光转换成具有高重复频率及高峰值功率的脉冲激光。
激光晶体Nd3+:YAG10掺杂浓度为1.0at％，尺寸为Φ3×10mm，两端面均镀对946nm、1319nm、1064nm的增透膜(透过率大于99.9％)。
第一倍频晶体11、第二倍频晶体12、第三倍频晶体13均采用LBO I类角度匹配，分别固定在二维调整架上，尺寸均为3×3×5mm3，侧面均匀涂抹银粉并用铟箔包裹后放入水冷散热铜块中，冷却温度范围在16～22℃。其中第一倍频晶体11两端均镀946nm、473nm双色增透膜(透过率大于99.9％)，第二倍频晶体12两端镀1319nm、660nm双色增透膜(透过率大于99.9％)，第三倍频晶体13两端镀1064nm、532nm双色增透膜(透过率大于99.9％)。
第一分束镜5和第二分束镜6与激光晶体同一光轴且平行放置，与水平正向夹角为135°，分别固定在二维调节架上。尺寸为Φ＝20mm，第一分束镜5其中一面镀946nm全反膜(反射率＞99.8％)，1319nm、1064nm和473nm增透膜(透过率＞99.8％)，另一面镀1319nm、1064nm和473nm增透膜(透过率＞99.8％)；第二分束镜6其中一面镀1319nm全反膜(反射率＞99.8％)，1064nm和660nm增透膜(透过率＞99.8％)，另一面镀1064nm和660nm增透膜(透过率＞99.8％)。
平凹全反射端镜1固定在二维调整架上，与激光晶体同轴，其曲率半径R的选取范围为50～100mm，凹面镀对946nm、1319nm、1064nm高反膜(反射率大于99.9％)。第一平面反射镜2、第二平面反射镜3、第三平面反射镜4也分别固定在二维调整架上，尺寸均为Φ＝20mm，其中第一平面反射镜2、第二平面反射镜3分别放置在第一分束镜5、第二分束镜6的正下方，第三平面反射镜4放置在第二分束镜6的右方并且与激光晶体10同轴。第一平面反射镜2面向谐振腔的一面镀946nm、473nm双色高反膜(反射率大于99.8％)，另一面不镀膜；第二平面反射镜3面向谐振腔的一面镀1319nm、660nm双色高反膜(反射率大于99.8％)，另一面不镀膜；第三平面反射镜4面向谐振腔的一面镀1064nm高反膜(反射率大于99.8％)和532nm增透膜(透过率大于99.8％)，另一面镀532nm增透膜(透过率大于99.8％)。
第四平面反射镜7、第五平面反射镜8尺寸为Φ＝20mm，分别固定在二维调节架上，并分别置于第一分束镜5、第二分束镜6的正上方，与水平正方向夹角45°放置。第四平面反射镜7一面镀473nm全反膜(反射率＞99.8％)，946nm增透膜(透过率＞99.8％)，另一面不镀膜；第五平面反射镜8一面镀660nm全反膜(反射率＞99.8％)，1319nm增透膜(透过率＞99.8％)，另一面不镀膜。
二次谐波镜9置于二维调节架上，与激光晶体10处于同一光轴。两面均镀1064nm增透膜(透过率＞99.8％)，靠近倍频晶体的一面镀532nm高反膜(反射率＞99.8％)。
权利要求
1.侧面泵浦红、绿、蓝同时运转的三基色激光器，包括平凹全反射端镜(1)，其特征在于，入射平凹全反射端镜(1)的水平光路上依次设置有声光Q开关(14)、激光晶体(10)、第一分束镜(5)、第二分束镜(6)、二次谐波镜(9)、第三倍频晶体(13)、第三平面反射镜(4)；垂直光路上面向第一分束镜(5)的一面依次设置第一倍频晶体(11)、第一平面反射镜(2)，第一分束镜(5)的另一面设置第四平面反射镜(7)；垂直光路上面向第二分束镜(6)的一面依次设置第二倍频晶体(12)、第二平面反射镜(3)，第二分束镜(6)的另一面设置第五平面反射镜(8)。
2.根据权利要求1所述的侧面泵浦红、绿、蓝同时运转的三基色激光器，其特征在于，第一分束镜(5)、第二分束镜(6)的倾斜角度与水平正向夹角为135°。
3.根据权利要求1所述的侧面泵浦红、绿、蓝同时运转的三基色激光器，其特征在于，第一分束镜(5)与第四平面反射镜(7)互成90°，第二分束镜(6)与第五平面反射镜(8)互成90°。
4.根据权利要求1所述的侧面泵浦高功率红、绿、蓝同时运转的三基色激光器，其特征在于，平凹全反射端镜(1)分别和第一平面反射镜(2)、第三平面反射镜(3)、第三平面反射镜(4)构成谐振腔。
5.根据权利要求1所述的侧面泵浦高功率红、绿、蓝同时运转的三基色激光器，其特征在于，第一倍频晶体(11)、第二倍频晶体(12)、第三倍频晶体(13)是三硼酸锂LBO、磷酸钛氧钾KTP、β-偏硼酸钡BBO、偏硼酸铋BIBO等非线性光学晶体中的一种、两种或三种晶体。
全文摘要
本发明公开了一种侧面泵浦高功率红、绿、蓝同时运转的三基色激光器，平凹全反射端镜的水平光路上依次设置有声光Q开关、激光晶体、第一分束镜、第二分束镜、二次谐波镜、第三倍频晶体、第三平面反射镜；垂直光路上面向第一分束镜的一面依次设置第一倍频晶体、第一平面反射镜，第一分束镜的另一面设置第四平面反射镜；垂直光路上面向第二分束镜的一面依次设置第二倍频晶体、第二平面反射镜，第二分束镜的另一面设置第五平面反射镜。本发明能够实现高功率密度的红、绿、蓝三基色激光输出，具有结构紧凑、效率高、运转成本低、便于调整、工作安全的优点。
文档编号H01S3/10GK1897369SQ200610043048
公开日2007年1月17日 申请日期2006年6月28日 优先权日2006年6月28日
发明者白晋涛 申请人:西北大学, 陕西西大科里奥光电技术有限公司