拉曼黄光泵浦的可调谐金绿宝石激光器的制作方法

本发明涉及全固态激光技术领域，尤其涉及一种拉曼黄光泵浦的可调谐金绿宝石激光器。

背景技术：

金绿宝石(Cr³⁺:BeAl₂O₄)是一种同时具备高功率、宽调谐优异性能的激光材料，由于其可调谐性，高增益及优越的温度特性，金绿宝石激光器一出现便受到广泛地重视。其基本输出光谱范围处于可见光至近红外波段700-850nm，可广泛地应用于空间遥感、医疗、光存储、光谱学及非线性光学众多前沿研究领域。

泵浦金绿宝石晶体的方法很多，这是由于金绿宝石具有很宽的吸收带，在400-700nm均可吸收泵浦光。目前常用的泵浦方式主要有：1、闪光灯泵浦。工业加工和产品化的医疗金绿宝石激光器多采用闪光灯泵浦方式，该技术比较成熟，但因其吸收不理想导致激光器整体的转换效率较低，同时激光器的产热也较为严重。2、635/680nm红光LD泵浦。采用LD泵浦金绿宝石晶体能够大大提高激光器的整体效率，并实现激光器的小型化，但是目前大功率的635和680nmLD还不多见，大大限制了金绿宝石激光器的输出功率，而且该波段LD的价格也较为昂贵。3、蓝绿光激光器泵浦。由于金绿宝石的吸收带涵盖了整个可见光波段，因此该晶体可用现在常见的488nm氩离子激光器、铜蒸汽激光器和532nm绿光激光器等可见光激光器作为泵浦源，但这种泵浦方式下的泵浦光与输出光之间存在较大的量子亏损，使得激光器的热负载较为严重，从而影响光束质量等输出特性。

技术实现要素：

为克服现有技术的不足，考虑到金绿宝石在E//b轴的方向上，以590nm为中心呈现很强的宽吸收峰，本发明提供了一种由590nm波长附近的黄光泵浦的可调谐金绿宝石激光器。本发明采用基于受激拉曼散射产生的黄光作为可调谐金绿宝石激光器的泵浦源不仅成本低廉，而且由于其能够对准金绿宝石晶体的吸收峰，可以实现较高的光光效率。本发明采用的技术方案是，拉曼黄光泵浦的可调谐金绿宝石激光器，包括：激光二极管、传能光纤、耦合透镜组、谐振腔反射镜、激光增益介质、拉曼晶体、谐波片、倍频晶体、黄光输出镜、聚焦透镜、金绿宝石晶体、金绿宝石激光全反镜、调谐元件和金绿宝石激光输出镜，激光二极管作为泵浦源发出激光增益介质吸收带内的泵浦光，经传能光纤传输和耦合透镜组聚焦后对激光增益介质进行泵浦；激光增益介质中形成粒子数反转，随着泵浦功率增加，在谐振腔反射镜和黄光输出镜构成的谐振腔的反馈作用下产生基频光；该基频光经过拉曼晶体时发生受激拉曼散射作用，当基频光的强度超过拉曼阈值后产生一阶斯托克斯拉曼光并在谐振腔内振荡；拉曼光在倍频晶体的作用下产生黄光，通过谐波片的反射经由黄光输出镜输出；黄光在聚焦透镜的作用下聚焦于金绿宝石晶体中，使金绿宝石晶体发生粒子数反转，在金绿宝石激光全反镜和金绿宝石激光输出镜构成的谐振腔中形成激光振荡，并在调谐元件的作用下实现激光波长的可调谐输出。

所述激光增益介质和拉曼晶体均两端抛光，镀有所述激光二极管发出的泵浦光及所述增益介质产生的基频光和所述拉曼晶体产生的一阶斯托克斯拉曼光增透膜；其中若激光增益介质为自拉曼激光晶体，即其同时具备产生基频光并将其进行拉曼频移的属性，则所述拉曼黄光泵浦的可调谐金绿宝石激光器中不再设置拉曼晶体。

所述谐振腔反射镜为凹镜或平镜，两面镀所述泵浦光高透膜，靠近激光增益介质的一面镀所述基频光及所述拉曼光高反膜；所述谐波片两面镀基频光和拉曼光高透膜，靠近所述倍频晶体的一面镀所述黄光高反膜；黄光输出镜为凹镜或平镜，镀基频光和拉曼光高反膜，镀黄光高透膜。

所述金绿宝石晶体两端抛光，镀有黄光和700-800nm高透膜，若所述金绿宝石晶体是布儒斯特角切割，则无需镀膜。

所述金绿宝石激光全反镜镀700-800nm高反膜；所述金绿宝石激光输出镜镀700-800nm部分透过膜。

所述金绿宝石激光器中还包括：声光调Q晶体，所述声光调Q晶体两面镀所述基频光和所述拉曼光增透膜，用于实现所述基频光的脉冲运转，提高峰值功率以提高拉曼过程和倍频过程的非线性转换效率。

本发明的特点及有益效果是：

本发明采用拉曼黄光作为可调谐金绿宝石激光器的泵浦源不仅成本低廉，而且由于其能够对准金绿宝石晶体的吸收峰，可以实现较高的光光效率，同时泵浦光与输出光的量子亏损也较小，能够提高金绿宝石激光器的输出性能，满足实际应用中的多种需要。

附图说明：

图1为本发明实施例1提供的一种拉曼黄光泵浦的可调谐金绿宝石激光器的结构示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1：激光二极管； 2：传能光纤；

3：耦合透镜组； 4：谐振腔反射镜；

5：激光增益介质； 6：拉曼晶体；

7：声光调Q晶体； 8：谐波片；

9：倍频晶体； 10：黄光输出镜；

11：聚焦透镜； 12：第一金绿宝石激光全反镜；

13：金绿宝石晶体； 14：第二金绿宝石激光全反镜；

15：第三金绿宝石激光全反镜； 16：金绿宝石激光输出镜

17：调谐元件。

图2为本发明实施例2提供的一种拉曼黄光泵浦的可调谐金绿宝石激光器的结构示意图。

附图中，18：黄光反馈镜。

具体实施方式

考虑到金绿宝石在E//b轴的方向上，以590nm为中心呈现很强的宽吸收峰，本发明提供了一种由590nm波长附近的黄光泵浦的可调谐金绿宝石激光器。本发明采用基于受激拉曼散射产生的黄光作为可调谐金绿宝石激光器的泵浦源不仅成本低廉，而且由于其能够对准金绿宝石晶体的吸收峰，可以实现较高的光光效率。详见下文描述：

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例1

金绿宝石(Cr³⁺:BeAl₂O₄)晶体是一种性能优良的激光材料，在对其吸收光谱的研究中发现，该晶体的三个主轴方向上在黄光波段均具有较大的吸收截面，尤其是在E//b轴的方向上，以590nm为中心呈现很强的宽吸收峰。因此，无论是偏振光泵浦或是非偏振光泵浦，使用黄光泵浦金绿宝石晶体都能够实现泵浦光的充分吸收。较之以往金绿宝石激光器的泵浦方式，提出采用拉曼黄光作为可调谐金绿宝石激光器的泵浦源，不仅成本低廉，而且由于其能够对准金绿宝石晶体的吸收峰，可以实现较高的光光效率，同时泵浦光与输出光的量子亏损也较小，能够提高金绿宝石激光器的输出性能，满足实际应用中的多种需要。

本发明实施例1提供了一种拉曼黄光泵浦的可调谐金绿宝石激光器结构，如图1所示。

808nm或880nm激光二极管泵浦源1发出泵浦光，经传能光纤2传输和耦合透镜组3聚焦后对激光增益介质5进行泵浦；激光增益介质5采用Nd:YAG晶体，晶体尺寸为3×3×10mm³，掺杂浓度选择0.5at.％；拉曼晶体6选用a切割的GdVO₄晶体，晶体尺寸为3×3×10mm³；激光增益介质5和拉曼晶体6均两端抛光，镀1064nm基频光和1174nm一阶斯托克斯拉曼光增透膜，分别用铟片包裹置于热沉中，采用冷却循环水系统控制工作温度。谐振腔反射镜4为平镜，双面镀808nm或880nm高透膜，靠近激光增益介质5的一面镀1064nm和1174nm高反膜；谐波片8为平镜，双面镀1064nm和1174nm增透膜，靠近倍频晶体9的一面镀587nm高反膜；倍频晶体9采用Ⅱ类相位匹配的KTP晶体，晶体尺寸为3×3×15mm³，用铟片包裹置于热沉中，采用冷却循环水系统控制工作温度；黄光输出镜10选用曲率半径为100mm的凹镜，镀1064nm和1174nm高反膜，587nm高透膜；

激光增益介质5吸收808nm或880nm泵浦光形成粒子数反转，在谐振腔反射镜4和黄光输出镜10构成的谐振腔的反馈作用下产生1064nm基频光；1064nm基频光经过拉曼晶体7时发生受激拉曼散射作用，当1064nm基频光的强度超过拉曼阈值后产生波长为1174nm的一阶斯托克斯拉曼光；在谐振腔内振荡的1174nm拉曼光在倍频晶体9的作用下产生587nm黄光，通过谐波片8的反射经由黄光输出镜10输出；声光调Q晶体6的作用是通过提高峰值功率来提高拉曼过程和倍频过程的非线性转换效率；

聚焦透镜11的焦距为100mm，将黄光输出镜10输出的587nm黄光聚焦在金绿宝石晶体13中对其泵浦；金绿宝石晶体13以布儒斯特角切割，晶体尺寸为4×4×15mm³，吸收587nm黄光后发生粒子数反转，随着泵浦能量增加，增益大于损耗，从而产生自发辐射光子；金绿宝石谐振腔采用四镜环形腔型，第一金绿宝石激光全反镜12和第二金绿宝石激光全反镜14采用曲率半径均为100mm的凹镜，凹面镀700-800nm高反膜，两镜的夹角为15°；第三金绿宝石激光全反镜15为平镜，一面镀700-800nm高反膜；金绿宝石激光输出镜16为平镜，一面镀700-800nm部分透过膜，透过率为10％；调谐元件17选用两片厚度分别为5mm和10mm的双折射滤波片(BRF)，通过旋转BRF以实现金绿宝石激光的可调谐输出；金绿宝石晶体13产生的自发辐射光子在第一金绿宝石激光全反镜12，第二金绿宝石激光全反镜14，第三金绿宝石激光全反镜15和金绿宝石激光输出镜16构成的四镜环形谐振腔中形成稳定的激光振荡，经由金绿宝石激光输出镜16输出。

在上述实施例中，激光增益介质可以为Nd:YLF，Nd:YALO等晶体；拉曼晶体可以为Ba(NO₃)₂，NaBrO₃，CaWO₄，LiIO₃等晶体；倍频晶体可以为LBO，LiIO₃等晶体，还可以采用非临界相位匹配模式实现倍频。具体实现时，本发明实施例对此不做限制。

在上述实施例中，当激光增益介质、拉曼晶体和倍频晶体的搭配不同时，各晶体的切割角度也会不同，同时基频光、拉曼光和黄光的波长也会相异，谐振腔反射镜、谐波片和黄光输出镜及各晶体镀膜也应做出相应变化，具体波长在文献中均可查到，本发明在此不再赘述。

实施例2

本发明实施例2中的激光增益介质采用自拉曼晶体，因此在装置中可以省略拉曼晶体，同时选用色散棱镜作为金绿宝石激光器的调谐元件，具体结构示意图如图2所示。

808nm或880nm激光二极管泵浦源1发出泵浦光，经传能光纤2传输和耦合透镜组3聚焦后对激光增益介质5进行泵浦；激光增益介质5采用a切割的Nd:YVO₄晶体，晶体尺寸为3×3×10mm³，掺杂浓度选择0.3at.％；激光增益介质5两端抛光，镀1064nm基频光和1176nm一阶斯托克斯拉曼光增透膜，用铟片包裹置于热沉中，采用冷却循环水系统控制工作温度。谐振腔反射镜4为平镜，双面镀808nm或880nm高透膜，靠近激光增益介质5的一面镀1064nm和1176nm高反膜；谐波片7为平镜，双面镀1064nm和1176nm增透膜，靠近倍频晶体8的一面镀588nm高反膜；倍频晶体8采用Ⅰ类相位匹配的LBO晶体，晶体尺寸为3×3×15mm³，用铟片包裹置于热沉中，采用冷却循环水系统控制工作温度；黄光输出镜9选用曲率半径为100mm的凹镜，镀1064nm和1176nm高反膜，588nm高透膜；

激光增益介质5吸收808nm或880nm泵浦光形成粒子数反转，在谐振腔反射镜4和黄光输出镜9构成的谐振腔的反馈作用下产生1064nm基频光；激光增益介质5同时又是拉曼介质，当1064nm基频光的强度超过拉曼阈值后即产生波长为1176nm的一阶斯托克斯拉曼光；在谐振腔内振荡的1176nm拉曼光在倍频晶体9的作用下产生588nm黄光，通过谐波片8的反射经由黄光输出镜10输出；声光调Q晶体6的作用是通过提高峰值功率来提高拉曼过程和倍频过程的非线性转换效率；

聚焦透镜11的焦距为100mm，将黄光输出镜10输出的588nm黄光聚焦在金绿宝石晶体13中对其泵浦；a切割的金绿宝石晶体13两端抛光，镀700-800nm增透膜，晶体尺寸为3×3×15mm³，吸收588nm黄光后发生粒子数反转，随着泵浦能量增加，增益大于损耗，从而产生自发辐射光子，并在金绿宝石激光全反镜12和金绿宝石激光输出镜16构成的金绿宝石激光谐振腔的作用下形成稳定的激光振荡；调谐元件17为3块边长为10mm的K9玻璃等边棱镜，金绿宝石激光在色散棱镜的作用下线宽被压窄，通过旋转金绿宝石激光全反镜12的角度来实现波长调谐，最后经由金绿宝石激光输出镜16输出；黄光反馈镜18为平镜，靠近金绿宝石晶体13的一面镀588nm高反膜，将经过金绿宝石晶体13后未被吸收的588nm黄光反射再次通过金绿宝石晶体13，以提高金绿宝石晶体13对588nm黄光的吸收。

在上述实施例中，激光增益介质还可以为Nd:GdVO₄，Nd:LuVO₄，Nd:KGW等自拉曼激光介质，分别对应相应的基频光、拉曼光和黄光波长，具体实现时，本发明实施例对此不做限制。

在上述实施例中，可以根据实际需要选择激光增益介质、拉曼晶体和金绿宝石晶体的掺杂浓度或尺寸，以及谐振腔反射镜、黄光输出镜和金绿宝石激光输出镜的曲率半径和透过率，还可以采用侧面泵浦的方式，具体实现时，本发明实施例对此不做限制。

在上述实施例中，拉曼黄光谐振腔也可以设计成折叠腔结构，以便控制倍频晶体中的光斑半径，从而实现更高的倍频效率，本发明实施例对此不做限制。

在上述实施例中，作为调谐元件的双折射滤波片或色散棱镜可以是一个也可以是多个配合使用，调谐元件也可以是光栅，还可以在金绿宝石激光谐振腔中加入光学单向器和标准具以实现单频输出，具体实现时，本发明实施例对此不做限制。

本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。