一种GaN蓝光激光二极管泵浦的全固态可调谐激光器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种GaN蓝光激光二极管泵浦的全固态可调谐激光器，采用GaN蓝光激光二极管作为泵浦光源，激光谐振腔内采用棒状的含Cr离子的单晶体作为激光工作物质。本发明具有结构紧凑、效率高、寿命长等优点，是一种新型的可调谐全固态激光实现方案。
【专利说明】
一种GaN蓝光激光二极管泵浦的全固态可调谐激光器
技术领域
[0001]本发明涉及激光器领域，具体是一种GaN蓝光激光二极管栗浦的全固态可调谐激光器。
【背景技术】
[0002]可调谐激光在气体检测、工业加工、科研、通信等领域有广泛的应用前景。实现可调谐激光的技术途径包括两类，一类是用具有宽增益带宽的激光晶体作为激光工作物质，通过波长选择实现波长的调谐输出，这一类主要包括掺杂过度金属离子Cr3+、Cr4+、Co2+、Ni3+、Ti3+等基质作为激光工作物质的激光器，以及色心激光器、染料激光器;另外一类是通过非线性光学的参量过程来实现一定波段范围波长连续可调的激光。
[0003]以过渡金属离子作为激活离子的固体激光器是一类重要的可调谐激光器。早在1964年，美国贝尔实验室就研制了世界上第一台可调谐激光器，即Ni2+:MgF2、Co2+:MgF2激光器，但该激光器工作于低温环境，调谐范围窄，输出功率低，使用受限。在1979年以金绿宝石Cr3+ = BeAl2O4作为激光工作物质的可调谐激光器实现了商品化。在20世纪80年代末，美国劳伦斯利佛莫尔实验室研制了Cr3+掺杂的系列氟化物，包括Cr3+: LiCAF(LiCaAlF6) []、Cr3+:LiSAF(LiSrAlF6)、Cr3+:LiSGAF(LiSrGaF6) ； 1992年B.Chai等人又发现了新晶体Cr3+:LiSCAF(LiSrt).8Ca0.2AlF6)，1993年L.L K.Smith等又发明了Cr3+:LiSCF(LiSrArF6)晶体，这些晶体均具有优良的可调谐激光性能。
[0004]在激光器刚出现的近40年的时间里，通常使用闪光灯作为栗浦源抽运钛宝石等激光晶体获得可调谐激光。由于闪光灯的发射光谱发布在紫外至近红外非常宽广的光谱范围，导致以闪光灯作为栗浦源的固体激光将会在激光工作物质中产生大量的废热，不仅影响光束质量，导致激光效率低下，甚至过多的废热会导致激光晶体元件损坏，使得激光器失效。因此，在激光具有窄发射波长的激光二极管(LD)出现后，人们便以和激光晶体的吸收带或吸收波长相匹配的LD作为栗浦源来发展全固态可调谐激光。
[0005]在LD栗浦方面，尽管红光二极管AlGaInP的发射波长和Cr3+=LiSAF的吸收峰相匹配，但AlGaAs也可有效低用做栗浦源(文献:Stephen A.Payne , Larry K.Smith ,Raymond J.Beach, et al.Properties of Cr: LiSrAIFe crystals or laseroperat1n, Applied Optics, 33(1994)5526_5536)。1992年，Q.ZHANG等(文献:Qi Zhang,G.J.Dixon, B.H.T.Chai，et al.ElectronicalIy tuned d1de-laser-pumpedCr: LiSrAlFe laser, Optics Letters , 17( 1992)43-45)首次研究了用波长为670nm的AlGaInP激光二极管泵浦C^LiSAF晶体，实现了单频连续可调激光输出，调谐范围为858?920nnm;1994年S.C.W.Hyde首次实现了LD泵浦的可调谐C^LiSAF激光器，飞秒脉冲可以放大到 luj，重复频率 16KHZ;1997 年，R.Kmappe 等(文献:R.Knappe, G.Bitzj K.J.Boiler, et al.Compact single-frequency d1de-pumped Cr:LiSAF lasers, OpticsCommunicat1ns , 143 (1997) 42-46)用670nmLD泵浦Cr:LiSAF激光器，实现了800nm?970nm范围的单频可调谐激光输出，线宽小于1.2MHz，890nm处的最大输出功率为16πΛ^2000年，哈工大赵卫疆(文献:赵卫疆，于俊华，张华，等.二极管抽运的Cr3+: LiSrAlF6激光器的研究，中国激光，27(2000)870-872)等人用中科院半导体所生产的670nm连续LD栗浦Imm的Cr3+: LiSrAlF6晶体薄片，实现了5.2mW的激光输出，调谐范围为832nm?845m。
[0006]郑婉君(文献:郑婉君，2011.5，脉冲红光栗浦Cr: LiSAF激光器的研究，太原理工大学硕士学位论文，山西太原)等以YV04的二倍频671nm激光栗浦Cr3+: LiSAF晶体，实现了中心波长为850nm、调谐范围为820nm?890nm、重复频率llkHZ、脉宽10ns的激光输出。
[0007]近年来，由于全球LED照明普及的热潮，使得以GaN为衬底的GaN蓝光激光二极管得到了快速发展，目前已有瓦级的GaN蓝光LD出售，这为发展GaN LD栗浦的全固态激光带来新的契机。在公开报道的文献中，尚未发现以GaN蓝光LD作为栗浦源的可调谐激光。
[0008]
【发明内容】
本发明的目的是提供一种GaN蓝光激光二极管栗浦的全固态可调谐激光器，以解决现有技术没有以GaN蓝光激光二极管作为栗浦源的可调谐激光的问题。
[0009]为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为:
一种GaN蓝光激光二极管栗浦的全固态可调谐激光器，包括栗浦光源、激光谐振腔，以及在激光谐振腔内的激光工作物质，其特征在于:所述栗浦光源采用GaN蓝光激光二极管，GaN蓝光激光二极管的激光发射波长在390?520nm之间，激光谐振腔内的激光工作物质为棒状的含Cr离子的单晶体，所述GaN蓝光激光二极管采用端面栗浦或侧面栗浦，S卩GaN蓝光激光二极管出射的GaN蓝光激光经过激光谐振腔的前腔镜后聚焦于激光工作物质端面或侧面，激发激光工作物质产生所需的振荡激光，振荡激光经过激光谐振腔的后腔镜输出。
[0010]所述的一种GaN蓝光激光二极管栗浦的全固态可调谐激光器，其特征在于:所述激光工作物质为Cr3+: BeAl2O4单晶体、或Cr3+: LiCaAlF6单晶体、或Cr3+: LiSrAlF6单晶体、或Cr3+: Li SrGaF6单晶体、或Cr3+: Li Sr。.2Ca0.8GaF6单晶体、或Cr4+: YAG单晶体。
[0011]所述的一种GaN蓝光激光二极管栗浦的全固态可调谐激光器，其特征在于:所述激光工作物质的形状为圆棒状，圆棒的直径范围为3~15mm，长度为5?300mm，端面光洁度为5/10?10/20，平面度为λ/4?λ/10，其中λ=632.8ηπι，平行度优于15~，侧面为打磨粗抛，粗糙度为
0.1μπι~10μπι，圆棒的端面与侧面平行或与侧面成成一定角度α，α的角度为0°到材料的布儒斯特角之间，对于α=0°的激光棒，端面和侧面的垂直度应小于5。
[0012]所述的一种GaN蓝光激光二极管栗浦的全固态可调谐激光器，其特征在于:所述激光工作物质的形状为方棒状，方棒的截面为一矩形或正方形，矩形或正方形的边长在2?40mm，长度为5?300mm，端面光洁度为5/10?10/20，平面度为λ/4?λ/10，其中λ=632.8nm，平行度优于15'侧面为打磨粗抛，粗糙度为0.1μπι~10μπι，方棒的端面与侧面平行或与侧面成成一定角度α，α的角度为0°到材料的布儒斯特角之间，对于α=0°，端面和侧面的垂直度应小于5，。
[0013]所述的一种GaN蓝光激光二极管栗浦的全固态可调谐激光器，其特征在于:GaN蓝光激光二极管采用侧面栗浦时，当激光工作物质为圆棒状，可从激光工作物质的I?6个侧面方向进行栗浦；当激光工作物质为方棒状时，可从激光工作位置的4个侧面中的I个、或2个、或3个、或4个方向进行栗浦。
[0014]所述的一种GaN蓝光激光二极管栗浦的全固态可调谐激光器，其特征在于:在激光谐振腔中加设一种光学器件或多种光学器件的组合，以改变激光谐振腔中的气压对振荡激光波长进行调谐，所述光学器件包括但不局限于色散棱镜、标准具、双折射滤波片。
[0015]所述的一种GaN蓝光激光二极管栗浦的全固态可调谐激光器，其特征在于:整体结构可采用四镜或三镜折叠腔结构。
[0016]所述的一种GaN蓝光激光二极管栗浦的全固态可调谐激光器，其特征在于:在激光谐振腔中或激光谐振腔外加入倍频晶体LB0、或KTP晶体、或BBO晶体，实现波长变换，获得基频光的二倍频、或三倍频、或四倍频振荡激光输出。
[0017]本发明提出了一种用GaN蓝光激光二极管栗浦来实现可调谐激光的技术方案，具有结构紧凑、效率高、寿命长等优点，是一种新型的可调谐全固态激光实现方案。
【附图说明】
[0018]图1为本发明中激光工作物质为圆棒状时结构示意图，其中:
图1a为侧视图，图1b为俯视图，图1c为端面视图。
[0019]图2为本发明中激光工作物质为方棒状时结构示意图，其中:
图1a为侧视图，图1b为俯视图，图1c为端面视图。
[0020]图3为本发明【具体实施方式】中端面栗浦、圆棒状激光工作物质时激光器结构图。
[0021]图4为本发明【具体实施方式】中端面栗浦、方棒状激光工作物质时激光器结构图。
【具体实施方式】
[0022]—种GaN蓝光激光二极管栗浦的全固态可调谐激光器，包括栗浦光源、激光谐振腔，以及在激光谐振腔内的激光工作物质，栗浦光源采用GaN蓝光激光二极管，GaN蓝光激光二极管的激光发射波长在390?520nm之间，激光谐振腔内的激光工作物质为棒状的含Cr离子的单晶体，所述GaN蓝光激光二极管采用端面栗浦或侧面栗浦，S卩GaN蓝光激光二极管出射的GaN蓝光激光经过激光谐振腔的前腔镜后聚焦于激光工作物质端面或侧面，激发激光工作物质产生所需的振荡激光，振荡激光经过激光谐振腔的后腔镜输出。
[0023]激光工作物质为Cr3+: BeAl2O4单晶体、或Cr3+: LiCaAlF6单晶体、或Cr3+: Li SrAlF6单晶体、或 Cr3+: LiSrGaF6 单晶体、或 Cr3+: LiSrtL2Ca0.SGaF6 单晶体、或 Cr4+: YAG 单晶体。
[0024]如图1所示，激光工作物质的形状为圆棒状，圆棒的直径范围为3?15mm，长度为5?300mm，端面光洁度为5/10?10/20，平面度为λ/4?λ/10，其中λ=632.8ηπι，平行度优于15'侧面为打磨粗抛，粗糙度为0.1μπι~10μπι，圆棒的端面与侧面平行或与侧面成成一定角度α，α的角度为0°到材料的布儒斯特角之间，对于α=0°的激光棒，端面和侧面的垂直度应小于5。
[0025]如图2所示，激光工作物质的形状为方棒状，方棒的截面为一矩形或正方形，矩形或正方形的边长在2?40mm，长度为5?300mm，端面光洁度为5/10?10/20，平面度为V 4?λ/10，其中λ=632.8ηπι，平行度优于15~，侧面为打磨粗抛，粗糙度为Ο.?μπι?ΙΟμπι，方棒的端面与侧面平行或与侧面成成一定角度α，α的角度为0°到材料的布儒斯特角之间，对于α=0°，端面和侧面的垂直度应小于5’。
[0026]GaN蓝光激光二极管采用侧面栗浦时，当激光工作物质为圆棒状，可从激光工作物质的I?6个侧面方向进行栗浦；当激光工作物质为方棒状时，可从激光工作位置的4个侧面中的I个、或2个、或3个、或4个方向进行栗浦。
[0027]在激光谐振腔中加设一种光学器件或多种光学器件的组合，以改变激光谐振腔中的气压对振荡激光波长进行调谐，所述光学器件包括但不局限于色散棱镜、标准具、双折射滤波片。
[0028]整体结构可采用四镜或三镜折叠腔结构。
[0029]在激光谐振腔中或激光谐振腔外加入倍频晶体LB0、或KTP晶体、或BBO晶体，实现波长变换，获得基频光的二倍频、或三倍频、或四倍频振荡激光输出。
[0030]具体实施例1:
如图3所示，该可调谐激光器中GaN蓝光激光二极管采用端面栗浦方式，激光工作物质为圆棒状，且该可调谐激光器为四镜折叠腔结构。
[0031 ] 该可调谐激光器包括GaN蓝光激光二极管1、透镜2、激光谐振腔的前腔镜3、激光谐振腔的后腔镜4，其中激光谐振腔内设有中间反射腔5，前腔镜3与中间反射腔镜5正对，后腔镜4位于前腔镜3、中间反射腔镜5之间一侧，且后腔镜4前设有双折射滤波器9，激光工作物质6设置在前腔镜3、中间反射腔镜5之间，激光谐振腔内前腔镜3、中间反射腔镜5之间另一侧设有标准具7、透射腔镜8。其中，前腔镜3对栗浦光透光率大于99.9%，对所需振荡激光的反射率大于99.9%;后腔镜4为输出耦合腔镜，其对栗浦光高反，反射率大于99.9%，对振荡激光透过率在0.1?10%。
[0032]GaN蓝光激光二极管I出射的GaN蓝光激光经透镜2后，穿过前腔镜3并聚焦至激光工作物质6的前端面A，其中部分GaN蓝光激光激发激光工作物质6产生振荡激光，剩余的GaN蓝光激光透射过激光工作物质6后，随产生的振荡激光被中间反射腔镜5反射。反射光经过双折射滤波器9调制后，入射至后腔镜4，其中剩余的GaN蓝光激光被后腔镜4反射，经原光路入射至激光工作物质6的后端面，再次激发激光工作物质6产生振荡激光，原先产生的振荡激光部分透射过后腔镜4后输出、部分被后腔镜4反射后沿原光路返回至前腔镜3，先、后产生的振荡激光经过前腔镜3反射、再经过标准具调制后，从透射腔镜8出射。
[0033]具体实施例2:
如图4所示，该可调谐激光器中GaN蓝光激光二极管采用端面栗浦方式，激光工作物质为方棒状，且该可调谐激光器为三镜折叠腔结构。
[0034]该可调谐激光器包括GaN蓝光激光二极管1、准直透镜10、聚焦透镜11、激光工作物质6，其中激光工作物质6前端面A镀有对栗浦光透过率大于99.9%、对振荡激光反射率大于99.9%的膜，以激光工作物质6的镀有膜的前端面A作为激光谐振腔的前腔镜，激光工作物质6后方设有中间反射腔镜5，激光工作物质一侧设有激光谐振腔的后腔镜4，且后腔镜4前方设有双折射滤波器9 ο其中后腔镜4对栗浦光高反，反射率大于99.9%，对振荡激光透过率在0.1?10%。
[0035]GaN蓝光激光二极管I出射的蓝光激光经准直透镜10后，由聚焦透镜11聚焦至激光工作物质6前端面，激发激光工作物质6产生振荡激光，振荡激光经中间反射腔镜5反射、双折射滤波器9调制后，再透射过后腔镜4输出。
【主权项】
1.一种GaN蓝光激光二极管栗浦的全固态可调谐激光器，包括栗浦光源、激光谐振腔，以及在激光谐振腔内的激光工作物质，其特征在于:所述栗浦光源采用GaN蓝光激光二极管，GaN蓝光激光二极管的激光发射波长在390?520nm之间，激光谐振腔内的激光工作物质为棒状的含Cr离子的单晶体，所述GaN蓝光激光二极管采用端面栗浦或侧面栗浦，S卩GaN蓝光激光二极管出射的GaN蓝光激光经过激光谐振腔的前腔镜后聚焦于激光工作物质端面或侧面，激发激光工作物质产生所需的振荡激光，振荡激光经过激光谐振腔的后腔镜输出。2.根据权利要求1所述的一种GaN蓝光激光二极管栗浦的全固态可调谐激光器，其特征在于:所述激光工作物质为Cr3+: BeAl2O4单晶体、或Cr3+: LiCaAlF6单晶体、或Cr3+: LiSrAlF6单晶体、或 Cr3+: LiSrGaF6 单晶体、或 Cr3+: LiSrtL2Ca0.SGaF6 单晶体、或 Cr4+: YAG 单晶体。3.根据权利要求1所述的一种GaN蓝光激光二极管栗浦的全固态可调谐激光器，其特征在于:所述激光工作物质的形状为圆棒状，圆棒的直径范围为3?15mm，长度为5?300mm，端面光洁度为5/10?10/20，平面度为λ/4?λ/10，其中λ=632.8ηπι，平行度优于15~，侧面为打磨粗抛，粗糙度为0.1μπι~10μπι，圆棒的端面与侧面平行或与侧面成成一定角度α，α的角度为0°到材料的布儒斯特角之间，对于α=0°的激光棒，端面和侧面的垂直度应小于5。4.根据权利要求1所述的一种GaN蓝光激光二极管栗浦的全固态可调谐激光器，其特征在于:所述激光工作物质的形状为方棒状，方棒的截面为一矩形或正方形，矩形或正方形的边长在2?40mm，长度为5?300mm，端面光洁度为5/10?10/20，平面度为λ/4?λ/10，其中λ=632.8nm，平行度优于15~，侧面为打磨粗抛，粗糙度为Ο.?μπι?ΙΟμπι，方棒的端面与侧面平行或与侧面成成一定角度α，α的角度为0°到材料的布儒斯特角之间，对于α=0°，端面和侧面的垂直度应小于5’。5.根据权利要求3或4所述的一种GaN蓝光激光二极管栗浦的全固态可调谐激光器，其特征在于:GaN蓝光激光二极管采用侧面栗浦时，当激光工作物质为圆棒状，可从激光工作物质的I?6个侧面方向进行栗浦；当激光工作物质为方棒状时，可从激光工作位置的4个侧面中的I个、或2个、或3个、或4个方向进行栗浦。6.根据权利要求1所述的一种GaN蓝光激光二极管栗浦的全固态可调谐激光器，其特征在于:在激光谐振腔中加设一种光学器件或多种光学器件的组合，以改变激光谐振腔中的气压对振荡激光波长进行调谐，所述光学器件包括但不局限于色散棱镜、标准具、双折射滤波片。7.根据权利要求1所述的一种GaN蓝光激光二极管栗浦的全固态可调谐激光器，其特征在于:整体结构可采用四镜或三镜折叠腔结构。8.根据权利要求1所述的一种GaN蓝光激光二极管栗浦的全固态可调谐激光器，其特征在于:在激光谐振腔中或激光谐振腔外加入倍频晶体LB0、或KTP晶体、或BBO晶体，实现波长变换，获得基频光的二倍频、或三倍频、或四倍频振荡激光输出。
【文档编号】H01S3/0941GK105846300SQ201610374813
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年5月30日
【发明人】张琦, 吕志萍, 孙贵花, 刘文鹏
【申请人】安徽火天晶体科技有限公司, 皖江新兴产业技术发展中心