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高功率二次諧波激光產(chǎn)生方法

文檔序號(hào):6848885閱讀:901來(lái)源:國(guó)知局
專(zhuān)利名稱(chēng):高功率二次諧波激光產(chǎn)生方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及激光技術(shù)領(lǐng)域,是關(guān)于一種激光產(chǎn)生方法,特別是一種高功率二次諧波激光產(chǎn)生方法。
背景技術(shù)
綠激光具有波長(zhǎng)短、光子能量高、水中傳輸距離遠(yuǎn)、相對(duì)于人眼敏感等眾多優(yōu)點(diǎn),可以應(yīng)用在激光材料加工,激光醫(yī)學(xué)、信息存儲(chǔ)、激光娛樂(lè)、建筑、水下通訊、激光光譜與全息、機(jī)場(chǎng)導(dǎo)航、海底形貌探測(cè)、激光探潛、激光致盲武器等國(guó)民經(jīng)濟(jì)、國(guó)防建設(shè)和科學(xué)研究的領(lǐng)域中。
國(guó)內(nèi)的中高功率半導(dǎo)體泵浦固體綠激光器產(chǎn)品尚處于研發(fā)和試用階段。華北光電技術(shù)研究所(《二極管側(cè)面抽運(yùn)的高平均功率倍頻Nd:YAG激光器》,中國(guó)激光,Vol.A28,NO.4,第301頁(yè),2001,姜東升等人著)用35個(gè)15W二極管列陣側(cè)面泵浦Nd:YAG,腔內(nèi)倍頻得到功率為56W的532nm激光輸出,總光-光轉(zhuǎn)換效率10.7%。廣州安特激光技術(shù)有限公司生產(chǎn)的型號(hào)為SHG-DP-20的二級(jí)管泵浦調(diào)Q綠激光器,輸出532nm激光功率為20W。天津大學(xué)研制了功率為104W的半導(dǎo)體泵浦固體綠激光器,并申請(qǐng)了中國(guó)專(zhuān)利,專(zhuān)利號(hào)ZL 03258237.4。該專(zhuān)利用80個(gè)20W二極管總共1600W功率作為泵浦光源,最終獲得104W綠光輸出,總光-光轉(zhuǎn)換效率6.5%。該專(zhuān)利采用直線式平凹穩(wěn)定腔,諧波反射鏡采用鍍1064nm高透和532nm高反膜層的石英鏡片?;ㄍㄟ^(guò)晶體產(chǎn)生一束諧波激光,經(jīng)鍍1064nm高反,532nm高透膜層的鏡片輸出,被該鏡片反射的基波再次通過(guò)晶體,又產(chǎn)生一束諧波激光,經(jīng)諧波反射鏡反射輸出。此諧波產(chǎn)生方法的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,便于調(diào)節(jié),穩(wěn)定度好。不足之處在于,基波兩次通過(guò)晶體產(chǎn)生的兩束諧波激光一束直接輸出,一束經(jīng)過(guò)反射鏡片輸出,致使激光器輸出光束為兩條,不利于應(yīng)用。
國(guó)外的高功率固體綠激光器研究比較先進(jìn),有些國(guó)外公司生產(chǎn)該類(lèi)產(chǎn)品,如美國(guó)相干公司推出75W固體綠激光器產(chǎn)品,該激光產(chǎn)生方法是采用II類(lèi)倍頻非線性晶體45度角折疊腔結(jié)構(gòu)。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于避免了直線腔的兩束光問(wèn)題,但這種結(jié)構(gòu)使諧波激光有一定的偏振耦合損耗。因?yàn)殡S意偏振態(tài)的光可正態(tài)劃分為與入射面垂直的光和與入射面平行的光兩類(lèi)。當(dāng)大角度反射隨意偏振態(tài)的光時(shí),只有與入射面平行的偏振光才能達(dá)到高反,而與入射面相垂直的線偏振光的反射損耗較大。又因?yàn)榛ㄍㄟ^(guò)II類(lèi)倍頻非線性晶體產(chǎn)生二次諧波的原理為兩個(gè)正交態(tài)的基波光子矢量合成一個(gè)諧波光子。45度角導(dǎo)致基波中的與入射面平行的光子數(shù)量大于與入射面垂直的光子數(shù)量,結(jié)果是使倍頻效率降低。此外該產(chǎn)品的模式欠佳,光束質(zhì)量M2≈25。另外國(guó)外公司如美國(guó)Quantronix公司和美國(guó)Lee Laser公司都有100W固體綠激光器產(chǎn)品。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種高功率,高效率和高穩(wěn)定度的高功率二次諧波激光產(chǎn)生方法。
本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是該高功率二次諧波激光產(chǎn)生方法,采用大功率泵浦源泵浦固體激光介質(zhì),設(shè)計(jì)了紅外激光“V”型雙凹閉路振蕩腔,紅外激光作為基波通過(guò)小角度反射射入二倍頻非線性晶體產(chǎn)生二次諧波激光,該二次諧波激光經(jīng)端面反射鏡反射后通過(guò)小角度輸出鏡輸出,采用雙方向倍頻,單方向反射和小角度偏振耦合,輸出單束二次諧波激光。
本發(fā)明所具有的優(yōu)點(diǎn)是1、計(jì)算了大功率半導(dǎo)體激光二極管側(cè)面泵浦固體激光介質(zhì)的熱透鏡,應(yīng)力雙折射,熱退偏等效應(yīng),設(shè)計(jì)合適的腔結(jié)構(gòu)、腔內(nèi)元件間的距離、鏡片曲率參數(shù),使固體激光介質(zhì)內(nèi)基模尺寸達(dá)到極大,同時(shí)使腔內(nèi)形成小尺寸、高功率密度的光腰,將二倍頻非線性晶體放置在光腰位置,達(dá)到高轉(zhuǎn)換效率二次諧波激光輸出。
2、采用“V”型折疊腔結(jié)構(gòu),減少偏振耦合損耗得到單束二次諧波激光輸出,既解決了直線腔輸出兩束光問(wèn)題,又有利于基波在腔內(nèi)振蕩和二次諧波激光的輸出。
3、設(shè)計(jì)合適的腔結(jié)構(gòu),腔內(nèi)元件間的距離和鏡片曲率參數(shù),采用雙凹腔結(jié)構(gòu),使紅外激光振蕩腔在熱透鏡大范圍變化下仍然保持穩(wěn)定的振蕩。激光器能保持長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作。
4、采用本發(fā)明研制的激光器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,易工業(yè)化生產(chǎn)。


下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。
圖1為本發(fā)明高功率二次諧波激光產(chǎn)生方法的原理示意圖。
圖2為本發(fā)明高功率二次諧波激光產(chǎn)生方法的激光諧振腔內(nèi)基模振蕩光束軌跡。
圖3為本發(fā)明高功率二次諧波激光產(chǎn)生方法中不同泵浦功率所對(duì)應(yīng)的二次諧波輸出功率與脈沖寬度變化曲線圖(重復(fù)頻率為12KHZ)。
圖4為本發(fā)明高功率二次諧波激光產(chǎn)生方法中不同運(yùn)轉(zhuǎn)重復(fù)頻率所對(duì)應(yīng)的二次諧波輸出功率與脈沖寬度變化曲線圖(電流為24A)。
圖5為本發(fā)明高功率二次諧波激光產(chǎn)生方法中輸出的二次諧波激光長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性測(cè)試曲線圖(電流為22.5A,頻率為12KHZ)。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明高功率二次諧波激光產(chǎn)生方法的原理如圖1所示。紅外激光振蕩腔為閉路振蕩腔,包括大功率半導(dǎo)體激光二極管列陣側(cè)面泵浦的泵浦頭3,聲光開(kāi)關(guān)2,端面反射鏡(1,6)和小角度輸出鏡4。用光學(xué)矩陣方法計(jì)算腔內(nèi)高斯模傳遞的空間分布,計(jì)算結(jié)果如圖2所示,通過(guò)計(jì)算熱透鏡、應(yīng)力雙折射、熱退偏等效應(yīng),設(shè)計(jì)腔端面反射鏡(1,6)、小角度輸出鏡4的曲率和腔內(nèi)元件間的距離,確定紅外激光振蕩腔采用“V”型雙凹閉路振蕩腔結(jié)構(gòu),采用該腔型,得到固體激光介質(zhì)內(nèi)基模尺寸為1.0mm。紅外激光振蕩腔在熱透鏡大范圍變化下仍然保持穩(wěn)定的振蕩,熱透鏡穩(wěn)定范圍為200mm到大于1000mm。在靠近端面反射鏡6的位置形成光腰,光腰處基模尺寸為0.3mm。由于紅外激光振蕩腔為“V”型雙凹閉路振蕩腔,且與大功率半導(dǎo)體二極管列陣側(cè)面泵浦的熱透鏡效應(yīng)平衡,因此有很高的腔內(nèi)功率密度。光腰處功率密度大于50MW/cm2。
二次諧波激光振蕩腔為單端開(kāi)式反射腔結(jié)構(gòu),包括二倍頻非線性晶體5,小角度輸出鏡4和端面反射鏡6,在光腰處放置二倍頻非線性晶體5。
二次諧波激光的產(chǎn)生過(guò)程如下任意方向偏振的紅外激光作為基波經(jīng)小角度輸出鏡4反射后入射到二倍頻非線性晶體5上倍頻產(chǎn)生二次諧波激光,未倍頻轉(zhuǎn)換的基波與二次諧波激光一起經(jīng)端面反射鏡6反射后再次入射到二倍頻非線性晶體5上,再次產(chǎn)生二次諧波激光。兩次倍頻產(chǎn)生的二次諧波激光通過(guò)小角度輸出鏡4輸出。剩余的基波反射到端面反射鏡1上,并再次返回。由于紅外激光為閉路振蕩光,多次振蕩作用在二倍頻非線性晶體5上產(chǎn)生二次諧波激光,提高轉(zhuǎn)換效率。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果根據(jù)上述原理,建立了大功率半導(dǎo)體激光二極管列陣側(cè)面泵浦固體激光介質(zhì)腔內(nèi)倍頻實(shí)驗(yàn)裝置。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3,圖4,圖5所示。圖3為不同泵浦功率所對(duì)應(yīng)的二次諧波輸出功率與脈沖寬度變化曲線圖;圖4為不同運(yùn)轉(zhuǎn)重復(fù)頻率所對(duì)應(yīng)的二次諧波輸出功率與脈沖寬度變化曲線圖;當(dāng)運(yùn)轉(zhuǎn)重復(fù)頻率為12KHZ時(shí),諧波轉(zhuǎn)換效率最高,基波到二次諧波激光的轉(zhuǎn)換效率大于70%。總光-光轉(zhuǎn)換效率大于17%。最大二次諧波激光輸出功率為86W,脈沖寬度T<97ns。光脈沖瞬態(tài)峰值起伏ΔT<6%(p-p)。二次諧波激光輸出光束直徑d<2.5mm,光束發(fā)散角θ<4.9mrad,光束質(zhì)量M2<12。激光器能夠保持長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定性,長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)功率起伏ΔT<2%(24小時(shí)),如圖5所示。與美國(guó)相干公司的75W固體綠激光器光束質(zhì)量M2≈25相比較,證實(shí)本發(fā)明達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。
綜上所述,本發(fā)明高功率二次諧波激光產(chǎn)生方法通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)了紅外激光振蕩腔,經(jīng)端面反射鏡6反射后,紅外激光作為基波通過(guò)小角度輸出鏡4反射射入二倍頻非線性晶體5產(chǎn)生二次諧波激光經(jīng)端面反射鏡6反射后通過(guò)小角度輸出鏡4輸出;采用雙方向倍頻,單方向反射和小角度偏振耦合,輸出單束二次諧波激光;紅外激光“V”型雙凹閉路振蕩腔設(shè)計(jì)為與固體激光介質(zhì)熱透鏡平衡高功率密度穩(wěn)定腔結(jié)構(gòu);二倍頻非線性晶體5為II類(lèi)LBO晶體;泵浦固體激光介質(zhì)為Nd:YAG晶體;所使用的泵浦光源為大功率半導(dǎo)體激光二極管列陣;所使用的泵浦方式為側(cè)面泵浦;采用聲光開(kāi)關(guān)作為光開(kāi)關(guān);激光腔結(jié)構(gòu)采用“V”型雙凹折疊腔。
根據(jù)本發(fā)明高功率二次諧波激光產(chǎn)生方法的原理,不難理解所使用的二倍頻非線性晶體可以為II類(lèi)LBO,或者II類(lèi)CLBO,II類(lèi)BBO,KTP晶體;所使用的泵浦固體激光介質(zhì)可以為Nd:YAG,或者Nd:YVO4,Nd:GdVO4,Nd:YLF,Nd:Glass,Yb:YAG,Er:YAG;泵浦光源可以為大功率半導(dǎo)體激光二極管列陣,或者氪燈,氙燈;泵浦方式可以為側(cè)面泵浦或者端面泵浦;光開(kāi)關(guān)可以為聲光開(kāi)關(guān),或者電光開(kāi)關(guān),飽和吸收型被動(dòng)Q開(kāi)關(guān)。
本發(fā)明所具有的優(yōu)點(diǎn)是1、計(jì)算了大功率半導(dǎo)體激光二極管側(cè)面泵浦固體激光介質(zhì)的熱透鏡,應(yīng)力雙折射,熱退偏等效應(yīng),設(shè)計(jì)合適的腔結(jié)構(gòu)、腔內(nèi)元件間的距離、鏡片曲率參數(shù),使固體激光介質(zhì)內(nèi)基模尺寸達(dá)到極大,同時(shí)使腔內(nèi)形成小尺寸、高功率密度的光腰,將二倍頻非線性晶體放置在光腰位置,達(dá)到高轉(zhuǎn)換效率二次諧波激光輸出。
2、采用“V”型折疊腔結(jié)構(gòu),減少偏振耦合損耗得到單束二次諧波激光輸出,既解決了直線腔輸出兩束光問(wèn)題,又有利于基波在腔內(nèi)振蕩和二次諧波激光的輸出。
3、設(shè)計(jì)合適的腔結(jié)構(gòu),腔內(nèi)元件間的距離和鏡片曲率參數(shù),采用雙凹腔結(jié)構(gòu),使紅外激光振蕩腔在熱透鏡大范圍變化下仍然保持穩(wěn)定的振蕩。激光器能保持長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作。
4、采用本發(fā)明研制的激光器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,易工業(yè)化生產(chǎn)。
權(quán)利要求
1.一種高功率二次諧波激光產(chǎn)生方法,其特征在于采用大功率泵浦源泵浦固體激光介質(zhì),設(shè)計(jì)了紅外激光“V”型雙凹閉路振蕩腔,紅外激光作為基波通過(guò)小角度反射射入二倍頻非線性晶體產(chǎn)生二次諧波激光,該二次諧波激光經(jīng)端面反射鏡反射后通過(guò)小角度輸出鏡輸出,采用雙方向倍頻,單方向反射和小角度偏振耦合,輸出單束二次諧波激光。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高功率二次諧波激光產(chǎn)生方法,其特征在于采用的大功率泵浦光源為大功率半導(dǎo)體激光二極管列陣,或氪燈,氙燈。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高功率二次諧波激光產(chǎn)生方法,其特征在于泵浦方式采用側(cè)面泵浦或端面泵浦。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高功率二次諧波激光產(chǎn)生方法,其特征在于固體激光介質(zhì)可以為Nd:YAG,或者Nd:YVO4,Nd:GdVO4,Nd:YLF,Nd:Glass,Yb:YAG,Er:YAG。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高功率二次諧波激光產(chǎn)生方法,其特征在于二倍頻非線性晶體可以為II類(lèi)LBO,或II類(lèi)CLBO,II類(lèi)BBO,KTP晶體。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高功率二次諧波激光產(chǎn)生方法,其特征在于光開(kāi)關(guān)采用聲光開(kāi)關(guān),或者電光開(kāi)關(guān),飽和吸收型被動(dòng)Q開(kāi)關(guān)。
全文摘要
一種高功率二次諧波激光產(chǎn)生方法,采用大功率泵浦源泵浦固體激光介質(zhì),設(shè)計(jì)了紅外激光“V”型雙凹閉路振蕩腔,紅外激光作為基波通過(guò)小角度反射射入二倍頻非線性晶體產(chǎn)生二次諧波激光,該二次諧波激光經(jīng)端面反射鏡反射后通過(guò)小角度輸出鏡輸出,采用雙方向倍頻,單方向反射和小角度偏振耦合,輸出單束二次諧波激光。設(shè)計(jì)了紅外激光“V”型雙凹閉路振蕩腔,使固體激光介質(zhì)內(nèi)基模尺寸達(dá)到極大,使腔內(nèi)形成小尺寸、高功率密度的光腰,將二倍頻非線性晶體放置在光腰位置,達(dá)到高轉(zhuǎn)換效率二次諧波激光輸出。采用“V”型折疊腔結(jié)構(gòu),有利于基波在腔內(nèi)振蕩和二次諧波激光的輸出。采用雙凹腔,使紅外激光振蕩腔在熱透鏡大范圍變化下仍然保持穩(wěn)定的振蕩。
文檔編號(hào)H01S3/16GK1897371SQ20051003598
公開(kāi)日2007年1月17日 申請(qǐng)日期2005年7月13日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月13日
發(fā)明者周復(fù)正, 陳莉英, 馬淑貞, 高云峰 申請(qǐng)人:深圳市大族激光科技股份有限公司
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