專利名稱：高功率半導(dǎo)體雙端面泵浦二次諧波固體激光產(chǎn)生方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體端面泵浦二次諧波固體激光產(chǎn)生方法。
背景技術(shù)：
隨著激光二極管(Laser Diode)的快速發(fā)展，LD泵浦技術(shù)得到快速提高。近年來，端面泵浦激光器(特別是端面泵浦二次諧波激光器)以其泵浦裝置簡單、耦合效率高、光束質(zhì)量好、脈寬窄、峰值功率高等優(yōu)點，迅速在激光演示、激光精細、光存儲、水下通訊、精密測量、激光醫(yī)療加工等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
目前國際銷售端面泵浦調(diào)Q TEM00SHG激光器產(chǎn)品，如美國相干公司的Evolution-TEM00的Nd:YLF 15W/527nm/5KHZ/200ns綠光激光器；美國光譜物理公司的最大激光平均功率為11W//50KHZ/13ns TEM00的HIPPOH10-532Q綠光激光器；在國內(nèi)，由于激光技術(shù)的系統(tǒng)集成能力和成果產(chǎn)業(yè)化能力相對薄弱，造成端面泵浦二次諧波激光器與國外還有很大的差距，僅有武漢大華公司具有TEM003W/532nm和武漢凌云近基模的3W/532nm連續(xù)綠光產(chǎn)品，其余幾家公司只得到瓦或毫瓦量級的連續(xù)綠光激光器，端面泵浦調(diào)Q方式的幾乎沒有產(chǎn)品。在科研方面，天津大學(xué)姚建銓等人獲得3.2W/532nm/22KHZ的結(jié)果(《高功率準(zhǔn)連續(xù)激光二極管抽運的Q開關(guān)內(nèi)腔倍頻固體激光器的研究》，光學(xué)學(xué)報，2001，12(21))，中科院安徽光機所陳長水等人獲得1.68W/532nm/40ns的結(jié)果(全固化微脈沖激光器的研究，光電產(chǎn)品商貿(mào)網(wǎng)，2004)，清華大學(xué)馮立春等人獲得224mw/532nm的結(jié)果(《激光二極管抽運聲光調(diào)Q高重復(fù)頻率532nm激光器》，中國激光，2005，4(32)，第461-465頁)。
為了產(chǎn)生高效率、高功率二次諧波激光，人們通常采用兩種方法獲得二次諧波一種是腔外倍頻方法，即在激光諧振腔外把基波聚焦到二倍頻非線性晶體上，以獲得足夠的基波功率密度來提高倍頻效率，這種方法簡單穩(wěn)定，提高激光器的穩(wěn)定性，適用于產(chǎn)生小功率，但對連續(xù)或準(zhǔn)連續(xù)激光，由于基波激光束的峰值功率不高，很難獲得高的倍頻效率，要達到高功率激光，必須聚焦，高功率激光則易導(dǎo)致非線性介質(zhì)破壞；另外，未被轉(zhuǎn)換為二次諧波的基波將透過非線性晶體被浪費掉。因此，二次諧波激光的轉(zhuǎn)換效率也受到一定的限制。為了克服倍頻晶體破壞、效率低等問題，Spectra-Physics公司采用移動非線性晶體方式，使入射的基波光在二次諧波晶體上二維逐點掃描，這種方式可得到高功率、高效率二次諧波激光輸出。但逐點掃描存在非線性晶體溫度匹配的問題，晶體移動瞬間產(chǎn)生激光突變而使二次諧波激光功率形成瞬態(tài)功率急劇下降。
為提高倍頻效率，另一種產(chǎn)生二次諧波的方法通常為腔內(nèi)倍頻方法，即將二次非線性晶體放在基波諧振腔內(nèi)部的方法。如美國Spectra Physics公司美國專利第US 5638388號和US 6241720B1號所示。利用腔內(nèi)基波高功率密度，采用腔內(nèi)雙程倍頻的方法，提高了諧波的轉(zhuǎn)換效率，在該方法中，為了獲得高基波功率密度，在基波腔內(nèi)加入聚焦透鏡的方法來獲得較細光束束腰，這樣同樣容易導(dǎo)致非線性晶體的介質(zhì)容易破壞，且增大輸出諧波激光束發(fā)散角。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所欲解決的技術(shù)問題在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點，提供一種可以獲得穩(wěn)定的二次諧波固體激光輸出，并且光轉(zhuǎn)換效率高、非線性晶體使用壽命長的高功率半導(dǎo)體雙端面泵浦二次諧波固體激光產(chǎn)生方法。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是該高功率半導(dǎo)體雙端面泵浦二次諧波固體激光產(chǎn)生方法，采用光纖耦合激光二極管雙端面泵浦單塊激光晶體方法，利用矩陣光學(xué)進行綜合優(yōu)化設(shè)計，選用非接力及非聚焦透鏡的折疊四平鏡腔結(jié)構(gòu)，得到高效諧波轉(zhuǎn)換效率、大基模體積和小光腰半徑的高功率單模、穩(wěn)定的紅外激光輸出；利用非線性程序設(shè)計，選擇非臨界相位匹配及合適的倍頻晶體尺寸，通過腔內(nèi)倍頻非聚焦方式和折疊平面腔結(jié)構(gòu)，得到雙次累積的高功率、高效率單模二次諧波，通過角度鏡偏振耦合穩(wěn)定輸出。
本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)所達到的技術(shù)效果是
本發(fā)明采用腔內(nèi)雙程倍頻方式，將高功率密度基波的光腰作用到二倍頻非線性晶體，產(chǎn)生二次諧波，未被轉(zhuǎn)換的基波通過雙色全反鏡反射后，再次通過非線性晶體進行倍頻，充分利用基波，得到雙次累積的高功率、高效率單模二次諧波，通過角度鏡偏振耦合穩(wěn)定輸出。
為了減少因單端高功率泵浦造成的增益介質(zhì)吸收不均勻性，本發(fā)明采用雙端泵浦單塊激光晶體方法，為充分利用泵浦光能量，使泵浦光與震蕩光的空間模式充分匹配，結(jié)合激光晶體的熱透鏡焦距、摻雜濃度、破壞閾值及激光晶體長度，進行綜合優(yōu)化矩陣光學(xué)設(shè)計，采用非接力及非聚焦透鏡的折疊四平鏡腔結(jié)構(gòu)，得到高效諧波轉(zhuǎn)換效率、大基模體積和小光腰半徑的高功率單模、穩(wěn)定的紅外激光輸出。
根據(jù)非線性光學(xué)晶體倍頻特性及考慮影響倍頻效率的各種因素，選擇非臨界相位匹配(NCPM)及合適的倍頻晶體尺寸，通過非線性程序進行設(shè)計，采用腔內(nèi)倍頻非聚焦方式，避免高功率密度的基波入射到二倍頻非線性晶體上破壞其表面膜層，延倍頻晶體的使用壽命；采用折疊平面腔結(jié)構(gòu)，避免因腔鏡的曲率而產(chǎn)生的像散現(xiàn)象。另外，本發(fā)明不需移動非線性晶體，避免逐點掃描引起非線性晶體因溫度不匹配造成激光功率瞬間產(chǎn)生突變，保證了輸出激光的穩(wěn)定性。


下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。
圖1為本發(fā)明高功率半導(dǎo)體雙端面泵浦二次諧波固體激光產(chǎn)生方法的原理示意圖。
圖2為不同摻雜濃度下，激光晶體(Nd:YVO4)達到熱應(yīng)力破壞時單位面積上能承受的最大泵浦功率計算結(jié)果圖。
圖3為激光晶體(Nd:YVO4)在不同晶體長度下對泵浦光的吸收率計算結(jié)果圖。
圖4為不同泵浦功率下對應(yīng)的熱透鏡焦距計算結(jié)果圖。
圖5為本發(fā)明高功率半導(dǎo)體雙端面泵浦二次諧波固體激光產(chǎn)生方法中，在一定重復(fù)頻率(20KHZ)下，不同輸入電流所對應(yīng)的二次諧波固體激光功率和脈沖寬度變化曲線的數(shù)據(jù)圖。
圖6為本發(fā)明高功率半導(dǎo)體雙端面泵浦二次諧波固體激光產(chǎn)生方法中，在一定工作電流(32A)下，不同重復(fù)頻率所對應(yīng)的二次諧波固體激光功率和脈沖寬度變化曲線的數(shù)據(jù)圖。
圖7為本發(fā)明高功率半導(dǎo)體雙端面泵浦二次諧波固體激光產(chǎn)生方法中，二次諧波固體激光的脈沖波形圖(F＝20KHZ，I＝32A)。
圖8為本發(fā)明高功率半導(dǎo)體雙端面泵浦二次諧波固體激光產(chǎn)生方法中，二次諧波固體激光長期穩(wěn)定性曲線圖。
具體實施例方式
本發(fā)明高功率半導(dǎo)體雙端面泵浦二次諧波固體激光產(chǎn)生方法的原理如圖1所示，該振蕩器由大功率光纖耦合激光二極管1、泵浦光會聚系統(tǒng)2、紅外全反鏡3、Q開關(guān)4、角度鏡(5、7、8)、激光晶體6、綠光輸出耦合鏡、二倍頻非線性晶體9和雙色全反鏡10構(gòu)成，其中角度鏡(5、7、8)為腔內(nèi)小角度反射鏡。
為減少由于高功率激光二極管單端激光晶體引起的激光介質(zhì)吸收不均勻性和破壞，在本發(fā)明中，采用兩個激光二級管1分別從激光晶體6的兩個端面同時泵浦的方式，使泵浦光在激光晶體6中均勻分布。根據(jù)不同激光晶體的特性，以及其熱透鏡焦距、摻雜濃度、破壞閾值及長度等參數(shù)，圖2為激光晶體(Nd:YVO4)在不同摻雜濃度下，達到熱應(yīng)力破壞時單位面積上能承受的最大泵浦功率計算結(jié)果圖；圖3為激光晶體(Nd:YVO4)在不同晶體長度下對泵浦光的吸收率計算結(jié)果圖；圖4為不同泵浦功率下，激光晶體(Nd:YVO4)對應(yīng)的熱透鏡焦距計算結(jié)果圖。結(jié)合實際測量激光晶體的熱透鏡焦距的結(jié)構(gòu)，進行了詳細的綜合優(yōu)化設(shè)計，通過光學(xué)矩陣方法計算腔內(nèi)高斯光束傳遞的空間分布、腔長和腔鏡的曲率，使泵浦光與振蕩光中在空間上達到最佳模式的匹配，在大功率連續(xù)LD泵浦下，激光晶體6的等效熱透鏡焦距Fth＝80mm(I＝35A)，激光腔在熱透鏡變化范圍為Fth＝60～300mm下，仍然保持穩(wěn)定振蕩。選用非接力和非聚焦透鏡的折疊四平面鏡腔結(jié)構(gòu)，由于紅外激光腔為封閉或內(nèi)全反射振蕩，得到高功率密度、單模、大基模體積、小光腰、穩(wěn)定的基波激光。
產(chǎn)生二次諧波的元件包括非線性晶體9、雙色全反鏡10及角度鏡8，其中，非線性晶體9作為二倍頻晶體。根據(jù)非線性光學(xué)晶體倍頻特性及考慮影響倍頻效率的各種因素，通過非線性程序進行設(shè)計，選擇合適的非倍頻晶體尺寸及臨界相位匹配(NCPM)，為獲得高諧波轉(zhuǎn)換效率，采用腔內(nèi)倍頻非聚焦方式，避免高功率密度的基波入射到二倍頻非線性晶體上破壞其表面膜層，延長倍頻晶體的使用壽命，同時不需移動非線性晶體，避免逐點掃描引起非線性晶體因溫度不匹配造成激光功率瞬間產(chǎn)生突變。采用折疊平面腔結(jié)構(gòu)，避免因腔鏡的曲率而產(chǎn)生的像散現(xiàn)象；為獲得低損耗輸布魯斯特鏡按適合水平偏振透射和垂直偏振高反射角的方位設(shè)置，即角度鏡8鍍基波P方向高透射和二次諧波S方向高反射雙色膜?；ㄔ谥C振腔內(nèi)通過雙程倍頻方式得到高效的二次諧波，形成過程如下從角度鏡8反射的高功率密度基波入射到光腰位置處的二倍頻非線性晶體，產(chǎn)生水平偏振二次諧波經(jīng)雙色全反鏡10反射后，由角度鏡8偏振耦合輸出，其中未被轉(zhuǎn)換的基波同時通過雙色全反鏡10反射后，再次通過非線性晶體進行倍頻，又一次產(chǎn)生的二次諧波同樣也由角度鏡8偏振耦合輸出，這使基波得到充分利用，得到雙次累積的高功率、高效率單模二次諧波激光輸出。
根據(jù)本發(fā)明高功率半導(dǎo)體雙端面泵浦二次諧波固體激光產(chǎn)生方法，采用大功率光纖耦合激光二極管端面泵浦腔內(nèi)雙程倍頻進行實驗。圖5為不同輸入電流所對應(yīng)的二次諧波激光功率和脈沖寬度變化曲線的實驗結(jié)果(F＝20KHZ)，圖6為在一定工作電流下(如32A)，不同重復(fù)頻率所對應(yīng)的二次諧波固體激光功率和脈沖寬度變化曲線的數(shù)據(jù)圖，圖7為二次諧波激光的脈沖波形圖(F＝12KHZ，I＝32A)，圖8為二次諧波激光功率長期穩(wěn)定性實驗結(jié)果數(shù)據(jù)(I＝32A)。最大二次諧波輸出功率P＝14.5W，脈沖寬度T＝32ns。基波到二次諧波的轉(zhuǎn)換效率η＝80％。當(dāng)激光運轉(zhuǎn)重復(fù)頻率f＝10～20KHz時，諧波功率轉(zhuǎn)換最有效，二次諧波固體激光輸出直徑d＝1.5mm，光束發(fā)散度θ＝1.6mrad，光束質(zhì)量M2≤1.5。光脈沖瞬態(tài)峰值起伏ΔT＝4％P-P，長時間運轉(zhuǎn)功率起伏ΔT＝6％/40hra。
本發(fā)明采用腔內(nèi)雙程倍頻方式，將高功率密度基波的光腰作用到二倍頻非線性晶體，產(chǎn)生二次諧波，未被轉(zhuǎn)換的基波通過雙色全反鏡反射后，再次通過非線性晶體進行倍頻，充分利用基波，得到雙次累積的高功率、高效率單模二次諧波，通過角度鏡偏振耦合穩(wěn)定輸出。
為了減少因單端高功率泵浦造成的增益介質(zhì)吸收不均勻性，本發(fā)明采用雙端泵浦單塊激光晶體方法，為充分利用泵浦光能量，使泵浦光與震蕩光的空間模式充分匹配，結(jié)合激光晶體的熱透鏡焦距、摻雜濃度、破壞閾值及激光晶體長度，進行綜合優(yōu)化矩陣光學(xué)設(shè)計，采用非接力及非聚焦透鏡的折疊四平鏡腔結(jié)構(gòu)，得到高效諧波轉(zhuǎn)換效率、大基模體積和小光腰半徑的高功率單模、穩(wěn)定的紅外激光輸出。
根據(jù)非線性光學(xué)晶體倍頻特性及考慮影響倍頻效率的各種因素，選擇非臨界相位匹配(NCPM)及合適的倍頻晶體尺寸，通過非線性程序進行設(shè)計，采用腔內(nèi)倍頻非聚焦方式，避免高功率密度的基波入射到二倍頻非線性晶體上破壞其表面膜層，延倍頻晶體的使用壽命；采用折疊平面腔結(jié)構(gòu)，避免因腔鏡的曲率而產(chǎn)生的像散現(xiàn)象。另外，本發(fā)明高功率半導(dǎo)體雙端面泵浦二次諧波固體激光產(chǎn)生方法不需移動非線性晶體，避免逐點掃描引起非線性晶體因溫度不匹配造成激光功率瞬間產(chǎn)生突變，保證了輸出激光的穩(wěn)定性。
本發(fā)明所具有的創(chuàng)新是本發(fā)明高功率半導(dǎo)體雙端面泵浦二次諧波固體激光產(chǎn)生方法中，采用雙端泵浦單塊激光晶體方法，利用矩陣光學(xué)進行綜合優(yōu)化設(shè)計，采用非接力及非聚焦透鏡的折疊四平鏡腔結(jié)構(gòu)，得到高效諧波轉(zhuǎn)換效率、大基模體積和小光腰半徑的高功率單模、穩(wěn)定的紅外激光輸出；利用非線性程序設(shè)計，選擇非臨界相位匹配(NCPM)及合適的倍頻晶體尺寸，通過腔內(nèi)倍頻非聚焦方式和折疊平面腔結(jié)構(gòu)，得到雙次累積的高功率、高效率單模二次諧波，通過角度鏡偏振耦合穩(wěn)定輸出。
根據(jù)本發(fā)明的原理，不難推斷所使用的基波固體激光介質(zhì)可以為Nd:YAG，Nd:GdVO4，Nd:YVO4，Nd:YLF，Nd:Glass，Yb:YAG或Er:YAG；所使用的二倍頻非線性晶體可以為I類LBO，I類BBO或I類CLBO非線性晶體；使用的Q開關(guān)可以為聲光開關(guān)、電光開關(guān)或飽和激收型被動Q開關(guān)；采用的泵浦光源可以為二極管端面縱向泵浦；采用小角度折疊腔結(jié)構(gòu)，45°角折疊腔結(jié)構(gòu)或布魯斯特角折疊腔。
權(quán)利要求
1.一種高功率半導(dǎo)體雙端面泵浦二次諧波固體激光產(chǎn)生方法，其特征是采用光纖耦合激光二極管雙端面泵浦單塊激光晶體方法，利用矩陣光學(xué)進行綜合優(yōu)化設(shè)計，選用非接力及非聚焦透鏡的折疊四平鏡腔結(jié)構(gòu)，得到高效諧波轉(zhuǎn)換效率、大基模體積和小光腰半徑的高功率單模、穩(wěn)定的紅外激光輸出；利用非線性程序設(shè)計，選擇非臨界相位匹配及合適的倍頻晶體尺寸，通過腔內(nèi)倍頻非聚焦方式和折疊平面腔結(jié)構(gòu)，得到雙次累積的高功率、高效率單模二次諧波，通過角度鏡偏振耦合穩(wěn)定輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高功率半導(dǎo)體雙端面泵浦二次諧波固體激光產(chǎn)生方法，其特征是所使用的基波固體激光介質(zhì)可以為Nd:YAG，Nd:GdVO4，Nd:YVO4，Nd:YLF，Nd:Glass，Yb:YAG或Er:YAG。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高功率半導(dǎo)體雙端面泵浦二次諧波固體激光產(chǎn)生方法，其特征是所使用的二倍頻非線性晶體可以為I類LBO、I類BBO或I類CLBO非線性晶體。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高功率半導(dǎo)體雙端面泵浦二次諧波固體激光產(chǎn)生方法，其特征是使用的Q開關(guān)可以為聲光開關(guān)、電光開關(guān)或飽和激收型被動Q開關(guān)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高功率半導(dǎo)體雙端面泵浦二次諧波固體激光產(chǎn)生方法，其特征是采用的泵浦光源可以為二極管端面縱向泵浦。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高功率半導(dǎo)體雙端面泵浦二次諧波固體激光產(chǎn)生方法，其特征是采用小角度折疊腔結(jié)構(gòu)、45°角折疊腔結(jié)構(gòu)或布魯斯特角折疊腔。
全文摘要
一種高功率半導(dǎo)體雙端面泵浦二次諧波固體激光產(chǎn)生方法，采用光纖耦合激光二極管雙端面泵浦單塊激光晶體方法，利用矩陣光學(xué)進行綜合優(yōu)化設(shè)計，選用非接力及非聚焦透鏡的折疊四平鏡腔結(jié)構(gòu)，得到高效諧波轉(zhuǎn)換效率、大基模體積和小光腰半徑的高功率單模、穩(wěn)定的紅外激光輸出；利用非線性程序設(shè)計，選擇非臨界相位匹配及合適的倍頻晶體尺寸，通過腔內(nèi)倍頻非聚焦方式和折疊平面腔結(jié)構(gòu)，得到雙次累積的高功率、高效率單模二次諧波，通過角度鏡偏振耦合穩(wěn)定輸出。
文檔編號H01S3/109GK1921242SQ20051003683
公開日2007年2月28日 申請日期2005年8月25日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月25日
發(fā)明者周復(fù)正, 馬淑貞, 呂鳳萍, 陳莉英, 鄭珺暉, 高云峰 申請人:深圳市大族激光科技股份有限公司