專利名稱：半導體二極管單端泵浦355nm紫外激光器的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種半導體二極管單端泵浦355nm紫外激光器，屬于激光設備技術(shù)領域。
背景技術(shù)：
紫外激光器的輸出波長短，材料作用力強，分辨率高，聚焦點可小到幾個微米數(shù)量級，已經(jīng)在半導體領域、太陽能光伏、材料精細加工、紫外固化等領域有了廣泛的應用。半導體二極管泵浦紫外激光器具有光束質(zhì)量好、功率穩(wěn)定性好、可靠性高、使用方便、體積小等諸多優(yōu)點。目前，全球?qū)Π雽w二極管泵浦紫外激光器的需求日益增加，應用領域不斷擴大。國外多家激光器公司(CoherentSpectra-physicsJDSU)可以提供瓦級以上的半導體二極管泵浦紫外激光器，國內(nèi)因紫外激光器設計，工藝等難點問題，激光器的穩(wěn)定性很難保證。半導體二極管泵浦紫外激光輸出的實現(xiàn)是通過對從Nd: YV04或Nd: YAG等激光晶體發(fā)出的基頻光進行二次倍頻，然后通過基頻光和二次倍頻光的和頻得到。通常采用的泵浦光波長808nm。由于激光晶體(Nd: YV04)在808nm處具有強烈的吸收峰，所以通常采用 808nm LD來泵浦激光晶體，以獲得較高的光光轉(zhuǎn)換效率(808nm到1064nm光光轉(zhuǎn)換效率 40%-60%)，但由于量子虧損效應的影響，當泵浦功率加大時，晶體端面產(chǎn)生非常大的熱量， 嚴重影響輸出激光的光束質(zhì)量，甚至很容易產(chǎn)生晶體開裂或斷裂。為了獲得基模運轉(zhuǎn)，通常 808nm LD單端泵浦激光器輸出功率小于10W，轉(zhuǎn)換到紫外激光功率要低于3W。本發(fā)明采用 879. 5nm波段LD泵浦Nd:YV04晶體，將粒子直接從基態(tài)激發(fā)到激光上能級，有效的減小了量子虧損。激光晶體可以承受很高的泵浦功率，從而提高基頻光輸出功率，輸出激光更容易獲得基模運轉(zhuǎn)。雖然光光轉(zhuǎn)換效率較808nm LD泵浦會小，但是可以通過增加晶體摻雜濃度及長度等措施來改善。最終獲得紫外激光輸出功率大于5W。目前半導體端面泵浦高功率激光器采用的耦合系統(tǒng)通常小于1:4，聚焦到晶體內(nèi)的光斑一般位于0. 8-1. 2mm之間，尾纖纖芯直徑一般為200_600um。半導體端面泵浦高功率激光器所用激光晶體摻雜濃度通常為0. 2%-0. 4%，晶體長度一般為5mm-20mm。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種半導體二極管單端泵浦 355nm紫外激光器。本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)
半導體二極管單端泵浦355nm紫外激光器，特點是包括半導體二極管泵浦源和激光晶體，半導體二極管泵浦源為輸出功率40W的879. 5nm波段半導體二極管泵浦，半導體二極管泵浦源的輸出端依次布置有第一非球面透鏡和第二非球面透鏡，第一非球面透鏡和第二非球面透鏡構(gòu)成非球面光學耦合系統(tǒng)，第二非球面透鏡的輸出端布置第一平面鏡，第一平面鏡的輸出端布置激光晶體，激光晶體銜接透鏡，透鏡的輸出端布置Q開關(guān)，Q開關(guān)的輸出
3端布置第二平面鏡，第二平面鏡銜接三倍頻晶體，三倍頻晶體依次銜接二倍頻晶體和第三平面鏡；半導體二極管泵浦源輸出879. 5nm泵浦光經(jīng)過由第一非球面透鏡和第二非球面透鏡組成的非球面光學耦合系統(tǒng)以及第一平面鏡耦合到激光晶體內(nèi)，產(chǎn)生的1064nm激光經(jīng)過由第一平面鏡、第二平面鏡和第三平面鏡構(gòu)成的諧振腔內(nèi)振蕩并由Q開關(guān)調(diào)制，調(diào)制的 1064nm基頻光兩次經(jīng)過二倍頻晶體將1064nm基頻光轉(zhuǎn)換為532nm倍頻光，未二次倍頻轉(zhuǎn)換的剩余1064nm基頻光與532nm倍頻光經(jīng)過三倍頻晶體進行和頻，得到的355nm紫外激光從三倍頻晶體布儒斯特角切割的一面輸出。進一步地，上述的半導體二極管單端泵浦355nm紫外激光器，其中，所述第一非球面透鏡和第二非球面透鏡組成的非球面光學耦合系統(tǒng)的放大倍率為1 :8。更進一步地，上述的半導體二極管單端泵浦355nm紫外激光器，其中，所述激光晶體為Nd:YV04，其晶體尺寸為3X3X30mm3，晶體摻雜濃度為0. 55%。再進一步地，上述的半導體二極管單端泵浦355nm紫外激光器，其中，所述三倍頻晶體為Π類相位匹配方式LB0，其晶體尺寸為3X3X25mm3。再進一步地，上述的半導體二極管單端泵浦355nm紫外激光器，其中，所述第一平面鏡、第二平面鏡和第三平面鏡構(gòu)成的諧振腔內(nèi)插入有單片凸透鏡，補償晶體熱效應，提高輸出功率，改善光束質(zhì)量。本發(fā)明技術(shù)方案突出的實質(zhì)性特點和顯著的進步主要體現(xiàn)在
本發(fā)明采用879. 5nm波段二極管泵浦高摻雜，超長Nd:YV04晶體實現(xiàn)5W高功率355nm 紫外激光輸出，有效的提升了激光器基頻光輸出功率。腔內(nèi)插入凸透鏡，對晶體熱透鏡效應進行有效補償，使得激光器輸出功率不容易飽和，同時因透鏡聚焦作用使得倍頻晶體處具有較小的光斑，顯著提高了倍頻轉(zhuǎn)換效率。三倍頻晶體采用布儒斯特角切割，相比與鍍膜方式，三倍頻晶體的工作壽命可以大大延長。


下面結(jié)合附圖對本發(fā)明技術(shù)方案作進一步說明
圖ι 半導體二極管單端泵浦355nm紫外激光器原理示意圖。
具體實施例方式本發(fā)明設計一種半導體二極管單端泵浦355nm紫外激光器，采用879. 5nm波段二極管泵浦高摻雜，超長Nd: YV04晶體實現(xiàn)5W高功率355nm紫外激光輸出。如圖1所示，半導體二極管單端泵浦355nm紫外激光器，包括半導體二極管泵浦源 1和激光晶體5，半導體二極管泵浦源1為輸出功率40W的879. 5nm波段半導體二極管泵浦，半導體二極管泵浦源1的輸出端依次布置有第一非球面透鏡2和第二非球面透鏡3，第二非球面透鏡3的輸出端布置第一平面鏡4，第一平面鏡4的輸出端布置激光晶體5，激光晶體5銜接透鏡6，透鏡6的輸出端布置Q開關(guān)7，Q開關(guān)7的輸出端布置第二平面鏡8，第二平面鏡8銜接三倍頻晶體9，三倍頻晶體9依次銜接二倍頻晶體10和第三平面鏡11 ；半導體二極管泵浦源1輸出879. 5nm泵浦光經(jīng)過由第一非球面透鏡2和第二非球面透鏡3組成的非球面光學耦合系統(tǒng)以及第一平面鏡4耦合到激光晶體5內(nèi)，產(chǎn)生的1064nm激光經(jīng)過由第一平面鏡4、第二平面鏡8和第三平面鏡11構(gòu)成的諧振腔內(nèi)振蕩并由Q開關(guān)7進行調(diào)制，調(diào)制的1064nm基頻光兩次經(jīng)過二倍頻晶體10將1064nm基頻光轉(zhuǎn)換為532nm倍頻光， 未二次倍頻轉(zhuǎn)換的剩余1064nm基頻光與532nm倍頻光經(jīng)過三倍頻晶體9進行和頻，得到的 355nm紫外激光從三倍頻晶體9布儒斯特角切割的一面輸出。半導體二極管泵浦源1采用輸出功率40W的879. 5nm波段半導體二極管，其尾纖纖芯直徑為100微米，數(shù)值孔徑NA=O. 22。第一非球面透鏡2和第二非球面透鏡3組成的非球面光學耦合系統(tǒng)的放大倍率為1 :8。激光晶體5為Nd:YV04，其晶體尺寸為3X3X30mm3， 或更長晶體，晶體摻雜濃度為0. 55%或更高摻雜濃度。三倍頻晶體9為II類相位匹配方式 LB0,晶體端面采用布儒斯特角切割，其晶體尺寸為3X 3X 25mm3。首先考慮測量晶體的熱透鏡焦距，在30W較大泵浦功率泵浦下，激光晶體的熱透鏡焦距F=150mm。利用winlase軟件進行模擬計算得到腔的穩(wěn)區(qū)圖。由穩(wěn)區(qū)圖可以看出，激光器存在穩(wěn)區(qū)，對應熱焦距F=140-510mm，所以在大功率泵浦底下，激光器可以保持穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。根據(jù)上述技術(shù)方案，構(gòu)建了半導體二極管單端泵浦355nm紫外激光器裝置，在抽運光功率為30W時，在不同頻率調(diào)制下激光器的輸出功率，當調(diào)制頻率f=30kHz時，激光器輸出功率大于5W，泵浦光到355nm紫外激光的轉(zhuǎn)換效率約為17%，如此高的轉(zhuǎn)換效率已接近理論值。在此泵浦功率下，在20kHz時，激光脈沖寬度為12ns。在激光功率5W時，用光束質(zhì)量分析儀測得光束質(zhì)量因子M2<1. 3。該激光器運行8小時的穩(wěn)定度曲線可以看出穩(wěn)定度小于3%。從結(jié)果可以看出，紫外激光器具有轉(zhuǎn)換效率高、光束質(zhì)量好、運行穩(wěn)定等優(yōu)點，廣泛用于紫外激光應用領域。本發(fā)明采用879. 5nm波段半導體二極管作為泵浦源，有效的提升了激光器基頻光輸出功率。第一平面鏡、第二平面鏡和第三平面鏡構(gòu)成的諧振腔內(nèi)插入有單片凸透鏡，補償晶體熱效應，提高輸出功率，改善光束質(zhì)量，對晶體熱透鏡效應進行有效補償，使得激光器輸出功率不容易飽和，同時因透鏡聚焦作用使得倍頻晶體處具有較小的光斑，顯著提高了倍頻轉(zhuǎn)換效率。三倍頻晶體采用布儒斯特角切割，相比與鍍膜方式，三倍頻晶體的工作壽命可以大大延長。需要理解到的是以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，對于本技術(shù)領域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以作出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
1.半導體二極管單端泵浦355nm紫外激光器，其特征在于包括半導體二極管泵浦源和激光晶體，半導體二極管泵浦源為輸出功率40W的879. 5nm波段半導體二極管泵浦，半導體二極管泵浦源的輸出端依次布置有第一非球面透鏡和第二非球面透鏡，第一非球面透鏡和第二非球面透鏡構(gòu)成非球面光學耦合系統(tǒng)，第二非球面透鏡的輸出端布置第一平面鏡， 第一平面鏡的輸出端布置激光晶體，激光晶體銜接透鏡，透鏡的輸出端布置Q開關(guān)，Q開關(guān)的輸出端布置第二平面鏡，第二平面鏡銜接三倍頻晶體，三倍頻晶體依次銜接二倍頻晶體和第三平面鏡；半導體二極管泵浦源輸出879. 5nm泵浦光經(jīng)過由第一非球面透鏡和第二非球面透鏡組成的非球面光學耦合系統(tǒng)以及第一平面鏡耦合到激光晶體內(nèi)，產(chǎn)生的1064nm 激光經(jīng)過由第一平面鏡、第二平面鏡和第三平面鏡構(gòu)成的諧振腔內(nèi)振蕩并由Q開關(guān)調(diào)制， 調(diào)制的1064nm基頻光兩次經(jīng)過二倍頻晶體將1064nm基頻光轉(zhuǎn)換為532nm倍頻光，未二次倍頻轉(zhuǎn)換的剩余1064nm基頻光與532nm倍頻光經(jīng)過三倍頻晶體進行和頻，得到的355nm紫外激光從三倍頻晶體布儒斯特角切割的一面輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導體二極管單端泵浦355nm紫外激光器，其特征在于所述第一非球面透鏡和第二非球面透鏡構(gòu)成的非球面光學耦合系統(tǒng)的放大倍率為1 :8。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導體二極管單端泵浦355nm紫外激光器，其特征在于所述激光晶體為Nd:YV04，其晶體尺寸為3X3X30mm3，晶體摻雜濃度為0. 55%。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導體二極管單端泵浦355nm紫外激光器，其特征在于所述三倍頻晶體為II類相位匹配方式LB0，其晶體尺寸為3X3X25mm3。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導體二極管單端泵浦355nm紫外激光器，其特征在于所述第一平面鏡、第二平面鏡和第三平面鏡構(gòu)成的諧振腔內(nèi)插入有單片凸透鏡。
全文摘要
本發(fā)明涉及半導體二極管單端泵浦355nm紫外激光器，半導體二極管泵浦源為輸出功率40W的879.5nm波段半導體二極管泵浦，半導體二極管泵浦源的輸出端依次布置有第一非球面透鏡和第二非球面透鏡，第二非球面透鏡的輸出端布置第一平面鏡，第一平面鏡的輸出端布置激光晶體，激光晶體銜接透鏡，透鏡的輸出端布置Q開關(guān)，Q開關(guān)的輸出端布置第二平面鏡，第二平面鏡銜接三倍頻晶體，三倍頻晶體依次銜接二倍頻晶體和第三平面鏡。采用879.5nm波段二極管泵浦高摻雜，超長Nd:YVO4晶體實現(xiàn)5W高功率355nm紫外激光輸出，有效的提升了激光器基頻光輸出功率。
文檔編號H01S3/109GK102510002SQ201110450210
公開日2012年6月20日 申請日期2011年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月29日
發(fā)明者李立衛(wèi), 趙裕興 申請人:蘇州德龍激光有限公司