專利名稱：雙摻鉻釹釔鋁石榴石復合磷酸氧鈦鉀腔內倍頻自調q綠光激光器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及綠光激光器，尤其是涉及一種小型化的使用激光二極管端面直接泵浦的腔內倍頻的綠光激光器，激光工作物質是Cr，Nd:YAG/KTP自調Q與倍頻晶體所形成的復合晶體。
背景技術：
激光二極管泵浦的被動調Q固體激光器是一種全固化、結構緊湊、轉換效率高的激光光源。被動調Q激光器的高光束質量、高峰值功率、高重復頻率的特性使其在激光雷達、激光測距、遙感遙控、微機械加工和非線性光學轉化產生新型光源等領域具有非常廣闊的應用前景。可飽和吸收體用作被動調Q開關的原理是基于非線性可飽和吸收效應，即在低的能量密度下，可飽和吸收體具有很大的吸收，抑制了激光的振蕩，可以看成是激光腔的一個損耗；在高的能量密度下，可飽和吸收體被“漂白”，對光不具有吸收，“完全”透光。目前用作被動調Q開關的主要有Cr4+離子摻雜的晶體和陶瓷如Cr4+:YAG、半導體可飽和吸收鏡(SESAM)、有機染料、色心晶體等。摻Cr4+離子晶體可飽和吸收體由于具有損傷閾值高、吸收截面大、飽和光強小、成本低和結構簡單等優(yōu)點而在被動調Q固體激光器中得到了廣泛的應用。特別是Cr4+離子和Nd3+離子能夠在YAG基質中共摻生長出雙摻Cr，Nd: YAG自調Q激光晶體，使用激光二極管對其端面泵浦形成的自調Q固體激光器具有效率高、功率高等優(yōu)點，并且結構緊湊，能夠集成和設計為小型化產品。腔內倍頻技術通過充分利用激光諧振腔內高的激光強度實現(xiàn)高效的倍頻激光輸出。2003年，徐震等人([I]徐震，魏曉羽，吳念樂，LD泵浦Cr4+，Nd3+ = YAG自調Q腔內倍頻激光器研究，量子電子學報.2003，20:410-414)用810nm激光二極管作為泵浦源，Cr，NdiYAG晶體作為激光增益介質，在腔內加入KTP晶體構成了自調Q腔內倍頻平-平諧振腔。激光器工作在水冷控溫條件下，獲得了 532nm綠光輸出，激光脈沖的脈沖寬度為210ns，峰值功率只有101W，光-光轉換效率只有6%。諧振腔內插入Cr，NdiYAG晶體，KTP晶體以及兩個鍍膜的平面鏡，引入了多余的插入損耗和反射損耗等，因此激光器的轉換效率低。2006年杜仕峰等人(S.Du, S.Wang, D.Zhang, et al, Diode end-pumped self-Q-switched andmode-locked Nd, Cr:YAG/KTP green laser, Chin.Phys.Soc.2006,15:1522-1525)利用808nm LD作為泵浦源，使用Cr，Nd:YAG晶體和KTP倍頻晶體，在折疊Z型腔的結構下，在泵浦光為19W時獲得了 680mW的綠光輸出，光-光轉換效率僅3.58%。實驗中使用了水冷結構對其控溫在12度，使得激光器的結構非常復雜，難于維護。2007年，杜仕峰等人([3]S.Du, S.Wang, D.Zhang, et al, “Green output of 1.5ff from diode-pumped intracavityfrequency-doubled self-Q-switched and mode-locked Cr, Nd:YAG laser,，，Chin.Phys.Lett.2007,24:3149-3152)優(yōu)化了 Cr，Nd: YAG晶體的長度等參數(shù)，仍然使用Z型腔，提高了綠光的效率。但是由于上述激光器的工作條件較為苛刻，需要水冷或者風冷裝置控制在一定溫度下，而且激光諧振腔的腔型復雜，生產成本高，安裝和調試過程復雜，不利于生產安裝和非專業(yè)人員操作使用。因此，探索基于Cr，NdiYAG自調Q激光晶體的小型化、高效的倍頻激光器的研究一直在持續(xù)升溫中。LD在泵浦固體激光器的過程中產生的熱是限制高功率固體激光器發(fā)展的一個主要因素。采用885nm LD作為泵浦源，粒子直接從基態(tài)激發(fā)到激光上能級，有效地減少Stokes頻移和量子缺陷，使得量子效率可以高達83% ([4]Lupei V, PavelN, Taira T, “1064nm laser emission of highly doped Nd:Yttrium aluminum garnetunder885nm diode laser pumping, ”Appl.Phys.Lett.80，4309-4311 (2002))。因此，885nmLD直接泵浦所產生的熱負荷比采用808nm LD泵浦時產生的熱負荷減小30% ([5]LupeiV, Lupei A, Pavel N, “Laser emission under resonant pump in the emitting level ofconcentrated Nd:YAG ceramics, ”Appl.Phys.Lett.79，590-592 (2001)).最近，885nm 直接泵浦的Cr，Nd: YAG自調Q和鎖模激光器獲得了高效的激光輸出，在10.9W泵浦光功率下獲得了 3.36W 的 1064nm 激光輸出，斜率效率高達 38.1% ([6]M.Jiang, Q.Zhang, ff.Zhou, etal.Self-Q-switched and mode-locked Cr, Nd:YAG laser under direct885nm diodelaser pumping.Chinese Phys.Lett.29，054214(2012))。自調 Q激光脈沖包絡的重復頻率為95kHz、脈沖寬度為400ns，自調Q激光脈沖包絡對應的峰值功率只有88W.最近曹夢軍等人([7]曹夢軍，白勝闖，董俊，885-nm LD直接泵浦Cr，Nd:YAG/KTP腔內倍頻自調Q小型化綠光激光器研究，中國科技論文在線精品論文.2012,5:2135-2140)采用885nmLD作為泵浦源，直接泵浦Cr，Nd: YAG自調Q晶體，通過KTP腔內倍頻獲得532nm自調Q綠光激光輸出。然而由于Cr，Nd: YAG晶體中Nd離子在885nm處的吸收系數(shù)小，而且腔內插入KTP晶體導致了損耗增加，因而激光的輸出功率只有92mW，而且光-光轉化效率只有3%。隨著透明陶瓷技術的發(fā)展，高摻雜濃度Cr，NdiYAG激光陶瓷為直接泵浦Cr，NdiYAG激光帶來了曙光。而且隨著晶體鍵合技術的發(fā)展，各種多功能復合結構材料的制備成為可能。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種雙摻鉻釹釔鋁石榴石復合磷酸氧鈦鉀腔內倍頻自調Q綠光激光器。本發(fā)明設有泵浦源、微透鏡、第一柱狀透鏡、第二柱狀透鏡、激光工作介質Cr, Nd:YAG/KTP 復合晶體；所述泵浦源、微透鏡、第一柱狀透鏡、第二柱狀透鏡、激光工作介質Cr，Nd:YAG/KTP復合晶體從前至后依次排列并位于同一個光軸上；激光工作介質Cr，Nd:YAG/KTP復合晶體的后表面鍍增透膜及高反膜作為激光腔的后腔鏡，Cr, Nd:YAG/KTP復合晶體的前表面鍍有高反膜和增透膜作為激光腔的前腔鏡。所述泵浦源可采用高亮度的885nm單管激光二極管，所述Cr，Nd:YAG/KTP復合晶體的后表面(即面向泵浦源的Cr，Nd: YAG端面)鍍885nm的增透膜、1064nm和532nm高反膜，所述Cr，Nd: YAG/KTP復合晶體的前表面(即抗灰跡KTP晶體的端面)的鍍1064nm高反膜、及532nm增透膜。本發(fā)明的特點在于:(I)由激光工作介質Cr，Nd:YAG/KTP復合晶體組成的微片激光器，復合晶體的兩個表面是平行平面，組成的激光諧振腔是法布里-珀羅諧振腔(F-P腔)，其優(yōu)點是光束方向性極好，發(fā)散角小，模體積較大，比較容易獲得單橫模振蕩，微片化的激光器結構能夠輸出高亮度，高峰值功率，高光束質量的綠光脈沖激光。(2)使用高亮度的單管激光二極管作為泵浦源，其亮度高，體積小，可以使整套激光器件更加小型化，集成化和實用化。(3)利用熱鍵合技術制成的Cr，Nd:YAG/KTP復合晶體，消除了 Cr，NdiYAG晶體與抗”灰跡”KTP晶體之間的界面形成的光學損耗，作為激光工作物質可以改善激光熱性能和光束質量，并且由于兩者鍵合在一起省去了調節(jié)兩者形成平行平面腔的復雜步驟，使激光器的結構變得更加簡單，便于生產安裝和非專業(yè)人員操作使用。本發(fā)明的優(yōu)點在于:(I)本發(fā)明所述綠光激光器在較大的泵浦功率范圍內，可獲得不同重復頻率的綠光脈沖激光輸出，而且激光脈沖的峰值功率高，單脈沖寬度窄。(2 )采用高亮度885nm單管激光二極管作為泵浦源，相較于808nm泵浦源的間接泵浦方式，它對Cr，NdiYAG晶體的泵浦方式是直接泵浦的，粒子從基態(tài)直接抽運到激光上能級，沒有經(jīng)由激發(fā)態(tài)上粒子的無輻射躍遷，從而有效的減小了熱透鏡效應并提高了輸出效率。(3 )使用了雙摻的Cr，Nd: YAG自調Q晶體作為工作物質，增益介質離子和可飽和吸收體共摻雜在同一種基質中能同時實現(xiàn)激光增益功能和調Q功能，使固體激光器件更加結構緊湊。(4)KTP晶體作為倍頻晶體具有非線性光學系數(shù)大，失配度小，熱導率高，物化機械性能穩(wěn)定等等的優(yōu)勢。但普通的KTP晶體用于高功率密度1064nm激光倍頻時，會觀察到“灰跡效應”，在形成灰跡的區(qū)域，晶體對可見和近紅外光的吸收顯著增加，嚴重的會導致晶體發(fā)熱，轉換效率降低，輸出功率下降，并可能造成KTP晶體的永久性損壞。鑒于此，本發(fā)明使用了抗“灰跡” KTP晶體，它能夠改善激光性能，減少晶體損壞。(5)采用熱鍵合技術把Cr，NdiYAG晶體和抗灰跡KTP晶體直接鍵合可以有效地縮短腔長，壓縮脈沖寬度，提高脈沖峰值功率，從而獲得高峰值功率，小型化、集成化固體激光光源。復合晶體消除了 Cr，Nd:YAG晶體與抗”灰跡”KTP晶體之間的界面，極大地減小了腔內的損耗。復合晶體兩面鍍膜形成了平-平諧振腔，相當于將KTP晶體置入諧振腔內，通過腔內倍頻方式輸出綠光脈沖激光，可以充分利用激光諧振腔內高的激光強度實現(xiàn)高效的倍頻激光輸出。(6)激光器使用的光學元件少，生產成本低，結構簡單緊湊，便于生產安裝和非專業(yè)人員的操作使用。


圖1為本發(fā)明實施例的結構組成圖。圖2為Cr，Nd:YAG自調Q激光晶體在室溫下的吸收光譜。在圖2中，橫坐標為波長(nm),縱坐標為吸收系數(shù)(cnT1)。圖3為直接泵浦粒子躍遷圖。圖4為間接泵浦粒子躍遷圖。
具體實施例方式以下實施例將結合附圖對本發(fā)明作進一步的說明。參見圖1，本發(fā)明實施例設有泵浦源1、微透鏡2、第一柱狀透鏡3、第二柱狀透鏡4、激光工作物質Cr，Nd:YAG/KTP復合晶體5、第I鍍膜6、第2鍍膜7和濾光片8 ;所選泵浦源
1、微透鏡2、第一柱狀透鏡3、第二柱狀透鏡4、激光工作介質Cr，Nd:YAG/KTP復合晶體5從前至后依次排列并位于同一個光軸上；激光工作介質Cr，Nd:YAG/KTP復合晶體5的前后表面分別設有第I鍍膜6和第2鍍膜7，形成激光腔的前后腔鏡。所述泵浦源I為單管激光二極管，輸出波長為885nm，激光功率IOW ;其發(fā)射截面積是I μ mX 50 μ m。安裝在單管激光二極管前的一個微透鏡2將激光二極管發(fā)射的泵浦光的快軸發(fā)散角壓縮到10度。然后經(jīng)過兩個焦距均為8mm的第一柱狀透鏡3和第二個柱狀透鏡4的光學耦合和聚焦后，在激光工作物質Cr，Nd:YAG/KTP復合晶體的入射面上行成一個面積為(80 μ mX80 μ m)的入射光斑；本發(fā)明所用的激光增益介質是一塊沿〈111〉方向切割的Cr, NdiYAG自調Q激光晶體。以Nd3+離子摻雜濃度為Iat.%，Cr離子的摻雜濃度為0.0lat.%的Cr，NdiYAG自調Q激光晶體和抗“灰跡”KTP晶體為例來說明本發(fā)明的內容。Cr，NdiYAG自調Q激光激光晶體和KTP晶體的尺寸皆為橫截面為3_X3mm，厚度為5_，通過熱鍵合技術將兩者鍵合起來。Cr，NdiYAG晶體的后表面鍍885nm的增透膜，1064nm和532nm高反膜作為激光腔的后腔鏡，KTP晶體的前表面鍍有1064nm高反膜和532nm的增透膜以形成激光腔的前腔鏡。Cr，NdiYAG晶體和KTP晶體使用夾具安放在實驗平臺上，在室溫下工作。測量輸出的532nm綠光激光的性能，可先將輸出的脈沖激光經(jīng)過一個濾波片8，濾掉1064nm的基頻光后使用功率計來測量綠光平均輸出功率。對于輸出激光脈沖特性的測試(包括重復頻率，單個脈沖的寬度)則可通過高靈敏度的光電探測儀及數(shù)字示波器來測試。本發(fā)明創(chuàng)新地使用了高亮度885nm單管激光二極管端面直接泵浦Cr，NdiYAG晶體的方式減少激光運行中所產生的熱效應，使用熱鍵合技術將Cr，NdiYAG晶體和抗灰跡KTP晶體鍵合在一起形成復合晶體，在復合晶體的兩面鍍膜形成激光諧振腔，而KTP腔內倍頻的將1064nm的脈沖激光轉換為532nm的綠光脈沖激光輸出。本發(fā)明使用885nm泵浦源對Cr，Nd: YAG/KTP復合晶體直接泵浦，是由于在二極管泵浦固體激光器的過程中，存在斯托克斯頻移和量子虧損等問題，導致增益介質產生熱效應，嚴重的影響到輸出激光的光束質量。本發(fā)明利用885nm單管激光二極管作為泵浦源對Cr, Nd: YAG/KTP復合晶體進行直接泵浦，與808nm激光二極管的間接泵浦方式相比，有效地減少了熱透鏡效應，減少了不必要的能量損失，最終提高輸出效率。本發(fā)明核心關鍵技術是使用了 Cr，Nd:YAG/KTP復合晶體，兼具自調Q和倍頻的功能。Cr, Nd:YAG/KTP復合晶體的制備是通過熱鍵合技術(Thermal bonding),先將兩塊經(jīng)過精密加工的Cr，NdiYAG晶體和抗“灰跡"KTP晶體在室溫的條件下緊貼在一起，靠兩個表面間的作用力使兩者結合在一起。晶體表面經(jīng)過處理后，可以獲得親水性表面，兩個加工精度高和粗糙度細的親水性表面可以依靠氫鍵的作用在室溫下相互吸引，形成光膠。隨著溫度的升高，離子和空穴在交界面上的擴散逐漸加劇，而且由于表面有很多懸空鍵，可以經(jīng)過一定時間的晶格調整和重構，最后形成一個穩(wěn)定的結構。([8]呂靜姝，聞平，鞏馬理等，“熱鍵合技術及其在激光方面的應用”，光學技術.28，355-359 (2002))。
采用熱鍵合技術制備的Cr，Nd:YAG/KTP復合晶體，最重要的改進就是對激光熱性能和光束質量的改善，特別是在高功率激光器中的用途。由于激光器在工作時，泵浦光的能量只有一部分轉化為激光，剩余的能量都被其它的競爭機制所消耗，如無輻射躍遷、自發(fā)輻射、基質吸收等，這些過程都會在激光介質中產生熱量。一般高功率系統(tǒng)都必須加冷卻系統(tǒng)，但冷卻系統(tǒng)會帶來激光介質內部溫度分布的不均勻，使內部溫度比邊緣高。由于晶體的折射率會隨著溫度變化而變化，這樣就會產生熱透鏡效應；晶體受熱后還會產生應力雙折射。這些都會使光束質量受到嚴重影響。本發(fā)明實驗中熱鍵合技術在將倍頻晶體KTP和雙摻自調Q晶體Cr，NdiYAG兩種不同功能的晶體鍵合在一起，形成一個集成的非線性激光系統(tǒng)，實現(xiàn)了系統(tǒng)的小型化和集成化。復合晶體的鍵合面緊密接觸，省去調整兩塊晶體的平行腔的步驟，減小調節(jié)難度，也有利于裝夾結構的設計。此外通過晶體兩端鍵合，省去了原分立結構需要鍍膜的情況，使鍍膜面和激光器中受熱應力最大的面分開，防止一些對溫度敏感的膜發(fā)生變化。該復合晶體對改善高功率激光器熱性能、提高激光系統(tǒng)集成化很有意義，在激光方面有著很廣泛的應用前景。本發(fā)明用于制備Cr，Nd:YAG/KTP復合晶體的倍頻晶體是抗“灰跡”的KTP晶體。由于復合晶體兩面鍍膜形成激光諧振腔，KTP位于諧振腔內，因此綠光的產生是通過腔內倍頻的方式。腔內倍頻方式可以充分利用激光諧振腔內高的激光強度來實現(xiàn)高效的倍頻激光輸出，其優(yōu)點是轉換效率高，結構簡單。本發(fā)明采用了抗“灰跡”KTP晶體，不但具有普通KTP晶體的優(yōu)點，而且具有更高的抗“灰跡”性能，減小對輸出激光光束質量的影響。2008年福建物質結構研究所使用新方法生長了抗“灰跡”KTP晶體，測試表明該晶體可見光譜的短波端比普通KTP晶體有更高的透過率，具有更高的抗“灰跡”性能，能夠應用于高功率密度激光的倍頻([9]蘇榕冰，陳昱，陳黎娜等，“抗‘灰跡’ KTP晶體光學性能研究”，人工晶體學報.37，104-108 (2008))。本發(fā)明中抗“灰跡”的K T P晶體與雙摻晶體通過熱鍵合形成一整塊晶體，以此形成的綠光激光器，效率高，光束質量好，結構小型化。885nm單管激光二極管直接端面泵浦的Cr，Nd:YAG/KTP復合自調Q腔內倍頻綠光激光器，主要涉及Cr，Nd:YAG自調Q激光晶體作為激光增益介質和被動調Q開關，抗“灰跡”KTP晶體作為倍頻轉換晶體實現(xiàn)腔內倍頻，熱鍵合技術制備復合晶體等技術。通過控制Cr, NdiYAG自調Q激光晶體的摻雜濃度，KTP晶體的長度來實現(xiàn)高轉化效率、高光束質量、高峰值功率的小型化自調Q綠光固體激光器。
權利要求
1.雙摻鉻釹釔鋁石榴石復合磷酸氧鈦鉀腔內倍頻自調Q綠光激光器，其特征在于設有泵浦源、微透鏡、第一柱狀透鏡、第二柱狀透鏡、激光工作介質Cr，Nd:YAG/KTP復合晶體； 所述泵浦源、微透鏡、第一柱狀透鏡、第二柱狀透鏡、激光工作介質Cr，Nd:YAG/KTP復合晶體從前至后依次排列并位于同一個光軸上；激光工作介質Cr，Nd:YAG/KTP復合晶體的后表面鍍增透膜及高反膜作為激光腔的后腔鏡，Cr, Nd:YAG/KTP復合晶體的前表面鍍有高反膜和增透膜作為激光腔的前腔鏡。
2.如權利要求1所述雙摻鉻釹釔鋁石榴石復合磷酸氧鈦鉀腔內倍頻自調Q綠光激光器，其特征在于所述泵浦源采用高亮度的885nm單管激光二極管。
3.如權利要求1所述雙摻鉻釹釔鋁石榴石復合磷酸氧鈦鉀腔內倍頻自調Q綠光激光器，其特征在于所述Cr，Nd:YAG/KTP復合晶體的后表面，即面向泵浦源的Cr，Nd:YAG端面鍍885nm的增透膜、1064nm和532nm高反膜；所述Cr，Nd:YAG/KTP復合晶體的前表面，即抗灰跡KTP晶體的端面鍍1064nm高反膜和532nm增透膜。
全文摘要
雙摻鉻釹釔鋁石榴石復合磷酸氧鈦鉀腔內倍頻自調Q綠光激光器，涉及綠光激光器。設有泵浦源、微透鏡、第一柱狀透鏡、第二柱狀透鏡、激光工作介質Cr,Nd:YAG/KTP復合晶體；所述泵浦源、微透鏡、第一柱狀透鏡、第二柱狀透鏡、激光工作介質Cr,Nd:YAG/KTP復合晶體從前至后依次排列并位于同一個光軸上；激光工作介質Cr,Nd:YAG/KTP復合晶體的后表面鍍增透膜及高反膜作為激光腔的后腔鏡，Cr,Nd:YAG/KTP復合晶體的前表面鍍有高反膜和增透膜作為激光腔的前腔鏡。激光器使用的光學元件少，生產成本低，結構簡單緊湊，便于生產安裝和非專業(yè)人員的操作使用。
文檔編號H01S3/109GK103199430SQ20131009065
公開日2013年7月10日 申請日期2013年3月20日 優(yōu)先權日2013年3月20日
發(fā)明者程瑩, 董俊, 白勝闖, 王光宇, 周曉 申請人:廈門大學