專利名稱：一種薄片式515nm波段全固體綠激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體激光泵浦固體激光技術(shù)領(lǐng)域，具體的涉及一種獲得倍頻輸出的薄片式515nm波段全固體綠激光器。
背景技術(shù)：
515nm波段激光在生物化學(xué)、便攜式投影儀、醫(yī)療等領(lǐng)域有重要用途。以牙科為例可用于光子化學(xué)漂白和牙齦消毒。而且，515 nm激光器是泵浦鈦寶石激光器的理想泵浦源。過去相關(guān)領(lǐng)域多采用染料激光器或氬離子激光器(514. 5nm)，但染料激光器具有安全性差、染料退化且有毒、能量消耗高、穩(wěn)定性差等一系列問題，而氬離子激光器體積龐大， 功耗高，需要復(fù)雜的水冷系統(tǒng)，因此急需相應(yīng)波段的固體激光器來滿足市場需求。目前，國際上僅有德國開發(fā)出515nm全固體激光器產(chǎn)品，并申請美國專利 US2005/0041718 Al，其利用非球面鏡耦合結(jié)構(gòu)，腔型采用環(huán)形腔，缺點(diǎn)是工藝復(fù)雜，裝調(diào)允許失配量小，體積龐大，價格昂貴。國內(nèi)也有相關(guān)實(shí)驗(yàn)報道，中科院物理所(4. 44 W of Cff 515 nm green light generated by intracavity frequency doubling Yb:YAG thin disk laser with LBO, Optics Communications. 267，451，2006)、清華大學(xué)(二極管泵浦 Yb :YAG thin disk激光器調(diào)諧及腔內(nèi)倍頻的研究，量子電子學(xué)報，25，2，2008)都是利用四個球面反射鏡將泵浦光耦合到晶體中，采用V型腔結(jié)構(gòu)，通過腔內(nèi)倍頻獲得該波長輸出。中國工程物理研究所(高光束質(zhì)量515 nm薄片激光器，中國激光，37，11，2010)采用的是Z型腔結(jié)構(gòu)，腔長達(dá)1. 89 米。以上實(shí)驗(yàn)裝置均具有光學(xué)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大、裝調(diào)困難等缺點(diǎn)，因而難于開發(fā)出體積小、激光輸出穩(wěn)定性高的商用產(chǎn)品。

發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)簡單、體積小、效率高、輸出穩(wěn)定性好、易于產(chǎn)品化的薄片式515nm波段全固體綠激光器。為實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，達(dá)到上述技術(shù)效果，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案
一種薄片式515nm波段全固體綠激光器，包括一泵浦源、第一球面耦合反射鏡、輸出耦合鏡、第二球面耦合反射鏡、增益介質(zhì)、熱沉，所述增益介質(zhì)通過焊接層焊接到所述熱沉上；
所述增益介質(zhì)的后表面和輸出耦合鏡的凹面構(gòu)成平凹諧振腔，所述輸出耦合鏡位于所述增益介質(zhì)的出射光路上；
所述泵浦源、第一球面耦合反射鏡和第二球面耦合反射鏡組成四程抽運(yùn)式光學(xué)耦合系統(tǒng)，所述第一球面耦合反射鏡和所述泵浦源位于所述平凹諧振腔的同一側(cè)，所述第二球面耦合反射鏡位于所述第一球面耦合反射鏡對稱的另一側(cè)，所述第一球面耦合反射鏡位于所述泵浦源發(fā)射的泵浦光的光路上，所述第二球面耦合反射鏡位于所述增益介質(zhì)反射的泵浦光的光路上。優(yōu)選的，所述泵浦源包括一半導(dǎo)體激光器列陣和一光纖頭，所述半導(dǎo)體激光器列陣發(fā)射的泵浦光通過所述光纖頭耦合輸出。優(yōu)選的，所述泵浦源包括一單管半導(dǎo)體激光器和一光束整形系統(tǒng)，所述單管半導(dǎo)體激光器發(fā)射的泵浦光通過光束整形系統(tǒng)整形后輸出。優(yōu)選的，還包括一倍頻晶體和一飽和吸收體，所述倍頻晶體位于所述輸出耦合鏡和所述增益介質(zhì)之間，所述飽和吸收體位于所述增益介質(zhì)與所述倍頻晶體之間或位于倍頻晶體與輸出鏡之間。優(yōu)選的，本發(fā)明的薄片式515nm波段全固體綠激光器，還包括一倍頻晶體、一飽和吸收體、一聚焦透鏡和一溫控系統(tǒng)，所述飽和吸收體位于所述輸出耦合鏡和所述增益介質(zhì)之間，所述聚焦透鏡位于所述輸出耦合鏡之后，所述倍頻晶體位于所述聚焦透鏡之后，并通過所述溫控系統(tǒng)對所述倍頻晶體進(jìn)行精確溫度控制。本發(fā)明的工作原理如下
泵浦源半導(dǎo)體激光器發(fā)出泵浦光，通過耦合系統(tǒng)聚焦到增益介質(zhì)內(nèi)，當(dāng)半導(dǎo)體激光器發(fā)出的泵浦光功率超過諧振腔對波長 I1的振蕩閾值功率時，激光增益介質(zhì)就產(chǎn)生波長的基頻光，在增益介質(zhì)的焊接端面(鍍有高反膜)和輸出耦合鏡凹面之間(既平凹諧振腔)傳播振蕩，在激光增益介質(zhì)內(nèi)循環(huán)放大。 耦合過程是半導(dǎo)體激光器發(fā)出的泵浦光首先被第一球面耦合反射鏡反射聚焦到增益介質(zhì)內(nèi)，然后由增益介質(zhì)的焊接端面反射，兩次通過增益介質(zhì)后，未被吸收的泵浦光經(jīng)第二球面耦合反射鏡接收后再次反射聚焦到增益介質(zhì)，然后再由增益介質(zhì)的焊接端面反射，這樣泵浦光共四次通過增益介質(zhì)，優(yōu)化增益介質(zhì)厚度可保證足夠的泵浦能量被吸收。、’'I波^的
基頻光通過倍頻晶體時，通過非線性光學(xué)倍頻作用，產(chǎn)生*倍頻光，通過輸出耦合鏡輸出
到平凹諧振腔外。熱沉采用微通道水冷或熱電半導(dǎo)體致冷器(TEC)制冷使激光增益介質(zhì)的溫度盡量低且恒定。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果
本發(fā)明的薄片式515nm波段全固體綠激光器結(jié)構(gòu)簡單、體積小、效率高、輸出穩(wěn)定性好、易于產(chǎn)品化，本發(fā)明采用四程抽運(yùn)光學(xué)耦合系統(tǒng)和簡單的平凹腔結(jié)構(gòu)，解決了德國產(chǎn)品和國內(nèi)實(shí)驗(yàn)中耦合系統(tǒng)及腔型過于復(fù)雜的問題，優(yōu)化了泵浦光和激光的模式匹配，從而提高了激光器輸出功率并獲得穩(wěn)定的515nm波段輸出。上述說明僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明的技術(shù)手段， 并可依照說明書的內(nèi)容予以實(shí)施，以下以本發(fā)明的較佳實(shí)施例并配合附圖詳細(xì)說明如后。


此處所說明的附圖用來提供對本發(fā)明的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請的一部分，本發(fā)明的示意性實(shí)施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的不當(dāng)限定。在附圖中圖1為本發(fā)明的一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明的另一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明的再一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為本發(fā)明的實(shí)施例4的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5為本發(fā)明的實(shí)施例5的結(jié)構(gòu)示意圖。圖6為本發(fā)明的實(shí)施例6的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中標(biāo)號說明3、第一球面耦合反射鏡，4、倍頻晶體，5、輸出耦合鏡，6、第二球面耦合反射鏡，7、增益介質(zhì)，8、焊接層，9、熱沉，10、飽和吸收體，11、聚焦透鏡，12、溫控系統(tǒng)。
具體實(shí)施例方式下面將參考附圖并結(jié)合實(shí)施例，來詳細(xì)說明本發(fā)明。實(shí)施例1
參見圖1所示，一種薄片式515nm波段全固體綠激光器，包括一泵浦源、第一球面耦合反射鏡3、輸出耦合鏡5、第二球面耦合反射鏡6、增益介質(zhì)7、熱沉9，所述增益介質(zhì)7通過焊接層8焊接到所述熱沉9上；
所述增益介質(zhì)7的后表面和輸出耦合鏡5的凹面構(gòu)成平凹諧振腔，所述輸出耦合鏡5 位于所述增益介質(zhì)7的出射光路上；
所述泵浦源、第一球面耦合反射鏡3和第二球面耦合反射鏡6組成四程抽運(yùn)式光學(xué)耦合系統(tǒng)，所述第一球面耦合反射鏡3和所述泵浦源位于所述平凹諧振腔的同一側(cè)，所述第二球面耦合反射鏡6位于所述第一球面耦合反射鏡3對稱的另一側(cè)，所述第一球面耦合反射鏡3位于所述泵浦源發(fā)射的泵浦光的光路上，所述第二球面耦合反射鏡6位于所述增益介質(zhì)7反射的泵浦光的光路上
所述泵浦源采用輸出波長為940nm(或968nm)半導(dǎo)體激光器列陣或單管半導(dǎo)體激光器， 當(dāng)用半導(dǎo)體激光列陣時，泵浦光由光纖頭耦合輸出，當(dāng)用單管半導(dǎo)體激光器時，需經(jīng)光束整形系統(tǒng)整形后輸出。本發(fā)明的薄片式515nm波段全固體綠激光器，還包括一倍頻晶體4，所述倍頻晶體 4位于所述輸出耦合鏡5和所述增益介7之間。第一球面耦合反射鏡3、第二球面耦合反射鏡6的凹面制備對940nm(或968nm)單波長高反膜，反射率大于99. 5%。增益介質(zhì)7采用％ =YAG或％:LuAG等摻％的晶體，其焊接端面上制備對940nm (或968nm)和1030nm雙波長高反膜，反射率大于99. 5%，另一端面制備940nm (或968nm)和 1030nm雙波長增透膜，透過率大于99. 5%。熱沉9采用微通道水冷或熱電半導(dǎo)體致冷器(TEC)制冷。倍頻晶體4為KTP、LBO、BiBO, PPMgLN或其它非線性晶體，其中KTP、LBO、BiBO, PPMgLN等晶體按波長1030nm倍頻位相匹配方向切割或相應(yīng)周期制作，倍頻晶體4的兩個通光面都制備對1030nm和515nm兩個波長的增透膜，透過率大于99. 5% ；
輸出耦合腔鏡5凹面制備對波長1030nm的反射率大于99. 8%，對波長515nm的透過率大于95%的多層介質(zhì)膜，輸出耦合腔鏡5的平面制備對波長515nm的透過率大于99%的增透膜。當(dāng)半導(dǎo)體激光器工作時，泵浦光經(jīng)光纖頭(或光束整形系統(tǒng))輸出，通過第一球面耦合反射鏡3、第二球面耦合反射鏡6，耦合到％ =YAG或％ LuAG等摻％的晶體中，隨著泵浦功率的增加，在激光增益介質(zhì)％ =YAG或％ LuAG等摻％的晶體內(nèi)產(chǎn)生1030nm基頻光振蕩，其通過倍頻晶體4 (KTP, LB0, BiBO, PPMgLN或其它非線性晶體)時，由于非線性光學(xué)倍頻作用，產(chǎn)生515nm的綠色倍頻激光，由輸出耦合鏡5輸出。實(shí)施例2
參見圖2所示，是本發(fā)明薄片式515nm波段全固體綠激光器的另一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。該實(shí)施例的結(jié)構(gòu)與實(shí)施例1類似，只是腔內(nèi)插入了飽和吸收體10，隨著泵浦功率的增加，在激光增益介質(zhì)％ =YAG或％:LuAG等摻樸的晶體內(nèi)產(chǎn)生1030nm基頻光振蕩，當(dāng)基頻光通過飽和吸收體10時，產(chǎn)生1030nm脈沖激光，脈沖激光1030nm通過倍頻晶體4 (KTP、 LB0, BiBO, PPMgLN或其它非線性晶體)時，由于非線性光學(xué)倍頻作用，從而可獲得515nm脈沖激光輸出。實(shí)施例3
參見圖3所示，是本發(fā)明薄片式515nm波段全固體綠激光器再實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。該實(shí)施例的結(jié)構(gòu)與實(shí)施例1的耦合結(jié)構(gòu)和諧振腔腔型類似，只是腔內(nèi)插入了飽和吸收體10， 通過腔外倍頻獲得515nm激光脈沖輸出。輸出耦合鏡5的膜系需做調(diào)整，要求輸出耦合鏡5的凹面制備1030nm的部分反射膜，反射率為70 80%，輸出耦合鏡5的平面制備1030nm增透膜，透過率大于99%，當(dāng)泵浦光超過諧振腔對波長1030nm的振蕩閾值功率時，在激光增益介質(zhì)％等摻 Yb的晶體內(nèi)產(chǎn)生1030nm基頻光，1030nm在增益介質(zhì)7的焊接端面和輸出耦合鏡5的凹面之間(既平凹諧振腔)傳播振蕩，在激光增益介質(zhì)內(nèi)循環(huán)放大，當(dāng)其通過飽和吸收體10時， 產(chǎn)生1030nm脈沖激光，由輸出耦合鏡5輸出，在腔外放置聚焦透鏡11，把1030nm聚焦到倍頻晶體4上，通過非線性光學(xué)倍頻作用產(chǎn)生515nm脈沖激光輸出。倍頻晶體4為KTP、LB0、 BiBO,PPMgLN或其它非線性晶體，其中KTP、LB0、BiB0、PPMgLN等晶體按波長1030nm倍頻位相匹配方向切割或相應(yīng)周期制作，倍頻晶體4的兩個通光面都制備對1030nm和515nm兩個波長的增透膜，透過率大于99. 5%，倍頻晶體4通過溫控系統(tǒng)12進(jìn)行精確溫度控制。如圖4、圖5、圖6所示分別是本發(fā)明薄片式515nm波段全固體綠激光器實(shí)施例4、 例5、例6的結(jié)構(gòu)示意圖。其結(jié)構(gòu)分別與實(shí)施例1、例2、例3類似，只是耦合光路發(fā)生了改變。改變的耦合光路如下
所述第一球面耦合反射鏡3和泵浦源位于平凹諧振腔的同一側(cè)，所述第二球面耦合反射鏡6位于所述泵浦源發(fā)射的泵浦光的光路上，所述第一球面耦合反射鏡3位于所述增益介質(zhì)7反射的泵浦光的光路上，泵浦源發(fā)射的泵浦光首先被第二球面反射鏡6接收，然后反射注入到增益介質(zhì)7中，兩次通過晶體后，未被吸收的泵浦光被第一球面反射鏡3反射并再次注入晶體，完成泵浦光的四程抽運(yùn)。該結(jié)構(gòu)的泵浦光在運(yùn)行時，有所交叉，減小了倍頻空間，但同時也減小了泵浦光的光斑半徑，有利于提升泵浦功率密度。以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種薄片式515nm波段全固體綠激光器，包括一泵浦源，其特征在于還包括第一球面耦合反射鏡(3)、輸出耦合鏡(5)、第二球面耦合反射鏡(6)、增益介質(zhì)(7)、熱沉(9)，所述增益介質(zhì)(7 )通過焊接層(8 )焊接到所述熱沉(9 )上；所述增益介質(zhì)(7)的后表面和輸出耦合鏡(5)的凹面構(gòu)成平凹諧振腔，所述輸出耦合鏡(5)位于所述增益介質(zhì)(7)的出射光路上；所述泵浦源、第一球面耦合反射鏡(3)和第二球面耦合反射鏡(6)組成四程抽運(yùn)式光學(xué)耦合系統(tǒng)，所述第一球面耦合反射鏡(3)和所述泵浦源位于所述平凹諧振腔的同一側(cè)，所述第二球面耦合反射鏡(6)位于所述第一球面耦合反射鏡(3)對稱的另一側(cè)，所述第一球面耦合反射鏡(3)位于所述泵浦源發(fā)射的泵浦光的光路上，所述第二球面耦合反射鏡(6) 位于所述增益介質(zhì)(7)反射的泵浦光的光路上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄片式515nm波段全固體綠激光器，其特征在于所述泵浦源包括一半導(dǎo)體激光器列陣和一光纖頭，所述半導(dǎo)體激光器列陣發(fā)射的泵浦光通過所述光纖頭耦合輸出。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄片式515nm波段全固體綠激光器，其特征在于所述泵浦源包括一單管半導(dǎo)體激光器和一光束整形系統(tǒng)，所述單管半導(dǎo)體激光器發(fā)射的泵浦光通過光束整形系統(tǒng)整形后輸出。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的薄片式515nm波段全固體綠激光器，其特征在于 還包括一倍頻晶體(4)，所述倍頻晶體(4)位于所述輸出耦合鏡(5)和所述增益介質(zhì)(7)之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的薄片式515nm波段全固體綠激光器，其特征在于還包括一飽和吸收體(10)，所述飽和吸收體(10)位于所述增益介質(zhì)(7)與所述倍頻晶體(4)之間或位于所述倍頻晶體(4)與所述輸出耦合鏡(5)之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的薄片式515nm波段全固體綠激光器，其特征在于 還包括一倍頻晶體(4)、一飽和吸收體(10)、一聚焦透鏡(11)和一溫控系統(tǒng)(12)，所述飽和吸收體(10)位于所述輸出耦合鏡(5)和所述增益介質(zhì)(7)之間，所述聚焦透鏡(11)位于所述輸出耦合鏡(5 )之后，所述倍頻晶體(4 )位于所述聚焦透鏡(11)之后，并通過所述溫控系統(tǒng)(12)對所述倍頻晶體(4)進(jìn)行精確溫度控制。
全文摘要
一種薄片式515nm波段全固體綠激光器，包括一泵浦源、第一球面耦合反射鏡、輸出耦合鏡、第二球面耦合反射鏡、增益介質(zhì)、熱沉，增益介質(zhì)通過焊接層焊接到熱沉上；增益介質(zhì)的后表面和輸出耦合鏡的凹面構(gòu)成平凹諧振腔，輸出耦合鏡位于所述增益介質(zhì)的出射光路上；泵浦源、第一球面耦合反射鏡和第二球面耦合反射鏡組成四程抽運(yùn)式光學(xué)耦合系統(tǒng)，第一球面耦合反射鏡和泵浦源位于平凹諧振腔的同一側(cè)，第一球面耦合反射鏡位于所述泵浦源發(fā)射的泵浦光的光路上，第二球面耦合反射鏡位于所述增益介質(zhì)反射的泵浦光的光路上。本發(fā)明是一種可獲得515nm波長的小型化薄片式全固體綠光激光器，可用于替代染料激光器和氬離子激光器。
文檔編號H01S3/08GK102437502SQ20111038401
公開日2012年5月2日 申請日期2011年11月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月28日
發(fā)明者崔錦江, 施燕博, 檀慧明, 王帆, 田玉冰, 能芬, 董寧寧 申請人:蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所