專利名稱：藍光激光二極管泵浦698nm深紅光固體激光器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種激光器，特別是涉及ー種直接采用下轉換機制的藍光激光二極管泵浦698nm深紅光固體激光器。
背景技術：
深紅光激光在激光顯示、光學存儲、激光醫(yī)療、光譜學等領域有著廣泛應用。采用深紅色激光作為激光顯示的光源，能獲得較大的顯示色域，使顯示圖像更加飽滿鮮艷。特別的，波長為698nm的窄線寬深紅色激光可以作為鍶原子鐘的探測光源，對遠距離遙控導航、宇宙常數測量有重要的意義。
然而，目前，工作在698nm的激光器報道很少。獲得此波長附近的激光器的技術方法主要由以下幾種I.直接輻射紅光的激光二極管。目前商用的已有很多工作在660_670nm的激光ニ極管，但直接輻射698nm深紅激光的ニ極管未有報導。此類激光器通過控制半導體材料的組分(如InGaAsP)來控制波長，泵浦能量由外部電流注入提供，其優(yōu)點是易于集成，缺點是輸出激光線寬較寬，光束質量差。2.利用可調諧激光技木。此類技術利用激光材料的寬帶增益，附帯精密的波長選擇器件來選擇某個波長的輸出。如美國Newport公司生產了ー種基于摻鈦藍寶石的寬帶可調諧的連續(xù)輸出激光器3900S,調諧范圍為675 IIOOnm(見http://www. newport. com);德國Toptica公司亦生產了基于半導體的寬帶可調諧激光器DL100(見http://www. toptica.com)，其調諧范圍包含632 1770nm。其中，前者采用閃光燈或者綠光激光器泵浦，后者采用電注入來泵浦。此類激光器使用的増益材料擁有寬帶增益，再通過精密波長選擇器件(如Littrow光柵)選擇出某個波長的激光輸出。擁有寬帶增益的材料往往增益截面積較小，激光閾值較高；精密波長選擇器件的使用引入插入損耗，降低了激光器的效率，同時對激光器的機械設計提出很高的要求，使得整體激光器結構復雜，成本高昂。3.利用固體激光器倍頻技木。這是獲得高光束質量的紅色激光的最常用技術，經文獻檢索，目前仍未有工作于698nm的固體激光倍頻激光器。此類最典型的技術是利用エ作與800nm附近的半導體激光器泵浦摻釹增益介質(如Nd: YAG、Nd: YVO4、Nd: YLF、NdiGdVO4等)，先獲得工作于I. 3 μ m附近的紅外激光，有時也利用可調諧技術將紅外激光微調到所需波長。再利用倍頻晶體(如KTP、LB0、PPLN等)將此激光倍頻，從而獲得紅光激光。此類激光器是通過“紅外半導體激光器泵浦摻釹介質，從而獲得紅外固體激光” + “紅外固體激光倍頻”兩步實現的紅光激光器，倍頻技術引入了非線性過程，不僅對溫度、角度等環(huán)境因素非常敏感，而且多出的一次頻率轉換大大限制了激光效率的提高；同吋，激光器結構復雜，成本較高。除以上技術外，利用摻鐠增益介質，可獲得直接下轉換方式的紅光激光。目前，激光二極管泵浦的摻鐠激光器僅報道的紅光輸出波長有640nm、721nm、747nm、662nm(見參考又獻 I F. Cornacchia, A. Di Lieto, M. TonelIi, A. Richter, E. Heumann, andG. Huber, “Efficient visible laser emission of GaN laser diode pumped Pr-dopedfluoride scheelite crystals, ” Opt. Express 16, 15932-15941 (2007);參考文獻 2 :M. Fibrich, H. Jelinkova, J. Sulc3K. Nejezchleb, andV. Skoda,/^Visible cw laser emissionGaN-diode pumped Pr:YAlO3 crystal, ^Appl. Phys. B 97, 363-367(2009);參考文獻 3:M. Fibrich, H. Jelinkova, J. Sulc, K. Nejezchleb, and V. §koda,“Pr:YAlO3 micochip laserat 662nm，’’Laser Phys. Lett. 8，116-119 (2011) ·)。然而，目前有關摻鐠激光器的研究基本還停留在實驗室階段，且激光二極管泵浦的摻鐠激光器實現的698nm紅光激光器仍未見報道。漢堡大學激光物理研究所曾研制了此波長附近的染料激光器泵浦摻鐠脈沖激光器(見參考文獻 4 :T. Danger, T. Sandrock, E. Heumann, G. Huber, and B. Chai, “Pulsed laseraction of PriGdLiF4 at room temperature, ”AppI. Phys. B 57, 239-241 (1993).)，并對其有性能報道。但其激光器只能輸出ー個個的脈沖，不能實現連續(xù)穩(wěn)定輸出；并且采用染料激光器或者氬離子激光器泵浦，直接導致激光器體積復雜，依賴復雜的水冷裝置，穩(wěn)定性差，效率低下，且染料激光器壽命較低
發(fā)明內容

本發(fā)明的目的在于克服當前波長為698nm附近的激光器效率低、體積復雜、成本較高、光束質量欠佳等缺點，提供ー種藍光激光二極管泵浦698nm深紅光固體激光器，該激光器利用直接下轉換的方式獲得698nm深紅光激光，其結構緊湊、轉換效率高，有很大的應用潛力。本發(fā)明在一光路上依次設有半導體激光器、準直透鏡、聚焦透鏡、平面輸入鏡、激光介質和平凹輸出鏡，所述半導體激光器、準直透鏡、聚焦透鏡、平面輸入鏡、激光介質和平凹輸出鏡位于同一光軸，所述半導體激光器為中心波長為444nm的藍光激光二極管，所述激光介質為摻鐠氟化釔鋰晶體(以下簡稱Pr:YLF);所述平面輸入鏡、激光介質和平凹輸出鏡構成平凹穩(wěn)定腔結構。所述泵浦源泵浦摻鐠氟化釔鋰(Pr:YLF)晶體采用藍光半導體激光器，所述半導體激光器為中心波長為444nm的藍光激光二極管；所述平面輸入鏡鍍制444nm高透過率及698nm高反射率(R>99. 5)的介質膜，所述平凹輸出鏡鍍制698nm部分透射(T〈5%)的介質膜，并且2個介質膜保持在640nm和720nm足夠高的透射率。本發(fā)明采用直接下轉換機制獲得紅光激光，不采用任何倍頻器件。采用藍光半導體激光器作為泵浦源泵浦摻鐠氟化釔鋰(Pr:YLF)晶體，使鐠離子完成基態(tài)到3P2能級的躍遷，接著鐠離子從％能級弛豫到3Ptl能級，最終在3Ptl能級一3F3能級的直接下轉換躍遷中獲得698nm深紅光激光。本發(fā)明通過上述的腔體膜系設計，在Pr:YLF晶體中首次實現了藍光二極管泵浦的698nm深紅光激光輸出，單管泵浦條件下連續(xù)運轉功率最高達156mW，這在摻鐠激光器領域有重要的學術意義和應用價值。本發(fā)明的突出效果將在具體實施方式
中加以說明。


圖I為本發(fā)明實施例的結構示意圖。圖2為本發(fā)明實施例的藍光激光二極管泵浦698nm激光輸出功率與吸收泵浦激光功率的關系曲線。對應平凹輸出鏡在698nm處的透射率為O. 5%。圖3為本發(fā)明實施例的藍光激光二極管泵浦698nm激光輸出功率與吸收泵浦激光功率的關系曲線。對應平凹輸出鏡在698nm處的透射率為0.9%。橫坐標為吸收功率(mW)，縱坐標為輸出功率(mW)。圖4為本發(fā)明實施例698nm輸出激光的光譜圖。其中光譜分辨率為O. 14nm。橫坐標為波長λ (nm)，縱坐標為光功率(dBm)。圖5為本發(fā)明實施例698nm輸出激光的光譜圖。其中光譜分辨率為O. Olnm。橫坐標為波長λ (nm)，縱坐標為光功率(a. U)。
具體實施例方式本發(fā)明包含三個部分泵浦光準直聚焦系統(tǒng)、晶體設計和諧振腔體設計。
圖I是本發(fā)明實施例的結構示意圖。由圖I可見，本發(fā)明的藍光激光二極管泵浦698nm紅光固體激光器，在一光路上依次由半導體激光器I、準直透鏡2、聚焦透鏡3、平面輸入鏡4、激光介質5、平凹輸出鏡6組成。半導體激光器I為中心波長為444nm的藍光激光ニ極管，激光介質5采用Pr = YLF晶體。由于藍光激光二極管發(fā)散角較大，須采用準直透鏡對其準直，使其變成發(fā)散角較小的準平行光。之后，聚焦透鏡將藍光激光泵浦光束匯聚到晶體入射端面附近。采用焦距為50_的平凸透鏡作為聚焦透鏡，在激光介質內形成的泵浦光斑半徑約為60μπι。進ー步提高泵浦光光斑質量可通過在準直透鏡后添加光束整形器件來實現。 為保證藍光泵浦激光盡可能多的被Pr: YLF晶體吸收，晶體放置方向為晶體c軸方向與藍光二極管輸出激光的偏振方向平行。由于不采用倍頻方式(即不使用對溫度十分敏感的倍頻晶體)，且當前藍光激光二極管單管功率不超過I. 6W，激光晶體放置于銅制普通晶體座中，無需采用額外的制冷或控溫裝置。對于諧振腔體，選取易調節(jié)的、易于實現模式匹配的、有大可控模體積的平凹穩(wěn)定腔結構，由平面輸入鏡、Pr:YLF晶體和平凹輸出鏡構成。晶體的位置靠近平面輸入鏡，平面輸入鏡至平凹輸出鏡的距離接近于平凹輸出鏡的曲率半徑，以期得到低的激光閾值和更高的輸出功率。本發(fā)明的平面輸入鏡鍍制444nm高透過率及698nm高反射率(R>99. 5)的介質膜，作為激光器的輸入腔鏡；平凹輸出鏡鍍制698nm部分透射(T〈5%)的介質膜，作為激光器的輸出腔鏡。由于Pr:YLF激光采用藍光激光二極管泵浦的方式在紅光波段已經實現了640nm、720nm兩個波長的激光激射，其中640nm譜線的增益最大，720nm譜線的增益次之，而698nm譜線的増益最小，且波長處于兩個更強增益譜線中間。為了抑制這兩條最近且增益更強的譜線，本發(fā)明采用特殊的膜系設計，使得輸入鏡和輸出鏡的透射率在640nm和720nm處要比698nm處大得多，導致它們的激光起振閾值比698nm大，這樣，使得在譜線競爭中698nm譜線最先激射，產生激光，并抑制640nm和720nm這兩條更強譜線產生激射。最終，得到穩(wěn)定輸出的698nm這ー單一波長激光。圖2、圖3為698nm激光輸出功率與吸收泵浦激光功率關系曲線，其中圖2對應平凹輸出鏡在698nm處的透射率為O. 5%，圖3對應平凹輸出鏡在698nm處的透射率為O. 9%。從圖2可以看出，當輸出耦合鏡透射率為O. 5%吋，該激光器的閾值為47mW，斜效率為26. 9%，吸收泵浦激光功率約為500mW時對應的輸出功率為115mW，光光轉換效率為22. 9%。由圖3可以看出，當輸出耦合鏡透射率為O. 9%吋，該激光器的閾值為139mW，斜效率為48. 7%，吸收泵浦激光功率約為500mW時對應的輸出功率為156mW，光光轉換效率為31. 0%。圖4為利用光譜分析儀測量的698nm激光光譜，測量分辨率為O. 14nm，可見激光器只輸出698nm譜線躍遷的激光，而附近的640nm、720nm譜線都被良好抑制，沒有起振。當光譜分析儀的分辨率為O. Olnm吋，測得的激光光譜如圖5所示，可見激光光譜由多個峰構成， 這是激光器的多縱模光譜。相鄰峰值處的波長間隔經測量均為O. 03nm，此值是由激光晶體參數決定的。
權利要求
1.藍光激光二極管泵浦698nm深紅光固體激光器，其特征在于在一光路上依次設有半導體激光器、準直透鏡、聚焦透鏡、平面輸入鏡、激光介質和平凹輸出鏡，所述半導體激光器、準直透鏡、聚焦透鏡、平面輸入鏡、激光介質和平凹輸出鏡位于同一光軸，所述半導體激光器為中心波長為444nm的藍光激光二極管，所述激光介質為摻鐠氟化釔鋰晶體；所述平面輸入鏡、激光介質和平凹輸出鏡構成平凹穩(wěn)定腔結構。
2.如權利要求I所述的藍光激光二極管泵浦698nm深紅光固體激光器，其特征在于所述泵浦源泵浦摻鐠氟化釔鋰晶體采用藍光半導體激光器。
3.如權利要求2所述的藍光激光二極管泵浦698nm深紅光固體激光器，其特征在于所述半導體激光器為中心波長為444nm的藍光激光二極管。
4.如權利要求I所述的藍光激光二極管泵浦698nm深紅光固體激光器，其特征在于所述平面輸入鏡鍍制444nm高透過率及698nm介質膜，所述698nm介質膜的反射率R>99. 5。
5.如權利要求I所述的藍光激光二極管泵浦698nm深紅光固體激光器，其特征在于所述平凹輸出鏡鍍制698nm介質膜，所述698nm介質膜的部分透射率T〈5%。
全文摘要
藍光激光二極管泵浦698nm深紅光固體激光器，涉及一種激光器。提供一種藍光激光二極管泵浦698nm深紅光固體激光器，該激光器利用直接下轉換的方式獲得698nm深紅光激光，其結構緊湊、轉換效率高，有很大的應用潛力。在一光路上依次設有半導體激光器、準直透鏡、聚焦透鏡、平面輸入鏡、激光介質和平凹輸出鏡，所述半導體激光器、準直透鏡、聚焦透鏡、平面輸入鏡、激光介質和平凹輸出鏡位于同一光軸，所述半導體激光器為中心波長為444nm的藍光激光二極管，所述激光介質為摻鐠氟化釔鋰晶體；所述平面輸入鏡、激光介質和平凹輸出鏡構成平凹穩(wěn)定腔結構。
文檔編號H01S3/08GK102832535SQ201210356849
公開日2012年12月19日 申請日期2012年9月21日 優(yōu)先權日2012年9月21日
發(fā)明者蔡志平, 劉哲, 曾承航, 黃舜林, 周敏, 王風娟 申請人:廈門大學