CN102244359B - 447nm蓝色激光器及获得基模热稳定447nm蓝色激光的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及激光器相关技术领域，特别涉及447nm蓝色激光器及获得基模热稳定447nm蓝色激光的方法，所述方法设计的激光器具有V型结构谐振腔，所述V型结构谐振腔包括依次设置的第一平凹全反镜、侧面泵浦系统、折叠镜、第一块非线性晶体、第二块非线性晶体和第二平凹全反镜，其中第一平凹全反镜和侧面泵浦系统位于V型结构其中一臂中,第一块非线性晶体、第二块非线性晶体和第二平凹全反镜位于V型结构另一臂中，折叠镜位于V型结构两臂的交汇点上，所述侧面泵浦系统包括掺钕激光晶体、激光二极管阵列和供电电源。本发明通过对腔内各元件的调整及优化设计，在没有增加光阑等元件的情况下实现了基模动态热稳定输出，在获得高光束质量激光的同时保证了其高效率输出。
Description
技术领域
本发明涉及激光器相关技术领域，特别是涉及447nm蓝色激光器及获得基模热稳定447nm蓝色激光的方法。
背景技术
全固体蓝色激光器在激光显示、激光制冷、生物医学、信息存储、海洋通讯与海洋资源探测、大气遥感等领域均有重要应用价值及广阔的发展前景。例如，蓝光激光对丙酸杆菌、痤杆菌等有很好的抑制作用且对皮肤组织没有损害，具有很好的抑制炎症的功效 [CONG Lin, WANG Cong-min, LI Hai-tao, WANG Wen-ling, YANG Rong-ya. Combination of red and blue light in the treatment of acne vulgaris. Chinese Journal of Aesthetic Medicine, Mar.2010, 19(3): 366~367]。另外，索尼等公司已经生产出单层单面容量达27G的蓝光光盘。正因于此，全固态蓝光激光技术一直备受关注。早在1987 年，Risk等和Lenth利用808nmLD泵浦Nd:YAG棒，成功获得946nm激光输出，并用LiIO3通过腔内倍频，获得了0.1m的473nm蓝光激光 [W. P. Risk, W. Lenth. Room-temperature, continuous-wave, 946-nm Nd:YAG laser pumped by laser-diode arrays and intracavity frequency doubling to 473 nm. Optics Letters, 1987, 12(12): 993-995.]。到上个世纪90年代中期美国相干公司利用红外半导体激光的倍频成功地获得了输出10mW的实用型430nm蓝色全固态激光器 [TV Higgins. Visible solid-state lasers–BM and Coherent to groom blue laser for market place under license. Laser Focus World, April 1992, 30]，之后全固态蓝光激光技术获得了不断的创新和改进。发展至今，获得蓝色激光常用的技术包括三光谱线法、准相位匹配法（QPM法）和光参量振荡法（OPO法）三种并融合激光变频技术来实现，所获得的蓝光激光波长有430nm、440nm、473nm、457nm、447nm等多种类型。
2002年已有报道LD泵浦473nm蓝光Nd:YAG/LBO全固体激光器的1.2W连续输出。此外，德国Kaiserslautern大学、美国新罕布尔州激光光学研究公司、澳大利亚Czeranowaky等国家均有473nm的激光产品，连续激光功率最高达到2.8W[Czeranowaky C, Heumann E, Hber G. All-solid-state continuous – wave frequency – doubled Nd:YAG –BiBO laser with 2. 8 W output power at 473 nm. Optics Letters, 2003, 28 (6): 432 – 434]，准连续蓝光平均功率最高达到7W。中国科学院物理研究所的光学物理重点实验室于2006年报道了一种功率高达7.6W的Nd:YAG/LBO/LBO侧泵三倍频440nm蓝光激光器[Haibo Peng, Wei Hou, Yahui Chen, Dafu Cui, Zuyan Xu. Generation of 7.6-W blue laser by frequency tripling of a Nd:YAG laser in LBO crystals, OPTICS EXPRESS, 2006, 14(14)]。2009年，据长春新产业光电技术有限公司报道，其利用Nd:GdVO4/LBO实现了14.8W的倍频457nm蓝光激光输出，是目前为止见报道的最高功率457nm蓝光 [Zheng Quan. Experimental study of the generation of a blue laser by intracavity frequency doubling of a cw Nd:GdVO4 laser with lithium borate. APPLIED OPTICS, 2009, 48(16): 2979~2982]。可见，随着技术的不断进步和改进，蓝光激光在最近几年有了长足的发展。
相对其他波长的蓝光激光而言，447nm的蓝光激光有其独特的优势。波长为430nm~530nm的光波对海水最具有穿透力且其散射损耗比其他波长的光波小很多，可作为海底通信的通信窗口，是感知海洋水色的最有力武器，可应用于海洋渔业资源探测、海底光通讯和海洋激光雷达。由于高亮度的蓝色447nm激光系统完全可以和发展相对成熟的红色LD 635nm、绿色532nm激光一起作为彩色显示的全固体标准三原色光源，其色度三角形面积比其他显示光源更大，饱和度高。这种新型的低功耗、长寿命、高光束质量的激光光源，不仅效率高，而且更加忠实于自然光，实现三原色的平衡，比其它波长的蓝光如473nm、440nm等更具优势。
447nm激光在连续、调Q、超短脉冲、高功率和高稳定性研究方面取得了很多成果，2005年台湾交通大学的Y.F. CHEN教授在Appl. Phys. B杂志报道了一款直腔式端泵三倍频（Nd:YVO4/KTP/LBO）447nm连续蓝光激光器，功率为280mW [Y.S. CHEN, T.H. OU, K.W. SU. Compact efficient diode-pumped Nd:YVO4 Q-switched blue laser with intracavity frequency tripling. Appl. Phys. B, 2005, 8: 517~520]。紧接着2007年北京理工大学报道了Z型腔，功率为1.15W的447nm连续蓝光激光 [Jing Li. All-solid-state continuous wave intracavity frequency-tripled Nd:YVO4–LiB3O4 blue laser using double-resonant approach. Optics Communication, 2007, 277: 114~117 ]，2008年暨南大学联合福建物质结构所也报道了一款Z型折叠腔式的447nm连续蓝光激光器 [Li Jingzhao, Zhu Haiyong, Zhenqiang Chen, Zhang Ge, Huang Chenghui, Wei Yong, Han Yongfei, Chen Zhe, and Li Zhen. COMPLETELY SOLID-STATE LD-SIDE-PUMPED Nd:YAlO3 CW BLUE LASER WITH INTRACAVITY FREQUENCY TRIPLING. Journal of Russian Laser Research, 2008, 29(3)]。而447nm蓝光激光产品也有相应的发展，美国CrystaLaser公司推出440nm和447nm调Q激光器，平均功率为50mW。美国Photonics公司的447nm调Q激光产品功率为250mW。德国xiton photonics GmbH公司销售的447nm激光器，调Q平均功率可达1W。而北京中科思远光电科技有限公司的440nm声光调Q激光器，平均功率高达10W。
目前，无论是对于其他波长的蓝光激光（包括430nm、440nm、473nm、457nm等）还是447nm蓝光激光，均实现了较高效率及较高功率的激光输出。尤其是使用了侧泵系统及调Q开关后，激光输出功率有了大大的提供。但作为检测或者医疗使用的蓝光激光，不单在功率上有所要求，更要注重其输出光束的光束质量及功率稳定性。要实现447nm蓝光在检测和医疗上的广泛应用就必须获得高光束质量的447nm蓝光激光输出并实现蓝光激光器的良好热稳定性。但现有技术均未有关于如何在高功率泵浦的情况下构建基模动态热稳定的447nm蓝光激光器。
发明内容
本发明的第一个发明目的，在于提供一种447nm蓝色激光器，以解决现有技术不能在高功率泵浦的情况下构建基模动态热稳定的447nm蓝光激光器的技术问题。
本发明的第一个发明目的采用的技术方案如下：
按本发明设计的447nm蓝色激光器具有V型结构谐振腔，所述V型结构谐振腔包括依次设置的第一平凹全反镜1、侧面泵浦系统2、折叠镜3、第一块非线性晶体4、第二块非线性晶体5和第二平凹全反镜6，其中第一平凹全反镜1和侧面泵浦系统2位于V型结构其中一臂中, 第一块非线性晶体4、第二块非线性晶体5和第二平凹全反镜6位于V型结构另一臂中，折叠镜3位于V型结构两臂的交汇点上，所述侧面泵浦系统2包括掺钕激光晶体、激光二极管阵列和供电电源。
作为一种优选方案：所述第一平凹全反镜1和侧面泵浦源系统2，位于同一轴上；第一块非线性晶体、第二块非线性晶体和第二平凹全反镜位于同一轴上。
作为一种优选方案：所述侧面泵浦系统2，所述掺钕激光晶体为掺钕铝酸钇激光晶体。
作为一种优选方案：所述的第一块非线性晶体4是三硼酸铋非线性晶体，第二块非线性晶体5是偏硼酸钡非线性晶体。
作为一种优选方案：所述侧面泵浦系统2的泵浦源是激光二极管阵列，泵浦方式是侧面泵浦。
作为进一步的优选方案：所述激光二极管是波长为808nm的激光二极管。
本发明的第二个发明目的，在于提供一种使用本发明第一个发明目的所提供的蓝色激光器获得基模热稳定447nm蓝色激光的方法。
本发明的第二个发明目的采用的技术方案如下：
所述方法包括如下步骤：
最优值计算步骤，包括：计算第一平凹全反镜1到侧面泵浦系统2的距离L1的最优值、侧面泵浦系统2到折叠镜3的距离L2的最优值、折叠镜3到第二平凹全反镜6的距离L3的最优值，以及第一平凹全反镜1的曲率半径R1的最优值和第二平凹全反镜6的曲率半径R2的最优值；
根据距离L1的最优值、距离L2的最优值、距离L3的最优值、曲率半径R1的最优值和曲率半径R2的最优值搭建V型结构谐振腔，然后开启侧面泵浦系统，输出基模热稳定的蓝光激光。
作为一种优选方案：所述最优值计算步骤包括：
测量激光晶体在特定功率下的热焦距以及激光晶体棒的直径大小；
分别对距离L1、距离L2、距离L3、曲率半径R1和曲率半径R2选取多个不同的参数值；
计算V型结构谐振腔在距离L1、距离L2、距离L3、曲率半径R1和曲率半径R2采用不同参数值且激光晶体在特定功率下的热焦距以及激光晶体棒的直径大小为固定值的情况下的传播矩阵，所述传播矩阵即满足ABCD变换法则的矩阵，从而获得A、B、C、D四个值，通过传播矩阵计算出激光晶体上的谐振腔稳定性、激光晶体表面基模光斑尺寸和热稳定性；
最后通过谐振腔稳定性条件、激光晶体表面基模光斑尺寸及热稳定性，选择符合谐振腔稳定性判别条件并能通过激光晶体棒的孔径自选模作用实现单模输出，且热稳定性最好的一组变量参数作为最优值；
所述谐振腔稳定性条件为满足-1< 
(A+D)<1 ；
所述通过激光晶体棒的孔径自选模作用实现单模输出即满足：
激光晶体表面基模光斑尺寸值大于激光晶体棒的孔径。
作为进一步的优选方案，对距离L1、距离L2、距离L3、曲率半径R1和曲率半径R2选取多个不同的参数值的取值顺序，是从取值范围的最小值开始按一定精度的扫描步长增加至取值范围的最大值，并依次计算V型结构谐振腔在距离L1、距离L2、距离L3、曲率半径R1和曲率半径R2采用不同参数值的情况下的传播矩阵。
作为一种优选方案：激光晶体在特定功率下的热焦距由谐振腔稳定法测量得来，激光晶体棒的直径大小则使用游标卡尺或螺旋测微仪测得。
按此参数搭建谐振腔后开启泵浦源，激光二极管阵列产生的808nm激光照射到到掺钕激光晶体，掺钕激光晶体中钕离子吸收泵浦光后，激光晶体内部的激活离子(Nd3+)粒子形成反转分布并达到增益阈值后即可形成1341.4nm激光振荡，在1341.4nm激光经过非线性晶体BiBO后形成倍频的670.7nm激光，另一部分基频激光继续传播并在平凹全反镜上反射后第二次经过BiBO非线性晶体，基频激光将再次被转换成670.7nm红色激光；部分670.7nm红色激光和部分剩余的1341.4nm激光经过经过第二块LBO非线性晶体后和频产生447nm的蓝色激光，经过折叠镜（即输出耦合镜）输出。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：本发明所提出的设计方法在保证高功率及相对较高的效率的447nm蓝光激光输出的情况下，着重关注了输出激光的光束质量及其热稳定性。通过对腔内各元件的调整及优化设计，在没有增加光阑等元件的情况下实现了基模动态热稳定输出，在获得高光束质量激光的同时保证了其高效率输出。这种高光束质量及高热稳定性的447nm蓝光激光器将更适合应用于激光探测、激光显示及激光医疗方面，对蓝光激光的进一步应用有深刻意义。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
如图1所示，平凹全反镜1、侧面泵浦系统（包括Nd：YAP激光晶体、LD阵列、供电电源等）2、折叠镜（亦为输出耦合镜）3、第一块非线性晶体（KTP非线性晶体）4、第二块非线性晶体（BiBO非线性晶体）5和平凹全反镜9组成，平凹全反镜1和侧面泵浦系统（包括Nd：YAP激光晶体、LD阵列、供电电源等）2位于同一轴上，第一块非线性晶体（KTP非线性晶体）4、第二块非线性晶体（BiBO非线性晶体）5和平凹全反镜9也位于同一轴上。平凹全反镜1是对808nm、670nm、447nm及1341.4nm光波全反射；侧面泵浦系统2中激光晶体长度为60mm，最高泵浦功率为350W；平面耦合镜3是对1341.4nm和670.7nm光波全反射并对447nm光波增透；KTP非线性晶体4采用II类相位匹配，尺寸为3×3×15mm3；BiBO6非线性晶体5采用I类相位匹配，尺寸为3×3×15mm3；平凹全反镜6对808nm、670nm、447nm及1341.4nm光波全反射。
利用上述447nm蓝色激光的器件获得基模动态热稳定447nm蓝色激光的方法，包括如下步骤：用谐振腔稳定性法测得该侧泵系统在最高功率运行时，激光晶体所产生的热透镜焦距为100mm，用游标卡尺测得该激光晶体的直径为3mm，两平凹全反镜曲率半径在常规镜片的尺寸中进行选择（设定，两平凹全反镜曲率半径可取50mm、150mm、300mm、500mm、800mm），由于晶体棒长度为65mm，因此设定L1、L2从45mm到150mm范围内取值。L3长度略大于第二块平凹全反镜的焦距f 3，以便放置非线性晶体在焦点位置左右，因此L3设定为f 3+10mm，经程序计算得当第一块平凹全反镜1曲率半径R1为800mm，第二块平凹全反镜3曲率半径R2为300mm，并L1=145mm、L2=147mm、L3=160mm时，有最优解。按此参数搭建谐振腔开启泵浦源，激光二极管阵列产生的808nm激光照射到到掺钕激光晶体，掺钕激光晶体中钕离子吸收泵浦光后，激光晶体内部的激活离子(Nd3+)粒子形成反转分布并达到增益阈值后即可形成1341.4nm激光振荡，在1341.4nm激光经过非线性晶体BiBO后形成倍频的670.7nm激光，另一部分基频激光继续传播并在平凹全反镜上反射后第二次经过BiBO非线性晶体，基频激光将再次被转换成670.7nm红色激光；部分670.7nm红色激光和部分剩余的1341.4nm激光经过经过第二块LBO非线性晶体后和频产生447nm的蓝色激光，经过折叠镜（即输出耦合镜）输出。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种利用447nm蓝色激光器获得基模热稳定447nm蓝色激光的方法，所述激光器具有V型结构谐振腔，所述V型结构谐振腔包括依次设置的第一平凹全反镜（1）、侧面泵浦系统（2）、折叠镜（3）、第一块非线性晶体（4）、第二块非线性晶体（5）和第二平凹全反镜（6），其中第一平凹全反镜（1）和侧面泵浦系统（2）位于V型结构其中一臂中, 第一块非线性晶体（4）、第二块非线性晶体（5）和第二平凹全反镜（6）位于V型结构另一臂中，折叠镜（3）位于V型结构两臂的交汇点上，所述侧面泵浦系统（2）包括掺钕激光晶体、激光二极管阵列和供电电源，其特征在于，包括如下实现步骤：
最优值计算步骤，包括：计算第一平凹全反镜（1）到侧面泵浦系统（2）的距离L1的最优值、侧面泵浦系统（2）到折叠镜（3）的距离L2的最优值、折叠镜（3）到第二平凹全反镜（6）的距离L3的最优值，以及第一平凹全反镜（1）的曲率半径R1的最优值和第二平凹全反镜（6）的曲率半径R2的最优值；
根据距离L1的最优值、距离L2的最优值、距离L3的最优值、曲率半径R1的最优值和曲率半径R2的最优值搭建V型结构谐振腔，然后开启侧面泵浦系统，输出基模热稳定的蓝光激光；
所述最优值计算步骤包括：
测量激光晶体在特定功率下的热焦距以及激光晶体棒的直径大小；
分别对距离L1、距离L2、距离L3、曲率半径R1和曲率半径R2选取多个不同的参数值；
计算V型结构谐振腔在距离L1、距离L2、距离L3、曲率半径R1和曲率半径R2采用不同参数值且激光晶体在特定功率下的热焦距以及激光晶体棒的直径大小为固定值的情况下的传播矩阵，所述传播矩阵即满足ABCD变换法则的矩阵，从而获得A、B、C、D四个值，通过传播矩阵计算出激光晶体上的谐振腔稳定性、激光晶体表面基模光斑尺寸和热稳定性；
最后通过谐振腔稳定性条件、激光晶体表面基模光斑尺寸及热稳定性，选择符合谐振腔稳定性判别条件并能通过激光晶体棒的孔径自选模作用实现单模输出，且热稳定性最好的一组变量参数作为最优值；
所述谐振腔稳定性条件为满足-1< 
(A+D)<1 ；
所述通过激光晶体棒的孔径自选模作用实现单模输出即满足：
激光晶体表面基模光斑尺寸值大于激光晶体棒的孔径。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对距离L1、距离L2、距离L3、曲率半径R1和曲率半径R2选取多个不同的参数值的取值顺序，是从取值范围的最小值开始按一定精度的扫描步长增加至取值范围的最大值，并依次计算V型结构谐振腔在距离L1、距离L2、距离L3、曲率半径R1和曲率半径R2采用不同参数值的情况下的传播矩阵。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：激光晶体在特定功率下的热焦距由谐振腔稳定法测量得来，激光晶体棒的直径大小则使用游标卡尺或螺旋测微仪测得。
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