CN209344512U - 一种紧凑型宽调谐腔内参量振荡频率转换激光器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出了一种紧凑型宽调谐腔内参量振荡频率转换激光器，包括：第一谐振腔、第二谐振腔、参量放大晶体、基波增益介质，其中，第一谐振腔与基波增益介质相对设置，基波通过基波增益介质进行增益放大后入射到第一谐振腔上；第二谐振腔与参量放大晶体相对设置，在参量放大晶体的至少一个端面为布鲁斯特入射角界面设计，参量放大晶体将基波转换为信号波和闲置波,参量放大晶体界面的布鲁斯特入射角界面将参量振荡产生的信号波或闲置波或二者折射出激光谐振腔体。本实用新型减少了至少一个光学镀膜界面，保证调谐波长时腔体一直保持准直的优点，使得实现腔内参量振荡产生信号的可调谐范围增宽，并且结构简单、实用、并降低了生产成本。

Description

一种紧凑型宽调谐腔内参量振荡频率转换激光器

技术领域

本实用新型涉及激光技术领域，特别涉及一种紧凑型紧凑型宽调谐腔内参量振荡频率转换激光器。

背景技术

绿色的激光辐射与毫瓦功率最近，不太理想的输出光束质量。然而，气体激光器通常体积很大，工作的能源效率非常低。半导体二极管激光器是不可用于产生高功率的直接可见光或基本TEM00光束质量的光束。基于光泵浦或电泵浦的半导体增益激光器能够通过腔内或腔外倍频或三倍转换产生可见光的激光辐射。但是，它们的输出频率受某些半导体量子阱结构设计的辐射增益介质的限制。

今天有许多有用的波长不容易产生，特别是连续的波(cw)，例如，红光以波长在625毫微米和635毫微米、560毫微米和591毫微米laser光为laser图象显示或生物医学和生物仪器.激光图像显示需要低成本和可靠的红光激光。采用脉冲红光的方法，利用腔内1064nm束泵浦的光参量振荡器(参量)的信号束与其基本泵浦光束的重复脉冲和频率混合产生的激光，据报道在专利中产生626-629nm 648nm由Karakawa，Robert j.Martin和Stephen。然而，一个典型的q开关脉冲激光器只能产生脉冲输出，需要额外的q开关设备和相关的电子学。因此，这种系统的成本很高。掺镨YLF激光器可以在607nm和639nm和其他频率产生特定的颜色，但需要蓝光泵浦。因此，所产生的激光器非常昂贵。639nm的激光光源也太深，无法很好地在显示上应用。有需要产生波长或频率可调谐的激光。以前的实用新型没有解决的问题，产生连续波(cw)可见光辐射与简单的激光体系结构。

许多，通过直接增益介质放大受激发射和谐波转换方法被使用在解决这些困难上。一种传统的方法是使用腔内频率加倍或三倍，腔外的一次或多次对输出基本频率的转换而得到所需的激光束频率或波长。这些频率转换方法可以产生有效的谐波转换。然而，这些频率是离散的，而不是可调谐或任意选择的。

在对此问题的响应中，在红外频率上使用了大量的光学参量放大方法来产生波长或频率可调谐的激光输出光束。Yin在美国专利US006，108，356中和Caprara在美国专利US7，447，245中提出了腔内泵浦光学参量振荡器(参量)，用于产生可调谐频率红外输出。大多数参数振荡器需要强泵浦激光束来克服低参量放大增益的困难。腔外光束泵浦的参量振荡和其中腔内差频混合方案的报告，由卡尔科赫，杰拉尔德t摩尔，和乳油Cheungy在"光学参量振荡与腔差频混合"j.Soc.Am.B Vol.12，2268-2273(1995)和主机迪尔伯恩，卡尔科赫，杰拉尔德t摩尔，和j.c翅果在"大于100％的光子转换效率从一个光学参量振荡器与腔内差频混合"，，Vol.23，759-761(1998)和"连续波4.3μm腔内差分频率产生在一个光学参量振荡器，"Vol.26，25-27(2001)，用于产生红外到兆赫兹频率辐射。报道了腔外泵浦和腔内光束泵浦的光学参量振荡器产生的信号波或闲置波，简称为参量波，红外输出光束。在双谐振锂铌酸盐谐振腔中，两个连续波单模群逆变和YAG激光器的和频混合被报道产生了两个TEM00束单589nm的辐射。和Hans Moosmüller在"连续波，全固态，单频率400兆瓦源在589毫微米基于双谐振和频率混合在一个整体锂铌酸盐谐振器，"应用.选择，Vol.37，4891-4896(1998)。腔外光束泵浦参量的腔内频率混合产生的信号或闲置光束与其原共振泵光束可以产生和或差频输出，报告由都林，李文荣林，r.y.Tu，李政道王和肉苁蓉黄"光纤激光器泵浦连续参量用于红、绿、蓝激光器"OSA/CLEO/IQEC，CWJ4(2009)。然而，混合光束转换效率通常较低，特别是，连续波。

在对此的相应中，Caprara在美国专利US7,991,026和美国专利申请出版物指出(Pub。US2010/0321765)，通过使用光泵浦半导体激光器(OPSL)和腔内频率转换，可以产生各种可见的彩色辐射。这个申请的作者在专利申请也独立地指出了(出版物No.:美国2011/0150015)可调谐的激光辐射在可见光和ir频率范围可以由使用一个以上产生共振通过腔内泵浦光参量振荡和腔内频率混合或加倍转换来增强辐射。这上一项实用新型还描述，这种实用新型的配置适用于各种基本频率增益介质，如sol id-state增益介质，气体增益介质，或半导体增益介质，或电泵浦或光学泵浦半导体增益介质和所有其它增益介质。

为了通过做有用的设备实现这些实用新型，这些在被实用新型的配置使用的腔光学元件，典型地要求全透射(AR)或高度反射或增加透射和反射的两个涂层(镀膜)在晶体和镜子表面。由于对这些光学的多波长透射和反射的要求，沉积在这些组件表面上的镀膜层，以最好的反射或传输这些特定的波长通常是很厚的，并引起额外的光学散射和对一个或多个在腔内循环的频率的吸收损耗。因此，这些共振增强的光波强度没有达到最大化，最终器件性能受到影响，其制造成本也较高。

安德烈Caprara在美国专利(No.:美国7991026)描述了一种方法分离基波和参量波(信号波或闲置波)的方法，此方法用了一套(二个)放置在腔内的布鲁斯特角棱镜分开.腔内棱镜在使用分色镜的光束分离方案中导致损耗减小，并不需要镀膜。这些腔内棱镜增加了系统的额外光学部件，增加了系统的复杂性和成本。此外，腔内棱镜不减少晶体·表面和镜面的涂层(镀膜)的参量振荡或频率转换晶体的输出表面镀膜的需要。这种使用布鲁斯特切割的棱镜的方法避免了使用分色镜将基本的参量泵光束从生成的参量光束中分离出来的要求。然而，两个晶体仍然需要多波长增透(Anti-Refelction)涂层的所有表面和额外的棱镜必须是很高质量的光学部件和最小的散射损失。由于多波长AR涂层，对一个或多个激光波长的传输不能最小化所有工作波长和参量信号的可调谐性，并且它混合的最终波长带宽范围受限制范围.所有这些都增加了整个激光设备的额外成本。

鉴于上述，在可见光，紫外或远、近红外频率范围内，如何通过激光腔内泵浦参量振荡和腔内频率转换，对产生频率可调谐激光辐射的方法，不断需要进一步实用新型简单的泵浦和参量振荡产生的波的分离技术，和使得连续波辐射信号效率更高和更宽波长调谐范围的设计，并且能够降低成本，是当前需要解决的技术问题。

实用新型内容

本实用新型的目的旨在至少解决所述技术缺陷之一。

为此，本实用新型的目的在于提出一种紧凑型紧凑型宽调谐腔内参量振荡频率转换激光器，减少了至少一个复杂的光学镀膜界面，结构简单实用、降低了生产成本。

为了实现上述目的，本实用新型的实施例提供一种紧凑型紧凑型宽调谐腔内参量振荡频率转换激光器，包括：第一谐振腔、第二谐振腔、参量放大晶体、基波增益介质，其中，

所述第一谐振腔内包含所述基波增益介质，所述基波通过所述基波增益介质进行增益放大入来回入射到腔体镜面和镜面上；

所述第二谐振腔内包含所述参量放大晶体，和参量谐振腔镜面2和镜面4，在所述参量放大晶体的至少一个端面上设计入射面为布鲁斯特角度入射面，所述参量放大晶体将基波转换为信号波和闲置波。

进一步，所述参量放大晶体界面和参量谐振信号波为布鲁斯特角入射角区域或邻近角度，所述参量放大晶体为至少一端面是布鲁斯特角度入射切割的晶体。

进一步，所述参量放大晶体采用以下形式之一：周期调制的Li NOb晶体、周期极化铌酸锂晶体PPLN、PPLT、周期极化磷酸氧钛钾晶体PPKTP、三硼酸锂晶体LBO、偏硼酸钡晶体BBO、磷酸钛氧钾晶体KTP。

进一步，所述布鲁斯特入射角度在25-75°之间。

进一步，本实用新型实施例的紧凑型宽调谐腔内参量振荡频率转换激光器还包括：反射参量信号波的曲面镜面，其中所述参量放大晶体界面位于所述曲面镜面的曲率半径大致为此曲面镜到参量振荡晶体的一个临近端面的光程距离或附近。

进一步，所述曲面镜面位于所述信号波或闲置波的光路径上，全部或部分反射信号波或闲置波。

紧凑型宽调谐腔内参量振荡频率转换激光器进一步，所述基波增益介质可以，但不限于，采用以下形式之一：掺钕YAG、掺钕YVO4，掺钕YLF,掺钕GdYO4,掺镱YAG、玻璃、掺铒YAG、掺钕玻璃，掺钕光纤，钛蓝宝石和其他掺杂晶体或掺杂陶瓷增益介质。根据本实用新型实施例的紧凑型宽调谐腔内参量振荡频率转换激光器，利用参量放大晶体的布鲁斯特角入射或出射时，对P-偏振光的无损耗折射和无需镀膜的优点，对应的激光器系统，省去了复杂的双色镜片的需求。系统准直调整方便，并能够将所关心的光波在折射出晶体时，通过色散在空间分离开来。由于不需要镀增透膜，所以生产成本较低。此外，本实用新型通过设置曲面镜片使得腔体安排的晶体界面位于曲面镜面的圆心点位置，从而使得参量振荡器调谐信号光的波长时，参量谐振腔体一直保持着准直状态，激光器稳定性得到提高。使得根据本实用新型设计的激光系统非常实用。本实用新型通过实现减少了至少一个光学镀膜界面，保证调谐波长时一直保持准直的优点，使得实现腔内参量振荡产生信号的可调谐范围增宽，并且结构简单实用。

本实用新型附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本实用新型实施例的紧凑型宽调谐腔内参量振荡频率转换激光器的结构图。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

本实用新型提供一种紧凑型宽调谐腔内参量振荡频率转换激光器，通过设计参量放大晶体，可以实现谐振腔内的频率转换，实现腔内信号波或闲置波辐射的产生和频率可调谐。

【实施例1】

如图1所示，本实用新型实施例的紧凑型宽调谐腔内参量振荡频率转换激光器，包括：第一谐振腔1、第二谐振腔2、参量放大晶体20、基波增益介质10。通过上述器件及其适当准直，形成基波11的谐振腔。

第一谐振腔1与基波增益介质10相对设置，基波11通过基波增益介质10进行增益放大后入射到第一谐振腔1上，镜面1反射基波11到增益介质10后，经过转折镜3，反射到镜面2上，准直后形成谐振。

在本实用新型的一个实施例中，基波增益介质可以，但不限于，采用以下形式：掺钕YAG、掺钕YVO4，掺钕YLF,掺钕GdYO4,掺镱YAG、玻璃、掺铒YAG、掺钕玻璃，掺钕光纤，钛蓝宝石和其他参杂晶体或参杂陶瓷增益介质。需要说明的是，基波增益介质的形式不限于上述举例，还可以采用其他形式的基波增益介质，在此不再赘述。

第二谐振腔2与参量放大晶体20相对设置，在参量放大晶体20的至少一个端面上设计布鲁斯特角度入射或出射的参量放大晶体界面100，参量放大晶体20将基波11转换为信号波21和闲置波31。

在本实用新型的一个实施例中，参量放大晶体界面100位于布鲁斯特角入射角区域或邻近，参量放大晶体20为至少一端面是布鲁斯特角度入射切割的晶体，使得布鲁斯特角入射端面均不需要有镀膜要求，并能够将所关心的光波在折射出晶体时，通过色散在空间分离开来。其中，布鲁斯特入射角度在25-75°之间。优选的，布鲁斯特入射角度在50-70°之间。本实用新型的参量放大晶体界面100，由于不需要镀增透膜，所述生产成本降低。

通过将参量产生晶体界面制备在布鲁斯特角入射附近，选择基波11和信号波21的偏振方向为此布鲁斯特角铷铯面的P-偏振光束，通过参量过程将基波11转换为参量信号波21和闲置波31，使得它们在参量放大晶体界面100上通过时损失很小或没有损失。由于基波11为腔内谐振辐射，信号增强许多，能形成很强的泵浦光，产生很强的参量振荡和信号波21或闲置波31。

在本实用新型的一个实施例中，参量放大晶体20采用以下形式之一：周期调制的Li Nob晶体、周期极化铌酸锂晶体PPLN、周期极化钽酸锂晶体PPLT、周期极化磷酸氧钛钾晶体PPKTP、三硼酸锂晶体LBO、偏硼酸钡晶体BBO、磷酸钛氧钾晶体KTP。需要说明的是，参量放大晶体20的形式不限于上述举例，还可以采用其他形式的参量放大晶体20，在此不再赘述。

(1)本实用新型选择参量放大晶体20，使得其一个出射界面为所关心的泵浦波长和参量信号波21波长的布鲁斯特入射角度的附近切割设计，并安排入射角在布鲁斯特角度或附近。此时，参量放大晶体20可以采用LBO,PPLN，PPLT,BBO或其他色散晶体，布鲁斯特入射角度在50-70°之间或左右。

(2)本实用新型的选择参量放大晶体20，使用基波11和参量放大的波的偏振方向均为P-偏振波，使得所关心的激光束在布鲁斯特角切割的界面度附近以近似布鲁斯特角度入射，无需要在这个表面增加透射镀膜，入射光损失最小。此时，参量放大晶体20可以采用周期调制的LiNob晶体PPLN,PPLT,PPKTP,和LBO，BBO，等多种晶体。

(3)本实用新型选择参量放大晶体20，使用基波11和参量放大的波的偏振方向均为P-偏振波，使得所关心的激光束在布鲁斯特角度附近入射时，所关心的激光束在晶体外面的折射角度有明显的不同大小的角度，如在0.5度左右或更大的区别，使得它们能够在通常激光器大小尺寸为几十公分大小范围，能够被引导到不一样的光学部件或光路上，分离开来。

此时，参量放大晶体20可以采用周期调制的Li Nob晶体PPLN,PPLT,PPKTP,LBO，BBO和其他可以周期调制，色散系数比较大的晶体。

(4)本实用新型选择参量放大晶体20，使用基波11和参量放大的波的偏振方向均为P-偏振波，使得所关心的激光束在布鲁斯特角度附近入射时，有较大的参量转换非线性系数。

此时，参量放大晶体20可以采用周期极化调制的LiNOb晶体PPLN,PPLT,PPKTP,LBO和其他非线性晶体，提供准相位匹配相同偏振状态光的非线性转换。例如，PPLN晶体的d₃₃耦合系数所联系的、沿着Z-轴方向偏振的基波11和产生沿着Z-轴方向偏振的信号光。

在本实用新型的一个实施例中，本实用新型实施例的紧凑型宽调谐腔内参量振荡频率转换激光器，还包括：中间转折镜3，中间转折镜3位于参量放大晶体界面100转换的闲置波31的光路径上。

综上，本实用新型通过采用晶体的特殊性能，作为参量放大晶体20，通过其相对奇特的折射率特性，利用所涉及到的光波在参量放大晶体界面的折射角度随着波长的改变而发生较大的改变，在产生参量振荡的同时，自然地将所产生的信号光和激光谐振腔的基波11光，通过折射角度的区别，自然分开的优异性能，参量振荡器结构简单，成本低。

【实施例2】

在实施例1的基础上，本实用新型实施例的紧凑型宽调谐腔内参量振荡频率转换激光器，还包括：曲面镜面4，其中参量放大晶体界面100位于曲面镜面4的曲率圆心点位置处。参考图1，曲面镜面4位于信号波21的光路径上，部分反射和部分透射所感兴趣的参量振荡产生的光束21，光线41为参量振荡产生的感兴趣的输出光束。通过采用曲面镜面4的这种设置，使得产生的信号光的调谐范围明显变宽，转换效率高。

其中，曲面镜面4的曲率半径等于或接近曲面镜面4到参量放大晶体界面100的光程的，一旦参量谐振腔准直一个信号波21波长后，当调谐到其他信号波21的波长时，曲面镜面4始终保持着参量谐振腔的准直，避免了调谐参量信号波21波长时，参量谐振腔准直在变化而不准直的问题，使得产生的信号光的调谐范围明显变宽，激光器调谐输出光稳定。

【实施例3】

在实施例1的基础上，本实用新型实施例的紧凑型宽调谐腔内参量振荡频率转换激光器，还包括：曲面镜面4，其中参量放大晶体界面100位于曲面镜面4的曲率圆心位置处。在本实用新型的一个实施例中，曲面镜面4可以位于闲置波31的光路径上,部分反射闲置波31,形成谐振。具体的，可以在中间转折镜3的后方设置曲面镜面4。通过采用曲面镜面4，使得产生的信号光的调谐范围宽，界面光损失小，转换效率高。

其中，曲面镜面4的曲率半径等于或接近曲面镜面4到参量放大晶体界面100的光程，一旦对准一个信号波21长，当调谐到其他信号波21长时，曲面镜面4始终保持着参量谐振腔的准直，避免了调谐闲置波31波长时，参量谐振腔准直在变化而不准直的问题。

【实施例4】

在实施例1的基础上，本实用新型实施例的紧凑型宽调谐腔内参量振荡频率转换激光器，还包括：曲面镜面4，其中参量放大晶体界面100位于曲面镜面4的曲率圆心点位置处。其中，曲面镜面4的曲率半径等于或近似等于曲面镜面4到参量放大晶体界面100的光程。

在本实用新型的一个实施例中，曲面镜面4可以同时位于信号波21和闲置波31的光路径上。具体的，可以在中间转折镜3的后方设置曲面镜面4。

综上，信号波21由第二谐振腔2和曲面镜面4，经过参量放大晶体20形成共振增强的信号波21。同样的情形，也可以对闲置波31发生。一般应用中只选取一个：信号波21或者闲置波31，或者同时谐振信号波21和闲置波31。

根据本实用新型实施例的紧凑型宽调谐腔内参量振荡频率转换激光器，利用参量放大晶体的布鲁斯特角入射或出射时，对P-偏振光的无损耗折射和无需镀膜的优点，对应的激光器系统，省去了很复杂的双色镜片的需求。系统准直调整方便，并能够将所关心的光波在折射出晶体时，通过色散在空间分离开来。由于不需要镀增透膜，所以生产成本较低。此外，本实用新型通过设置曲面镜片使得腔体安排的晶体界面位于曲面镜面的圆心点位置，从而使得参量振荡器调谐信号光的波长时，参量谐振腔体一直保持着准直状态，激光器稳定性得到提高。使得根据本实用新型设计的激光系统非常实用。本实用新型通过实现减少了至少一个光学镀膜界面，保证调谐波长时一直保持准直的优点，使得实现腔内参量振荡产生信号的可调谐范围增宽，并且结构简单实用。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。本实用新型的范围由所附权利要求及其等同限定。

Claims (9)

1.一种紧凑型宽调谐腔内参量振荡频率转换激光器，其特征在于，包括：第一谐振腔、第二谐振腔、参量放大晶体、基波增益介质，其中，

所述第一谐振腔包含所述基波增益介质和参量谐振晶体，所述基波通过所述基波增益介质进行增益放大后入射到所述参量谐振晶体上；

所述第二谐振腔包含所述参量放大晶体，所述参量放大晶体将基波转换为信号波和闲置波，参量放大的信号波或闲置波在所述的第二谐振腔内被谐振增强，所述参量放大晶体的至少一个光入射界面是明显的非正入射或正出射角度或非0°附近设计。

2.如权利要求1所述的紧凑型宽调谐腔内参量振荡频率转换激光器，其特征在于，所述参量放大晶体界面位于布鲁斯特入射或出射角区域或邻近处，所述参量放大晶体为至少一端面是布鲁斯特角度入射切割的晶体。

3.如权利要求1或2所述的紧凑型宽调谐腔内参量振荡频率转换激光器，其特征在于，所述参量放大晶体采用以下形式之一：周期调制的Li Nob晶体、周期极化铌酸锂晶体PPLN、周期极化钽酸锂晶体PPLT、周期极化磷酸氧钛钾晶体PPKTP、三硼酸锂晶体LBO、偏硼酸钡晶体BBO、磷酸钛氧钾晶体KTP。

4.如权利要求2所述的紧凑型宽调谐腔内参量振荡频率转换激光器，其特征在于，所述布鲁斯特入射或出射角度在25-75°之间。

5.如权利要求1所述的紧凑型宽调谐腔内参量振荡频率转换激光器，其特征在于，还包括：曲面镜面，其中所述参量放大晶体界面位于所述曲面镜面的圆心点位置处或附近，或曲面镜的曲率半径大致等或接近其到参量振荡晶体临近的端面的光程距离。

6.如权利要求5所述的紧凑型宽调谐腔内参量振荡频率转换激光器，其特征在于，所述曲面镜面位于所述信号波或闲置波的光路径上。

7.如权利要求1所述的紧凑型宽调谐腔内参量振荡频率转换激光器，其特征在于，还包括：中间转折镜，所述中间转折镜位于所述参量放大晶体界面转换的闲置波的光路径上。

8.如权利要求7所述的紧凑型宽调谐腔内参量振荡频率转换激光器，其特征在于，在所述中间转折镜的后方设置曲面镜面。

9.如权利要求1所述的紧凑型宽调谐腔内参量振荡频率转换激光器，其特征在于，所述基波增益介质采用以下形式之一：掺钕YAG、掺钕YVO4，掺钕YLF,掺钕GdYO4,掺镱YAG、玻璃、掺铒YAG、参杂玻璃，参杂光纤，钛蓝宝石和陶瓷增益介质。