高功率半导体双端面泵浦二次谐波固体激光产生方法

摘要

一种高功率半导体双端面泵浦二次谐波固体激光产生方法，采用光纤耦合激光二极管双端面泵浦单块激光晶体方法，利用矩阵光学进行综合优化设计，选用非接力及非聚焦透镜的折叠四平镜腔结构，得到高效谐波转换效率、大基模体积和小光腰半径的高功率单模、稳定的红外激光输出；利用非线性程序设计，选择非临界相位匹配及合适的倍频晶体尺寸，通过腔内倍频非聚焦方式和折叠平面腔结构，得到双次累积的高功率、高效率单模二次谐波，通过角度镜偏振耦合稳定输出。

说明书

所属技术领域

本发明涉及一种半导体端面泵浦二次谐波固体激光产生方法。

背景技术

随着激光二极管(Laser Diode)的快速发展，LD泵浦技术得到快速提高。近年来，端面泵浦激光器(特别是端面泵浦二次谐波激光器)以其泵浦装置简单、耦合效率高、光束质量好、脉宽窄、峰值功率高等优点，迅速在激光演示、激光精细、光存储、水下通讯、精密测量、激光医疗加工等领域得到广泛应用。

目前国际销售端面泵浦调Q TEM₀₀ SHG激光器产品，如美国相干公司的Evolution-TEM₀₀的Nd:YLF 15W/527nm/5KHZ/200ns绿光激光器；美国光谱物理公司的最大激光平均功率为11W//50KHZ/13ns TEM₀₀的HIPPOH10-532Q绿光激光器；在国内，由于激光技术的系统集成能力和成果产业化能力相对薄弱，造成端面泵浦二次谐波激光器与国外还有很大的差距，仅有武汉大华公司具有TEM₀₀3W/532nm和武汉凌云近基模的3W/532nm连续绿光产品，其余几家公司只得到瓦或毫瓦量级的连续绿光激光器，端面泵浦调Q方式的几乎没有产品。在科研方面，天津大学姚建铨等人获得3.2W/532nm/22KHZ的结果(《高功率准连续激光二极管抽运的Q开关内腔倍频固体激光器的研究》，光学学报，2001，12(21))，中科院安徽光机所陈长水等人获得1.68W/532nm/40ns的结果(全固化微脉冲激光器的研究，光电产品商贸网，2004)，清华大学冯立春等人获得224mw/532nm的结果(《激光二极管抽运声光调Q高重复频率532nm激光器》，中国激光，2005，4(32)，第461-465页)。

为了产生高效率、高功率二次谐波激光，人们通常采用两种方法获得二次谐波：一种是腔外倍频方法，即在激光谐振腔外把基波聚焦到二倍频非线性晶体上，以获得足够的基波功率密度来提高倍频效率，这种方法简单稳定，提高激光器的稳定性，适用于产生小功率，但对连续或准连续激光，由于基波激光束的峰值功率不高，很难获得高的倍频效率，要达到高功率激光，必须聚焦，高功率激光则易导致非线性介质破坏；另外，未被转换为二次谐波的基波将透过非线性晶体被浪费掉。因此，二次谐波激光的转换效率也受到一定的限制。为了克服倍频晶体破坏、效率低等问题，Spectra-Physics公司采用移动非线性晶体方式，使入射的基波光在二次谐波晶体上二维逐点扫描，这种方式可得到高功率、高效率二次谐波激光输出。但逐点扫描存在非线性晶体温度匹配的问题，晶体移动瞬间产生激光突变而使二次谐波激光功率形成瞬态功率急剧下降。

为提高倍频效率，另一种产生二次谐波的方法通常为腔内倍频方法，即将二次非线性晶体放在基波谐振腔内部的方法。如美国Spectra Physics公司美国专利第US 5638388号和US 6241720B1号所示。利用腔内基波高功率密度，采用腔内双程倍频的方法，提高了谐波的转换效率，在该方法中，为了获得高基波功率密度，在基波腔内加入聚焦透镜的方法来获得较细光束束腰，这样同样容易导致非线性晶体的介质容易破坏，且增大输出谐波激光束发散角。

发明内容

本发明所欲解决的技术问题在于克服现有技术的缺点，提供一种可以获得稳定的二次谐波固体激光输出，并且光转换效率高、非线性晶体使用寿命长的高功率半导体双端面泵浦二次谐波固体激光产生方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该高功率半导体双端面泵浦二次谐波固体激光产生方法，采用光纤耦合激光二极管双端面泵浦单块激光晶体方法，利用矩阵光学进行综合优化设计，选用非接力及非聚焦透镜的折叠四平镜腔结构，得到高效谐波转换效率、大基模体积和小光腰半径的高功率单模、稳定的红外激光输出；利用非线性程序设计，选择非临界相位匹配及合适的倍频晶体尺寸，通过腔内倍频非聚焦方式和折叠平面腔结构，得到双次累积的高功率、高效率单模二次谐波，通过角度镜偏振耦合稳定输出。

本发明相对于现有技术所达到的技术效果是：

本发明采用腔内双程倍频方式，将高功率密度基波的光腰作用到二倍频非线性晶体，产生二次谐波，未被转换的基波通过双色全反镜反射后，再次通过非线性晶体进行倍频，充分利用基波，得到双次累积的高功率、高效率单模二次谐波，通过角度镜偏振耦合稳定输出。

为了减少因单端高功率泵浦造成的增益介质吸收不均匀性，本发明采用双端泵浦单块激光晶体方法，为充分利用泵浦光能量，使泵浦光与震荡光的空间模式充分匹配，结合激光晶体的热透镜焦距、掺杂浓度、破坏阈值及激光晶体长度，进行综合优化矩阵光学设计，采用非接力及非聚焦透镜的折叠四平镜腔结构，得到高效谐波转换效率、大基模体积和小光腰半径的高功率单模、稳定的红外激光输出。

根据非线性光学晶体倍频特性及考虑影响倍频效率的各种因素，选择非临界相位匹配(NCPM)及合适的倍频晶体尺寸，通过非线性程序进行设计，采用腔内倍频非聚焦方式，避免高功率密度的基波入射到二倍频非线性晶体上破坏其表面膜层，延倍频晶体的使用寿命；采用折叠平面腔结构，避免因腔镜的曲率而产生的像散现象。另外，本发明不需移动非线性晶体，避免逐点扫描引起非线性晶体因温度不匹配造成激光功率瞬间产生突变，保证了输出激光的稳定性。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明高功率半导体双端面泵浦二次谐波固体激光产生方法的原理示意图。

图2为不同掺杂浓度下，激光晶体(Nd:YVO₄)达到热应力破坏时单位面积上能承受的最大泵浦功率计算结果图。

图3为激光晶体(Nd:YVO₄)在不同晶体长度下对泵浦光的吸收率计算结果图。

图4为不同泵浦功率下对应的热透镜焦距计算结果图。

图5为本发明高功率半导体双端面泵浦二次谐波固体激光产生方法中，在一定重复频率(20KHZ)下，不同输入电流所对应的二次谐波固体激光功率和脉冲宽度变化曲线的数据图。

图6为本发明高功率半导体双端面泵浦二次谐波固体激光产生方法中，在一定工作电流(32A)下，不同重复频率所对应的二次谐波固体激光功率和脉冲宽度变化曲线的数据图。

图7为本发明高功率半导体双端面泵浦二次谐波固体激光产生方法中，二次谐波固体激光的脉冲波形图(F＝20KHZ，I＝32A)。

图8为本发明高功率半导体双端面泵浦二次谐波固体激光产生方法中，二次谐波固体激光长期稳定性曲线图。

具体实施方式

本发明高功率半导体双端面泵浦二次谐波固体激光产生方法的原理如图1所示，该振荡器由大功率光纤耦合激光二极管1、泵浦光会聚系统2、红外全反镜3、Q开关4、角度镜(5、7、8)、激光晶体6、绿光输出耦合镜、二倍频非线性晶体9和双色全反镜10构成，其中角度镜(5、7、8)为腔内小角度反射镜。

为减少由于高功率激光二极管单端激光晶体引起的激光介质吸收不均匀性和破坏，在本发明中，采用两个激光二级管1分别从激光晶体6的两个端面同时泵浦的方式，使泵浦光在激光晶体6中均匀分布。根据不同激光晶体的特性，以及其热透镜焦距、掺杂浓度、破坏阈值及长度等参数，图2为激光晶体(Nd:YVO₄)在不同掺杂浓度下，达到热应力破坏时单位面积上能承受的最大泵浦功率计算结果图；图3为激光晶体(Nd:YVO₄)在不同晶体长度下对泵浦光的吸收率计算结果图；图4为不同泵浦功率下，激光晶体(Nd:YVO₄)对应的热透镜焦距计算结果图。结合实际测量激光晶体的热透镜焦距的结构，进行了详细的综合优化设计，通过光学矩阵方法计算腔内高斯光束传递的空间分布、腔长和腔镜的曲率，使泵浦光与振荡光中在空间上达到最佳模式的匹配，在大功率连续LD泵浦下，激光晶体6的等效热透镜焦距Fth＝80mm(I＝35A)，激光腔在热透镜变化范围为Fth＝60～300mm下，仍然保持稳定振荡。选用非接力和非聚焦透镜的折叠四平面镜腔结构，由于红外激光腔为封闭或内全反射振荡，得到高功率密度、单模、大基模体积、小光腰、稳定的基波激光。

产生二次谐波的元件包括非线性晶体9、双色全反镜10及角度镜8，其中，非线性晶体9作为二倍频晶体。根据非线性光学晶体倍频特性及考虑影响倍频效率的各种因素，通过非线性程序进行设计，选择合适的非倍频晶体尺寸及临界相位匹配(NCPM)，为获得高谐波转换效率，采用腔内倍频非聚焦方式，避免高功率密度的基波入射到二倍频非线性晶体上破坏其表面膜层，延长倍频晶体的使用寿命，同时不需移动非线性晶体，避免逐点扫描引起非线性晶体因温度不匹配造成激光功率瞬间产生突变。采用折叠平面腔结构，避免因腔镜的曲率而产生的像散现象；为获得低损耗输布鲁斯特镜按适合水平偏振透射和垂直偏振高反射角的方位设置，即角度镜8镀基波P方向高透射和二次谐波S方向高反射双色膜。基波在谐振腔内通过双程倍频方式得到高效的二次谐波，形成过程如下：从角度镜8反射的高功率密度基波入射到光腰位置处的二倍频非线性晶体，产生水平偏振二次谐波经双色全反镜10反射后，由角度镜8偏振耦合输出，其中未被转换的基波同时通过双色全反镜10反射后，再次通过非线性晶体进行倍频，又一次产生的二次谐波同样也由角度镜8偏振耦合输出，这使基波得到充分利用，得到双次累积的高功率、高效率单模二次谐波激光输出。

根据本发明高功率半导体双端面泵浦二次谐波固体激光产生方法，采用大功率光纤耦合激光二极管端面泵浦腔内双程倍频进行实验。图5为不同输入电流所对应的二次谐波激光功率和脉冲宽度变化曲线的实验结果(F＝20KHZ)，图6为在一定工作电流下(如32A)，不同重复频率所对应的二次谐波固体激光功率和脉冲宽度变化曲线的数据图，图7为二次谐波激光的脉冲波形图(F＝12KHZ，I＝32A)，图8为二次谐波激光功率长期稳定性实验结果数据(I＝32A)。最大二次谐波输出功率P＝14.5W，脉冲宽度T＝32ns。基波到二次谐波的转换效率η＝80％。当激光运转重复频率f＝10～20KHz时，谐波功率转换最有效，二次谐波固体激光输出直径d＝1.5mm，光束发散度θ＝1.6mrad，光束质量M²≤1.5。光脉冲瞬态峰值起伏ΔT＝4％P-P，长时间运转功率起伏ΔT＝6％/40hra。

本发明采用腔内双程倍频方式，将高功率密度基波的光腰作用到二倍频非线性晶体，产生二次谐波，未被转换的基波通过双色全反镜反射后，再次通过非线性晶体进行倍频，充分利用基波，得到双次累积的高功率、高效率单模二次谐波，通过角度镜偏振耦合稳定输出。

为了减少因单端高功率泵浦造成的增益介质吸收不均匀性，本发明采用双端泵浦单块激光晶体方法，为充分利用泵浦光能量，使泵浦光与震荡光的空间模式充分匹配，结合激光晶体的热透镜焦距、掺杂浓度、破坏阈值及激光晶体长度，进行综合优化矩阵光学设计，采用非接力及非聚焦透镜的折叠四平镜腔结构，得到高效谐波转换效率、大基模体积和小光腰半径的高功率单模、稳定的红外激光输出。

根据非线性光学晶体倍频特性及考虑影响倍频效率的各种因素，选择非临界相位匹配(NCPM)及合适的倍频晶体尺寸，通过非线性程序进行设计，采用腔内倍频非聚焦方式，避免高功率密度的基波入射到二倍频非线性晶体上破坏其表面膜层，延倍频晶体的使用寿命；采用折叠平面腔结构，避免因腔镜的曲率而产生的像散现象。另外，本发明高功率半导体双端面泵浦二次谐波固体激光产生方法不需移动非线性晶体，避免逐点扫描引起非线性晶体因温度不匹配造成激光功率瞬间产生突变，保证了输出激光的稳定性。

本发明所具有的创新是：

本发明高功率半导体双端面泵浦二次谐波固体激光产生方法中，采用双端泵浦单块激光晶体方法，利用矩阵光学进行综合优化设计，采用非接力及非聚焦透镜的折叠四平镜腔结构，得到高效谐波转换效率、大基模体积和小光腰半径的高功率单模、稳定的红外激光输出；利用非线性程序设计，选择非临界相位匹配(NCPM)及合适的倍频晶体尺寸，通过腔内倍频非聚焦方式和折叠平面腔结构，得到双次累积的高功率、高效率单模二次谐波，通过角度镜偏振耦合稳定输出。

根据本发明的原理，不难推断：所使用的基波固体激光介质可以为：Nd:YAG，Nd:GdVO₄，Nd:YVO₄，Nd:YLF，Nd:Glass，Yb:YAG或Er:YAG；所使用的二倍频非线性晶体可以为I类LBO，I类BBO或I类CLBO非线性晶体；使用的Q开关可以为声光开关、电光开关或饱和激收型被动Q开关；采用的泵浦光源可以为二极管端面纵向泵浦；采用小角度折叠腔结构，45°角折叠腔结构或布鲁斯特角折叠腔。