專利名稱：447nm藍色激光器及獲得基模熱穩(wěn)定447nm藍色激光的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及激光器相關技術領域，特別是涉及447nm藍色激光器及獲得基模熱穩(wěn)定447nm藍色激光的方法。
背景技術：
全固體藍色激光器在激光顯示、激光制冷、生物醫(yī)學、信息存儲、海洋通訊與海洋資源探測、大氣遙感等領域均有重要應用價值及廣闊的發(fā)展前景。例如，藍光激光對丙酸桿菌、痤桿菌等有很好的抑制作用且對皮膚組織沒有損害，具有很好的抑制炎癥的功效[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，索尼等公司已經生產出單層單面容量達27G的藍光光盤。正因于此，全固態(tài)藍光激光技術一直備受關注。早在1987年，Risk等和Lenth利用808nmLD泵浦Nd: YAG棒，成功獲得946nm激光輸出，并用LiI03通過腔內倍頻，獲得了 0. Im的473nm藍光激光[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.]。到上個世紀90年代中期美國相干公司利用紅外半導體激光的倍頻成功地獲得了輸出IOmW的實用型430nm藍色全固態(tài)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]，之后全固態(tài)藍光激光技術獲得了不斷的創(chuàng)新和改進。發(fā)展至今，獲得藍色激光常用的技術包括三光譜線法、準相位匹配法(QPM 法)和光參量振蕩法(0P0法)三種并融合激光變頻技術來實現，所獲得的藍光激光波長有 430nm、440nm、473nm、457nm、447nm 等多種類型。2002年已有報道LD泵浦473nm藍光Nd YAG/LB0全固體激光器的1. 2W連續(xù)輸出。此外，德國Kaiserslautern大學、美國新罕布爾州激光光學研究公司、澳大利亞 Czeranowaky等國家均有473nm的激光產品，連續(xù)激光功率最高達到2. 8ff[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]，準連續(xù)藍光平均功率最高達到7W。中國科學院物理研究所的光學物理重點實驗室于2006年報道了一種功率高達7. 6W的Nd:YAG/LB0/LB0側泵三倍頻440nm 藍光激光器[Haibo Peng, Wei Hou, Yahui Chen, Dafu Cui, Zuyan Xu. Generation of 7.6-ff blue laser by frequency tripling of a Nd:YAG laser in LBO crystals, OPTICS EXPRESS, 2006, 14(14)]。2009年，據長春新產業(yè)光電技術有限公司報道，其利用Nd:GdV04/LB0實現了 14. 8W的倍頻457nm藍光激光輸出，是目前為止見報道的最高功率457nm藍光[Zheng Quan. Experimental study of the generation of a blue laser
4by intracavity frequency doubling of a cw Nd:GdV04 laser with lithium borate. APPLIED OPTICS, 2009, 48(16):四79 2982]。可見，隨著技術的不斷進步和改進，藍光激光在最近幾年有了長足的發(fā)展。相對其他波長的藍光激光而言，447nm的藍光激光有其獨特的優(yōu)勢。波長為 430rniT530nm的光波對海水最具有穿透力且其散射損耗比其他波長的光波小很多，可作為海底通信的通信窗口，是感知海洋水色的最有力武器，可應用于海洋漁業(yè)資源探測、海底光通訊和海洋激光雷達。由于高亮度的藍色447nm激光系統(tǒng)完全可以和發(fā)展相對成熟的紅色 LD 635nm、綠色532nm激光一起作為彩色顯示的全固體標準三原色光源，其色度三角形面積比其他顯示光源更大，飽和度高。這種新型的低功耗、長壽命、高光束質量的激光光源，不僅效率高，而且更加忠實于自然光，實現三原色的平衡，比其它波長的藍光如473nm、440nm 等更具優(yōu)勢。447nm激光在連續(xù)、調Q、超短脈沖、高功率和高穩(wěn)定性研究方面取得了很多成果，2005年臺灣交通大學的Y. F. CHEN教授在Appl. Phys. B雜志報道了一款直腔式端泵三倍頻(Nd:YV04/KTP/LB0) 447nm連續(xù)藍光激光器，功率為280mW [Y. S. CHEN, Τ. H. OU, K. W. SU. Compact efficient diode-pumped Nd:YV04 Q-switched blue laser with intracavity frequency tripling. Appl. Phys. B, 2005, 8: 517 520]。緊接著2007年北京理工大學報道了 Z型腔，功率為1. 15W的447nm連續(xù)藍光激光[Jing Li. All-solid-state continuous wave intracavity frequency-tripled Nd:YV04 - LiB304 blue laser using double-resonant approach. Optics Communication, 2007, 277: 11壙117 ],2008年暨南大學聯(lián)合福建物質結構所也報道了一款Z型折疊腔式的447nm 連續(xù)藍光激光器[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:YA103 Cff BLUE LASER WITH INTRACAVITY FREQUENCY TRIPLING. Journal of Russian Laser Research, 2008，29(3)]。而 447nm 藍光激光產品也有相應的發(fā)展，美國CrystaLaser公司推出440nm和447nm調Q激光器，平均功率為50mW。美國 Photonics公司的447nm調Q激光產品功率為250mW。德國xiton photonics GmbH公司銷售的447nm激光器，調Q平均功率可達1W。而北京中科思遠光電科技有限公司的440nm聲光調Q激光器，平均功率高達10W。目前，無論是對于其他波長的藍光激光(包括430nm、440nm、473nm、457nm等)還是 447nm藍光激光，均實現了較高效率及較高功率的激光輸出。尤其是使用了側泵系統(tǒng)及調 Q開關后，激光輸出功率有了大大的提供。但作為檢測或者醫(yī)療使用的藍光激光，不單在功率上有所要求，更要注重其輸出光束的光束質量及功率穩(wěn)定性。要實現447nm藍光在檢測和醫(yī)療上的廣泛應用就必須獲得高光束質量的447nm藍光激光輸出并實現藍光激光器的良好熱穩(wěn)定性。但現有技術均未有關于如何在高功率泵浦的情況下構建基模動態(tài)熱穩(wěn)定的 447nm藍光激光器。

發(fā)明內容
本發(fā)明的第一個發(fā)明目的，在于提供一種447nm藍色激光器，以解決現有技術不能在高功率泵浦的情況下構建基模動態(tài)熱穩(wěn)定的447nm藍光激光器的技術問題。
本發(fā)明的第一個發(fā)明目的采用的技術方案如下
按本發(fā)明設計的447nm藍色激光器具有V型結構諧振腔，所述V型結構諧振腔包括依次設置的第一平凹全反鏡1、側面泵浦系統(tǒng)2、折疊鏡3、第一塊非線性晶體4、第二塊非線性晶體5和第二平凹全反鏡6，其中第一平凹全反鏡1和側面泵浦系統(tǒng)2位于V型結構其中一臂中，第一塊非線性晶體4、第二塊非線性晶體5和第二平凹全反鏡6位于V型結構另一臂中，折疊鏡3位于V型結構兩臂的交匯點上，所述側面泵浦系統(tǒng)2包括摻釹激光晶體、激光二極管陣列和供電電源。作為一種優(yōu)選方案所述第一平凹全反鏡1和側面泵浦源系統(tǒng)2，位于同一軸上； 第一塊非線性晶體、第二塊非線性晶體和第二平凹全反鏡位于同一軸上。作為一種優(yōu)選方案所述側面泵浦系統(tǒng)2，所述摻釹激光晶體為摻釹鋁酸釔激光晶體。作為一種優(yōu)選方案所述的第一塊非線性晶體4是三硼酸鉍非線性晶體，第二塊非線性晶體5是偏硼酸鋇非線性晶體。作為一種優(yōu)選方案所述側面泵浦系統(tǒng)2的泵浦源是激光二極管陣列，泵浦方式是側面泵浦。作為進一步的優(yōu)選方案所述激光二極管是波長為808nm的激光二極管。本發(fā)明的第二個發(fā)明目的，在于提供一種使用本發(fā)明第一個發(fā)明目的所提供的藍色激光器獲得基模熱穩(wěn)定447nm藍色激光的方法。本發(fā)明的第二個發(fā)明目的采用的技術方案如下 所述方法包括如下步驟
最優(yōu)值計算步驟，包括計算第一平凹全反鏡1到側面泵浦系統(tǒng)2的距離Ll的最優(yōu)值、 側面泵浦系統(tǒng)2到折疊鏡3的距離L2的最優(yōu)值、折疊鏡3到第二平凹全反鏡6的距離L3 的最優(yōu)值，以及第一平凹全反鏡1的曲率半徑Rl的最優(yōu)值和第二平凹全反鏡6的曲率半徑 R2的最優(yōu)值；
根據距離Ll的最優(yōu)值、距離L2的最優(yōu)值、距離L3的最優(yōu)值、曲率半徑Rl的最優(yōu)值和曲率半徑R2的最優(yōu)值搭建V型結構諧振腔，然后開啟側面泵浦系統(tǒng)，輸出基模熱穩(wěn)定的藍光激光。作為一種優(yōu)選方案所述最優(yōu)值計算步驟包括
測量激光晶體在特定功率下的熱焦距以及激光晶體棒的直徑大小； 分別對距離Li、距離L2、距離L3、曲率半徑Rl和曲率半徑R2選取多個不同的參數值； 計算V型結構諧振腔在距離Li、距離L2、距離L3、曲率半徑Rl和曲率半徑R2采用不同參數值且激光晶體在特定功率下的熱焦距以及激光晶體棒的直徑大小為固定值的情況下的傳播矩陣，所述傳播矩陣即滿足ABCD變換法則的矩陣，從而獲得A、B、C、D四個值，通過傳播矩陣計算出激光晶體上的諧振腔穩(wěn)定性、激光晶體表面基模光斑尺寸和熱穩(wěn)定性；
最后通過諧振腔穩(wěn)定性條件、激光晶體表面基模光斑尺寸及熱穩(wěn)定性，選擇符合諧振腔穩(wěn)定性判別條件并能通過激光晶體棒的孔徑自選模作用實現單模輸出，且熱穩(wěn)定性最好的一組變量參數作為最優(yōu)值；
腿徵擴謝搬；〈； (A+DX1 ；
6所述通過激光晶體棒的孔徑自選模作用實現單模輸出即滿足 激光晶體表面基模光斑尺寸值大于激光晶體棒的孔徑。
作為進一步的優(yōu)選方案，對距離Li、距離L2、距離L3、曲率半徑Rl和曲率半徑R2選取多個不同的參數值的取值順序，是從取值范圍的最小值開始按一定精度的掃描步長增加至取值范圍的最大值，并依次計算V型結構諧振腔在距離Li、距離L2、距離L3、曲率半徑Rl和曲率半徑R2采用不同參數值的情況下的傳播矩陣。作為一種優(yōu)選方案激光晶體在特定功率下的熱焦距由諧振腔穩(wěn)定法測量得來， 激光晶體棒的直徑大小則使用游標卡尺或螺旋測微儀測得。按此參數搭建諧振腔后開啟泵浦源，激光二極管陣列產生的808nm激光照射到到摻釹激光晶體，摻釹激光晶體中釹離子吸收泵浦光后，激光晶體內部的激活離子(Nd3+)粒子形成反轉分布并達到增益閾值后即可形成1341. 4nm激光振蕩，在1341. 4nm激光經過非線性晶體BiBO后形成倍頻的670. 7nm激光，另一部分基頻激光繼續(xù)傳播并在平凹全反鏡上反射后第二次經過BiBO非線性晶體，基頻激光將再次被轉換成670. 7nm紅色激光；部分 670. 7nm紅色激光和部分剩余的1341. 4nm激光經過經過第二塊LBO非線性晶體后和頻產生 447nm的藍色激光，經過折疊鏡(即輸出耦合鏡)輸出。本發(fā)明與現有技術相比，具有如下優(yōu)點和有益效果本發(fā)明所提出的設計方法在保證高功率及相對較高的效率的447nm藍光激光輸出的情況下，著重關注了輸出激光的光束質量及其熱穩(wěn)定性。通過對腔內各元件的調整及優(yōu)化設計，在沒有增加光闌等元件的情況下實現了基模動態(tài)熱穩(wěn)定輸出，在獲得高光束質量激光的同時保證了其高效率輸出。這種高光束質量及高熱穩(wěn)定性的447nm藍光激光器將更適合應用于激光探測、激光顯示及激光醫(yī)療方面，對藍光激光的進一步應用有深刻意義。


圖1為本發(fā)明的結構示意圖。
具體實施例方式下面結合實施例及附圖對本發(fā)明作進一步詳細的描述，但本發(fā)明的實施方式不限于此。實施例1
如圖ι所示，平凹全反鏡1、側面泵浦系統(tǒng)(包括Nd :YAP激光晶體、LD陣列、供電電源等)2、折疊鏡(亦為輸出耦合鏡)3、第一塊非線性晶體(KTP非線性晶體)4、第二塊非線性晶體(BiBO非線性晶體)5和平凹全反鏡9組成，平凹全反鏡1和側面泵浦系統(tǒng)(包括Nd =YAP 激光晶體、LD陣列、供電電源等)2位于同一軸上，第一塊非線性晶體(KTP非線性晶體)4、 第二塊非線性晶體(BiBO非線性晶體)5和平凹全反鏡9也位于同一軸上。平凹全反鏡1是對808nm、670nm、447nm及1341. 4nm光波全反射；側面泵浦系統(tǒng)2中激光晶體長度為60mm， 最高泵浦功率為350W ；平面耦合鏡3是對1341. 4nm和670. 7nm光波全反射并對447nm光波增透；KTP非線性晶體4采用II類相位匹配，尺寸為3X3X 15mm3 ；BiBO6非線性晶體5采用I類相位匹配,尺寸為3 X 3 X 15mm3 ；平凹全反鏡6對808nm、670nm、447nm及1；341. 4nm光波全反射。利用上述447nm藍色激光的器件獲得基模動態(tài)熱穩(wěn)定447nm藍色激光的方法，包括如下步驟用諧振腔穩(wěn)定性法測得該側泵系統(tǒng)在最高功率運行時，激光晶體所產生的熱透鏡焦距為100mm，用游標卡尺測得該激光晶體的直徑為3mm，兩平凹全反鏡曲率半徑在常規(guī)鏡片的尺寸中進行選擇(設定，兩平凹全反鏡曲率半徑可取50mm、150mm、300mm、500mm、 800mm),由于晶體棒長度為65mm，因此設定Li、L2從45mm到150mm范圍內取值。L3長度略大于第二塊平凹全反鏡的焦距/3，以便放置非線性晶體在焦點位置左右，因此L3設定為 /3+10mm，經程序計算得當第一塊平凹全反鏡1曲率半徑Rl為800mm，第二塊平凹全反鏡3 曲率半徑R2為300mm，并Ll=145mm、L2=147mm、L3=160mm時，有最優(yōu)解。按此參數搭建諧振腔開啟泵浦源，激光二極管陣列產生的808nm激光照射到到摻釹激光晶體，摻釹激光晶體中釹離子吸收泵浦光后，激光晶體內部的激活離子(Nd3+)粒子形成反轉分布并達到增益閾值后即可形成1341. 4nm激光振蕩，在1341. 4nm激光經過非線性晶體BiBO后形成倍頻的 670. 7nm激光，另一部分基頻激光繼續(xù)傳播并在平凹全反鏡上反射后第二次經過BiBO非線性晶體，基頻激光將再次被轉換成670. 7nm紅色激光；部分670. 7nm紅色激光和部分剩余的 1341. 4nm激光經過經過第二塊LBO非線性晶體后和頻產生447nm的藍色激光，經過折疊鏡 (即輸出耦合鏡)輸出。上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化， 均應為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種447nm藍色激光器，其特征在于，所述激光器具有V型結構諧振腔，所述V型結構諧振腔包括依次設置的第一平凹全反鏡(1)、側面泵浦系統(tǒng)(2)、折疊鏡(3)、第一塊非線性晶體(4)、第二塊非線性晶體(5)和第二平凹全反鏡(6)，其中第一平凹全反鏡(1)和側面泵浦系統(tǒng)(2)位于V型結構其中一臂中，第一塊非線性晶體(4)、第二塊非線性晶體(5)和第二平凹全反鏡(6)位于V型結構另一臂中，折疊鏡(3)位于V型結構兩臂的交匯點上，所述側面泵浦系統(tǒng)(2)包括摻釹激光晶體、激光二極管陣列和供電電源。
2.根據權利要求1所述的藍色激光器，其特征在于所述第一平凹全反鏡(1)和側面泵浦源系統(tǒng)(2)，位于同一軸上；第一塊非線性晶體、第二塊非線性晶體和第二平凹全反鏡位于同一軸上。
3.根據權利要求1所述的藍色激光器，其特征在于所述側面泵浦系統(tǒng)(2)，所述摻釹激光晶體為摻釹鋁酸釔激光晶體。
4.根據權利要求1所述的藍色激光器，其特征在于所述的第一塊非線性晶體(4)是三硼酸鉍非線性晶體，第二塊非線性晶體(5)是偏硼酸鋇非線性晶體。
5.根據權利要求1所述的藍色激光器，其特征在于所述側面泵浦系統(tǒng)(2)的泵浦源是激光二極管陣列，泵浦方式是側面泵浦。
6.根據權利要求5所述的藍色激光器，其特征在于所述激光二極管是波長為808nm 的激光二極管。
7.一種利用權利要求1 6任一項所述的連續(xù)447nm藍色激光器獲得基模熱穩(wěn)定 447nm藍色激光的方法，其特征在于，包括如下實現步驟最優(yōu)值計算步驟，包括計算第一平凹全反鏡(1)到側面泵浦系統(tǒng)(2)的距離Ll的最優(yōu)值、側面泵浦系統(tǒng)(2)到折疊鏡(3)的距離L2的最優(yōu)值、折疊鏡(3)到第二平凹全反鏡(6) 的距離L3的最優(yōu)值，以及第一平凹全反鏡(1)的曲率半徑Rl的最優(yōu)值和第二平凹全反鏡 (6)的曲率半徑R2的最優(yōu)值；根據距離Ll的最優(yōu)值、距離L2的最優(yōu)值、距離L3的最優(yōu)值、曲率半徑Rl的最優(yōu)值和曲率半徑R2的最優(yōu)值搭建V型結構諧振腔，然后開啟側面泵浦系統(tǒng)，輸出基模熱穩(wěn)定的藍光激光。
8.根據權利要求7所述的方法，其特征在于所述最優(yōu)值計算步驟包括測量激光晶體在特定功率下的熱焦距以及激光晶體棒的直徑大??；分別對距離Li、距離L2、距離L3、曲率半徑Rl和曲率半徑R2選取多個不同的參數值；計算V型結構諧振腔在距離Li、距離L2、距離L3、曲率半徑Rl和曲率半徑R2采用不同參數值且激光晶體在特定功率下的熱焦距以及激光晶體棒的直徑大小為固定值的情況下的傳播矩陣，所述傳播矩陣即滿足ABCD變換法則的矩陣，從而獲得A、B、C、D四個值，通過傳播矩陣計算出激光晶體上的諧振腔穩(wěn)定性、激光晶體表面基模光斑尺寸和熱穩(wěn)定性；最后通過諧振腔穩(wěn)定性條件、激光晶體表面基模光斑尺寸及熱穩(wěn)定性，選擇符合諧振腔穩(wěn)定性判別條件并能通過激光晶體棒的孔徑自選模作用實現單模輸出，且熱穩(wěn)定性最好的一組變量參數作為最優(yōu)值；所述諧振腔穩(wěn)定性條件為滿足-1< ^ (A+DX1 ；所述通過激光晶體棒的孔徑自選模作用實現單模輸出即滿足激光晶體表面基模光斑尺寸值大于激光晶體棒的孔徑。
9.根據權利要求8所述的方法，其特征在于，對距離Li、距離L2、距離L3、曲率半徑Rl 和曲率半徑R2選取多個不同的參數值的取值順序，是從取值范圍的最小值開始按一定精度的掃描步長增加至取值范圍的最大值，并依次計算V型結構諧振腔在距離Li、距離L2、距離L3、曲率半徑Rl和曲率半徑R2采用不同參數值的情況下的傳播矩陣。
10.根據權利要求7所述的方法，其特征在于激光晶體在特定功率下的熱焦距由諧振腔穩(wěn)定法測量得來，激光晶體棒的直徑大小則使用游標卡尺或螺旋測微儀測得。
全文摘要
本發(fā)明涉及激光器相關技術領域，特別是涉及447nm藍色激光器及獲得基模熱穩(wěn)定447nm藍色激光的方法，所述方法設計的激光器具有V型結構諧振腔，所述V型結構諧振腔包括依次設置的第一平凹全反鏡、側面泵浦系統(tǒng)、折疊鏡、第一塊非線性晶體、第二塊非線性晶體和第二平凹全反鏡，其中第一平凹全反鏡和側面泵浦系統(tǒng)位于V型結構其中一臂中,第一塊非線性晶體、第二塊非線性晶體和第二平凹全反鏡位于V型結構另一臂中，折疊鏡位于V型結構兩臂的交匯點上，所述側面泵浦系統(tǒng)包括摻釹激光晶體、激光二極管陣列和供電電源。本發(fā)明通過對腔內各元件的調整及優(yōu)化設計，在沒有增加光闌等元件的情況下實現了基模動態(tài)熱穩(wěn)定輸出，在獲得高光束質量激光的同時保證了其高效率輸出。
文檔編號H01S3/13GK102244359SQ201110150428
公開日2011年11月16日 申請日期2011年6月7日 優(yōu)先權日2011年6月7日
發(fā)明者朱思祁, 胡志朋, 陽其國, 陳振強 申請人:暨南大學