一種全固態激光器的制作方法

專利名稱：一種全固態激光器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及激光器技術領域，尤其涉及一種全固態激光器。
背景技術：
現有技術中，通常是使用半導體激光器獲得960nrn激光輸出，盡管半導 體激光器體積小、集成度高，但是光束質量較差，無法獲得大功率的激光輸 出。而全固態激光器具有壽命長、穩定性好和光束質量好等一系列優點，能 夠在各個領域得到應用。
另一方面，現有技術中采用摻釹釩酸釓(Nd:GdV04)晶體可獲得 912nm激光、1063nm激光和1341nm激光，并通過倍頻或和頻:汰術獲得其 它波段激光輸出。例如一篇公開號為US005420876的美國專利公開了一種 利用Nd:GdV04增益微片通過腔內倍頻獲得532nm激光輸出的全固態激光 器，如圖1所示，此全固態激光器包括泵浦源101、輸入鏡102、Nd:GdVO4 激光增益微片103、倍頻晶體104和輸出鏡105。輸入鏡102為平平鏡， 輸出鏡105為平凹鏡，倍頻晶體104為KTP倍頻晶體。此全固態激光器工 作過程如下，泵浦源101產生的泵浦光通過輸入鏡102進入Nd:GdV04激 光增益微片103,產生1063nm基頻光，1063nm基頻光通過KTP倍頻晶 體獲得532nm的二次諧波輸出。以上是現有技術利用摻釹釩酸釓 (Nd:GdV04)晶體所獲得的激光，但是至今，還沒有使用摻釹釩酸釓 (Nd:GdV04)全固態激光器得到960nm激光。

實用新型內容
本實用新型的目的是提供一種利用摻釹釩酸釓(Nd:GdV04)晶體產 生960nm激光的全固態激光器，而且還可以通過倍頻獲得480nm波長的 藍光激光。
為了實現上述實用新型目的，本實用新型提供了一種全固態激光器， 包括諧振腔，所述諧振腔包括第一腔面和第二腔面；所述第一腔面為泵浦
4光入射到諧振腔內的面，所述第二腔面為諧振腔的輸出面；所述諧振腔的 第一腔面和第二腔面均鍍有960nm的反射膜；所述諧振腔內具有用作激光 晶體的釹摻雜濃度至少為0.5atm。/。的摻釹釩酸釓晶體。
上述技術方案中，所述全固態激光器還包括泵浦源，所述泵浦源發射 可^^皮所述摻釹釩酸禮晶體強烈吸收的近紅外波長的光。
上述技術方案中，所述泵浦源是半導體激光器、氙燈或氪燈。
上述技術方案中，所述半導體激光器是發射中心波長為808nm的 GaAs半導體激光器或GaAlAs半導體激光器。
上述技術方案中，所述諧振腔的第一腔面鍍有對808nm激光的增透膜。
上述技術方案中，所述諧振腔的第一腔面和第二腔面中，至少有一個 腔面鍍有1063nm激光的增透膜；所述諧振腔的第一腔面和笫二腔面中， 至少有一個腔面鍍有1341nm激光的增透膜。
上述技術方案中，所述摻釹釩酸釓晶體的出射面鍍有1063nm和 1341mn的增透膜。
上述技術方案中，所述全固態激光器還包括耦合透鏡，所述耦合透鏡 為自聚焦透鏡、柱透鏡、非球面鏡或耦合透鏡組。
上述技術方案中，所述耦合透鏡入射面和出射面均鍍有對波長808nm 的增透膜。
上述技術方案中，所述諧振腔還包括輸出鏡，所述輸出鏡為平凹鏡或 平平鏡。
上述技術方案中，，所述全固態激光器還包括至少一個倍頻晶體，所 述倍頻晶體放置在所述摻釹釩酸釓晶體的輸出光路上。
上述技術方案中，所述倍頻晶體可以為LBO、 PPLN、 BBO、 BiBO、 LN、 KN03、 PPKTP、 KTA、 CBO、 CLBO、 PPMgOLN、 KN或Lil;也可 以為半導體材料。
上述技術方案中，所述全固態激光器還包括溫度調節裝置。
上述技術方案中，所述溫度調節裝置用于將所述全固態激光器控制于 17至37攝氏度的溫度中。
本實用新型與現有技術相比，具有如下技術效果:本實用新型用全固態激光器首次實現了 960nm激光的輸出，該激光屬 于紅外波段，應用前景廣闊，例如，紅外激光用于材料微加工、用于監測 工業加工環境安全和用作干擾系統以保護軍用和民用航機；紅外激光還可
應用于激光焊接，可以制造出超過原材料硬度的焊接縫。
通過本實用新型可以獲得960nm的各種倍頻、和頻以及差頻激光輸 出。尤其是通過倍頻可以獲得480nm藍光激光。全固態的480nm藍光激光 器可以應用在很多領域，例如，高亮度的全固態藍光激光器可以作為彩色 激光顯示的標準三基色光源的藍光模塊，這種新型的低功耗、長壽命、高 光束質量的激光光源與熒光光源相比不僅效率高，而且更加忠實于自然 光，能夠消除白熾光源產生的黃影和熒光光源產生的綠影，實現三基色的 平衡；利用全固態藍光激光器可以實現所有數字信息的存儲，包括音頻、 視頻、電視、照片等應用，與目前常用作光源的780nm的激光二極管相比 較，藍光激光的優點是波長短，光點面積小，存儲量大；此全固態藍光激 光器也可用作數字視頻領域中各種光盤的光源；此外，此全固態藍光激光 器還有望在數模轉換器件、激光印刷、激光醫學、生化技術、材料科學和 光通信等許多領域得到廣泛的應用。


圖1為現有技術利用摻釹釩酸釓(Nd:GdV04)晶體輸出532nm激光的全 固態激光器結構示意圖2為室溫下摻釹釩酸釓(Nd:GdV04)晶體的熒光語線圖； 圖3 (a)為本實用新型獲得的960nm激光光譜圖3 (b)為本實用新型一種獲得960nm激光的全固態激光器結構示意圖； 圖4為本實用新型一種獲得480nm藍光激光的全固態激光器結構示意圖； 圖5為本實用新型另一種獲得480nm藍光激光的全固態激光器結構示意 圖。
具體實施方式
以下結合附圖和具體實施例對本實用新型作更加詳細的描述。 圖2為室溫下摻釹釩酸釓(Nd:GdV04)晶體的熒光譜線圖。如圖2所 示，3條最強的發射譜線分別位于中心波長912.611111(4尸3/2—4/9/2)、 1063.lnm (4巧/2—4/11/2)和1341.3nm ( 4尸3/2—4/13/2 )處'其中最強的是1063.lnm譜線。Nd:GdV04晶體的4F3/2—4/11/2和4F3/2 V/13/2激光躍遷都是四能級系統， 4F3/2 V/9/2激光躍遷是準三能級系統，在準三能級系統中存在再吸收現象。 因為Nd:GdV04晶體的再吸收系數較大，同時由于釹離子(Nd)摻雜濃度 越高再吸收越嚴重，所以嚴重的再吸收損耗限制了準三能級系統的 912.6nm激光的輸出。通過大量的實驗證明，此時若抑制住1063.lnm和 1341.3nm激光的輸出，使二者不能夠激射，并當Nd:GdV04晶體的摻雜濃 度不小于0.5atm% (atmQ/o是表示原子百分比)時， 一種峰值波長為960nm 的激光被激發出來。圖3 (a)為摻雜濃度為0.5atmC/。的Nd:GdV04晶體由 808nm半導體激光器泵浦所得到的輸出激光譜線圖，圖3 (a)為光語儀的 測量曲線，可以明顯看到兩條譜線，其中波峰較高的譜線是峰值波長為 960nm輸出激光，另 一條波峰較低的譜線是中心波長為808nm的泵浦光， 其它波長激光都被抑制或損耗掉而沒有輸出。
圖3 (b)為本實用新型一種獲得960nm激光的全固態激光器結構示 意圖，它包括泵浦源301、耦合透鏡302、摻釹釩酸禮(Nd:GdV04)晶體 303和輸出鏡304。泵浦源301的輸出光路上依次放置耦合透鏡302、 Nd:GdV04晶體303和輸出鏡304。上述全固態激光器還包括溫度調節裝 置，溫度調節裝置將全固態激光器控制于27攝氏度左右(正負不超過IO 度)的溫度下，溫度調節裝置可以為TEC制冷器或散熱片等傳統溫度調節 裝置。本實施例中泵浦源301采用輸出激光中心波長為808nm的GaAs半 導體激光器；耦合透鏡302為自聚焦透鏡，起到聚焦耦合的作用；Nd:GdV04 晶體303采用Nd的摻雜濃度為0.5atm。/。的Nd:GdV04晶體，輸出鏡304 為平凹鏡。自聚焦透鏡的兩端面均鍍有對808nm激光增透膜(透過率至少 為99.8%); Nd:GdV04晶體303的入射面鍍有對808nm增透膜(透過率 至少為99.5%)、 1063nm和1341nm激光增透膜(透過率至少為90%)和 960nm激光反射膜(反射率至少為99.8% ); Nd:GdV04晶體303的出射面 鍍有對960nm激光增透膜(透過率至少為99.8% )、 1063nm和1341nm激 光增透膜(透過率至少為90%);輸出鏡304的入射面鍍有對960nm激光 反射膜(反射率為99%)、 1063nm和1341nm激光增透膜(透過率至少為 卯％);輸出鏡304的出射面鍍有對960nm激光增透膜(透過率至少為 99.8°/。)、 1063nm和1341nm激光增透膜(透過率至少為90%)。其中 Nd:GdV04晶體303的入射面和輸出鏡304的入射面構成激光諧振腔， Nd:GdV04晶體303的入射面稱為第 一腔面，輸出鏡304的入射面稱為第二腔面(本實用新型定義泵浦光入射到諧振腔內的面稱為第一腔面，諧振 腔的輸出面稱為第二腔面)。
GaAs半導體激光器輸出的泵浦光由自聚焦透鏡耦合到Nd:GdV04晶 體303內，端面泵浦Nd:GdV04晶體303, Nd:GdV04晶體303中的釹離 子吸收泵浦光，然后釹離子受激輻射產生的960nm激光在諧振腔內振蕩， 當增益大于損耗時，就會有峰值波長為960nm的激光從輸出鏡304輸出， 平凹鏡起到對960nm激光的整形輸出的作用。本實施例采用輸出功率為 3W的GaAs半導體激光器泵浦，全固態激光器的輸出功率為30mW。
本實施例中，采用了摻雜濃度為0.5atm。/。的Nd:GdV04晶體，當然也 可以采用0.7 atm %的Nd:GdV04晶體，還可以進一步提高摻雜濃度，如 0.9 atm %和3 atm %。大量實驗數據表明，當激光晶體的激活離子的摻雜 濃度提高時，輸出的960nm激光的光束質量及電光轉化效率均有提高。例 如，當泵浦源輸出功率也為3W,而激活離子的摻雜濃度為0.7atm。/。時， 全固態激光器的輸出功率為40mW,激光器輸出的光束質量及電光轉化效 率均高于同為3W泵浦功率但激活離子的摻雜濃度為0.5atm。/o時全固態激 光器所獲得的光束質量及電光轉化效率。
本實施例中的平凹鏡也可以采用平平鏡代替，當然輸出鏡304也可省 卻不用。當輸出鏡省卻不用時，Nd:GdV04晶體303的入射面的膜層不變 化，其出射面改為鍍1341nm、 1063nm增透膜(透過率至少為90%)和 960nm反射膜(反射率為99%)。 Nd:GdV04晶體303的入射面與其出射面 形成激光諧振腔，其中Nd:GdV04晶體303的入射面稱為第一腔面，其出 射面稱為第二腔面。
960nm激光屬于紅外波段，應用前景廣闊。例如，紅外激光用于材料 微加工、用于監測工業加工環境安全和用作干擾系統以保護軍用和民用航 機；紅外激光還可應用于激光焊接，可以制造出超過原材料硬度的焊接縫。
圖4為本實用新型一種獲得480nm藍光的全固態激光器結構示意圖， 它包括泵浦源401、耦合透鏡402、摻釹釩酸釓(Nd:GdV04)晶體403、 輸出鏡404和倍頻晶體405。其中泵浦源401的輸出光路上依次放置有耦 合透鏡402、摻釹釩酸釓(Nd:GdV04)晶體403、倍頻晶體405和輸出鏡 404。上述全固態激光器還包括溫度調節裝置，溫度調節裝置用于將全固 態激光器控制在27攝氏度左右(正負不超過10度)的溫度，溫度調節裝 置可以為TEC制冷器或散熱片等傳統溫度調節裝置。泵浦源401為GaAlAs
8半導體激光器，耦合透鏡402采用柱透鏡，Nd:GdV04晶體403的釹離子 摻雜濃度是0.9atm%,倍頻晶體405采用LBO (三硼酸鋰)I類相位匹配 倍頻晶體，輸出4竟404為平凹鏡。其中，柱透鏡兩端面均鍍有對808nm泵 浦光增透膜(透過率至少為99.8%); Nd:GdV04晶體403的入射面鍍有對 960nm反射膜(反射率至少為99.8%)、 808nm的增透膜(透過率至少為 99.5%)以及1341nm和1063nm激光增透膜(透過率至少為90%), Nd:GdV04晶體403的出射面鍍有對960nm激光增透膜(透過率至少為 99.8。/。)、480nm激光反射膜(反射率至少為99.5% )以及1341nm和1063nm 激光增透膜(透過率至少為90% ); LBO倍頻晶體入射面鍍有對480nm激 光增透膜(透過率至少為99.5%)和對960nm激光增透膜(透過率至少為 99.8%), LBO倍頻晶體出射面鍍有對480nm激光增透膜(透過率至少為 99.5% )和960nm激光增透膜(透過率至少為99.8% );輸出鏡404的入射 面鍍有對960nm激光反射膜(反射率至少為99.8%)、 1063nm和1341nm 激光增透膜(透過率至少為卯％)和480nm激光增透膜(透過率至少為 99% ),輸出鏡404的出射面鍍有對1063nm和1341nm激光增透膜(透過 率至少為90%)和480nm激光增透膜(透過率至少為99%)。
首先GaAlAs半導體激光器產生的808nm的泵浦光由柱透鏡耦合到 Nd:GdV04晶體403內，Nd:GdV04晶體403中的釹離子吸收泵浦光后， 釹離子受激輻射產生的960nm激光經LBO倍頻晶體倍頻后形成480nm 二 次諧波藍光激光,人輸出鏡404輸出，輸出鏡404平凹鏡起到整形輸出 480nm激光的作用。
圖5為本實用新型另一種獲得480nm藍光的全固態激光器結構示意 圖，它包括泵浦源501、耦合透鏡502、摻釹釩酸釓(Nd:GdV04)晶體503 和倍頻晶體504。其中摻釹釩酸釓(Nd:GdV04)晶體503和倍頻晶體504 通過膠合、光膠或離子鍵合結合成一體，形成一塊晶體塊。Nd:GdV04晶 體503的摻雜濃度為2atm%,耦合透鏡502入射面和出射面均鍍有808nm 的增透膜(透過率至少為99.8% ),晶體塊的入射面鍍有808nm增透膜(透 過率至少為95% )、 1063nm和1341nm的增透膜(透過率至少為90% )、 960nm的反射膜(反射率至少為99.8 % )和480nm的反射膜(反射率至少 為99%)，出射面鍍有960nm的反射膜(反射率至少為99.8% )、 480nm增 透膜(透過率至少為99% )以及1063nm和1341nm的增透力莫(透過率至 少為90%)。其中，晶體塊的入射面和出射面構成激光諧振腔。本實施例中耦合透鏡502釆用柱透鏡，倍頻晶體504為PPLN晶體， 泵浦源501為GaAlAs半導體激光器，GaAlAs半導體激光器輸出808nm 的泵浦光，泵浦光由柱透鏡耦合到晶體塊(Nd:GdV04晶體503和倍頻晶 體504結合的一體)上，泵浦光經過晶體塊后輸出480nm的激光。當然， 本實施例中組成晶體塊的Nd:GdV04晶體503和PPLN晶體也可以分開放 置，相當于圖4去除輸出鏡404的情況，此種情況下，和圖4的鍍膜情況 相比較，Nd:GdV04晶體503上的鍍膜和圖4中的Nd:GdV04晶體403的 鍍膜相同，相應地倍頻晶體504相對圖4中的倍頻晶體405鍍膜發生改變， 即倍頻晶體504的入射面鍍有960nm增透膜(透過率大于99.8 % )和480nm 的增透膜(透過率大于99.5% )，出射面鍍有480nm增透膜(透過率至少 為99% )、 1341nm和1063nm的增透膜(透過率大于90% )和960nm反 射膜(反射率大于99.8% )， Nd:GdV04晶體503的入射面和倍頻晶體504 的出射面形成激光諧振腔，Nd:GdV04晶體503的入射面稱為諧振腔第一 腔面，倍頻晶體504的出射面稱為諧振腔第二腔面。
全固態的480nm藍光激光器可以應用在很多領域，例如，高亮度的全 固態藍光激光器可以作為彩色激光顯示的標準三基色光源的藍光模塊，這 種新型的低功耗、長壽命、高光束質量的激光光源與焚光光源相比不僅效 率高，而且更加忠實于自然光，能夠消除白熾光源產生的黃影和熒光光源 產生的綠影，實現三基色的平衡；利用全固態藍光激光器可以實現所有數 字信息的存儲,包括音頻、視頻、電視、照片等應用，與目前常用作光源的 780nm的激光二極管相比較，藍光激光的優點是波長短，光點面積小，存 儲量大；此全固態藍光激光器也可用作數字視頻領域中各種光盤的光源； 此外，此全固態藍光激光器還有望在數模轉換器件、激光印刷、激光醫學、 生化技術、材料科學和光通信等許多領域得到廣泛的應用。
本實用新型中各個光學元件所鍍膜層及其反射率或透過率均為優選 示例，實際工作時可以作適當調整，尤其是1341nm和1063nm的膜層， 當Nd:GdV04晶體的入射面作為諧振腔的第 一腔面時，優選地在Nd:GdV04 晶體的出射面同時鍍有1063nm和1341nm增透膜；當全固態激光器加有 輸入鏡，輸入鏡作為諧振腔的第一腔面時，Nd:GdV04晶體的入射面和出 射面均優選鍍有1063nm和1341nm增透膜。而且只要膜的透過率足夠高， 可以只在諧振腔第一腔面和第二腔面的其中一個腔面上鍍有1063nm和 1341nm的增透膜；或者在諧振腔第一腔面鍍有1063nm和1341nm其中一種波長的增透膜，同時在諧振腔第二腔面鍍不同于第一腔面的另一種波長
的增透膜。總之，只要膜層能夠滿足抑制1063nm和1341nm起振，獲得 激光輸出即可，這是本領域技術人員可以理解的。
本實用新型中的泵浦源可以釆用單管半導體激光器，也可以采用半導 體列陣激光器、氙燈或者氪燈等；耦合透鏡除了使用自聚焦透鏡和柱透鏡 外，還可以釆用非球面鏡或耦合透鏡組及其他具有會聚作用的光學元件； 倍頻晶體除了使用LBO和PPLN外還可以使用BBO、 BiBO、 LN、 KN03、 PPKTP、 KTA、 CBO、 CLBO、 PPMgOLN、 KN、 Lil及半導體材料等；輸 出鏡除平凹鏡外還可以采用平平鏡等。本實用新型還可以在倍頻晶體后面 或者諧振腔外加置其它晶體，例如加置KX^P調Q晶體獲得脈沖激光輸出； 本實用新型可以在Nd:GdV04晶體與泵浦源中間加置輸入鏡，耳又代激光晶 體入射面作為諧振腔的一個端面，由輸入鏡和輸出鏡構成諧振腔；當然輸 入鏡和輸出鏡均可以除去不用，使用在相應晶體上鍍膜來代替輸入鏡和輸 出鏡形成諧振腔。
另外，本實用新型采用半導體激光器端面泵浦的方式，當然還可以采 用泵浦源側面泵浦的方式實現；倍頻方式可以是腔內倍頻也可以是腔外倍 頻；本實用新型不僅可以用于產生基頻光和二倍頻光，也可以產生三倍頻、 四倍頻激光等，同時還可以用于差頻光路、和頻光路和參量振蕩光路，當 然其光路和鍍膜也會根據具體情況的不同而相應地有所改變。
最后所應說明的是，以上實施例僅用以說明本實用新型的技術方案而非 限制。盡管參照賣施例對本實用新型進行了詳細說明，本領域的普通技術人 員應當理解，對本實用新型的技術方案進行修改或者等同替換，都不脫離本 實用新型技術方案的精神和范圍，其均應涵蓋在本實用新型的權利要求范圍 當中。
權利要求1.一種全固態激光器，包括諧振腔，其特征在于，所述諧振腔包括第一腔面和第二腔面；所述第一腔面為泵浦光入射到諧振腔內的面，所述第二腔面為諧振腔的輸出面；所述諧振腔的第一腔面和第二腔面均鍍有960nm的反射膜；所述諧振腔內具有用作激光晶體的釹摻雜濃度至少為0.5atm％的摻釹釩酸釓晶體。
2. 根據權利要求1所述的全固態激光器，其特征在于，所述全固態激光器還包括用于發射可被所述摻釹釩酸釓晶體強烈吸收的近紅外波長的光 的泵浦源。
3. 根據權利要求2所述的全固態激光器，其特征在于，所述泵浦源是半導體激光器、氙燈或氪燈。
4. 根據權利要求3所述的全固態激光器，其特征在于，所述半導體激光器是發射中心波長為808nm的GaAs半導體激光器或GaAlAs半導體激光器。
5. 根據權利要求1所迷的全固態激光器，其特征在于，所述諧振腔的第一 腔面鍍有對808nm激光的增透膜。
6. 根據權利要求1所迷的全固態激光器，其特征在于，所迷諧振腔的第一腔面和第二腔面中，至少有一個腔面鍍有1063nm激光的增透膜；所述 諧振腔的第一腔面和第二腔面中，至少有一個腔面鍍有1341nm激光的 增透膜。
7. 根據權利要求6所述的全固態激光器，其特征在于，所述摻釹釩酸釓晶 體的出射面鍍有1063nm和1341nm的增透膜。
8. 根據權利要求1所述的全固態激光器，其特征在于，所述全固態激光器還包括耦合透鏡。
9. 根據權利要求8所述的全固態激光器，其特征在于，所述耦合透鏡為自聚焦透鏡、柱透鏡、非球面鏡或耦合透鏡組。
10. 根據權利要求8所述的全固態激光器，其特征在于，所述耦合透鏡入射面和出射面均鍍有對波長808nm的增透膜。
11. 根據權利要求1所述的全固態激光器，其特征在于，所述諧振腔還包括 輸出鏡。
12. 根據權利要求11所述的全固態激光器，其特征在于，所述輸出鏡為平 凹鏡或平平鏡。
13. 根據權利要求1或11所述的全固態激光器，其特征在于，所述全固態 激光器還包括至少一個倍頻晶體，所述倍頻晶體放置在所述摻釹釩酸釓 晶體的輸出光路上。
14. 根據權利要求13所述的全固態激光器，其特征在于，所述倍頻晶體可 以為LBO、 PPLN、 BBO、 BiBO、 LN、 KN03、 PPKTP、 KTA、 CBO、 CLBO、 PPMgOLN、 KN或LiI;也可以為半導體材料。
15. 根據權利要求1所述的全固態激光器，其特征在于，所述全固態激光器 還包括溫度調節裝置。
16. 根據權利要求15所述的全固態激光器，其特征在于，所述溫度調節裝 置是用于將所述全固態激光器控制于17至37攝氏度的溫度中的溫度調 節裝置。
專利摘要本實用新型涉及一種全固態激光器，包括諧振腔，其特征在于所述諧振腔包括用作激光晶體的摻釹釩酸釓晶體，所述摻釹釩酸釓晶體中釹的摻雜濃度至少為0.5atm％。本實用新型首次用全固態激光器實現了960nm激光的輸出，該激光屬于紅外波段，應用前景廣闊，例如，紅外激光用于材料微加工、用于監測工業加工環境安全；紅外激光還可應用于激光焊接，可以制造出超過原材料硬度的焊接縫。
文檔編號H01S3/08GK201345493SQ20082012351
公開日2009年11月11日 申請日期2008年10月30日 優先權日2008年10月30日
發明者偉 嚴, 巖 亓, 劉誼元, 瑛 張, 勇 畢, 賈中達 申請人:北京中視中科光電技術有限公司