一种基于单块KDP晶体级联光学变频的激光器及其工作方法与流程

本发明涉及一种基于单块kdp晶体级联光学变频的激光器及其工作方法，属于激光技术领域。

背景技术：

现在，激光在各行各业应用广泛，与人们的生活息息相关。但激光的波长有限，获得新波长的最常用的技术路线是对掺钕钇铝石榴石(nd:yag)或钕玻璃激光(nd:glass)等成熟激光进行倍频、和频、差频、受激拉曼散射等光学变频。其中，倍频与受激拉曼相结合，可获得可见光中的黄光、橙光、红光等。黄橙波段的激光在激光医疗领域、光谱学、军事、气象领域、信息存储等多个领域有着重要应用。近年来，人们一直致力于黄橙波段激光的产生。目前，全固态黄光激光器的实现方案主要有三种：

(1)通过红外激光倍频获得黄光。这种方法通过泵浦宽带发射的激光晶体，如cr:mg2sio4、lif:f2，获得近红外基频激光，然后使用ktp晶体和lbo等倍频晶体进行倍频转化，获得黄光输出。例如s.m.gimnetal.，appliedoptics41(21)，4331(2002)，此方法的突出问题是需要复杂的调谐过程才能实现，激光腔结构复杂。

(2)非线性和频实现黄光输出。利用腔内或腔外同时存在同时运转的两个波长的光，在非线性和频晶体中两波长进行非线性和频效应获得和频光。相关技术参见中国专利文献cn103259183a授权发明专利，使1064nm和1319nm激光在和频晶体内经过和频，实现589nm黄光激光输出。无是腔外还是腔内和频的方式，涉及复杂的激光腔结构，需要两块激光晶体和倍频晶体来实现和频过程。和频的方法具有体积大、转换效率差、稳定性差、难以实现等缺点。

(3)受激拉曼与倍频对基频光进行频率转换实现黄光输出。这种方法分为腔外光学变频与腔内光学变频两种形式。腔外变频的方式不论对基频光先进行拉曼频移再倍频，还是先倍频再进行拉曼频移，都需要拉曼晶体和倍频晶体两块晶体，例如r.p.mildrenetal.，opticsexpress12(5)，785(2004)，采用kgd(wo4)2晶体进行拉曼转换，对于不同的泵浦偏振方向分别获得了黄光到黄橙光的多条谱线输出。腔内光学变频需要激光增益介质、拉曼晶体、倍频晶体、调q装置或者自拉曼激光增益介质、倍频晶体、调q装置，并且设计合适的激光腔结构和复杂的镀膜方式。国内相关技术如中国专利文献cn101308994a的授权发明专利，该专利设计了折叠腔式拉曼倍频全固体黄光激光器。受限于基频光的峰值功率低，转化效率差，难获得高功率的黄光输出。

结构简单、成本低、应用晶体种类少，兼具黄光与其他可见光波长输出，并且应用广泛的激光器有着重要的应用价值与科研价值。

技术实现要素：

为了克服现有技术存在的缺陷和不足，本发明提供了一种基于单块kdp晶体级联光学变频的激光器。

本发明还提供了上述激光器的工作方法。

术语解释：

kdp晶体，磷酸二氢钾晶体。

本发明的技术方案为：

一种基于单块kdp晶体级联光学变频的激光器，包括沿光路依次安放的泵浦源、光阑、衰减系统、倍频切向的kdp晶体、第一滤色片，第二滤色片；

所述泵浦源产生激光，并入射到所述kdp晶体中，所述kdp晶体将基频光转化为倍频光，同时倍频光在所述kdp晶体中产生受激拉曼散射，获得倍频光的受激拉曼散射激光，在所述kdp晶体实现了倍频与受激拉曼散射级联的光学变频。

kdp晶体采用水溶液法生长，生长技术成熟，且易于生长成大尺寸单晶，拉曼频移为910±10cm^-1。相关的定向、切割、抛光、镀膜等工艺也都较为成熟，便于批量化生产。

根据本发明优选的，所述kdp晶体的i类相位匹配的切割角为(θ,φ)，θ的取值范围为40°—42°，φ的取值范围为44°—46°；

所述kdp晶体的ii类相位匹配的切割角为(θ1,φ1)，θ1的取值范围为58°—60°，φ1的取值范围为0°—1°；

进一步优选的，θ＝41°，φ＝45°；θ1＝59°，φ1＝0°。

根据本发明优选的，所述kdp晶体的前表面镀以对基频光高透、对需要产生的倍频光与倍频光的受激拉曼散射激光高反的介质膜，所述kdp晶体的后表面镀以对基频光高反、对需要产生的倍频光部分透过、对需要产生的倍频光的受激拉曼散射激光高透的介质膜。所述kdp晶体的前表面即基频泵浦光入射的所述kdp晶体表面；所述kdp晶体的后表面即所述kdp晶体产生倍频光及倍频光的受激拉曼散射激光的表面。

根据本发明优选的，所述激光器还包括透镜，所述透镜沿光路设置在所述衰减系统与所述kdp晶体之间，所述透镜为双凸透镜或平凸透镜。用以提高入射晶体的基频光的功率密度。

根据本发明优选的，所述激光器还包括缩束系统，所述缩束系统沿光路设置在所述衰减系统与所述kdp晶体之间。用以提高入射晶体的基频光的功率密度。

根据本发明优选的，所述激光器还包括输入镜、输出镜，所述输入镜沿光路设置在所述缩束系统与所述kdp晶体之间；所述输出镜沿光路设置在所述kdp晶体与所述第一滤色片之间。

根据本发明优选的，所述输入镜镀以对基频光高透、对需要产生的倍频光与倍频光的受激拉曼散射激光高反的介质膜；所述输出镜镀以对基频光高反、对需要产生的倍频光部分透过、对倍频光的受激拉曼散射激光高透的介质膜。基频泵浦光经过输出镜反射后再次实现倍频光的输出，倍频光经过输出镜部分反射后再次实现受激拉曼光学变频的输出。

根据本发明优选的，所述泵浦源为nd:yag激光器或nd:glass激光器；

所述光阑为带有通光孔的挡板；

所述衰减系统为偏振片、偏振棱镜、中性密度滤光片中的任一种或任几种的组合结构；

所述第一滤色片镀以对基频光高反、对需要产生的倍频光与倍频光的受激拉曼散射激光高透的介质膜；

所述第二滤色片镀以对需要产生的倍频光高反、对需要产生的倍频光的受激拉曼散射激光高透的介质膜。

上述激光器的工作方法，包括步骤如下：

(1)泵浦源产生基频泵浦光，经过光阑选取合适的光斑口径，经过衰减系统控制入射到kdp晶体的基频泵浦光的能量；

(2)基频泵浦光入射至倍频切向的kdp晶体中产生倍频光，通过调节衰减系统，逐渐增加基频泵浦光的能量，倍频光的能量也相应增加；

(3)当倍频光能量达到受激拉曼散射阈值时，产生一阶stokes光；通过调节衰减系统继续增加基频泵浦光的能量，依次产生二阶stokes光以及三阶stokes光；

(4)第一滤色片过滤掉基频泵浦光，透过剩余倍频光与受激拉曼散射激光；

(5)第二滤色片根据需要选用不同镀膜的镜片，过滤掉倍频光，透过所需受激拉曼散射激光，以供应用。

本发明的有益效果为：

1.输出波长较多，应用广泛。本发明可实现倍频光以及倍频光的多阶stokes光输出，通过更换滤色片可实现一种或多种波长输出。例如，利用1064nm波长的激光作为泵浦源可得到532nm、558.9nm、588.9nm、622.1nm等波长的激光。558.9nm与588.9nm的黄光激光在激光医疗领域、光谱学、军事、气象、信息存储等多个领域有着重要应用。将532nm的绿光、588.9nm的黄橙光、622.1nm的红光相结合可作为绿、黄、红三色激光信号灯。

2.结构简洁，稳定性强。本发明在一块晶体中同时实现了倍频受激拉曼级联的光学变频，与其他腔内黄橙光输出技术相比，结构简单，避免了谐振腔与膜系设计带来的不稳定性，提高了激光输出的稳定性。该发明很容易与现有成熟的nd:yag或nd:glass脉冲激光器结合实现倍频受激拉曼级联的光学变频。

3.脉冲宽度窄，成本较低。本发明以脉冲激光作为泵浦源，可以是纳秒激光、皮秒激光，可直接获得相应的纳秒脉冲，皮秒脉冲。kdp晶体生长技术成熟，易于生长大尺寸单晶，相对成本较低。

附图说明

图1为本发明实施例1所述激光器的结构示意图。

图2为本发明实施例1所述激光器产生的倍频光与倍频光的受激拉曼散射激光的光谱示意图。

图3为本发明实施例1所述激光器产生的光斑图。

图4为本发明实施例2所述激光器产生的倍频光与倍频光的受激拉曼散射激光的光谱示意图。

图5为本发明实施例2所述激光器产生的光斑图。

图6为本发明实施例3所述激光器的结构示意图。

图7为本发明实施例4所述激光器的结构示意图。

1、泵浦源，2、光阑，3、衰减系统，4、透镜，5、kdp晶体，6、第一滤色片，7、第二滤色片，8、缩束系统，9、输入镜，10、输出镜。

具体实施方式

下面结合说明书附图和实施例对本发明作进一步限定，但不限于此。

实施例1

一种基于单块kdp晶体级联光学变频的激光器，如图1所示，包括沿光路依次安放的泵浦源1、光阑2、衰减系统3、透镜4、倍频切向的kdp晶体5、第一滤色片6，第二滤色片7；

泵浦源1产生激光，并入射到kdp晶体5中，kdp晶体5将基频光转化为倍频光，同时倍频光在kdp晶体5中产生受激拉曼散射，获得倍频光的受激拉曼散射激光，在kdp晶体5实现了倍频与受激拉曼散射级联的光学变频。

kdp晶体5采用水溶液法生长，生长技术成熟，且易于生长成大尺寸单晶，拉曼频移为910±10cm^-1。相关的定向、切割、抛光、镀膜等工艺也都较为成熟，便于批量化生产。

kdp晶体5的i类相位匹配的切割角为(θ,φ)，θ＝41°，φ＝45°，透光面抛光未镀膜，长度为32mm。

泵浦源1为continuum公司生产的py61型nd:yag锁模激光器，输出波长1064nm、脉冲宽度40ps、重复频率10hz的激光。

光阑2为带有直径为5mm的圆形通光孔的档板。

透镜4为焦距为300mm的透镜。

衰减系统3为两个偏振棱镜的组合结构，用以调节基频泵浦激光的功率。

第一滤色片6镀以对基频光(1064nm)高反、对需要产生的倍频光与倍频光的受激拉曼散射激光(500-700nm)高透的介质膜；

第二滤色片7镀以对需要产生的倍频光(532nm)高反、对需要产生的倍频光的受激拉曼散射激光(550-700nm)高透的介质膜。

实施例2

根据实施例1所述一种基于单块kdp晶体级联光学变频的激光器，其区别在于，kdp晶体5的ii类相位匹配的切割角为(θ1,φ1)，θ1＝59°，φ1＝0°，透光面抛光未镀膜，长度为32mm。

实施例3

根据实施例1所述一种基于单块kdp晶体级联光学变频的激光器，如图6所示，其区别在于，将透镜4替换成缩束系统8。

本实施例中用缩束系统8代替透镜4，以提高入射到kdp晶体5的能量密度，在kdp晶体5中实现倍频受激拉曼散射的级联变频。

本实施例使基频泵浦光在晶体中的传输中保持光束直径不变，相对于透镜4来说，提高了基频泵浦光在晶体传输过程中的能量密度，也可以在kdp晶体5中实现倍频受激拉曼散射的级联变频。

实施例4

根据实施例3所述一种基于单块kdp晶体级联光学变频的激光器，如图7所示，其区别在于，所述激光器还包括输入镜9、输出镜10，输入镜9沿光路设置在缩束系统8与kdp晶体5之间；输出镜10沿光路设置在kdp晶体5与第一滤色片6之间。

输入镜9镀以对1064nm激光高透、对500nm-700nm波长范围内激光高反的介质膜。

输出镜10镀以对1064nm激光高反、对532nm激光部分透过，对550nm-700nm波长范围内激光高透的介质膜。

本实施例中，基频泵浦光1064nm激光经过输出镜10反射后再次实现倍频光(532nm)的输出，532nm激光经过输出镜10部分反射后再次实现受激拉曼光学变频的输出，可提高激光原转化效率的10％以上。

实施例5

实施例1所述一种基于单块kdp晶体级联光学变频的激光器的工作方法，包括步骤如下：

(1)泵浦源1产生波长为1064nm的基频泵浦光，经过光阑2选取直径为5mm的光束，光束经过衰减系统3后，通过透镜4聚焦，将kdp晶体5放置在焦点后4cm处，基频泵浦光入射到i类相位匹配的kdp晶体5中；

(2)基频泵浦光在i类相位匹配的kdp晶体5中产生倍频光，通过调节衰减系统3，逐渐增加基频泵浦光的能量，倍频光能量也相应增加；

(3)当基频泵浦光光功率密度达到57.1gwcm²时，产生一阶stokes光，即558.9nm波长激光；通过衰减系统3调节继续增加基频泵浦光的能量，依次出现二阶stokes光(588.9nm)以及三阶stokes光(622.1nm)；

(4)第一滤色片6过滤掉基频泵浦光，透过剩余倍频光与受激拉曼散射激光；

(5)第二滤色片7过滤掉倍频光，透过一阶、二阶、三阶stokes光受激拉曼散射激光，以供应用。

本实施例激光器产生的倍频光与倍频光的受激拉曼散射激光的光谱示意图如图2所示。图2中，横坐标为波长，单位是纳米；纵坐标是光谱仪测量的波长的峰值强度，单位是自定义单位。利用透镜4将泵浦源1产生的1064nm的泵浦光聚焦，把i类倍频切向的kdp晶体5放置在焦点后面，可在kdp晶体5中实现倍频和受激拉曼散射的级联光学变频，可输出倍频光532.18nm，并且调节衰减系统3增加基频泵浦光能量，随着能量升高会依次出现倍频光的一阶stokes光(558.91nm)、倍频光的(588.90nm)以及倍频光的三阶stokes光(622.10nm)。一阶、二阶、三阶stokes光的基频泵浦光光功率密度的阈值分别为57.1gw/cm²、73.3gw/cm²、80.7gw/cm²。可通过调节衰减系统3控制基频泵浦光能量，实现一阶stokes光、二阶stokes光、三阶stokes光输出。图3为本发明实施例1所述激光器产生的光斑图。由内到外，依次是黄绿色的一阶stokes光(558.91nm)，橙黄色的二阶stokes光(588.90nm)，以及红色的三阶stokes光(622.10nm)。

558.9nm与588.9nm的黄光激光在激光医疗领域、光谱学、军事、气象、信息存储等多个领域有着重要应用。将532nm的绿光、588.9nm的黄橙光、622.1nm的红光相结合可作为绿、黄、红三色激光信号灯。

实施例6

实施例2所述一种基于单块kdp晶体级联光学变频的激光器的工作方法，包括步骤如下：

(1)泵浦源1产生的波长为1064nm的基频泵浦光，经过光阑2选取直径为5mm的光束，光束经过衰减系统3后，通过透镜4聚焦，将ii类相位匹配的kdp晶体5放置在焦点后4cm处，基频泵浦光入射到ii类相位匹配的kdp晶体5中。

(2)基频泵浦光在ii类相位匹配的kdp晶体5中产生倍频光，通过调节衰减系统3，逐渐增加基频泵浦光的能量，倍频光能量也相应增加；

(3)当基频泵浦光光功率密度达到55.7gwcm²时，产生一阶stokes光，即558.9nm波长激光；通过衰减系统3调节继续增加基频泵浦光的能量，依次出现二阶stokes光(588.9nm)以及三阶stokes光(622.1nm)；

(4)第一滤色片6过滤掉基频泵浦光，透过剩余倍频光与受激拉曼散射激光；

(5)第二滤色片7过滤掉倍频光，透过一阶、二阶、三阶stokes光受激拉曼散射激光，以供应用。

利用实施例2所述一种基于单块kdp晶体级联光学变频的激光器，得到了倍频光532.18nm及其一阶stokes光(558.91nm)、二阶stokes光(588.90nm)、三阶stokes光(622.10nm),光谱示意图如图4所示。图5为本发明实施例2所述激光器产生的光斑图。由内到外，依次是黄绿色的一阶stokes光(558.91nm)，橙黄色的二阶stokes光(588.90nm)，以及红色的三阶stokes光(622.10nm)。

ii类倍频切向晶体与i类倍频切向晶体产生的受激拉曼激光波长一样，并且拉曼频移一致。其中，一阶、二阶、三阶stokes光的基频泵浦光光功率密度的阈值分别为55.7gw/cm²、71.6gw/cm²、79.5gw/cm²。可通过调节衰减系统3控制基频泵浦光能量，依次实现一阶stokes光、二阶stokes光、三阶stokes光输出。

实施例7

实施例3所述一种基于单块kdp晶体级联光学变频的激光器的工作方法，包括步骤如下：

(1)泵浦源1产生的波长为1064nm的基频泵浦光，经过光阑2选取直径为5mm的光束，光束经过衰减系统3，通过缩束系统8缩束后，基频泵浦光垂直入射到i类相位匹配的kdp晶体5中。

(2)基频泵浦光在i类相位匹配的kdp晶体5中产生倍频光，通过调节衰减系统3，逐渐增加基频泵浦光的能量，倍频光能量也相应增加；

(3)通过衰减系统3调节继续增加基频泵浦光的能量，依次出现一阶、二阶、三阶stokes光；

(4)第一滤色片6过滤掉基频泵浦光，透过剩余倍频光与受激拉曼散射激光；

(5)第二滤色片7过滤掉倍频激光，透过一阶、二阶、三阶stokes光受激拉曼散射激光，以供应用。

实施例8

实施例4所述一种基于单块kdp晶体级联光学变频的激光器的工作方法，包括步骤如下：

(1)泵浦源1产生的波长为1064nm的基频泵浦光，经过光阑2选取直径为5mm的光束，基频泵浦光依次经过衰减系统3、缩束系统8缩束、输入镜9，垂直入射到i类相位匹配的kdp晶体5中，输出镜10可透过部分倍频光和受激拉曼散射激光，基频泵浦光1064nm激光经过输出镜10反射后再次实现倍频光的输出，提高晶体中倍频光能量。

(2)基频泵浦光在i类相位匹配的kdp晶体5中产生倍频光，通过调节衰减系统3，逐渐增加基频泵浦光的能量，倍频光能量也相应增加；

(3)通过衰减系统3调节继续增加基频泵浦光的能量，依次出现一阶、二阶、三阶stokes光；

(4)第一滤色片6过滤掉基频泵浦光，透过剩余倍频光与受激拉曼散射激光；

(5)第二滤色片7过滤掉倍频激光，透过一阶、二阶、三阶stokes光受激拉曼散射激光，以供应用。