可见光波段光纤激光器腔内倍频产生紫外激光的装置

1.本实用新型涉及激光器领域，特别涉及非线性频率变换光纤激光器。


背景技术：

2.紫外激光在光数据存储、光刻技术、微电子学、大气探测、微加工及生物医学等领域有着广泛的应用，相对于长波激光而言，短波长紫外激光有着独特的优势。紫外激光不同于红外或可见光波段采用局部加热使物质融化这种加工方式，是通过直接破坏连接物质原子组分的化学键，而这种将物质分离成原子的过程是在低温条件下完成的，具有更优的边缘强度与精细加工的能力，在微加工与微电子学领域有着难以替代的地位。传统的紫外激光器主要分为气体激光器与全固态紫外激光器，而本实用新型采用激光二极管(ld)泵浦的可见光光纤激光器直接二倍频产生紫外激光的技术，具有效率高、小型化、较好的光束质量以及无需维护成本等特点。
3.光纤激光器是由泵浦源、增益光纤、谐振腔等部件构成。由于人眼对可见光波段的激光尤其敏感，所以在激光的研究及其应用领域都占据了重要地位。可见光激光源在生物医学、数据存储、可见光通信、激光加工、天体物理等方面有广泛的应用。由于长期以来产生可见光激光的途径主要采用全固态激光器/染料激光器的非线性频率变换技术(如倍频、和频、参量过程)，存在成本较高、系统较复杂、散热困难、光束质量相对较差等缺点，因此，采用稀土离子直接跃迁产生可见光激光，同时发挥光纤激光器结构紧凑、无需散热、光束质量好且免维护等优点，被认为是产生高性能可见光激光的理想选择。但目前光纤激光器面临难以小型化(使用大量块状光纤部件)以及可见光激光输出功率低的问题。本实用新型提供一种紧凑型全光纤结构的高功率光纤激光器作为倍频紫外激光的基频光这一创新方案，实现全光纤小型化、高功率、高性能、低成本的基频光激光器系统。
4.稀土元素，是元素周期表上第iii族钪(sc)、钇(y)和镧(la)系元素共17种金属元素的合称。随着对掺稀土离子(dy
3+
、pr
3+
、ho
3+
、tm
3+
)光纤的深入研究和制造工艺的成熟，被认为是高效下转换获得可见光激光的有效途径之一。为获得高效转化的可见光激光，氟化物基质光纤(如zblan)因低声子能量，是稀土掺杂可见光光纤激光的主流选择。掺dy
3+
氟化物光纤中吸收了紫外或者蓝光的dy
3+
离子跃迁到高能级后经弛豫后下落到4f
9/2
能级上，经过4f
9/2
→6h
13/2
产生约565
‑
590nm的荧光，这一过程可产生非常强的565
‑
590nm黄光增益；掺pr
3+
氟化物光纤中吸收了近红外或者蓝光的pr
3+
离子跃迁到高能级后经弛豫后下落到3p1能级上，经过3p1→3h5产生约491
‑
520nm的荧光，这一过程可产生非常强的491
‑
520nm绿光增益；掺ho
3+
氟化物光纤中吸收了红光的ho
3+
离子跃迁到高能级后经弛豫后下落到5f4能级上，经过5f4→5i8产生约540
‑
550的荧光，这一过程可产生非常强的540
‑
550nm绿光增益；掺tm
3+
氟化物光纤中吸收了近红外或者红光的tm
3+
离子跃迁到高能级后经弛豫后下落到1g4能级上，经过1g4→3h6产生约483
‑
485nm的荧光，这一过程可产生非常强的483
→
485nm蓝光增益。这一频率下转换技术相比传统倍频/和频技术产生黄光激光具备更高效、更紧凑的优势。尽管前期已报道泵浦掺稀土离子氟化物光纤产生可见光激光，但产生可见光激光功率仍较
低，尚未满足倍频紫外所需要的基频光功率。本实用新型构建小型化全光纤可见光激光器作为基频光，且实现瓦级高功率可见光激光输出。
5.非线性频率变换技术，本实用新型用非线性光学晶体作为激光技术中核心器件之一，在激光通信、激光制导、激光打标、精密加工等领域具有广泛的应用。当基频光入射到非线性光学晶体上，在满足相位匹配的条件下会激发非线性效应，通过倍频、合频、差频及光参量放大效应等方式产生新波段的光波，扩展了激光光源的波长范围，获得新的激光光源。红外波段的非线性光学晶体材料主要集中在v和vi主族三元化合物；可见
‑
近红外波段典型的晶体为磷酸盐(kdp)、碘酸盐(kio3)、铌酸盐(linbo3)等；紫外/深紫外波段晶体是当前该领域研究热点，主要有硼酸盐(bbo、lbo、cbo)、碳酸盐、硝酸盐等。其中bbo晶体拥有高的激光损伤阈值、拥有着极宽的通光范围、极低的吸收系数、倍频系数大以及相位匹配范围宽等优势，被广泛应用于nd
3+
：yag激光器的二倍频、三倍频、四倍频、五倍频以及光学参量震荡器、光学参量放大器等。本实用新型首次提出使用bbo晶体作为倍频晶体，由可见光光纤激光器作为基频光直接二倍频产生紫外激光这一创新方案，填补了可见光波段光纤激光器直接倍频产生紫外激光领域的这一空白。


技术实现要素：

6.本实用新型所要解决的主要技术问题是提供可见光波段光纤激光器倍频产生紫外激光的其装置，解决传统的和频/倍频全固态紫外激光器和气体激光器存在结构复杂、难以实现小型化、维护成本过高以及激光光束质量相对较差等缺点，且在光纤激光器领域尚未实现紫外激光输出的缺点。
7.为了解决上述的技术问题，本实用新型提供了可见光波段光纤激光器腔内倍频产生紫外激光的装置，包括：基频光光纤激光器系统、倍频系统、光学耦合系统；其中基频光光纤激光器系统包括泵浦源、增益光纤、反射镜、二向色分束镜、光纤端面镀膜镜或闪耀光栅；光学耦合系统包括非球面透镜、光纤陶瓷插芯；
8.所述泵浦源输出端通过对泵浦波长高透过率且对基频光呈45
°
角反射的二向色分束镜与非球面透镜将泵浦光耦合至增益光纤的一端；所述增益光纤的另一端通过光纤陶瓷插芯连接至匹配石英光纤的一端；所述增益光纤和匹配光纤的连接处设置有可见光波段的光纤端面镀膜镜或闪耀光栅；所述二向色分束镜45
°
角空间光路上还依次设置有倍频系统和反射镜；所述光纤端面镀膜镜或闪耀光栅与放置在二向色分束镜45
°
角空间光路上的反射镜构成线形谐振腔结构；
9.所述倍频系统包括倍频晶体、半波片、紫外非球面透镜组；所述倍频系统通过紫外非球面透镜将基频光聚焦在倍频晶体产生紫外激光，再由另一块紫外非球面透镜将透过晶体的光准直，其中基频光通过反射镜反馈回增益光纤，紫外激光通过反射镜输出。
10.本实用新型还提供了可见光波段光纤激光器腔内倍频产生紫外激光的装置，包括：基频光光纤激光器系统、倍频系统和光学耦合系统；其中基频光光纤激光器系统包括泵浦源、非球面透镜、增益光纤、第一非球面透镜、二向色分束镜；光学耦合系统包括第二非球面透镜、光纤陶瓷插芯；
11.所述泵浦源输出端通过对泵浦波长高透过率且对基频光呈45
°
角反射的二向色分束镜与第一非球面透镜将泵浦光耦合至增益光纤的一端；所述二向色分束镜45
°
角空间光
路上还依次设置有倍频系统和第二非球面透镜；所述增益光纤的另一端通过光纤陶瓷插芯连接至第二非球面透镜；所述增益光纤、第二非球面透镜构成线形谐振腔结构；
12.所述倍频系统包括倍频晶体、半波片、紫外非球面透镜组；所述倍频系统通过紫外非球面透镜将基频光聚焦在倍频晶体产生紫外激光，再由另一块紫外非球面透镜将透过晶体的光准直，其中基频光通过二向色分束镜和第一非球面透镜重新进入增益光纤中形成一个激光环形腔结构，环形腔内通过倍频产生的紫外激光通过二向色分束镜输出。
13.在一较佳实施例中：所述增益光纤为掺有稀土元素的单包层或双包层氟化物光纤。
14.在一较佳实施例中：所述增益光纤中掺杂的稀土离子为镝、铥、钬、镨，掺杂浓度大于500ppm。
15.在一较佳实施例中：所述泵浦源为波长与所述增益光纤匹配的高功率ld蓝光泵浦源、高功率ld红光泵浦源或拉曼激光器。
16.在一较佳实施例中：所述增益光纤和匹配光纤的连接处设置有光纤陶瓷插芯头；所述光纤陶瓷插芯头包括金属套件和陶瓷插芯，所述增益光纤和匹配光纤的一端插入陶瓷插芯并用金属套件固定。
17.在一较佳实施例中：所述反射镜在基频光波段具有高反射率，反射率大于95％；在紫外波段具有高透过率，透过率大于95％。
18.在一较佳实施例中：所述闪耀光栅为闪耀波长在可见光波段的反射式刻线衍射光栅，具有不同闪耀角度以满足多种光学需求，闪耀波长下的实际光栅效率是60％到80％。
19.在一较佳实施例中：所述倍频晶体为bbo晶体，晶体的切割角度与所需基频光波长匹配。
20.在一较佳实施例中：所述二向色分束镜对泵浦光的透过率大于90％，且对基频光呈45
°
角反射，反射率大于90％。
21.在一较佳实施例中：所述紫外非球面透镜在紫外波段镀有增透膜。
附图说明
22.图1是本实用新型优选实施例1中可见光波段光纤激光器直接腔内倍频紫外激光的线形腔装置图；
23.图2是本实用新型优选实施例2中可见光波段光纤激光器直接腔内倍频紫外激光的环形腔装置图；
24.图3是本实用新型实施例1和实施例2中可见光波段光纤激光器直接腔内倍频紫外激光的光谱图。
具体实施方式
25.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
26.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶/底端”等指示
的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
27.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，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，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
28.实施例1
29.如图1和图3所示，一种可见光波段光纤激光器倍频产生紫外激光的装置采用线形激光腔结构，包括：基频光光纤激光器系统、倍频系统、光学耦合系统；
30.所述基频光光纤激光器系统包括：泵浦源1、二向色分束镜2、非球面透镜3、光纤端面镀膜镜6或闪耀光栅；光学耦合系统包括光纤陶瓷插芯4、增益光纤5。其中增益光纤5分别为掺稀土离子(dy
3+
、tm
3+
、ho
3+
、pr
3+
)氟化物光纤；其中泵浦源1分别对应上述增益光纤为高功率ld蓝光泵浦源、1100nm波段附近拉曼光纤激光器、高功率ld红光泵浦源、高功率ld蓝光泵浦源或使用在1μm与835nm波长附近双波长泵浦。
31.所述泵浦源1的输出端通过泵浦光高透的二向色分束镜2和非球面透镜3将泵浦光耦合进入增益光纤5的一端，增益光纤5另一端连接至匹配石英光纤7的一端；所述增益光纤5和匹配石英光纤7的连接处设置有可见光波段的光纤端面镀膜镜6或者闪耀光栅。所述光纤端面镀膜镜6使用等离子体溅射低温镀膜技术镀膜在匹配石英光纤7与增益光纤5连接的那一端；所述闪耀光栅可直接替代镀有光纤端面镀膜镜6的匹配石英光纤7，其作用是与反射镜9构成谐振腔，同时又可以对紫外激光输出进行波长调谐。
32.所述泵浦源将能量注入增益光纤5，所述增益光纤5中掺杂的稀土离子吸收泵浦光，在受激辐射下提供基频光增益放大，所述在可见光波段高反射率的光纤端面镀膜镜6与基频光高反射率且紫外激光高透过率的反射镜9构建基频光谐振腔，从而在可见光波段多个波长实现高功率连续光输出。
33.所述倍频系统8放置于二向色分束镜2与反射镜9之间的空间光路中，倍频系统8包括倍频晶体、紫外非球面透镜组、半波片。倍频晶体的两端分别放置一个紫外非球面透镜将腔内基频光聚焦在倍频晶体中且将另一端透过倍频晶体的基频光束准直；同时倍频系统8内置半波片用于调节基频光的偏振态。基频光直接二倍频产生的紫外激光由紫外波段高透过率的反射镜9输出。
34.本实施例中，所述泵浦源为波长与所述不同增益光纤匹配的高功率ld蓝光激光器，其输出的激光波长为450nm附近；高功率ld红光激光器，其输出波长为645nm附近；拉曼光纤激光器，其输出波长在1153nm附近；
35.所述增益光纤5和匹配光纤7的连接处设置有光纤陶瓷插芯头4；所述光纤陶瓷插芯头4包括金属套件和陶瓷插芯，所述增益光纤5和匹配光纤7的一端插入陶瓷插芯并用金属套件固定。
36.所述离子体溅射低温镀膜技术采用离子轰击靶材表面，使靶材的原子被击出，溅
射产生的原子沉积在基体表面成膜。
37.上述的基频光光纤激光器系统与传统的可见光激光器相比，实现了瓦级的连续激光输出，并获得了较高的泵浦转化斜效率，不仅首次实现了瓦级可见光波段激光输出，而且通过使用光纤端面镀膜技术与掺dy
3+
氟化物增益光纤实现了光纤结构的紧凑高效小型化的激光器。
38.所述的可见光波段光纤激光器倍频产生紫外激光的装置与传统的紫外激光器相比，首次使用可见光激光直接腔内二倍频产生紫外激光，并且获得了较高的倍频效率；本实用新型使用多种掺稀土离子氟化物光纤可以做到更换不同的泵浦源与谐振腔参数来获得不同波段的可见光基频激光输出，通过bbo晶体直接二倍频产生多种波长的紫外激光。本实用新型所述可见光波段光纤激光器倍频产生紫外激光的方法及其装置具有紧凑高效小型化、紫外倍频激光波段可调谐、无需维护成本且工作稳定等优点。
39.实施例2
40.如图2所示，一种可见光波段光纤激光器倍频产生紫外激光的装置采用环形激光腔结构，包括：泵浦源1、二向色分束镜2、第一非球面透镜3、光纤陶瓷插芯4、增益光纤5、倍频系统8、第二非球面透镜9。
41.其中增益光纤5分别为掺稀土离子(dy
3+
、tm
3+
、ho
3+
、pr
3+
)氟化物光纤；其中泵浦源1分别对应上述增益光纤为高功率ld蓝光泵浦源、1100nm波段附近拉曼光纤激光器、高功率ld红光泵浦源、高功率ld蓝光泵浦源或使用在1μm与835nm波长附近双波长泵浦。
42.所述泵浦源1的输出端通过泵浦光高透的二向色分束镜2和第一非球面透镜3将泵浦光耦合进入增益光纤5的一端，增益光纤5另一端输出光直接通过第二非球面透镜9准直，所述倍频系统8放置于增益光纤5通过第二非球面透镜9准直后的空间光路中，透过倍频晶体的基频光通过二向色分束镜2和第一非球面透镜3重新进入增益光纤5中形成一个激光环形腔结构，环形腔内通过倍频产生的紫外激光通过紫外光高透过率的二向色分束镜2输出。
43.如图2所示，该实施例与实施例1相比，通过构建激光环形腔结构可以减少通过反射镜与光纤端面镀膜镜带来的插入损耗，获得更高的基频光斜效率，同时输出更高的紫外激光功率。
44.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均属于侵犯本发明保护范围的行为。