技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及光學(xué)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于摻銩光纖激光器四倍頻技術(shù)的藍(lán)光激光獲得方法與裝置。

背景技術(shù)：

藍(lán)光激光在高密度存儲(chǔ)、水下探測(cè)與通信、彩色激光顯示以及醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域都有著重要的應(yīng)用價(jià)值?；谒{(lán)光激光波長短，光點(diǎn)面積小的特點(diǎn)，藍(lán)光存儲(chǔ)可以將光譜存儲(chǔ)容量大大提高。由于藍(lán)光波長處于海水窗口，利用藍(lán)光激光進(jìn)行水下通信是提高潛艇通信速率的一個(gè)重要手段。作為三原色之一，藍(lán)光激光在顯示領(lǐng)域和生物檢測(cè)領(lǐng)域具有重要的作用。

目前獲得藍(lán)光激光的手段主要有：

1、半導(dǎo)體激光器直接發(fā)射藍(lán)光激光。目前，采用ZnSe以及GaN等半導(dǎo)體材料都獲得了藍(lán)光輸出。半導(dǎo)體激光器體積小、光電轉(zhuǎn)換效率高，但是光束質(zhì)量較差，而且目前功率較低。

2、利用稀土摻雜光纖的上轉(zhuǎn)換效應(yīng)獲得藍(lán)光激光。目前的上轉(zhuǎn)換藍(lán)光激光器的增益介質(zhì)大多采用摻Tm或Pr的氧化物與氟化物，該種方法獲得的藍(lán)光激光同樣存在著輸出功率較低的問題。

3、倍頻近紅外LD獲得藍(lán)光激光。采用對(duì)近紅外LD直接倍頻的方式獲得的藍(lán)光激光輸出光束質(zhì)量也不高，而且主要是適合波段的近紅外LD輸出功率不高，故限制了藍(lán)光激光的輸出功率。

總之，目前的藍(lán)光激光產(chǎn)生方法中，難以獲得在高功率輸出的同時(shí)保持較高的光束質(zhì)量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種獲得藍(lán)光激光的新的方法和裝置，有望獲得較高功率和較好光束質(zhì)量的藍(lán)光激光輸出。

本發(fā)明的基本思路是對(duì)摻銩光纖激光器四倍頻獲得藍(lán)光激光輸出。摻銩光纖激光器發(fā)射譜涵蓋了1.8μm～2μm，目前采用大模場(chǎng)面積低數(shù)值孔徑的雙包層摻銩光纖激光器的輸出功率可達(dá)1kW，同時(shí)由于光纖的結(jié)構(gòu)限制，其保持了較好的光束質(zhì)量，故通過四倍頻技術(shù)可以獲得較高功率、且較好光束質(zhì)量的藍(lán)光激光。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案為：

基于摻銩光纖激光器四倍頻的藍(lán)光激光產(chǎn)生方法，包括以下步驟：

[1]利用793nm半導(dǎo)體激光器泵浦摻銩光纖，獲得1.8μm～2μm激光輸出；

[2]1.8μm～2μm激光經(jīng)一級(jí)倍頻，得到0.9μm～1μm激光輸出；

[3]0.9μm～1μm激光經(jīng)二級(jí)倍頻，得到450nm～500nm藍(lán)光激光輸出。

基于摻銩光纖激光器四倍頻的藍(lán)光激光產(chǎn)生裝置，包括摻銩光纖激光器單元、一級(jí)倍頻單元和二級(jí)倍頻單元；摻銩光纖激光器單元輸出光經(jīng)過一級(jí)倍頻單元和二級(jí)倍頻單元倍頻后，產(chǎn)生藍(lán)光激光輸出。

上述基于摻銩光纖激光器四倍頻的藍(lán)光激光產(chǎn)生裝置中，摻銩光纖激光器單元包括摻銩增益光纖、泵浦合束器、高反光纖光柵、低反光纖光柵和若干只半導(dǎo)體泵浦源；摻銩增益光纖輸入端連接有高反射光纖光柵，輸出端連接有低反射光纖光柵，若干只半導(dǎo)體泵浦源通過泵浦合束器與高反射光纖光柵連接。

上述基于摻銩光纖激光器四倍頻的藍(lán)光激光產(chǎn)生裝置中，摻銩光纖激光器單元包括摻銩增益光纖、泵浦合束器、高反光纖光柵和若干只半導(dǎo)體泵浦源；摻銩增益光纖輸入端連接有高反射光纖光柵，輸出端設(shè)置有與光纖軸線呈8～10°的切角；若干只半導(dǎo)體泵浦源通過泵浦合束器與高反射光纖光柵連接。

上述基于摻銩光纖激光器四倍頻的藍(lán)光激光產(chǎn)生裝置中，一級(jí)倍頻單元包括一級(jí)倍頻晶體和一級(jí)濾光片；摻銩光纖激光器單元輸出光入射到一級(jí)倍頻晶體，產(chǎn)生的一級(jí)倍頻光透過一級(jí)濾光片傳輸至二級(jí)倍頻單元。

上述基于摻銩光纖激光器四倍頻的藍(lán)光激光產(chǎn)生裝置中，一級(jí)倍頻單元包括在出射光軸上布置的凹面雙色鏡、高反凹面鏡和一級(jí)倍頻晶體，一級(jí)倍頻晶體布置在凹面雙色鏡和高反凹面鏡之間，摻銩增益光纖的輸出光線與出射光軸的呈30～60°夾角，摻銩增益光纖輸出光在凹面雙色鏡、高反凹面鏡）和摻銩增益光纖之間振蕩后，經(jīng)凹面雙色鏡輸出至二級(jí)倍頻單元。

上述基于摻銩光纖激光器四倍頻的藍(lán)光激光產(chǎn)生裝置中，二級(jí)倍頻單元包括二級(jí)倍頻晶體和二級(jí)濾光片；一級(jí)倍頻光入射至二級(jí)倍頻晶體倍頻后入射到二級(jí)濾光片，藍(lán)光激光透過二級(jí)濾光片輸出。

上述基于摻銩光纖激光器四倍頻的藍(lán)光激光產(chǎn)生裝置中，摻銩增益光纖為雙包層光纖；一級(jí)倍頻晶體）的前、后端設(shè)置有準(zhǔn)直透鏡；二級(jí)倍頻晶體的后端設(shè)置有準(zhǔn)直透鏡。

上述基于摻銩光纖激光器四倍頻的藍(lán)光激光產(chǎn)生裝置中，一級(jí)濾光片對(duì)1.8μm～2μm波段的光高透射、對(duì)0.9μm～1μm波段的光高反射；二級(jí)濾光片對(duì)0.9μm～1μm波段的光高反射、對(duì)450nm～500nm波段的光高透射；高反射光纖光柵）對(duì)1.8μm～2μm激光的反射率>95%；低反射光纖光柵對(duì)1.8μm～2μm激光的反射率<10%。

上述基于摻銩光纖激光器四倍頻的藍(lán)光激光產(chǎn)生裝置中，一級(jí)倍頻晶體為PPLN晶體或LBO晶體；二級(jí)倍頻晶體為LBO晶體、BBO晶體或BIBO晶體等。

本發(fā)明具有的有益效果如下：

1、由于雙包層摻銩光纖激光器可以獲得很高的功率輸出和較好的光束質(zhì)量，故通過倍頻后可獲得較高功率的藍(lán)光激光。

2、本發(fā)明采用光纖激光器與晶體光學(xué)元件相結(jié)合的結(jié)構(gòu)方式，結(jié)構(gòu)簡單，方便使用，易于維護(hù)。

3、本發(fā)明裝置可以進(jìn)行集成化、模塊化，體積小、重量輕，適于不同場(chǎng)合的應(yīng)用。

4、發(fā)明采用的腔內(nèi)倍頻工作方式凹面雙色鏡、高反凹面鏡和摻銩增益光纖組成了一個(gè)V型諧振腔，摻銩增益光纖輸出信號(hào)光在凹面雙色鏡、高反凹面鏡和摻銩增益光纖之間振蕩，直接產(chǎn)生倍頻激光，由于一級(jí)倍頻晶體位于諧振腔內(nèi)，使得通過諧振腔內(nèi)的振蕩光多次通過一級(jí)倍頻單元，大大提高了一級(jí)倍頻效率。

附圖說明

圖1是本發(fā)明在連續(xù)波腔外倍頻工作方式下原理圖；

圖2是本發(fā)明在連續(xù)波腔內(nèi)倍頻工作方式下原理圖。

圖中：1—半導(dǎo)體泵浦源；2—泵浦合束器；3—高反光纖光柵；4—摻銩增益光纖；5—低反光纖光柵；6、9、13—準(zhǔn)直透鏡；7—凹面雙色鏡（1.8μm～2μm高反，0.9μm～1μm高透）；8—一級(jí)倍頻晶體；10—一級(jí)濾光片（1.8μm～2μm高透，0.9μm～1μm高反）；11—高反凹面鏡（1.8μm～2μm、0.9μm～1μm高反）；12—二級(jí)倍頻晶體；14—二級(jí)濾光片（0.9μm～1μm高反，450nm～500nm高透）；20—藍(lán)光激光輸出光軸；A1、B1—摻銩光纖激光器單元；A2、B2—一級(jí)倍頻單元；A3、B3—二級(jí)倍頻單元。

具體實(shí)施方式

下面分別按照腔外倍頻和腔內(nèi)倍頻兩種工作方式，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行說明。

圖1為本發(fā)明腔外倍頻工作方式下四倍頻的藍(lán)光激光產(chǎn)生裝置示意。其包括摻銩光纖激光器單元A1、一級(jí)倍頻單元A2和二級(jí)倍頻單元A3；摻銩光纖激光器系統(tǒng)A1用以產(chǎn)生高功率、高光束質(zhì)量的1.8μm～2μm激光，摻銩光纖激光器單元A1輸出光經(jīng)過一級(jí)倍頻單元A2和二級(jí)倍頻單元A3四倍頻后，產(chǎn)生藍(lán)光激光輸出。

摻銩光纖激光器單元A1包括摻銩增益光纖4、泵浦合束器2、高反光纖光柵3、低反光纖光柵5和若干只半導(dǎo)體泵浦源1；摻銩增益光纖4為雙包層摻銩光纖，其輸入端連接有高反射光纖光柵3，輸出端連接有低反射光纖光柵5，若干只半導(dǎo)體泵浦源1通過泵浦合束器2與高反射光纖光柵3連接。高反射光纖光柵3為高反腔鏡，低反射光纖光柵5為輸出腔鏡，輸出的激光波長及其光譜特性可以通過光纖光柵的參數(shù)進(jìn)行選擇，其中兩個(gè)光纖光柵的中心波長優(yōu)選1920nm，3dB光譜帶寬優(yōu)選0.3nm。低反射光纖光柵5的末端應(yīng)切8～10°斜角以防止諧振腔內(nèi)寄生振蕩的產(chǎn)生。

一級(jí)倍頻單元A2包括一級(jí)倍頻晶體8和一級(jí)濾光片1，還包括若干只聚焦透鏡或準(zhǔn)直透鏡6、9；摻銩光纖激光器單元A1輸出的1920nm激光入射到一級(jí)倍頻晶體8，產(chǎn)生960nm的一級(jí)倍頻激光。一級(jí)倍頻晶體8應(yīng)保證對(duì)1920nm的激光有足夠的透過率，并能實(shí)現(xiàn)對(duì)1920nm激光的倍頻，這里可以選取PPLN晶體、LBO晶體等。從一級(jí)倍頻晶體8穿過的激光經(jīng)透鏡9后得到準(zhǔn)直，入射到濾光片10，1920nm的激光穿過濾光片10，而960nm的激光則被濾光片10反射到二級(jí)倍頻晶體12。

二級(jí)倍頻單元A3、B3包括二級(jí)倍頻晶體12和二級(jí)濾光片14；二級(jí)倍頻晶體12應(yīng)保證對(duì)960nm的激光有足夠的透過率，并能實(shí)現(xiàn)對(duì)960nm激光的倍頻，這里選取LBO晶體、BBO晶體、BIBO晶體等。從倍頻晶體12穿過的激光經(jīng)透鏡13后得到準(zhǔn)直，入射到濾光片14。480nm的激光穿過濾光片14，而960nm的藍(lán)光激光則被濾光片14反射，這樣就獲得了藍(lán)光激光。

圖2為本發(fā)明腔內(nèi)倍頻工作方式下的基于摻銩光纖激光器四倍頻的藍(lán)光激光產(chǎn)生裝置，也同樣包括摻銩光纖激光器單元B1、一級(jí)倍頻單元B2和二級(jí)倍頻單元B3；其中大部分器件和結(jié)構(gòu)同圖1相同，這里不再贅述，只是區(qū)別在于：雙包層摻銩光纖激光器單元B1和一級(jí)倍頻單元B2組合，用于同時(shí)產(chǎn)生高功率、高光束質(zhì)量的960nm激光；二級(jí)倍頻系統(tǒng)B3則用以對(duì)960nm激光實(shí)現(xiàn)二倍頻，獲得480nm藍(lán)光激光。

圖2中摻銩光纖激光器單元B1的摻銩增益光纖4輸出端沒有設(shè)置光纖光柵而是末端應(yīng)切8～10°斜角后直接入射至一級(jí)倍頻單元B2，一級(jí)倍頻單元B2包括在出射光軸20上布置的凹面雙色鏡7、高反凹面鏡11和一級(jí)倍頻晶體8，一級(jí)倍頻晶體8布置在凹面雙色鏡7和高反凹面鏡11之間，摻銩增益光纖4的輸出端光線與出射光軸20的呈30～60°夾角；凹面雙色鏡7、高反凹面鏡11和摻銩增益光纖4組成了一個(gè)V型諧振腔，摻銩增益光纖4輸出信號(hào)光在凹面雙色鏡7、高反凹面鏡11和摻銩增益光纖4之間振蕩后，經(jīng)凹面雙色鏡7輸出至二級(jí)倍頻單元B2。其優(yōu)點(diǎn)在于摻銩增益光纖輸出信號(hào)光在凹面雙色鏡、高反凹面鏡和摻銩增益光纖之間振蕩，直接產(chǎn)生倍頻激光，由于一級(jí)倍頻晶體位于諧振腔內(nèi)，使得諧振腔內(nèi)的振蕩光多次通過一級(jí)倍頻單元，大大提高了一級(jí)倍頻效率。

倍頻后的960nm激光經(jīng)由凹面雙色鏡7射出，經(jīng)透鏡6準(zhǔn)直到二級(jí)倍頻晶體12。從二級(jí)倍頻晶體12穿過的激光經(jīng)透鏡13后得到準(zhǔn)直，入射到二級(jí)濾光片14。480nm的激光穿過二級(jí)濾光片14，而960nm的藍(lán)光激光則被二級(jí)濾光片14反射，這樣就獲得了藍(lán)光激光。

無論是腔內(nèi)倍頻還是腔外倍頻工作方式中，一級(jí)濾光片10在1.8μm～2μm波段透射率>95%、在0.9μm～1μm波段反射率>95%；二級(jí)濾光片14在0.9μm～1μm波段反射率>95%，在450nm～500nm波段透射率>95%。準(zhǔn)直透鏡6在1.8μm～2μm波段透射率>95%；準(zhǔn)直透鏡9在0.9μm～1μm波段透射率>95%；準(zhǔn)直透鏡13在450nm～500nm波段透射率>95%。

上述藍(lán)光激光產(chǎn)生裝置中泵浦源1、泵浦合束器2、高反射光纖光柵3和低反射光纖光柵5、摻銩光纖4以及倍頻晶體8、12等器件需進(jìn)行適當(dāng)?shù)睦鋮s。

本發(fā)明不局限于上述具體實(shí)施方式，例如本發(fā)明中的半導(dǎo)體泵浦源也可以采用1.6μm半導(dǎo)體激光器，調(diào)Q晶體也可以替換為光纖調(diào)Q器件等。對(duì)于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域來說，在本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡單替換和變化。這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。