CN100337374C - 高功率内腔倍频激光器 - Google Patents
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Abstract
一种高功率内腔倍频激光器，包括泵浦源，光学耦合系统，由全反镜(1)、(2)和(4)，输出镜(3)组成的热稳定折迭谐振腔，以及放置在全反镜(1)与(2)之间的激光介质(5)和放置在输出镜(3)与全反镜(4)之间的倍频晶体(6)，特征是：全反镜(1)为平凸镜；全反镜(2)为平凹镜或平平镜；输出镜(3)、全反镜(4)均为平凹镜；平凸全反镜(1)、全反镜(4)相对振荡光正入射放置，全反镜(2)、输出镜(3)斜入射放置。本发明的热稳定腔有效地克服了大变化范围内的不同泵浦功率所产生的不同焦距的热透镜效应、倍频激光器的“绿光问题”，并且在腔内不插入像散补偿光学元件的情况下，能够以较大折迭角实现像散补偿，显著提高了激光器的输出功率及其稳定性、光-光转换效率和激光光束质量等。
Description
(一)技术领域
本发明属于激光技术领域，特别是一种激光二极管泵浦的高功率内腔倍频激光器，它适于激光全色显示、其它激光器的泵浦源、光储存、激光打标、激光划片、印刷板的热成像、激光医疗、科研和娱乐等领域的应用。
(二)背景技术
瓦级连续红光、绿光、蓝光激光器在激光全色显示、其它激光器的泵浦源、光储存、激光打标、激光划片、印刷板的热成像、激光医疗、科研和娱乐等领域有重要的应用。激光二极管泵浦的连续内腔倍频激光器因其高功率、高效率、高光束质量、高稳定性(功率和频率)、结构紧凑等优点而成为实现上述红光、绿光、蓝光激光器的最有理想的技术。目前，随着商品化的激光二极管激光功率的提高，国际上激光二极管泵浦的高功率内腔倍频激光器的输出功率也越来越高。对于该类激光器存在的，诸如激光介质和倍频晶体的热效应(含热透镜效应、热致双折射等)、“绿光问题”(即倍频激光功率不稳定)等严重地影响激光器的输出功率及其稳定性、激光光束质量等。现多采用折迭腔内插入凸透镜(见美国专利号5446749，其名称“Diode pumped，Multi Axial Mode，IntracavityDoubled Laser”；中国专利号ZL01225034.1，其名称“大功率半导体激光纵向泵浦内腔倍频激光器”；中国专利申请号99105276.5，其名称“具有光学镇定器的高度稳定性的LD泵浦内腔倍频激光器”)、折迭腔内插入λ/4波片和Brewster板或标准具(C.Czeranowsky，E.Heumann，and G.Huber，All-solid-statecontinuous-wave frequency-doubled Nd:YAG-BiBO laser with 2.8W output-powerat 473nm，Optics Letters，Vol.28(6)，432(2003).L.Y.Liu，M.Oka，W.Wiechmann，and S.Kubota，Longitudinally diode-pumped continuous-wave 3.5W green laser，Optical Letters，Vol.19(3)，189(1994))、环形腔单频运转(L.Cabaret，J.Philip，andP.Camus，Transient frequency shift in a single-mode quasi-continuousdiode-pumped Nd:YAG laser，IEEE Journal of Quantum Electronics，Vol.36(11)，1323(2000)；M.V.Okhapkin，M.N.Skvortsov，A.M.Belkin，N.L.Kvashnin，andS.N.Bagayev，Tunable single-frequency diode-pumped Nd:YAG ring laser at1064/532nm for optical frequency standard applications，Optics Communications，203，359(2002))等技术进行解决。但是上述措施因光学损耗大或无法实现双端泵浦以增加泵浦功率，而影响激光器的输出功率和光-光转换效率。特别是插入Brewster板的折迭腔，如果激光介质因存在双折射(诸如激光介质是光学各向异性，或存在热致双折射等)而产生复杂的相位延迟，再加上倍频晶体产生的相位延迟，振荡光的偏振态将产生复杂的变化，导致每次通过Brewster板时产生较大的光学损耗。只有对激光介质和倍频晶体的长度等进行精确控制或标准具选纵模，才能克服上述偏振态的变化，而对激光介质与倍频晶体长度的精确控制将需要很高的温度控制精度和材料加工精度。而且标准具等选模措施，也必须付出较大的光学损耗代价。另外，如果折迭腔内不插入Brewster板，为了实现像散补偿，折迭腔的折迭角比较小(不大于10°，例如，中国专利号ZL93212776.2，其名称“绿光固体激光器”)，如果折迭角过小，由于光学元件及其安装支架会遮挡光路，光学元件的安装等就会受到影响，增加安装难度，甚至无法安装。
(三)发明内容
本发明的目的正是为了解决上述现有技术中所存在的诸如激光介质和倍频晶体的热效应、“绿光问题”，以及谐振腔内的振荡光与泵浦光的模式匹配等严重影响激光输出功率及其稳定性、光-光转换效率和光束质量的问题，而专门设计出一种新的激光二极管泵浦的高功率内腔倍频激光器。该激光器利用相对振荡光正入射的平凸全反镜作为折迭腔的一个端镜(1)、一个斜入射的平凹或平平全反镜(2)、一个斜入射的平凹输出镜(3)，以及一个正入射的平凹全反镜(4)作为折迭腔的另一个端镜组成的热稳定谐振腔，有效地克服激光介质和倍频晶体的热透镜效应；在不插入任何像散补偿光学元件的情况下，能够以较大折迭角θ下(10°≤θ≤45°)实现像散补偿，并减少光学损耗。从而能够很好地克服热效应、“绿光问题”、光学损耗等对激光输出功率及其稳定性、光-光转换效率、激光模式和振荡光(即基频光)与泵浦光间的模式匹配影响，很大地提高了激光输出功率及其稳定性、光-光转换效率和激光光束质量，使之在很大的泵浦功率范围内，激光器处于高效高功率TEM00工作状态。
本发明的目的是通过以下方案来实现的：本高功率内腔倍频激光器包括泵浦源，光学耦合系统(9)和(10)，由全反镜(1)、(2)和(4)，输出镜(3)组成的热稳定折迭腔，以及放置在全反镜(1)与(2)之间的激光介质(5)和放置在输出镜(3)与全反镜(4)之间的倍频晶体(6)，其中：全反镜(1)为平凸镜，全反镜(2)为平凹镜或平平镜，输出镜(3)、全反镜(4)均为平凹镜；平凸全反镜(1)作为热稳定折迭谐振腔的一个端镜，相对振荡光正入射放置，全反镜(4)作为另一个端镜，相对振荡光正入射放置，全反镜(2)、输出镜(3)均相对于光轴呈倾斜对应设置，全反镜(1)、(2)之间的光路与全反镜(2)、输出镜(3)之间的光路所成的折迭角θ和全反镜(2)、输出镜(3)之间的光路与输出镜(3)、全反镜(4)之间的光路所构成的折迭角相等，在保证振荡光在倍频晶体处的束腰实现像散补偿的条件下，考虑到过大的折迭角将导致振荡光产生较大的偏振损耗，可以选择10°≤θ≤45°；全反镜(2)的曲率半径R2大于平凹输出镜(3)的曲率半径R3，通过对全反镜(1)和全反镜(2)之间的振荡光光斑进行放大，以保证振荡光在倍频晶体处能够很好地聚焦，聚焦光斑半径w2≤w1，提高倍频效率和功率；全反镜(4)的曲率半径R4≤输出镜(3)的曲率半径R3，可以降低谐振腔的光学损耗等。
在本发明中，平凸全反镜(1)的曲率半径R1及其到靠近激光介质端面的距离，要根据泵浦功率的范围、激光介质和倍频晶体的热透镜焦距fL1和fL2、泵浦光光斑半径wp、折迭角θ、全反镜(2)的曲率半径R2、全反镜(4)的曲率半径R4、输出镜(3)的曲率半径R3、全反镜(1)和(2)之间的腔长L1、全反镜(2)和输出镜(3)之间的腔长L2、输出镜(3)和全反镜(4)之间的腔长L3、振荡光在激光介质(5)和倍频晶体(6)上的最小光斑或束腰半径w1和束腰半径w2等参数确定。设计要求是在热透镜焦距fL1和fL2大幅度变化时，谐振腔处于稳区；振荡光在倍频晶体处的束腰位置基本保持不变；w1和w2仍能基本保持恒定；同时保证振荡光在倍频晶体内的束腰实现像散补偿，以及实现谐振腔内的振荡光与泵浦光的模式匹配。
所述倍频晶体(6)放置在输出镜(3)和全反镜(4)之间的振荡光束腰处。
各透镜的膜层要求如下：全反镜(1)至少凸面有相应的基频光和倍频光增反膜，至少平面有泵浦光的增透膜。全反镜(2)至少凹面有相应的基频光和倍频光增反膜，至少平面有泵浦光的增透膜。输出镜(3)至少凹面有相应的基频光增反膜，倍频光的增透膜。全反镜(4)至少凹面有相应的基频光和倍频光增反膜。
本发明中，如果激光介质存在多条激光谱线，当要实现激光输出的谱线的受激发射截面小于所存在的某些谱线的受激发射截面时，还要对折迭腔中至少一个腔镜的第一个入射面或两通光面镀受激发射截面大于激光输出谱线的所有其它谱线的增透膜。
本发明中，放置在平凸全反镜(1)和平凹或平平全反镜(2)之间激光介质(5)可以是一块，也可以是两块，插入两块激光介质的目的是为了增加泵浦功率，避免泵浦光对激光介质的损伤，减少激光介质的热效应，进一步提高激光输出功率。
本激光器最突出的技术特征有以下几点：(1)由平凸全反镜作为折迭腔的一个端镜、一个斜入射的平凹或平平全反镜、一个斜入射的平凹输出镜，以及一个正入射的平凹全反镜作为折迭腔的另一个端镜组成的热稳定谐振腔，能够很好地克服随泵浦功率的增加热透镜效应所产生的振荡光模体积的体积减小，提高振荡光的功率及其稳定性。(2)热稳定谐振腔中的平凸全反镜(1)、平凹或平平全反镜(2)和平凹输出镜(3)组成的光学传输系统，在腔内不插入任何像散补偿元件避免偏振损耗的情况下，能够以较大的折迭角对折迭腔内振荡光的像散进行补偿，很好地提高了倍频光效率和输出功率、光束质量高(TEM00模输出)；同时保证光路不受光学元件及其安装支架的遮挡，便于各种光学元件的放置。(3)热稳定谐振腔中的平凸全反镜(1)、平凹或平平全反镜(2)和平凹输出镜(3)组成的光学传输系统，能够很好地克服不同的泵浦功率所产生的不同焦距的热透镜效应所产生的振荡光模式变化，使基频光在倍频晶体内的束腰半径w2保持基本恒定，并且w2≤w1(振荡光在激光介质处的最小光斑半径)，从而提高倍频效率。(4)热稳定谐振腔中的平凸全反镜(1)、平凹或平平全反镜(2)和平凹输出镜(3)组成的光学传输系统，能够很好地克服不同的泵浦功率所产生的不同焦距的热透镜效应所产生的振荡光模式变化，保证振荡光在激光介质上的最小光斑半径w1基本保持恒定，并且实现不同泵浦功率下的泵浦光和振荡光的模式匹配，提高激光器的输出功率。(5)热稳定谐振腔中的平凹输出镜(3)和平凹全反镜(4)，保证倍频晶体处于振荡光的束腰处，提高了倍频效率和输出功率。
我们采用本发明，所研制的激光二极管双端泵浦的连续Nd:YVO4/LBO内腔倍频671nm激光器，在两个808nm激光二极管尾纤输出功率之和40W泵浦下，671nm激光TEM00运转，激光输出功率达到1.90W，光-光转换效率(激光输出功率/进行入激光介质的泵浦功率)达到5.61％，4小时激光输出功率不稳定度约为1.3％(均方根)。
本发明工作原理如下：
由平凸全反镜作为折迭腔的一个端镜、一个斜入射的平凹或平平全反镜、一个斜入射的平凹输出镜，以及一个正入射的平凹全反镜作为折迭腔的另一个端镜组成的热稳定谐振腔，其中由平凸全反镜(1)、平凹或平平全反镜(2)和平凹输出镜组成的光学传输系统在激光介质所在的折迭臂中对振荡光具有很好的放大效果，以补偿激光介质和倍频晶体产生较严重的热透镜效应所造成振荡光的模体积的减小，从而得到大的模体积，提高激光输出功率及其稳定性。
由平凸全反镜(1)、平凹或平平全反镜(2)和平凹输出镜(3)组成的光学传输系统，很好地克服不同的泵浦功率所产生的不同焦距的热透镜效应所产生的振荡光模式变化，保证振荡光在激光介质和倍频晶体上的最小光斑或束腰的位置和大小基本保持恒定，也提高激光输出功率及其稳定性。
由平凸全反镜(1)、平凹或平平全反镜(2)和平凹输出镜(3)组成的光学传输系统，在倍频晶体所在的折迭臂中对振荡光具有很好的聚焦效果，在腔内不插入任何像散补偿元件的情况下，能够很好地克服不同的泵浦功率所产生的不同焦距的热透镜效应所产生的振荡光模式变化，在较大的折迭角下对振荡光的像散进行补偿，从而极大地降低了腔内的光学损耗和振荡光偏振态变化等，很好地提高了倍频光效率和输出功率、光束质量高(TEM00模输出)；另外，较大的折迭角也保证了光路不受光学元件及其安装支架的遮挡，便于各种光学元件的放置。
平凸全反镜(1)的曲率半径R1及其到靠近激光介质端面的距离，要根据泵浦功率的范围、激光介质和倍频晶体的热透镜效应、泵浦光光斑半径wp、折迭角θ、全反镜(2)的曲率半径R2、全反镜(4)的曲率半径R4、输出镜(3)的曲率半径R3、全反镜(1)和(2)之间的腔长L1、全反镜(2)和输出镜(3)之间的腔长L2、输出镜(3)和全反镜(4)之间的腔长L3、振荡光在激光介质(5)和倍频晶体(5)上的最小光斑半径w1和束腰半径w2等参数，利用描述高斯光束传输的ABCD定律进行计算。实现热稳定谐振腔的条件如下：
1.谐振腔处于稳区。
2.由平凸全反镜(1)为折迭腔的一个端镜克服激光介质和倍频晶体的热透镜聚焦效应，保证振荡光在激光介质处的最小光斑w1大小基本恒定。
3.保证振荡光在倍频晶体处的束腰位置基本不变，并且束腰半径w2≤w1，要求全反镜(2)曲率半径R2大于平凹输出镜(3)的曲率半径R3，即R2＞R3。
4.为了减少光学损耗，提高谐振腔稳定性，平凹全反镜(4)的曲率半径R4≤R3。
5.在较大的折迭角情况下，保证振荡光在倍频晶体处的束腰实现像散补偿。
6.保证振荡光与泵浦光的模式匹配。
上述技术方案适合于激光二极管单端泵浦、双端泵浦、侧面泵浦，以及闪光灯泵浦的各类内腔倍频激光器。
本发明的优点在于：
(1)在较大的泵浦功率范围内，激光输出功率高。利用本发明研制的激光二极管泵浦的连续Nd:YVO4/LBO内腔倍频671nm激光器，在两个808nm激光二极管尾纤输出功率总和40W泵浦下，671nm激光TEM00运转，激光输出功率达到1.90W。
(2)在较大的泵浦功率范围内，激光器的光-光转换效率高。利用本发明研制的激光二极管泵浦的连续Nd:YVO4/LBO内腔倍频671nm激光器光-光转换效率达到5.61％。
(3)在较大的泵浦功率范围内，激光器的输出功率稳定性高。利用本发明研制的激光二极管泵浦的连续Nd:YVO4/LBO内腔倍频671nm激光器，激光输出功率1.90W时，4小时激光输出功率不稳定度约为1.3％(均方根)。
(4)在较大的泵浦功率范围内，激光光束质量高。利用本发明研制的激光二极管泵浦的连续Nd:YVO4/LBO内腔倍频671nm激光器，激光输出功率1.90W时，光束质量好，激光模式为TEM00模。
该类激光器非常适合于激光全色显示、其它激光器的泵浦源、光储存、激光打标、激光划片、印刷板的热成像、激光医疗、科研和娱乐等领域的应用。
(四)附图说明
图1为本发明激光器的光路示意图。
图2为本发明激光器插入两块激光介质的光路示意图。
图3为本发明研制的激光二极管泵浦的连续Nd:YVO4/LBO内腔倍频671nm激光器的输出功率与泵浦功率关系图。
图4为为本发明研制的激光二极管泵浦的连续Nd:YVO4/LBO内腔倍频671nm激光器的光-光转换效率与泵浦功率关系图。
图中：(1)全反镜，(2)全反镜，(3)输出镜，(4)全反镜，(5)激光介质，(6)倍频晶体，(7)泵浦源，(8)泵浦源，(9)光学耦合系统，(10)光学耦合系统。其中全反镜(1)位于光学耦合系统(9)与激光介质(5)之间，全反镜(2)位于激光介质(5)与光学耦合系统(10)之间，全反镜(4)位于倍频晶体(6)右侧。
(五)具体实施方式
本发明以下结合附图(实施例)做进一步描述，但并不是限制本发明。
如图1所示：本激光二极管泵浦的内腔倍频激光器包括泵浦源(7)和(8)，光学耦合系统(9)和(10)，由全反镜(1)、(2)和(4)，输出镜(3)组成的热稳定折迭谐振腔，以及放置在全反镜(1)与(2)之间的激光介质(5)和放置在输出镜(3)与全反镜(4)之间的倍频晶体(6)，全反镜(1)为平凸镜，全反镜(2)为平凹镜或平平镜，输出镜(3)为平凹镜，全反镜(4)为平凹镜；平凸全反镜(1)相对振荡光正入射放置，全反镜(4)相对振荡光正入射放置，全反镜(2)、输出镜(3)均相对于光轴呈倾斜对应设置，全反镜(1)、(2)之间的光路与全反镜(2)、输出镜(3)之间的光路所成的折迭角θ和全反镜(2)、输出镜(3)之间的光路与输出镜(3)、全反镜(4)之间的光路所构成的折迭角相等。
泵浦源(激光二极管)(7)和(8)输出激光波长808nm(美国Coherent公司产FAP-Sys-30型)。光学耦合系统的对泵浦光的聚焦光斑直径为800μm，光学耦合效率为94.5％。平凸全反镜(1)的曲率半径可为-100mm；平面镀808nm增透膜，透过率为90％，凸面镀1342nm和671nm增反膜，1064nm透过率＞60％。平凹镜全反镜(2)的曲率半径为200mm，凹面镀1342nm和671nm的10°入射角增反膜，反射率99％。平凹输出镜(3)的曲率半径可为100mm；镀1342nm增反膜，反射率99％；镀671nm增透膜，透过率90％。平凹全反镜(4)半径为100mm；凹面镀1342nm和671nm增反膜，反射率99％。激光介质(5)采用Nd:YVO4晶体，通光长度为12mm，掺杂Nd3+浓度0.3％，两通光面镀1342nm和808nm增透膜。倍频晶体采用LBO，II类非临界相位匹配，通光长度12mm，两通光面对1342nm和671nm镀增透膜。Nd:YVO4和LBO晶体的侧面均用铟片包襄后放在紫铜夹中，用恒温循环器进行温度控制。折迭臂长度L1＝65mm，L2＝235mm，L3＝370mm，折迭角θ＝25°。
图1中：7，8为激光二极管，9，10为光学耦合系统，1为平凸全反镜，5为激光介质，2为平凹全反镜，3为平凹输出镜，6为LBO晶体，4为平凹全反镜。
图2为插入两块激光介质(5a)和(5b)的光路示意图，插入两块激光介质的目的是为了增加泵浦功率，避免泵浦光对激光介质的损伤，减少激光介质的热效应，进一步提高激光输出功率。其它光学元件与图1中的要求相同。
用美国Newport产的2835-C型双通道多功能激光功率/能量计测量本发明的激光二极管泵浦的连续Nd:YVO4/LBO内腔倍频671nm激光器的输出功率，实验结果如图3所示。在两个808nm激光二极管尾纤输出功率之和为40W，即33.85W的泵浦光进入激光介质的情况下，671nm TEM00激光输出功率达到1.90W，光-光转换效率达到5.61％，详见图4所示。671nm激光功率1.90W情况下，4小时内激光输出功率不稳定度约为1.3％。
Claims (9)
1.一种高功率内腔倍频激光器，它包括第一泵浦源(7)和第二泵浦源(8)，第一光学耦合系统(9)和第二光学耦合系统(10)，由第一全反镜(1)、第二全反镜(2)和第三全反镜(4)，输出镜(3)组成的热稳定折迭谐振腔，以及放置在第一全反镜(1)与第二全反镜(2)之间的激光介质(5)和放置在输出镜(3)与第三全反镜(4)之间的倍频晶体(6)，其特征在于：
a.第一全反镜(1)为平凸镜；
b.第二全反镜(2)为平凹镜或平平镜；
c.输出镜(3)为平凹镜；
d.第三全反镜(4)为平凹镜；
e.第一全反镜(1)作为热稳定折迭谐振腔的一个端镜，相对振荡光正入射放置；第三全反镜(4)作为另一个端镜，相对振荡光正入射放置；第二全反镜(2)、输出镜(3)均相对于光轴呈倾斜对应设置；第一全反镜(1)、第二全反镜(2)之间的光路与第二全反镜(2)、输出镜(3)之间的光路所成的折迭角θ和第二全反镜(2)、输出镜(3)之间的光路与输出镜(3)、第三全反镜(4)之间的光路所构成的折迭角相等，且10°≤θ≤45°；
f.第二全反镜(2)的曲率半径R2大于平凹输出镜(3)的曲率半径R3，第三全反镜(4)的曲率半径R4小于等于输出镜(3)的曲率半径R3。
2.根据权利要求1所述的高功率内腔倍频激光器，其特征在于：第一全反镜(1)的曲率半径R1及其到靠近激光介质端面的距离，要根据泵浦功率的范围、激光介质和倍频晶体的热透镜焦距fL1和fL2、泵浦光光斑半径wp、折迭角θ、第二全反镜(2)的曲率半径R2、第三全反镜(4)的曲率半径R4、输出镜(3)的曲率半径R3、第一全反镜(1)和第二全反镜(2)之间的腔长L1、第二全反镜(2)和输出镜(3)之间的腔长L2、输出镜(3)和第三全反镜(4)之间的腔长L3、振荡光在激光介质(5)和倍频晶体(6)上的最小光斑或束腰半径w1和w2等参数确定，设计要求是在热透镜焦距fL1和fL2大幅度变化时，振荡光在倍频晶体处的束腰位置基本保持不变，w1和w2仍能基本保持恒定；同时保证振荡光在倍频晶体内的束腰处实现像散补偿，以及实现谐振腔内的振荡光与泵浦光的模式匹配。
3.根据权利要求1所述的高功率内腔倍频激光器，其特征在于：倍频晶体(6)放置在输出镜(3)和第三全反镜(4)之间的振荡光束腰处。
4.根据权利要求1所述的高功率内腔倍频激光器，其特征在于：第一全反镜(1)至少凸面有相应的基频光和倍频光增反膜，至少平面有泵浦光的增透膜。
5.根据权利要求1所述的高功率内腔倍频激光器，其特征在于：第二全反镜(2)至少凹面有相应的基频光和倍频光增反膜，至少平面泵浦光的增透膜。
6.根据权利要求1所述的高功率内腔倍频激光器，其特征在于：输出镜(3)至少凹面有相应的基频光的增反膜，倍频光的增透膜。
7.根据权利要求1所述的高功率内腔倍频激光器，其特征在于：第三全反镜(4)至少凹面有相应的基频光和倍频光增反膜。
8.根据权利要求1所述的高功率内腔倍频激光器，其特征在于：第一全反镜(1)和第二全反镜(2)之间放置有一块激光介质(5)。
9.根据权利要求1所述的高功率内腔倍频激光器，其特征在于：第一全反镜(1)和第二全反镜(2)之间放置有激光介质甲(5a)和激光介质乙(5b)两块激光介质。
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