CN101051730A - 一种腔内倍频激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种腔内倍频激光器，其包括泵浦源和谐振腔，谐振腔前端镀膜形成前腔镜，谐振腔后端镀膜形成后腔镜，谐振腔内包括激光增益介质和非线性倍频晶体，另将光学晶体加工成基频光和倍频光的波片，插入到谐振腔中，控制基频光和倍频光的偏振状态，以实现各种不同性能的激光器。该发明的输出功率对温度具有较高稳定性，而且具有低噪声、高偏振性输出。
Description
技术领域 本发明涉及激光器领域，尤其涉及腔内倍频激光器领域。
背景技术 在激光器的许多应用领域中，如建筑测量、Laser Point、微型化的激光显示中，都希望能有一种成本低、体积小、耗能小、不带温控或对温控要求较低且能在较宽温度范围内正常工作的激光器。在腔内倍频激光器中，如果不带温控的话，其输出功率往往随温度急剧变化，其中一个非常关键的因素就是腔内基频光与倍频光存在相对相位，该相对相位最终影响到倍频晶体的倍频效率，由于这一相对相位随温度显著变化，因而倍频光输出也会随着发生显著的变化。
通常的腔内倍频激光器采用如图1、图2所示的激光增益介质和非线性倍频晶体的微片腔结构。
图1所示的激光器微片腔结构，激光增益介质1为Nd:YVO4，非线性倍频晶体2为KTP，激光增益介质入射面镀对基频光和倍频光高反的膜11，倍频晶体2出射面镀对基频光高反、对倍频光增透的膜21，泵浦光LD波长808nm，基频光波长为1064nm，倍频光3波长为532nm。由于腔内往返传播的1064nm基频光在KTP内倍频出了532nm倍频光3，假设532nm倍频光3功率大小为P1，两者出KTP后在Nd:YVO4内继续传播，最后又返回进入KTP，设此时532nm倍频光3和1064nm基频光的相对相位为Δφ，根据腔内倍频理论，两者在KTP内产生非线性相互作用，最终出射的532nm倍频光3功率为：Pout＝4P1*cos(Δφ/2)2，显然，对于一个确定的腔结构，1064nm基频光和532nm倍频光3的相对相位决定了最终的532nm倍频光3输出功率。
根据上述结构，对倍频光输出进行了理论分析后，得出了具体的数值模拟结果，其输出倍频光的P-I曲线如图2所示，P-T曲线如图3所示。
显然，这样的腔内倍频激光器一旦运转在低谷位置，其功率是相当低的，只能找一些高功率的温度点运转，由于每台腔内倍频激光器的差异性，使得每台腔内倍频激光器的最佳温度工作点差异很大，这严重影响了腔内倍频激光器的实用性。
又如图4所示的激光器微片腔结构，激光增益介质入射面镀对基频光高反、对倍频光增透的膜12，倍频晶体2出射面镀对基频光高反、对倍频光增透的膜21，该结构虽然不存在图1所述的问题，但是由于它的腔两边都有倍频光3输出，需要对泵浦方向的倍频光进行处理，以免对腔内倍频激光器的稳定运转产生不利影响，这就带来了一些不必要的麻烦。同时，由于在输出方向只有倍频一次，它的输出光功率只有图1所示的腔内倍频激光器的最佳输出功率的1/4，即Pout＝P1。这就大大降低了腔内倍频激光器的整体转化效率，对能源存在一种较大的浪费；而且还需要对回返的532nm倍频光进行处理，以避免对LD造成影响。
发明内容 本发明的目的是提供一种输出功率对温度具有较高稳定性且具有低噪声、高偏振性输出的腔内倍频激光器。
为实现上述发明目的，本发明包括泵浦源和谐振腔，谐振腔前端镀膜形成前腔镜，前腔镜膜为对泵浦光增透、对基频光和倍频光高反的膜，谐振腔后端镀膜形成后腔镜，后腔镜膜为对基频光高反、对倍频光增透的膜，谐振腔内包括激光增益介质和非线性倍频晶体，激光增益介质和非线性倍频晶体基本不参与偏振状态的控制，另将光学晶体加工成基频光和倍频光的波片，插入到谐振腔中，控制基频光和倍频光的偏振状态，以实现各种不同性能的激光器；光学晶体具有双折射性质，其光轴与非线性倍频晶体光轴成30°～60°夹角，一般取45°夹角；非线性倍频晶体光轴方向满足II类相位匹配基频光倍频条件；激光增益介质为双折射晶体，其光轴方向与非线性倍频晶体光轴方向近似平行或垂直，或者激光增益介质为光轴方向平行通光方向的双折射晶体，非线性倍频晶体的光轴方向与通光方向正交，或者激光增益介质为均匀介质。
当光学晶体采用倍频光的1/4波片时，由于II类相位匹配的非线性倍频晶体倍频出来的532nm倍频光在非线性倍频晶体中属于O光，如果回返倍频产生的532nm倍频光两次通过光学晶体后，再次进入非线性倍频晶体时，偏振方向与原来的偏振方向正交，即成为E光，则不会与1064nm基频光在非线性倍频晶体内产生非线性耦合相互作用，也不会影响到1064nm基频光的倍频，于是，可得出射的532nm倍频光功率变为：Pout＝2*P1，其中，一份是532nm“O光”，一份是532nm“E光”，两者偏振方向正交。该腔内倍频激光器输出功率比图1所示的现有技术1要稳定得多，比图4所示的现有技术2在同等情况下功率要高一倍，可有效避免上述两种现有技术的不足。
同时，本发明可通过加工特定的光学晶体对1064nm基频光的纵模偏振进行有效控制。在上述的结构中，由于激光增益介质激发的荧光有偏振选择性，即平行于光轴方向的最强，故为简单起见只考虑该方向的偏振。该方向的偏振光经过光学晶体回返后，偏振方向变成和原偏振方向正交，经过激光增益介质和非线性倍频晶体后偏振不变，再次往返通过光学晶体，偏振方向又转了90度，和最开始的偏振方向一致了，和普通谐振腔相比，一个周期相当于2次往返，经历了激光增益介质两个方向上的增益，谐振腔稳定下来后，同时存在两个正交偏振方向上的纵模，在非线性倍频晶体中形成和频，同时分别利用激光增益介质两个方向上的增益，不会存在空间烧孔，困扰我们的绿噪声也就不会产生。同时两个方向上的纵模也相对稳定，对532nm倍频光输出功率的稳定性也有很大好处。
另外，当光学晶体采用倍频光的半波片或全波片时，回返的532nm倍频光往返经过光学晶体后，偏振态不变，然后与另一束同偏振的532nm倍频光合二为一输出，可以得到高偏振激光器，从而保证了较高偏振状态。
如果要使腔内倍频激光器能同时实现上述几种特性，则将光学晶体做成对基频光和倍频光的双波片就可实现。
本发明的该谐振腔内各元件可为分离元件，或者各元件通过胶合或者是光胶粘合，其中其各元件的介质界面镀增透膜，或者为进一步加强选模功能，在各元件的介质界面或者在其中几种折射率相差较大的光学元件的界面镀特定的部分反射膜以形成相应的标准具效应。
本发明还可在谐振腔中增加其它不影响基频光和倍频光偏振特性的光学材料，以增强散热或粘结力。
综上所述，本发明的腔内倍频激光器的输出功率对温度具有较高稳定性，而且具有低噪声、高偏振性输出。
附图说明 以下结合附图及实施例对本发明作进一步的详述：
图1是本发明的现有技术1的结构示意图；
图2是本发明现有技术1输出倍频光的P-I曲线；
图3是本发明现有技术1输出倍频光的P-T曲线；
图4是本发明的现有技术2的结构示意图；
图5是本发明的结构示意图；
图6是本发明实施例1的结构示意图；
图7是本发明实施例2的结构示意图；
图8是本发明实施例3的结构示意图；
图9是本发明实施例4的结构示意图；
图10是本发明实施例5的结构示意图；
图11是本发明实施例6的结构示意图；
图12是本发明实施例7的结构示意图；
图13是本发明实施例8的结构示意图。
具体实施方式 请参阅图5所示，本发明包括泵浦源5和谐振腔6，谐振腔6内包括光学晶体4、激光增益介质1和非线性倍频晶体2，光学晶体4前端面镀膜形成谐振腔6的前腔镜，前腔镜膜为对泵浦光增透、对基频光和倍频光高反的膜，非线性倍频晶体后端面镀膜形成谐振腔6的后腔镜，后腔镜膜为对基频光高反、对倍频光增透的膜。光学晶体4具有双折射性质，其光轴与非线性倍频晶体2光轴成30°～60°夹角，一般取45°夹角；非线性倍频晶体2光轴方向满足II类相位匹配基频光倍频条件；激光增益介质1为双折射晶体，其光轴方向与非线性倍频晶体2光轴方向近似平行或垂直，或者激光增益介质1为光轴方向平行通光方向的双折射晶体，非线性倍频晶体2的光轴方向与通光方向正交，或者激光增益介质1为均匀介质。
针对不同特性的激光器，本发明的具体实施方式如图6至图10所示：
如图6所示的实施例1，依次包括泵浦系统5、光学晶体4、激光增益介质1和非线性倍频晶体2。各元件的选材如下：光学晶体4由一种或几种双折射晶体共同组成，如石英波片；激光增益介质1为双折射激光晶体如Nd:YVO4，或者是光轴方向平行通光方向的双折射激光晶体，或者是均匀介质如Nd:YAG；非线性倍频晶体2为非线性晶体如KTP；激光增益介质1和非线性倍频晶体2的光轴方向平行或者垂直；光学晶体4光轴方向与非线性倍频晶体2光轴方向成45°夹角；非线性倍频晶体2光轴方向满足II类相位匹配基频光倍频条件。光学晶体4可根据对激光器特性要求不同而选择不同的波片，如要实现低噪声，则光学晶体4为基频光的1/4波片；同时为保证输出功率比较高，可以将光学晶体加工为基频光的1/8波片；要实现宽温带工作，则光学晶体4为倍频光的1/4波片；要实现532nm倍频光输出为高偏振比，则光学晶体4为倍频光的1/2波片或者全波片；如果要同时实现上述多种特性，则选择的光学晶体4则为基频光和倍频光的双波片，如以下的双波片：基频光的1/4波片和倍频光的1/4波片、基频光的1/4波片和倍频光的1/2波片(或全波片)、基频光的1/8波片和倍频光的1/4波片或者基频光的1/8波片和倍频光的1/2波片(或全波片)等。
如图7所示的实施例2，依次包括泵浦系统5、激光增益介质1、光学晶体4和非线性倍频晶体2。各元件的选材如实施例1。当光学晶体4为基频光的1/2波片可实现低噪声激光器；光学晶体4为倍频光的1/2波片或全波片可实现高偏振比激光器；光学晶体4为双波片时，即同时为基频光的1/2波片和倍频光的1/2波片或全波片可实现低噪声高偏振比激光器。
如图8所示的实施例3，依次包括泵浦系统5、非线性倍频晶体2、激光增益介质1和光学晶体4。各元件的选材如实施例1。光学晶体4为基频光的1/4波片可实现低噪声激光器同时为保证输出功率比较高，可以将光学晶体加工为基频光的1/8波片；光学晶体4为倍频光的1/2波片或全波片可实现高偏振比激光器；光学晶体4是双波片，即为基频光的1/4波片或者1/8波片，同时又是倍频光的全波片或者1/2波片可实现低噪声高偏振比激光器。
如图9所示的实施例4，依次包括泵浦系统5、激光增益介质1、非线性倍频晶体2和光学晶体4。各元件的选材如实施例1。光学晶体4为基频光的1/4波片可实现低噪声激光器同时为保证输出功率比较高，可以将光学晶体加工为基频光的1/8波片；光学晶体4为倍频光的1/2波片或全波片可实现高偏振比激光器；光学晶体4是双波片，即为基频光的1/4波片或者1/8波片，同时又是倍频光的全波片或者1/2波片可实现低噪声高偏振比激光器。
如图10所示的实施例5，依次包括泵浦系统5、光学晶体4、非线性倍频晶体2和激光增益介质1。各元件的选材如实施例1。光学晶体4为基频光的1/4波片可实现低噪声激光器；光学晶体4为基频光的1/8波片可保证输出功率比较高；光学晶体4为倍频光的1/4波片可实现宽温带工作；光学晶体4为倍频光的1/2波片或全波片可实现高偏振比激光器；如果要同时实现上述多种特性，则选择的光学晶体4则为基频光和倍频光的双波片，即为基频光的1/4波片或者1/8波片，同时又是倍频光的全波片或者1/2波片或者1/4波片。
如图11所示的实施例6，依次包括泵浦系统5、激光增益介质1、光学晶体4和非线性倍频晶体2。各元件的选材如实施例1。光学晶体4为基频光的1/4波片或1/2波片。
如图12所示的实施例7，依次包括泵浦系统5、激光增益介质1、光学晶体4和非线性倍频晶体2。其中激光增益介质1为双折射激光晶体如Nd:YVO4，光学晶体4可以为一种具体的光学晶体或者不存在，非线性倍频晶体2为非线性晶体如KTP；激光增益介质1的光轴方向与非线性倍频晶体2的光轴方向呈45°夹角，非线性倍频晶体2光轴方向满足II类相位匹配基频光倍频条件。当光学晶体4为一种具体的光学晶体时，其光轴方向与激光增益介质1或非线性倍频晶体2两者之一的光轴方向平行：光学晶体4光轴与激光增益介质1光轴平行时，则激光增益介质1与光学晶体4两者共同构成倍频光的1/4波片；光学晶体4光轴与非线性倍频晶体2光轴平行，则激光增益介质1为倍频光的1/4波片。
如图13所示的实施例8，依次包括泵浦系统5、光学晶体4、非线性倍频晶体2和激光增益介质1。各元件的选材如实施例1，激光增益介质1的光轴方向与非线性倍频晶体2的光轴方向呈45°夹角，非线性倍频晶体2光轴方向满足基频光的II类相位匹配倍频条件。光学晶体4其光轴方向与激光增益介质1或非线性倍频晶体2两者之一的光轴方向平行，光学晶体4是倍频光的1/4波片。
上述各种实施例，均可用在谐振腔是分离腔的激光器中，也可用在谐振腔各元件是通过胶合或者是光胶粘合的激光器中，其中其各元件的介质界面镀增透膜，或者为进一步加强选模功能，在各元件的介质界面或者在其中几种折射率相差较大的光学元件的界面镀特定的部分反射膜以形成相应的标准具效应。
在上述实施例中，在谐振腔中增加其它不影响基频光和倍频光偏振特性的光学材料，以增强散热或粘结力，也可达到同样的效果。
Claims (18)
1、一种腔内倍频激光器，包括泵浦源和谐振腔，谐振腔前端镀膜形成前腔镜，前腔镀膜为对泵浦光增透、对基频光和倍频光高反的膜，谐振腔后端镀膜形成后腔镜，后腔镜膜为对基频光高反、对倍频光增透的膜，谐振腔内包括激光增益介质和非线性倍频晶体，其特征在于：激光增益介质和非线性倍频晶体基本不参与偏振状态的控制，另将光学晶体加工成基频光和倍频光的波片，插入到谐振腔中，控制基频光和倍频光的偏振状态，以实现各种不同性能的激光器；光学晶体具有双折射性质，其光轴与非线性倍频晶体光轴成30°～60°夹角，一般取45°夹角；非线性倍频晶体光轴方向满足基频光的II类相位匹配倍频条件；激光增益介质为双折射晶体，其光轴方向与非线性倍频晶体光轴方向近似平行或垂直，或者激光增益介质为光轴方向平行通光方向的双折射晶体，非线性倍频晶体的光轴方向与通光方向正交，或者激光增益介质为均匀介质。
2、如权利要求1所述的一种腔内倍频激光器，其特征在于：该谐振腔内各元件为分离元件，或者各元件通过胶合或者是光胶粘合，其中其各元件的介质界面镀增透膜，或者为进一步加强选模功能，在各元件的介质界面或者在其中几种折射率相差较大的光学元件的界面镀特定的部分反射膜以形成相应的标准具效应。
3、如权利要求1所述的一种腔内倍频激光器，其特征在于：在谐振腔中增加其它不影响基频光和倍频光偏振特性的光学材料，以增强散热或粘结力。
4、如权利要求1、2或3所述的一种腔内倍频激光器，其特征在于：按泵浦光入射方向，在谐振腔内依次排列光学晶体、激光增益介质和非线性倍频晶体。
5、如权利要求1、2或3所述的一种腔内倍频激光器，其特征在于：按泵浦光入射方向，在谐振腔内依次排列激光增益介质、光学晶体和非线性倍频晶体。
6、如权利要求1、2或3所述的一种腔内倍频激光器，其特征在于：按泵浦光入射方向，在谐振腔内依次排列非线性倍频晶体、激光增益介质和光学晶体。
7、如权利要求1、2或3所述的一种腔内倍频激光器，其特征在于：按泵浦光入射方向，在谐振腔内依次排列激光增益介质、非线性倍频晶体和光学晶体。
8、如权利要求1、2或3所述的一种腔内倍频激光器，其特征在于：按泵浦光入射方向，在谐振腔内依次排列光学晶体、非线性倍频晶体和激光增益介质。
9、如权利要求1、2或3所述的一种腔内倍频激光器，其特征在于：按泵浦光入射方向，在谐振腔内依次排列非线性倍频晶体、光学晶体和激光增益介质。
10、如权利要求4所述的一种腔内倍频激光器，其特征在于：光学晶体由一种或几种双折射晶体共同组成，该光学晶体是基频光的1/4波片或1/8波片，或者该光学晶体是倍频光的全波片、1/2波片或是1/4波片，或者该光学晶体是双波片，即为基频光的1/4波片或者1/8波片，同时又是倍频光的全波片、1/2波片或是1/4波片。
11、如权利要求5所述的一种腔内倍频激光器，其特征在于：光学晶体由一种或几种双折射晶体共同组成，该光学晶体是基频光的1/2波片，或者该光学晶体是倍频光的全波片或者1/2波片，或者该光学晶体是双波片，即为基频光的1/2波片，同时又是倍频光的全波片或者1/2波片。
12、如权利要求6所述的一种腔内倍频激光器，其特征在于：光学晶体由一种或几种双折射晶体共同组成，该光学晶体是基频光的1/4波片或1/8波片，或者该光学晶体是倍频光的全波片或者1/2波片，或者该光学晶体是双波片，即为基频光的1/4波片或者1/8波片，同时又是倍频光的全波片或者1/2波片。
13、如权利要求7所述的一种腔内倍频激光器，其特征在于：光学晶体由一种或几种双折射晶体共同组成，该光学晶体是基频光的1/4波片或1/8波片，或者该光学晶体是倍频光的全波片或者1/2波片，或者该光学晶体是双波片，即为基频光的1/4波片或者1/8波片，同时又是倍频光的全波片或者1/2波片。
14、如权利要求8所述的一种腔内倍频激光器，其特征在于：光学晶体由一种或几种双折射晶体共同组成，该光学晶体是基频光的1/4波片或1/8波片，或者该光学晶体是倍频光的全波片或者1/2波片或1/4波片，或者该光学晶体是双波片，即为基频光的1/4波片或者1/8波片，同时又是倍频光的全波片或者1/2波片或者1/4波片。
15、如权利要求9所述的一种腔内倍频激光器，其特征在于：光学晶体由一种或几种双折射晶体共同组成，该光学晶体是基频光的1/2波片或1/4波片。
16、如权利要求1、2或3所述的一种腔内倍频激光器，其特征在于：按泵浦光入射方向，在谐振腔内依次排列激光增益介质和非线性倍频晶体，光学晶体不插入；其中激光增益介质为双折射晶体激光增益介质，该双折射晶体激光增益介质的光轴方向与非线性倍频晶体的光轴方向呈45°夹角，并且为倍频光的1/4波片。
17、如权利要求1、2或3所述的一种腔内倍频激光器，其特征在于：按泵浦光入射方向，在谐振腔内依次排列激光增益介质、光学晶体和非线性倍频晶体，其中激光增益介质的光轴方向与非线性倍频晶体的光轴方向呈45°夹角；光学晶体光轴方向与激光增益介质或非线性倍频晶体两者之一的光轴方向平行：光学晶体光轴与激光增益介质光轴平行时，则激光增益介质与光学晶体两者共同构成倍频光的1/4波片；光学晶体光轴与非线性倍频晶体光轴平行，则激光增益介质为倍频光的1/4波片。
18、如权利要求1、2或3所述的一种腔内倍频激光器，其特征在于：按泵浦光入射方向，在谐振腔内依次排列光学晶体、非线性倍频晶体和激光增益介质，其中激光增益介质的光轴方向与非线性倍频晶体的光轴方向呈45°夹角；光学晶体的光轴方向与激光增益介质或非线性倍频晶体两者之一的光轴方向平行，光学晶体是倍频光的1/4波片。
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