CN101138137A - 双波长激光装置以及包括该装置的系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种激光装置(1，13)，包括：适合发射基波波长的第一激光束(3)的三级放大介质(3)；适合发射基波波长的第二激光束(7)的四级放大介质(5)；适于混合第一激光束和第二激光束并产生第三激光束(14，15)的非线性晶体(4)，该第三激光束的频率是所述第一和第二激光束的频率之和。所述装置的特征在于三级放大介质(3)和至少是非线性晶体(4)形成用于第一激光束(6)的谐振腔，并且四级放大介质(5)和至少是非线性晶体(4)形成用于第二激光束(7)的谐振腔，该两个放大介质和非线性晶体形成线性腔。

Description

双波长激光装置以及包括该装置的系统
技术领域
本发明涉及一种具有双波长或双频率的激光装置。尤其涉及根据两个不同频率之和的激光束的产生。
背景技术
通常，由固态激光器得到的波长基本上在近红外线范围内。为了得到可见范围内的波长，几种技术是可以的，特别包括腔内双频激光器。这种激光器包括与通过使基频加倍将增益介质发射的近红外的基波信号跃迁为可见信号的非线性晶体有关的增益介质(基于掺杂有稀土元素的晶体的固态激光器)。然而，可见范围内的某些波长不对应稀土元素跃迁频率的加倍。频率加倍有可能得到，例如532nm的波(加倍后的1064nm，Nd：YAG或Nd：YVO4)或者例如514nm的波(加倍后的1029nm，Yb：YAG)。然而，可以通过两个频率之和得到由频率加倍得不到的波长。例如，可以通过1064nm和915nm之和(两个Nd：YV04跃迁)或者通过1053nm和907nm之和(两个Nd/YLF跃迁)得到488nm。
已经在第一篇文章“Efficient intracavity sum-frequency generation of 490nmradiation by use of potassium niobate(使用铌酸钾的490nm辐射的有效腔内频率和的发生)”、S.Shichijyo等人、Opt.Lett.19，第1022页(1994)中描述了铌酸钾KNbO3中的频率之和的原理。在这篇文章中，约910nm的Ti：sapphire激光器的连续发射混合了包含铌酸钾晶体的Nd：YVO4激光器的1 064nm的连续发射。腔内存在的非线性晶体大大增加了在1064nm的功率(对于400mW的泵浦是16W)。另一方面，Ti：sapphire激光器的发射微弱(通常为100mW)，这限制了在490nm的发射功率。
第二篇文章也是公知的：“All-solid-state continuous-wave doubly resonantall-intracavity sum-frequency mixer(全固态连续波加倍的谐振腔内频率之和混合器)”，Hanno M.Kretshmann等人，Optics Letters Lett，第22卷第19期，1997年10月1日。作者描述了用于两个频率求和的器件，从而得到在约620nm的红光范围内发射的信号。为了实现这个目的，使用了分别具有1080nm和1444nm的谐振频率的两个四级激光器。在每个四级激光器的谐振腔内含有非线性介质。因此，该器件的缺点是使用了两个四级激光器，这需要使用两个泵源，每个四级激光器使用一个泵源。
文献WO 02/103863提出，通过在四级激光器的腔内任意包括频率加倍的晶体，将三级激光器的发射和四级激光器的发射混合。显然从三级激光器的腔内移除了非线性晶体。和第一篇文章一样，该器件具有混合了至少一个低功率激光信号的缺点，并因此大大降低了非线性转换效率或者需要高效率的非线性晶体，后者通常是非常昂贵的。而且，由于它需要两个泵源、两个泵源注入以及具有三级激光器信号的四级激光器的泵源的复接，所以该器件相当复杂。
发明内容
本发明的目的是通过提出使用简单且便宜的新型激光装置来克服所述缺点。
所述目的的至少一个通过一种激光装置实现，该装置包括：
一能够发射基波波长的第一激光束的三级增益介质；
一能够发射基波波长的第二激光束的四级增益介质；
一能够混合第一激光束和第二激光束并产生其频率是所述第一激光束和第二激光束的频率之和的第三激光束的非线性晶体。
根据本发明，三级增益介质和至少是该非线性晶体构成用于第一激光束的谐振腔，并且第四级增益介质和至少是该非线性晶体构成用于第二激光束的谐振腔；两种增益介质和非线性晶体形成线性腔。
使用根据本发明的装置，两个激光束通过非线性晶体谐振。在两个高功率束之间发生了混合。与现有技术的系统相反，非线性晶体具有平均效率，并且因此便宜。
使用根据本发明的这种装置，由于为两个激光束(或波长)的至少之一提供了专用增益区域，所以从两个不同的发射波段发射的两种波长可以同时谐振。
优选地，两种增益介质和非线性晶体构成整体谐振线性腔。
根据本发明的另一个方面，提出一种包括如上所述的激光装置和由单一激光器二极管构成的泵浦装置的系统。根据本发明的第一变形，泵浦装置发射能够激发三级增益介质和四级增益介质的激光束。因此，泵源的一部分被三级增益介质吸收，而泵源的剩余部分被四级增益介质吸收。这需要用非线性晶体邻接两种增益介质、腔终端。换句话说，分别在四级增益介质的两个相对面邻接三级增益介质和非线性晶体。然后，两个激光器的输出镜面，即两种增益介质、三级和四级增益介质，安装到非线性晶体的输出端上。此外，聚焦泵源是优选的，从而通过激光器二极管和三级激光器的发射以泵浦四级增益介质。
根据本发明的第二优选变形，泵浦装置发射只能激发三级增益介质的激光束。这留给了关于设置四级增益介质的自由裁量。通过三级激光器的发射来完全泵浦后者。为了实现这个目的，三级增益介质和四级增益介质优选由相同的稀土元素和相同的晶体构成。
根据热学观点，由于四级激光器的量子数亏损较低，所以比前一种变形更好的第二种变形是优选的。而且，在泵源和用于四级激光器的信号之间可进行调节。这也使得夹住晶体加倍器以及只在激光器晶体上进行介电处理成为可能，这符合廉价处理的要求。事实上，在本发明的优选实施例中，两种增益介质分别与在非线性晶体的两个相对面邻接，该晶体优选为双折射晶体。
根据本发明的优选特征，将非线性晶体插入到两种增益介质之间，处理装置的不同元件的表面以使得：
三级增益介质的输入和四级增益介质的输出包括可反射所述第一激光束的介电处理；
三级增益介质的输出和四级增益介质的输出包括可反射所述第二激光束的介电处理；
三级增益介质的输出和四级增益介质的输入包括可传输射所述第一激光束的介电处理；以及
四级增益介质的输出包括可传输所述第三激光束的介电处理。
换言之，两种增益介质和非线性晶体构成用于第一激光束的谐振线性腔。四级增益介质和非线性晶体构成用于第二激光束的谐振线性腔。
一般而言，三级激光器的谐振所需的粒子数反转多于四级激光器所需的粒子数反转(关于可比较的镜面的反射)。当四级激光器的谐振开始时，粒子数反转不再增加，这不允许达到三级激光器的谐振阈值。在第二变形中，泵源激励了三级激光器的专用增益介质。粒子数反转增加到三级激光器的阈值。在该三级激光器的阈值以上，开始通过吸收三级激光器发射的一部分来激励第二增益介质(四级激光器)。于是，泵功率的增加使得达到四级激光器的阈值成为可能。
模拟显示：在阈值以上在四级激光器的增益介质内和外，三级和四级激光器发射之间的能量分配(division)跟随三级发射损失的分配。因此，当四级激光器的放大器中的三级激光器发射的吸收等于其它损失，即非谐振损失和加倍造成的损失的时候，这两个功率相等。这是当期望最大化频率求和的效率的时候必须尽力做到的情形。优选地，四级增益介质显示在三级激光器的波长中约1％的吸收。
在每个变形中，由于非线性晶体在两个激光器腔(用于第一和第二激光束的谐振腔)中，得到了两个高功率激光束。
根据本发明器件的另一个优点是，增益介质的横模具有相似的横向尺寸，这优化了转换效率。
附图说明
通过研究非限制性实施例的详细描述以及附图，本发明的其他优点和特征将变得显而易见，其中：
图1示出了根据本发明的形成有整体线性腔的激光装置，非线性晶体设置在两种增益介质之间；
图2是以图表方式示出激励的形成和根据图1的装置的两种增益介质的功率电平的图表；以及
图3示出了根据本发明的具有设置在三级增益介质和非线性晶体之间的四级增益介质的激光装置。
具体实施方式
在图1中，可以看到根据本发明的激光装置1，形成有线性腔。通过单个激光器二极管2泵浦该激光装置。由激光器二极管2发射的激光束与该装置共线。
激光装置1由以在输入端的三级增益介质3和输出端的四级增益介质5之间邻接的方式设置的非线性晶体4构成。三级增益介质3是发射约91 5nm的波例如Nd：YVO4并接收由激光器二极管发射的光束的激光晶体。激光器二极管2发射的激光束的唯一目的是激励该三级增益介质3。非线性晶体由铌酸钾KNbO3组成。四级增益介质5是发射约1064nm的波例如Nd：YV04的激光晶体。装置1被设计成在其输出端14发射由两种增益介质的两个激光束之和构成的491nm的激光束。
在第一增益晶体3的输入端8和第二增益晶体5的输出端11，通过HR 915介电处理来封闭915nm的腔，即在915nm处反射。换句话说，在表面8和11之间限定了915nm的激光束6。
在第一增益晶体3的输出端9和第二增益晶体的输出端11，通过HR 1064介电处理来封闭1064nm的腔，即在1064nm处反射。换句话说，在表面9和11之间限定了1064nm的激光束7。
在第一增益晶体3的输出端9的介电处理是HT 915型的，即在915nm处传输。为了允许以491nm输出激光束14的蓝色发射，在第二增益晶体5的输出端11的介电处理是HT491型的。
优选地，对于这种器件，每个915nm和每个1064nm腔包括非线性晶体。
下表示出了根据本发明的装置1的KNbO3非线性加倍器晶体中确定的折射率，在303K对于波长分别为915nm、1064nm和491.7nm的光束：
    a     b     c
    915nm     2.2712     2.2316     2.1295
    1064nm     2.2572     2.2196     2.1198
    491.7nm     2.4145     2.3500     2.2256
可以看出，na(915)+na(1064)＝2nc(491.7)，它对应于I型非临界相位匹配。
装置1使用在三级激光器中以915nm发射并且在四级激光器中以1064nm发射的Nd：YVO4。还可以使用在三级激光器中以912nm发射并且在四级激光器中以1062.6nm发射的Nd：GdVO4。
图2示出激励的形成以及两种增益介质3和5的功率电平。水平轴示出任意单元中的泵功率，而垂直轴示出任意单元中被激发离子的浓度和激光功率。泵源2专门激励(激励级1)三级增益介质3。当达到三级增益介质3的谐振阈值的时候(图2中水平轴上的1)，发射的激光功率使得激励(激励级2)四级增益介质5成为可能。于是，当达到四级增益介质5的谐振阈值的时候(水平轴上的1.5)，轮到该四级增益介质5发射激光功率。
图3示出根据本发明的装置的变形13。两种增益介质3和5彼此直接邻接。非线性晶体4邻接到四级增益介质5以使三级和四级激光器的发射叠加。装置13在非线性晶体的输出端发射激光束15。
在这种情况下，在第一增益晶体3的输入端8和非线性晶体4的输出端12，通过HR.915介电处理，即在915nm处反射，封闭了915nm的腔。换句话说，将915nm的激光束6限定在表面8和12之间。
在第二增益晶体5的输入端10和非线性晶体4的输出端12，通过HR.1064介电处理，即在1064nm处反射，封闭了1064nm的腔。换句话说，将1064nm的激光束7限定在表面10和12之间。
当然，本发明不限于刚刚描述的这些实施例，并且在不脱离本发明范围的前提下可以对这些实施例进行各种变形。

Claims (10)

1.一种激光器装置，包括：
能够发射基波波长的第一激光束(6)的三级增益介质(3)；
能够发射基波波长的第二激光束(7)的四级增益介质(5)；
能够混合第一激光束和第二激光束并产生频率是所述第一和第二激光束的频率之和的第三激光束(14)的非线性晶体(4)；
其特征在于三级增益介质(3)和至少是非线性晶体(4)构成用于第一激光束(6)的谐振腔，以及四级增益介质(5)和至少是非线性晶体(4)构成用于第二激光束(7)的谐振腔；这两种增益介质和非线性晶体形成线性腔。
2.根据权利要求1的装置，其特征在于两种增益介质和非线性晶体构成整体谐振线性腔。
3.根据权利要求1或2的装置(1)，其特征在于两种增益介质分别与在非线性晶体的两个相对面邻接。
4.根据权利要求3的装置，其特征在于四级增益介质呈现出在三级激光器的波长下约1％的吸收。
5.根据权利要求3或4的装置，其特征在于：
三级增益介质(3)的输入端(8)和四级增益介质(5)的输出端(11)包括用于所述第一激光束(6)的反射介电处理；
三级增益介质(3)的输出端(9)和四级增益介质(5)的输出端(11)包括用于所述第二激光束(7)的反射介电处理；
三级增益介质(3)的输出端(9)和四级增益介质(5)的输入端(10)包括用于所述第一激光束(6)的传输介电处理；以及
四级增益介质(5)的输出端(11)包括用于所述第三激光束(14)的传输介电处理。
6.根据权利要求1或2的装置(13)，其特征在于三级增益介质和非线性晶体分别与在四级增益介质的两个相对面邻接。
7.根据上述任意一个权利要求的装置，其特征在于三级增益介质和四级增益介质由相同的稀土元素和相同的晶体构成。
8.一种包括根据上述任意一个权利要求的激光装置的系统，其特征在于它还包括由单个激光器二极管(2)构成的泵浦装置。
9.根据权利要求8的系统，其特征在于两种增益介质分别与非线性晶体的两个相对面邻接，泵浦装置发射只能激励三级增益介质(3)的激光束。
10.根据权利要求8的系统，其特征在于三级增益介质和非线性晶体分别与四级增益介质的两个相对面邻接，泵浦装置发射能够激励三级增益介质(3)和四级增益介质(5)的激光束。
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