CN101212118B - 腔内波长转换固态激光产生器 - Google Patents

腔内波长转换固态激光产生器 Download PDF

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Abstract

通过固态激光介质产生了具有例如1064nm的波长的基波激光。基波激光被平面镜反射并且再次穿过Q开关、固态激光介质、Q开关、Q开关、固态激光介质、以及Q开关而被放大。基波激光进一步从平面镜反射、穿过用于二次谐波谐振的平面镜、穿过透镜、此后从用于激光分离的平面镜反射、并且进入用于三次谐波的非线性光学晶体以及用于二次谐波的非线性光学晶体。从而可获得这样的固态激光产生器，在该固态激光产生器中可高效率地使用在中间级所获得的二次谐波激光并且可以更高的效率和更高的输出将其转换成例如三次谐波激光和更高次谐波激光。

Description

腔内波长转换固态激光产生器
技术领域
本发明涉及一种腔内波长转换固态激光产生器，并且尤其是涉及一种使用多个非线性光学晶体来对波长进行两级或多级转换的固态激光产生器。
背景技术
Nd:YAG激光或其他固态激光产生器广泛地用作加工激光。近来，固态激光产生器的输出从几百瓦快速地增至几千瓦，并且因此激光的应用领域从传统的微组装领域扩大到汽车工业中的焊接和切割应用。然而，大多数固态激光产生器具有被限制在大约1μm的近红外线范围的发射波长范围，这会引起一个缺陷，其中近红外线范围之外的波长的反射率很高，并且对铜、硅、以及其它一些具有低吸收率的材料的加工效率很差。
为此，在现有技术中已提议了下述方法，其中使用LiB3O5(三硼酸锂，LBO)、KTiOPO4(KTP)、β-BaB2O4(硼酸钡，BBO)、以及其它非线性光学晶体以将该发射波长转换成较短波长，也就是说，转换成二次谐波和三次谐波，进一步转换成四次谐波和五次谐波等等，以降低在工件表面的反射率，以提高激光吸收，并且从而提高加工效率。腔外波长转换和腔内波长转换是使用非线性光学晶体的波长转换类型。
腔外波长转换具有从基波波长的激光(以下简称为基波激光)至谐波激光的低转换率，并且必须利用非线性光学晶体中的高功率密度使基波激光浓缩以便获得高转换率。为此，即使利用二次谐波激光，从简单谐振器所获得的输出的上限也是高于100瓦的类别，并且在考虑到可靠性时很难实现较高的输出。利用对三次谐波、四次谐波、以及高次谐波的波长转换，所述输出最好是大约50W，因为使用最终的二次谐波。
腔内波长转换具有对二次谐波激光的很高转换率并且与腔外波长转换相比具有更好的可靠性。然而，该方法的不利之处在于：在保持稳定的谐振条件的同时在固态激光介质中所产生的热透镜效应不允许获得较高的输出。热透镜效应是这样的现象，即固态激光介质在进行激发时被加热，在固态激光介质内部所产生的温度分布引起了折射率分布，并且固态激光介质的作用就像透镜一样。
普通的固态激光介质几乎不吸收基波激光，但是相对于其波长已被转换的激光而言，尤其是相对于已转换为较短波长的激光而言，普通的固态激光介质通常具有很高的吸收特征。鉴于上述，将具有腔内波长转换的固态激光产生器配置成使激光的光路至少一次弯曲并且通过使用介电多层薄膜镜而将该光路分离成波长已转换的激光和基波激光以从谐振器中仅提取出波长已转换的激光，并且从而防止波长已转换的激光被固态激光介质吸收并且获得很好效率的波长已转换的激光。
图1给出了具有用于获得三次谐波的腔内波长转换的固态激光产生器中的谐振器的结构的示意图(日本特开专利公开No.2006-156677)。如图1所示，传统固态激光产生器的谐振器具有下述结构，即在该结构中Q开关103a、用于对基波激光109进行放大的固态激光介质101a、Q开关103b、Q开关103c、用于对基波激光109进行放大的固态激光介质101b、以及Q开关103d依次排列在作为谐振镜的平面镜104与用于对谐振器的光轴进行重定向的平面镜108之间的单行中。对Q开关和固态激光介质进行配置以便由Q开关103a和103b以及固态激光介质101a所组成的谐振器的长度，与由Q开关103c和103d以及固态激光介质101b所组成的谐振器的长度彼此相等。
使用于对激光进行分离的平面镜107位于平面镜108已反射的基波激光109的路径中，并且使作为谐振镜的平面镜105位于平面镜107所反射的基波激光109的传播方向中。透镜106a位于平面镜108与平面镜105之间。用于将基波激光109转换成二次谐波激光110的非线性光学晶体102a、用于使基波激光109与二次谐波激光110光混合并且将混合光转换成三次谐波激光111的非线性光学晶体102b、以及透镜106b位于平面镜107与平面镜105之间的激光的光轴上。平面镜105具有0°的入射角并且就基本波和二次谐波而言是高反射的。透镜106a和106b就基本波和二次谐波而言是抗反射透镜。平面镜107具有45°的入射角并且就基本波而言是高反射的，并且就三次谐波而言是抗反射的。
在这里，平面镜107可具有下述介电多层薄膜，该介电多层薄膜就基波激光109而言是高反射的并且就作为输出的所产生的三次谐波激光111而言是抗反射的，或者该介电多层薄膜可以是按照应用的需要就二次谐波激光110而言是抗反射的或高反射的薄膜；并且还可存在不指定反射率的情况。
然而，上述现有技术具有以下问题。当利用内腔波长转换而获得了两级或多级的谐波时，根据目的在转换至高次谐波的处理过程中仅一次使用在中间级所获得的谐波分量，即仅一次使用在日本特开专利公开No.2006-156677中所描述的二次谐波激光。因此存在这样的问题，即即使该结构具有腔内波长转换，转换效率也不会变高。
发明内容
本发明的目的是提供这样一种固态激光产生器，在该固态激光产生器中在中间级所获得的二次谐波激光可以以很好的效率被使用并且例如可以以较高的效率和较高的输出被转换成三次谐波激光和更高次谐波激光。
根据本发明的固态激光产生器是用于在谐振器之内执行两级或多级波长转换的固态激光产生器，该产生器包括：用于基本波长的第一谐振器，该第一谐振器是由第一和第二平面镜组成的；用于波长已转换的激光的第二谐振器，该第二谐振器是由第二平面镜和位于第一与第二平面镜之间的第三平面镜组成的，所述第一和第二谐振器叠加在相同光轴上；用于对基本波长的激光进行放大的激光介质，该激光介质位于第一与第三平面镜之间；以及位于第三与第二平面镜之间的用于对基本波长的激光的波长进行转换的第一非线性光学晶体、用于对通过该非线性光学晶体已对其波长进行了转换的激光执行高次波长转换的至少一个非线性光学晶体、和透镜；透镜与第二平面镜之间的间隔等于透镜的焦距f。
在本发明中，采用下述谐振器结构，在该谐振器结构中使用于基波激光的谐振器和用于二次谐波激光的谐振器互相叠加在相同光轴上，并且谐振器可满足谐振稳定条件。因此，可很容易的提高高次谐波激光的输出。
更好地，将介电多层薄膜施加到第一平面镜上以便使镜子就基波激光而言反射率很高；将介电多层薄膜施加到第二平面镜上以便使镜子就基波激光和二次谐波激光而言反射率都很高；将具有用于基波激光的抗反射膜和用于二次谐波激光的高反射膜的介电多层薄膜施加到第三平面镜上；并且使用于转换至二次谐波的非线性光学晶体以及多个透镜位于与第三与第二平面镜之间的共焦位置上。从而可在第一平面镜与第二平面镜之间形成用于基波激光的谐振器，同时通过位于第三镜子与第二平面镜之间的共焦点上的透镜来构造用于二次谐波激光的共焦谐振器。
第四镜子(具有用于整个波长已转换的谐波激光的抗反射膜并且还具有用于基波激光的高反射膜并且还使基波激光的光轴例如弯曲90°)，例如，位于激光介质与多个非线性光学晶体之间，并且从由第一平面镜和第二平面镜所形成的谐振器内部提取波长已转换的谐波激光。在这种情况下，下述平坦的或弯曲的第三镜子位于谐波激光的光轴上，所述平坦的或弯曲的第三镜子具有用于作为已提取的谐波激光一部分的二次谐波激光的高反射膜并且还具有用于例如三次谐波光这样的高次谐波光的抗反射膜。从而可使第二镜子与第三镜子之间的用于二次谐波的谐振器叠放在与由第一平面镜和第二平面镜所形成的用于基波激光的谐振器相同的光轴之上。使第三镜子的曲率与第三镜子所处位置的二次谐波激光的光波平面的曲率相匹配，借此可获得稳定的谐振器。
第四镜子具有用于基波激光的抗反射膜和用于整个波长已转换的谐波激光的高反射膜、使整个波长已转换的谐波激光的光轴弯曲例如90°、并且从由第一平面镜和第二平面镜所形成的谐振器内部提取波长已转换的谐波激光。在这种情况下，使下述弯曲的第三镜子位于谐波激光的光轴上，所述弯曲的第三镜子具有用于作为已提取的谐波激光一部分的二次谐波激光的高反射膜并且还具有用于例如三次谐波光这样的高次谐波光的抗反射膜。从而可使第二镜子与第三镜子之间的用于二次谐波的谐振器叠放在与由第一平面镜和第二平面镜所形成的用于基波激光的谐振器相同的光轴上。使第三镜子的曲率与第三镜子所处位置的二次谐波激光的光波平面的曲率相匹配，借此可获得稳定的谐振器。
可很容易地实现较高输出，因为可使多个固态激光介质以等距间隔地位于第一与第二平面镜之间。
根据本发明，使用用于基波激光的两个平面谐振镜中的一个，并且将另一镜子添加到用于基波激光的谐振器的内部或外部，由此形成了在第一级已对其波长进行了转换的二次谐波激光的谐振器并且可在双谐振器结构内部有效的产生高次谐波，即三次、四次、或者五次谐波。由此所形成的两个谐振器均使用位于谐振器内部的共焦点上的透镜，借此可获得稳定的谐振器。其结果是，可对激光进行高效地转换，并且可提高高次谐波激光的输出。
附图说明
图1给出了以腔内波长转换原理进行操作的传统三次谐波固态产生器中的谐振器的结构的示意图；
图2给出了根据本发明第一实施例的固态激光产生器中的谐振器的结构的示意图；
图3给出了根据本发明第二实施例的固态激光产生器中的谐振器的结构的示意图；
图4给出了根据本发明第三实施例的固态激光产生器中的谐振器的结构的示意图；
图5给出了根据本发明第四实施例的固态激光产生器中的谐振器的结构的示意图；以及
图6给出了本发明的激光输出特征以及以腔内波长转换原理进行操作的传统三次谐波固态产生器的示意图。
具体实施方式
下面参考所附示意图来对根据本发明实施例的固态激光发生器进行详细地描述。首先对根据本发明第一实施例的固态激光产生器进行描述。图2给出了本实施例的固态激光产生器中的谐振器的结构的示意图。本实施例的固态激光产生器是腔内波长转换固态激光产生器并且具有用于执行三次谐波波长转换的谐振器。
如图2所示，本实施例的固态激光产生器中的谐振器具有这样的结构，即在该结构中Q开关3a、用于对基波激光9进行放大的固态激光介质1a、Q开关3b、Q开关3c、用于对基波激光9进行放大的固态激光介质1b、以及Q开关3d依次排列在作为谐振镜的平面镜4与用于对谐振器的光轴进行重定向的平面镜8之间的单行中。对Q开关和固态激光介质进行配置以便由Q开关3a和3b以及固态激光介质1a所组成的谐振器的长度与由Q开关3c和3d以及固态激光介质1b所组成的谐振器的长度彼此相等。平面镜4具有0°的入射角并且就基本波而言是高反射性的。
使用于对激光进行分离的平面镜7位于平面镜8所反射的基波激光9的路径中，并且使作为谐振镜的平面镜5位于平面镜7所反射的基波激光9的传播方向中。透镜6a和用于二次谐波谐振的平面镜12位于平面镜8与平面镜7之间。如图2所示，用于将基波激光9转换成二次谐波激光10的非线性光学晶体2a、用于使基波激光9与二次谐波激光10光混合并且将混合光转换成三次谐波激光11的非线性光学晶体2b、以及透镜6b位于平面镜7与平面镜5之间的激光的光轴上。平面镜5具有0°的入射角并且就基本波以及二次和三次谐波而言是高反射的。平面镜7具有45°的入射角并且就基本波和二次谐波而言是高反射的，并且就三次谐波而言是抗反射的。平面镜8具有45°的入射角并且就基本波而言是高反射性的。平面镜12具有0°的入射角、就基本波而言是抗反射的、并且就二次谐波而言是高反射性的。透镜106a和106b就基本波、二次谐波、以及三次谐波而言是抗反射透镜。
谐振器中的固态激光介质1a和1b例如是Nd:YAG棒，并且在激光入射面上形成了用于对垂直入射的基波激光9进行传送的介电多层抗反射膜。例如，非线性光学晶体2a是LBO(LiB3O5)晶体，在该晶体上形成有用于对整个与激光入射面相垂直的基波激光9、二次谐波10、三次谐波激光11进行传送的介电多层抗反射膜。将垂直入射的基波激光9穿过的介电多层抗反射膜施加到Q开关3a至3d的激光入射面上。
另一方面，在平面镜4的激光入射面上形成了用于对垂直入射的基波激光9进行反射的介电多层高反射膜，并且在存储单元5的激光入射面上形成了用于对所有的垂直入射的基波激光9、二次谐波10、以及三次谐波激光11进行反射的介电多层高反射膜。将下述介电多层薄膜施加到平面镜7上，所述介电多层薄膜就基波激光9和二次谐波激光10而言是高反射性的，并且就三次谐波激光11而言是抗反射的。
透镜6a和6b是这样的透镜，即在该透镜中将就所有的垂直入射的基波激光9、二次谐波激光10、以及三次谐波激光11而言呈现出高透射率的介电多层抗反射膜施加到激光入射面上。使透镜6b位于设置成与平面镜5相距等于透镜焦距的距离f的位置上，并且使透镜6a位于设置成与透镜6b相距即就是两倍焦距的距离2f的位置上。从设置成与透镜6a相距距离f的位置起向前等距间隔地配置激光介质1a和1b。非线性光学晶体2a和2b位于透镜6a与6b之间的基本中心位置上。在本实施例的固态激光产生器中，由此将一对等焦透镜配置成在谐振器内部彼此相对以形成下述谐振器，在该谐振器中具有插入的1x放大率的望远镜的激光介质是以等距间隔配置的。
通常，在将激发光输入到固态激光介质的棒中时，棒型固态激光产生器产生热并且产生热透镜效应。为此，为了稳定地获得谐振，必须满足下面所注释的等式1。下列等式1中的术语fR是固态激光介质的棒的热透镜焦距，R1和R2是谐振镜的曲率半径，并且L1和L2是谐振镜与热透镜的主平面之间的距离。
[等式1]
g1·g2＜1
g1＝1·(L2/fR)·(L0/R1)
g2＝1·(L1/fR)·(L0/R2)
L0＝L1+L2-L1·(L2/fR)
在上述等式1中，即在平面镜用作谐振镜的情况下，当在谐振器内部所形成的热透镜的焦距fR是无穷大时，也就是说当例如在谐振镜的曲率半径R1和R2是无穷大的情况下，在由平面镜所组成的谐振器内部不存在透镜，此时，无法满足g1·g2＝1以及上述等式1的稳定条件。另一方面，用于波长转换的大多数非线性光学晶体不同于所谓的固态激光介质，并且大多是缺少透镜效应。为此，即使当在以腔内波长转换原理进行操作的固态激光产生器的情况下获得了谐振器时，也无法稳定地限制非线性晶体所转换的激光。
鉴于这些情况，在本实施例的固态激光产生器中，使一个或多个透镜位于基波激光9的谐振器内部的适当位置上，并且构成了用于例如二次谐波激光10之类的波长已转换的激光的谐振器的镜子可以被添加到基波激光9的谐振器的内部或外部，通过使用由此所提供的透镜，借此使用于基波激光9的谐振器以及用于波长已转换的激光的谐振器排列在相同光轴上，并且可高效率地获得例如三次、四次、五次谐波激光这样的波长已转换的高次激光。
接下来，对本实施例的固态激光产生器的操作进行描述。在本实施例的固态激光产生器中，在固态激光介质1a和1b中产生了具有例如1064nm的波长的基波激光9。基波激光9被平面镜4反射并且此后在穿过Q开关3a、固态激光介质1a、Q开关3b、Q开关3c、固态激光介质1b、以及Q开关3d的同时被放大。所述基波激光进一步被平面镜8反射、穿过用于二次谐波谐振的平面镜12和透镜6a、被用于激光分离的平面镜7反射、并且入射到用于三次谐波的非线性光学晶体2b和用于二次谐波的非线性光学晶体2a上。
此时，非线性光学晶体2a将基波激光9的一部分转换成具有例如532nm的波长的二次谐波激光10。已穿过非线性光学晶体2a的基波激光9和二次谐波10激光通过透镜6b而被平面镜5反射、再次依次通过透镜6b和非线性光学晶体2a，并且此后通过非线性光学晶体2a，其中将基波激光9的一部分转换成具有532nm的波长的二次谐波激光10。此后同时将基波激光9和二次谐波激光10引至非线性光学晶体2b，并且从而通过光混合而将其波长转换成具有355nm波长的三次谐波激光11。
基波激光9和二次谐波激光10被平面镜7反射，然而三次谐波激光11穿过多个动力线7并且将其引至外部以作为目标激光输出。基波激光9的谐振器具有这样的结构，即在该结构中平面镜7所反射的二次谐波激光10和基波激光9的-部分的基波激光9通过了用于二次谐波谐振的平面镜12并且返回到平面镜4。二次谐波10被平面镜12反射并且返回到平面镜5，并且二次谐波激光10的谐振器位于相同光轴上。
在根据本发明第一实施例的固态激光产生器中，提供了间隔以便两个相互的等焦透镜6a和6b位于用于二次谐波谐振的平面镜12与用于谐振的平面镜5之间的共焦点上。因此，即使用于基波激光的谐振器的长度扩大了，也可使谐振稳定条件自始至终满足高输出范围。同时，稳定谐振器可以是由同样用于二次谐波激光的两个共焦排列的透镜6a和6b配置而成的，并且这两个谐振器共用用于谐振的平面镜5。从而单个谐振器可位于相同光轴上。
在缺少可扩大至以形成用于二次谐波激光的谐振器的范围中固态激光介质1a和1b可采用对称排列。因此通过按照相同方式使更大数目的固态激光介质对称排列可很容易实现更高的输出。
接下来，对根据本发明第二实施例的固态激光产生器进行描述。本实施例的固态激光产生器是按照与根据上述第一实施例的固态激光产生器相同的方式以腔内波长转换原理进行操作的固态激光产生器，并且具有用于执行三次谐波转换的谐振器。图3给出了本实施例的固态激光产生器中的谐振器的结构。在图3中，相同参考数字用于与图2所示的谐振器相同的组成元件，并且省略详细说明。
如图3所示，本实施例的固态激光产生器中的谐振器具有这样的结构，即在该结构中下列部件位于作为谐振镜的平面镜4与平面镜5之间的激光的光轴上：Q开关3a、用于对基波激光9进行放大的固态激光介质1a、Q开关3b、Q开关3c、用于对基波激光9进行放大的固态激光介质1b、Q开关3d、用于使基波激光的光轴弯曲的平面镜8、透镜6a、作为用于使激光分离的镜子的平面镜27、用于将基波激光9转换成二次谐波激光10的非线性光学晶体2a、用于使基波激光9与二次谐波激光10光混合并且将混合光转换成三次谐波激光的非线性光学晶体2b、以及透镜6b。
同样，对第二实施例的谐振器，由Q开关3a和3b以及固态激光介质1a所组成的谐振部分的长度与由Q开关3c和3d以及固态激光介质1b所组成的谐振部分的长度彼此相等。使透镜6b位于设置成与平面镜5相距等于透镜焦距的距离f的位置上，并且使透镜6a位于设置成与透镜6b相距两倍焦距的距离2f的位置上。使平面镜8位于设置成与透镜6a相距距离f的位置上，并且使非线性光学晶体2a和2b基本上位于透镜6a与6b之间的中点。
将下述介电多层薄膜施加到用于激光分离的平面镜27上，所述介电多层薄膜就基波激光9而言是高反射性的并且就二次谐波激光10和三次谐波激光11而言是抗反射的，并且仅基波激光9穿过激光介质1a和1b并返回到平面镜4。用于使二次谐波激光10谐振的凹镜22位于已穿过用于激光分离的平面镜27的二次谐波激光10和三次谐波激光11的光轴上，并且将下述介电多层薄膜施加到凹镜22上，所述介电多层薄膜就二次谐波激光10而言是高反射性的并且就三次谐波激光11而言是抗反射的。在这种情况下，用于二次谐波激光10的谐振器是由凹镜22、透镜6b、以及平面镜5组成的，并且仅产生目标三次谐波激光11以作为激光输出，因为可使凹镜22的凹曲率与二次谐波激光10的光波平面曲率相匹配。换句话说，凹镜22是入射角为0°的曲面镜，就二次谐波而言是高反射性的，并且就三次谐波而言是抗反射的。平面镜27具有45°的入射角，就基本波而言是高反射性的，并且就二次和三次谐波而言是抗反射的。
在根据本发明第二实施例的固态激光产生器中，可形成就二次谐波激光而言也是稳定的谐振器，因为透镜6b位于用于二次谐波谐振的凹镜22与用于谐振的平面镜5之间，并且同时凹镜22的凹曲率具有可满足谐振条件的曲率。
提供了间隔以便两个相互的等焦透镜6a和6b位于共焦点上。因此，即使谐振器的长度扩大了，也可使谐振稳定条件自始至终满足高输出范围。通过共用用于谐振的平面镜5可使两个谐振器成为单谐振器。本实施例的固态激光产生器的效果与根据上述第一实施例的固态激光产生器的效果相同。
接下来，对根据本发明第三实施例的固态激光产生器进行描述。在第一和第二实施例的固态激光产生器中，用于使基波激光9的光轴弯曲的平面镜8位于Q开关3d与透镜6a之间，并且用于激光分离的平面镜7或平面镜27位于透镜6a的后面。然而，本发明并不局限于弯曲的光轴，并且还可采用直线式排列，只要基波激光9和二次谐波激光10的谐振器在相同光轴上，而无需利用有规则地反射谐振镜而使光轴弯曲。图4给出了基波激光9和二次谐波激光10的谐振器位于相同光轴的直线上这样的实施例的固态激光产生器中的谐振器的结构的示意图。在图4中相同参考数字用于与图2所示谐振器相同的组成元件，并且省略详细说明。
如图4所示，本实施例的固态激光产生器中的谐振器具有这样的结构，即在该结构中下列部件位于作为谐振镜的平面镜4与平面镜5之间的激光光轴的直线上：Q开关3a、用于对基波激光9进行放大的固态激光介质1a、Q开关3b、Q开关3c、用于对基波激光9进行放大的固定激光介质1b、Q开关3d、平面镜32、透镜6a、用于将基波激光9转换成二次谐波激光10的非线性光学晶体2a、用于使基波激光9与二次谐波10光混合并且将混合光转换成三次谐波激光的非线性光学晶体2b、以及透镜6b。
同样利用该谐振器，由Q开关3a和3b以及固态激光介质1a所组成的谐振部分的长度与由Q开关3c和3d以及固态激光介质1b所组成的谐振部分的长度彼此相等。使透镜6b位于设置成与平面镜35相距等于透镜焦距的距离f的位置上，并且使透镜6a位于设置成与透镜6b相距两倍焦距的距离2f的位置上。使平面镜32位于设置成与透镜6a相距距离f的位置上，并且使非线性光学晶体2a和2b基本上位于透镜6a与6b之间的中点。
对平面镜32进行配置以便已穿过透镜6a的基波激光9、二次谐波激光10、以及三次谐波激光11垂直入射到镜子上，并且在激光的入射表面上形成用于对基波激光9和二次谐波激光10进行传送并且有规则地反射三次谐波激光11的介电多层薄膜。在这种情况下，平面镜35同时用作谐振镜并且用作用于激光分离的镜子。在激光入射表面上形成有规则地反射垂直入射的基波激光9和二次谐波10并且对目标三次谐波激光11进行传送的介电多层薄膜。换句话说，平面镜32具有0°的入射角、就基本波而言是抗反射的、并且就二次和三次谐波而言是高反射的。平面镜35具有0°的入射角、就基本波和二次谐波而言是高反射性的、并且就三次谐波而言是抗反射的。平面镜45具有0°的入射角、就基本波而言是高反射性的、并且就二次和三次谐波而言是抗反射的。
在根据本发明第三实施例的固态激光发生器中，已穿过平面镜32的基波激光通过透镜6a、用于将基波激光9转换成二次谐波激光10的非线性光学晶体2a，并且进入用于使基波激光9与二次谐波激光10光混合并且将混合光转换成三次谐波激光的非线性光学晶体2b。非线性光学晶体2a和2b所传送的基波激光9通过透镜6b而进入平面镜35。
在该情况下，基波激光9和二次谐波10被平面镜35有规则地反射并且再次穿过透镜6b、非线性光学晶体2a和2b、以及透镜6a；并且基波激光9也穿过平面镜32并且返回到平面镜4。另一方面，二次谐波激光10被平面镜32反射，并且通过透镜6a和6b在该镜子与平面镜35之间形成谐振器。目标三次谐波激光11穿过平面镜35并且被引至外部。按照这种方式，平面镜35用作基波激光9和二次谐波激光10的谐振镜，并且同时用作用于激光分离的、对目标三次谐波激光11进行分离与提取的镜子。
同样利用根据本发明第三实施例的固态激光产生器，提供了间隔以便两个相互的等焦透镜6a和6b位于平面镜32与35之间的共焦点上。因此，即使谐振器的长度扩大了，也可使谐振稳定条件自始至终满足高输出范围。本实施例的固态激光产生器的效果与上述第一实施例的固态激光产生器的效果相同。
接下来，对根据本发明第四实施例的固态激光产生器进行描述。在如上所述的第一至第三实施例的固态激光产生器中，共用用于基波激光和二次谐波激光的谐振镜，但是本发明并不局限于此。可提供用于各种激光的分离的谐振镜。图5给出了本实施例的固态激光产生器中的谐振器的结构的示意图。在图5中，相同参考数字用于与图2和4所示的谐振器相同的组成元件，并且省略详细说明。
如图5所示，本实施例的固态激光产生器中的谐振器具有这样的结构，即在该结构中下列部件位于作为谐振镜的平面镜4与平面镜45之间的激光光轴的直线上：Q开关3a、用于对基波激光9进行放大的固态激光介质1a、Q开关3b、Q开关3c、用于对基波激光9进行放大的固态激光介质1b、Q开关3d、平面镜32、透镜6a、用于将基波激光9转换成二次谐波激光10的非线性光学晶体2a、用于使基波激光9与二次谐波10光混合并且将混合光转换成三次谐波激光的非线性光学晶体2b、以及透镜6b。
同样利用该谐振器，由Q开关3a和3b以及固态激光介质1a所组成的谐振部分的长度与由Q开关3c和3d以及固态激光介质1b所组成的谐振部分的长度彼此相等。使透镜6b位于设置成与平面镜45相距等于透镜焦距的距离f的位置上，并且使透镜6a位于设置成与透镜6b相距两倍焦距的距离2f的位置上。使平面镜12位于设置成与透镜6a相距距离f的位置上，并且使非线性光学晶体2a和2b基本上位于透镜6a与6b之间的中点。
在平面镜45上形成了下述介电多层薄膜，所述介电多层薄膜就已穿过透镜6b的基波激光9而言是高反射性的并且就二次谐波激光10和三次谐波激光11而言是抗反射的，并且使凹镜22位于已穿过平面镜45的二次谐波激光10和三次谐波激光11的前面。按照与第二实施例相同的方式，在凹镜22上形成了就二次谐波激光10而言是高反射性的并且就三次谐波激光11而言是抗反射的介电多层薄膜，并且使凹面的曲率与二次谐波激光10的波面的曲率相匹配。
在根据本发明的第四实施例的固态激光产生器中，已穿过平面镜32的基波激光通过透镜6a进入用于将基波激光9转换成二次谐波激光10的非线性光学晶体2a，并且此后进入用于使基波激光9和二次谐波激光10光混合并且将混合光转换成三次谐波激光的非线性光学晶体2b。非线性光学晶体2a和2b所传送的基波激光9通过透镜6b而进入平面镜45。
在这里，基波激光9被平面镜45有规则地反射，并且再次穿过透镜6b、非线性光学晶体2a和2b、透镜6a、以及平面镜32，并且返回到平面镜4。二次谐波激光10和三次谐波激光11穿过平面镜45，并且这两个光分量之一的二次谐波激光10被位于平面镜前面的凹镜22有规则地反射、再次穿过平面镜45、并且通过透镜6a和6b而被平面镜32反射。在镜子之间形成了谐振器。使目标三次谐波激光11穿过凹镜22并且被引至外部以作为激光输出。按照这种方式，平面镜45和凹镜22分别用作基波激光9和二次谐波激光10的谐振镜，并且同时还起用于分离激光的、分离并除去目标三次谐波激光11的镜子的作用。
利用根据本发明第四实施例的固态激光产生器，将平面镜4和平面镜45配置为基波激光的谐振镜。另一方面，使平面镜32和凹镜22位于与二次谐波激光10的谐振镜相同光轴上的直线中。虽然与先前示例相比未共用镜子，但是即使谐振器的长度扩大了，也可使谐振稳定条件自始至终满足高输出范围。这是因为提供了间隔以便两个相互的等焦透镜6a和6b位于共焦点上。本实施例的固态激光发生器的效果与根据如上所述的第一实施例的固态激光产生器的效果相同。
在如上所述的第一至第四实施例的固态激光产生器中，使两个固态激光介质1a和1b位于谐振器内部，但是本发明并不局限于此。因为将谐振器配置为对称谐振器并且通过位于共焦位置中的一对透镜(透镜6a和6b)而扩大，因此可将任意多个固态激光介质配置成等间隔，只要不超过光学部件的损伤容限。此外，可使用Yb:YAG、Nd:YLF、Nd:YVO4、及其他固态激光介质作为Nd:YAG棒之外的固态激光介质。
在如上所述的第一至第四实施例的固态激光产生器中，使两个非线性光学晶体位于谐振器内部以便产生三次谐波，但是本发明并不局限于此。可配置若干非线性光学晶体以便改善转换效率并且产生四次或五次谐波。可使用CLBO(CsLi6O10)、KTP、BBO等等以除了上述作为非线性光学晶体2a和2b的LBO之外的非线性光学晶体。
与在本发明范围之外的比较示例相比，本发明的示例的效果如下。为具有作为本发明示例的图2所示的谐振器的固态激光产生器(示例)并且为具有图1所示的传统配置的谐振器的固态激光发生器(比较示例)测量三次谐波激光的实际输出。在这种情况下，固态激光介质是Nd:YAG棒并且非线性光学晶体是LBO。
图6是用于对传统固态激光产生器与根据本发明示例的固态激光产生器的特征进行比较的图表，其中横轴表示激发强度并且纵轴表示三次谐波激光的输出。该图表还示出了本发明的示例的优点。如图6所示，与比较示例的固态激光产生器相比，很明显的是本示例的固态激光产生器以相同激发强度实现了两倍或更多倍的三次谐波激光的输出。

Claims (11)

1.一种用于在谐振器之内执行两级或更多级波长转换的固态激光产生器，该产生器包括：
用于基本波长的第一谐振器，该第一谐振器是由第一(4)和第二(5，35)平面镜组成的；
用于波长已转换的激光的第二谐振器，该第二谐振器是由所述第二平面镜(5，35)和位于所述第一与第二平面镜之间的第三平面镜(12，32)组成的，所述第一和第二谐振器叠加在相同光轴上；
用于放大基本波长的激光的激光介质(1a，1b)，该激光介质位于所述第一(4)与第三(12，32)平面镜之间；以及
位于所述第三(12，32)与第二(5，35)平面镜之间的第一非线性光学晶体(2a)、至少一个第二非线性光学晶体(2b)、和第一透镜(6b)，其中所述第一非线性光学晶体(2a)用于转换所述基本波长的激光的波长，并且其中所述至少一第二个非线性光学晶体(2b)用于对其波长已经被所述第一非线性光学晶体(2a)转换了的激光执行更高阶的波长转换，
其中在所述第一透镜(6b)与所述第二平面镜(5，35)之间的间隔等于所述透镜(6b)的焦距f。
2.一种用于在谐振器之内执行两级或更多级波长转换的固态激光产生器，该产生器包括：
用于基本波长的第一谐振器，由第一(4)和第二(5)平面镜组成；
用于波长已转换的激光的第二谐振器，该第二谐振器是由第二平面镜(5)和位于所述第一谐振器外部的第四平面或曲面镜(22)组成的，所述第一谐振器和所述第二谐振器叠加在相同光轴上；
用于放大基本波长的激光的激光介质(1a，1b)，该激光介质(1a，1b)位于所述第一(4)与第二(5)平面镜之间；以及
位于所述第四平面或曲面镜(22)与第二(5)平面镜之间的第一非线性光学晶体(2a)、至少一个第二非线性光学晶体(2b)、和第一透镜(6b)，其中所述第一非线性光学晶体(2a)用于转换所述基本波长的激光的波长，并且其中所述至少一个第二非线性光学晶体(2b)用于对其波长已经被所述第一非线性光学晶体(2a)转换了的激光执行更高阶的波长转换，
其中在所述第一透镜(6b)与所述第二平面镜(5)之间的间隔等于所述透镜的焦距f。
3.一种用于在谐振器之内执行两级或更多级波长转换的固态激光产生器，该产生器包括：
用于基本波长的第一谐振器，由第一(4)和第二(45)平面镜组成；
用于波长已转换的激光的第二谐振器，该第二谐振器是由位于所述第一与第二平面镜之间的第三平面镜(32)，和位于所述第一谐振器外部的第四平面或曲面镜(22)组成的，所述第一谐振器和所述第二谐振器叠加在相同光轴上；
用于放大基本波长的激光的激光介质(1a，1b)，该激光介质(1a，1b)位于所述第一(4)与第三(32)平面镜之间；以及
位于所述第三(32)与第二(45)平面镜之间的第一非线性光学晶体(2a)、至少一个第二非线性光学晶体(2b)、和第一透镜(6b)，其中所述第一非线性光学晶体(2a)用于转换所述基本波长的激光的波长，并且其中所述至少一个第二非线性光学晶体(2b)用于对其波长已经被所述第一非线性光学晶体(2a)转换了的激光执行更高阶的波长转换，
其中在所述第一透镜(6b)与所述第二(45)平面镜之间的间隔等于所述透镜的焦距f。
4.根据权利要求1的固态激光产生器，其中第二透镜(6a)位于所述第三平面镜(12，32)与所述第二平面镜(5，35)之间的共焦点的位置上。
5.根据权利要求1的固态激光产生器，其中n对透镜(6a，6b)位于所述第三平面镜(12，32)与所述第二平面镜(5，35)之间，所述至少两个或多个第一和第二非线性光学晶体(2a，2b)中的一个或全部位于构成了所述透镜对的两个透镜(6a，6b)之间，并且所述透镜(6a，6b)与所述至少两个或多个第一和第二非线性光学晶体(2a，2b)中的一个或全部之间的间隔等于所述透镜的焦距f，其中n是自然数。
6.根据权利要求3的固态激光产生器，其中n对透镜(6a，6b)位于所述第三平面镜(32)与所述第二平面镜(45)之间，所述至少两个或多个第一和第二非线性光学晶体(2a，2b)中的一个或全部位于构成了所述透镜对的两个透镜(6a，6b)之间，并且所述透镜(6a，6b)与所述至少两个或多个第一和第二非线性光学晶体(2a，2b)中的一个或全部之间的间隔等于所述透镜的焦距f，其中n是自然数。
7.根据权利要求1的固态激光产生器，进一步包括第五平面镜(7)，在该第五平面镜(7)中，具有用于使光轴弯曲的介质层薄膜的一个或多个介电多层薄膜镜(7，8)，位于所述第一(4)与第二(5)平面镜之间，并且在该第五平面镜(7)中，所述介电多层薄膜镜(7，8)的至少一个(7)反射基本波长的激光和其波长已经被所述第一非线性光学晶体(2a)转换了的激光、并且传送其波长已被所述第二非线性光学晶体(2b)转换了的激光。
8.根据权利要求2的固态激光产生器，进一步包括第五平面镜(27)，在该第五平面镜(27)中，具有用于使光轴弯曲的介质层薄膜的一个或多个介电多层薄膜镜(27，8)，位于所述第一(4)与第二(5)平面镜之间，并且在该第五平面镜(27)中，所述介电多层薄膜镜(27，8)的至少一个(27)反射基本波长的激光、并且传送其波长已经被所述第一非线性光学晶体(2a)转换了的激光和其波长已被所述第二非线性光学晶体(2b)转换了的激光。
9.根据权利要求1的固态激光产生器，其中所述第三平面镜(32)覆有介电层薄膜，并且在该第三平面镜(32)中，所述介电层薄膜传送基本波长的激光、并且反射其波长已经被所述第一非线性光学晶体(2a)转换了的激光和其波长已被所述第二非线性光学晶体(2b)转换了的激光。
10.根据权利要求2的固态激光产生器，其中所述第三平面镜(32)覆有介电层薄膜，并且在该第三平面镜(32)中，所述介电层薄膜传送基本波长的激光、并且反射其波长已经被所述第一非线性光学晶体(2a)转换了的激光和其波长已被所述第二非线性光学晶体(2b)转换了的激光。
11.根据权利要求1的固态激光产生器，其中多个固态激光介质(1a，1b)以等距间隔地位于所述第一(4)与第三(12，32)平面镜之间。
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