CN101499604B - 一种双波长倍频激光器 - Google Patents

一种双波长倍频激光器 Download PDF

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Abstract

本发明利用双波长激光器和倍频器件设计出一种双波长倍频激光器。根据双波长倍频激光的输出要求选择合适的双波长激光输出和能够满足该双波长激光倍频要求的非线性光学晶体。双波长激光输出的设计重点在于激光波长的选择和谐振腔构成；为了在单一非线性光学晶体上满足双波长激光的倍频要求，对该晶体倍频器件采用非传统的构型使双波长激光在倍频器件中始终沿着其中任意一个波长对应的相位匹配方向行进。按照设计要求使激光基质和倍频器件耦合，在本激光器中得到了双波长倍频激光的输出。

Description

一种双波长倍频激光器
技术领域
本发明涉及激光器。
背景技术
近年，双波长激光器得到迅速发展，利用产生的双波长激光倍频、和频得到可见激光的输出也有一些专利(02117362.1，02117363.X，02117364.8，200410084253.8，02138286.7)。在这些专利中，一般采用两块或多块非线性光学晶体，利用复杂的光路将两个波长分开，在各自的光路中倍频或和频，器件复杂，不紧凑。激光倍频器件主要是由非线性光学晶体制作的，激光的倍频转化效率与其在晶体中的传播方向密切相关，为了得到尽可能高的倍频转化效率，激光需要沿着其相位匹配方向传播。不同波长的激光对应不同的相位匹配方向，针对双波长激光的倍频器件必须考虑到这个问题，要求在设计中采用特殊手段满足激光在传播过程中的相位匹配。本设计提出的双波长倍频激光器系统，将激光基质和倍频晶体结合在一起，成功地使入射的双波长激光通过倍频器件后得到相应的倍频光输出，设计简捷可靠，尤其在紧凑型小功率激光器方面具有良好的应用前景。
发明内容
本发明的目的在于设计双波长倍频激光器，使该激光器系统中的双波长激光通过倍频器件后得到双波长倍频激光输出。
本设计中的双波长倍频激光系统主要由双波长激光和相应的倍频器件两部分组成，双波长激光器在泵浦源的作用下产生双波长激光，双波长激光在倍频器件中转化为双波长倍频光。将双波长激光器和倍频器件进行耦合，要求倍频器件能够对双波长激光器输出的双波长激光进行倍频，由于激光的倍频转化中不同波长激光的相位匹配方向不同，因而在倍频器件中利用特殊切型来满足不同波长的相位匹配要求：使激光器产生的双波长激光沿着其中一个波长激光的相位匹配方向进入倍频器件，在这个方向上，该波长激光进行倍频转化；当激光光束到达反射面后，通过反射折向另外一个波长激光的相位匹配方向传播，从而得到相应的倍频光。
本系统中激光基质为激光晶体、激光陶瓷、染料、半导体或者气体等激光介质，激光倍频器件的工作介质为非线性光学晶体。
本发明的设计原则为：根据设计要求确定双波长激光的波长、工作方式，选择合适的激光基质，由此再选择能够对该双波长激光进行倍频的非线性光学晶体，结合非线性光学晶体的性能参数，计算出双波长激光在晶体中对应的两个相位匹配方向，确定出这两个相位匹配方向所在的平面。输出双波长激光的激光器依据实际需要构建合理的框架和设计谐振腔结构。非线性光学晶体按照设计方案加工成倍频器件，器件主要包括一个入射端面、一个出射端面和若干个反射端面，激光介质产生的双波长激光进入倍频器件后即沿其中一个波长激光的相位匹配方向行进，在该方向上转化为对应的倍频光，而另一波长激光不发生倍频转化；当到达器件的反射端面通过一次或若干次反射，激光光束的传播方向发生改变，使得该方向与未发生倍频转化的激光的相位匹配方向相吻合，在这一过程中，相应的激光产生倍频转化，最终包含多波长成分的激光光束从出射端面离开倍频器件。入射的双波长激光中的两个波长分别对应不同的相位匹配方向，通常情况下这两个相位匹配方向不会刚好垂直，所以它们之间的夹角为一个钝角和一个锐角，因此倍频器件的设计可以有不同的考虑。
本发明的设计方案如下：
1、一种双波长倍频激光器，其结构如图1所示，由泵浦源、激光基质和双波长倍频器件构成整个双波长倍频激光器，由激光基质产生的双波长激光直接经过单一的倍频器件获得双波长的倍频转化，该倍频器件利用反射面使双波长激光在器件中的传播方向始终保持在其对应的两个相位匹配方向上。
2、如项1所述的双波长倍频激光器，其结构如图1所示，所述的双波长倍频器件中，反射面以双波长激光对应的两个相位匹配方向间夹角的角平分线为法线，使双波长激光中两个不同频率的激光先后通过其在非线性光学晶体中对应的相位匹配方向。
3、如项1所述的双波长倍频激光器，其结构如图4所示，所述的双波长倍频器件采用合理的几何设计，使双波长激光通过一组反射面的多次反射来保持其在相应的相位匹配方向上行进，以延长倍频转化长度，提高整个系统的倍频转化效率，减少晶体的使用量。
4、如项1所述的双波长倍频激光器，所述的激光基质的每个端面或者界面上的介质膜根据双波长倍频激光输出的要求进行设计。
5、如项1所述的双波长倍频激光器，所述的双波长倍频器件的每个端面或者界面上的介质膜根据双波长倍频激光输出的要求进行设计。
6、如项1所述的双波长倍频激光器，所述的双波长激光可以以连续、准连续或者脉冲形式中的任意一种进行工作
7、如项1所述的双波长倍频激光器，所述的激光基质可以是激光晶体、激光陶瓷、激光染料、半导体或者气体。
8、如项1所述的双波长倍频激光器，所述的双波长激光由单一激光基质产生或者是两个单波长激光耦合。
9、如项1所述的双波长倍频激光器，其特征在于：所述的激光基质的端面或者界面为平面或者曲面。
10、如项1所述的双波长倍频激光器，其特征在于：所述的双波长倍频器件的端面或者界面为平面或者曲面。
本发明的优选方案之一为：由激光基质和一块非线性光学晶体构成整个双波长倍频激光器，由泵浦源提供能量，激光基质输出双波长激光，将双波长激光入射到倍频器件得到相应的双波长倍频光，结构示意图见图1：1为激光基质，可以是激光晶体、激光陶瓷或者激光染料；2是非线性光学晶体，其有效倍频范围能够涵盖激光基质1中输出的双波长激光，以确保双波长激光能够在晶体中实现相应的相位匹配；3代表泵浦源，图中表示泵浦源从激光基质的端面入射，泵浦能量来自激光二极管；4是激光基质受到泵浦后产生的双波长激光，其波长分别为a、b；5既是双波长激光中的一个波长a对应的相位匹配方向，也是双波长激光进入倍频器件后的行进方向；6指示了双波长激光中另一个波长b的相位匹配方向，双波长激光从倍频器件的反射端面出来后将沿该方向传播；7为最终输出的激光光束，为a、b波长激光的倍频光输出或者为部分a、b激光和a、b波长激光的倍频光同时输出；8是激光基质一个端面，镀对双波长激光全反射的介质膜，如果采用端面泵浦的方式，该介质膜还需要对泵浦光增透；9为激光基质1和倍频器件2之间的界面，镀上介质膜，对双波长激光中的a、b激光分别有不同的透过率，以平衡两者在激光基质中的谐振，使两者能够同时振荡输出，界面9上的介质膜与激光基质1、端面8上的介质膜共同构成了双波长激光谐振腔，该谐振腔可以以连续、准连续或者脉冲形式中的任意一种进行工作；10是倍频器件一个端面，镀全反射膜；11是倍频器件的输出端面，端面上的介质膜对a、b激光的倍频光增透、对基频光a、b全反射；界面9与端面11分别与相位匹配方向5、6垂直，以减少光折射的影响；12表示激光光束在谐振腔中往返振荡，以获得足够的激光增益。该系统的工作过程为：在双波长激光谐振腔中，泵浦源3直接激发激光基质1，使之获得足够的能量产生粒子数反转，由于界面9上的介质膜对不同波长具有不同的反射率，a、b波长在谐振腔内得到相对平衡的振荡增益从而得到双波长激光4的输出。根据双波长激光的波长a和b，选择合适的非线性光学晶体，计算得到a、b波长在非线性光学晶体中对应的相位匹配角，由空间几何确定出这两个相位匹配方向所在的平面以及它们之间所夹的锐角α，以锐角α的角平分线为法线确定出倍频器件的反射端面10，以a、b激光对应的相位匹配方向5、6为法线确定界面9和输出端面11，由此得到该倍频器件的基本构型，加工得到倍频器件2。双波长激光4垂直界面9入射倍频器件2，在倍频器件2中沿着波长a的相位匹配方向5传播，在这一过程中a波长激光发生倍频效应而b波长激光不满足相位匹配条件没有形成倍频转化。激光光束到达反射端面10后折向方向6传播，这时激光光束离开a波长激光的相位匹配方向转到b波长激光的相位匹配方向上，a波长激光将不再进行倍频转化，b波长激光开始向倍频光转化。最终激光光束到达输出端面11从器件中沿方向7出射。输出的激光光束7包含的波长成分为a、b波长激光的倍频光，未转化的a、b波长激光沿着入射光路方向反向传播，在对应的倍频方向上继续进行倍频转化。整个系统中，每个端面或者界面可以根据激光光束输入和输出的需要，可以加工成平面、弧面或者球面；同时这些端面和界面上的介质膜和最终输出的双波长倍频激光的效果有着密切的关系，必须根据双波长倍频激光输出的要求进行设计。
激光基质的泵浦方式除了从端面提供泵浦能量外，还可以从激光基质的侧面提供泵浦能量，图2给出了侧面泵浦激光基质的系统示意图，3表示从侧面进入的泵浦源，其它标识同图1中一致，系统工作过程也相同，只是由泵浦源3从侧面泵浦激光基质1得到双波长激光4。
本发明的优选方案之一为：激光基质和非线性光学晶体的选择以及相关参数同图1中的方案，在非线性光学晶体的切形上做了改变(见图3)，a、b波长激光对应的相位匹配方向依然为5、6，以它们夹角α的角平分线所在的平面10作为倍频器件2的反射端面，上面镀全反射膜(由于沿方向5入射的光束的入射角相当大，在该端面有可能发生全反射效应，而无须在端面上镀膜)，其它描述同图1。泵浦源3提供给激光基质1足够的能量促使其跨越双波长激光振荡阈值得到双波长激光4的输出，双波长激光4通过界面9垂直入射倍频器件2沿着方向5传播，a波长激光实现倍频转化而b波长激光保持不变；经过反射端面10反射后激光光束转到方向6上传播，这时只有b波长激光进行倍频转化，最后激光光束通过输出端面11得到双波长倍频激光输出7。
本发明的优选方案之一为：采用合理的几何设计，利用一组反射面使激光光束在器件中多次反射来延长倍频转化长度，以优化倍频器件设计，提高整个系统的倍频转化效率，减少晶体的使用量。图4是一种典型的设计，利用倍频器件的侧面作为反射面，使激光光束每次反射后总能沿着其中一个波长激光对应的相位匹配方向行进。图4中，13是倍频器件的侧面，镀上对激光光束全反射的介质膜；5、6分别代表倍频器件2中a、b波长激光所对应的相位匹配方向；α、β均为相位匹配方向5、6的夹角，两者互为补角；其它标识同图1中的描述。泵浦源3输入能量驱动激光基质1运转产生双波长激光4，双波长激光4穿过界面9后沿方向5前进，a波长激光进行倍频转化，b波长激光不变；激光光束到达倍频器件2的侧面13上，由于该面对激光光束全反射使激光光束折向方向6传播，此时为b波长激光的倍频转化过程，a波长激光不满足倍频条件；当激光光束到达反射端面10后，传播方向将再次改变到a波长激光对应的相位匹配方向5上使其继续进行倍频转化，b波长激光的倍频转化停止，这一过程持续到激光光束进入倍频器件2的另一个侧面13；侧面13对激光光束的全反射使其传播方向由方向5转到方向6，b波长激光又开始倍频转化过程，a波长激光保持不变。最终，激光光束从输出端面11出射，得到双波长倍频激光7。图4中，双波长激光4只在倍频器件2中的每个侧面上反射一次，如果需要可以在每个侧面上反射若干次，根据几何对称的基本原理，可以推导出激光光束在每次反射之后总是能沿着5、6中的其中一个方向传播，延长了传播周期，最终依然得到双波长倍频激光7的输出。
本发明的优选方案之一为：利用一对相对的反射面来增加双波长激光在倍频器件中的倍频转化长度，如图5所示，根据几何原理，在一对平行面之间传播的双波长激光将始终保持在其任意一个波长的相位匹配方向上传播。图5中，5、6分别代表倍频器件2中a、b波长激光所对应的相位匹配方向，α是它们之间的夹角；底面10和反射面13相互平行，面上都镀全反射介质膜，它们以α的角平分线为法线；其余标识的描述同图1。本方案中双波长激光4的产生并进入倍频器件2，在倍频器件2中先沿着相位匹配方向5行进，反射后折到相位匹配方向6上，这些都与图1相同；然而激光光束在到达倍频器件2的反射面13时，并不从该面直接逸出，而是全反射再次回到方向5上，使得a波长激光继续进行倍频转化；激光光束行进到反射面10后又反射到相位匹配方向6上，这时为b波长激光的倍频过程；最后激光光束通过输出端面11出射，得到双波长倍频激光7。利用周期对称设计，可以使激光光束在反射面10和13之间多次往返，延长激光光束的倍频转化长度。输出端面11也可以平行与界面9，与反射面10同一侧，激光光束同样垂直通过端面11出射得到双波长倍频激光7。
以上所描述的双波长激光为连续运转、准连续运转或者脉冲运转，既可以是在单一激光基质中产生的双波长激光，也可以是由两个单一波长激光耦合而成，使用的激光基质可以为激光晶体、激光陶瓷、半导体、激光染料或者气体。激光基质和双波长倍频器件的各个端面和界面根据要求进行设计，为平面或者曲面，以控制激光光束质量，获得更高的倍频转化效率。
附图说明
图1、端面泵浦激光基质的双波长倍频激光系统示意图；
图2、侧面泵浦激光基质的双波长倍频激光系统示意图；
图3、另一种双波长倍频激光系统示意图；
图4、一种多周期反射的双波长倍频激光系统示意图；
图5、一种多周期反射的双波长倍频激光系统示意图；
具体实施方式
1、532nm和669nmNd:YAG+KTP双波长倍频激光器
以Nd:YAG作为激光基质，KTP晶体作为激光倍频介质，按照图1所示将加工好的Nd:YAG激光晶体和KTP晶体倍频器件进行耦合，构成整个双波长倍频激光器。使用LD从端面对Nd:YAG进行泵浦得到1064nm和1338nm双波长激光输出，输出的激光光束进入KTP倍频器件，先沿着1338nm激光在KTP晶体中的相位匹配方向传播转化得到669nm的倍频激光，再通过反射面将激光光束折向1064nm激光的相位匹配方向上行进，得到532nm的倍频激光，最后激光光束从输出端面出射。经过光栅单色仪检测，证明得到了532nm和669nm双波长倍频激光。
2、532nm和669nmNd:YAG+BBO双波长倍频激光器
以Nd:YAG作为激光基质，BBO晶体作为激光倍频介质，按照图1所示将加工好的Nd:YAG激光晶体和BBO晶体倍频器件进行耦合，构成整个双波长倍频激光器。使用LD从端面对Nd:YAG进行泵浦得到1064nm和1338nm双波长激光输出，输出的激光光束进入BBO倍频器件，先沿着1338nm激光在BBO晶体中的相位匹配方向传播转化得到669nm的倍频激光，再通过反射面将激光光束折向1064nm激光的相位匹配方向上行进，得到532nm的倍频激光，最后激光光束从输出端面出射。经过光栅单色仪检测，证明得到了532nm和669nm双波长倍频激光。
3、532nm和669nmNd:YAG+KDP双波长倍频激光器
以Nd:YAG作为激光基质，KDP晶体作为激光倍频介质，按照图1所示将加工好的Nd:YAG激光晶体和KDP晶体倍频器件进行耦合，构成整个双波长倍频激光器。使用LD从端面对Nd:YAG进行泵浦得到1064nm和1338nm双波长激光输出，输出的激光光束进入KDP倍频器件，先沿着1338nm激光在KDP晶体中的相位匹配方向传播转化得到669nm的倍频激光，再通过反射面将激光光束折向1064nm激光的相位匹配方向上行进，得到532nm的倍频激光，最后激光光束从输出端面出射。经过光栅单色仪检测，证明得到了532nm和669nm双波长倍频激光。
4、532nm和669nmNd:YAG+KBBF双波长倍频激光器
以Nd:YAG作为激光基质，KBBF晶体作为激光倍频介质，按照图1所示将加工好的Nd:YAG激光晶体和KBBF晶体倍频器件进行耦合，构成整个双波长倍频激光器。使用LD从端面对Nd:YAG进行泵浦得到1064nm和1338nm双波长激光输出，输出的激光光束进入KBBF倍频器件，先沿着1338nm激光在KBBF晶体中的相位匹配方向传播转化得到669nm的倍频激光，再通过反射面将激光光束折向1064nm激光的相位匹配方向上行进，得到532nm的倍频激光，最后激光光束从输出端面出射。经过光栅单色仪检测，证明得到了532nm和669nm双波长倍频激光。
5、改变倍频器件切形的532nm和669nmNd:YAG+KTP双波长倍频激光器
以Nd:YAG作为激光基质，KTP晶体作为激光倍频介质，按照图2所示将加工好的Nd:YAG激光晶体和KTP晶体倍频器件进行耦合，构成整个双波长倍频激光器。使用LD从端面对Nd:YAG进行泵浦得到1064nm和1338nm双波长激光输出，输出的激光光束进入KTP倍频器件，先沿着1338nm激光在KTP晶体中的相位匹配方向传播转化得到669nm的倍频激光，再通过反射面将激光光束折向1064nm激光的相位匹配方向上行进，得到532nm的倍频激光，最后激光光束从输出端面出射。经过光栅单色仪检测，证明得到了532nm和669nm双波长倍频激光。
6、改变泵浦形式的532nm和669nmNd:YAG+KTP双波长倍频激光器
以Nd:YAG作为激光基质，KTP晶体作为激光倍频介质，按照图3所示将加工好的Nd:YAG激光晶体和KTP晶体倍频器件进行耦合，构成整个双波长倍频激光器。使用LD从侧面对Nd:YAG进行泵浦得到1064nm和1338nm双波长激光输出，输出的激光光束进入KTP倍频器件，先沿着1338nm激光在KTP晶体中的相位匹配方向传播转化得到669nm的倍频激光，再通过反射面将激光光束折向1064nm激光的相位匹配方向上行进，得到532nm的倍频激光，最后激光光束从输出端面出射。经过光栅单色仪检测，证明得到了532nm和669nm双波长倍频激光。
7、采用不同泵浦源的532nm和669nmNd:YAG+KTP双波长倍频激光器
以Nd:YAG作为激光基质，KTP晶体作为激光倍频介质，按照图1所示将加工好的Nd:YAG激光晶体和KTP晶体倍频器件进行耦合，构成整个双波长倍频激光器。使用氙灯从侧面对Nd:YAG进行泵浦得到1064nm和1338nm双波长激光输出，输出的激光光束进入KTP倍频器件，先沿着1338nm激光在KTP晶体中的相位匹配方向传播转化得到669nm的倍频激光，再通过反射面将激光光束折向1064nm激光的相位匹配方向上行进，得到532nm的倍频激光，最后激光光束从输出端面出射。经过光栅单色仪检测，证明得到了532nm和669nm双波长倍频激光。
8、532nm和659.5nmNd:YAG+KTP双波长倍频激光器
以Nd:YAG作为激光基质，KTP晶体作为激光倍频介质，按照图1所示将加工好的Nd:YAG激光晶体和KTP晶体倍频器件进行耦合，构成整个双波长倍频激光器。使用LD从端面对Nd:YAG进行泵浦得到1064nm和1319nm双波长激光输出，输出的激光光束进入KTP倍频器件，先沿着1319nm激光在KTP晶体中的相位匹配方向传播转化得到659.5nm的倍频激光，再通过反射面将激光光束折向1064nm激光的相位匹配方向上行进，得到532nm的倍频激光，最后激光光束从输出端面出射。经过光栅单色仪检测，证明得到了532nm和659.5nm双波长倍频激光。
9、532nm和671nmNd:YVO4+KTP双波长倍频激光器
以Nd:YVO4作为激光基质，KTP晶体作为激光倍频介质，按照图1所示将加工好的Nd:YVO4激光晶体和KTP晶体倍频器件进行耦合，构成整个双波长倍频激光器。使用LD从端面对Nd:YVO4进行泵浦得到1064nm和1342nm双波长激光输出，输出的激光光束进入KTP倍频器件，先沿着1342nm激光在KTP晶体中的相位匹配方向传播转化得到671nm的倍频激光，再通过反射面将激光光束折向1064nm激光的相位匹配方向上行进，得到532nm的倍频激光，最后激光光束从输出端面出射。经过光栅单色仪检测，证明得到了532nm和671nm双波长倍频激光。
10、在倍频器件中多次反射的532nm和669nmNd:YAG+KTP双波长倍频激光器
以Nd:YAG作为激光基质，KTP晶体作为激光倍频介质，按照图4所示将加工好的Nd:YAG激光晶体和KTP晶体倍频器件进行耦合，构成整个双波长倍频激光器。使用LD从端面对Nd:YAG进行泵浦得到1064nm和1338nm双波长激光输出，输出的激光光束进入KTP倍频器件，按照图4中所描述的行进过程，分别转化为对应的倍频光，最终从倍频器件端面上输出532nm和669nm双波长倍频光。经过光栅单色仪检测，证明得到了532nm和669nm双波长倍频激光。

Claims (9)

1.一种双波长倍频激光器，包括泵浦源，激光基质，双波长倍频器件，其特征在于：由激光基质产生的双波长激光直接经过单一的所述双波长倍频器件获得双波长的倍频转化，该双波长倍频器件利用反射面使双波长激光在器件中的传播方向始终保持在其对应的两个相位匹配方向上，具体是所述的双波长倍频器件采用一非线性光学晶体加工制作，以所述双波长激光在该非线性光学晶体中对应的两个相位匹配方向间夹角的角平分线为法线确定出该非线性光学晶体中的反射面，并以所述相位匹配方向为法线确定出该非线性光学晶体中的输入端面和输出端面，所述双波长激光垂直该输入端面而射入双波长倍频器件，且所述双波长激光中两个不同频率的激光先后通过其在非线性光学晶体中对应的相位匹配方向，即双波长激光进入双波长倍频器件后其中一个波长激光沿其对应的相位匹配方向行进，在该方向上转化为对应的倍频光，而另一波长激光此时不发生倍频转化，当到达双波长倍频器件的所述反射面时，其将双波长激光反射向另一相位匹配方向使得所述另一波长激光转化为对应的倍频光，最终输出双波长倍频激光。
2.如权利要求1所述的双波长倍频激光器，其特征在于：所述的双波长倍频器件采用合理的几何设计，使双波长激光通过一组反射面的多次反射来保持其在相应的相位匹配方向上行进，以延长倍频转化长度，提高整个系统的倍频转化效率，减少晶体的使用量。
3.如权利要求1所述的双波长倍频激光器，其特征在于：所述的激光基质的每个端面或者界面上的介质膜根据双波长倍频激光输出的要求进行设计。
4.如权利要求1所述的双波长倍频激光器，其特征在于：所述的双波长倍频器件的每个端面或者界面上的介质膜根据双波长倍频激光输出的要求进行设计。 
5.如权利要求1所述的双波长倍频激光器，其特征在于：所述的双波长激光以连续运转、准连续运转或者脉冲运转形式中的任意一种进行工作。
6.如权利要求1所述的双波长倍频激光器，其特征在于：所述的激光基质是激光晶体、激光陶瓷、激光染料、半导体或者气体。
7.如权利要求1所述的双波长倍频激光器，其特征在于：所述的双波长激光由单一激光基质产生。
8.如权利要求1所述的双波长倍频激光器，其特征在于：所述的激光基质的端面或者界面为平面或者曲面。
9.如权利要求1所述的双波长倍频激光器，其特征在于：所述的双波长倍频器件的端面或者界面为平面。 
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