CN102208747B - 一种固体激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种固体激光器，包括：泵浦装置、谐振腔分离装置、汇聚和频装置，其中，谐振分离装置基于泵浦光产生初始基频光并分离得到两路基频光，一路基频光在腔内经过倍频后得到的倍频光与另一路基频光进行偏振方向调节后入射到汇聚和频装置。本发明利用初始基频光的偏振特性分离出基频光和倍频光，易于实现两者在和频时的高效配比。分别调节入射到汇聚和频装置的基频光和倍频光的汇聚束腰位置，可实现两者更好重叠，从而获得更高效的和频。

Description

一种固体激光器
技术领域
本发明涉及激光技术领域，尤其涉及一种固体激光器。
背景技术
通常人们把波长小于450nm的激光统称为紫外激光，紫外激光从其本身来看，由于其波长短，频率高，单分子能量高等优点，使得其在精密材料微加工、紫外固化、光刻等领域中有着广泛的应用。实现紫外激光的技术有多种，其中三次谐波紫外激光技术与其它技术相比较则显得更为成熟，性能更稳定，可获得更高的输出功率和峰值功率，因此有着更好的应用前景。
目前，三次谐波紫外激光技术有腔外和频技术和腔内和频技术，同时不排除其它类型固体激光器也可以采用上述两种和频技术，但现有的这两种和频技术存有如下不足：
采用腔内和频技术时由于腔内光学元件较多从而增加腔内损耗，降低了激光器输出激光的效率；同时由于腔内多个波长同时存在，彼此之间有能量交换，也易受到外界因素的影响而使输出稳定性和可靠性减弱。采用腔外和频技术，基频光和倍频光在功率配比技术以及和频晶体内两光束的作用区匹配技术长期不佳，从而影响着和频激光输出的效率。
发明内容
本发明解决的技术问题是，提供一种固体激光器，提高采用腔外和频技术的固体激光器的输出效率。
本发明采用的技术方案是，所述固体激光器，包括：泵浦装置、谐振分离装置、汇聚和频装置，其中，
泵浦装置产生泵浦光并经耦合后进入谐振分离装置；
谐振分离装置基于泵浦光产生初始基频光并分离得到两路基频光，一路基频光经过倍频后得到的倍频光与另一路基频光进行偏振方向调节后入射到汇聚和频装置；
汇聚和频装置对入射的倍频光和基频光进行汇聚后和频。
进一步的，所述谐振分离装置包括：具有偏振辐射特性的增益介质模块、光束分离模块、倍频模块和谐振腔输出模块，其中，增益介质模块和谐振腔输出模块构成谐振腔，谐振腔在泵浦光的作用下产生初始基频光；
光束分离模块利用初始基频光的偏振特性将其分为两路基频光，一路基频光在谐振腔内经倍频模块进行倍频，倍频后的倍频光经谐振腔输出模块透射后入射到汇聚和频装置；另一路基频光入射到汇聚和频装置。
进一步的，作为一种可选的技术方案，所述汇聚和频装置具体包括：第一基频光偏振片、第一基频光半波片、基频光角度反射镜、角度双色镜、基频光汇聚透镜、倍频光汇聚透镜以及和频晶体，其中，
入射的基频光经第一基频光偏振片改变光路方向后，再经第一基频光半波片进行偏振方向的调节；
将经第一基频光半波片调节偏振方向后的基频光通过基频光角度反射镜反射到达基频光汇聚透镜进行光束汇聚，并经角度双色镜反射到和频晶体中；
入射的倍频光经过倍频光汇聚透镜进行光束汇聚，并经角度双色镜透射到和频晶体中。
进一步的，作为另一种可选的技术方案，所述汇聚和频装置具体包括：第一基频光偏振片、基频光角度反射镜、倍频光半波片、角度双色镜、基频光汇聚透镜、倍频光汇聚透镜以及和频晶体，其中，
入射的基频光经第一基频光偏振片改变光路方向后，再通过基频光角度反射镜到达基频光汇聚透镜进行光束汇聚，然后经角度双色镜反射到和频晶体中；
入射的倍频光经倍频光半波片进行偏振方向的调节后，到达倍频光汇聚透镜进行光束汇聚，并经角度双色镜透射到和频晶体中。
进一步的，入射的基频光经基频光汇聚透镜后的汇聚束腰和入射的倍频光经倍频光汇聚透镜后的汇聚束腰在和频晶体中重合；
所述角度双色镜为一片对基频光角度全反射、且对倍频光角度全透射的双色镜，或者，为一片对基频光角度全透射、且对倍频光角度全反射的双色镜。
进一步的，所述进行偏振方向的调节是以达到汇聚和频装置输出和频激光功率最高为准。
进一步的，所述光束分离模块包括：第二基频光半波片和第二基频光偏振片，其中，
根据汇聚和频装置输出和频激光功率最高的需要确定对第二基频光半波片进行调节，初始基频光经第二基频光半波片改变偏振方向后，在第二基频光偏振片处分为两路基频光。
进一步的，在所述增益介质模块与所述光束分离模块之间还设置有：脉冲调制模块，将对谐振腔产生的初始基频光进行调制来实现脉冲输出。
进一步的，所述倍频模块具体包括：双色镜和倍频晶体，其中，
所述双色镜为一片对基频光全透射、且对倍频光全反射的双色镜。
进一步的，所述泵浦装置包括：带尾纤输出的激光二极管模块和耦合模块，
带尾纤输出的激光二极管模块输出的泵浦光通过耦合模块入射到谐振分离装置内的增益介质模块。
采用上述技术方案，本发明所述固体激光器至少具有下列优点：
1.基于初始基频光的偏振特性分离出基频光和倍频光，易于实现两者在和频时的高效配比，从而实现更高效的和频激光输出。
2.由于本发明可以分别调节入射到汇聚和频装置的基频光和倍频光的汇聚束腰位置，避免现有腔外和频技术中入射的基频光和倍频光共路，在经过同一汇聚透镜聚焦后由于波长原因而引起的偏差，故，可实现两者更好重叠，从而获得更高效的和频。
附图说明
图1是本发明第一实施例中紫外固体激光器组成及光路示意图；
图2是本发明第二实施例中紫外固体激光器组成及光路示意图；
图3是本发明第三实施例中紫外固体激光器组成及光路示意图。
具体实施方式
为进一步阐述本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及实施例，对本发明技术方案详细说明如下。
本发明第一实施例，以采用本发明固体激光器实现紫外光输出为例，介绍紫外固体激光器的组成和工作原理。
该紫外固体激光器采用腔内倍频腔外和频技术实现高效355nm紫外激光输出。该紫外固体激光器，其光路示意图如图1所示，具体包括：泵浦装置A、谐振分离装置B、汇聚和频装置C，其中，
泵浦装置A包括：带尾纤输出的激光二极管模块1和耦合模块2，带尾纤输出的激光二极管模块1发出的泵浦光经耦合模块2耦合后入射到谐振分离装置B内的增益介质模块3中。激光二极管模块1中心波长为808nm，也可以是适合增益介质模块3吸收的其它中心波长的激光二极管。
谐振分离装置B包括：增益介质模块3、光束分离模块20、倍频模块30和谐振腔输出模块9，其中，增益介质模块3可以为Nd:YVO4、Nd:GaVO4、Nd:YLF、YAP等具有偏振辐射特性的晶体。谐振腔输出模块9为一片镀有532nm全透膜和1064nm全反膜的谐振腔输出镜。
本实施例中的谐振腔为直线型腔结构，由增益介质模块3和谐振腔输出模块9构成，除此之外也可以为“L”型、“U”型、“Z”型、“V”型等以基模形式输出的谐振腔结构。
谐振腔在泵浦光的作用下，产生初始1064nm基频光。
优选的，在增益介质模块3与光束分离模块20之间还设置有：脉冲调制模块4，为一声光调Q开关，其晶体两端镀有1064nm全透膜，脉冲调制模块4用于对谐振腔产生的初始1064nm基频光进行脉冲调制。此时，经过脉冲调制模块4调制后的初始1064nm基频光再经光束分离模块20分成两束。
光束分离模块20包括：第二基频光半波片5和第二基频光偏振片6。其中，第二基频光偏振片6为1064nm偏振片，第二基频光半波片5为1064nm半波片。
根据在汇聚和频装置C处和频激光输出激光功率最高的需要，通过调节第二基频光半波片5来改变初始1064nm基频光的偏振方向，使得通过第二基频光偏振片6时分成两路1064nm基频光：一路1064nm基频光在谐振腔内经倍频模块30进行倍频，倍频后得到的532nm倍频光经谐振腔输出模块9透射后入射到汇聚和频装置C；另一路1064nm基频光从另一方向入射到汇聚和频装置C。
倍频模块30具体包括：双色镜7和倍频晶体8，其中，双色镜7为一片对1064nm基频光全透射、且对532nm倍频光全反射的双色镜。倍频晶体8两端镀有1064nm和532nm双增透膜。倍频晶体8为I类相位匹配方式三硼酸锂LBO，也可以采用II类LBO、II类KDP、II类BBO、II类CLBO等。
在光路调节过程中，用两台激光功率计同时测试由第二基频光偏振片6反射的1064nm基频光功率和经由谐振腔输出模块9输出的532nm倍频光功率，调节第二基频光半波片5，使得1064nm基频光与532nm倍频光的功率之比为1∶2时，这样便实现了和频时对1064nm基频光与532nm倍频光的高效配比，即汇聚和频装置C中和频晶体16的和频效率最高。
汇聚和频装置C具体包括：第一基频光偏振片12、第一基频光半波片13、基频光角度反射镜14、角度双色镜11、基频光汇聚透镜15、倍频光汇聚透镜10以及和频晶体16，其中，第一基频光偏振片12为1064nm偏振片，第一基频光半波片13为1064nm半波片，基频光角度反射镜14为45°1064nm全反镜，基频光汇聚透镜15为镀有1064nm全透膜的汇聚透镜，倍频光汇聚透镜10为镀有532nm全透膜的汇聚透镜。
角度双色镜11可以为一片45°1064nm基频光全反射、且对532nm倍频光全透射的双色镜。和频晶体16的一端镀532nm和1064nm双增透膜，另一端镀有355nm高透膜。和频晶体16为II类相位匹配方式LBO，也可以采用I类LBO、II类BBO、II类CLBO等。
入射的1064nm基频光经第一基频光偏振片12调节光路方向后，再经由第一基频光半波片13对其进行偏振方向调节。这里，进行偏振方向的调节以达到汇聚和频装置C输出和频激光功率最高为准。第一基频光偏振片12也可由一片1064nm角度反射镜代替，用于改变1064nm基频光的光路方向。
经由第一基频光半波片13调节偏振方向后的1064nm基频光通过基频光角度反射镜14改变光路方向到基频光汇聚透镜15进行光束汇聚，并经角度双色镜11反射到和频晶体16中；
532nm倍频光直接经过倍频光汇聚透镜10进行光束汇聚，并经角度双色镜11透射到和频晶体16中。
优选的，基频光经基频光汇聚透镜15后的汇聚束腰和倍频光经倍频光汇聚透镜10后的汇聚束腰在和频晶体16中重合，使得1064nm基频光和532nm倍频光在和频晶体16中重叠更好，从而实现更高效和频。
本发明第二实施例，一种紫外固体激光器，如图2所示，与第一实施例中的固体激光器结构大致相同，区别在于，在汇聚和频模块C中，用设在倍频光汇聚透镜10与谐振腔输出模块9之间的倍频光半波片17取代第一基频光半波片13，用于对532nm倍频光进行偏振方向的调节。这里，进行偏振方向的调节时，也是以达到汇聚和频装置C输出和频激光功率最高为准。
本发明第三实施例，一种紫外固体激光器，如图3所示，与第一实施例中的固体激光器结构大致相同，区别在于，在汇聚和频模块C中，角度双色镜11为一片镀有45°532nm倍频光全反膜和1064nm基频光全透膜的双色镜。基频光经基频光汇聚透镜15进行光束汇聚，透过角度双色镜11入射到和频晶体16中；倍频光经过倍频光汇聚透镜10进行光束汇聚，经角度双色镜11反射进入和频晶体16中。
除了紫外固体激光器外，本发明可以应用到其他采用腔外和频技术的固体激光器中。本发明所具有的优点如下：
1.利用偏振光特性分离基频光和倍频光，易于实现两者在和频时的高效配比，从而实现更高效的和频激光输出。
2.由于本发明可以分别调节入射到汇聚和频装置的基频光和倍频光的汇聚束腰位置，避免现有腔外和频技术中入射的基频光和倍频光共光路，在经过同一汇聚透镜聚焦后由于波长原因而引起的偏差，故，可实现两者更好重叠，从而获得更高效的和频。
通过具体实施方式的说明，当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效得以更加深入且具体的了解，然而所附图示仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。

Claims (7)

1.一种固体激光器，其特征在于，包括：泵浦装置、谐振分离装置、汇聚和频装置，其中，
泵浦装置产生泵浦光并经耦合后进入谐振分离装置；
谐振分离装置基于泵浦光产生初始基频光并分离得到两路基频光，一路基频光在谐振腔内经过倍频后得到的倍频光进行偏振方向调节后与另一路基频光入射到汇聚和频装置，或者，一路基频光在谐振腔内经过倍频后得到的倍频光与另一路经过偏振方向调节后的基频光入射到汇聚和频装置；所述进行偏振方向的调节是以达到汇聚和频装置输出和频激光功率最高为准；
汇聚和频装置对入射的倍频光和基频光进行汇聚后和频；
所述谐振分离装置包括：具有偏振辐射特性的增益介质模块、光束分离模块、倍频模块和谐振腔输出模块，其中，增益介质模块和谐振腔输出模块构成谐振腔，谐振腔在泵浦光的作用下产生初始基频光；
光束分离模块利用初始基频光的偏振特性将其分为两路基频光，一路基频光在谐振腔内经倍频模块进行倍频，倍频后的倍频光经谐振腔输出模块透射后入射到汇聚和频装置；另一路基频光入射到汇聚和频装置；
所述光束分离模块包括：第二基频光半波片和第二基频光偏振片，其中，
根据汇聚和频装置输出和频激光功率最高的需要确定对第二基频光半波片进行调节，初始基频光经第二基频光半波片改变偏振方向后，在第二基频光偏振片处分为两路基频光。
2.根据权利要求1所述固体激光器，其特征在于，所述汇聚和频装置具体包括：第一基频光偏振片、第一基频光半波片、基频光角度反射镜、角度双色镜、基频光汇聚透镜、倍频光汇聚透镜以及和频晶体，其中，
入射的基频光经第一基频光偏振片改变光路方向后，入射到第一基频光半波片进行偏振方向的调节；
将经第一基频光半波片调节后的基频光通过基频光角度反射镜反射到达基频光汇聚透镜进行光束汇聚，并经角度双色镜反射到和频晶体中；
入射的倍频光经过倍频光汇聚透镜进行光束汇聚，并经角度双色镜透射到和频晶体中。
3.根据权利要求1所述固体激光器，其特征在于，所述汇聚和频装置具体包括：第一基频光偏振片、基频光角度反射镜、倍频光半波片、角度双色镜、基频光汇聚透镜、倍频光汇聚透镜以及和频晶体，其中，
入射的基频光经第一基频光偏振片改变光路方向后，再通过基频光角度反射镜到达基频光汇聚透镜进行光束汇聚，然后经角度双色镜反射到和频晶体中；
入射的倍频光经倍频光半波片进行偏振方向的调节后，到达倍频光汇聚透镜进行光束汇聚，并经角度双色镜透射到和频晶体中。
4.根据权利要求2或3所述固体激光器，其特征在于，入射的基频光经基频光汇聚透镜后的汇聚束腰和入射的倍频光经倍频光汇聚透镜后的汇聚束腰在和频晶体中重合；
所述角度双色镜为一片对基频光角度全反射、且对倍频光角度全透射的双色镜，或者，为一片对基频光角度全透射、且对倍频光角度全反射的双色镜。
5.根据权利要求1所述固体激光器，其特征在于，在所述增益介质模块与所述光束分离模块之间还设置有：脉冲调制模块，将对谐振腔产生的初始基频光进行调制来实现脉冲输出。
6.根据权利要求1所述固体激光器，其特征在于，所述倍频模块具体包括：双色镜和倍频晶体，其中，
所述双色镜为一片对基频光全透射、且对倍频光全反射的双色镜；
由光束分离模块输出的一路基频光透过双色镜入射到倍频晶体。
7.根据权利要求1所述固体激光器，其特征在于，所述泵浦装置包括：带尾纤输出的激光二极管模块和耦合模块，
带尾纤输出的激光二极管模块输出的泵浦光通过耦合模块入射到谐振分离装置内的增益介质模块。
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