CN1070772A - 自倍频激光器 - Google Patents
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Abstract
一种新型自倍频激光器，属于激光技术和信息领
域。本发明是由用激光介质膜反射镜组成的激光谐
振器腔，置于该谐振腔之中的自倍频激光晶体，和泵
浦光源所组成，其特征在于所说的自倍频激光晶体为
LNYAB晶体。它具有泵浦功率阈值低、光束质量
高、输出功率大、体积小、寿命长、效率高和性能稳定
的优点，在激光技术、光盘、激光打印、光通讯和医疗
等技术领域有重要的应用。
Description
本发明属于激光技术和信息领域。
近年来，半导体激光器（LD）和LD泵浦的固体激光器得到迅速的发展。蓝-绿激光的波长比红外波段激光的波长更短，能被聚焦成一个更小的光斑;并且由于蓝-绿光波段是水下通讯的一个窗口，因此它在光盘，图象处理，彩色投影，激光打印，光纤通讯，光纤传感和水下光通讯等技术领域有广泛的应用。因此能产生蓝-绿激光的倍频激光器和自倍频激光器，尤其是用LD泵浦的倍频器和自倍频激光器引起了人们的极大兴趣。
LD泵浦的倍频固体激光器是一种全固化器件，具有体积小，稳定性高，效率高等优点。它将比氩离子激光器等有更广泛的应用。LD泵浦的腔外倍频器件结构简单，但是倍频效率相对低一些。一般的LD泵浦腔内倍频激光器由于在腔内添加了一块倍频晶体，从而增加了腔内损耗，降低了效率，提高了器件成本并使器件的制作困难。LD泵浦的自倍频激光器利用同时具有激光功能和倍频功能的复合功能激光晶体作为激光器工作介质，既可输出基频激光，又可输出倍频激光。它克服了前述两种倍频器件的缺点，具有结构紧凑，成本低，容易调整的优点。LD泵浦的掺钕四硼酸铝钇（NYAB）自倍频激光器，它既可产生1.062μm基频激光，又可产生0.531μm绿色倍频激光，是至今已见报道的最好的自倍频激光器。其工作原理是位于激光谐振腔内的NYAB晶体吸收LD的泵浦光后，首先产生基频光（1.062μm）振荡，同时立即把基频光转换为倍频光（0.531μm），从而形成LD泵浦的自倍频激光器。
实际应用要求自倍频激光器具有较低的阈值泵浦功率，高质量的光束和高的能量转换效率。但已见报导的自倍频激光器尚不能满足要求。虽然NYAB晶体是至今已见报道的最好的自倍频激光晶体，但是LD泵浦的NYAB激光器的阈值泵浦功率还比较高，并且大多数不能得到基横模运转，输出光束质量较差，能量转换效率还不够高。这是LD泵浦的NYAB自倍频激光器至今未能推广应用的主要原因。影响它性能的因素主要是NYAB晶体质量。NYAB晶体是用盐熔液冷却法生长出来的。由于工艺和晶体自身性质的限制，它的生长十分困难，很难得到高质量晶体。由于Nd3+的体积（半径为1.03
）比Y3+的体积（半径为0.93
）大一些，因此当晶格中的Y3+被Nd3+取代时，晶格产生较大的畸变，晶体内部经常产生位错、生长云层、异质结构夹层和双晶等缺陷，晶体质量不是很好，从而使器件性能大大降低。
本发明的目的是提出一种新型自倍频激光器，它除了具有直接产生波长短的绿色倍频激光、结构简单、体积小、使用方便等优点之外，还克服了见报导的LD泵浦的自倍频激光器的不足之处，具有阈值泵浦功率低、光束质量高、能量转换效率高和器件性能一致性好从而适合批量生产等优点，可以满足实际应用的要求。
本发明提出的新型自倍频激光器主要由泵浦光源、自倍频激光晶体和由放在自倍频激光晶体两端的两面反射镜构成的激光谐振腔共同组成。它的最主要的特征在于采用性能优良的掺镥钕四硼酸铝钇（LuxNdgY1-x-yAl3（BO3）4，简称LNYAB）自倍频激光晶体作为激光器工作物质，泵浦光经过输入端反射镜后进入自倍频激光晶体，当泵浦光功率超过阈值泵浦功率时，在激光谐振腔输出端反射镜一端可得到倍频光输出。泵浦光源可选用LD。从泵浦光源发出的光入射到LNYAB晶体内，对其进行泵浦。为提高泵浦效率，上述自倍频激光器的半导体激光器与LNYAB晶体之间设置有耦合系统，使半导体激光器发出的光经耦合射入LNYAB晶体之中。耦合系统可以用透镜构成，也可由透镜与光纤共同组成，即先用透镜将半导体激光器发出的光束聚焦耦合进光纤的一端，再把从光纤另一端出射的光耦合到倍频晶体中。采用这种耦合系统也可使泵浦光源与自倍频激光器远离，使倍频激光器使用更方便、灵活。
本发明所述的自倍频激光器的谐振腔可以采用多种结构，如介质膜反射镜可直接在LNYAB晶体两端面上镀上介质膜反射镜，构成全内腔式自倍频激光器;也可在LNYAB晶体的一个端面上镀上介质膜反射镜，晶体的另一端放置一分离的介质膜反射镜，构成半外腔式自倍频激光器;还可以在LNYAB晶体的两端分别放置分离的介质膜反射镜，构成全外腔自倍频激光器。在上述半外腔及全外腔结构的谐振腔内，可在光路中插入调制器和选频器。
LNYAB晶体和NYAB晶体一样，也是用盐熔液冷却法生长出来的。和NYAB晶体相比，LNYAB晶体的主要改进是：它采用体积匹配的方法，同时用Nd3+和Lu3+（半径为0.81
）作为掺杂，取代晶体中的Y3+，减小了晶格的失配。由于Nd3+的体积比Y3+的大，而Lu3+体积比Y3+的小，因此以适当的比例向晶体中掺入Nd3+和Lu3+以取代晶格中的Y3+，可以在相当大的程度上减小晶格畸变，减小微区内部应力，从而有力地阻止了杂质离子和异质结构物质在晶体生长过程中进入晶格，提高了晶体的微观均匀性，进而避免了位错、生长云层、异质结构夹层和双晶等缺陷的产生，提高晶体质量，使器件性能大大提高。LNYAB晶体折射率、吸收光谱和荧光光谱等性质和NYAB晶体的很接近。它的吸收光谱在0.803-0.804μm和0.808-0.809μm处光器的工作物质。
本发明提出的新型自倍频激光器和已见报导的自倍频激光器比较有如下优点：
1、在不采用任何附加的选模元件的条件下，全部LD泵浦的LNYAB自倍频激光器都是容易实现基横模运转，输出高光束质量的绿色激光。
2、LD泵浦的LNYAB自倍频激光器的阈值泵浦功率大大降低，比已见报导的LD泵浦的NYAB自倍频激光器的阈值泵浦功率降低74%。
3、LD泵浦的LNYAB自倍频激光器的斜效率大大提高，比已见报导的LD泵浦的NYAB自倍频激光器的斜效率提高20%。
4、LD泵浦的LNYAB自倍频激光器的性能稳定、一致。这使得LD泵浦的LNYAB自倍频激光器的批量生产成为可能。
附图简要说明
图1、LD泵浦LNYAB自倍频激光器基本结构示意图
图2、本发明的LD泵浦紧耦合LNYAB自倍频激光器结构示意图
图3、本发明的LD泵浦直接耦合LNYAB外腔自倍频激光器结构示意图
图4、本发明的LD泵浦光纤耦合LNYAB半外腔自倍频激光器结构示意图
图5、本发明的LD泵浦直接耦合LNYAB调Q半外腔自倍频激光器结构意图
下面结合附图进一步描述本发明的实施方案。
本发明提出的新型自倍频激光器的基本结构如图1所示。它主要由作为泵浦光源的半导体激光器LD1、自倍频激光晶体2和在它两端的两面反射镜3和4组成。这两面反射镜组成激光器的谐振腔。为了降低阈值泵浦功率和提高能量转换效率，采用LD纵向同轴泵浦方式。由泵浦光源2发出的光进入自倍频激光晶体后被吸收，自倍频激光晶体被它泵浦。当泵浦光功率超过阈值泵浦功率时，在输出反射镜4后可以得到绿色倍频光输出。
本发明的实施例一-LD泵浦紧耦合LNYAB自倍频激光器的结构如图2所示。它主要由作为泵浦光源的半导体激光器LD11、LNYAB自倍频激光晶体12、激光谐振腔的球面输入反射镜13和平面输出反射镜14等元件组成。其特点是在LD和LNYAB晶体之间的距离很小，而两面反射镜分别是直接镀在LNYAB晶体两个端面上的介质膜构成的反射镜。采用球面反射镜作输入反射镜，可提高泵浦光利用率，降低腔内损耗，提高输出功率。泵浦光直接进入LNYAB晶体后，晶体被泵浦。其优点是结构简单，泵浦光的利用率高，器件调整容易，可得到较大功率倍频光输出。
本发明的实施例二-LD泵浦直接耦合LNYAB外腔自倍频激光器的结构如图3所示。它主要由半导体激光器LD21、聚焦系统22、LNYAB自倍频激光晶体23、由平面输入反射镜28和球面输出反射镜29等元件组成。其激光谐振腔为全外腔式，其特点是LD21和激光谐振腔输入反射镜28之间的有一定的距离，在它们之间有一个聚焦系统22。两面反射镜是分别放置在LNYAB晶体两侧的介质膜反射镜。LNYAB晶体放置在一恒温室24中，恒温室24由控温仪250控制温度，使放在恒温室的晶体保持恒定的温度。该恒温室可由外壁绕有电热丝的套筒组成。半导体激光器21由控温仪251控制其温度使其输出波长更加稳定的泵浦光。其优点是结构比较简单;泵浦光光束经过聚焦系统聚焦后进入LNYAB晶体时，泵浦光光束可以和激光谐振腔的基横模在空间上很好地匹配，从而提高泵浦光的利用率，并更容易得到基横模运转;外腔结构可以降低对LNYAB晶体的加工精度的要求。
本发明的实施例三-LD泵浦光纤耦合LNYAB半外腔自倍频激光器的结构如图4所示。它主要包括下述各部分，半导体激光器LD31、耦合光纤33、聚焦系统320和321，放置在恒温室35之中的LNYAB自倍频激光晶体34、由直接镀在自倍频激光晶体34一端面上的介质膜输入反射镜37和放置在激光晶体另一端的分离的输出反射镜39构成的半外腔式激光谐振腔，恒温室35及半导体激光器31分别由控温仪360和361控制其温度。用控温仪361控制LD的工作温度，使它的工作波长和LNYAB晶体的吸收峰准确匹配，以得到高的泵浦效率;用控温仪360控制LNYAB晶体的工作温度，使它达到相位匹配条件。其特点是用位于LD和激光谐振腔输入端反射镜之间的耦合光纤和两个聚焦系统把LD的泵浦光耦合到LNYAB晶体中;谐振腔的输入反射镜是在LNYAB晶体输入端端面上的介质膜反射镜。其优点是利用光纤耦合的方法可使LD和自倍频晶体相互远离的自倍频激光器成为可能，使器件的使用更方便;泵浦光光束可以和激光谐振腔的基横模在空间上很好地匹配，泵浦光利用率高，减少LD较差的光束质量对器件性能的影响，更容易得到基横模运转，并使更大功率和高光束质量的倍频激光器件成为可能;半外腔结构降低了腔内损耗，并使器件调整容易。
本发明的实施例四-LD泵浦直接耦合LNYAB调Q半外腔自倍频激光器的结构如图5所示。它主要由半导体激光器LD41、聚焦系统42、LNYAB自倍频激光晶体43、调制器48、激光谐振腔的输入反射镜46，输出反射镜49等元件组成。其特点是LD和激光谐振腔输入端反射镜之间有一个聚焦系统;谐振腔的输入反射镜是在LNYAB晶体输入端端面上的介质膜反射镜;在LNYAB晶体和谐振腔输出端反射镜之间有调制器，用于对激光进行调制以得到大功率的脉冲激光束。其优点是结构比较简单;泵浦光光束可以和激光谐振腔的基横模在空间上很好地匹配，泵浦光利用率高，并更容易得到基横模运转;半外腔结构降低了腔内损耗，并使器件调整容易;可以得到大功率巨脉冲输出和实现锁模。
在上述的各实施例中，除了反射镜之外，所有通光界面都镀有介质增透膜（26，27，38，47，481 482），以降低损耗。
Claims (12)
1、一种自倍频激光器，由用激光介质膜反射镜组成的激光谐振腔，置于该谐振腔之中的自倍频激光晶体和用以激励该激光晶体的泵浦光源所组成，其特征在于所说的自倍频激光晶体为掺镥钕四硼酸铝钇晶体(LNYAB)。
2、根据权利要求1所述的自倍频激光器，其特征在于所说的泵浦光源是半导体激光器。
3、根据权利要求2所述的自倍频激光器，其特征在于由所说的LNYAB晶体和半导体激光器之间有耦合系统，从该半导体激光器发出的光经过该耦合系统后进入该LNYAB晶体。
4、根据权利要求3所述的自倍频激光器，其特征在于所说的耦合系统是由透镜组成。
5、根据权利要求3所述的自倍频激光器，其特征在于所说的耦合系统是由光纤和用透镜组成的聚焦系统共同组成的耦合系统。
6、根据权利要求1所述的自倍频激光器，其特征在于所说的激光谐振腔的介质膜反射镜是由直接镀在所说的LNYAB晶体两端面的介质膜反射镜所组成。
7、根据权利要求1所述的自倍频激光器，其特征在于所说的激光谐振腔是由分别放置在所说的LNYAB晶体两端分离的两个介质膜反射镜组成。
8、根据权利要求1所述的自倍频激光器，其特征在于所说的激光谐振腔是由直接镀在所说的LNYAB晶体端介质膜反射镜和放在LNYAB晶体另一端的分离的反射镜组成。
9、根据权利要求1，2，3，4，5或7所述的自倍频激光器，其特征在于所说的激光谐振腔内光路中放置有调制器。
10、根据权利要求1，2，3，4，5或8所述的自倍频激光器，其特征在于所说的激光谐振腔内光路中放置有调制器。
11、根据权利要求1，2，3，4，5或7所述的自倍频激光器，其特征在于所说的激光谐振腔内光路中放置有选频器。
12、根据权利要求1，2，3，4，5或8所述的自倍频激光器，其特征在于所说的激光谐振腔内光路中放置有选频器。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN100401599C (zh) * | 2004-04-20 | 2008-07-09 | 中国科学院福建物质结构研究所 | 一种采用非线性激光晶体的和频紫外固体激光器 |
-
1992
- 1992-08-28 CN CN 92109779 patent/CN1070772A/zh active Pending
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