CN1084326A

CN1084326A - 倍频激光器

Info

Publication number: CN1084326A
Application number: CN 93105518
Authority: CN
Inventors: 魏志义; 余振新; 张学军; 欧阳忠
Original assignee: Sun Yat Sen University
Current assignee: Sun Yat Sen University
Priority date: 1993-05-11
Filing date: 1993-05-11
Publication date: 1994-03-23

Abstract

本发明涉及一种纯连续波倍频Nd:YAG激光器。该激光器采用半共心凹面反射镜聚焦的结构，使能更有效地在倍频晶体中形成高功率密度的光束，提高了倍频效率，并且使内部结构简化、体积缩小，是一种实用的超小型高功率绿光固体激光器。

Description

本发明涉及一种产生强绿光激光的固体激光装置，具体地说是涉及一种纯连续波倍频Nd∶YAG激光器。

在可见光波段，目前性能稳定、功率较强从而被广泛商品化的连续波激光器是He-Ne激光器（波长为632.8nm）和Ar⁺激光器（主要波长为514.5nm和488nm）。通常功率在50mW左右的He-Ne激光器和功率在1W左右的Ar⁺激光器的长度都大于1米。除体积庞大外，由于这两种激光器均是以气体作为工作物质，因此其结构必须采用石英玻璃封装，不仅搬运不便，容易损坏，而且成本高，使用寿命短（Ar⁺激光器寿命一般只有1～2年），严重限制了其使用范围。

采用倍频技术，是人们获得连续可见光波段激光的又一种方法，但多年来，可实用的也只有倍频Nd∶AYG激光器，虽然其波长与Ar⁺激光器的绿光波长相近，但平均功率一般仅有几百毫瓦，这与Ar⁺激光器是无法相比的。然而，与Ar⁺激光器相比，倍频Nd∶YAG激光器由于采用了固体工作物质，因此其寿命、成本及可靠性均远优于前者。近年来，随着KTP、LBO等新型非线性晶体的问世，倍频Nd∶YAG激光的研究成了非常热门的课题。

根据倍频理论，倍频效率正比于倍频晶体中基频激光的功率密度。为此，在倍频激光实验中，人们通常采用透镜聚焦的方法，将激光会聚在晶体中，以利于高效倍频光的获得。目前广泛采用的连续波倍频Nd∶YAG激光器的一般结构如图1所示。其中11为1064nm全反镜;12为Nd∶YAG激光工作物质，是产生激光的核心部件;13为45°入射下，对1064nm全反，对532nm高透的二向镜;14为倍频晶体，用于将Nd∶YAG激光工作物质12产生的1064nm不可见光（基频光）转化为532nm的可见光（倍频光）;15是对1064nm及532nm均全反的反射镜;16为聚焦透镜，用于在倍频晶体14中形成高功率密度的光束。目前，采用上述实验装置的CW倍频Nd∶YAG激光的功率可达到6.5W的水平，加调Q及准连续等措施后，最高功率突破了30W（黄朝恩等，《中国激光》，Vol.15，No，10，586～589，〈1988〉）。这些实验室结果虽然为发展可与Ar⁺激光相竞争的固体激光器提供了希望，但由于其所采用的装置系统结构比较复杂，占用体积比较庞大，难以发展成为与Ar⁺激光器一样广泛实用的产品。

本发明的目的是提供一种体积小、内部结构简单并且功率高的倍频Nd∶YAG激光器，以克服上述现有技术所存在的缺点。

下面结合附图对本发明进行说明：

图1是现有的连续波内腔倍频激光器的结构示意图。

图2是本发明激光器的结构示意图。

本发明的激光器由外壳、调整或固定架和光学元件三部分构成。光学元件包括：对1064nm全反的反射镜（21），Nd：YAG激光工作物质（22），对1064nm全反、对532nm高透的分光镜（23），倍频晶体（24）和对1064nm及532nm均全反的反射镜（25）。激光工作物质（22）位于反射镜（21）和分光镜（23）之间。分光镜（23）与反射镜（25）为一对半共心凹面镜，即前者的焦点与后者的曲率圆心重合;倍频晶体（24）位于该重合点上。反射镜（21）、分光镜（23）之间的光路（26）与分光镜（23）、反射镜（25）之间的光路（27）所形成的折叠角θ小于10°。

通常，折叠角θ为3°～10°。

本发明的激光器还可以在倍频晶体（24）的两个通光面均镀上1064nm及532nm双波长增透膜，以进一步提高倍频效率，达到更高的功率。

所用的倍频晶体可以是KTP倍频晶体。

本发明的激光器由反射镜（21）、分光镜（23）和反射镜（25）对1064nm的全反特性构成了对基频光的振荡。Nd∶YAG激光工作物质（22）产生的1064nm基频光经分光镜（23）反射并聚焦在倍频晶体（24）上，被转化为532nm倍频可见光，反射镜（25）对532nm的全反射特性使其将来自倍频晶体的倍频光反射回去，形成双通倍频结构，同时，由于反射镜（25）与分光镜（23）构成半共心结构，更有利于在倍频晶体中形成高功率密度的光束，进一步提高倍频效率。分光镜（23）对532nm的高透特性使其能最大限度地输出倍频光。

本发明的一种典型实施例的结构如图2所示。各光学元件固定于调整或固定架上并安装于外壳（20）中。反射镜（21）为平面镜，其反射率R1064nm＞99.7%;反射镜（25）是曲率半径为50mm，反射率R1064nm+532nm＞99.7%的双波长全反镜;分光镜（23）是曲率半径为100mm，对1064nm的反射率大于99.7%，对532nm的透射率大于96%的二向镜;倍频晶体（24）为KTP晶体，其尺寸为4mm×4mm×5mm，其两个通光面均镀有1064nm及532nm双波长增透膜。Nd∶YAG激光工作物质（22）与反射镜（21）间的距离a＝100mm，与分光镜（23）间的距离b＝200mm;分光镜（23）与反射镜（25）间的距离c＝100mm（即为前者的焦距与后者的曲率半径之和，一般允许误差为1～2mm）。光路（26）与光路（27）的折叠角θ＝5°。本实施例的激光器的外形尺寸为500mm×100mm×100mm;在20A电流，即3.6KW的电泵浦下，纯连续倍频激光最高输出功率可达4.2W，稳定输出功率为2.8W。

由于本发明的激光器采用了半共心凹面镜结构，其损耗小，倍频效率高而且结构简单;同时，光路（26）、（27）的折叠角θ可以达到小于5°，从而使整体体积大大缩小;达到体积小、功率高的效果。具体来说，与现有技术相比，本发明具有下列优点：

1）腔内损耗进一步降低，倍频效率进一步提高

在内腔倍频Nd∶YAG激光器中，腔内极小的损耗都会引起倍频效率的明显下降。目前介质膜片的反射率可做到99.7%以上，而透过率很难大于99%，因此采用反射方法聚焦的半共心凹面镜与采用透射方法聚焦的透镜相比，损耗要小得多，更有利于高效率倍频光的获得。

2）原腔结构基本不受影响，易于腔型设计及光路调节

从几何光学的角度来看，平行光束经半共心凹面镜变换后仍是平行光，因此在Nd∶YAG激光器中引入半共心凹面镜后，原光腔的特性基本维持不变，这样对于一个已设计好的优化腔型，引入半共心凹面镜后，不需作太大改动便可用于高效倍频。相反如果采用加入透镜方法，不仅完全破坏了原腔型结构，而且光路调节也变得复杂化。

3）输出功率高。最高平均功率达4.2W，长期稳定功率为2.8W。虽然目前同类技术所取得的实验室最好结果为6.5W，但所占体积却很大，泵浦电流也很高。至于现有产品的功率，一般仅在1W左右。如果加入调Q装置，本发明激光器的功率还会大大增加，当然成本也将提高。实际上在大多数使用场合，2W的绿光功率是足够的。

4）体积小、重量轻。体积仅占500×100×100（mm）³，不仅远小于现有的同类器件，而且也小于Ar⁺激光器及一般的He-Ne激光器。

5）耗电省。工作电流仅20A，相当于消耗3.6KW的电功率，远大于Ar⁺激光的电光效率。实际上目前同类器件所报导的实验室最好结果都是在30A左右的泵浦电流下获得的。

6）结构简单。采用半共心凹面反射镜结构后，机内元件相应地被减少。

7）成本低、寿命长。通常Ar⁺激光器的工作寿命仅在1～2年内，而本发明由于采用的是固体元件，因此只要不是人为损坏，便可以长时间地一直使用下去。

Claims

1、一种由外壳、调整或固定架和光学元件构成的倍频Nd∶YAG激光器，其特征在于该激光器的光学元件包括：对1064nm全反的反射镜(21)，Nd∶YAG激光工作物质(22)，对1064nm全反、对532nm高透的分光镜(23)，倍频晶体(24)和对1064nm及532nm均全反的反射镜(25)；激光工作物质(22)位于反射镜(21)与分光镜(23)之间；分光镜(23)与反射镜(25)为一对半共心凹面镜，前者的焦点与后者的曲率圆心重合，倍频晶体(24)位于该重合点上；反射镜(21)、分光镜(23)之间的光路(26)与分光镜(23)、反射镜(25)之间的光路(27)所成的折叠角θ小于10°。

2、按照权利要求1所述的激光器，其特征是倍频晶体（24）的两个通光面均镀有1064nm及532nm双波长增透膜。

3、按照权利要求1或2所述的激光器，其特征是倍频晶体（24）为KTP晶体。

4、按照权利要求3所述的激光器，其特征是反射镜（21）为平面镜，反射镜（25）的曲率半径为50mm，分光镜（23）的曲率半径为100mm，倍频晶体（24）的尺寸为4mm×4mm×5mm;Nd∶YAG激光工作物质（22）与反射镜（21）间的距离为100mm，与分光镜（23）间的距离为200mm;分光镜（23）与反射镜（25）间的距离为100mm;光路（26）、（27）所成的折叠角为5°。