CN110277727A - 一种高功率二极管泵浦固态激光器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光器技术领域，具体为一种高功率二极管泵浦固态激光器，所述光学谐振腔在第一反射表面和第二反射表面之间具有谐振器光轴，所述第一反射表面具有高反射性，第二反射表面对于基本光束部分反射；本高功率二极管端泵浦固态激光器，提供模式极化二极管端泵浦固态激光器的改进的功率输出，提供端泵浦Q开关Nd：YAG激光器的改进的稳定性和可靠性，其具有从单脉冲到50kHz的重复率的稳定操作，通过使用在激光晶体中具有1.6至4倍激光束直径的低Nd掺杂YAG晶体来提供高效、稳定、可靠的端泵浦Q开关Nd：YAG激光器，产生具有改进的可靠性，稳定性和效率的OPO输出，具有突出的实质性特点和显著的进步。

Description

一种高功率二极管泵浦固态激光器

技术领域

本发明涉及激光器技术领域，具体为一种高功率二极管泵浦固态激光器。

背景技术

在末端泵浦激光器中，来自泵浦激光器，激光二极管阵列或光纤耦合激光二极管的泵浦辐射被引导通过透镜或透镜系统进入激光介质。已经使用诸如Nd：YVO4，Nd：YLF和Nd：YAG晶体的活性离子掺杂晶体开发了现有技术的端部泵浦激光器，其可以从两端端部泵浦。然而，热透镜，热和应力相关的双折射和畸变以及晶体破裂一直是导致限制来自激光器的激光输出功率的问题。例如，为了从Nd：YAG激光器获得更高的功率输出，尤其是在偏振TEM00模式光束轮廓中，通常需要外部放大器(参见Light Solutions和Q-Peak的产品)。已经尝试解决泵送引起的热和应力引起的问题。参见美国专利。美国专利号5,577,060。已经提供了具有未掺杂端部的端泵激光器，参见美国专利No.美国专利号5,936,984。但是功率输出仍然有限。传统观点认为，通过高亮度泵浦可实现最佳转换效率和更好的模式质量。并且为了高效率，紧凑和良好的模式质量，典型的激光谐振器的长度限制在30cm或更短，光束点尺寸直径为0.6mm或更小。此外，流行的Nd原子百分比掺杂水平约为1％。对于Nd：YLF和Nd：YVO4也是如此。在诸如Nd：YAG激光器的情况下，典型的二极管端泵浦激光器在偏振TEM00模式下产生10瓦或更小。仍然需要更好，更可靠的高功率激光器。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高功率二极管泵浦固态激光器，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种高功率二极管泵浦固态激光器，包括：

第一反射表面、第二反射表面和第三发射表面，在第一反射表面和第二反射表面之间形成光学谐振腔，所述光学谐振腔在第一反射表面和第二反射表面之间具有谐振器光轴，所述第一反射表面具有高反射性，第二反射表面对于基本光束部分反射；

激光介质，激光介质的前后两端沿光轴方向位于光学谐振腔内，用于产生从激光介质的前端和后端传播的基频激光束；

第一二极管端泵送装置，用于泵送所述激光介质前端的第一二极管端泵送装置；

光学谐振腔，用于在激光介质中为基波束提供直径为0.8mm至2.0mm的激光束直径；

光学参量振荡器，光学参量振荡器是在所述第一反射表面和第三反射表面之间形成的，所述光学参量振荡器腔具有振荡器光轴，所述振荡器光轴与谐振器光轴部分重叠；

非线性晶体，非线性晶体沿振荡器光轴位于振荡器腔内并沿着谐振器光轴与第一反射表面和第三反射表面光学连通，非线性晶体切割将基波波长光束转换成预选的输出波长光束，非线性晶体具有比基波光束更好的预选波长，沿着所述振荡器光轴并穿过非线性晶体将基波波束引导到光参量振荡器腔中，以将所述基波波长束的一部分转换成具有比基波束更长波长的预选输出波长光束；

第一发射表面发射基波波长和输出波长光束，将来自所述第一反射表面的基波和输出光束引导回非线性晶体，以形成另外的输出波长光束；

光束分离器，用于将所述输出波长光束与基波波长光束分离；

基波束引导装置，用于将分离的所述基波束引导回激光谐振腔并穿过激光介质以进一步放大；

输出光束引导装置，用于将分离的所述输出波长光束引导到第三反射表面，其中部分光束反射在非线性晶体上；

输出耦合器，用于将所述输出波长光束的一部分引导到振荡器腔外；

所述激光介质的直径为激光束直径的1.6-5.0倍，所述光学谐振腔被配置为以TEM.sub.00操作模式。

优选的，还包括围绕所述激光介质使得激光介质直接水冷的冷却夹套。

优选的，所述激光介质的直径为激光束直径的1.6-4.0倍。

优选的，还包括位于所述谐振腔内的偏振鉴别器。

优选的，所述非线性晶体是Nd掺杂的激光晶体。

优选的，所述激光晶体为YAG中掺杂0.2-0.8％的Nd。

优选的，所述激光晶体为YAG中掺杂0.4-0.6％的Nd。

优选的，所述激光晶体的长度大于20mm。

优选的，所述激光晶体为YLF中掺杂0.3-0.8％的Nd。

优选的，所述激光晶体为YLF中掺杂0.4-0.7％的Nd。

优选的，所述激光晶体的长度大于20mm。

优选的，所述激光晶体为YVO4中掺杂0.1-0.5％的Nd。

优选的，所述激光晶体为YVO4中掺杂0.2-0.4％的Nd。

优选的，所述激光晶体的长度大于12mm。

优选的，所述光学谐振腔的长度为22-100cm。

优选的，所述光学谐振腔的长度为35-100cm。

优选的，所述激光介质上还设置有用于泵送激光介质后端的第二二极管端泵送装置。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本高功率二极管端泵浦固态激光器，提供模式极化二极管端泵浦固态激光器的改进的功率输出，通过使用改进的冷却方法提供稳定和可靠的端部泵浦固态激光器，具有改进的可靠性，稳定性和效率，提供端泵浦Q开关Nd：YAG激光器的改进的稳定性和可靠性，其具有从单脉冲到50kHz的重复率的稳定操作，通过使用在激光晶体中具有1.6至4倍激光束直径的低Nd掺杂YAG晶体来提供高效、稳定、可靠的端泵浦Q开关Nd：YAG激光器，产生具有改进的可靠性，稳定性和效率的OPO输出，具有突出的实质性特点和显著的进步。

附图说明

图1为本发明二极管端泵浦激光器结构示意图；

图2为本发明二极管端泵浦激光器的另一结构示意图；

图3为本发明二极管端泵浦二次谐波激光器的示意图；

图4为本发明二极管端泵浦三次谐波激光器的示意图；

图5为本发明二极管端泵浦四次谐波激光器的示意图；

图6为本发明直接液冷激光介质单元的透视图；

图6a为本发明激光介质LM，Nd：YAG的透视图；

图7为本发明导热冷却的激光介质单元的透视图；

图7a为激光介质LM，Nd：YLF的透视图；

图7b为具有低Nd掺杂的激光介质LM，Nd：YVO的透视图；

图8为本发明二极管端泵浦腔内OPO激光器的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-8，本发明提供如下技术方案：

图1中激光介质LM中的大激光束光斑尺寸直径大于0.8mm，低有源激光离子掺杂激光介质和单光纤耦合泵浦二极管；图2中激光介质LM中的大激光束光斑尺寸直径大于0.8mm，低有源激光离子掺杂激光介质具有两个光纤耦合泵浦二极管；图3中激光介质LM中的大激光束光斑尺寸直径大于0.8mm，低有源激光离子掺杂激光介质具有两个光纤耦合泵浦二极管；图4中激光介质LM中的大激光束光斑尺寸直径大于0.8mm，低有源激光离子掺杂激光介质具有两个光纤耦合泵浦二极管；图5中激光介质LM中的大激光束光斑尺寸直径大于0.8mm，低有源激光离子掺杂激光介质具有两个光纤耦合泵浦二极管；图6中液体直接流过掺杂的激光介质LM表面而没有污染光学表面；图6a中Nd：YAG两端具有较低的Nd掺杂或没有掺杂的YAG晶体，晶体从三片扩散结合成单晶；图7中通过从一端流入水并从另一端流出来冷却电池；图7a中Nd：YLF两端具有较低的Nd掺杂或没有掺杂的YLF晶体，较高掺杂的Nd：YLF晶体位于中心；图8中激光介质LM中的大激光束光斑尺寸直径大于0.8mm，低有源激光离子掺杂激光介质具有两个光纤耦合泵浦二极管。

一种高功率二极管端泵浦固态激光器，激光器包括形成光学谐振腔的第一反射表面和第二反射表面，在激光腔内提供激光介质，特别是Nd掺杂的激光介质，例如Nd：YAG，Nd：YLF或Nd：YVO4晶体。由泵浦激光器泵浦的激光介质产生从激光介质的前端和后端传播的基频激光束，第一反射表面对基本光束具有高反射性，第二反射表面对于基本光束至少部分地反射，激光介质由二极管泵浦装置(例如激光二极管或二极管阵列)或光纤耦合激光二极管端泵浦，其波长匹配激光介质吸收带，其位于靠近前端或后端的位置，激光介质或两者兼而有之，光学谐振腔被配置成在激光介质中提供直径为约0.8mm至2mm的激光束直径用于基波束，理想地，激光介质的直径为激光介质中基本光束直径的约1.6至4倍。理想地，围绕激光介质提供冷却夹套，使得在Nd：YAG激光器的情况下激光介质直接水冷；理想地，谐振器腔也被配置成使得基波束在TEM00模式下操作；理想地，偏振鉴别器，例如偏振器或布鲁斯特板位于谐振器腔内，以区分一个偏振而不是另一个偏振，以有利于特定的偏振。

本发明理想地用于Nd：YAG激光器中。现有技术的Nd：YAG激光器具有诸如热和应力引起的双折射和畸变，消偏振损失和模式质量差的缺点。现有技术的Nd：YAG激光器在极化TEM下不能达到超过10瓦的输出功率。此外，在10瓦特时，这种激光器的操作是不可靠的，并且功率输出可能每天变化，部分原因是机械安装引起的对Nd：YAG激光晶体的应力。根据本发明，提供了一种端部泵浦的Nd：YAG激光器，其可以产生高于10瓦的输出，优选地，15瓦或更高，最优选地为20瓦或更高，并且具有长期稳定的操作。

在本发明的另一方面，使用Nd掺杂的晶体。特别地，使用低Nd掺杂的Nd：YAG，Nd：YLF和Nd：YVO4晶体。提供多掺杂水平晶体或没有掺杂末端的晶体。也可以使用单个低Nd掺杂晶体。

通常，Nd：YAG，Nd：YLF和Nd：YVO4晶体在现有技术中以约1％掺杂。根据本发明，所用的晶体优选是低掺杂的，即Nd：YAG掺杂0.2％至0.8％Nd；优选地，掺杂约0.4％至约0.6％的Nd。对于单片Nd：YLF，晶体优选以约0.3％至约0.8％Nd，优选约0.4％至0.7％Nd掺杂。对于单片Nd：YVO4，晶体优选地以约0.1至约0.5％Nd原子百分比，优选约0.2％至约0.4％Nd低掺杂。这些单片低掺杂Nd晶体也可以在没有掺杂或低掺杂末端的情况下使用。

在本发明的另一方面，使用低掺杂的Nd：YAG，Nd：YLF和Nd：YVO4晶体。Nd：YAG或Nd：YLF的总晶体长度(单个或多个掺杂区和/或未掺杂的末端)的长度至少为20mm。Nd：YVO4(单个或多个掺杂区和/或未掺杂的末端)的总晶体长度至少为12mm。

在本发明的另一个方面，激光谐振器的设计是为了使激光介质中的TEM00模光斑尺寸为0.8mm至2.0mm。谐振腔长度理想地为22cm至100cm或更大，优选为35cm至100cm。对于谐振器设计，可以使用商业光学软件，例如由亚利桑那州图森市的Focus Software，Inc。提供的GLAD通用激光分析和设计软件。或者可以根据ABCD矩阵定律设计谐振器，由A.Yariv解释。光学电子学，二极管端泵浦固态激光器的典型TEM00模式光点尺寸具有0.6mm或更小的束斑尺寸，在现有技术中谐振器长度通常为20cm或更小。

在本发明的另一方面，特别是对于Nd：YAG晶体，提供直接液体冷却外壳。在现有技术中，在极化TEM00模式Nd：YAG激光器中，传导冷却，其中激光晶体被包裹在薄铟箔中，然后直接安装在导热散热器中。散热器通过液体或空气冷却。晶体直径基本上大于晶体中的激光束光斑尺寸，例如6倍到10倍，大于光斑尺寸。

在本发明的另一个方面，Nd掺杂的激光介质如Nd：YAG，Nd：YLF和Nd：YVO4晶体的横截面直径是激光介质中激光束直径的5倍至小于5倍。

在本发明的另一方面，可以提供第二，第三或第四谐波或更高的激光。当提供二次谐波激光器时，二次谐波发生器，例如I型或II型相位匹配非线性晶体，例如LBO，BBO，KTP晶体位于腔中，与基波光束光通信。提供了对来自基波的二次谐波光束的高光学转换效率。

当需要三次谐波激光器时，二次谐波发生器和三次谐波发生器都位于光学谐振腔中，与基波光束进行光学通信；当需要四次谐波激光器时，二次谐波发生器，三次谐波和四次谐波发生器都位于光学谐振腔中，与基波光束通信。这种谐波激光器具有改进的效率和功率。

在本发明的谐波产生方面中有用的是用于二次谐波产生的I型或II型相位匹配非线性晶体和用于三次谐波产生的I型或II型相位匹配晶体，以及I型第四次谐波产生晶体。在用于二次谐波产生的I型相位匹配晶体中，基本光束与所得到的二次谐波光束的方向正交偏振。在用于三次谐波产生的I型匹配晶体中，入射在I型晶体上的基波束和二次谐波束彼此平行偏振，并产生与第一和第二谐波光束垂直偏振的三次谐波光束。在用于三次谐波产生的II型相位匹配晶体中，基波束和二次谐波光束被正交偏振并产生三次谐波光束，其偏振平行于一个输入光束的偏振(例如，在II型LBO晶体中)基波束(1064nm)和三次谐波束(355nm)的偏振将是平行的。四次谐波产生晶体也很有用。合适的晶体的实例包括LiNBo3，BaNa(NbO3)；LiO3，KDP，KTiOPO4，LBO，BBO，CLBO等和其他周期极化非线性器件。

在本发明的另一方面，可以提供光学谐振腔内光学参量振荡器。I型或II型相位匹配的非线性晶体，例如LBO，BBO，KTP或KTA晶体或其他OPO非线性介质可用于与基波光学通信的腔体中。提供了从基波输出到OPO的高光学转换效率。

现在参考附图1，图1示出了根据本发明的高功率激光器的实施例，谐振腔设置在两个反射表面之间，优选地在反射镜M1和反射镜M2之间。反射镜M1至少部分地反射基波光束，并且优选地部分透射，以使基波光束充当激光器的输出耦合器。理想地，反射镜M1对于由根据本发明的高功率激光器产生的基本光束是大约85％反射的和15％透射的。同样位于腔内的是反射镜，优选地是折叠镜M3，其沿光轴定位并有助于限定反射镜M1和反射镜M2之间的光轴。折叠镜M3对基本光束具有高反射性，激光介质LM位于反射镜M2和折叠镜M3之间的空腔内。理想地，折叠镜M3位于激光介质LM附近。二极管泵浦源DP1与折叠镜M3光学连通，以终止泵浦激光介质LM。激光介质LM优选是激光晶体，最优选是Nd掺杂的激光晶体，理想的是低掺杂的Nd激光晶体，特别是Nd：YLF，Nd：YAG或Nd：YVO4激光晶体。折叠镜M3对基波光束具有高反射性，对二极管泵浦激光光源的频率具有高透射性。折叠镜M3与从激光介质LM传播的光束成一角度，使得它以与反射镜M1成一定角度的光束反射光束，其中反射镜M1将光束的一部分反射回折叠镜M3，在那里反射镜重定向穿过激光介质LM。光学谐振腔配置成在激光介质内具有0.8mm至2mm的激光束直径。晶体直径为1.6倍，在激光介质中激光束直径为4倍。

在操作中，激光介质LM的前端由二极管泵浦源DP1端部泵浦。激光介质LM激光并且基本光束从激光介质LM的前端和后端传播。由激光介质LM产生的基波光束被反射镜M2反射。然后光束被引导回穿过由折叠镜M3反射的激光介质LM到反射镜M1，其中一部分从光学谐振腔体中移除作为激光器的输出并且一部分被反射回折叠镜M3到激光介质LM。由此产生的激光具有高功率和高稳定性。

参考图2，其公开了根据本发明的高功率激光器的另一实施例。如图2所示，光学谐振腔设置在反射表面，优选反射镜M1和反射镜M2之间。反射镜M1反射表面至少部分地反射基波束，并且部分透射基波束。通常需要85％的反射和15％的透射率，尽管可以使用其他百分比。反射镜M2对基波光束具有高反射性。激光介质LM设置在反射镜M1和反射镜M2之间提供的光学谐振腔内。优选地，激光介质是Nd：YLF，Nd：YAG或Nd：YVO4晶体。最优选Nd：YAG晶体，最优选低Nd掺杂的Nd：YAG晶体，掺杂至0.2％至约0.8％，理想地为0.4％至约0.6％。优选地，激光晶体的直径为晶体中基本光束直径的1.6至4倍。穿过晶体的晶体纵轴在晶体的前端FE和其后端BE之间沿激光晶体的纵向设置。折叠镜M3和折叠镜M4位于反射镜M1和反射镜M2之间提供的光学谐振腔内。折叠镜M3与晶体纵轴成角度地定向，使得从前端沿晶体中的晶体纵轴传播的激光束优选以锐角从激光晶体朝向反射镜M1反射。折叠镜M4类似地沿纵向轴线成角度地定向，以反射从激光介质的后端BE以锐角朝向反射镜M2传播的基本光束。折叠镜M3和折叠镜M4位于激光介质LM附近。提供第一二极管泵浦源DP1，优选地邻近折叠镜M3。提供第二二极管泵浦源DP2，优选地与折叠镜M4相邻。理想地，如果需要和使用的话，偏振鉴别器，理想地至少一个布鲁斯特板BP设置在反射镜M2和折叠镜M4之间，或光学谐振器内的任何其他位置。偏振鉴别器可以是例如布鲁斯特板，或在光学谐振腔内提供偏振光束的其他装置。折叠镜M3和折叠镜M4对基波光束具有高反射性，对二极管泵浦光源的频率具有高透射性。通过冷却温度指定或调节二极管源的波长以匹配激光介质的吸收带。例如，对于Nd：YAG激光晶体，其中一个吸收带约为808nm，对于Nd：YLF激光晶体，约为797nm，另一个为约804nm，对于Nd：YVO4，约为808nm。可以使用替代的吸收带，光学谐振腔被配置成在激光介质中为基波束提供约0.8mm至2.0mm的激光束直径，并且优选地以极化TEM.sub.00模式操作。

在操作中，二极管泵浦源DP1和DP2产生二极管激光束，其波长匹配激光介质的吸收带。在通过透镜组件LS之后，泵浦光束由折叠镜M4和折叠镜M3传输，并激励激光介质LM。通过适当的对准，激光以预选的基本光束频率激光：例如，对于频率为1064nm的Nd：YAG晶体。基本光束从激光介质LM的前端FE和后端BE传播，并沿光轴行进，在那里被折叠镜M3反射到反射镜M1，在那里一部分光束被透射，一部分被反射回折叠镜M3在激光晶体上反射回来。从激光介质LM的后端BE传播的光束被折叠镜M4通过偏振鉴别器BP反射。然后光束被高反射镜M2反射。光学谐振腔被配置成在激光介质中赋予激光束直径，优选地，Nd：YAG晶体的激光束直径为约0.8mm至2.0mm。激光介质的直径为基本光束直径的约1.6至4倍。冷却套，最好如图1所示，提供图6的装置以直接冷却激光介质，优选地，Nd：YAG晶体。理想地，Nd：YAG晶体LM以0.2％至约8％的低水平掺杂，优选约0.4％至约0.6％。激光器优选以TEM.sub.00模式操作。

实施例1

如图1所示的激光器，构造图2：DP1和DP2是来自加利福尼亚州圣克拉拉市的Coherent Semiconductor Laser Group的30瓦光纤耦合二极管激光器。光纤耦合二极管的输出是通过直径为0.8mm的单模光纤。通过透镜组件LS，根据激光介质中的激光基本光束直径，在波长约808nm，0.2NA的光纤端输出30瓦，反射到Nd：YAG激光晶体中。成像二极管泵浦束腰约1毫米。如图1所示的激光介质。图6a包括中心部分：直径3mm×30mm长0.5％Nd掺杂Nd：YAG晶体，两端直径3mm×5mm长度未掺杂YAG晶体通过扩散结合(Onyx Optics，都柏林，加利福尼亚州)，总晶体长度为40毫米，将YAG晶体安装在水冷却的电池中，两个O形圈和不锈钢板固定YAG晶体的每一端，所有30mm长的Nd：YAG晶体部分直接用水冷却。水从一端流入，从另一端流出，总谐振腔的长度约为50厘米，设计谐振器以在YAG晶体中提供直径约0.9mm的TEM00模式光点尺寸。BP是以约布鲁斯特角取向的薄熔融二氧化硅，其作为偏振鉴别器。反射镜M1是部分反射器，在1064nm的激光波长下具有85％的反射。反射镜M2是高反射器，在1064nm处具有99.9％的反射。折叠镜M3和折叠镜M4在1064nm处以高反射(99.9％)涂覆，在808nm处以高透射率(97％)涂覆。激光晶体的总泵浦功率约为57瓦，来自激光器的1064nm的输出功率是22瓦极化TEM00模式功率，从泵浦功率到极化TEM00模式输出功率的转换效率为38.5％。激光输出稳定可靠。

实施例2

如实施例1中所述，将激光晶体替换为直径为4mm×30mm的相同的0.5％Nd掺杂和两个4mm×5mm(长度)未掺杂的末端。所有其他描述都是相同的。我们实现了19.0瓦的极化TEM00模式输出。转换效率为31.6％。效率低于实施例1的激光输出稳定可靠。虽然不如实施例1那样好，但模式质量非常好。

在本发明的另一方面，可以根据本发明提供谐波光束，根据本发明的装置特别适合于制造高功率谐波光束激光器，参考图3，图4和图5。参照图3，提供二次谐波激光器。理想地，激光介质LM是Nd：YAG，Nd：YLF或Nd：YVO4。谐振腔设置在反射表面之间，优选反射镜M10和M12。反射镜M10和M12都对基波光束具有高反射性，对于Nd：YAG激光器，它将是1064nm。反射镜M12对二次谐波光束也具有高反射性，对于Nd：YAG激光器，其为532nm。在光学谐振腔内提供可选的QS开关，与反射镜M10相邻，或者，如果需要，实际和允许空间，QS开关可以位于光学谐振腔中的任何位置；透镜组件LS设置在二极管泵浦源DP1和折叠镜M3之间以及二极管泵浦源DP2和折叠镜M4之间。以与参考图1所述相同的方式泵送激光介质LM。从折叠镜M4反射的基本光束被引导通过二向色镜M13，该二向色镜M13定向在基波束的布鲁斯特角处或附近。二向色镜M13的侧面10未涂覆，并且二向色镜M13的侧面12涂覆在二次谐波光束处的高反射和在“P”极化处的基波光束处的高透射率。或者，如果二向色镜M13的取向不是布鲁斯特角，则二向色镜M13的侧面10可以涂覆在“P”极化处的基波光束处的高透射率。结果，有利于P偏振的基波光束，并且将区分“S”偏振。因此，激光器将在谐振器中基本上以P偏振方式工作。基波束被引导穿过二次谐波发生器SHG，该二次谐波发生器SHG优选地是二次谐波非线性晶体，例如LBO或BBO或KTP晶体或其他非线性SHG发生器，其中一部分基波光束被转换成二次谐波。反射镜M12对基波和二次谐波光束具有高反射性，并将二次谐波和基本光束反射回二次谐波发生器SHG，其中基波光束的另一部分被转换为二次谐波。二向色镜M13(侧面12)对于二次谐波具有高反射性，对于从二次谐波发生器SHG传播的基本光束具有高透射性。然后，从二次谐波晶体SHG传播的二次谐波光束被二向色镜M13反射到反射镜M14，反射镜M14也对二次谐波具有高反射性，并且作为激光器的输出被引导到腔体外部。基本光束由二向色镜M13透射，由反射镜M4反射并再次通过激光介质LM进行放大。

实施例3

如图1所示的激光器，参考实施例1-2，用于DP1，DP2，LM，水冷电池，LS，M3，M4和谐振器，M13侧12在532nm“S”处涂覆约99.5％的反射，在1064nm处涂覆约99.8％的透射率“P”，并且对于入射的基波和二次谐波光束取向为约56度。M13侧10未涂层，M13的基材是熔融二氧化硅，厚度约1mm。声光Q开关QS插入腔体中并以Brag角定向，以便在cw射频功率打开时激光器保持关闭，M13的作用类似于偏振鉴别器，它迫使激光器以“P”极化工作在基波光束中，M10是高反射体，在1064nm处具有约99.9％，M12是高反射器，在1064nm和532nm处具有约99.9％的反射，SHG是二次谐波产生LBO晶体，横截面尺寸为3mm×3mm，长度为10mm，LBO晶体被切割为临界相位匹配，用于1064nm的二次谐波产生，其中θ＝90度且phi＝11.4度。激光晶体Nd：YAG的总泵浦功率约为57瓦。Q开关重复率为10kHz时激光器在532nm处的输出功率为15瓦极化TEM00模式功率，脉冲宽度为40ns(FWHM)，二次谐波激光器非常稳定可靠，该激光器可以可靠地以单脉冲至50kHz的重复频率工作。在实施例1中，如果在谐振器中插入相同的A-Oq开关，则在脉冲宽度约为50ns(FWHM)的情况下，以1064nm的10kHz的重复率实现15瓦极化TEM00模式输出。从基波功率到二次谐波功率的转换效率约为1比1，这是一种高效，高功率，极化的TEM00模式直接二次谐波激光器。与传统的外部二次谐波激光器相比，它的效率大约是其两倍，具有更好的可靠性和稳定性。

现在参考图4，除了提供三次谐波光束输出之外，其余均为THG位于SHG和光束分离器M15之间。用于产生由激光器发射的基频的二次谐波频率的二次谐波发生器，用于产生基频的三次谐波频率的三次谐波发生器都设置在腔内。

在该实施例中有用的是用于二次谐波产生的I型相位匹配晶体和用于三次谐波产生的II型相位匹配晶体。在用于二次谐波产生的I型相位匹配晶体中，基本光束垂直于晶体轴(O或普通光线)偏振，并且产生的二次谐波光束平行于光轴(E或非常光束)偏振。在用于三次谐波产生的II型相位匹配晶体中，基波束和二次谐波束被正交偏振并产生三次谐波光束，其极化为两个输入光束之一(例如，在II型LBO晶体中，极化为基波束和三次谐波波束将是平行的}。

基本光束被折叠镜M4反射到二向色镜M15，二向色镜M15与反射镜M12光学连通。在二向色镜M15和反射镜M12之间是三次谐波发生器THG和二次谐波发生器SHG。在与二向色镜M15的光学通信中，反射镜M16对三次谐波光束具有高反射性。在操作中，基本光束被折叠镜M4反射，在那里它被引导到二向色镜M15，该二向色镜M15对于P偏振的基本光束是高度透射的。二向色镜M15优选地以布鲁斯特角或接近于沿光轴传播的基本光束定向。二向色镜M15的侧面14未涂覆，M15的侧面16涂覆在三次谐波光束处的高反射和在“P”极化处的基本光束处的高透射率。或者，如果二向色镜M15的取向不是布鲁斯特角，则二向色镜M15的侧面14可以涂覆在“P”极化处的基波光束处的高透射率。结果，有利于P偏振的基波光束，并且将区分“S”偏振。因此，激光器将在基波波长下基本上以P偏振方式工作。然后基波光束通过三次谐波发生器THG，它最好是三次谐波非线性晶体，最好是II型LBO晶体。由于II型THG非线性晶体在相位匹配条件下只能将基波束与二次谐波波束一起转换为三次谐波，因此在基波束通过三次谐波发生器的第一次通过时不会形成三次谐波波束。然后基波光束通过二次谐波发生器，其中一部分基波光束被转换成二次谐波，然后，二次谐波和基波光束被反射镜M12反射回到二次谐波发生器SHG，其中基本光束的另一部分再次转换成二次谐波，然后将基波和二次谐波引导通过三次谐波发生器，其中一部分基波和二次谐波波束被转换成三次谐波波束，然后，二向色光束被二向色镜M15侧16反射到反射镜M16，反射镜M16可以是二向色镜，在三次谐波处具有高反射，在二次谐波处具有高透射率，其中它被引导到腔外作为输出。基本光束由二向色镜M15传输并被引导到折叠镜M4，在那里它再次通过激光介质进行放大。

实施例4

如图1所示的激光器，构建实施例4：参考实施例3，实施例3用于DP1，DP2，LM，水冷电池，LS，M3，M4，M10，M12，QS，SHG和谐振器。M15侧16在355nm“P”处涂覆约99％的反射率，在1064nm“P”处涂覆约99.8％的“P”透射率，并且对于入射的基波，二次谐波和三次谐波光束取向为约56度。M15侧14未涂层。M15的基材是熔融二氧化硅，厚度约1mm。M15的作用类似于偏振鉴别器，它迫使激光器以“P”极化工作在基波光束中。激光晶体Nd：YG的总泵浦功率约为57瓦，THG是II型相位匹配LBO晶体，尺寸为3mm×3mm横截面，长度为15mm，在Q开关重复率为10kHz时来自激光器的355nm输出功率是11瓦极化TEM00模式功率，脉冲宽度为38ns(FWHM)，三次谐波激光器非常稳定可靠，该激光器可以可靠地以单脉冲至50kHz的重复频率工作，从基波输出的三次谐波效率约为70％。这是一种高效，高功率，极化TEM00模式的直接三次谐波激光器，与传统的外部三次谐波激光器相比，效率提高了一倍以上，具有更好的可靠性和稳定性。

根据本发明可以提供四次谐波激光器。设置位于光学谐振腔内的二次谐波LBO晶体(用于临界相位匹配或非临界相位匹配的切割)，用于将一部分基波光束转换成二次谐波光束。II型三倍频LBO非线性晶体(用于临界相位匹配的切割)也位于激光谐振腔内，来自激光器的基频光束被引导通过光学腔内的I型倍频晶体，结果，一部分基波光束被转换成二次谐波光束，基波和二次谐波光束通过I型晶体反射回来，其中在将二次谐波光束转换为高次谐波光束之前，基波光束再次部分地转换为二次谐波光束，然后将得到的基波和二次谐波光束导向II型三倍频LBO非线性晶体，当基波和二次谐波光束时，它将一部分基波光束和大部分二次谐波光束转换为三次谐波频率，通过三倍频晶体传播，然后将三次谐波光束和未转换的基波光束引导穿过I型四次谐波LBO晶体切口，用于临界相位匹配，其中基波光束的一部分和三次谐波光束的一部分在两者都被转换为四次谐波频率时三次谐波光束通过四倍频率的晶体传播，然后将作为基波，二次谐波，三次谐波和四次谐波的所得光束导向四次谐波分离器，其中四次谐波光束从基本光束分离并被引导到光学谐振腔之外作为激光器的输出，第二紫外线分离器可以放置在第一谐波分离器和激光介质LM之间，以阻挡任何通过LM的紫外光束，然后将基波束引导回激光介质以进行放大。基波和未转换的二次谐波光束都可以被引导回激光介质以提高其效率。

参考图5，除了在THG和光束分离器M17之间提供四次谐波发生器FHG之外，图4中在镜子M4和M12之间提供二向色镜M17，四次谐波发生器与镜子M17和镜子M12光学连通，提供三次谐波发生器THG与第四谐波发生器FHG光通信，提供二次谐波SHG发生器，其与三次谐波发生器THG光学通信，在操作中，基波光束被引导到二向色镜M17，该二向色镜M17对于P偏振的基本光束是高度透射的，二向色镜M17优选以布鲁斯特角或接近于沿光轴传播的基本光束定向，M17的侧面18未涂覆，M17的侧面20涂覆在四次谐波光束处的高反射和在“P”极化处的基本光束处的高透射率，或者，如果M17的取向不是布鲁斯特角，则可以在“P”极化的基波光束处涂覆M17的侧面18以实现高透射率，结果，有利于P偏振的基波光束，并且将区分“S”偏振。因此，激光器将在基波波长下基本上以P偏振方式工作。对于四次谐波光束具有高反射性的反射镜M18与M17光学连通，可选地，M18可以是光束分离器，以将2.sup.th谐波与2.sup.nd和3.sup.rd谐波分开，P偏振的基波光束通过镜子M17，在那里它发生在四次谐波发生器FHG上，四次谐波发生器FHG，理想地是四次谐波发生器，优选地是I型LBO四次谐波非线性晶体，其在存在基波束的情况下将三次谐波光束转换为四次谐波光束，然后基波光束通过第四谐波光束发生器FHG传播，在那里它不受影响，然后基波光束通过三次谐波发生器传播，在那里它也不受影响，然后它通过二次谐波发生器SHG，其中一部分基波光束被转换成二次谐波，然后，二次谐波和基波光束被镜子M12反射，第二次通过二次谐波发生器，其中基本光束的另一部分被转换成二次谐波光束。然后，二次谐波和基波光束通过三次谐波发生器，其中一部分基波和二次谐波被转换为三次谐波，然后，从三次谐波发生器传播的光束被引导穿过四次谐波发生器，其中一部分三次谐波和基本光束被转换成四次谐波光束。然后光束传播到反射镜M17，在那里基波光束被传回激光介质以进行放大，四次谐波光束被反射镜M17和M18反射并被引导到腔体外部，关于四次谐波产生的进一步详细讨论，参见申请人的申请，1999年3月16日提交的题为“第四谐波发生装置”的美国专利No.277,394，在此引入作为参考。

参考图6，提供直接水冷LM电池。或者，可以使用其他冷却液。晶体是0.5％Nd掺杂的Nd：YAG，长30mm，每侧5mm长的未掺杂端。晶体直径为3毫米。或者，未掺杂的末端可以用低掺杂的Nd：YAG晶体代替，例如掺杂水平为约0.1％的晶体，该晶体由加利福尼亚州都柏林的Onyx Optics扩散粘合。除光学面之外的所有表面沿光轴直接0.5％Nd掺杂的YAG晶体直接水冷，水从一端进入，从另一端流出，O形环和不锈钢板保持并密封未掺杂或约0.1％掺杂的YAG晶体端，未显示水输入端口和出口端口(下方)，对于激光波长和泵浦波长，两个光学晶面都是抗反射涂层，通过水冷电池，消除了与导电冷却相关的机械安装应力，对于Nd：YAG激光器，它特别重要，因为除了热致应力之外的机械应力导致高效率，高功率偏振TEM00模式激光器的不可靠操作。而且，低掺杂产生了令人惊讶的优异结果，这与寻求高耦合效率，高吸收泵浦功率的传统观点相矛盾，较小的晶体直径也可以产生更高的功率输出和更好的稳定性，冷却，低掺杂和较小直径的激光晶体的类似布置也改善了Nd：YVO4和Nd：YLF的输出功率，效率和可靠性。

参见图1、图2、图7和7a所示，提供导电冷却单元，提供三片Nd：YLF晶体，晶体30是Nd 0.4％Nd，掺杂尺寸为直径4mm×7mm长，晶体31是1％掺杂的Nd，其直径为4mm×长度为20mm。三个部件沿“c”轴对齐，并由125微米厚的铟箔包裹，铟箔包裹三片Nd：YLF晶体直接安装在铜电池中，通过流动的水冷却铜电池，现在参考图1和图3，构建Nd：YLF激光器，激光基本光束光斑尺寸设计为直径约1.0mm，两个30瓦光纤耦合二极管的总泵浦功率为57瓦，二次谐波TEM00模式输出功率在重复率为3kHz时约为14瓦，在极化TEM00模式下，其基波连续波输出功率测得为23瓦，其泵送功率的转换效率约为40％，泵浦功率的中心波长约为804nm，激光器非常可靠和高效。

再次参考图1、图7和图7a，在图1中，使用单光纤耦合二极管泵浦激光器(来自Coherent，Santa Clara，Calif。的30瓦版本)泵浦Nd：YVO4激光器，在这种情况下，泵浦二极管的中心波长约为808nm，激光束光斑尺寸设计为直径约0.9mm，将尺寸为3mm×3mm横截面和15mm长的0.3％掺杂的Nd：YVO4晶体包裹在100微米厚的铟箔中，将铟箔包裹的Nd：YVO4晶体直接安装在导电冷却的铜电池中，通过从一端流出水并从另一端离开来冷却电池，通过29瓦的泵浦功率，实现了14.5瓦的极化TEM00模式，转换效率为50％，当激光器进行A-Oq开关时，它以20kHz的重复频率产生11瓦的TEM00模式偏振平均功率输出，脉冲宽度(FWHM)为30ns，11瓦TEM00模式极化二次谐波，532nm输出功率，20kHz，脉冲宽度为25ns，从基波到二次谐波的转换效率再次为1比1，这是一种高效，稳定的激光器。

根据本发明的激光晶体优选直接水冷，特别是对于极化TEM00模式下的Nd：YAG高功率，高效激光。优选地，如上所述，低掺杂激光介质，期望提供冷却夹套以提供与激光介质的直接水接触。优选地，激光晶体，最优选地，Nd：YAG棒或棒，理想地，Nd：YAG棒具有0.2％至0.8％的低Nd掺杂，或Nd掺杂的多个区域。在多掺杂区的情况下，理想地，掺杂水平随着距泵浦激光器的距离的增加而增加。如美国专利No.5,199,071中所述的激光晶1998年5月5日提交的美国专利No.080,328特别有用，该专利在此引入作为参考。理想地，在多区域的情况下，激光介质在与泵浦激光器相邻的一端或多端具有预选的较低掺杂水平。随着与泵浦激光器的距离增加，掺杂水平增加。优选地，激光介质具有至少两个区域，所述区域在两个区域中具有不同水平的掺杂激光活性离子，第一区具有预选水平的掺杂激光活性离子，位于第一区和第一泵浦激光器之间的第二区具有比第一区低的掺杂水平的激光活性离子，理想地，第二区中的掺杂水平为第一区中掺杂水平的5％至70％，当从两端泵浦激光器时，激光介质优选地包括第三区和第二泵浦激光器，第三区域的掺杂激光活性离子水平低于第一区域，理想地，第三区中的掺杂水平为第一区中掺杂水平的5％至70％，在液冷单元中，下掺杂端可以不是交替掺杂的活性离子。

三区Nd：YAG，中心区掺杂约0.4％至0.6％，泵浦激光器附近区掺杂约0.1％至约0.2％，优选约0.1％，或者，可以提供三个区域Nd：YAG晶体，优选在中心区域掺杂约0.3％至0.8％，优选约0.4％至0.6％，也可以在任一侧提供未被覆盖的区域。未掺杂或下部Nd掺杂区域用于收缩冷却套管并将激光棒保持在适当位置，由于二极管泵浦激光器的强度最终最大，因此在末端使用未掺杂或较低Nd掺杂的晶体并减少晶体中的热应力并使得热分布更均匀。

在本发明的另一方面，根据本发明提供了腔内光学参量振荡器。根据本发明的装置特别适合于产生高功率OPO输出，用于谐振器设计，M10，QS，M3，M4，DP1，DP2，LS。理想地，激光介质LM是Nd：YAG，Nd：YLF或Nd：YVO 4。谐振腔设置在优选反射镜M10和M22的反射表面之间。镜子M10和M22对于基本光束都是高反射性的，对于Nd：YAG激光器，其将是1064nm。镜子M22对于OPO的预选信号波也是高反射性的并且对于惰性波是透射的，其中一个例子是闲散波是2602nm，信号是1800nm。或者，M22可以部分反射信号波，并用作OPO的输出耦合器。在腔内提供可选的QS开关，期望与镜子M10相邻。或者，如果需要，QS可以位于腔体中的任何位置，允许实际和空间。从反射镜M4反射的基本光束被引导通过二向色镜M20，该二向色镜M20定向在基波束的布鲁斯特角处或附近，M20的侧面22未涂覆，M20的侧面24涂覆在信号波长处的高反射和在“P”极化处的基波束处的高透射率。或者，如果M20的取向不是布鲁斯特角，则可以在“P”极化处在基波束处涂覆M20的侧面22以实现高透射率，结果，有利于P偏振的基波光束，并且将区分“S”偏振。因此，激光器将在谐振器中基本上以P偏振方式工作，反射镜M21对于信号波是部分反射的和部分透射的并且对于闲散波是透射的，OPO谐振器形成在M21和镜子M22之间，基波束被引导穿过非线性OPO发生器，该发生器优选地是非线性晶体，例如LBO或BBO或KTP或KTA晶体或任何其它合适的晶体，其中基本光束的一部分被转换成信号和闲置波。激光基频＝信号波频率+闲频波频率的相位匹配条件，可以控制非线性晶体角度或晶体温度来控制输出信号频率。激光基波和OPO信号波束被反射回非线性OPO晶体，其中基波光束的另一部分被转换成信号波和闲波，激光基波束通过M20到达激光介质LM以进一步放大，信号波将在M21和M22之间振荡，并通过输出耦合器M21产生输出，激光基波束用作OPO的泵浦光束。在这种布置中，不会浪费基本激光束，OPO非常高效。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (17)

1.一种高功率二极管泵浦固态激光器，其特征在于，包括：

第一反射表面、第二反射表面和第三发射表面，在第一反射表面和第二反射表面之间形成光学谐振腔，所述光学谐振腔在第一反射表面和第二反射表面之间具有谐振器光轴，所述第一反射表面具有高反射性，第二反射表面对于基本光束部分反射；

激光介质，激光介质的前后两端沿光轴方向位于光学谐振腔内，用于产生从激光介质的前端和后端传播的基频激光束；

第一二极管端泵送装置，用于泵送所述激光介质前端的第一二极管端泵送装置；

光学谐振腔，用于在激光介质中为基波束提供直径为0.8mm至2.0mm的激光束直径；

光学参量振荡器，光学参量振荡器是在所述第一反射表面和第三反射表面之间形成的，所述光学参量振荡器腔具有振荡器光轴，所述振荡器光轴与谐振器光轴部分重叠；

非线性晶体，非线性晶体沿振荡器光轴位于振荡器腔内并沿着谐振器光轴与第一反射表面和第三反射表面光学连通，非线性晶体切割将基波波长光束转换成预选的输出波长光束，非线性晶体具有比基波光束更好的预选波长，沿着所述振荡器光轴并穿过非线性晶体将基波波束引导到光参量振荡器腔中，以将所述基波波长束的一部分转换成具有比基波束更长波长的预选输出波长光束；

第一发射表面发射基波波长和输出波长光束，将来自所述第一反射表面的基波和输出光束引导回非线性晶体，以形成另外的输出波长光束；

光束分离器，用于将所述输出波长光束与基波波长光束分离；

基波束引导装置，用于将分离的所述基波束引导回激光谐振腔并穿过激光介质以进一步放大；

输出光束引导装置，用于将分离的所述输出波长光束引导到第三反射表面，其中部分光束反射在非线性晶体上；

输出耦合器，用于将所述输出波长光束的一部分引导到振荡器腔外；

所述激光介质的直径为激光束直径的1.6-5.0倍，所述光学谐振腔被配置为以TEM.sub.00操作模式。

2.根据权利要求1所述的一种高功率二极管泵浦固态激光器，其特征在于：还包括围绕所述激光介质使得激光介质直接水冷的冷却夹套。

3.根据权利要求1所述的一种高功率二极管泵浦固态激光器，其特征在于：所述激光介质的直径为激光束直径的1.6-4.0倍。

4.根据权利要求1所述的一种高功率二极管泵浦固态激光器，其特征在于：还包括位于所述谐振腔内的偏振鉴别器。

5.根据权利要求1所述的一种高功率二极管泵浦固态激光器，其特征在于：所述非线性晶体是Nd掺杂的激光晶体。

6.根据权利要求5所述的一种高功率二极管泵浦固态激光器，其特征在于：所述激光晶体为YAG中掺杂0.2-0.8％的Nd。

7.根据权利要求6所述的一种高功率二极管泵浦固态激光器，其特征在于：所述激光晶体为YAG中掺杂0.4-0.6％的Nd。

8.根据权利要求6所述的一种高功率二极管泵浦固态激光器，其特征在于：所述激光晶体的长度大于20mm。

9.根据权利要求5所述的一种高功率二极管泵浦固态激光器，其特征在于：所述激光晶体为YLF中掺杂0.3-0.8％的Nd。

10.根据权利要求9所述的一种高功率二极管泵浦固态激光器，其特征在于：所述激光晶体为YLF中掺杂0.4-0.7％的Nd。

11.根据权利要求9所述的一种高功率二极管泵浦固态激光器，其特征在于：所述激光晶体的长度大于20mm。

12.根据权利要求5所述的一种高功率二极管泵浦固态激光器，其特征在于：所述激光晶体为YVO4中掺杂0.1-0.5％的Nd。

13.根据权利要求12所述的一种高功率二极管泵浦固态激光器，其特征在于：所述激光晶体为YVO4中掺杂0.2-0.4％的Nd。

14.根据权利要求12所述的一种高功率二极管泵浦固态激光器，其特征在于：所述激光晶体的长度大于12mm。

15.根据权利要求1所述的一种高功率二极管泵浦固态激光器，其特征在于：所述光学谐振腔的长度为22-100cm。

16.根据权利要求15所述的一种高功率二极管泵浦固态激光器，其特征在于：所述光学谐振腔的长度为35-100cm。

17.根据权利要求1所述的一种高功率二极管泵浦固态激光器，其特征在于：所述激光介质上还设置有用于泵送激光介质后端的第二二极管端泵送装置。