CN1116720C - 激光谐振腔、激光器、激光器应用设备及激光振荡的方法 - Google Patents

Abstract

一种激光谐振腔，包括由含Cr的氟化物制成的激光晶体和光学部件，光学部件包括输入侧共振反射镜和输出侧共振反射镜，激光由输入侧共振反射镜输入，激发激光晶体而由输出侧共振反射镜输出，谐振腔内的激光晶体和光学部件各元件中至少一个开口直径5倍或更多于第一激光束的直径，第一激光束由激光晶体在谐振腔内振荡辐射所得。本发明还公开了包括该激光谐振腔的激光器，采用此类激光器的激光器应用设备及一种激光振荡方法。

Description

激光谐振腔、激光器、激光器应用 设备及激光振荡的方法

技术领域

本发明涉及光电子领域，具体地说，涉及激光谐振器、激光器、激光器应用设备和激光振荡的方法，它们适用于激光打印机、光学成形设备、光盘驱动装置、DNA定序器、粒子计数器等。

背景技术

随着先进信息通信时代的发展，为满足改善记录密度及高速打印的要求，需要改进计算外围激光应用设备，如光盘驱动装置和激光打印机等，使之采用短的波长。但是，对于商业化需求很迫切的蓝色范围(波长为400nm至480nm)的光源，只有气体激光器，如He-Cd(氦-镉)及Ar(氩)激光器是适用的，但它们笨重且耗能大。由于激光器笨重，装有激光器并以其为光源的激光器应用设备就要比激光器还大，于是，也就变得笨重。因此就存在这种激光器应用设备不适合办公室环境及生活环境的问题，这些情况下，台式大小的设备才是最适合的。

另外，所存在的另一个问题是，由于激光器从输入能源到激光束的转换效率低，大部分能耗转变成热能，还需要冷却装置。所以激光应用设备变得笨重。所存在的再一个问题是，由这种冷却装置的振动所引起的光的移位损害激光器应用设备的可靠性。还有一个问题是由于因气体等的变质造成激光器的工作寿命短，以致激光器应用设备的使用寿命短。

为解决气体激光器的上述问题，已采用波长转换技术，如二次谐波振荡(以下简称“SHG”)进行了尝试，所述二次谐波振荡是通过将一个非线性光学晶体嵌入固体激光器的谐振腔中，以便把第一激光束(以下在某些情况下称为“基波”)，即固体激光器的振荡波转换成波长为第一激光束波长之半的波，从而产生第二激光束。例如已经提出一种固体激光器的SHG系统，其中Ti∶AL₂O₃(Ti-蓝宝石，以下简称“Ti-Sap”)或Cr∶LiSrALF₆(掺铬的锂锶铝氟化物，以下简称“LiSAF”)被用作能在800nm至900nm的波长范围下振荡的激光晶体。在SHG光源情况下，激光器工作物质的工作寿命仅通过从气体改变为固态晶体就已大大得到改善。然而，后一种LiSAF激光器的激发光源是Kr(氪)激光器，即气体激光器，因此，仍然保留有现有技术的那些问题。作为Ti-Sap激光器的激发光源，为了产生基波，采用一种使用Q-开关的Nd∶YAG(掺钕钇铝石榴石)激光器的绿色SHG激光器。于是，由于整个激光光源都已固体化，它的工作寿命得到改善。不过，由于采用两种含激发光源的SHG激光器，致使所述设备变得复杂、笨重且耗能，因而不能明显改善现有技术的问题。另外，由于SHG的输出在两种情况下都是脉冲输出，当将其用于如光学成形设备和光盘驱动装置这类激光器应用设备时则有譬如信号中存在断点的问题。

R.Scheps，J.F.Myers，H.B.Serreze，A.Rosenberg，R.C.Morris，和M.Long的《二极管抽运Gr∶LiSrALF₆激光器》(光学快报，1991年16卷11期第820页)中已经公开了可以用波长为670nm的红色半导体激光器作为上述LiSAF激光器的激发光源进行激发。因此，可以认为能通过以半导体激光器代替Kr激光器作为采用上述LiSAF激光器的产生基波的SHG光源中的激发光源，以大大改善现有技术气体激光器的尺寸、能耗和工作寿命问题。

但是，Qi Zhang，G.J.Dixon，B.H.Chai和P.N.Kean的《电子调谐二极管激光抽运Cr∶LiSALF₆激光器》(光学快报，1992年17卷1期第43页)中公开了共振腔中的损失大大降低LiSAF激光器的效率。为此，如果不调查研究降低效率的原因，找到解决的办法，实现的可能性是极小的。

正如前面所述者，Qi Zhang等人从LiSAF激光器的谐振腔取出一个双折射滤光器，这是一个波长调谐元件，用以选择LiSAF激光器的波长。一般地说，所述双折射滤光器设置在能够波长调谐的激光器如LiSAF激光器等的激光谐振腔中，并且具有通过给所有振荡光束中除所需波长以外的波长的振荡光束一种损失，如反射损失而选择所需波长的激光束的功能。然后，Qi Zhang等人在LiSAF激光器的谐振腔之后附加一个专用于波长调谐的带双折射滤光器的谐振腔。也即，他们通过把具有所需波长的激光束反馈给LiSAF激光器的谐振腔并放大该激光束，提出不造成LiSAF激光器谐振腔所引起损失的调谐波长的装置(USP5,218,610)。Qi Zhang等人所关注的损失是由双折射滤光器所引起的反射损失。虽然这种系统能矫正这种损失，但有可能这种设备可能会是复杂的而且是笨重的。

为解决现有技术的这些问题，还进行了另一种尝试，把注意力放到这样的事实上，即作为激光晶体的LiSAF晶体的不均匀能量吸收具有降低激光器振荡效率的影响。这也就是使起吸收作用的Cr沿激光方向按不同浓度分布，以改善所述效率的降低(USP5,287,373)。但是，这种方法至今不适用于商业应用，其改善Qi Zhang等人所指出的问题的效果也是未知的。

如上所述，在F.Balembois等人所示的光学装置中，利用Kr激光器作为激发光源，得到7.4mW的平均脉冲SHG激光输出，和3.3W的平均脉冲激发功率。但是，如上所述，SHG激光输出应为连续波。尽管对每种设备各不相同，但所需要的输出被认为是大约10mW。在单带情况下，能够激发LiSAF激光的商业半导体激光器的最大输出为500mW。由于在固体激光器的输入/输出特性方面，一般地说基波输出与激发输出成正比，所以通过将激发光源从Kr激光器变为半导体激光器，基波的功率成为大约1/6。此外，由于SHG输出与基波功率的平方成正比，所以预期的SHG输出变成大约1/36，即0.2mW的脉冲输出。因此，可以理解，如果不对所述效率作出较大改进，不能得到实际能用的SHG输出。由于与Kr激光器相比，半导体激光器输出光束的形状，即横模非常平，所以，即使应用光束成形技术，也可预料到激发效率的变坏。因此，可以预期SHG输出会进一步降低。

换句话说，很容易预料，简单地通过把Kr激光器换成半导体激光器不能获得具有特别充足输出的SHG激光器光源。另外，如果今后得到具有高输出的半导体激光器，那就需要强制冷却机构，因为半导体激光器自身所产生的热量要增加。于是，仍有可能所述设备将会是笨重且耗能的。

如上所述，已经发现要想利用由半导体激光器激发的LiSAF激光器的SHG激光器，以便通过将此前已经公开的内容简单地结合以解决气体激光器的所有问题是困难的。所以，现在需要通过找出降低所述效率的原因并提出相应解决措施，来得到一种尺寸大小、节省能量的SHG激光源和采用这种SHG激光光源的激光器应用设备。

还提出一种用来得到兰色激光束作为第二振荡波的方法，这是一种SH波，它来自一个具有与上述气体激光器一样的输出波长的SHG光源，其中将图10所示的近红外半导体激光器的输出取作第一振荡波，即基波，该基波在外部谐振腔内谐振，并且将一种非线性光学的晶体(因为波长转换均为对SHG而言的，下称“SHG晶体”)KN(KNbO₃∶铌酸钾)布置于所述外部谐振腔内，用于得到兰色激光束(W.J.Kozlovsky和W.Lenth的“由GaAlAs激光二极管倍频产生41mW兰色幅射”-应用物理快报，1990年56卷23期第2291页)。

不过上述SHG光源包含以下新的技术问题。其中之一是必须嵌入一个光学隔离器102，以保护所述半导体激光器免受反射光照，为的是经常调整所述半导体激光器的振荡波长，使所述波长变为KN的转换效率最大的波长值，其中上述这种半导体激光器易受干扰影响。另一问题是，应当由一光学探测器105接受来自所述谐振腔的反射光，以便将包含KN的外部谐振腔的长度控制在基波波长的量级，并将光学探测器105的电输出反馈给反馈电路106，以便稳定地振荡所述半导体激光器。因而可以预见，难于找到能使之商业化解决这些技术问题的办法。在这种SHG光源中，可以预见难于解决上面两个为商业化所面临的技术问题，即将易受所述干扰影响的半导体激光器的振荡波长控制在一个是KN的转换效率成为最大的波长，和将包含KN的外部谐振腔的长度控制在基波波长的量级。

本发明的发明人已发现，利用波长控制元件，可将上面的LiSAF激光器用作宽带波长可变激光器，并研究了一种用这种LiSAF激光器产生第一振荡波(基波)，使非线性晶体产生具有兰色范围的SHG光作为第二振荡波的方法，还发现了两个问题。

第一个问题是，由于在所述激光谐振腔中除所述波长控制元件的透射波长范围以外的波长范围成为损耗，而且为了得到所需的SHG激光输出，激发半导体激光器的输出变大，所以振荡阀值变高。图11表示一个采用LiSAF晶体的半导体激光器激发的波长可变固体激光器(以下简称“LiSAF激光器”)的输入/输出特性。实线表示在存在波长控制元件情况下所述LiSAF激光器的输入/输出特性，而虚线表示在无波长控制元件情况下的输入/输出特性。所述波长控制元件由三个厚度不同的石英片制成，有如染料激光器和Ti兰宝石激光器中所用的，可将透过这些石英片的波长缩小到3nm或更窄的范围，并能将激光振荡波长的宽度控制在0.1nm或更小。从图11可以看出，通过嵌入具有窄的透射波长范围的波长控制元件，谐振腔中的损失增加，同时振荡阈值成为10倍或更多，因此，由于要得到有如在未嵌入波长控制元件情况下同样的输出而需要10倍或更多的激发输入，就需要一种大尺寸的半导体激光器，同时造成要在大的设备中去激发和冷却该半导体激光器以及大的功率消耗。若不嵌入波长控制元件，则振荡波长的宽度是大约10nm，这是嵌入波长控制元件情况下的100倍或更多。

第二个问题是谐振腔内的损失变大且振荡阈值变高，这是由于此前为得到兰色SHG光已经使用的非线性KN晶体具有0.4nm的窄的相位匹配波长半宽度(即在发生SHG波的情况下的相位波长宽度)，如图12所示，和0.5％/cm的高传播损失，因此就使得即使把KN晶体嵌入LiSAF激光器，也不能得到足够的SH输出。

再有一个问题，因为转换效率成为最大的KN晶体的波长随着温度的变化而改变0.3nm/℃，所以如果不准确地控制KN晶体的温度，就不能得到稳定的输出。

发明内容

本发明人研究了谐振腔内的损失，并发现这种损失由于某种原因与光学部件的开口的尺寸相联系。名词“开口”的意思是谐振腔中光学部件光学表面的有效截面。这就是说，可以认为若普通激光器中光学元件的开口大于激光束的直径，则没有问题。但本发明人已发现，在一个是新激光器的LiSAF激光器中，即使光学部件的开口的尺寸是正常的，也发生损失，并完成了本发明。也就是说，本发明是一种激光谐振腔，包括由含Cr的氟化物制成的激光晶体和光学部件，光学部件包括输入侧共振反射镜和输出侧共振反射镜，激光由输入侧共振反射镜输入，激发激光晶体而由输出侧共振反射镜输出，谐振腔内的激光晶体和光学部件各元件中至少一个开口直径5倍或更多于第一激光束的直径，第一激光束由激光晶体在谐振腔内振荡辐射所得。图13是用来说明这样一种现象的曲线图，即利用作为典型固体激光器的Nd∶YVO₄(掺钕的钒钇氧化物)激光器和LiSAF激光器的谐振腔中的开口使振荡效率降低。实验中所用谐振腔的形状被示于图13的上部。

所述谐振腔包括一个形成于激光晶体的端面上的平面反射镜和一个凹镜。振荡光束的直径由这些构成谐振腔的反射镜的曲率半径以及这些反射镜之间的距离来确定。在图13上部所示的平-凹型谐振腔中，光束在平面反射镜处的直径最小，而在凹镜处为最大。这里，凹镜的曲率半径是150mm，谐振腔的反射镜间的有效光程略短于凹镜的曲率半径。图13的横座标轴表示离平面反射镜的距离，右侧的纵座标轴表示光束直径。当横模是TEMoo模(即为圆形光束)时，可从下列表示式1所得光束的最小直径和从下列表示式2得到的每个位置处的光束直径计算谐振腔中的光束直径。 $\mathrm{Wo}=[{\left(\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\π}}\right)}^2\frac{d(R_1-d)(R_2-d)(R_1+R_2-d)}{{(R_1+R_2-2d)}^2}{]}^{\frac{1}{4}}$ …式1 $W\left(z\right)=\left[\mathrm{Wo}\right[1+{\left(\frac{\mathrm{\λz}}{\mathrm{\π}{\mathrm{Wo}}^2}\right)}^2]{]}^{\frac{1}{2}}$ …式2

在表示式1中，Wo是光束的最小直径，λ是第一光束的波长，d是谐振腔长，R₁和R₂是反射镜的曲率半径。在表示式2中，W(z)是离光束直径为最小的位置距离z处的光束直径。所算得的光束直径最小处为大约0.2mm，最大处为0.8mm。当紧靠输出反射镜后方实际测量光束直径时，计算值几乎等于实际值。谐振腔中形成一个直径为2.5mm的开口，并对其进行调整，使振荡光束的强度成为最大，并测量振荡光束的实际强度。

左侧纵座标轴表示形成开口情况下振荡光束强度与未形成开口情况下振荡光束强度之比。发现在Nd∶YVO₄激光器中，光谐振腔中的开口是光束直径的3倍时，也就是在光束直径变成最大值0.8mm时，振荡可能具有90％或更高的效率，而在LiSAF激光器中，通过将谐振腔中的开口设定为光束直径的5倍或较小而使该效率降至80％。

LiSAF激光器效率的降低倍率比Nd∶YVO₄激光器的大。为了得到与Nd∶YVO₄激光器同样的90％或更高的效率，所述开口最好7倍于光束的直径或更大。另外，由于当开口10倍于光束的直径或更大时没有发现效率的降低，所以这个范围被特别地首选。

一般地说，在横模为圆形TEMoo模，且光强表现为高斯分布的情况下，将光束的直径规定为峰值强度范围1/e²内的直径或更大。另外，若光束横模是除TEMoo以外的，则把光束的直径规定为连接边界线最外端的最大长度，光强在所述边界线处变为其峰值的1/e²或更小。上面所描述的是确定开口的下限。开口的上限由可能生长的晶体的最大尺寸、可稳定加工的晶体尺寸，和为保证涂层质量的晶体尺寸确定。所述上限最好是光束直径的1000倍。

本发明人还发现，在LiSAF激光器的输入/输出特性中存在饱和现象。

图14是说明LiSAF激光器与典型的固体激光器-Nd∶YVO₄激光器之间的输入/输出特性比较的曲线图。实线表示LiSAF激光器的输入/输出特性，虚线表示一般固体激光器的输入/输出特性。在Nd∶YVO₄激光器中，如虚线所示者，输入/输出特性曲线随输入值而上升，而激发输入和固体激光器输出几乎是互相成正比的。另一方面如实线所示，在LiSAF激光器中，已经看到这样的现象，即输出特性在线性区之后达到饱和，而且，即使在激光输入增加的情况下，振荡最后也是减小的。于是发现存在不能得到稳定的固体激光器输出现象。本发明人进行了深入的研究，并发现通过控制LiSAF所制激光晶体的温度，可消除图14所示的LiSAF激光器输入/输出特性曲线中所见到的上述饱和现象和上述振荡减小现象。本发明预示了这一发现。

图15是说明在LiSAF晶体的温度受到控制与未受控制情况下LiSAF激光器输入/输出特性比较的曲线图。实线表示LiSAF晶体的温度被控制在5±5℃时激光器的输入/输出特性，虚线表示所述温度未受控制时的输入/输出特性。从图15中看到，通过控制激光晶体的温度使线性区扩大，并可得到稳定的固体激光器输出。图15表示出把LiSAF晶体的温度设定在15℃时的输入/输出特性。对把所述晶体的温度改变成10、20、30和40℃所得到的输入/输出特性进行了测量。在这两种情况不论那种中，输入/输出特性的线性区都被扩大，并可得到稳定的固体激光器输出。换句话说，温度控制区的下限是激光晶体不产生凝露的温度。温度控制区的上限是在该温度下使用时看不到上述振荡损失现象的温度。希望将激光晶体的温度T控制在0℃≤T≤50℃的范围。

最好使构成谐振器的多个反射镜的至少一个形成于激光晶体的一个端面上。

最好至少有一个光学部件是波长控制元件。

激光器最好包含：一个Cr∶LiSrAlF₆制成的激光晶体；其中至少一个谐振腔反射镜形成于激光晶体的一个端面上的谐振腔结构；一个用于激发激光晶体的半导体激光器；波长为满足780nm≤λ₁≤1000nm的λ₁的第一激光束，它是利用来自激光谐振腔内的激光晶体的振荡辐射所得的；和直径为第一激光束直径的5倍或更多的开口，它被形成于谐振腔内。

更好的是，激光器包含：一个Cr∶LiSrAlF₆制成的激光晶体；其中至少一个谐振腔反射镜形成于激光晶体的一个端面上的谐振腔结构；一个用于激发激光晶体的半导体激光器；将激光晶体的温度T控制在0℃≤T≤50℃范围内的装置；波长为满足780nm≤λ₁≤1000nm的λ₁的第一激光束，它是利用来自激光谐振腔内的激光晶体的振荡辐射得到的，和具有直径5倍或更多于第一激光束直径并形成于谐振腔内的开口的波长控制元件。

光学部件最好包括一个波长控制元件和一个非线性光学元件。

最好可将按布儒斯特角倾斜的双折射晶体用作控制固体激光晶体振荡波长的控制元件，而可将石英(SiO₂)、LiNbO₃、LiTaO₃中的任一个用作双折射晶体。

最好可将厚度为0.4至3mm的单片石英用作双折射晶体。

另外，可将LBO(LiB₃O₅)和/或BBO(β-BaB₂O₄)用作非线性晶体。

控制固体激光晶体振荡波长的控制元件最好是用来响应第一辐射的共振腔反射镜，而第一振荡波的波长宽度最好关于中心波长为10nm或更小，对于所述第一振荡波来讲，共振腔反射镜具有99.9％或更大的反射比。

所述谐振腔的结构最好由至少两个反射镜构成，或者至少一个构成谐振腔结构的反射镜的二次谐波透射比为60％或更大。

本发明人进行了对有关作为波长控制元件的双折射晶体透射波长宽度的研究，在把双折射晶体用作控制固体激光晶体振荡波长的控制元件时，它导致较高的振荡阈值。一般地说，激光谐振腔的振荡特性与该谐振腔中的损失有关。当这种损失较高时，就使到振荡之前的阈值变高。当波长控制元件的透射波长宽度较为狭窄时，谐振腔中就存在损失，引起高的振荡阈值。图16表示根据按布儒斯特角倾斜的双折射晶体的石英片数计算的透射波长宽度。从图16可以理解，通过增加双折射晶体的石英片数，也就是双折射晶体的厚度，可使透射波长宽度变窄。因此，揭示出波长控制元件具有通过减少双折射晶体的石英片数，即减少双折射晶体的厚度，能使所述振荡阈值降低，使透射波长宽度扩展的效果。

可将LiNbO₃和LiTaO₃或其它双折射晶体用作所述双折射晶体。

另外，图17表示当由单片石英制成所述双折射晶体时，相对于双折射晶体的厚度而言，激光器振荡波长的间隔。所述名词“激光器振荡波长间隔”代表同时进行激光振荡的波长之间的间隔，对于每种波长来说，这取决于激光器工作物质的增益特性。当增益特性较宽时，由于能够激光振荡的波长范围宽，所以根据波长控制元件的透射波长间隔同时发生多个激光振荡。从图17看到，当双折射滤光器的厚度增加时，激光振荡波长间的间隔较窄。这是因为当厚度较大时，能够激光振荡的相邻波长间的间隔较窄，并且能按宽的带宽振荡的激光器，如LiSAF激光器可以按两种或更多的振荡波长振荡。由于一般的激光器反射镜的反射带宽为50nm，所以需要上述反射带宽大约一半即25nm或更多的振荡波长间隔，以抑制两种或多种同时的振荡。所以，根据图17，双折射晶体的厚度需要为3mm或更小。由于在所述晶体厚度太小并且LiSAF激光器的振荡波长宽度为大约20mm的情况下，波长控制变得困难，所以，按照图17，所述晶体的厚度需为0.4mm或更大。因此，当双折射晶体的厚度在04至3mm的范围内时，可进一步降低振荡阈值。

如上所述，通过采用双折射晶体，可降低振荡阈值。但是，由于通过扩展透射波长宽度可使振荡波长宽度加宽，它大于SHG晶体的相位匹配半宽度，所以，难于高效地引起SHG。本发明人发现，通过使用具有相对较宽的相位匹配半宽度的LBO(LiB₃O₅)、BBO(β-BaB₂O₄)或CLBO(CsLiB₆O₁₀)晶体，能进一步提高效率。图18表示LBO晶体的相位匹配波长半宽度。由于该晶体具有大约20倍于KN晶体的宽度，所以，通过将波长控制元件的透射波长宽度设定为10nm，并通过按布儒斯特角倾斜该波长控制元件来消除谐振腔内的损失，就能够得到满足LBO晶体的相位匹配宽度的SH输出，其中所述波长控制元件由单独一片0.5mm厚的石英片作为双折射晶体制成。由于LBO晶体的相位匹配宽度因温度改变而变化的较小，为0.1nm/℃，所以无需控制LBO晶体的温度。另外，由于LBO晶体的传播损失较小，为0.1％/cm，所以它很少成为谐振腔中的损失。采用BBO晶体或CLBO晶体可以得到与LBO晶体同样的效果。不过，很明显的是，通过控制SH晶体的温度，还能得到更为稳定的输出。

此外，还能采用关于中心波长为10nm或更窄的波长宽度，对于这种情况，谐振腔反射镜具有99.9％或更高的反射比，而无需使用双折射晶体作为控制固体激光晶体的振荡波长的控制元件。当构成激光谐振腔的谐振腔结构是由至少两个反射镜构成时，可以通过设定第二振荡波长，在谐振腔外边有效地得到SH光，这就是说，至少一个构成所述谐振腔的反射镜的SHG透射比配置成60％或更多。

激光器最好包含如上的激光谐振腔，并且还包括具有直径5倍或更多于第一激光束直径的开口并被嵌入谐振腔内的非线性光学晶体；控制非线性光学晶体的温度和同时或单独控制激光晶体及非线性光学晶体温度的装置；和引出由部分第一激光束转换的并具有不同于第一激光束波长的波长的第二激光束的装置，第一激光束的λ₁满足780≤λ₁≤1000nm，它是由激光晶体在激光谐振腔内振荡辐射所得的；光学部件还包括波长控制元件。

所述非线性光学晶体最好从LiB₃O₅(三硼酸锂)、CsLiB₆O₁₀(硼酸铯锂)、β-BaB₂O₄(硼酸钡)、KNbO₃(铌酸钾)、KTaO₃(钽酸钾)、K-Li-Nb-O(铌酸锂-钾)、K-Ta-Nb-O(铌酸，钽酸钾)，以及LiIO₃(碘酸锂)中选择。

当将本发明的激光谐振腔和激光器用于激光打印机、光学成形设备、光盘驱动装置、粒子计数器、DNA定序器等时，可以给出具有极好稳定性的小型设备。

附图说明

从下面参照附图的描述，将使用本发明的其它目的和优点变得愈加清楚。

图1是说明本发明一个具体实施例的示意图；

图2是说明本发明另一个具体实施例的示意图，其中，为改善效率，由另一个装置进行激光晶体温度的控制；

图3是说明本发明另一个具体实施例的SHG激光器的示意图；

图4是说明一种应用举例的示意图，其中，本发明的一个实施例被用在激光打印机中；

图5是说明一种应用举例的示意图，其中，本发明的一个实施例被用在光学成形设备中；

图6是说明一种应用举例的示意图，其中，本发明的一个实施例被用在光盘驱动装置中；

图7是说明本发明另一个具体实施例的示意图；

图8是说明本发明又一个具体实施例的示意图；

图9是说明本发明再一个具体实施例的示意图；

图10是说明现有技术的一个具体实施例的示意图；

图11是说明半导体激光器激发的固体激光器半导体激光器在存在和缺少波长控制元件情况下的输入/输出特性比较示意图；

图12是说明KN晶体的相位匹配波长宽度的示意图；

图13是说明由作为典型固体激光器Nd∶YVO₄激光器和LiSAF激光器的谐振腔中的开口所引起的振荡效率降低现象的曲线图；

图14是说明在采用LiSAF晶体和作为典型固体激光器的Nd∶YVO₄激光器时半导体激光器激发的固体激光器的输入/输出特性比较曲线图；

图15是说明在LiSAF晶体的温度受到控制的情况下和该温度未受控制情况下LiSAF激光器的输入/输出特性比较曲线图；

图16是说明随双折射晶体的石英晶体数目不同而不同的透射波长宽度比较曲线图；

图17是说明振荡波长间隔相对于双折射晶体的厚度曲线图；

图18是说明LBO晶体的相位匹配波长宽度的曲线图。

具体实施方式

以下将描述本发明的最佳实施例。不过，需要理解的是，本发明并不限于这些实施例。

(实施例1)

图1是说明本发明一个具体实施例的示意图。从半导体激光器11发射的激发光束31受到会聚光学部件12的会聚，并激发激光晶体21。由SpectraDiode Laboratory公司制作的AlGaInP半导体激光器的输出为50mW，振荡波长为670nm，它被用作半导体激光器11。一个半导体激光器准直仪(焦距8mm)、一对变形棱镜(放大率6X)和一个单透镜(焦距30mm)被用作会聚光学部件12。

被激发的激光晶体21在固体激光器的谐振腔20中产生第一激光束，所述谐振腔20包括形成于激光晶体的一个端面上的输入侧共振腔反射镜24和输出反射镜25。固体激光器的谐振腔20中排列着激光晶体21和作为波长控制元件的波长调谐元件23。在谐振腔中振荡的第一激光束32的波长受到波长调谐元件23的调谐。在本实施例中，谐振腔结构20为一平-凹型谐振腔，输出反射镜25的曲率半径为150mm，有效光程略短于该曲率半径。

含1.5摩尔百分比Cr的LiSAF晶体(φ3×5mm)被用作激光晶体21。对该晶体的前端面24加一个对激光波长具有2％或更低反射比的增透(以下简称AR)涂层和一个对第一激光束的波长具有99％或更高反射比的高反射(以下简称HR)涂层。在这方面，任何HR涂层的反射比都是满意的，只要它能有效地反射第一激光束，而且也无需该反射比达99％或更高。对后端面加一个对第一激光束的波长具有2％或更低反射比的AR涂层。对输出反射镜25加一个对第一激光束的波长具有99％或更高反射比的HR涂层。在这方面，输出反射镜25的任何反射比都是满意的，只要它能高效率地给出第一激光束，而且也无需该反射比达到99％或更高。

如图13所示，本发明中已经证实，通过将谐振腔中LiSAF晶体的开口设定为5倍或更多于第一激光束的直径，就可以使所述损失被大大地改善。基于这一事实，将激光晶体开口的直径设定为3mm，波长调谐元件23中的开口直径设定为5mm，输出反射镜中的开口直径设定为10mm。

将单独一个由石英片制成的双折射滤光器作波长调谐元件23并使之倾斜布儒斯特角，以使第一激光束的反射损失成为最小。通过围绕光轴转动所述双折射滤光器，可以调谐第一激光束32的波长。波长的调谐范围被设定为大约860±50nm，而波长的选择宽度设定为大约0.5nm。只要不显著地降低第一激光束的输出，任何波长选择宽度都是满意的。另外，除了双折射滤光器以外，棱镜、标准具、外注入同步或它们的组合均可被用作波长调谐元件。

LiSAF晶体21的吸收波长容许宽度约为100nm宽，并且没有温度控制元件被用于调谐由半导体激光器发射之激发光束的波长。不过，可以通过使激发光束的波长与吸收波长的最大值匹配来进行波长的调谐。

具有光束成形功能的光学部件，如柱面透镜或光学纤维可被用来代替半导体激光器的会聚光学部件。

(实施例2)

图2是说明本发明另一个具体实施例的示意图，其中，为改善效率，由另一个装置进行激光晶体温度的控制。激发光源11、会聚光学部件12、激光晶体21、波长调谐元件23和谐振腔结构20都与实施例1的相同。谐振腔中的各个开口以及波长调谐范围也都与实施例1的相同。

如图15所示，可以明白，通过控制LiSAF晶体的温度，可以得到稳定的激光输出。图2中采用电子冷却元件和热敏电阻将LiSAF晶体的温度控制在15℃。控制温度的下限为这样一个温度，在该温度下，晶体开始凝露，而且这个温度可以自由设定，只要在使用的情况下，激光器的输出方面未见饱和即可。

(实施例3)

图3是说明本发明一个具体实施例的SHG激光器的示意图。其中采用包括有如实施例1那样的半导体激光器11的同样的激发光学部件。

受到激发的激光晶体21产生基波32，这是固体激光器谐振腔20中的一种固体激光器振荡波，所述谐振腔20包括形成于激光晶体的一个端面上的输入侧谐振腔反射镜24和输出反射镜25。所述固体激光器谐振腔20中排列有激光晶体21、将激光晶体21的部分基波转变为SHG波的非线性光学晶体22，以及波长调谐元件23。LiB₃O₅(硼酸锂，以下简称LBO)被用作非线性光学晶体22，其大小为3×3×5mm，并被涂以对基波和SHG波的波长有2％或更小反射率的AR涂层。

利用温度控制元件将LISAF晶体21和LBO晶体22的温度控制在25±0.1℃。将对基波具有99％或更大反射率的HR涂层和对SHG波增透的，AR涂层涂覆到输出反射镜25上面，并像实施例1中那样将该反射镜的开口直径设定为10mm。其它光学部件与实施例1的相同。在谐振腔中振荡的基波32的波长被波长调谐元件23调谐成这样的波长，即在该波长下非线性光学晶体22的波长转换效率成为最大，而且由非线性光学晶体22将部分基波32转换成SHG波33，并从输出反射镜25发射。按照本发明，在半导体激光器输出为455mW的情况下，得到10mW的SHG输出。

波长调谐范围被设定为860±70nm，而波长选择宽度被设定为0.5nm。在这方面，任何波长调谐范围和任何波长选择宽度都是满意的，只要波长接近LBO晶体的转换效率成为最大时的波长，并且SHG激光输出不显著地降低即可。

另外，能在基波的波长调谐范围内相位匹配的非线性光学晶体，如β-BaB₂O₄(硼酸钡)、CsLiB₆O₁₀(硼酸铯锂)、KNbO₃(铌酸钾)、K-Li-Nb-O(铌酸锂-钾)、LiIO₃(碘酸锂)均可被用作波长转换元件。

采用达到与上述实施例同样输出的现有技术气体激光器，可进行各种特性比较。气体激光器的工作寿命为2000到5000小时，并有50％的输出降低，而SHG激光器在工作1000小时以上之后不发生输出的降低。所以，按照本发明的实施例，SHG激光器的工作寿命扩大到现有技术的2到5倍。气体激光器的体积为10到15升，而SHG激光器的体积为0.3升。所以，按照本发明的实施例，SHG激光器的体积减小到现有技术的1/50到1/30。气体激光器的功率消耗为1000到2000W，而SHG激光器的功率消耗为5W。所以，按照本发明的实施例，SHG激光器的功率消耗被减小到现有技术的1/400到1/200。气体激光器与本发明实施例的SHG激光器特性之间的比较被示于表1中。

表1

气体激光器与本发明的SHG激光器之间特性的比较结果

激光器光源	输出(mW)	工作寿命(小时)	体积(升)	功率消耗(瓦)
					Ar激光器	15	5000	10	2000
He-Cd激光器	10	2000	15	1000
					SHG激光器	10	＞10000	03	5

(实施例4)

图4是说明一种应用实例的示意图，其中，本发明的一个实施例被用在激光打印机中。从图3所示的SHG激光光源100发射的SHG激光输出33通过声光(以下简称AO)调制器51、光束扩展器52、旋转多边形反射镜53和fθ透镜54，被会聚在光敏鼓55上。AO调制器51按照图像信息调制SHG输出33，而旋转多边形反射镜53沿横向(牵引纸的方向)扫描。借助这样的系统，将次级信息以局部的电势差的方式记录在光敏鼓55上。光敏鼓55转动，按照所述电势差被调色剂粘附，并把信息再现于记录纸上。

这里，加到光敏鼓55上的光敏材料是硒(Se)，而将SHG激光光源100的输出波长设定为420nm，所述光敏材料对此波长相对地灵敏度较高，而且它的输出被设定为10mW。在这方面，除Se之外的光敏材料也可被采用。

(实施例5)

图5是说明一种应用实例的示意图，其中，本发明的一个实施例被用在光学成形设备中。图3中所表示的SHG激光光源100被用作光源。将蓝色凝固树脂61充入容器中，使一束激光以二维方式扫描液体表面。这里，只有吸收光的蓝色凝固树脂61的表面部分61-a凝固。完成一层结构之后，提升器62下落，以便连续形成下一层。采用这种操作，可以制成具有所需形状的固体样品63。这里，SHG激光光源的波长为430nm，输出为10mW。

(实施例6)

图6是说明一种应用实例的示意图，其中，本发明的一个实施例被用在光盘驱动装置中。图3中所表示的SHG激光光源100被用作光源。采用光磁记录系统的光盘驱动装置。从SHG激光光源100发出的SHG激光输出33受到光束扩展器52的扩展，随后成为平行光束。由分束器72反射的部分光束被前监控器73接收。透过分束器72的光束被会聚光学部件74会聚在介质75上。反射光部分地受到分束器72反射并分成两束，被两个探测器76接收。前监控器73监视SHG激光器输出33，以便对其进行控制。在分束器72之后的二个探测器76都进行自动对焦和信号检测。将一固定磁场加在介质75上，使SHG激光器输出33受到调制，并使聚焦温度升至介质75的居里温度，进行反向磁化记录。若所述输出导通，就使介质的磁场反向，而当关断该输出时，则不使磁场反向，这样能够记录信号。记录频率被设定为10MHz。再现信号时，利用记录所用的同一个SHG激光光源100，得到很好的再现信号。

(实施例7)

图7是说明本发明另一个实施例的示意图。由半导体激光器111辐射的激发光束受到会聚光学部件112的会聚，以激发激光晶体121。将SpectraDiode Laboratory公司制作的、输出为500mW且振荡波长为670nm的AlGaInP半导体激光器用作半导体激光器111。将半导体激光器准直仪(f＝8mm)、变形棱镜对(放大率：6X)和单透镜(f＝30mm)用作会聚光学部件112。

受到激发的激光晶体121在固体激光谐振腔120内发生基波142，所述谐振腔120包括形成于该激光晶体一个端面上的输入侧谐振腔反射镜122和输出反射镜124。所述固体激光谐振腔120中排列有激光晶体121、SHG晶体131和波长控制元件125。这里，固体激光谐振腔120为一平-凹谐振腔，其长度为145mm，输出反射镜124的曲率半径为150mm。含1.5摩尔百分比Cr的LiSAF晶体(φ×5mm)用作激光晶体121。将对激发波长具有2％或更小反射率的AR涂层和对基波波长具有99％或更大反射率的HR涂层涂覆到所述晶体的前端面上。将对基波波长具有0.2％或更小反射率的AR涂层涂覆到所述晶体的后端面上，使之成为输入侧谐振腔反射镜122。

由3×3×5mmLBO晶体制成的SHG晶体131设置在紧靠LiSAF晶体121之后处。将对基波波长具有0.2％或更小反射率且对SH波有1％或更小反射率的AR涂层涂覆到LBO晶体的两个端面上。由单片厚度为0.5mm的石英片制成的双折射晶体被用作波长控制元件125，它被按布儒斯特角关于光轴倾斜放置，并绕光轴转动，将基波波长控制为这样的波长，即在该波长下，作为SHG晶体131的LBO晶体的转换效率为最大。在所述谐振腔中，由SHG晶体131将部分基波转换成SH波143，并通过输出反射镜124将其作为SH输出从该谐振腔引出。在本结构中，振荡阈值是当图12所示的波长控制元件不存在的情况下的二倍，并能得到10mW的SH输出。

可使图7所示的被嵌入谐振腔中的SHG晶体131的位置与波长控制元件125的位置互换。LiSAF晶体121的吸收波长允许宽度约为100nm宽，而且在使用温度控制元件时，激发半导体激光器的波长不受控制。但可以将该波长控制成最大的吸收波长。

(比较实施例1)

在其图7一样的激光谐振腔中，单片厚度为5mm的石英片被用作波长控制元件125，而将KN晶体用作SHG晶体131。由于受此单片5mm厚石英片制成的波长控制元件控制的激光振荡波长间的间隔较窄，为12mm，所以在波长间隔12nm情况下，作为激光晶体121的LiSAF晶体的4到5种基波同时振荡。由于即使基波波长之一受到KN晶体转换，激光束在其它波长时也振荡，所以当作为SHG晶体的KN具有0.4nm的窄相位匹配波长半宽度时，只得到几nW的SH输出，同时基波功率被消耗。

(实施例8)

图8是说明本发明又一个实施例的示意图。由半导体激光器111构成的激发光学部件及会聚光学部件112与实施例7的相同。受到激发的激光晶体121在固体激光谐振腔120中发生基波142，谐振腔120由三个谐振腔反射镜制成，它们包括被形成于所述激光晶体的一个端面上的输入侧谐振腔反射镜122、凹面镜126和平面输出镜123。在所述固体激光谐振腔120中，在输入侧谐振腔反射镜122与平面输出镜123之间排列有激光晶体121和SHG晶体131，并在平面输出镜123与凹面镜126之间安排有波长控制元件125。这时所用的激光晶体121和SHG晶体131的材料、形状及涂层均与实施例7的相同。与实施例7同样的波长控制元件125被采用。

将对基波波长具有99％或更大反射比的HR涂层涂覆到凹面镜126上。将对基波波长具有99％或更大反射比的HR涂层和对SH波有85％或更大透射比的AR涂层加到平面输出镜123上。波长控制元件125绕光轴转动，将基波波长控制在这样的波长，即在该波长时，作为SHG晶体131的LBO晶体的转换效率成为最大。在所述谐振腔中，由SHG晶体131将部分基波转换成SH波143，并作为SH输出143从平面输出镜123引出到谐振腔外。在本结构中，由于在图7所示的波长控制元件125处没有SH光的损失，所以可以得到15mW的SH输出。

(实施例9)

图9是说明本发明再一个实施例的示意图。由半导体激光器111构成的激发光学部件及会聚光学部件112与实施例7的相同。受到激发的激光晶体121在固体激光谐振腔120中发生基波142，谐振腔120包括被形成于所述激光晶体的一个端面上的输入侧谐振腔反射镜122和输出反射镜124。这时所用的激光晶体121和SHG晶体131的材料、形状及涂层均与实施例7的相同。由于输出反射镜124被涂以对中心波长为860±5nm的基波波长具有99.9％或更大反射比的HR涂层，所以无需波长控制元件，即可进行振荡波长的控制。输出反射镜124还被涂以对SH波长具有85％或更大透射比的AR涂层。如图18所示，由于作为SHG晶体131之LBO晶体的相位匹配波长半宽度较宽，为8nm，所以无需控制波长即能有效地得到SH光。

本发明通过设计LiSAF激光谐振腔，考虑谐振腔内的开口，使半导体激光器激发的LiSAF激光器的效率得到大大的改善。另外，通过控制LiSAF晶体的温度，使激光器的振荡损失现象得以避免，并提出了得到稳定的激光输出的方法。通过采用这种LiSAF激光器，实现了输出为10mW的SHG激光器。本发明能使工作寿命扩展到2至5倍，并分别使体积和功率损耗减少到现有技术的1/50至1/30和1/400至1/200。另外，本发明能减小尺寸和功率消耗，提高激光器应用设备的工作寿命，并改善其可靠性。

按照本发明，在波长可变的激光器，特别是采用LiSAF激光器的内谐振腔SHG系统中，通过扩展波长控制元件的透射波长宽度，使振荡阈值得到降低，而且通过采用LBO晶体作为具有宽的相位匹配宽度的SHG晶体，使作为激光器的二次谐波发生器的效率和可靠性得到改善。此外，用这种二次谐波发生器作为光源，使诸如激光打印机等应用激光器的产品的可靠性得到改善。

正像前面所描述的那样，根据本发明，可以给出具有极好稳定性的小尺寸的激光谐振腔、激光器和如激光打印机等激光器应用设备。

Claims (26)

1.一种激光谐振腔，包括由含Cr的氟化物制成的激光晶体和光学部件，所述光学部件包括输入侧共振反射镜和输出侧共振反射镜，激光由输入侧共振反射镜输入，激发所述激光晶体而由输出侧共振反射镜输出，其特征在于所述谐振腔内的激光晶体和光学部件各元件中至少一个开口直径5倍或更多于第一激光束的直径，所述第一激光束由激光晶体在谐振腔内振荡辐射所得。

2.如权利要求1所述的激光谐振腔，其特征在于所述激光晶体由化学名称为掺铬的锂锶铝氟化物的Cr∶LiSrAlF₆制成。

3.如权利要求1所述的激光谐振腔，其特征在于还包括控制所述激光晶体温度的装置。

4.如权利要求3所述的激光谐振腔，其特征在于还包括将所述激光晶体的温度控制在其输入/输出特性不达到饱和的范围内的装置。

5.如权利要求3所述的激光谐振腔，其特征在于还包括将所述激光晶体的温度T控制在0≤T≤50℃范围内的装置。

6.如权利要求1所述的激光谐振腔，其特征在于构成该谐振腔的至少一个反射镜形成于所述激光晶体的一个端面上。

7.如权利要求1所述的激光谐振腔，其特征在于所述光学部件还包括波长控制元件。

8.如权利要求7所述的激光谐振腔，其特征在于一个按布儒斯特角倾斜的双折射晶体被用作所述波长控制元件，用以控制所述固体激光晶体的振荡波长。

9.如权利要求8所述的激光谐振腔，其特征在于选自化学名称为石英的SiO₂、LiNbO₃、LiTaO₃和液晶片中的至少一种被用作所述的双折射晶体。

10.如权利要求9所述的激光谐振腔，其特征在于厚度为0.5mm或更小的单独一片石英片被用作所述的双折射晶体。

11.如权利要求1所述的激光谐振腔，其特征在于所述光学部件还包括波长控制元件和非线性光学晶体。

12.如权利要求11所述的激光谐振腔，其特征在于当第一激光束通过所述非线性光学晶体时，至少部分第一激光束转换成波长与第一激光束不同的第二激光束。

13.如权利要求11所述的激光谐振腔，其特征在于所述非线性光学晶体由选自LiB₃O₅、CsLiB₆O₅、β-BaB₂O₄、KNbO₃、KTaO₃、K-Li-Nb-O、K-Ta-Nb-O和LiIO₃中的至少一种制成。

14.如权利要求11所述的激光谐振腔，其特征在于还包括同时或单独控制所述激光晶体和非线性光学晶体温度的装置。

15.一种激光器，包括权利要求1所述的激光谐振腔。

16.如权利要求15所述的激光器，其特征在于用来激发所述激光晶体的装置是半导体激光器。

17.如权利要求16所述的激光器，其特征在于所述共振反射镜中的至少一个形成于所述激光晶体的一个端面上；所述第一激光束的λ₁满足780≤λ₁≤1000nm，它是由所述激光晶体在所述激光谐振腔内振荡辐射所得的；所述光学部件还包括具有直径5倍或更多于所述第一激光束直径的开口并被嵌入所述谐振腔内的波长控制元件。

18.如权利要求17所述的激光器，其特征在于还包括将所述激光晶体的温度T控制在0≤T≤50℃范围内的装置。

19.如权利要求16所述的激光器，包括：具有直径5倍或更多于第一激光束直径的开口并被嵌入所述谐振腔内的非线性光学晶体；控制非线性光学晶体的温度和同时或单独控制所述激光晶体及非线性光学晶体温度的装置；和引出由部分第一激光束转换的并具有不同于第一激光束波长的波长的第二激光束的装置，所述第一激光束的λ₁满足780≤λ₁≤1000nm，它是由所述激光晶体在所述激光谐振腔内振荡辐射所得的；所述光学部件还包括波长控制元件。

20.一种激光器应用设备，该设备采用权利要求15所述的激光器。

21.如权利要求20所述的激光器应用设备，其特征在于该设备是激光打印机。

22.如权利要求20所述的激光器应用设备，其特征在于该设备是光学成形设备。

23.如权利要求20所述的激光器应用设备，其特征在于该设备是光盘驱动装置。

24.如权利要求20所述的激光器应用设备，其特征在于该设备是粒子计数器。

25.如权利要求20所述的激光器应用设备，其特征在于该设备是DNA定序器。

26.一种激光振荡方法，用于由以含铬的氟化物制成的激光晶体在激光谐振腔中振荡辐射，得到第一激光束，其中谐振在具有直径5倍或更多于第一激光束直径的开口的谐振腔内进行。

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