CN1145670A - 二次谐波振荡器及激光应用装置 - Google Patents

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Abstract

一种二次谐波振荡器，包括一个作为激发光源的半导体激光器和一个共振器，该共振器具有一由激发光源激发的固态激光晶体、一个用于控制自固态激光晶体产生的一次振荡波波长的控制元件和一个用于转换作为基波的一次振荡波的波长成为作为二次振荡波的二次谐波的波长的非线性光学晶体，其中，共振器的各元件从激发光输入测起安排的顺序为第一激光器反射镜、固态激光晶体、波长控制元件、非线性光学晶体及第二激光器反射镜。

Description

二次谐波振荡器及激光应用装置
本发明涉及一种光电领域，特别是可见激光源及使用可见激光源的激光应用装置，如激光打印机、微粒子探测器、光学成型装置、光记录器等等。
随着现代信息通讯时代的进步，对短波适应的要求正日益增加，以满足光记录领域中对改进的记录密度及高速打印的需要，如光盘驱动器及激光打印机。然而，作为能够产生商业化高度需要的蓝色范围(400～480nm的波长)的光源，只有诸如He-Cd(氦-镉)及Ar(氩)激光器等气体激光器可供使用，而它们又不适用于，例如，光盘驱动器，因为他们又笨重又耗能。尽管上面提到的气体激光器实际上已用于一些激光打印机中作为光源，很有可能由于如上原因，它们会成为将来减少激光打印机尺寸及能耗的难关。
为了克服上述问题，提出了使用二次谐波振荡(second harmo-nic generation)(此后简称为“SHG”)以减小波长的技术。随着半导体激光器输出的增加，在这种SHG光源实际应用的技术研究方面取得了进展。其后的实际情况是，不象常规的气体激光器，此种SHG光源不需要放电(discharge)，因而有可能减少SHG光源的(1)尺寸及(2)能耗，而且其具有与激发半导体激光器的输出稳定性及长期工作寿命相应的高可靠性((3)输出稳定性及(4)长期工作寿命)。
还提出了一种从具有与上述气体激光器相同输出波长的SHG光源获得作为二次振荡波，也就是SHG波的蓝色辐射12的方法，其中，如图10所示，产生近红外线光的半导体激光器1的输出被用作一次振荡波，也即基波，并在由非线性光学晶体组成的单块外共振器(monolithic external resonator)中共振(W.J.Kozlovsky andW.Lenth，“用GaALAs激光二极管的倍频生成41mW蓝色辐射”，Appl.phys.Lett，Vol.56 No.23，P.2291，1990)。这种非线性光学晶体(简称为“SHG晶体”，因为此后波长转换都是针对SHG)是KN(KNbO3：铌酸钾)。
然而，上述SHG光源包含如下的先进技术问题。它们之一就是，必须把容易受干扰影响的半导体激光器1的振荡波长调节为使KN晶体的SHG转换效率为最大的波长。为了这个目的，必须插入一个光学隔离器42以防止由KN晶体反射的光射到半导体激光器上。另一个问题是，从共振器反射的光必须被一个光探测器45接收到以把包括KN晶体的外共振器的长度控制在基波波长的量级，而光探测器45的电输出被送到一个反馈电路46以控制半导体激光器的输出以实现稳定振荡。因而，可以想见，找到这些技术问题的利于商业化的解决方案是困难的。
解决上述技术问题的办法包含一个内腔双(intracavity doub-ling)SHG激光系统，其中，来自固态激光器的振荡波用作基波，而一个SHG晶体被安置于固态激光器的共振器中。换句话说，在内腔双SHG激光系统中，振荡波长很少受到诸如上述反射光等干扰的影响，因为形成固态激光器的共振器包括有这样的反射镜，它们对来自设置在其两端的固态激光器的振荡波波长具有很高的反射比。内腔双SHG激光系统的特征还表现在，不象外共振器SHG系统，SHG转换效率几乎不受因由温度变化和振动引起的共振器波长量级的长度变化而造成的振荡波长波动的影响。
使用LiSAF(Cr：LiSrAlF6；添加铝锶锂氟化物的铬)晶体作为以750～1000nm波长范围振荡的激光晶体的激光器近来被建议作为半导体激光器激发的、波长可变的固态激光器(USP 4,811,349)。
本发明的发明者研究了使非线性光学晶体产生具有蓝色范围的SHG光作为二次振荡波、使用来自这种半导体激光器激发的LiSAF晶体的激光作为一次振荡波(基波)的方法，发现了二个包含于其中的新问题。
图9是由一个LiSAF晶体和一个非线性光学晶体产生二次谐波振荡的结构图。由一个反射99％以上由LiSAF晶体4振荡生成的基波并透射激发光的多层介质膜构成的第一个激光器反射镜形成于来自半导体激光器(未示出)的激发光11由此输入的LiSAF晶体4的表面上，激光共振器形成于第一激光器反射镜和安置在其输出侧的用作曲面镜的第二激光器反射镜7之间。共振器中有一个SHG晶体6和一个用作控制基波波长元件的双折射晶体5，而SHG光从第二激光器反射镜7输出。第二激光器反射镜7涂以反射99％以上基波并透射SHG光的涂层。
图9结构的第一个问题是，不可能有效地产生SHG光，因为产生的基波的共振器光束(resonator beam)32的光腰位于LiSAF晶体4上的第一激光器反射镜3处，而在产生SHG光的非线性光学晶体6处直径较大。这是因为SHG转换效率通常取决于非线性光学晶体内的基波的光束直径，光束直径越小，则越能有效地产生SHG光。
第二个问题是，一部分SHG光31被波长控制元件5的双折射晶体所反射，因为由非线性光学晶体产生的SHG光以直角穿过基波的偏振方向。这是因为双折射晶体透射基波，原因在于它相对于基波的偏振倾斜布儒斯特(Brewster)角，但是它对于SHG光的偏振透射比很低。
发明人发现上述问题可以通过确定用于产生SHG光的共振器各元件的某种组合来予以解决。本发明基于这一发现得以实现。
本发明的二次谐波振荡器包括：一个作为激发光源的半导体激光器；一个共振器，具有一个由激发光源激发的固态激光晶体，一个用来控制自固态激光晶体产生的一次振荡波波长的控制元件，以及一个用于将作为基波的一次振荡波的波长转换为作为二次振荡波的二次谐波的波长的非线性光学晶体，其中，共振器各元件从激发光的输入侧起以如下顺序排列：第一激光器反射镜、固态激光晶体、波长控制元件、非线性光学晶体和第二激光器反射镜。
当共振器的各元件从激发光源的输入侧起按第一激光器反射镜、固态激光晶体、波长控制元件、非线性光学晶体和第二激光器反射镜的顺序排布时，共振器中基波的光腰可以落在非线性光学晶体上，且可以有效地产生二次谐波。
当第一激光器反射镜是一个透射85％以上的激发光并反射99％以上的一次振荡波的曲面镜，而第二激光器反射镜是一个反射99％以上的一次振荡波并透射85％以上的二次振荡波的平面镜时，就有可能减少共振器中的损失，因而进一步有效地产生二次谐波。
此外，第二激光器反射镜可以形成在非线性光学晶体的一个表面上。
当一个LiSAF(Cr：LiSrAlF6；添加铝锶锂氟化物的铬)晶体被用作上述固态激光晶体时，便可以产生具有800～900nm波长的一次振荡波和具有蓝色范围(400～450nm)的二次振荡波。
当一个LiSGAF(Cr：LiSrGaF6；添加镓锶锂氟化物的铬)晶体被用作上述固态激光晶体时，可以产生具有800～1000nm波长的一次振荡波，从而可产生具有400～500nm波长的二次振荡波。
一个倾斜布儒斯特角度的单块双折射晶体被用作控制自LiSAF晶体产生的一次振荡波波长的控制元件，并安置于LiSAF晶体和非线性光学晶体之间以防止前面所描述的SHG光的反射，从而可以减少共振器中SHG光的损失，并有效地产生SHG光。
石英(SiO2)，LiNbO3和LiTaO3中的任何一种都可以用作双折射晶体。最好是，使用厚度为0.4～3mm的单块石英板作为双折射晶体。
众所周知，共振器中的振荡阈值是通过将一个用于控制固态激光晶体的振荡波长的用作波长控制元件的双折射晶体插入共振器中来增加的。这是因为激光共振器的振荡特性取决于共振器中的损失，而此损失可通过插入一双折射晶体来增加，因而开始振荡的阈值变高。当波长控制元件的透射波长宽度很窄时，由波长控制元件反射而非透射的光的量将增加，从而造成损失增加且振荡阈值提高。图3示出了根据倾斜布儒斯特角度放置的双折射晶体的石英板数量的透射波长宽度的计算结果。由图3可以理解，透射波长宽度随双折射晶体的石英板数量，也即双折射晶体的厚度，的增加而变窄。因此，这就表明，透射的波长宽度可以通过减小双折射晶体的厚度来加宽，从而可减少损失及降低振荡阈值。
此外，图4示出了当双折射晶体由单石英板组成时，激光振荡波长间隔相对于双折射晶体厚度的曲线图。这里所用的术语“激光振荡波长间隔”是指取决于每一波长的激光介质增益特性的、同时激光振荡的波长之间的间隔。因为，当增益特性宽时，可能的激光振荡的波长范围宽，同时激光振荡可相应于波长控制元件的透射波长间隔而发生。从图4中可见，激光振荡的波长之间的间隔随着双折射滤光器厚度的增加而减小。这是因为，当厚度大时，可能激光振荡的相邻波长之间的间隔很窄，而能在宽带宽振荡的激光，比如LiSAF激光，能在二个或更多的振荡波长上振荡。因为一个通常的激光器反射镜具有50nm的反射带宽，因而需要大约为上述反射带宽的一半的25nm或者更大的振荡波长间隔，以抑制两个或更多的同时发生的振荡。因而，根据图4，双折射晶体厚度要小于等于3mm。由于当晶体的厚度太小时波长控制变难，根据图4，晶体的厚度要大于等于0.4mm。因此，双折射晶体的厚度最好在0.4～3mm范围内。
另外，当具有相对较宽的相位匹配半值(phase match halfvalue)的LBO(LiB3O5)、BBO(β-BaB2O4)、CLBO(CsLiB6O10)及CBO(CsB3O5)中的至少一种被用于作为SHG晶体的非线性光学晶体时，即使当基波的振荡波长宽度很宽时也能有效地产生SHG光。
稳定性和减小尺寸可以通过将共振器组成元件中的至少二个设置在同一构件上并把组成共振器的各元件安置在一个温度控制元件上方而得以实现。一个小尺寸、节能的具有SHG系统特性的二次谐波振荡器可以通过采用这些装置来实现。
以下结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明，其中：
图1是表示本发明一实施例的简图。
图2是表示本发明另一实施例的简图。
图3是表示透射波长宽度相应于双折射晶体的石英晶体的数量而变化的比较简图。
图4是表示振荡波长宽度随双折射晶体厚度而变化的简图。
图5是表示本发明一实施例的激光打印机的简图。
图6是表示本发明一实施例的微粒子探测器的简图。
图7是表示本发明一实施例的光成型装置的简图。
图8是表示本发明一实施例的光记录器的简图。
图9是表示一比较实施例的简图。
图10是表示一现有技术SHG光源的简图。
本发明将结合下述实施例加以详细描述。但是，应该理解，本发明并不限于这些实施例。
图1是表示本发明一实施例的简图。从一个半导体激光器1辐射出的激发光束11由会聚光学部件2聚焦以激发一固态激光晶体4。一个由频谱二极管实验室公司(Spectra Diode Laboratory Co.)制造的、具有500mW输出和670nm振荡波长的AlGaInP半导体激光被用作半导体激光器1。二个柱面透镜和一个单透镜(f＝30mm)被用作为会聚光学部件2。
被激发的固态激光晶体4在一激光共振器中产生作为基波的一次激光束，激光共振器包括一个位于输入侧的曲面镜即第一激光器反射镜3和一个形成在SHG晶体6输出端表面上并反射一次振荡波的第二激光器反射镜7。在这个激光共振器中，设置有激光晶体4、波长控制元件5和SHG晶体6。第一激光器反射镜3上涂敷有对来自半导体激光器的激发光的波长有大于等于85％透射比而对基波的波长有大于等于99％反射比的高反射涂层。在本实施倒中，共振器结构为凹一平面型共振器，第一激光器反射镜3具有25mm的曲率半径，而共振器的长度是20mm。含Cr 1.5mol％的LiSAF晶体( 3×5mm)用作激光晶体4。晶体的端面上涂敷有对激发光的波长和基波的波长有小于等于2％反射比的减反射涂层。SHG晶体6是一尺寸为3×3×5mm的LBO晶体。在输出侧，也就是LBO晶体的后端面，涂敷有对基波的波长有大于等于99％反射比的高反射涂层和对SHG波的波长有小于等于1％反射比的减反射涂层，从而使之成为第二激光器反射镜7。在输入侧，也就是LBO晶体的前端面涂敷有对基波的波长有小于等于0.2％反射比的减反射涂层。由单石英板制成的双折射晶体用作波长控制元件5并相对光轴倾斜布儒斯特角以绕光轴转动将基波的波长控制在用作SHG晶体6的LBO晶体的转换效率达最大的波长。由此获得了10mW的SHG输出。此外，第一激光器反射镜3、激光晶体4和波长控制元件5安装在同一结构件8上，SHG晶体6安装在结构件9上，而这些结构件都固定在用作控制整个共振器温度的温度控制元件的珀尔帖元件10上。
采用此结构，基波的光腰(beam waist)位于SHG晶体6之内，产生的SHG光12得以有效输出而不受波长控制元件的干涉。这个共振器尺寸小，且通过控制整个共振器的温度获得稳定的SHG光源。
图2是表示本发明另一个实施例的共振器的简图。由半导体激光器和会聚光学部件组成的激发光学部件同实例一相同。被激发的激光晶体4在激光共振器中产生作为一次震荡波的基波，激光共振器包括安置在激光共振器输入侧的用作曲面镜的第一激光器反射镜3和用作平面镜的第二激光器反射镜7。在这个激光共振器中，设置有激光晶体4、SHG晶体6和波长控制元件5。在作为第一激光器反射镜3的曲面激光器反射镜上涂敷有对激发光的波长有大于等于85％透射比而对基波波长有大于等于99％反射比的高反射涂层。在作为第二激光器反射镜7的平面激光器反射镜上涂敷有对基波波长有大于等于99％反射比的高反射涂层和对SHG光的波长有小于等于1％反射比的减反射涂层。在本实施例中，共振器结构为凹一平面型共振器，作为第一激光器反射镜3的曲面激光器反射镜具有25mm的曲率半径，共振器的长度是20mm。含Cr1.5mol％的LiSAF晶体(
Figure A9619000200121
3×5mm)用作激光晶体4。在晶体的二端表面上涂敷有对基波波长和激发光波长有小于等于2％反射比的减反射涂层。SHG晶体6是一个尺寸为3×3×5mm的LBO晶体。在LBO晶体的二个端面上涂敷有对基波波长具有小于等于0.2％反射比而对SHG光的波长具有小于等于1％反射比的减反射涂层。由0.5mm厚的单体石英板制成的双折射晶体用作为波长控制元件5，并相对于光轴倾斜布儒斯特角以绕光轴转动，使基波的波长控制在使作为SHG晶体6的LBO晶体的转换效率达最大的波长。由此，获得了10mW的SHG输出。类似于实施例1，通过把共振器各元件安装在控制整个共振器温度的同一结构件上可获得稳定的SHG输出。
图9是表示一对比实施例的共振器的简图。由半导体激光器和会聚光学部件组成的激发光学部件与实施例一的相同。
通过由半导体激光器辐射出的激发光束11激发的激光晶体4在一个激光共振器中产生作为一次震荡波的基波，激光共振器形成在涂有反射大于等于99％基波的高反射涂层并形成于输入侧，即激光晶体4前端面的第一激光器反射镜3，及涂有反射小于等于1％的SHG波波长的减反射涂层及反射99％以上的基波波长的高反射涂层且置于共振器输出侧的用作曲面激光器反射镜的第二激光器反射镜7之间。
在本实施例中，共振器结构为一平面一凹型共振器，作为第二激光器反射镜7的曲面激光器反射镜具有25mm的曲率半径，共振器的长度是20mm。含Cr1.5mo1％的LiSAF晶体( 3×5mm)用作激光晶体4并在其两端表面上涂有对基波波长和激发光的波长具有小于等于2％反射比的减反射涂层。SHG晶体6是尺寸为3×3×5mm的LBO晶体。在LBO晶体的两端面上涂敷有对基波波长具有小于等于0.2％反射比和对SHG波波长具有小于等于1％反射比的减反射涂层。0.5mm厚的单石英板制成的双折射晶体用作波长控制元件5并相对光轴倾斜布儒斯特角以绕光轴转动，使得基波的波长被控制在作为SHG晶体6的LBO晶体的转换效率成为最大的波长。然而，基波的共振光束32的光腰落在LiSAF晶体4的激光器反射镜上，光束直径在用于产生SHG光的非线性光学晶体5处较大，且部分SHG光被作为波长控制元件的双折射晶体所反射。结果，只获得5mw的SHG输出。
图5是表示本发明用于激光打印机的应用实例的简图。实施例一中所描述的二次谐波振荡器100辐射出的SHG输出33通过一个声光(此后简写为Ao)调制器401、一个反射镜402、一个光束扩展器403、一个多角转镜404和一个fθ透镜405，并会聚在一个光敏鼓406上。声光调制器401根据图象信息调制SHG输出33，多角转镜404沿水平方向(即图纸的水平方向)扫描。
采用这种组合，二次信息作为部分电位差(partial potentialdifference)被记录到光敏鼓406上。光敏鼓406旋转，根据电位差被色料粘附，从而在记录纸上复制出信息。
图6是表示本发明用于微粒控测器的应用实例，控测器用于探测硅片上的微粒子。自实施例一描述的二次谐波振荡器100辐射出的SHG输出33输入到光头500，通过反射镜502和会聚透镜503会聚到一个衍射极限，并辐射到硅片501上。从会聚成0.4μm滤长量级的光散射的光束505由光学探测器504接收，记录其强度，而光学头500从硅片501的中部移到端部，这样便测出了硅片上微粒的分布。直径在SHG波1/10波长范围内的微粒可以被测出。
图7是表示本发明一实施例应用于一光学成型装置中的应用实例的简图。实施例一中描述的二次谐波振荡器100用作一光源。蓝色固化树脂601充入一个容器中，反射镜602使从实施例一所描述的二次谐波振荡器100辐射出的SHG输出33以二维方式扫描液体表面。这时，只有吸收光线的蓝色固化树脂601的表面部分硬化。完成一层的形成后，提升机604下降以连续形成下一层。通过此操作，可以形成具有所希望形状的固体模型605。
图8是表示本发明一实施例应用于一光记录器的应用实例的简图。使用一个光磁记录系统的光盘驱动器。自实施例一中描述的二次谐波振荡器100辐射出的SHG激光束33被光束扩展器701扩展，进而成为平行光束。由分束镜702反射的部分光束被用于前部监测的光探测器708接收以监测SHG激光束33从而控制输出。通过分束镜702的光束由会聚光学部件704会聚到介质705上。被反射的光被分束镜702部分地反射并被分束镜706分成两束光，继而这两束光被两个光探测器707接收以执行自动聚焦和信号探测。一个固定的磁场加于介质705，SHG激光束33被调制而聚焦温度被升到介质705的居里温度以颠倒磁化进行记录。当激光束射出时，记录通过颠倒介质的磁化来实现。记录频率设为10MHz。在信号再现时，相同的SHG激光束用来获得再现良好的信号。
根据本发明，使用波长可变的激光，特别是LiSAF激光晶体的内腔双倍(intracavity doubling)SHG激光系统中，共振器的各元件从激发光的输入测以下列顺序安置：第一激光器反射镜、激光晶体、波长控制元件、SHG晶体及第二激光器反射镜。其结果是，基波的光腰位于SHG晶体内，产生的SHG光的输出不受波长控制元件的干涉，并实现了小尺寸、高效率的二次谐波振荡器。此外，稳定的SHG光源通过控制整个共振器的温度得以实现。
正如前面所描述的，根据本发明，可以提供小尺寸高效率的二次谐波振荡器及据它而制的激光应用装置如激光打印机、微粒子探测器、光学成型装置、光学记录器等等。

Claims (13)

1、一种二次谐波振荡器，包括：
一个作为激发光源的半导体激光器；
具有一个由所述激发光源激发的固态激光晶体、一个用于控制所述固态激光晶体产生的一次振荡波波长的控制元件、及一个用于波长转换的非线性光学晶体，将作为基波的一次振荡波转换成作为二次振荡波的二次谐波；
其中，所述共振器的各元件从所述激发光的输入测起按下面顺序安排：第一激光器反射镜、所述固态激光晶体、所述控制元件、所述非线性光学晶体及第二激光器反射镜。
2、根据权利要求1所述的二次谐波振荡器，其中，所述第一激光器反射镜是一个透射大于等于85％的激发光源的波长并反射大于等于99％的一次振荡波的曲面镜，而所述第二激光器反射镜是一个反射大于等于99％的一次振荡波及透射大于等于85％的二次振荡波的平面镜。
3、根据权利要求1所述的二次谐波振荡器，其中，所述第二激光器反射镜形成于所述非线性光学晶体的一个表面上。
4、根据权利要求1所述的二次谐波振荡器，其中，所述固态激光晶体是LiSAF(Cr：LiSrAlF6；添加铝锶锂氟化物的铬)或LiSGAF(Cr：LiSrGaF6；添加镓锶锂氟化物的铬)。
5、根据权利要求1所述的二次谐波振荡器，其中，倾斜布儒斯特角的单体双折射晶体用作所述用来控制从所述固态激光晶体产生的一次谐波的波长的控制元件。
6、根据权利要求1所述的二次谐波振荡器，其中，至少是LBO(LiB3O5)、BBO(β-BaB2O4)、CLBO(CsLiB6O10)及CBO(CsB3O5)中的一个用作所述非线性光学晶体。
7、根据权利要求1所述的二次谐波振荡器，其中，构成所述共振器的各元件中至少有二个设置于同一结构件上。
8、根据权利要求1所述的二次谐波振荡器，其中，构成所述共振器的各元件设置于一个温度控制元件上方。
9、使用根据权利要求1到8中任一项所述的二次谐波振荡器的激光应用装置。
10、根据权利9所述的激光应用装置，其中，所述应用装置为激光打印机。
11、根据权利9所述的激光应用装置，其中，所述应用装置为微粒子探测器。
12、根据权利9所述的激光应用装置，其中，所述应用装置为光成型装置。
13、根据权利9所述的激光应用装置，其中，所述应用装置为光记录器。
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