CN1200492C - 一种声光调q的多波长激光器 - Google Patents
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Abstract
一种声光调Q的多波长激光器，它是以Nd:YAG、Nd:YVO4、Nd:YAP、Nd:YLF、Nd:BEL中的一种激光晶体为激光激活介质，在氪灯或氙灯为泵浦源或以半导体激光器为泵浦源下，在一根激光晶体棒中同时输出1.0μm波段及1.3μm波段两种基波的激光振荡的双波长激光，在腔内有声光调制器，振荡的双波长激光运转于高峰值功率的调Q声光调制器状态，该器件输出双波长中的一种或两种基波，或输出经过放置腔内或腔外的非线性光学变频晶体产生的相干辐射。声光调制器由一块声光调制晶体构成，对1.0μm波段及1.3μm波段同时进行调制，避免了两种基波光各用一块声光调制器引入的插入损耗及腔长过长而不利于高功率运转等负面因素。
Description
技术领域
本发明的声光调Q的多波长激光器，属光电子领域。其在单根激光晶体可同时输出多种基波的激光波长及其非线性变频的相干辐射，可应用于激光医疗、激光加工、激光通讯等多个方面。
背景技术
过去有人把输出一种基波波长的激光及其非线性倍频光的一台激光器，称作双波长激光器。而通常人们指的多波长激光器应该是在单根激光晶体可同时振荡着至少两种基波波长的激光，有时还可含有其非线性变频的相干辐射。
由于多波长激光器有着十分广泛的用途，是近年来国际广泛关注并研究的项目。由于三价钕离子(Nd3+)激光晶体存在两条主要的波段，即由4F3/2-4I11/2能级的跃迁产生的1.0μm波段基波激光，和由4F3/2→4I13/2能级产生的1.3μm波段基波激光(对Nd:YAG晶体，为1064nm及1319nm或1338nm的激光；对Nd:YVO4晶体，为1064nm及1342nm的激光；对Nd:YAP晶体，为1079.5nm及1341.4nm的激光；对Nd:YLF晶体，1047nm及1313nm的激光；对Nd:BEL晶体，为1064nm及1351nm的激光)，而两种波长激光的跃迁截面σ相差较大，而且不同的激光晶体在两种波段跃迁截面之比又有所不同(见表1)，要让两种波段的基波同时振荡就要求采用相关的单元技术。我们曾建立了世界上首台连续运转的双波长晶体激光器(沈鸿元等，“Comparison of simultaneous multiple wavelength lasing in various
表1.一些掺钕激光晶体的基本参数
晶体 Nd:YAG Nd:YLF Nd:BEL Nd:YAlO3 Nd:YVO4
荧光寿命τ(μs) 230 480 144 150 99
4F3/2-4I13/2波长(nm) 1338/1318 1313 1351 1341.4 1342
σ1(×10-19cm2) 0.9/0.92 0.6 0.4 2.2 6.0
σ1·τ(×10-19cm2·μs) 207/211.6 288 57.6 330 594
4F3/2-4I11/2波长(nm) 1064 1047 1070 1079.5 1064
σ2(×10-19cm2) 4.6 3.2/2.6 2.1 4.6 18.6
neodymium host crystals at transitions from 4F3/2 to 4I11/2 and 4I13/2”，Applied physics letters，(1990)，56(20)，1937)，实现在Nd:YAP晶体上同时输出33.7W 1.0795μm激光及30W 1.3414μm激光。过去，我们测量了Nd3+离子在YAP晶体中4F3/2-4I13/2跃迁的截面σ(沈鸿元等，“Measurement of the Stimulated Emmission Cross section for4F3/2-4I13/2 transition of Nd3+ in YAlO3 Crystal”，IEEEJ.QuantumElectron.，1989，Vol.25，No.2，144)，它是Nd:YAG、Nd:YLF和Nd:BEL等晶体跃迁截面的2.4倍以上，它易于实现连续的双波长运转。此外，我们还获得了大能量的双波长同时长脉冲运转的激光(林文雄，沈鸿元等，“双波长脉冲Nd:YAG激光器的实验研究”，《中国激光》，1994，Vol.A.21，No.289.)，及在长脉冲下的非线性变频输出(林文雄，沈鸿元等，“Tripling the harmonic generation of a 1341.4nmNd:YAP laser in LiIO3 and KTP crystals to get 447.1nm blue coherentradiation”，Optics Communications，1991，82(3-4)：333-336；沈鸿元，林文雄等，“Second harmonic generation and sum requency mixing ofdual wavelength Nd:YAlO3 laser to 413.7nm violet coherent radiation inLiIO3 crystal”，Journal of Applied Physics(1992)，72(9)4472.)。此外，在同一个激光晶体同时输出几种基波波长的研究工作在国际上也开展了一些，如美国专利“Dual Wavelength Solid State laser”5,708,672；Chen Y F；CW dual-wavelength operation of a diode-end-pumpedNd:YVO4 laser，APPLIED PHYSICS B-LASERS AND OPTICS，(2000)Vol.70，No.4,475.
声光调Q后的激光比连续、长脉冲工作方式的峰值功率提高了几个数量级，由于其脉宽窄，占宽比变小了，在激光医疗中其对肌体的热灼伤作用可大大减少，而其平均功率比电光调Q后的激光输出大许多；此外，由于峰值功率提高，转换效率与同峰值功率的平方成正比的非线性光学变频相干辐射随之也大大提高。因此，声光调Q的多波长激光器有较好的应用前景。从目前的国内外研究现状看，尚未涉及同一激光晶体的两个波段的基波同时工作于声光调Q状态。而且一般使用声光调制器，在腔内也只对一种波长起开关作用。
发明内容
本发明的目的在于公开一种使用声光调制器能使一种掺钕离子激光晶体在单根棒中使1.0μm波段及1.3μm波段激光同时振荡并工作在声光调Q状态的多波长激光器，使得一台激光器具有多台激光器的作用。
实现本发明的技术方案如附图3所示。
首先激光晶体采用Nd:YAG、Nd:YVO4、Nd:YAP、Nd:YLF、Nd:BEL中的一种，在灯泵或半导体激光列阵泵浦下产生粒子数反转储能，在腔内插入声光调制器，以不同掺钕晶体激光材料在1.0μm波段及1.3μm波段的跃迁截面σ与荧光寿命τ的乘积στ设计谐振腔的前后腔镜等参数，可参见我们建立的双波长同时振荡理论(沈鸿元等，“Comparison of simultaneous multiple wavelength lasing invarious neodymium host crystals at transitions from 4F3/2 to 4I11/2 and4I13/2”，Applied physics letters，(1990)，56(20)，1937.)，即在特定的泵浦功率注入下使两种波长的运转激光竞争能力相当，实现在声光调Q状态下的双波长同时运转。普通的声光调制器都只对某一单一波长调制，而本发明的声光调制器能在一块声光晶体内对1.0μm波段及1.3μm波段同时进行调制。这就要求：1)选用的声光调制晶体对1.0μm波段及1.3μm波段吸收系数小的声光晶体材料，2)在声光调制器晶体两个端面镀上1.0μm波段及1.3μm波段的增透膜。这样就可保证插入的声光调制晶体不会引入过大的插入损耗。
从以上的声光调Q的多波长激光器输出的基波光，还可通过加上的非线性光学变频晶体实现非线性光学频率转换。
本发明的激光器采用一块声光调制器晶体构成声光调制器，对两个波段的基波光进行开关调制，避免了两种基波光各用一块声光调制器引入的插入损耗及腔长过长而不利高功率运转等负面因素；在声光调制下使激光的两波段基波的峰值功率大提高，从而大大提高其非线性光学变频产生的相干辐射输出。因此可广泛应用于激光医疗、激光加工、激光通讯领域等多个领域。
本发明与背景技术相比所具有的有益的效果：已有的相关研究及报道都是让晶体双波长激光器的两个基波运转在连续、准连续、长脉冲及电光调Q的工作状态，而本发明是运行于声光调制状态，它比电光调Q的工作方式平均功率高许多，又比连续或准连续激光的峰值功率提高几个数量级，因此若用在激光医疗上，由于时间占宽比较小，这将让生物组织有一定的热迟豫时间，使得过热灼伤的损害大大减小；由于峰值功率的提高，也使得激光更易切割生物组织，形象的说法是“激光刀更锋利了”；本发明采用一块声光调制晶体构成声光调制器，对两个波段的基波光同时进行开关调制，避免了两种基波光各用一块声光调制晶体引入的插入损耗及腔长过长而不利于高功率运转等负面因素；此外，由于峰值功率的提高，腔内或腔外的非线性光学变频转化效率提高了几个数量级，从而输出有实际应用价值的相干辐射。
附图说明
下面对附图作简要说明：
图1是本发明灯泵浦Nd:YAG的声光调Q多波长激光器实例的构成图；
图2是本发明激光二极管侧面泵浦Nd:YAG的声光调Q多波长激光器实例的构成图；
图3是本发明激光器的原理方框图。
具体实施方式
现结合附图进一步描述本方案的实施例：
实施例一：以图1为例，用氪灯或氙灯2泵浦Nd:YAG晶体1，用滤光管3滤去泵浦灯2的紫外辐射成分，聚光腔4采用紧包式椭圆型或圆型，腔内充满介质冷却液，冷却工作物质和泵浦灯，介质镜5对激光波长全反射，激光输出镜6对两种基波的输出耦合度不同，从而使两种波长激光的损耗不同，以达到双波长同时满足振荡条件；自循环冷却器7对聚光腔4、泵浦灯2、激光晶体1提供冷却，激光电源8驱动灯2，其输出电流可以从0连续增加到30安培的连续电源，或输出平均电流从0增加到30安培的脉冲宽度适当的重复率电源，或者输出能量可变的脉冲电源；声光调制器9是熔石英调制器，熔石英尽可能选用脱OH根材料，这样可以避免其在1.3μm波段OH根有较强的吸收损耗。熔石英尺寸8×25×50mm，镀上对1.0μm波段及1.3μm波段的反射率小于0.5％的宽带增透膜。工作时通水冷却声光调制器，声光调制器配有水循环冷却装置10。工作时，若在腔内或腔外插入非线性光学变频晶体，并相应调整谐振腔镜的耦合度，即可方便地获得较高变频效率的相干辐射输出。
实施例二：以图2为例，用多个LD12侧向泵浦Nd:YAG晶体1，在与泵浦光垂直方向上用半导体致冷器致冷的热沉(图中没画出)，抽取工作物质运转过程产生的热量，全反射介质镜5和输出介质镜6与图1相似，声光调制器9是熔石英调制器，熔石英尽可能选用脱OH根材料，这样可以避免其在1.3μm波段OH根有较强的吸收损耗。熔石英尺寸8×25×50mm，镀上对1.0μm波段及1.3μm波段的反射率小于0.5％的的宽带增透膜。工作时配有水循环冷却装置10通水冷却声光调制器9；采用LD半导体激光器的驱动源11驱动LD12。工作时，若在腔内或腔外插入非线性光学变频晶体，并相应调整谐振腔镜的耦合度，即可方便地获得较高变频效率的相干辐射输出。
Claims (2)
1.一种声光调Q的多波长激光器，是以Nd:YAG、Nd:YVO4、Nd:YAP、Nd:YLF、Nd:BEL激光晶体中的一种为激光激活介质，在以氪灯或氙灯为泵浦源或以半导体激光器为泵浦源下，在一根激光晶体棒中同时输出1.0μm波段及1.3μm波段两种基波的激光振荡，对Nd:YAG晶体，同时振荡1319nm或1338nm中的一个波长及1064nm的双波长激光；对Nd:YVO4晶体，同时振荡1064nm、1342nm的双波长激光；对Nd:YAP晶体，同时振荡1079.5nm、1341.4nm的双波长激光；对Nd:YLF晶体，同时振荡1047nm、1313nm的双波长激光；对Nd:BEL晶体，同时振荡1064nm、1351nm的双波长激光，在腔内有声光调制器，振荡的双波长激光运转于声光调Q状态，而使得该器件可输出双波长中的一种或两种基波，或输出经过放置腔内或腔外的非线性光学变频晶体产生的相干辐射，其特征在于：所述多波长激光器腔内装置有对1.0μm波段及1.3μm波段同时振荡的两种基波的激光进行声光调Q的声光调制器。
2.如权利要求1所述的声光调Q的多波长激光器，其特征在于：所述的声光调制器由一块声光调制晶体构成，它是熔石英调制器，熔石英选用脱OH根材料，镀上对1.0μm波段及1.3μm波段的宽带增透膜。
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