CN1238935C - 双镜环行行波激光器 - Google Patents
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Abstract
双镜环行行波激光器，涉及一种双镜环行行波激光器的结构设计。本发明所述激光器的谐振腔仅由两个反射镜组成，靠近泵浦光源的反射镜是在激光晶体上镀介质膜构成。两个反射镜间的距离为特定值时产生的激光束在腔内沿立体环形光路行进，形成环行行波激光器；同时在激光晶体的各个反射点进行LD多点纵向泵浦，可以提高泵浦功率，减弱热透镜效应，得到高的转换效率和大的输出功率和高质量的输出光束。因此该激光器具有结构简单紧凑，且能够达到现有多面反射镜谐振腔的效果，性能稳定的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种激光器，特别涉及一种双镜环行行波激光器的结构设计，属于激光技术领域。
背景技术
内腔倍频是目前全固态固体激光器产生倍频光的最常用的方法。这类激光器件的转换效率高、使用方便。但其缺点是存在倍受人们关注的“绿光噪声问题”，即激光器在多纵模连续运转时，由于模间和频的产生和交叉饱和效应两种非线性过程的共同作用，使其输出激光强度随时间发生大幅度无规则波动，表现出混沌运动的特征。这种腔内倍频输出功率随机起伏限制了此类激光器的应用，需要克服。遏制噪声的比较现实的方法是限制这种非线性。交叉饱和是固体激光器的一个非线性源。在均匀加宽材料，交叉饱和效应是由空间烧孔引起的，空间烧孔可以用环形腔克服。最简单常见的环形激光器有三镜、四镜、六镜环形倍频激光器。它们在精密测量和激光光谱学等领域中有重要应用，但由于它们使用多面独立的反射镜，从而结构复杂，工作不稳定，且价格居高不下。
再有，在现有的超快光学等领域中有重要应用的锁模激光器中，由于调制器的频率仅为百兆赫兹，必须使用很长的激光谐振腔(比如频率为150MHz的锁模激光器，其谐振腔的长度大概为1米左右)，从而使此类激光器的长度太大，工作不稳定，使用不方便；
另外，LD纵向泵浦全固态激光器有很高的效率和很好的光束质量，但其输出功率受到热透镜效应等因素的限制，因此只能用于制作成中小功率的激光器。
上述激光器的这些缺点主要是它们使用多镜谐振腔、长谐振腔和单点泵浦的结果。本发明首次提出全新的双镜环行行波激光器，以研制性能更高、体积更小、效率更高、价格更低的激光器。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单、腔长大大缩短、性能稳定、在相同的泵浦功率下可获得更高的输出功率的双镜环行行波激光器。
本发明的目的是通过如下技术方案实现的：一种双镜环行行波激光器，包括泵浦光源，谐振腔以及设置在谐振腔内的激光晶体，其特征在于：所述的谐振腔由泵浦端反射镜和输出耦合镜组成，靠近泵浦光源的泵浦端反射镜是在激光晶体上镀介质膜构成；两个反射镜间的距离L为特定值，满足以下公式：
L/R＝2-2cos2(Mπ/2N)cosθ
式中：R为反射镜的曲率半径，2N为光线在谐振腔内的反射次数，M是和N互质的整数，且M＜N，θ＝sin-1(d/R)，d为反射点离谐振腔轴线的距离；在该谐振腔内所产生的激光束在两个反射镜上的不同位置被反射，沿立体环形光路往返多次形成一个回路。
本发明所述的泵浦光源采用至少两个激光二极管，对所述的激光晶体上的各个反射点分别进行多点纵向泵浦。
本发明的特征还在于：该激光器采用双凹型或平凹型谐振腔，在腔内光路中放置和光路垂直的倍频晶体。
本发明的激光晶体采用Nd3+浓度为1at％的Nd:YAG；激光晶体的左端面上设有镀介质膜的泵浦端反射镜，其曲率半径为50mm；此反射镜对泵浦光的透射率T＞95％，对1.06μm振荡激光的反射率R＞99.8％，同时对0.53μm倍频光的反射率R＞98％；激光晶体的右端面上镀有同时对1.06μm基频光和0.53μm倍频光的增透膜，其透射率T＞99.5％。
本发明所述的倍频晶体选用KTP晶体，它的两个端面都镀有对1.06μm基频光和0.53μm倍频光的增透膜，其透射率T＞99.75％。
本发明输出耦合镜对1.06μm基频光的反射率R高于99.8％、对0.53μm倍频光是高透射(透射率T＞95％)的介质膜，曲率半径为50mm。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果：本发明所述的环行行波激光器，其谐振腔仅由两面反射镜组成，而且其中靠近泵浦光源的反射镜是在激光晶体上镀介质膜构成，结构简单，且能够达到现有多面反射镜谐振腔的效果，性能稳定。本发明提出的多点泵浦技术方案，可以提高泵浦功率，减弱热透镜效应，进而得到高的转换效率和大的输出功率以及高质量的输出光束；由于产生的激光光束在腔内往返多次才形成一个回路，因此在谐振腔长度较小的条件下，可以得到很大的有效谐振腔腔长，可望研制出长度大大缩短的锁模激光器；如果在具有法拉第效应的激光介质上施加磁场并配合使用偏振敏感的反射镜，就可以产生单向的行波激光振荡，得到单纵模运转，从而得到单纵模的基频近红外光输出和单纵模的倍频可见光输出，同时使腔内倍频激光器的绿噪声问题得到解决。因此，本发明提出的双镜环行行波激光器可以克服现有技术中几种激光器的缺点，提高激光器性能，可望得到广泛的应用。
附图说明
图1为本发明提供的双镜环行行波激光器的结构示意图。
图2为图1中谐振腔内反射四次形成的立体环形光路的侧面视图。
图3为谐振腔内反射六次形成立体环形光路时的多点泵浦示意图
图4为图3中谐振腔内反射六次形成的立体环形光路的侧面视图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明做进一步描述。
本发明提供的双镜环行行波激光器，包括泵浦光源1，由两个反射镜组成的谐振腔以及设置在谐振腔内的激光晶体2，其中的一个泵浦端反射镜6是在激光晶体上镀介质膜构成；另一个为输出耦合镜4，两个反射镜间的距离L为特定值，满足以下公式：
L/R＝2-2cos2(Mπ/2N)cosθ
式中：R为反射镜的曲率半径，2N为光线在谐振腔内的反射次数，M是和N互质的整数，且M＜N，θ＝sin-1(d/R)，d为反射点离谐振腔轴线的距离；在该谐振腔内所产生的激光束在两个反射镜上的不同位置被反射，沿立体环形光路往返多次形成一个回路(如图1所示)。图1中所示的四次反射系统为立体环行行波中最简单的情况，以它为例介绍两镜距离公式L/R＝2-2cos2(Mπ/2N)cosθ的计算。公式中R为反射镜的曲率半径，2N为光线在谐振腔内的反射次数，M＜N，且M是和N互质的整数，θ＝sin-1(d/R)，d为反射点离谐振腔轴线的距离。四次反射系统，所以2N＝4，M和N为互质的整数，且M＜N，所以M只能取1，镜面的曲率半径R＝50mm，假设反射点离轴线距离d＝6mm，代入上述公式，可得L＝50.3613mm。
将一束泵浦光调整到距离轴线6mm处，两镜距离调整到L＝50.3613mm，再做适当微调处理，这时所产生的激光束将在腔内沿立体环形光路行进，在两个反射镜间反射四次形成立体8字形的闭合回路。回路的侧面视图如图2所示，图2中5是立体光路。发现光路在激光晶体上有两个反射点，其中一个在已有的泵浦光处，取另一束泵浦光耦合到另一个反射点处，形成两点端面泵浦。泵浦源1是光纤耦合的LD，用控温仪控制LD的温度，使其工作波长为808.5nm，采用纵向泵浦的方式；振荡光束在激光晶体内每个反射点的位置上，都用LD进行端面泵浦，即实现对激光器的端面多点泵浦，就可以在降低热透镜效应的条件下提高泵浦功率。
上述激光晶体2为3mm厚、Nd3+浓度为1at％的Nd:YAG。采用双凹型谐振腔。
激光晶体的左端面上设有镀介质膜的泵浦端反射镜6，其曲率半径为50mm；此反射镜对泵浦光是高透射的(透射率T＞95％)，对1.06μm振荡激光是全反射的(反射率R＞99 8％)，同时对0.53μm倍频光是高反射的(反射率R＞98％)。
激光晶体的右通光表面上镀有同时对1.06μm基频光和0.53μm倍频光都是高透射(剩余反射率R＜0.5％)的增透膜；
输出耦合镜4是对1.06μm基频光的反射率R高于99.8％、对0.53μm倍频光是高透射(透射率T＞95％)的介质膜反射镜，曲率半径为50mm；
倍频晶体3选用KTP晶体，它的两个通光面都镀有对1.06μm基频光和0.53μm倍频光同时高透射的增透膜，每个面的剩余反射率R＜0.25％。
上述这种谐振腔的设计能满足构成激光振荡的要求，泵浦光从左侧射入，经激光晶体吸收，通过倍频晶体后，倍频光绿光能从输出耦合镜输出，而基频红光则不能透出，只能在腔内作往返振荡。
图3为谐振腔内反射六次形成立体环形光路时的多点泵浦示意图。同时在激光晶体上的三个反射点分别用三个LD进行多点泵浦，从而可以提高泵浦功率，并减弱热透镜效应，进而得到高的转换效率和大的输出功率和高质量的输出光束。
本发明所述激光器产生的激光光束在腔内往返多次才形成一个回路，因此在谐振腔长度较小的条件下，可以得到很大的有效谐振腔腔长，利用这种结构可研制出长度大大缩短的锁模激光器。
对于本发明所述激光器，如果在具有法拉第效应的激光介质上施加磁场并配合使用偏振敏感的反射镜，就可以产生单向的行波激光振荡，得到单纵模运转，从而得到单纵模的基频近红外光输出和单纵模的倍频可见光输出。
Claims (6)
1.一种双镜环行行波激光器，包括泵浦光源，谐振腔以及设置在谐振腔内的激光晶体，其特征在于：所述的谐振腔由泵浦端反射镜(6)和输出耦合镜(4)组成，靠近泵浦光源(1)的泵浦端反射镜(6)是在激光晶体(2)上镀介质膜构成；所述的泵浦端反射镜和输出耦合镜之间的距离L为特定值，满足以下公式：
L/R＝2-2cos2(Mπ/2N)cosθ
式中：R为反射镜的曲率半径，2N为光线在谐振腔内的反射次数，M是和N互质的整数，且M＜N，θ＝sin-1(d/R)，d为反射点离谐振腔轴线的距离；在该谐振腔内所产生的激光束在两个反射镜上的不同位置被反射，沿立体环形光路往返多次形成一个回路。
2.按照权利要求1所述的双镜环行行波激光器，其特征在于：所述的泵浦光源采用至少两个激光二极管，对所述的激光晶体上的各个反射点分别进行多点纵向泵浦。
3.按照权利要求1或2所述的激光器，其特征在于：所述的激光器采用双凹型或平凹型谐振腔，在腔内光路中放置和光路垂直的倍频晶体(3)。
4.按照权利要求1所述的激光器，其特征在于：激光晶体(2)采用Nd3+浓度为1at％的Nd:YAG；激光晶体的左端面上设有镀介质膜的泵浦端反射镜(6)，其曲率半径为50mm；此反射镜对泵浦光的透射率T＞95％，对1.06μm振荡激光的反射率R＞99.8％，同时对0.53μm倍频光的反射率R＞98％；激光晶体的右端面上镀有同时对1.06μm基频光和0.53μm倍频光的增透膜，其透射率T＞99.5％。
5.按照权利要求3所述的激光器，其特征在于：所述的倍频晶体选用KTP晶体，它的两个端面都镀有对1.06μm基频光和0.53μm倍频光的增透膜，其透射率T＞99.75％。
6.按照权利要求1所述的激光器，其特征在于：所述的输出耦合镜(4)是对1.06μm基频光的反射率R高于99.8％、对0.53μm倍频光的透射率T＞95％的介质膜反射镜，其曲率半径为50mm。
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