CN1256536A - 全固化单频倍频激光器 - Google Patents

Abstract

本发明是一种半导体激光(LD)泵浦单频倍频运转的固体激光器。LD光束整形系统采用一自聚焦透镜和两正交柱面镜及聚焦透镜,利用自聚焦透镜对x,y方向放大率的差异实现对LD光束的最佳整形。腔形采用四镜环行谐振腔,使用不同增益介质Nd:YAG,Nd:YVO₄,Nd:YAP晶体实现了内腔倍频单频运转,通过本发明使激光器达到高的倍频转换效率,稳定的单频绿光输出。可广泛应用于光谱,相干通信,激光雷达,引力波探测,二次谐波产生,参量振荡等领域。

Description

全固化单频倍频激光器

本发明涉及一种激光器，具体是一种半导体激光(LD)泵浦单频倍频运转的连续固体激光器。

八十年代中期以来，随着半导体激光器实用化水平的提高，半导体激光器泵浦的固体激光器得到迅猛发展。该类器件不仅使固体激光器真正实现了全固化，而且具有高效率、长寿命、结构紧凑、频率稳定等其它激光器不可比拟的优点。国内外的研究部门和厂商纷纷研制性能各异的全固化激光器，并迅速在激光器市场上占有一席之地，大有取代其它激光器的趋势。特别是半导体激光泵浦的全固体化单频激光器，以其优良的特性广泛应用于光谱，相干通信，激光雷达，引力波探测，二次谐波产生，参量振荡，及压缩态光场产生等领域。

端面泵浦中小功率的LD大都采用一维阵列激光二极管，它的发光面长从100μm到500μm，宽为1μm，输出功率从几百毫瓦到四五瓦。它的发散角在x、y不对称，一般垂直于结平面方向发散角为34°，平行于结平面方向发散角为10°。对LD光束整形通常采用一准直透镜和一聚焦透镜，因LD发光面和发散角的不对称，使进入增益介质的泵浦光尺寸较大且呈椭圆状，将影响整个激光器的最终转换效率。根据LD发光面和发散角的不对称性，可在准直透镜和聚焦透镜之间加一扩束棱镜对，实现整个整形系统的x、y方向不同的放大倍数，可达到较好的泵浦尺寸，但棱镜对较难调整且损耗较大。

端面纵向泵浦的固体激光器易于实现单横模输出，现已采用多种方法使该器件达到单纵模运转(戴特力编著《半导体二极管泵浦固体激光器》四川大学出版社，1993)。例如用扭转模腔，短腔谐振，利用标准具选模，利用具有高吸收系数的激光介质短程吸收泵浦光等。但只有利用环形谐振腔，通过在谐振腔中插入光学单向器使激光器单向运转，才可以实现精密的选模，从而达到理想的频率稳定性。早期，人们设计出激光二极管泵浦的单块非平面环形激光器，这种设计把单向环行谐振腔做在单块Nd：YAG激光晶体内，除输出耦合镜外，其它三个反射面利用内全反射，并利用Nd：YAG晶体本身作为法拉弟旋转器。由于该谐振腔的内腔损耗降至最小，因而激光器的泵浦阈值可降至5mW以下，并且这种激光器的频率极稳定。但人们逐渐发现由分离元件组成的环形激光器亦有其不可比拟的优点。这种激光器易于构成、调节，而且可以在谐振腔内插入各种元件，使激光器以不同方式运转。环行腔实现稳定的单频输出，高的转换效率，在腔形设计上要求严格，尤其对内腔倍频来说，因腔内加入倍频晶体而引入非线性损耗，偏振光的退偏损耗等，使激光器得到稳定的单频绿光输出相当困难。

本发明的目的在于设计一种整体转换效率高、单频运转稳定的全固化单频倍频固体激光器。

本发明所提供的全固化单频倍频激光器，由半导体激光器、泵浦光整形系统和环行谐振腔组成，腔内放入激光增益介质和倍频晶体，其特征在于整形系统是由一自聚焦透镜、柱面镜及聚焦透镜组成，环行谐振腔是由四镜八字腔组成。

所述的整形系统是由一自聚焦透镜、两正交柱面镜及聚焦透镜组成。自聚焦透镜在靠近LD一端为凸面，另一端为平面。自聚焦透镜一端的凸面是为了减小透镜的球差，增大收光角，从而增强自聚焦透镜的聚光能力，获得较小聚焦光斑尺寸。自聚焦透镜的放大倍数与距LD发射端面的距离有关，而在LD发射端面前有一镀增透膜的保护窗片，因此窗片的厚度和位置决定了自聚焦透镜的放大倍数。在自聚焦棒输出端面后约1.3mm处有一会聚点。对于4W激光器，垂直y方向由34°变为6°，水平x方向变为28°，从中算出自聚焦透镜y方向放大倍数为0.18×，x方向2.3×。自聚焦透镜x、y方向对称光学元件实现x、y方向不同的放大，这与有的整形系统使用一棱镜对扩束实现x、y方向不同的放大有着异曲同工之妙。其后使用两个正交放置的柱面镜，将LD输出激光的x、y方向分别整形为近似平行光，最后通过一大口径的聚焦透镜对泵浦光进行聚焦。

所述的环行谐振腔采用四镜环行腔，由两个平面镜和两个凹面镜构成，这样光束在腔内可形成两个腰斑，可以分别进行倍频和泵浦模式匹配。两凹面镜曲率小，它们之间形成一个较小的腰斑，可使KTP晶体达到最大的非线性转换效率。两平面镜之间也存在一个腰斑，此腰斑与泵浦腰斑相匹配达到最佳的模式腰斑尺寸。

在设计半导体激光泵浦的固体激光器中，决定激光效率和输出功率的一个最重要参数是泵浦光束与激光模式在增益介质的交叠度。优化后的腔内激光模式尺寸决定了环行谐振腔结构尺寸。Nd：YVO₄晶体的吸收长度约为1.8mm，Nd：YAG和Nd：YAP吸收长度略长。经过数值计算焦平面应位于进入晶体平面1mm处最好。4W LD经整形系统后最小平均腰斑尺寸为35.4μm，椭圆度为0.112。根据带有空间变量速率方程出发根据稳态条件和一级近似，得到最大的功率输出时最佳的腔内模式腰斑尺寸为230μm。整形系统最后的聚焦透镜焦距为50mm，泵浦光的聚焦点在距输入镜30mm处，因此调整四个腔镜的位置使两平面镜之间的腔模腰斑和泵浦光的聚焦点重合，且重合点在增益介质中距前端面500μm～2mm处。增益介质前端面镀有泵浦光和红外双增透膜，另一端为红外增透膜。

在一定的内腔功率条件下，倍频转换效率随倍频晶体中的腰斑的减小而增加，当光束腰斑尺寸对应的共焦长度小于等于倍频晶体的长度时，光束在晶体内有很大程度的发散而降低了光强，以及倍频晶体的走离效应，都减弱了二次谐波产生，所以合理的情形是将光束聚焦到光束的腰斑对应的共焦长度等于倍频晶体的长度。在适当的条件下，可以将激光器的全部可应用的功率以频率为而2ω不是ω的波抽取出来。假定在各给定泵浦条件下，当输出镜面具有(最佳的)百分之三的透射率时，功率输出可达极大值，用一个对ω具有百分之百反射率的镜面取代输出镜面，并在谐振腔内放置一个非线性晶体，如果此时每穿行一次由ω到2ω的转换效率是百分之三，该台激光器就又还原到原来那样的最佳状态，只不过以前的损耗是由于功率经过输出镜面而耦合出去，现在的功率损失是由于二次谐波产生，因而产生的2ω功率就等于以前经过镜面耦合出去的激光功率，这样一来就相当于激光器原来所能供应的总功率完全转换给二次谐波。在设计时合理选择倍频晶体的长度，倍频晶体放置在环行谐振腔两凹面镜之间的腔模腰斑的正中，腔模的共焦长度略大于或等于倍频晶体的长度。

当泵浦光激励激光增益介质时，一部分产生了所希望的粒子数反转数，余下部分，由于无辐射跃迁，基质的直接吸收及对粒子数反转无贡献的激活粒子跃迁以热的形式耗散在工作物质中，使工作物质产生温升、热聚焦及双折射等物理效应，这些效应可近似等效为一正的热透镜，这严重地影响了激光器的性能。为了补偿热透镜可在棒端磨成有一定曲率凹面以消除热透镜影响，然而这种方法只有在整个运转中热焦距保持不变的情况下，TEM₀₀模才能得到改善，但热焦距稍有偏离，光束特性就立刻变坏。在腔形设计时，采用热不灵敏腔，保证在一定腔形时，光束发散角和模体积对于激光棒的平均热焦距的变化是不灵敏的，热不灵敏条件为|A+D|＝0。所以，在激光器腔形设计时，可适当选取参数，以改善激光器由于泵浦而带来的热效应。

在YVO₄+KTP单频激光器中倍频晶体选用按II类相位匹配方向切割的KTP晶体。Nd：YVO₄是单轴晶体，其平行与光轴(即c轴)方向的激光发射截面是垂直于光轴方向的4倍，输出是平行于光轴的线偏振光。KTP的快轴与Nd：YVO₄的光轴成45°角(II类相位匹配KTP晶体倍频时的相位匹配的要求)。KTP是双轴晶体，放在腔内起一个波片的作用，因此必须控制KTP晶体的温度使它对基波充当一个全波片的作用，以减小KTP晶体对基波退偏而引入的损耗。在设计激光器谐振腔时，要认真选取内腔元件尽量引入小的损耗，使非线性损耗占主导地位。内腔倍频与基波输出在腔形设计上有着很大的不同。设计基频输出谐振腔时，由于输出耦合镜在很宽频段内透射率是不变的，所以对正反方向的光波引入的损耗是相同的，在腔内加入一些元件正反方向引入很小损耗差，腔内就可单向运转单频输出。例如，腔内加一声光调制器正反方向的光波引入的损耗差为0.02％，这足够使腔内光波单向运转。但在内腔却不同，从前面内腔倍频理论分析看出倍频引入的非线性损耗与腔内基波功率有关，腔内起振方向的基波非线性损耗大，另一个方向小，所以非线性损耗也是一种损耗差。腔内总的损耗差＝单向器引入损耗差-非线性损耗差。在内腔倍频腔形设计上要使单向器引入损耗差大于非线性损耗。

Nd：YAP为双轴晶体，所使用Nd：YAP棒为沿b轴方向拉制的，对于b轴取向的Nd：YAP晶体棒而言，偏振方向平行于c轴的1.08μm谱线增益最强，因此它与Nd：YVO₄晶体实现单频运转的机理一致。

Nd：YAG晶体是均匀加宽介质，在环行激光器中，使激光器单向运转，消除空间烧孔效应，使激光器实现单纵模运转，通常在激光器中加入光学单向器，不引入正向传播激光的损耗，而增大反向传播激光的偏振损耗，来迫使激光器单向运转。通常光学单向器由起偏检器，法拉第旋转器，二分之一波片组成，为了尽可能降低激光器的内腔损耗并使激光器结构简单紧凑，我们设计出四镜非平面环行谐振腔，利用正反向传播的激光在腔内传播一周后产生的彼此反向的偏振方向旋转，来代替二分之一波片，并将磁场加在Nd：YAG激光晶体上，利用Nd：YAG晶体微弱的法拉第效应，使正反向传播的激光产生彼此同向的偏振方向旋转，来代替通常将磁场加在TGG旋光晶体上构成的法拉第旋转器。设计中可以通过调节非平面角，降低正向传播激光的偏振损耗，增大反向传播激光的偏振损耗，迫使激光器单向运转，得到单频激光输出。

本发明设计的全固化单频固体激光器与已报道的单频固体激光器相比有以下优点：

1.它由分离元件组成，易构成、易调节。

2.整形系统对泵浦光束的整形效果好，能与腔模实现最佳空间交叠匹配，提高激光的转换效率且能得到好的激光模式。

3.本发明采用四镜环行腔，腔内形成两个腰斑，一个进行泵浦光与腔模最大空间交叠匹配，另一个进行最佳倍频转换，使激光器泵浦阈值降低，倍频转换效率提高。

4.腔形上考虑了热不灵敏条件，使激光器输出更加稳定。

5.考虑了内腔倍频与红外单频运转的不同，认真设计了内腔倍频的单频输出，实现了长时间稳定的单频绿光输出而不跳模。

总之，该激光器整体转换效率高、单频运转稳定。

附图的简要说明

图1、本发明Nd：YVO₄+KTP(二类临界匹配)单频倍频激光器的结构示意图。

图2、本发明Nd：YAG+KTP(二类临界匹配)单频倍频激光器的结构示意图。

图3、本发明Nd：YAP+KTP(二类非临界匹配)单频倍频激光器的结构示意图。

下面结合附图进一步描述本发明的实施方案。

本发明的实施例一Nd：YVO₄+KTP(二类临界匹配)单频激光器，如图1所示。LD泵浦光束整形系统是由一自聚焦透镜1、两正交柱面镜2和3及聚焦透镜4组成。自聚焦透镜1的数值孔径.N.A＝0.6，直径1.5mm，长3mm，自聚焦棒在靠近LD一端为凸面，另一端为平面。自聚焦透镜一端的凸面是为了减小透镜的球差，增大收光角，从而增强自聚焦透镜的聚光能力，获得较小聚焦光斑尺寸。柱面镜2为15×10mm，焦距为20mm，柱面镜3为15×10mm，焦距为40mm，使用这两个正交放置的柱面镜，将LD输出激光的x，y放向分别整形为近似平行光。聚焦透镜4孔径为Φ20mm，焦距为50mm，将平行光束聚焦到距输入耦合镜约30mm处。

在本发明中使用1)SLI-CW 1W的LD，发光面为100μm×1μm，远场发散角θ_//＝12°，θ_⊥＝34°。通过测量得到泵浦光束经过整形系统的发散角，来估算出泵浦光在增益介质中的光斑尺寸。在聚焦透镜前平行光束的光斑尺寸6×5mm，经过聚焦透镜泵浦光束发散角变为θ_⊥＝2arctg(5/(50×2))＝5.7°，θ_//＝2arctg(6/(50×2))＝6.9°，进入增益介质后变为3.2°和3.8°。垂直方向发散角缩小了6倍，垂直方向进入增益介质光斑增大为6μm，水平方向发散角缩小了1.7倍，水平方向进入增益介质光斑为170μm。2)2W的LD，发光面为200μm×1μm，远场发散角θ_//＝12°，θ_⊥＝34°。在聚焦透镜前平行光束的光斑尺寸6×5mm，经过聚焦透镜泵浦光束发散角变为θ_⊥＝5.7°，θ_//＝6.9°，进入增益介质后变为3.2°和3.8°。垂直方向发散角缩小了6倍，垂直方向进入增益介质光斑增大为6μm，水平方向发散角缩小了1.7倍，水平方向进入增益介质光斑为340μm。3)SDL4W的LD，发光面为500μm×1μm，远场发散角θ_//＝12°，θ_⊥＝34°。在聚焦透镜前平行光束的光斑尺寸12×3mm，经过聚焦透镜泵浦光束发散角变为θ_⊥＝3.4°，θ_//＝13.7°，进入增益介质后变为1.9°和7.7°。垂直方向发散角缩小了10倍，垂直方向进入增益介质光斑增大为10μm，水平方向发散角缩小了1.1倍，水平方向进入增益介质光斑为450μm。

激光器中的增益介质9采用A轴切割的掺钕钒酸钇(Nd：YVO₄)晶体在1.064μm波长处的有效受激发射截面为15.6×10^-19cm²是Nd：YAG晶体4倍左右。与相同掺Nd浓度的Nd：YAG晶体相比，Nd：YVO₄在808nm波段的吸收系数要高近5倍，吸收带宽也较宽，YVO₄掺杂浓度可从0.1％到3％而YAG最高只能到1.5％。因此Nd：YVO₄晶体较Nd：YAG晶体具有低的泵浦阈值，高的转换效率。实例中Nd：YVO₄晶体的掺杂浓度为0.5at-％，横截面为3.0×3.0(mm)，a轴通光，通光方向长度为5.0(mm)，晶体的前表面镀1.064μm/809nm双减反膜，剩余反射率R_1.064μm＜0.2％，R_809nm＜5％，后表面镀1.064μm减反膜，剩余反射率R_1.064μm＜0.2％，。在809nm处，晶体对平行于c轴的偏振泵浦光的吸收系数为21.0cm^-1，对平行于a轴的偏振泵浦光的吸收系数为10.4cm^-1，因此我们选用平行于c轴的偏振泵浦。

8为平面输入耦合镜，对1.064μm高反、809nm减反，R_1.064μm＞99.5％，R_809nm＜5％；13为平面输出耦合镜；5、7为曲面镜，5对1.064μm高反，反射率R_1064μm＞99.5％，7对1.064μm、0.53μm高反，曲率半径都为50mm；考虑到激光谐振腔结构的紧凑性并保证泵浦光与振荡激光很好重叠以及激光谐振腔能处于稳区，选择l₁＝114mm，l₂＝113mm，l₃＝57mm，l₄＝63mm。在此谐振腔结构下，激光谐振腔的稳定性条件|A+D|＝0，这样可以保证激光器能够稳定运转，即使谐振腔结构稍有变化，也不致于使激光器处于非稳区。需要说明的是，以上讨论是在高斯光束近似，而且不计象散，所以选择|A+D|＝0就是考虑即使有上述影响的存在，激光器亦能稳定运转。同样可以计算出，腔镜8与13之间的激光腰斑半径w₀＝226μm，腰斑距8的距离为30mm。平均泵浦光腰斑半径为240μm，在此谐振腔结构下就可以基本保证泵浦光与振荡激光很好重叠，这样泵浦光只能激发基横模，使激光器处于基横模运转，同时最大限度提高能量转换效率。通过腰斑的位置可以确定激光晶体的插入位置。腔镜5与7之间的腰斑半径为29μm，共焦长度为5mm，正好为KTP晶体的长度。腰斑在两镜的中间，也在KTP晶体的中间。

在设计Nd：YVO₄+KTP环行腔时，利用Nd：YVO₄晶体c轴(光轴)方向的激发截面是a轴的4倍，假设激发截面从c轴到a轴是线性变化的，腔内Φ3×5(mm)的铽镓石榴石TGG(Terbium Gallium Garnet)晶体10外加Φ15×15(mm)永久磁铁11，磁场强度为5000高斯，可对1.064μm产生5°的偏振旋转，那么引入正反方向损耗差为8.3％，这足以维持腔内单向运转。12为二分之一波片，两边都镀有1.064μm的增透膜。最大可得单频绿光输出为200mW，长期稳定输出为150mW。

本发明的实施例二Nd：YAP+KTP(二类非临界匹配)单频激光器如图2所示。泵浦光整形系统同实施例一。增益介质9 Nd：YAP晶体为双轴晶体，我们所使用YAP棒为沿b轴方向拉制的，对于b轴取向的Nd：YAP晶体棒而言，输出光为偏振方向平行于c轴的1.08μm的激光。腔形结构同实施例一。但倍频晶体6采用二类非临界匹配的KTP晶体，通过一控温精度可达0.01°的加热炉14把晶体加热到63°达到温度匹配。因晶体是温度匹配具有较小的走离效应，实例中采用3×3×10mm的KTP晶体，两边都镀有1.08μm的增透膜。该实例得到稳定的0.54μm单频绿光输出为80mW。

本发明的实施例三Nd：YAG+KTP(二类临界匹配)单频激光器如图3所示。泵浦光整形系统同实施例一。5、7为曲面镜，5对1.064μm高反，反射率R_1.084μm＞99.5％，7对1.064μm、0.53μm高反，反射率R_1.064μm＞99.5％，曲率半径分别40mm、50mm；通过调节四个腔镜，使谐振腔的非平面角约为1.5°；增益介质9为Nd：YAG晶体，尺寸为φ3×10mm，前表面镀1.064μm/809nm双减反膜，剩余反射率R_1.064μm＜0.2％，R_809nm＜5％，后表面镀1.064μm减反膜，剩余反射率R_1.064μm＜0.2％，晶体置于M₁、M₂之间的腰斑处。腔形选择l₁＝120mm，l₂＝100mm，l₃＝49mm，l₄＝80mm。在此谐振腔结构下，激光谐振腔的稳定性条件|A+D|＝0。腔镜8与13之间的激光腰斑半径w₀＝205μm，腰斑距8的距离32mm。腔镜5与7之间的腰斑半径为26μm，腰斑距5的距离为22mm。

在谐振腔中插入光学质量较高的熔融石英薄片15，并按布儒斯特角方位放置，利用光束垂直偏振分量存在一定的反射率使此方向损耗增大，在谐振腔内垂直偏振不能形成激光，水平偏振分量的反射率为零，确保此方向谐振放大。使由谐振腔输出的激光是纯度很高的线偏振光，布儒斯特角度为55°。将磁场直接加在Nd：YAG激光晶体上，利用Nd：YAG晶体的法拉第效应，使正反向传播的激光产生彼此同向的偏振面旋转来构成法拉第旋转器。激光波长为1.06μm时，Nd：YAG晶体的维尔德常数为V＝105°T^-1m^-1。当Nd：MAG晶体长度1＝10mm，加在Nd：YAG晶体上的磁场强度B＝5000高斯时，激光经过Nd：YAG晶体后偏振面旋转的角度为ψ＝VIB＝0.6°。旋转反向与所加磁场方向有关，设计中要注意YAG棒插入磁铁中的方向。通过调节非平面角Ω，使激光器单向运转，并调节Brewster窗片及Nd：YAG晶体的方位使激光器达最佳状态。该实例得到稳定的0.53μm单频绿光输出为80mW。

Claims (9)

1.一种全固化单频倍频激光器，由半导体激光器、泵浦光整形系统和环行谐振腔组成，腔内放入激光增益介质(9)和倍频晶体(6)，其特征在于整形系统是由一自聚焦透镜(1)、柱面镜(2)(3)及聚焦透镜(4)组成，环行谐振腔是由四镜八字腔组成。

2.根据权利要求1所述的全固化单频倍频激光器，其特征在于整形系统的自聚焦透镜(1)是一端为凸面，另一端为平面，柱面镜(2)(3)是两个正交放置的柱面镜，聚焦透镜(4)是一个大口径的平凸透镜。

3.根据权利要求1所述的全固化单频倍频激光器，其特征在于环行谐振腔是由四个腔镜组成，两个腔镜(5)(7)为凹面镜，两个腔镜(8)(13)为平面镜，增益介质(9)放在两平面镜(8)(13)之间，倍频晶体(6)在两凹面镜(5)(7)之间。

4.根据权利要求3所述的全固化单频倍频激光器，其特征在于环行谐振腔两平面镜(8)(13)之间的腔模腰斑和泵浦光的聚焦点重合，且重合点在增益介质(9)中距前端面500μm～2mm处，增益介质(9)前端面镀有泵浦光和红外双增透膜，另一端为红外增透膜。

5.根据权利要求3所述的全固化单频倍频激光器，其特征在于环行谐振腔倍频晶体(6)放置在两凹面镜(5)(7)之间的腔模腰斑的正中，腔模的共焦长度略大于或等于倍频晶体的长度。

6.根据权利要求3所述的全固化单频倍频激光器，其特征在于环行谐振腔考虑了热不灵敏条件，使谐振腔的|A+D|＝0。

7.根据权利要求2至6中任一权利要求所述的全固化单频倍频激光器，其特征在于环行谐振腔中增益介质(9)采用Nd：YVO₄晶体，倍频晶体(6)是二类角度匹配的KTP，腔内还放入由外加磁场(11)的TGG晶体(10)和二分之一波片(12)组成的光单向器，使倍频绿光单频输出。

8.根据权利要求2至6中任一权利要求所述的全固化单频倍频激光器，其特征在于环行谐振腔中增益介质(9)采用Nd：YAP晶体，倍频晶体(6)是二类温度匹配的KTP，腔内还放入由外加磁场(11)的TGG晶体(10)和二分之一波片(12)组成的光单向器，使倍频绿光单频输出。

9.根据权利要求2至6中任一权利要求所述的全固化单频倍频激光器，其特征在于环行谐振腔中增益介质(9)采用Nd：YAG晶体，倍频晶体(6)是二类角度匹配的KTP，Nd：YAG晶体加上磁场(11)，Nd：YAG晶体本身的法拉第效应和非平面腔组成光单向器，使倍频绿光单频输出。

Images