CN1258390A - 适用于频率倍增的单模激光器及其构造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单模激光器及形成该单模激光器的方法。所述激光器可以采用一频率倍增材料而形成一腔内倍频激光器。所述激光器包括形成谐振腔的一输入反射镜和一输出反射镜以及在腔内及两反射镜之间的一光程。在光程中设置一激射工作物质以产生所需基本波长的光激射以及其他可能彼长的光激射。在光程内还设置一第一双折射元件以使沿光程存在的不同波长的光以种种不同的方向折射。在光程中还设置了一第二双折射件,它与第一双折射件一起对所需基本波长和不需要的诸波长进行甄别。即使所需基本波长和一个偏振以一个方向被折射从而使它产生光激射而不需要诸波长的一些部分以种种另外不同的方向折射从而使不需要诸波长的所有偏振都被消灭。

Description

适用于频率倍增的单模激光器及其构造方法

发明的背景

本发明总的涉及单模激光器，尤其涉及一种单模激光器结构，其中可以通过采用一频率倍增材料以提供可以在腔内倍频的单频激光器。

在已有技术中，已开发了多种单纵模激光器(以下简称SLM激光器)。人们之所以对SLM激光器感兴趣，其原因之一是通过在该激光器腔内加入一非线性材料就可以很容易地把SLM激光器转换成一倍频的结构。此外，当人们试图把不是SLM激光器的激光器转换成腔内倍频结构时往往就会遇到一些问题，下面接着就要谈到这些问题。

已有技术中的非线性倍频技术往往用于在可见和紫外光谱区域内产生相干辐射。采用这种技术获得了可以被接受的光转换效率。然而很多这种倍频激光器遇到了所谓“绿色噪声”问题。这种绿色噪声限制了它们在一些应用中的用途。具体地说，绿色噪声问题造成了幅度噪声(即倍频输出光束的强度的高低起伏)，人们相信这是由于在激光器的谐振腔内存在一纵向基模以外的其他模式从而产生增益竞争以及通过非线性倍频过程纵向模式与存在的种种模式之间的耦合现象所造成的。解决绿色噪声的最常见的方法是在激光器光线中消除激励非线性材料的其他模式(即使用SLM激光器)，从而消灭纵向模式的耦合而得到单一的倍频输出频率。

在已有技术中，研制出了多种腔内倍频纵向单模(SLM)激光器系统。一种实现SLM运转的方法是通过使用环形激光器。在环形激光器中，由于单向行波而消灭了空间烧孔现象。SLM运转就这样在一个均匀加宽的激光系统中得以实现。1991年10月1日授予Nightingale等人的美国专利第5,052,815号公开了一个腔内倍频SLM激光器的例子。使用环形激光器的主要缺点之一是环形激光器难以对准和操作。此外，环形激光器通常比简单的线性腔复杂，因为它要用上光二极管及往复延迟补偿器。此外，环形激光器的光束瞄准稳定性通常没有使用线性腔的好。然而，因为行波均匀地抽取出所有可以得到的增益，因此人们通常认为环形激光器与驻波线性腔相比是更为有效的。但是，在一腔内倍频激光器中，环形激光器不一定比线性腔更为有效，因为对于单向运转来说，环形腔需要较多的腔内元件。与倍频线性几何形状的腔相比，较多的元件在倍频环形腔内产生了较多的腔内损失，因为腔内倍频激光系统对腔的损失是极端敏感的。显然，损失一多，倍频的功率就小了。

1992年11月17日授予Lukas等人的美国专利第5,164,947号披露了形成SLM激光器的另一种技术。在这个专利中，使用了挠曲模式技术以消灭空间烧孔现象而获得SLM运转。所述激光腔包括一输入反射镜和一输出耦合器，它们共同形成一线性激光腔。在此激光腔内，一激射工作物质棒插在两个四分之一波长片之间，还在激光器内腔设置一偏振器和一非线性光学晶体以形成基波的偏振方向以及产生频率为基波两倍的输出辐射。激光器模式在激射工作物质棒中是圆偏振的，产生一驻波，其中电场矢量旋转通过增益介质而且其中在增益介质内没有驻波节。这样就消灭了空间烧孔现象。然而这一方法有它的固有缺点而且往往难以实施。首先，它需要在腔内设置两块非常精确的四分之一波长片；其次激光棒必须是非双折射的。这种要求把该激光器限于为数较少的激光器主体。此外，激光器晶体是光激励的，由热和应力引起的双折射将在增益介质中引入烧孔现象，从而再次产生多模运转。从实施的观点来看，这种激光器设计的复杂性也使得它难以定标及操作。

最近的一份专利，1995年1月10日授予Wedekind等人的第5,381,421号美国专利中描述了在线性激光腔内实现SLM运转的另一种方法。在这一方法中，将布鲁斯特偏振器和一种双折射材料组成一Lyot滤波器，它将频宽变窄以产生单纵模运转。这种方法的主要缺点是要用布鲁斯特偏振器。人们都知道，布鲁斯特角通常大于45度，因此很难对付，此外，布鲁斯特偏振器不是一种完美的偏振器，因为它对于它所要除去的偏振只造成16％左右的损失。由于这种原因，布鲁斯特偏振器不大能提供足够高的损失以抑制基波(基模)以外的纵向模式。而且，稍为有一点对布鲁斯特角的偏离，就会造成额外的插入损失从而不利于倍频和对频率的选择性。类似地，其他一个专利，例如1995年7月4日授予Suzuki等人的第5,430,754号美国专利揭示了一种由离轴线切割的Nd：YVO₄和一双折射材料例如KTP组成的Lyot滤波器来产生SLM辐射。这一方法的局限性在于它必需使用强的双折射性能和长的晶体来加强玻印亭(Poynting)矢量的离散。此外，如果使用此专利中所述的Nd：YVO₄，该Nd：YVO₄是离开解理(劈裂)平面43度切割的，这种离轴切割的晶体的制作远非轻而易举的事，通常其产品率都是较低的。此外，在以上两种Lyot滤波器方法中，很多腔内元件都有基本上垂直于腔轴线的平面。从这些表面产生的残余反射可以导致腔内基准和腔耦合效应从而使模式跳动。

本发明提供一种前所未有的解决途径和制造一种SLM激光器的有关方法，能够消除前述的各种缺陷，适合于腔内倍频的应用。

                         本发明概要

后面再另行加以详细叙述，本发明揭示了一种单模激光器，在这种单模激光器中，使用一种倍频材料以产生腔内单一频率的倍频，同时揭示了有关的方法。这种激光器包括形成一谐振腔的一输入反射镜和一输出反射镜以及在谐振腔内两反射镜之间的一条光程，一种激射工作物质设置在光程中以激射所需的基本波长和可能会激射出的其他不需要的波长。光径内设置了第一双折射装置，该装置沿着光径以不同的方向折射光线中的不同波长。光程中还有一第二双折射装置，它与第一双折射装置协同工作在所需要的基本波长和不需要的波长之间进行甄别，使所需要的基本波长在一个方向被折射而使它激射而不需要的波长则在其他方向被折射从而使它们衰减。

按照本发明的方法，由激射工作物质或其他合适的光源所产生的光通过一专门结构的双折射装置使光线中的一个所需的单波长分量的偏振以一预定的方式被影响而其他波长的光线分量的偏振以其他方式被影响。此后，光线被折射得使光线的其他分量以被摒弃的角度折射而被排除而单波长即基本波长以返回的角度折射而在激光器的腔内产生激射。

在本发明的一个方面，本发明的激光器能输出单纵模光。

在本发明的另一个方面，一非线性材料可以在激光器内受基本单模式光照射从而产生基本波长的一个谐波而从该激光器输出。

                    附图的简单说明

通过参阅下面结合附图所作的详细的叙述对本发明可以清楚地加以理解，附图中：

图1是按本发明制造的激光器的示意图，该激光器能够构成SLM激光器或可以通过增加一非线性材料而输出诸谐波倍增频率。

图2沿着图1激光器的光程从激射工作物质向输出反向镜方向看过去的示意图，图中示出了形成本发明激光器的一部分的双折射激射物质楔形件的普通和非常轴线和双折射非线性件的普通和非常轴线之间的关系。

图3是一曲线图，图中示出了本发明中提供SLM运转的方法的频率甄别结构的一些方面。

图4是按本发明制造的激光器的另一个实施例的示意图，图中示出了谐波倍增结构使用的双折射激射物质楔形件及一双折射非线性件。

图5是按本发明制造的激光器的又一个实施例的示意图，图中示出了在某些部件上使用反射镜涂层而不必使用分开的输入和输出反射镜。

图6是按本发明制造再一个激光器的示意图，图中示出了一谐波倍增结构，该结构能输出双向产生的谐波激光频率。

                    本发明的详细描述

请参阅附图，各图中凡是相同的部件均用相同的编号表示。首先请参阅图1，图中示出了按照本发明制造的激光器的一个实施例，该激光器在图中以编号10总的表示。激光器包括一抽运光源12，该抽运光源发射预定波长的光线14，光线14透过一透镜16而后进入形成在一输入反射镜20和一输出反射镜22之间的谐振腔18。按照本发明一激射工作物质24，一双折射楔形件26以及一双折射晶体28位于腔18内，这将在后面适当的地方加以详细叙述。

下面继续参阅图1。输入反射镜20的工作面30上以已知的方式加以涂层以使光线14可以顺利透过，而与此同时，对基本激射波长则予以高度反射(即由激射工作物质24发出的光)。输出反射镜22的一个面上也加以涂层以按激光器的用途在两反射镜之间形成一激射光程33。例如，如果该激光器用作SLM激光器，则在输出反射镜的工作面32上加上部分反射涂层以使入射在输出反射镜上的一小百分比基本激射波长(图中以箭头34表示)通过输出反射镜32。

作为另一个例子，如果激光器10需要一频率倍增结构(通过下面要加以叙述的方法)以产生一输出波长，则输出反射镜的工作面的涂层对基本激射波长要具有高反射性能的镀层而对所需谐波则具有高的透射率。例如，输出基本波长的第二谐波，这将在下面的适当地方加以描述。虽然Nd：YVO₄是较佳的激射工作物质，但其他的激射工作物质也是可以使用的。所述其他激射工作物质包括，但并不限于，Nd：YAG，Nd：YLF，Nd：SFAP，Nd：YALO₃，Cr：LiCaF₄，Cr：BeAlO₃以及Cr：LiSrF₄。所以，基本波长及二次谐波波长是可以随着激射物质基质以及工作面30和32上的涂层的改变而改变的。为了叙述简单起见，下面的讨论将采用Nd：YVO₄基本波长为1064毫微米，第二谐波波长为532毫微米。但是使用下面描述的原理，对本技术领域中的熟练人员来说，使用Nd：YVO₄以外的激射工作物质在看了所揭示的本发明内容之后也是很容易的。

下面继续参阅图1。抽运光源12安排得使光源12的抽运光束14通过输入反射镜16而进入激射工作物质24并与之耦合。抽运光源12可以采用种种不同的形式只要它们能产生或发射出对激射工作物质至为关键的预定波长的光束14就可以，这一点是大家都知道的。抽运光束14当进入激射工作物质24后，就被激射工作物质所吸收并使该物质进行光激射从而发出一预定的基本波及不需的波长并进入内腔18。在一个实施例中，抽运光源12是一激光二极管，它所发射的光的波长为809毫微米或809毫微米左右。众所周知，这类激光器二极管是极易购得的。

根据本发明，双折射楔形件26及双折射件28可以用双折射材料制成，例如用方解石，原钒酸盐，石英或其他适用的材料。众所周知，双折射材料具有一普通轴和一非常轴。在图1中，楔形件26的非常轴如图中沿箭头36的方向所示，即E_W，而楔形件26的普通轴O_W则与图1中的平面垂直，如图中编号38所示，编号38处用的一个圆点符号即表示与图的平面是垂直的意思。请注意沿O_W及O_E轴的正方向还是负方向是无关紧要的。此外，楔形件26包括一个O_W及E_W平面内的表面40，此表面与光程33大体相垂直。大体上与表面40相对的是楔平面表面42。为了描述的目的，一条线44用来代表与楔平面42相垂直。另一条线46表示与由O_W及E_W形成的平面相垂直，在这两条线之间形成一夹角θ。

现在请联系图1参阅图2。双折射晶体件28沿光程33设置，其非常轴E_M相对于E_W呈一角度β，此β角最好是45°。此外，O_M及E_M所形成的平面大体上垂直于光程33。应予指出的是，在图2中，各轴都是相对于光程33的长度画出的，就好像从激射工作物质20向输出反射镜22的方向看过去一样。为了清楚起见，光程33假定是直的。然而，本技术领域的熟练人士将明白实际上光程33并不是直的(见图1)，因为沿着它的长度光程经过种种部件。此外，如上所述，沿着这些轴的方向是正方向还是负方向是无关紧要的，因此，在图2中未予示出。虽然β角最好是45°，在下面将进一步说明，45°以外的其他角度也可能是适用的。楔形件26的结构以及楔形件26及双折射件28之间沿着光程33的总的关系以前所未见的方法产生了极为有利的沿着光程33的对频率/波长的甄别作用，这一点将在下文中结合对激光器10的运转的描述而加以叙述。

上面谈了激光器10的基本结构，现在请继续参阅图1及图2，下面将根据本发明的一个实施例，详细地叙述激光器的工作过程。在此实施情况中，Nd：YVO₄用作激射工作物质24，Nd的掺杂浓度为1％并且沿着光程33具有1mm的长度，基本波长是1064毫微米。当考虑基本波长在内腔18来回行进期间的偏振时是最便于理解本激光器的工作情况的。首先，假定基本波长是沿着楔形件26的E_W轴从激射工作物质24开始偏振的。当基本波在光程33上穿过楔形件平面42时，在楔形件平面经过一次折射。此折射按Snell’s(斯涅耳斯)定律进行的。然后它穿过双折射件28并沿着光程33被输出反射镜22向后反射回去，因为双折射件28的轴E_M相对于楔形件的轴E_W成β角度(45°)，返回的基本波在基本频率上有两个偏振分量，一个沿着E_W轴，另一个沿着O_W轴，每一个分量的相对振幅取决于双折射件28的延迟情况。例如，当双折射件28沿着光程33有一半波片或全波片时，则返回的基本波沿着楔形件26的E_W轴被线性偏振，产生某一偏振方向。另一方面，当楔形件28包括一四分之一波片时，被向后反射回去的基本波仍然是线性偏振的，但沿着楔形件26的O_W轴，从而产生一不同的偏振方向。

当基本波再次进入楔形件26时，因为沿着O_W和E_W轴的折射指数有差别，两个偏振分量将按照斯涅耳斯定律(Snell’s law)分别不同地折射，然后到达转入反射镜20的表面30上的不同位置。如果输入反射镜20对准得可以把E_W偏振分量向后反射则O_W偏振分量势必不能对准即被排除在光程33之外，即损失达到100％。O_W偏振分量的被排除路线在图1中以编号47表示。用略有不同的话来说，基本波长的通过双折射件28，经过一半波或全波延迟的一个偏振在通过了双折射件28的一次来回之后，它的偏振没有改变，而其他偏振发生了变化。采用了在楔形件28件平面处42的折射以及将输入反射镜30对准的双重措施后，这个(没有改变的)基本波长的偏振沿着光程33返回，在一次来回后只受到极小的损失。应当予以理解的是，O_W偏振分量只要简单地通过调节输入反射镜20就可以加以选择，因此，激光器10的输出偏振很易于改变以适应某一特定用途。

前面就基本波长的偏振描述激光器的10的工作过程，现在叙述不需要的波长的模式，即基本波长以外的模式。这些不需要的波长的模式如果没有某种频率甄别措施是也能够在腔中谐振的。在这方面，应该清楚双折射件28通常是被选来在一被选择的基本波长上提供一全波或半波延迟。在腔18内的不需要的模式在通过双折射件28时其波长将不发生半波或全波的延迟。所以通过双折射件28一个来回后对这些不需要的模式将产生偏振的改变，在通过双折射楔形件26后将产生不同角度/方向的折射。因此这些模式将被输入反射镜反射以使它们的一个分量(即某一偏振)将不能返回从而降低了每一不需模式的总的幅值。因此由于损失的累积(这些损失比激射工作物质在每一次来回时所提供的增益大)不需要的模式将被消灭。换句话说，不需要模式的一个偏振在足够的来回后最终将从反射镜20逸散而另一个频率的一个偏振可以被选择来用本发明的频率选择式滤波结构来发生光激射。就这样，就可以以较低的成本，相对来说比较简单、非常有利的方式实现单模运转。

请参阅图1，为了甄别掉不需要的频率，将楔形角θ选择得在一次来回后，在被双折射楔形件26折射的、在表面30上的基本频率的诸偏振分量之间的位移大于抽运光束腰的直径。这一条件可以近似地以下式表示： $\left(1\right)\mathrm{\θ}>\frac{\mathrm{\ω}}{\mathrm{\Δ}{n}_{w}L},$

式中，Δn_w，是楔形件26的双折率，L是激光腔的长度，ω是激射工作物质24处的抽运光束腰。例如，对使用10毫米长度腔，抽运光束腰为50μm，Δn_w＝0.21的原矾酸钇楔形件计算了q值，q约大于1.4°。应予以理解的是，使用较大的楔形角也是有效的，但是，从制造成本的角度看，较小的楔形角可以有利地降低形成双折射楔形件26所需要的比较贵的材料的数量。

现在请参阅图3。在这里所揭示的频率滤波器的结构所引起的损失(双折射楔形件26及双折射件28)可以用下式表示：

(2)损失＝Sin(2β)Cos²(2πΔn_ML_Mv/c)

式中Δn_M是双折射件28的双折射，L_M是双折射件沿光程33的长度，v是基本波的频率，C是光速。在基本波频率处或近基本频率处，对5mmKTP双折射件长度，从式(2)可得到的百分比损失相对于频率的图示，如图3所示。从图中可以看出，对β＝45°百分比损失在图示的频率范围内从0到100％变化，本发明的频率滤波结构的自由光谱区(FSR)由下式确定： $\left(3\right)\mathrm{FSR}=\frac{C}{2\mathrm{\Δ}{n}_M{L}_M}$ 使用上面的值，对5mm KTP长度，可以得出FSR约等于330GHz，Nd：YVO₄的增益带宽约在250GHz到300GHz(～50％增益点)，在图3中的虚线48之间用“W”表示。为了实现单模运转，希望在激射工作物质的增益带宽W内只有一个是损失最低的。本发明的频率滤波结构允许有一个是损失最低的，例如在频率f处用编号49表示的最低损失将基于FSR建立的最低损失之间的频率间距而移至(未示出)增益带宽范围W内。最低损失49的移动可以通过例如对双折射件28进行温度调节或用适当的装置支持该件28使之相对于光程可倾斜来实现。

一旦损失最低点49移到增益带宽W内，其结果就是将可以在腔18内谐振的频率范围限制到在f两侧的较小Df(图中未示出)。与此同时，腔在它的增益带宽内只能支持一离散数的纵向模式。例如，在本例中，在包括1mm Nd：YVO₄及5mm KTP长度的10mm腔长的情况下，在每一纵向模式之间的间距是11GHz左右。因此Df应小于11GHz以利于选择一单模来谐振。当对双折射件28采用适当的倾斜或温度调节，最低点49可以移动到一所选模式的频率。离开它最近的一个频率在图中用编号50示出，因此只有一个纵向模式是损失最低的，从而保持在激射阈值之上。这个阈值是单模运转所要求的阈值。根据式1(离开11GHz，图中未示出)，一邻近的纵向模式将损失1.1％，第二个邻近的模式(离开22GHz，图中未示出)将损失4.3％，第三个邻近的模式(离开33GHz，图中未示出)将损失9.5％，尽管第一相邻模式的损失似乎比较小，但它已足够使激光器的振荡限于单纵模。如果要使损失再增加，例如可以通过空间烧孔及其他诸如此类已知设计方法来实现。基本上，上述过程已经超越了激射工作物质的增益为峰值时的频率滤波结构以及所选择的谐振腔的纵模的最低损失，因此只有所选择的纵模能够作光激射而其余的模式由于损失而被消灭。

现在请参阅图1-3，前面已说过b最好是45°。改变b值的结果可以从图3的损失曲线清楚地看出，图3的曲线是基于b＝45°画出的。当b＝45°时，在曲线的峰值处损失达到100％，当b向0的方向下降时，曲线的峰值相应地下降，由于公式2中有Sin(2β)项存在，因此不需要的模式的损失就较小。当b＝0时曲线变为损失为0％的直线，因此不能对不需要的频率加以甄别摒弃。因此，很显然，b＝45°是有利的。另外必须指出的是，应该理解b限定了双折射件28和楔形件26的普通轴和非常轴之间的关系。这些轴的指向的实际方向是可以无限地改变的(例如绕图2的光程33旋转)，只要它们的相对方向形成一个适当的b值如本发明所述就可以。

再将参阅图1。必须指出，激射工作物质24是置于输入反射镜20附近的。这样，空间烧孔效应可以进一步提供对邻近诸模式的抑制。虽然最好把激射工作物质设置在反射镜20附近以利用空间烧孔效应而有助于对频率的选择，但并不一定这样要求因为本发明的频率滤波结构可以对多级频率提供选择作用，只要频率滤波结构按本发明制造时就可以得到单模运转的。

如前面所述，激光器10很容易改变来产生激光器10激射的任何光的基本波长的谐波。更具体地说，一非线性材料51(图中用虚线画出)设置在光程33中，通常人们希望能产生频率是激射的基本频率一倍的光。例如，当激射工作物质是Nd：YVO₄以及抽运光源12的波长接近809nm时，基本波长是1064nm，而第二谐波波长是532nm的绿色光。另一个例子，Nd：YVO₄波长是916nm，第二谐波波长是458nm的蓝色光。因此随着所选择的基本波长及在输入反射镜表面30上的以及在输出反射镜表面32上的涂层的设计，该激光器能产生532nm的绿色光或458nm的蓝色光。当使用其他激射工作物质时，基本波长及第二谐波波长就可以不同，这一点本技术领域的人士是熟知的。

在倍频结构的一个实施例中，非线性材料51包括KTP(Potassiumtitanate phosphate)，当输入的基本波为14时，就产生第二谐波光52如箭头所示。输出反射镜的表面32上的反射镜可以设计成对光52是透明的。以使光52可以透过如箭头54所示。注意在此例子中，输出反射镜被设计成对基本波长是全反射的，因此在图1中用箭头34表示的小百分比的光不能透过输出反射镜。虽然这里所用的非线性材料是KTP，但并不是非使用KTP不可。本发明同样适用于其他非线性材料，例如KN_bO₃，LBO，BBO，MgO：LiN_bO₃，KDP及PPLN。

现请参阅图4。图中示出了按照本发明频率滤波概念制造的倍频激光器的另一个实施例。此激光器在图4中总的用编号60表示。激光器60基本上与前面对激光器10所述的倍频结构相同，只有两点是例外。第一，激射工作物质24及楔形件26被一双折射激射工作物质楔形件62所取代，第二，双折射件28及非线性材料51被一切割成第II类型相位匹配的双折射倍频元件64所取代。例如，如果元件64是KTP元件，KTP可以沿光程33具有5mm的长度。KTP被切割成第二类型相位匹配(θ＝90°，φ＝23.5°)于1064nm，其Z轴相对于激射工作物质楔形件62的E_W轴成45°角而相对于线46成90°角，具体做法对本技术领域的人士来说是熟知的。激射工作物质楔形件的楔形角θ决定于前述式(1)。激射工作物质楔形件62及双折射倍频元件64的普通轴的非常轴的方向与激光器10中的相同(如图2所示)。为了简便起见，对它们的描述从略。此外激光器60的运行或运转本质与激光器10在其倍频结构上是相同的。因此，请参阅前面对系统10的描述。但是，要指出的是，激光器60的有利之点是它所用的元部件比系统10的少。本技术领域的人士将理解，由于它用了本发明的频率滤波结构，它仍具有前述激光器10的全部优点。此外，还应予以理解的是，系统60的多功能部件(即激射工作物质楔形件62及双折射非线性元件64)及其结构安排是前所未见的。

现请参阅图5。图中示出了按照本发明频率滤波概念的制造倍频激光器的又一个实施例。此激光器在图5中总的用编号70表示。激光器70与前述激光器60相似，所不同的是，由于在激射工作物质楔形件62的表面74上加了输入反射镜涂层72，以及在双折射倍频元件64的表面78上加了输出反射镜涂层76，就不再需要用分开的输入和输出反射镜。当然，输入反射镜涂层72对基本波长是高度反射而输出反射镜涂层76对所述倍频频率是可以透过的，而且对基本频率是高度反射以使光54能以第二谐波波长通过输出涂层。至于它的运转及设计，激光器70基本上与激光器60相同。

虽然在以上所述实施例中它们的部件具有各自的方面，应予理解的是本发明可以采取多种不同的结构，其中种种部件可以位于种种不同的位置以及种种不同的相互方向，但它们仍然落在本发明的范围之内。例如，应予理解的是上面所述的任何倍频结构很易于转变成SLM(单纵模)激光器结构，为此只要去掉非线性部件及相应地改变它们的反射镜透过涂层就可以。作为另一个例子，虽然本发明的激光器在以上的实施例中其元部件都是沿着一中心轴线安排的，但并不一定都要这样安排，下面就要讲到这一点。

现请参阅图6。其中，按本发明制造的一个倍频激光器是又一个实施例，它在图中以编号80表示。在这个实施例中，加进了一第三反射镜82，该反射镜的涂层对基本波长及第二谐波波长1064nm及532nm都是高度反射的。一光程84形成在激光器80的腔内，它包括一锐角α。应予理解的是，非线性材料51响应基本波长在一个方向产生倍频光的一部分52a而在一相反的方向响应基本波长产生另一部分倍频光52b。在这种结构中，反射镜82有利地把52b的光向输出反射镜22反射回去而使同相的向前和向后的二次谐波光辐射混合在一起并以光86从输出反射镜输出。激光器80的光程可以包括一L形或任何其他合适的形状。在一个变型中，反射镜82可以由在非线性材料51的表面88上的一个高度反射的涂层(图中未示出)所取代。

与已有技术相比，本发明的频率甄别结构以及有关方法在很多方面是非常有利的。例如，可以避免使用布鲁斯特片(Brewster plate)，如上所述，本发明的双折射楔形件或激射工作物质楔形件可以用少量材料制成因为q可以保持在大大低于布鲁斯特片中所需要的45°角。而且θ的正确值并非关键性的，只要它能大于由式(1)确定的预定值即可。此外，此优点可以导致组件做得更为紧凑。作为另一个例子，本发明的光输出的偏振是可以选择的，即可以是在SLM激光器结构中的基本波长偏振，也可以是在频率倍增结构中的谐波波长，即输出，偏振可以按以上所述容易地加以改变。

应予注意的是，所有腔内光学表面最好与腔的轴线的垂直线有一小角度的倾斜以使耦合腔及内腔波长基准(etalon)效应减至最小。

由于在这里揭示的激光器组件可以具有多种不同的结构以及可以用多种不同的方法制成，所以应予理解的是，本发明可以用许多其他形式实施而它们仍落在本发明的实质和范围之内。所以这里的例子和方法都只用来说明本发明，而本发明不限于在这些例子和方法的范围之内。而且本发明也不限于这里所提供的细节，而是可以在本发明的所附权利要求书的范围内加以变化的。

Claims (36)

1、一种激光器，其特征在于，它包括：

a、形成谐振腔的一输入反射镜和一输出反射镜，一在谐振腔内位于两反射镜之间的光程；

b、一位于所述光程内的激射工作物质，以在所需的基本波长上进行光激射，也可能还会有其他不需要的波长；

c、位于所述光程内的第一双折射装置，以对沿光程存在的光的不同波长进行不同方向的折射；

d、位于所述光程内的第二双折射装置，并且与所述第一双折射装置一起在所需基本波长和诸不需要的波长之间进行甄别以使所需基本波长的一个偏振在一个方向折射以使之进行光激射而诸不需要的波长部分则在其他种种方向、被折射以使所述诸不需要的波长的所有偏振都被消灭。

2、如权利要求1所述的激光器，其特征在于具有一个单一的构件，所述构件既用作所述激射工作物质又用作所述第一双折射装置。

3、如权利要求1所述的激光器，其特征在于所述第一双折射装置形成一楔形件的形状，它包括一基本上垂直于所述光程的表面和与所述表面之间有一锐角的一楔面，所述楔面表面与所述光程之间具有一斜角。

4、如权利要求3所述的激光器，其特征在于所述楔形双折射件包括一普通轴和一非常轴，两轴彼此正交并形成一与光程垂直的平面。

5、如权利要求3所述的激光器，其特征在于与所述双折射楔形件的楔表面垂直的一个方向与所述光程形成所述斜角，所述斜角大于

，式中Δn_w是所述双折射楔形件的双折射，L是激光器腔的长度，ω是在激射工作物质处的抽运光束腰。

6、如权利要求1所述的激光器，其特征在于具有一位于所述光程内的非线性材料用以接受激射工作物质所产生的基本波长以及产生所述基本波长的某一谐波的光线。

7、如权利要求6所述的激光器，其特征在于具有一个单一的元件，该元件既用作所述第二双折射装置，又用作所述非线性材料。

8、如权利要求1所述的激光器，其特征在于所述第一和第二双折射装置各自有一普通轴和一非常轴，其中，所述第一双折射装置的普通轴和非常轴安排成沿着光程相对于第二双折射装置的普通轴和非常轴处于某一方向以使只有被选择的基本频率的偏振能进行光激射。

9、如权利要求8所述的激光器，其特征在于第一双折装置的普通轴和非常轴沿着光程相对于第二双折射装置的普通轴和非常轴是不平行的。

10、如权利要求8所述的激光器，其特征在于所述的第一双折射装置的普通轴和非常轴安排成沿着光程相对于第二双折射装置的普通轴和非常轴成45°角。

11、如权利要求1所述的激光器，其特征在于所述第二双折射装置用作一波片，该波片沿着光程有一厚度，所述波片至少部分地建立所述基本波长。

12、如权利要求11所述的激光器，其特征在于所述厚度使所述第二双折射装置对所述基本波长成为一全波片。

13、如权利要求11所述的激光器，其特征在于所述厚度使所述第二双折射装置对所述基本波长成为一半波片。

14、如权利要求1所述的激光器，其特征在于所述双折射装置是非线性的并且同时用作非线性材料以使经过所述非线性材料的所述需要的基本波长能产生所述基本波长的某一谐波。

15、如权利要求14所述的激光器，其特征在于所述第二双折射装置切割得与第II类型相位匹配。

16、如权利要求14所述的激光器，其特征在于第二双折射装置是KTP。

17、一种产生基本上是单一波长的光的方法，其特征在于：

a、提供形成一谐振腔的一输入反射镜和一输出反射镜以及在两反射镜之间的光程；

b、沿着光程在所述谐振腔内设置一激射工作物质；

c、将所述激射工作物质被一光源所照射以使该物质产生光；

d、使所述光经过一专门设置的双折射装置以使所需单波长的一个分量的偏振受到预定方式的作用而使所述光的其他诸波长的所有其他分量的一些偏振受到其他方式的作用；以及

e、使所述光折射以使光的某些偏振以种种角度被折射而使其他波长的所有偏振都被摒弃并且使所述单波长的一个偏振以某一角度被折射得使该单波长返回从而在腔内作光激射。

18、如权利要求17所述的方法，其特征在于所述单波长的所述分量所受到的预定方式的作用是在经过所述专门结构的双折射装置后，其偏振保持不变而所述光的所有其他分量的一些偏振，则受到其他种种方式的作用即在经过所述双折射装置后，其偏振被改变。

19、一种激光器，其特征在于：

a、形成腔的一输入反射镜及一输出反射镜，一在腔内和两反射镜之间的光程；

b、一设置在光程内的激射工作物质用以在所需基本波长产生光激射及可能在其他不需要的波长上产生光激射，所述激射工作物质是双折射的并且使其结构得以种种不同方向对沿着光程的光的所需基本波长及所述不需要的诸波长进行折射；以及

c、在光程中设置一双折射元件以使双折射激射工作物质及所述双折射元件共同在所需基本波长和诸不需的波长之间进行甄别，即所需基本波长的一个偏振被以某一方向折射从而使它产生激射而诸不需要的波长的一些部分被以其它种种方向折射从而使不需要的诸波长的所有偏振都被消灭。

20、如权利要求19所述的激光器，其特征在于所述激射工作物质形成楔的形状，它包括一基本上与光程垂直的表面以及一与所述表面形成一锐角的楔面，而所述楔面则与光程成一斜角。

21、如权利要求19所述的激光器，其特征在于激射工作物质包括一普通轴和一非常轴，两轴彼此正交并形成一与光程基本上垂直的平面。

22、如权利要求20所述的激光器，其特征在于与所述激射工作物质的楔面垂直的一个方向与光程形成一斜角，所述斜角大于

式中Δn_w是激射工作物质的双折射，L是激光腔的长度，ω是激射工作物质处抽运光束腰。

23、如权利要求19所述的激光器，其特征在于具有一位于光程中的非线性材料，用以接受所述激射工作物质最初产生的基本波长的光以及用以产生所述基本波长的某一谐波的光。

24、如权利要求23所述的激光器，其特征在于：它有一单一元件，此元件既用作所述双折射元件，又用作所述非线性材料。

25、如权利要求19所述的激光器，其特征在于所述激射工作物质和所述双折射元件各自包括普通轴和非常轴，且其中所述激射工作物质的普通轴和非常轴安排得沿着光程与所述双折射元件的普通轴和非常轴成一特定方向，从而结果只有基本频率的一个被选择的偏振，发生光激射。

26、如权利要求25所述的激光器，其特征在于所述激射工作物质和普通轴和非常轴沿着光程与双折射元件的普通轴和非常轴彼此不相平行。

27、如权利要求25所述的激光器，其特征在于所述激射工作物质的普通轴和非常轴在光程中安排成与双折射元件的普通轴和非常轴成45°角。

28、如权利要求19所述的激光器，其特征在于所述双折射元件用作具有沿所述光程具有一厚度的波片，所述波片至少部分地建立所述基本波长。

29、如权利要求28所述的激光器，其特征在于所述厚度使所述双折射单元成为基本波长的一全波片。

30、如权利要求28所述的激光器，其特征在于所述厚度使所述双折射元件成为对基本波长而言的一半波片。

31、如权利要求19所述的激光器，其特征在于所述双折射元件是非线性的并且用作一非线性材料使通过该非线性材料的基本波长的光使该非线性材料产生所述基本波长的某一谐波。

32、如权利要求31所述的激光器，其特征在于所述双折射单元切割得成与第II类型相位匹配。

33、如权利要求31所述的激光器，其特征在于所述双折射元件是KTP。

34、如权利要求19所述的激光器，其特征在于所述反射镜以涂层的形式加在所述激射工作物质的双折射元件所述的预定表面上以形成谐振腔。

35、一种使光的某一频率倍频的方法，其特征在于：

a、提供形成谐振腔的一输入反射镜和一输出反射镜，以及一在两反射镜之间的光程；

b、将所述激射工作物质沿光程设置在所述谐振腔内；

c、用一光源照射所述激射工作物质以使它产生光；

d、将所述光经过一专门设置的双折射装置，使所需单波长的光的一个分量的偏振以一预定的方式受到作用以及所有其他诸波长的光的其他诸分量的偏振以其他方式受到作用；

e、使所述光反射以使光的一些偏振以不同的角度被折射而使诸其他波长被摒弃而所述单波长的所述分量以某一角度被折射而使所述单波长返回从而在所述腔内产生光激射，以及

f、沿光程设置一非线性材料以产生频率是所述特定频率的两倍的光。

36、如权利要求35所述的激光器，其特征在于所述单波长的所述分量以一预定的方式被作用即保持偏振不变，而所述光的所有其他分量的偏振以其他方式被作用，即偏振发生变化。

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