CN1328367A - 一种多波长晶体激光器 - Google Patents
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Abstract
一种多波长晶体激光器,是以Nd:YVO4、Nd∶YAP、Nd∶YLF中的一种激光晶体为激光激活介质,在灯(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振荡于1.0μm波段及1.3μm波段两种具有线偏振特性基波的激光。该激光器的谐振腔由两段组成,使该器件能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。该器件使得两波段的激光极易同时振荡,而且该激光器对输出腔镜镀膜精度的要求大大降低,与此同时,在脉冲工作方式下,1.3μm波段与1.0μm波段的脉冲时间、空间重叠性大大提高。
Description
本发明的多波长晶体激光器，属光电子领域。其在同一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、天文学等多个方面。
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同一根激光晶体中可同时振荡着至少两种基波波长的激光，有时还可含有基波光的非线性变频相干辐射。
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 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(见附表)，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 variousneodymium host crystals at transitions from 4F3/2 to 4I11/2 and 4I13/2”，Appliedphysicsletters，(1990)，56(20)，1937)，实现在Nd：YAP晶体上同时输出33.7W1.0795μm激光及30W 1.3414μm激光。过去，我们测量了Nd3+离子在YAP晶体中4F32—4I13/2跃迁的截面o(沈鸿元等，“Measurement of the StimulatedEmmission Cross section for 4F3/2-4I13/2 transition of Nd3+ in YAlO3 Crystal”，IEEEJ.Quantum Electron.，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附表：一些掺钕激光晶体的基本参数
长运转。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.)；进行了声光调Q双波长的研制(林文雄黄见洪沈鸿元，“一种声光调Q的多波长激光器”中国专利申请号01119589.4)；及在长脉冲下的非线性变频输出(林文雄，沈鸿元等，et.al.，Tripling theharmonic generation of a 1341.4nm Nd：YAP laser in LilO3 and KTP crystals toget 447.lnm blue coherent radiation.Optics Communications，1991,82(3-4)：333-336；沈鸿元，林文雄等，″Second harmonic generation and sum requencymixing of dual wavelength Nd：YAlO3 laser to 413.7nm violet coherentradiation in LilO3 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工作国际上也开展了一些：美国专利“Dual Wavelength Solid State laser”5,708,672；以及文献ChenY F；CW dual-wavelength operation of a diode-end-pumped Nd：YVO4 laser，APPLIED PHYSICS B-LASERS AND OPTICS，(2000)Vol.70，No.4,475.所报道的。
| 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 |
实现掺钕晶体双波长激光运转的难点在于在不同的激光晶体中1.3μm波段的跃迁截面比1.0μm波段小至少一倍以上，而要让两个波段的波长同时起振，按传统的方法就需要对1.0μm波段基波光加大腔损耗，但是这种方法在连续运转时有可能因为1.0μm波段腔损耗过大而不能起振；如果运行在脉冲状态，特别是在调Q状态，就会出现两个波段激光脉冲在时间上重叠性不好的结果，即两脉冲峰值间存在时间上的错位，造成两个脉冲功率相乘积的时间积分特性不好，这意味着与此乘积的积分成正比的双波长激光非线性和频能量输出很低。而且按传统方法，对腔镜的镀膜精度要求极苛刻，1.3μm波段与1.0μm波段的腔镜稍微偏离相匹配区，就可能无法实现双波长同时运转。
本发明的目的在于公开一种能使几种掺钕离子激光晶体，在单根棒中使1.0μm波段及1.3μm波段激光易于同时振荡的激光器，使得一台激光器同时输出多种波长的作用。
实现本发明的技术方案可通过附图加以说明：
如图1所示，在灯(氪灯或氙灯)为泵浦源(1)或以半导体激光器为泵浦源下，在连续、脉冲、声光或电光调Q工作方式下，采用Nd：YVO4、Nd：YAP、Nd：YLF中的一种激光晶体(2)为激光激活介质产生粒子数反转储能，上述晶体输出的激光的本征态都是线偏振光。多波长激光器的谐振腔由两段组成，第一段为1.0μm波段和1.3μm波段基波振荡共同经过的腔体，1.3μm波段基波振荡仅限在这一段内，而且在这一段内1.0μm和1.3μm波段基波光的偏振方向不变；第二段内，即全反镜模块(3)内有一个对1.0μm波段基波的激光进行往返后偏振方向旋转90°的相位变换器，1.0μm波段基波光回到第一段腔体内参加振荡；第一段腔体与第二段腔体之间共用的腔镜对1.0μm波段基波光高透，最后激光通过输出耦合镜(4)输出。
这样做的目的是：1.0μm波段的激光每经过第二段腔体一次则偏振方向就旋转90°，每两次就旋转180°。也就是说每个周期由一次垂直偏振、一次水平偏振组成。在Nd：YAP激光晶体中，激光沿晶体的b轴传输，对1.0795μm、1.3414μm激光，仅当其偏振方向平行于c轴才能激发反转粒子储能，产生受激辐射并对激光能量进行放大，而当其偏振方向垂直于c轴、平行于a轴时，激光经过激光晶体并不产生受激辐射，也就是说并不对激光能量进行放大。如果腔内有一个只对1.0μm波段基波的激光进行往返后偏振方向旋转90°的相位变换器，即让1.0μm波段基波的偏振方向产生平行、垂直的周期性变化，则其等效受激跃迁截面是其原来的1/2；而1.3μm波段基波光的偏振方向不变，其等效受激跃迁截面不变。这样，通过这一方法使得1.0μm波段基波的跃迁截面与1.3μm波段基波光相当或接近，两波长的竞争力相当，这就易于制成产生两种基波同时振荡的多波长晶体激光器。
图2(a)、图2(b)是第二段、也就是后腔镜模块的两种不同方案的详细结构图。其中图2(b)是图2(a)的三个元件合三为一的结构图。
以不同掺钕晶体激光材料在1.0μm波段及1.3μm波段的受激跃迁截面σ荧光寿命τ的乘积στ设计谐振腔的前后腔镜等的反射率参数，可参见双波长同时振荡理论(沈鸿元等，“Comparison of simultaneous multiplewavelength lasing in various neodymium host crystals at transitions from 4F3/2to 4I11/2 and 4I13/2″，Applied physics letters，(1990)，56(20)，1937.)，只是在计算时引用的1.0μm波段的等效受激跃迁截面是其原来的1/2。这样，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，实现双波长同时运转。
通过以上方案的多波长激光器，还可再加上非线性光学变频晶体用于非线性光学频率转换。
本发明与背景技术相比所具有的有益的效果是晶体双波长激光器的已有相关研究及报道都需要对1.0μm波段基波光加大腔损耗，但是这种方法在连续运转时有可能因为1.0μm波段腔损耗过大而不能起振；如果运行在脉冲状态，特别是在调Q状态，就会出现两个波段激光脉冲在时间上重叠性不好的结果，即两脉冲峰值间存在时间上的错位，造成两个脉冲功率相乘积的时间积分特性不好，这意味着与此乘积的积分成正比的双波长激光非线性和频能量输出很低。而且按传统方法，对腔镜的镀膜精度要求极苛刻，1.3μm波段与1.0μm波段的腔镜稍微偏离相匹配区，就可能无法实现双波长同时运转。
而采用本发明的方案，由于将1.0μm波段的等效跃迁截面减低了1/2，这样1.0μm波段的跃迁截面与1.3μm波段的相当或相近。在这样的条件下，两波段的激光极易同时振荡，而且该激光器对输出腔镜镀膜精度的要求大大降低，与此同时，在脉冲工作方式下，1.3μm波段与1.0μm波段的脉冲时间、空间重叠性大大提高，从而有比较好的两波长非线性和频相干辐射输出。
现对附图作图面说明：
图1.多波长晶体激光器模块图，其中(1)为泵浦系统，(2)为激光晶体，(3)为后腔镜模块，(4)为腔镜输出系统。
图2(a).后腔镜模块结构图。其中(5)为1.3μm全反、1.0μm高透的介质镜；(6)为对1.0μm起到λ/4波片作用的电光调制器；(7)为对1.0μm的全反镜。
图2(b).三合一的后腔镜模块结构图。中间的λ/4波片可以是石英，也可以是加电压后起到λ/4波片效果的电光调制器。将图2(a)中的介质膜直接镀制在λ/4波片的两个端面上。
图3.是本发明灯泵浦Nd：YAP的多波长晶体激光器实例的构成图。
图4是本发明激光二极管侧面泵浦Nd：YAP的多波长晶体激光器实例的构成图。
下面结合附图进一步描述本方案的实施例：
实施例一：
图3中(1)是泵浦用氪灯或氙灯；(2)为Nd：YAP晶体；(9)是滤去泵浦灯紫外辐射的滤光管；(10)为紧包式椭圆型或圆型聚光腔，腔内充满介质冷却液，冷却工作物质和泵浦灯；(4)为激光的输出镜，它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，这里我们采用的输出耦合度为：对1.3414μm的透射率为2.5％，对1.0795μm的透射率为2％；(11)是自循环冷却器，(12)为电源，可以是输出电流从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流，或者输出能量可变的脉冲电源；(5)对1.3414μm的反射率为99.8％、对1.0795μm的透射率为99.2％的介质镜；(6)对1.0795μm起到λ/4波片作用的LiNbO3晶体电光调制器；(7)对1.0795μm的反射率为99.9％的介质镜。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：
图4中(2)是Nd：YAG晶体、用多个LD(14)侧向泵浦，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；(4)为激光的输出镜，它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，这里我们采用的输出耦合度为：对1.3414μm的透射率为2.5％，对1.0795μm的透射率为2％，；(13)为将图2(b)中所示的两面镀有特定透过率的石英λ/4波片，其中朝Nd：YAP激光棒的一面镀上对1.3414μm的反射率为99.8％、对1.0795μm的透射率为99.2％的介质膜，另一面镀上对1.0795μm的反射率为99.9％的介质镜；(15)是LD半导体激光器的驱动源。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 (1)
1.一种多波长晶体激光器，是以Nd：YVO4、Nd：YAP、Nd：YLF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，在连续、脉冲、声光或电光调Q工作方式下，在一根激光晶体棒中同时振荡于1.0μm波段及1.3μm波段两种具有线偏振特性基波的激光：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，该激光器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：所述多波长激光器的谐振腔由两段组成，第一段为1.0μm波段和1.3μm波段基波振荡共同经过的腔体，1.3μm波段基波振荡仅限在这一段内，而且在这一段内1.0μm和1.3μm波段基波光的偏振方向不变；第二段内有一个对1.0μm波段基波的激光进行往返后偏振方向旋转90°的相位变换器，1.0μm波段基波光回到第一段腔体内参加振荡；第一段腔体与第二段腔体之间共用的腔镜对1.0μm波段基波光高透。
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| CN100454690C (zh) * | 2007-04-11 | 2009-01-21 | 北京光电技术研究所 | 多波长激光输出的调谐装置和调谐方法 |
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