CN1462096A - 一种上转换自和频紫外激光器 - Google Patents
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Abstract
一种上转换自和频紫外激光器涉及激光晶体和固体激光器设计领域。将频率上转换非线性激光晶体的两端面沿垂直于和频基波激光与泵浦激光的相位匹配方向切割并与相应的镀膜片构成固体激光器，利用红外激光泵浦输出紫外激光。该器件由一块上转换非线性激光晶体和一对激光腔镜构成，结构简单紧凑，稳定性和可靠性高。
Description
一种上转换自和频紫外激光器涉及激光晶体和固体激光器设计领域。
一种上转换自和频紫外激光器，固体激光器具有光束质量高、运转稳定可靠、使用寿命长等优点。随着激光技术的发展及其在信息存储、光计算和光谱测量等领域的广泛应用，短波长固体激光特别是紫外固体激光器件日益引起人们的关注。现有的固体紫外激光一般采用红外半导体激光泵浦输出波长比该半导体激光更长的固体基波激光，再经过至少两次倍频或和频过程才能得到。其激光器件中除了一块激光晶体外还需要采用两块以上的非线性光学晶体。这就使得器件结构非常复杂，价格比较昂贵。使用过程中需要经常对其中的非线性光学器件进行调整和校正，维护成本较高，稳定性和可靠性都比较差，对使用环境的要求也比较高，在很多领域无法应用。
一种上转换自和频紫外激光器设计由一个红外激光泵浦的单一激光晶体构成的紫外固体激光器，将红外激光有效地转变成为紫外固体激光输出。目的在于解决当前通过红外激光泵浦输出紫外固体激光需要采用一系列的非线性光学器件所带来的激光系统结构复杂、维护困难、价格昂贵等问题，使得器件尽量紧凑和小型化，同时提高运行稳定性，降低器件成本。
本发明采用如下技术方案：
本固体紫外激光器采用的激光晶体为，掺杂能够产生频率上转换激光的稀土离子作为激活离子的非线性光学晶体，该类晶体具有非线性光学效应和通过激发态吸收或能量传递等过程产生频率上转换激光的双重功能，可以称之为上转换非线性激光晶体。例如：在目前已有的非线性光学晶体GdxY1-xAl3(BO3)4，Ca4GdxY1-xO(BO3)3，Gd2xY2(1-x)(MoO4)3，(其中x可以从0变化到1)，LaSc3(BO3)4中，以稀土离子如Pr3+、Ho3+、Er3+、Tm3+等，作为激活离子全部或部分取代Gd3+、Y3+或La3+离子。或者其他可被稀土离子激活的非线性光学晶体，如RE3+：MgO：LiNbO3、RE3+：ZnO：LiNbO3(RE＝Pr、Ho、Er、Tm等稀土离子)等。
将上转换非线性激光晶体的两端面，沿垂直于和频上转换基波激光与红外泵浦激光的相位匹配方向切割，并与相应的镀膜片构成固体激光器。
本固体紫外激光器采用红外激光进行端面泵浦。经过激活离子的频率上转换过程使得基波激光的波长短于泵浦的红外激光波长，再利用非线性激光晶体自身具有的非线性光学效应将该基波激光与泵浦的红外激光和频输出高光束质量的紫外激光。故称该器件为上转换自和频激光器。
现结合附图来说明本发明方案的实现方式：
首先，根据红外泵浦激光的情况和出射激光的要求，选择合适的稀土离子作为激活离子与合适的非线性光学晶体作为基质晶体，进行上转换非线性激光晶体生长。再根据和频需要对上转换非线性激光晶体(1)进行定向切割，使其入射和出射端面与所需的相位匹配方向垂直，晶体的长度可根据具体的材料和器件的要求确定(一般在毫米到几十厘米之间)，端面积一般在毫米见方到厘米见方之间。之后将该晶体置于两个适合激光运转的介质膜片(2)和(3)构成的激光腔中，便是一个适于红外激光沿方向(4)泵浦的单一晶体自和频紫外激光器，沿方向(5)输出紫外激光。
可以在上转换非线性激光晶体中掺杂百分之一到百分之九十九摩尔浓度的敏化离子，如Yb3+等，以增强对泵浦光的吸收，提高激光运转效率。在上转换非线性激光晶体的两端面镀泵浦光、基波光和紫外光的增透膜，可以提高激光运转效率。
直接在上转换非线性激光晶体的两端面镀膜，可以直接构成一个没有入射腔镜和出射腔镜，但具有相同功能的激光器。
实施本发明具有的有益的效果如下：
与已有的需要采用两块以上非线性光学晶体的红外光泵浦紫外激光系统相比，本发明由单一上转换非线性激光晶体构成的激光器经红外激光泵浦即可输出紫外激光。本发明使得紫外激光器件更加紧凑，克服了器件制造、维护、调整的复杂性，降低了制造和维护成本，提高了运转的稳定性和可靠性，便于各种环境条件下使用，将进一步拓展紫外激光的应用领域。
一种上转换自和频紫外激光器的结构如附图所示，其中(1)是频率上转换非线性激光晶体，其端面沿垂直于和频上转换基波激光与红外泵浦激光的相位匹配方向切割；(2)是激光腔的入射镀膜腔镜；(3)是激光腔的出射镀膜腔镜；(4)是红外泵浦激光入射方向；(5)是紫外激光出射方向。
一种上转换自和频紫外激光器的实施例如下：
实例1：800纳米波长的红外泵浦激光与Er3+离子产生的670纳米上转换基波激光(4F9/2→4I15/2)和频产生365纳米紫外激光输出。上转换非线性激光晶体ErxY1-xCa4O(BO3)3(x在0.001到1之间)两端面沿垂直于I类相位匹配角θ＝90.0°，φ＝79.4°定向切割，同时确定晶体的大小(一般为端面积在平方毫米到平方厘米，长度为几毫米到几十厘米之间的方柱或圆柱)，端面抛光后置于激光腔中。入射镀膜腔镜(2)在800纳米波长处高透、670纳米和365纳米处高反(R＞99％)，出射镀膜腔镜(3)在800纳米和670纳米处高反(R＞99％)、365纳米处高透。这便是一个适于800纳米红外激光泵沿方向(4)泵浦的上转换自和频紫外激光器，沿方向(5)输出365纳米波长的紫外激光。
实例2：用Erx(GdyY1-y)1-xCa4O(BO3)3(x在0.001到1之间，y在0到1之间)替代实例1中的ErxY1-xCa4O(BO3)3(x在0.001到1之间)作为上转换非线性激光晶体，两端面沿垂直于I类相位匹配角(随着y从0变化到1，匹配角可能偏离θ＝90.0°，φ＝79.4°)定向切割，也可以采用实例1中的办法构造适于800纳米附近红外激光泵沿方向(4)泵浦的上转换自和频紫外激光器，沿方向(5)输出365纳米附近波长的紫外激光。
实例3：可以利用其他非线性光学晶体如LaSc3(BO3)4、RE3+：MgO：LiNbO3、RE3+：ZnO：LiNbO3、GdxY1-xAl3(BO3)4和Gd2xY2(1-x)(MoO4)3(其中x可以从0变化到1)，在百分之零点一到百分之百摩尔浓度范围内掺杂稀土离子如Pr3+、Ho3+、Er3+、Tm3+等，根据稀土离子的吸收谱确定相应的红外泵浦激光波长，根据自和频的相位匹配条件对上转换非线性激光晶体进行定向切割，只要不因上转换非线性激光晶体对上转换基波激光与紫外自和频激光的自吸收而导致激光无法运转，均可参照实例1构造上转换自和频紫外激光器。红外激光沿方向(4)泵浦，上转换自和频紫外激光沿方向(5)输出。
实例4：从实例1至实例3，均可以在上转换非线性激光晶体中掺杂百分之一到百分之九十九摩尔浓度的敏化离子如Yb3+等以增强对泵浦光的吸收，提高激光运转效率。
实例5：从实例1至实例4，均可以在上转换非线性激光晶体的两端面镀泵浦光、基波光和紫外光的增透膜以提高激光运转效率。
实例6：从实例1至实例4，均可以直接在上转换非线性激光晶体的两端面镀膜而构成一个没有入射腔镜和出射腔镜但具有相同功能的激光器。
Claims (5)
1、一种上转换自和频紫外激光器，是由红外激光泵浦系统、激光腔和上转换非线性激光晶体组成，其特征在于：激光腔中只用一块上转换非线性激光晶体，该非线性激光晶体采用GdxT1-xAl3(BO3)4，Ca4GdxY1-xO(BO3)3，Gd2xY2(1-x)(MoO4)3，(其中x可以从0变化到1)或LaSc3(BO3)4中的一种，以稀土离子Pr3+、Ho3+、Er3+或Tm3+，作为激活离子全部或部分取代Gd3+、Y3+或La3+离子；或者采用其他可被稀土离子激活的非线性光学晶体RE3+：MgO：LiNbO3或RE3+：ZnO：LiNbO3(RE＝Pr、Ho、Er或Tm稀土离子)。
2、如权利要求1所述的一种上转换自和频紫外激光器，其特征在于：所述的上转换非线性激光晶体，其两端面沿垂直于自和频的相位匹配方向切割，晶体的长度根据具体的材料和器件的要求确定。
3、如权利要求1所述的一种上转换自和频紫外激光器，其特征在于：所述的上转换非线性激光晶体中掺杂百分之一到百分之九十九摩尔浓度的敏化离子Yb3+。
4、如权利要求1所述的一种上转换自和频紫外激光器，其特征在于：所述的上转换非线性激光晶体的两端面镀泵浦光、基波光和紫外光的增透膜。
5、一种权利要求1的上转换自和频紫外激光器，其特征在于：直接在上转换非线性激光晶体的两端面镀膜，构成一个没有入射腔镜和出射腔镜的紫外激光器。
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2002
- 2002-05-28 CN CN 02120548 patent/CN1268045C/zh not_active Expired - Fee Related
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