CN1464602A - 可见波段双波长固体激光器 - Google Patents

Abstract

一种可见波段双波长固体激光器涉及固体激光器设计领域。采用腔内同时进行倍频与和频的方案，利用红外激光泵浦，同时输出可见波段的双波长激光。器件结构紧凑，降低了器件制造、维护、调整的复杂性，也降低了制造和维护成本，提高了运转的稳定性和可靠性。

Description

可见波段双波长固体激光器

可见波段双波长固体激光器涉及固体激光器设计领域。

可见波段双波长固体激光器，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。虽然目前已经有单一固体激光器输出双波长红外激光的例子，如掺Nd³⁺激光器同时输出1064nm和1340nm激光，但是在激光显示、大气监测和光谱实验等领域更需要多种波长的可见激光。现有的办法是不同的波长采用不同的腔内倍频固体激光器、或者是采用同一红外固体激光器，配上不同的非线性光学器件输出不同波长的激光。这就使得系统结构复杂、价格昂贵、维护成本较高、对使用环境的要求也比较高。

可见波段双波长固体激光器设计由一个红外激光泵浦，通过腔内倍频与和频实现可见波段双波长输出的固体激光器。目的在于使单一激光器件同时输出可见波段不同波长的激光，具备目前采用两套激光系统或一台固体激光器加上一系列非线性光学器件才能实现的功能。通过功能集成，使器件紧凑、结构简单，价格、维护成本和对使用环境的要求也相应降低。

本发明采用如下技术方案：

本可见波段双波长固体激光器采用红外激光(如钛宝石激光、InGaAs和GaAlAs半导体激光)泵浦。在激光腔中放置一块激光介质，激光介质采用掺杂Nd³⁺、Pr³⁺、Ho³⁺、Er³⁺、Tm³⁺、Yb³⁺等稀土离子的YAG、YVO₄、LiYF₄等晶体，稀土离子的掺杂浓度在0.5at％至30.0at.％之间；或者采用掺上述稀土离子的氟锆酸盐、氟磷酸盐、硅酸盐、磷酸盐等激光玻璃，稀土离子掺杂浓度在0.5at.％至20.0at.％之间；或者采用掺上述稀土离子的透明激光陶瓷，稀土离子掺杂浓度在0.5at.％至30.0at.％之间；再放置两块非线性光学晶体(如KTP、LBO、BBO、KNbO₃等)分别对基波激光进行倍频和将基波激光与泵浦激光和频。或者在激光腔中放置一块激光与非线性光学复合功能晶体，称之为非线性激光晶体(如可以掺杂稀土离子的Gd_xY_1-xAl₃(BO₃)₄，Ca₄Gd_xY_1-xO(BO₃)₃，Gd_2xY_2(1-x)(MoO₄)₃，(其中x可以从0变化到1)，LaSc₃(BO₃)₄等非线性光学晶体)，同时起产生基波激光与自倍频(或自和频)的双重作用，再加上一块非线性光学晶体(如KTP、LBO、BBO、KNbO₃等)起和频(或倍频)作用，也可以达到同样的效果，并且器件更为紧凑。激光腔镜镀适合相应波长激光运转的介质膜。

现结合附图来说明本发明方案的实现方式：

如附图1所示，根据红外泵浦激光的情况和出射双可见波长激光的要求选择合适的激光介质(1)进行切割和端面抛光，介质的长度可根据具体的材料和器件的要求确定(一般在几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。根据和频基波激光与红外泵浦激光的相位匹配需要对非线性光学晶体(2)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(一般在几毫米到几厘米之间)，端面积一般在毫米见方到厘米见方之间。根据倍频基波激光的相位匹配需要对非线性光学晶体(3)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(一般在几毫米到几厘米之间)，端面积一般在毫米见方到厘米见方之间。之后将激光介质和非线性光学晶体置于适合双可见波长激光运转的激光腔中，三者的位置可以根据具体情况互换，以达到最佳输出效果。谐振腔输入镜片(4)上镀膜，在基波激光波长附近高反(R＞99.9％)，在红外泵浦激光波长附近高透。谐振腔输出镜片(5)上镀膜，在基波激光和红外泵浦激光波长附近高反(R＞99.9％)，在和频与倍频双激光波长处透过率大于75％。这便是一个适于红外激光沿方向(6)泵浦的可见波段双波长固体激光器，沿方向(7)输出双波长固体激光。其中一束激光的频率为基波激光频率的2倍，另一束激光的频率为基波激光频率与红外泵浦激光的频率之和。

或者如附图2所示，根据红外泵浦激光的情况和出射双可见波长激光的要求选择合适的非线性激光晶体(8)，并根据自和频基波激光与红外泵浦激光的相位匹配需要对该非线性激光晶体进行定向切割，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(一般在几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。根据倍频基波激光的相位匹配需要对非线性光学晶体(9)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(一般在几毫米到几厘米之间)，端面积一般在毫米见方到厘米见方之间。之后将这两块晶体置于适合双可见波长激光运转的激光腔中，两块晶体的位置可以根据具体情况互换，以达到最佳输出效果。谐振腔输入镜片(4)上镀膜，在基波激光波长附近高反(R＞99.9％)，在红外泵浦激光波长附近高透。谐振腔输出镜片(5)上镀膜，在基波激光和红外泵浦激光波长附近高反(R＞99.9％)，在和频与倍频双激光波长处透过率大于75％。这便是一个适于红外激光沿方向(6)泵浦的可见波段双波长固体激光器，沿方向(7)输出双波长固体激光，其中一束激光的频率为基波激光频率的2倍，另一束激光的频率为基波激光频率与红外泵浦激光的频率之和。或者用非线性激光晶体自倍频基波激光，用非线性光学晶体和频基波激光与红外泵浦激光，也可以达到同样的效果，此时激光腔中两块晶体的位置也可以根据具体情况互换。

可以在激光介质、非线性激光晶体和非线性光学晶体的两端面度泵浦激光、基波激光和可见激光的增透膜以提高激光运转效率。

在最靠近输入镜片和输出镜片的晶体端面上镀谐振腔膜，取代腔镜，可以直接构成一个具有相同功能的激光器。

实施本发明技术方案具有的有益的效果：

与已有的一台可见波段固体激光器只能输出单一波长激光相比，本发明设计一台固体激光器同时输出可见波段不同波长的两束激光。这将使得多波长固体激光器件更加紧凑，降低了器件制造、维护、调整的复杂性，也降低了制造和维护成本，提高了运转的稳定性和可靠性。在需要同时使用可见波段多波长激光的场合，如激光显示、光谱实验等，有着广泛的应用前景。

本可见波段双波长固体激光器的附图说明：附图1为采用一块激光介质和两块非线性光学晶体的可见波段双波长固体激光器的示意图，其中：(1)是激光介质；(2)和(3)是非线性光学晶体；(4)是激光腔的输入镜片；(5)是激光腔的输出镜片；(6)是红外泵浦激光入射方向；(7)是双可见波长激光出射方向。

附图2为采用一块非线性激光晶体和一块非线性光学晶体的可见波段双波长固体激光器的示意图，其中(8)是非线性激光晶体；(9)是非线性光学晶体；(4)是谐振腔输入镜片；(5)是谐振腔输出镜片；(6)是红外泵浦激光入射方向；(7)是双可见波长激光出射方向。

可见波段双波长固体激光器，下面结合实施例加以说明：

实例1：输出504nm和670nm激光的双波长固体激光器。激光器件结构如附图1所示。谐振腔输入镜片(4)上镀有介质膜，在基波激光波长1300nm～1400nm处高反(R＞99.9％)，在红外泵浦激光波长807nm附近高透。谐振腔输出镜片(5)上镀有介质膜，在1300nm～1400nm处高反(R＞99.9％)，在出射激光波长500nm～700nm处透过率大于75％。激光介质(1)为Nd³⁺:YVO₄晶体，切割成端面积为5×5mm²，长度为1cm左右的两端面抛光的方柱。非线性光学晶体(2)为两端面沿垂直于和频泵浦激光与基波激光的II类相位匹配角(θ＝69.0°，φ＝3.67°)切割的KTP晶体，晶体长度为5mm到1cm，端面积为5×5mm²，置于谐振腔输入镜片(4)和激光介质(1)之间。非线性光学晶体(3)为两端面沿垂直倍频基波激光的II类相位匹配角(θ＝79.0°，φ＝10.27°)切割的KTP晶体，晶体长度为5mm到1cm，端面积为5×5mm²，置于谐振腔输出镜片(5)和激光介质(1)之间。激光介质(1)在沿方向(6)入射的807nm泵浦激光作用下，产生1340nm附近基波激光，首先在非线性光学晶体(2)内与泵浦激光发生和频效应，产生504nm附近的绿色激光，经谐振腔镜片(5)沿方向(7)输出；其次在非线性光学晶体(3)内发生倍频效应，产生670nm附近的红色激光，经谐振腔输出镜片(5)沿方向(7)输出。此即实现红、绿色双波长激光同时输出的固体激光器。

实例2：采用Nd³⁺:YVO₄晶体(1)的其它波长基波激光1064nm(⁴F_3/2→⁴I_11/2)和946nm(⁴F_3/2→⁴I_9/2)，807nm泵浦激光沿方向(6)入射。根据基波和泵浦激光的波长，对起和频与倍频作用的KTP晶体(2)和(3)按相应的相位匹配角切割。谐振腔输入镜片(4)上镀膜，在基波激光附近高反(R＞99.9％)，在红外泵浦激光波长附近高透。谐振腔输出镜片(5)上镀膜，在基波激光附近高反(R＞99.9％)，在出射的和频与倍频激光波长附近透过率大于75％。最终可分别得到532nm、459nm和473nm、436nm的两种双可见波长激光输出。

实例3：输出460nm和531nm可见激光的双波长固体激光器。激光器构造如附图2所示。谐振腔输入镜片(4)上镀有介质膜，在基波激光波长1062nm附近高反(R＞99.9％)，在泵浦激光波长812nm附近高透。谐振腔输出镜片(5)上镀有介质膜，在1062nm附近高反(R＞99.9％)，在出射激光波长450nm～550nm处透过率大于75％。非线性激光晶体(8)采用Nd³⁺:Ca₄YO(BO₃)₃，两端面沿垂直于自和频泵浦激光与基波激光的I类相位匹配角(θ＝65.9°，φ＝134.1°)切割，晶体长度为1cm左右，端面积为5×5mm²，置于靠近谐振腔输入镜片(4)处。非线性光学晶体(9)为两端面沿垂直倍频基波激光的II类相位匹配角(θ＝90.0°，φ＝26.38°)切割的KTP晶体，晶体长度为5mm到1cm，端面积为5×5mm²，置于谐振腔输出镜片(5)和非线性激光晶体(8)之间。非线性激光晶体(8)在沿方向(6)入射的812nm泵浦激光作用下，产生1062nm基波激光，首先在非线性激光晶体(8)内与泵浦激光发生自和频效应，产生460nm蓝色激光，经谐振腔镜片(5)沿方向(7)输出；其次在非线性光学晶体(9)内发生倍频效应，产生531nm绿色激光，经谐振腔镜片(5)沿方向(7)输出。

Claims (10)

1.一种可见波段双波长固体激光器，是由红外激光泵浦系统、激光腔、激光介质和非线性光学晶体组成。其特征在于：在激光腔中放置一块激光介质和两块非线性光学晶体；激光介质采用掺杂Nd³⁺、Pr³⁺、Ho³⁺、Er³⁺、Tm³⁺或Yb³⁺稀土离子的YAG、YVO₄、LiYF₄晶体中的一种，稀土离子掺杂浓度在0.5at％至30.0at.％之间，或采用掺杂Nd³⁺、Pr³⁺、Ho³⁺、Er³⁺、Tm³⁺或Yb³⁺稀土离子的氟锆酸盐、氟磷酸盐、硅酸盐、磷酸盐激光玻璃中的一种，稀土离子掺杂浓度在0.5at.％至20.0at.％；或采用掺杂Nd³⁺、Pr³⁺、Ho³⁺、Er³⁺、Tm³⁺或Yb³⁺稀土离子的透明激光陶瓷中的一种，稀土离子掺杂浓度在0.5at.％至30.0at.％之间；非线性光学晶体为KTP、LBO、BBO或KNbO₃晶体。

2.如权利要求1所述的一种可见波段双波长固体激光器，其特征在于：所述的两块非线性光学晶体根据和频基波激光与红外泵浦激光的相位匹配需要对进行定向切割，使其入射和出射端面与所需的相位匹配方向垂直，晶体的长度根据具体的材料和器件的要求确定，端面积在毫米见方到厘米见方之间。

3.如权利要求1所述的一种可见波段双波长固体激光器，其特征在于：所述的一块激光介质和两块非线性光学晶体，三者的位置互换。

4.一种权利要求1的可见波段双波长固体激光器，其特征在于：在激光腔中放置一块非线性激光晶体和一块非线性光学晶体；非线性激光晶体为掺杂稀土离子的Gd_xY_1-xAl₃(BO₃)₄，Ca₄Gd_xY_1-xO(BO₃)₃，Gd_2xY_2(1-x)(MoO₄)₃，或LaSc₃(BO₃)₄非线性光学晶体中的一种，其中x从0变化到1；非线性光学晶体为KTP、LBO、BBO或KNbO₃晶体。

5.如权利要求4所述的一种可见波段双波长固体激光器，其特征在于：对所述的非线性激光晶体，根据自和频基波激光与红外泵浦激光的相位匹配需要进行定向切割，使其入射和出射端面与所需的相位匹配方向垂直，晶体的长度根据具体的材料和器件的要求确定，端面积在毫米见方到厘米见方之间。

6.如权利要求4所述的一种可见波段双波长固体激光器，其特征在于：对所述的非线性光学晶体，根据倍频基波激光的相位匹配需要进行定向切割，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，端面积在毫米见方到厘米见方之间。

7.如权利要求4所述的一种可见波段双波长固体激光器，其特征在于：所述的一块非线性激光晶体和一块非线性光学晶体，两块晶体的位置互换。

8.如权利要求1或4所述的一种可见波段双波长固体激光器，其特征在于：在所述的谐振腔输入镜片上镀膜，使其在基波激光波长附近高反，R＞99.9％，在红外泵浦激光波长附近高透；在谐振腔输出镜片上镀膜，使其在基波激光和红外泵浦激光波长附近高反，R＞99.9％，在和频与倍频双激光波长处透过率大于75％。

9.如权利要求1或4所述的一种可见波段双波长固体激光器，其特征在于：在所述的激光介质、非线性激光晶体和非线性光学晶体的两端面度泵浦激光、基波激光和可见激光的增透膜。

10.一种权利要求1或4的可见波段双波长固体激光器，其特征在于：在最靠近输入镜片和输出镜片的晶体端面上镀谐振腔膜，直接构成一个没有谐振腔输入镜片和谐振腔输出镜片的激光器。

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