CN1492548A - 一种固体可调谐激光器 - Google Patents

Abstract

一种固体可调谐激光器涉及激光晶体和固体激光器设计领域。将同时掺杂稀土和过渡族金属离子的非线性光学晶体作为激光运转介质来代替目前常用的两块激光晶体加上一块非线性光学晶体的功能，利用红外光泵浦输出固体可调谐激光。该器件由单一激光晶体与调谐元件和激光腔镜构成，结构简单紧凑，稳定性和可靠性高。

Description

一种固体可调谐激光器

                          技术领域

本发明涉及激光晶体和固体激光器设计领域。

                          背景技术

可调谐激光器因其输出激光波长在几百纳米范围内连续可调而在许多领域得到广泛应用。与染料可调谐激光器相比，固体可调谐激光器的使用寿命长、光束质量高，是可调谐激光技术的发展方向。其中的掺钛蓝宝石激光器以调谐范围宽、转换效率高、输出功率大而著称。其典型的构成为：利用输出波长在808nm附近GaAlAs半导体泵浦激光晶体Nd³⁺:YVO₄或Nd³⁺:YAG产生1064nm波长的激光，经非线性光学晶体KTP或LBO倍频得到532nm绿色激光，再用该绿色激光泵浦可调谐激光晶体Ti³⁺:Al₂O₃并最终输出在700nm到1200nm波长范围可调谐的激光。该激光系统中需要两块激光晶体和一块非线性光学晶体，使得器件结构复杂，维护困难，稳定性和可靠性都比较差，价格比较昂贵，对使用环境的要求也比较高，在很多领域无法应用。

                          发明内容

为了解决当前通过红外光泵浦输出固体可调谐激光器结构复杂、维护困难、价格昂贵等问题，本发明设计了一个红外光泵浦的单一激光晶体构成的固体可调谐激光器，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。

本发明的激光器，是由红外光泵浦系统、掺杂稀土离子和过渡族金属离子的非线性激光晶体、波长调谐元件、保证基波和可调谐激光起振的镀膜片构成的激光腔组成。采用的激光晶体为可同时掺杂稀土离子和过渡族金属离子并具有非线性光学性能的晶体(简称双掺非线性激光晶体)。其中稀土离子能够有效吸收红外光、其基波激光波长经该晶体自身倍频后处于过渡族金属离子的有效吸收谱带中，过渡族金属离子吸收该倍频光后输出可调谐激光。例如：在目前已有的非线性光学晶体Gd_xY_1-xAl₃(BO₃)₄(其中x可以从0变化到1)或LaSc₃(BO₃)₄中，以0.5at.％～10.0at.％的Nd³⁺离子或1.0at.％～50.0at.％的Yb³⁺离子取代Gd³⁺、Y³⁺离子和La³⁺离子，以0.5at.％～10.0at.％的Cr³⁺离子或0.05at.％～5.0at.％的Ti³⁺离子取代Al³⁺和Sc³⁺离子。在双掺非线性激光晶体的切割和安放过程中，保证掺杂其中的稀土离子经红外光激励后的基波激光通光方向与倍频该基波激光的相位匹配方向一致。

现结合附图来说明本发明方案的实现方式：

首先，根据有效吸收红外泵浦光和基波激光倍频后能被过渡族金属离子有效吸收的要求，选择合适的稀土离子；根据出射可调谐激光和有效吸收上述倍频激光的要求，选择合适的过渡族金属离子；再选择能被上述稀土离子和过渡族金属离子有效掺杂的非线性光学晶体作为基质晶体，进行稀土离子和过渡族金属离子按一定浓度双掺的激光晶体生长。

其次，根据倍频晶体中稀土离子基波激光的需要对双掺非线性激光晶体1进行定向切割，使其通光方向与所需的相位匹配方向一致，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。之后将该晶体置于附图所示的入射镀膜腔镜2和镀膜片3之间。红外光沿方向6端面泵浦或沿方向7侧向泵浦晶体中的稀土离子，产生的基波激光可以在2和3之间谐振并由晶体自身倍频，产生的倍频光被晶体中过渡族金属离子有效吸收。

最后，吸收倍频光后的过渡族金属离子具有几百纳米的激光增益带宽，通过调谐元件4选择该增益带中特定波长的激光在腔镜2和5间谐振，并沿方向8输出固体可调谐激光。

在双掺非线性激光晶体的两端面镀泵浦光、基波光、倍频光和调谐波段的增透膜，可以提高激光运转效率。还可以直接在双掺非线性激光晶体的端面镀膜而不用膜片3，使器件更加紧凑。

利用该类双掺非线性激光晶体作为介质，采用除附图外的其他固体可调谐激光器件构造，同样可以实现固体可调谐激光输出。

与已有的需要采用两块激光晶体和一块非线性光学晶体的红外光泵浦固体可调谐激光系统相比，本发明由单一激光晶体作为介质构成的激光器经红外光泵浦即可输出固体可调谐激光。本发明使得固体可调谐激光器件更加紧凑，在很大程度克服了器件制造、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，将进一步拓展固体可调谐激光的应用领域。

                              附图说明

该固体可调谐激光器的一种基本构造如附图所示，其中1是双掺非线性激光晶体，其通光方向与倍频稀土离子基波激光的相位匹配方向一致；2是激光腔的入射镀膜腔镜；3是对稀土离子的倍频光高反，对过渡族金属离子可调谐激光高透的镀膜片；4是对过渡族金属离子激光波长进行调谐的元件或元件组合；5是激光腔的出射镀膜腔镜；6是端面泵浦的红外光入射方向；7是侧向泵浦的红外光入射方向；8是可调谐激光出射方向。

                            具体实施例

实例1：807nm波长的红外光端面泵浦掺Nd³⁺和Cr³⁺非线性激光晶体产生650nm到800nm波长范围的可调谐激光。双掺非线性激光晶体Nd_xY_1-x(Cr_yAl_1-y)₃(BO₃)₄(x＝0.04，y＝0.01)两端面沿垂直于I类相位匹配角θ＝30.64°定向切割，同时确定晶体的大小(一般为φ5×20mm³的圆柱)，端面抛光后置于入射腔镜2和膜片3之间。入射镀膜腔镜2在泵浦光波长807nm附近高透、Nd³⁺离子基波激光波长1064nm附近、倍频光532nm附近、Cr³⁺离子激光调谐范围650nm到800nm高反(R＞99％)；膜片3在1064nm附近、532nm附近高反(R＞99％)、650nm到800nm调谐范围高透。调谐元件3可以采用有效调谐波长范围在650nm到800nm的双折射滤光片、光栅或棱镜等，镀膜腔镜5在650nm到800nm调谐范围的透过率在1％到10％之间(根据红外光泵浦功率确定)。这便是一个适于807nm红外光沿方向6端面泵浦的结构简单固体可调谐激光器，沿方向8输出650nm到800nm的可调谐固体激光。

实例2：977nm波长的红外光端面泵浦掺Yb³⁺和Cr³⁺非线性激光晶体产生650nm到800nm波长范围的可调谐激光。双掺非线性激光晶体Yb_xY_1-x(Cr_yAl_1-y)₃(BO₃)₄(x＝0.20，y＝0.01)两端面沿垂直于I类相位匹配角θ＝32.9°定向切割，同时确定晶体的大小(一般为φ5×20mm³的圆柱)，端面抛光后置于入射腔镜2和膜片3之间。入射镀膜腔镜2在泵浦光波长977nm附近高透、Yb³⁺离子基波激光波长1062nm附近、倍频光531nm附近、Cr³⁺离子激光调谐范围650nm到800nm高反(R＞99％)；膜片3在1064nm附近、532nm附近高反(R＞99％)、650nm到800nm调谐范围高透。调谐元件3可以采用有效调谐波长范围在650nm到800nm的双折射滤光片、光栅或棱镜等，镀膜腔镜5在650nm到800nm调谐范围的透过率在1％到10％之间(根据红外光泵浦功率确定)。这便是一个适于977nm红外光沿方向6端面泵浦的结构简单固体可调谐激光器，沿方向8输出650nm到800nm的可调谐固体激光。

实例3：807nm波长的红外光侧向泵浦掺Nd³⁺和Cr³⁺非线性激光晶体产生650nm到800nm波长范围的可调谐激光。双掺非线性激光晶体Nd_xY_1-x(Cr_yAl_1-y)₃(BO₃)₄(x＝0.04，y＝0.01)两端面沿垂直于I类相位匹配角θ＝30.64°定向切割，同时确定晶体的大小(一般为φ5×20mm³的圆柱)，端面抛光后置于入射腔镜2和膜片3之间。入射镀膜腔镜2在Nd³⁺离子基波激光波长1064nm附近、倍频光532nm附近、Cr³⁺离子激光调谐范围650nm到800nm高反(R＞99％)；膜片3在1064nm附近、532nm附近高反(R＞99％)、650nm到800nm调谐范围高透。调谐元件3可以采用有效调谐波长范围在650nm到800nm的双折射滤光片、光栅或棱镜等，镀膜腔镜5在650nm到800nm调谐范围的透过率在1％到10％之间(根据红外光泵浦功率确定)。这便是一个适于807nm红外光沿方向7侧向泵浦的结构简单固体可调谐激光器，沿方向8输出650nm到800nm的可调谐固体激光。

实例4：977nm波长的红外光侧向泵浦掺Yb³⁺和Cr³⁺非线性激光晶体产生650nm到800nm波长范围的可调谐激光。双掺非线性激光晶体Yb_xY_1-x(Cr_yAl_1-y)₃(BO₃)₄(x＝0.20，y＝0.01)两端面沿垂直于I类相位匹配角θ＝32.9°定向切割，同时确定晶体的大小(一般为φ5×20mm³的圆柱)，端面抛光后置于入射腔镜2和膜片3之间。入射镀膜腔镜2在Yb³⁺离子基波激光波长1062nm附近、倍频光531nm附近、Cr³⁺离子激光调谐范围650nm到800nm高反(R＞99％)；膜片3在1064nm附近、532nm附近高反(R＞99％)、650nm到800nm调谐范围高透。调谐元件3可以采用有效调谐波长范围在650nm到800nm的双折射滤光片、光栅或棱镜等，镀膜腔镜5在650nm到800nm调谐范围的透过率在1％到10％之间(根据红外光泵浦功率确定)。这便是一个适于977nm红外光沿方向7侧向泵浦的结构简单固体可调谐激光器，沿方向8输出650nm到800nm的可调谐固体激光。

实例5：977nm波长的红外光侧向泵浦掺Yb³⁺和Ti³⁺非线性激光晶体产生700nm到950nm波长范围的可调谐激光。双掺非线性激光晶体Yb_xY_1-x(Ti_yAl_1-y)₃(BO₃)₄(x＝0.20，y＝0.005)两端面沿垂直于I类相位匹配角θ＝32.9°定向切割，同时确定晶体的大小(一般为φ5×20mm³的圆柱)，端面抛光后置于入射腔镜2和膜片3之间。入射镀膜腔镜2在Yb³⁺离子基波激光波长1062nm附近、倍频光531nm附近、Ti³⁺离子激光调谐范围700nm到950nm高反(R＞99％)；膜片3在1062nm附近、531nm附近高反(R＞99％)、700nm到950nm调谐范围高透。调谐元件3可以采用有效调谐波长范围在700nm到950nm的双折射滤光片、光栅或棱镜等，镀膜腔镜5在700nm到950nm调谐范围的透过率在1％到10％之间(根据红外光泵浦功率确定)。这便是一个适于977nm红外光沿方向7侧向泵浦的结构简单固体可调谐激光器，沿方向8输出700nm到950nm的可调谐固体激光。

Claims (4)

1、一种固体可调谐激光器，是由红外光泵浦系统、掺杂稀土离子和过渡族金属离子的非线性激光晶体、波长调谐元件和激光腔组成，其特征在于：只采用一块Gd_xY_1-xAl₃(BO₃)₄(x从0变化到1)或一块LaSc₃(BO₃)₄非线性激光晶体作为激光介质，并以0.5at.％～10.0at.％的Nd³⁺离子或1.0at.％～50.0at.％的Yb³⁺离子取代Gd³⁺、Y³⁺离子和La³⁺离子，以0.5at.％～10.0at.％的Cr³⁺离子或0.05at.％～5.0at.％的Ti³⁺离子取代Al³⁺和Sc³⁺离子。

2、如权利要求1所述的激光器，其特征在于：所述的Gd_xY_1-xAl₃(BO₃)₄或LaSc₃(BO₃)₄双掺非线性激光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所述的激光器，其特征在于：所述的双掺非线性激光晶体的两端面镀泵浦光、稀土离子基波光和过渡族离子可调谐激光的增透膜。

4、如权利要求1所述的激光器，其特征在于：直接将附图中膜片(3)镀在所述双掺非线性激光晶体的端面上。