CN1645691A - 主被动调q单纵模激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种主被动调Q固体单纵模激光器，该激光器包括泵浦源、谐振腔，泵浦源与谐振腔之间设置一组耦合装置，耦合装置与泵浦源之间由光纤连接，谐振腔包括镀膜的前腔镜和后腔镜，前、后腔镜之间设置双掺晶体和主动Q开关，双掺晶体上设置冷却装置。本发明的优点在于利用主动Q开关控制被动Q开关，获得预激光脉冲，同时利用饱和吸收晶体作纵模选择器，使得固体单纵模激光器可以工作在较高泵浦功率下，因而可以获得高稳定重复频率，高平均输出功率，高峰值功率，窄脉宽，高偏振度的调Q单纵模激光。

Description

主被动调Q单纵模激光器

技术领域

本发明涉及一种单纵模激光器，特别是用半导体激光器作为泵源的全固态主被动调Q单纵模激光器。

背景技术

在相干激光雷达、微机械加工、激光测距、痕量元素探测、微外科手术、激光脉冲整形及能量放大等众多的应用领域中，如果激光脉冲具有：稳定的高重复频率，高峰值功率，高平均功率，短脉宽，小的脉冲强度漂移和脉冲形状变化，稳定的单横模和单纵模，偏振或部分偏振，没有模式竞争和跳模现象等，这些特性的全部或一部分，这将会使其得到更广泛的应用。Q开关是产生具有高峰值功率、短脉宽激光脉冲的常用技术。Q开关的作用是在泵浦增益介质的同时，通过引入高的损耗降低谐振腔的Q值来阻止激光振荡器中的激光振荡，当足够的能量储存在增益介质里，通过降低谐振腔的损耗又突然恢复Q值，这样储存的能量便在一个单一的巨脉冲中释放出来。

根据控制谐振腔Q值所使用的方法，Q开关有两种类型，主动Q开关和被动Q开关。主动Q开关需要一个电学元件例如转镜、电光调制器来实现。被动Q开关是依靠激光脉冲本身来控制谐振腔的Q值，即把饱和吸收体如有机染料、色心晶体或半导体材料插入谐振腔来改变Q值。这些材料的特性是当激光强度低的时候它们的吸收系数很高，当激光强度高的时候吸收系数就会很低，即被漂白。这样饱和吸收体通过加强脉冲的峰值，抑制脉冲的前后沿而激起脉冲运转。被动Q开关不需要外部控制元件，因此它使用方便。

主动调Q技术出现于1962年，F.J.McClung使用克尔盒电光Q开关在红宝石激光器上首次实现脉冲输出(Journal of Applied Physics，Vol.33，pp828，1962)。随后在1963年，J.I.Masters首次利用可蒸发的饱和吸收薄膜实现被动调Q激光输出(The Review of Scientific Instruments，Vol.34，pp365，1963)。1964年B.H.Soffer发现使用染料作饱和吸收体在红宝石激光器上可以实现单纵模的调Q激光输出(Journal of Applied Physics，Vol.35，pp2551，1964)。主动调Q和被动调Q技术各有优缺点，主动调Q装置较复杂，电光调Q一般需要高电压，一般来说在较高泵浦功率下，Q开关一般关不严，但是其输出的脉冲重复率较好，相应地，被动调Q装置简单，但是重复率不稳定。1964年J.H.Boyden首次提出利用光电Q开关和染料盒构成的双Q开关获得稳定重复率的脉冲激光(United StatesPatent，No.3423695，1969)。1966年D.Hull首次报道使用转镜和可饱和染料实现主被动调Q激光输出，主要结果是可以实现压缩脉宽，提高峰值功率和实现单脉冲输出(Applied Optics，Vol.5，pp1342，1966)。1977年，A.Owyoung使用主被动技术实现单纵模激光输出，但是他实现选模的元件是谐振反射器，而且输出单纵模几率较低(The Review of ScientificInstruments，Vol.49，pp266，1978)。1971年D.C.Hanna使用电学两步跳的方法模拟被动调Q的过程实现预激光单纵模输出，但是他使用的选模器件也是谐振反射器，而且装置复杂(Opto-Electronics，Vol.3，pp163，1971)。

1985年出现第一种掺Cr⁴⁺的饱和吸收晶体Cr⁴⁺，Nd:GSGG(SovietJournal of Quantum Electronics，Vol.16，pp1552，1986)。掺Cr⁴⁺晶体的优点是物化性能稳定，热导性好，吸收截面大，掺杂浓度高，饱和光强小，损伤阈值高，无退化现象。1993年周寿桓使用Cr⁴⁺，Nd:YAG获得自调Q单纵模激光输出(Optics Letters，Vol.18，pp511，1993；United States Patent，No.5414724，1995；中国发明专利ZL93106801.0，1995)。这种激光器在重复频率为100赫兹的脉冲半导体激光器泵浦下，输出平均功率为0.7毫瓦的单纵模激光。由于在LD脉冲泵浦条件下，提高泵浦功率会出现多脉冲现象，这样就会破坏损耗光栅的选模作用，得不到单纵模激光，这样使得输出单纵模激光的平均功率很低。

在固体激光器中实现单纵模运转是比较困难的。在均匀加宽的固体激光器中，单纵模的运转常常被空间烧孔效应破坏。空间烧孔是指多个纵模出现在相对于激光发射轴线的不同位置上。在常规的Q开关固体激光器中，许多纵模同时运转，纵模之间的竞争使得在脉冲的时间波形上添加很多小的尖峰。

在驻波腔中，由于空间烧孔效应，获得单纵模的运转一直是比较困难的。解决的思路有两个：一是彻底消除产生多纵模运转的根源，即消除空间烧孔，这通过消除驻波或使增益介质沿腔轴方向往复运动来实现。这可以通过利用行波环形腔结构，或在激光棒内产生圆偏振光，即扭转模方法，或通过增益介质的机械运动，或使用电光相位调制器来实现。扭转模方法由于腔内元件较多，调节较为困难，一般适用于连续或长脉冲单纵模激光运转。

二是仍然允许增益介质产生空间烧孔，利用限模元件来获得单纵模。最简单的方法是薄片腔，即要求满足谐振腔的自由光谱区比增益带宽大的条件。例如为了在产生线宽为0.45纳米的1064纳米激光的Nd:YAG晶体中获得单纵模运转，谐振腔的长度必须短于0.69毫米。这样的谐振腔的缺点是由于增益体积很小，获得的激光脉冲的能量也很小。第二种方法包括使用附加的波长选择元件，例如一个标准具。但是标准具的使用不仅增加了激光器装置的复杂性，而且不能完全消除跳模现象，特别是激光器有微小的振动。第三种方法是使用染料等饱和吸收体。这类方法一般工作在阈值附近，对纵模选择能力有限。预激光技术本质上属于损耗选取单纵模的方法。种子注入方法可以获得高峰值功率的单纵模运转，但是装置复杂，调节较为困难，实用性较差。

在调Q激光器中，输出为单纵模与高峰值功率之间是矛盾的。因为高峰值功率的固体激光器中一般有多个高于阈值的纵模，为此要保持单纵模输出必须在腔内插入如F-P标准具这样的限模元件。这些元件不仅增加了腔内损耗，而且损耗阈值较低，使调Q激光器失去高功率的特征。获得高峰值功率单纵模激光的一种有效方法是一个低功率单纵模激光器的输出注入到一个高峰值功率的副腔里，实现单纵模激光的注入锁定。但是注入锁定要求注入信号的频率与副腔内最接近的纵模频率之间的失谐必须小于某个值，否则注入锁定将失败。因此，在注入锁定中必须有一套对主腔和副腔的腔长进行反馈控制的电子系统，这套系统技术复杂，而且仍不能保证注入锁定的长期稳定性。

主动调Q和被动调Q都可以实现单纵模激光输出，在脉冲或连续泵浦条件下，使用预激光技术可以获得主动调Q单纵模激光，但是单纵模机率较低。为了提高单纵模的工作机率，需要有探测装置探测预激光脉冲的形成，这就使得重复频率稳定性遭到破坏，而且，主动调Q预激光单纵模激光器的腔长需要利用压电陶瓷控制，使得系统较为复杂，实用性较差。被动调Q单纵模激光器装置简单，使用方便，但是不能获得稳定的重复频率，并且只能工作在阈值附近，董俊于2000年报道了平均功率最高为80毫瓦的单纵模激光输出(Microwave and Optical TechnologyLetters，Vol.26，pp124，2000)。

发明内容

本发明的目的是提供一种简易的利用主被动调Q优点的获得单纵模激光的固体激光器装置，这种固体单纵模激光器具有稳定的重复频率、高的平均输出功率，同时具有强度和波形的稳定性。

为实现上述目的，本发明提供一种主被动调Q固体单纵模激光器，包括泵浦源、谐振腔，所述谐振腔包括镀膜的前腔镜和后腔镜，所述前、后腔镜之间设置至少一段固体激光基质材料和至少一个主动Q开关，所述基质材料中，至少包含能够使所述基质材料产生振荡激光的作为激活离子的第一种掺杂元素、至少包含不同于所述第一种掺杂元素的能够在所述基质材料中对所述振荡激光产生饱和吸收的作为饱和吸收离子的第二种掺杂元素，所述饱和吸收具有对所述振荡激光在低强度时高吸收和高强度时低吸收的特性，所述含有具有饱和吸收特性的第二种掺杂元素的基质材料作为所述激光器的被动Q开关，所述泵浦源为所述激光器提供泵浦光，使得在所述基质材料中的所述第一种掺杂元素粒子数反转从而在所述激光器中产生所述振荡激光，所述泵浦光具有足够的能量使得在所述基质材料中产生所述振荡激光，所述振荡激光漂白所述第二种掺杂元素从而降低了所述第二种掺杂元素对所述振荡激光的吸收，因而进一步加强所述振荡激光到一个更高的强度，所述振荡激光随着所述第一种掺杂元素反转粒子数的消耗而熄灭。

进一步，所述谐振腔中，只包含一段所述基质材料，并且该基质材料含有所述第一种、第二种掺杂元素时，所述基质材料称为双掺晶体；当含有两段或两段以上的所述基质材料时，所述基质材料可以相同或者不同，两段所述基质材料之间可以使用扩散键和技术连接，所述扩散键和连接的所述基质材料称为键和晶体；在所述键和晶体中，所述第一种、第二种掺杂元素可以同时包含在同一段所述基质材料中，即所述键和晶体中包含一块所述双掺晶体，或分别包含在不同段的所述基质材料中，只包含所述第一种掺杂元素的所述基质材料称为激光晶体，只包含所述第二种掺杂元素的所述基质材料称为饱和吸收晶体；在所述键和晶体中，可以包含没有任何所述第一种、第二种掺杂元素的基质材料。

进一步，所述双掺晶体或键和晶体上设置冷却装置，所述冷却装置采用水冷或半导体冷却方式，工作温度为5℃至20℃。

进一步，所述主被动调Q固体单纵模激光器，可以将从所述泵浦源发射的所述泵浦光直接照射到所述双掺晶体或键和晶体的侧面获得所述振荡激光，也可以包括一组耦合装置，会聚从所述泵浦源发射的所述泵浦光，并将其照射到所述双掺晶体或键和晶体的所述侧面获得所述振荡激光。

进一步，所述泵浦源可以设置在所述双掺晶体或键和晶体的侧面，构成侧面泵浦，所述后腔镜仅对所述谐振腔内的所述振荡激光全反射，所述前腔镜对所述振荡激光的反射率为50％至95％，所述双掺晶体或键和晶体的所述侧面镀有所述泵浦光的增透膜，所述双掺晶体或键和晶体的前端表面和后端表面镀有所述振荡激光的增透膜。

进一步，所述主被动调Q固体单纵模激光器，包括一组耦合装置，会聚从所述泵浦源发射的所述泵浦光，并将其照射到所述双掺晶体或键和晶体的所述后端表面获得所述振荡激光，所述耦合装置与所述泵浦源由光纤连接。

进一步，所述泵浦源可以设置在所述双掺晶体或键和晶体的轴线上，构成端面泵浦，所述泵浦源发射的所述泵浦光通过所述光纤、耦合装置、后腔镜照射到所述双掺晶体或键和晶体的所述后端表面，所述后腔镜对所述泵浦光全透射，并能全反射所述谐振腔内的所述振荡激光，所述前腔镜对所述谐振腔内的所述振荡激光的反射率为50％至95％。

进一步，所述基质材料分别为石榴石类Y₃Al₅O₁₂(YAG)、Lu₃Al₅O₁₂(LuAG)、Y₃Ga₅O₁₂(YGG)、Gd₃Ga₅O₁₂(GGG)、Gd₃Sc₂Ga₃O₁₂(GSGG)、Y₃Sc₂Ga₃O₁₂(YSGG)、Gd₃Sc₂Al₃O₁₂(GSAG)、Y₃Sc₂Al₃O₁₂(YSAG)、Gd₃In₂Ga₃O₁₂(GIGG)、CaY₂Mg₃Ge₃O₁₂(CYMGG)，镁橄榄石类Mg₂SiO₄(MSO)、Gd₂SiO₅(GSO)、Y₂SiO₅(YSO)，蓝宝石Al₂O₃，绿宝石BeAl₂O₄、SrAl₂O₄、CaAl₂O₄，钒酸盐YVO₄(YVO)、GdVO₄(GVO)，钨酸盐KGd(WO₄)₂(KGW)，氟化物LiYF₄(YLF)、LiCaAlF₆(LiCAF)、LiSrAlF₆(LiSAF)，硅酸盐玻璃Ca₂Al₂SiO₇(CAS)、Ca₂Ga₂SiO₇(CGS)，铝酸盐玻璃LiAlO₄，玻璃陶瓷等材料中的一种。

进一步，所述第一种掺杂元素为Nd、Yb、Ho、Er、Mg中的一种，其掺杂浓度为0.5～2atm％；所述第二种掺杂元素为Cr、V、Ca、Mg、Sr、Ba、Co中的一种。

进一步，所述基质材料中还添加有所述第二种掺杂元素的电荷平衡元素，所述第二种掺杂元素及其电荷平衡元素为下面各组合中的任意一组：(Cr，Ca)，(Cr，Mg)，(Cr，Ca，Mg)，(Ca，Mg)，(Cr，Sr)，(Cr，Ba)。

进一步，所述双掺晶体长度为0.2毫米至30毫米，其初始透过率在30％到95％之间；所述键和晶体中，只含有所述第一种掺杂元素的所述一段基质材料的长度为0.2毫米至30毫米，只含有所述第二种掺杂元素的所述一段基质材料的初始透过率在30％到95％之间(初始透过率和该段基质材料的长度只能有一个确定的数值)，不含有任何所述第一种、第二种掺杂元素的所述基质材料的长度根据具体要求确定；在所述双掺晶体或键和晶体的所述后端表面镀有所述泵浦光和振荡激光的增透膜，其所述前端表面镀有所述泵浦光的高反膜和振荡激光的增透膜，或仅镀有所述振荡激光增透膜。

进一步，所述泵浦源为半导体激光器、或红宝石激光器、或钕离子激光器、或镱离子激光器、或铒激光器、或可调谐激光器。

进一步，所述半导体激光器为单管半导体二极管激光器或列阵形式的半导体二极管激光器；所述单管半导体二极管激光器或列阵形式的半导体二极管激光器为连续波或脉冲工作方式；所述连续波或脉冲工作方式的单管半导体二极管激光器或列阵形式的半导体二极管激光器为预泵浦工作方式或普通工作方式。

进一步，所述谐振腔通过所述前、后腔镜和所述双掺晶体或键和晶体构成热稳腔，腔长为0.5毫米至500毫米。

进一步，所述谐振腔为稳定腔、或非稳腔、或临界腔；所述稳定腔、或非稳腔、或临界腔通过改变其两端镀膜的腔镜的表面曲率半径而形成平凹稳定腔、或平平临界腔、或平凸非稳腔。

进一步，所述后腔镜通过将所述泵浦光的高透膜和振荡激光的高反膜镀在所述双掺晶体或键和晶体的所述后端面而直接构成。

进一步，所述主动Q开关为声光Q开关、或电光Q开关、或受抑全内反射Q开关，或转镜Q开关；所述声光Q开关或电光Q开关或受抑全内反射Q开关的电源的工作方式可以是预激光工作方式，也可以是普通的触发工作方式。

进一步，所述前腔镜通过将所述振荡激光的部分反射膜镀在所述声光Q开关的融石英玻璃或所述电光Q开关的电光晶体远离所述双掺晶体或键和晶体一侧端部表面而直接制出；所述电光晶体是KDP、KD^*P、LiNbO₃、LiTaO₃、BBO晶体中的一种。

进一步，所述双掺晶体或键和晶体与所述声光Q开关的融石英玻璃或所述电光Q开关的电光晶体之间可以使用所述扩散键和技术连接。

饱和吸收晶体的使用使得激光脉冲的建立需要在谐振腔内往返多次。饱和吸收晶体对不同纵模的吸收系数不同，从而可以作为谐振腔的纵模选择器。不同种类的饱和吸收晶体的纵模选择特性不同。双掺晶体选取单纵模的原理是利用某一频率处的激光纵模形成的驻波漂白其自身，建立起一个周期的低损耗区域，称为损耗光栅，其周期等于该激光波长的一半。这种自诱导低损耗光栅提供了一种频率选择机制，它可以加强已有的激光模式，抑制其它频率的模式。这种选取纵模的方式要求激光器工作在阈值附近。当泵浦功率稍微高于阈值时，就会激起多纵模运转。

主被动调Q固体单纵模激光器可以工作在较高的泵浦功率下。原理是声光Q开关或电光Q开关在较高的泵浦功率下，无法完全关闭。在饱和吸收晶体刚刚被漂白时，打开声光Q开关，谐振腔内产生的第一个纵模相当于一个自注入的种子，并且由于主动Q开关的使用，使得脉冲建立时间延长，往返次数增加，同时利用饱和吸收晶体作为谐振腔的纵模选择器，这样就起到了很好的纵模选择作用。这种技术的实质是利用预激光技术控制被动Q开关获取单纵模激光。主动Q开关的工作方式可以是预激光工作方式，也可以是普通工作方式。与普通的主动调Q单纵模激光器相比，本发明的优点在于，初始的注入种子非常容易控制，不需要预激光脉冲探测装置。

虽然通常的Nd:YAG激光器没有确定的偏振方向，必须通过外部的偏振片获得确定的偏振光。但是本发明中，由于饱和吸收晶体的各向异性的饱和吸收特性，或者由于激光晶体例如Nd:YVO₄本身的各向异性，强迫激光的输出是线偏振光。

激光的脉宽由激光器的腔的时间常数和初始与阈值反转粒子数之比共同决定。脉宽随着腔的时间常数减小以及初始和阈值反转粒子数之比的增大而减小。特别是主动Q开关的引入，使得初始与阈值的反转粒子数之比更大，脉宽比没有引入主动Q开关时变得更小。前腔镜透过率的增大也有助于压缩脉宽。饱和吸收晶体的初始透过率越小，则脉宽也越小。

本发明的优点在于：利用主动Q开关控制被动Q开关，获得预激光脉冲，同时利用饱和吸收晶体作为纵模选择器，使得固体单纵模激光器可以工作在较高泵浦功率下，因而可以获得稳定的重复频率，较高的平均输出功率，高峰值功率，窄脉宽，高偏振度的主被动调Q单纵模激光。

附图说明

图1是依据本发明具有端面泵浦结构的双掺晶体主被动调Q固体单纵模激光器的结构示意图。

图2是依据本发明具有端面泵浦结构的键和晶体主被动调Q固体单纵模激光器的结构示意图。

图3是依据本发明具有侧面泵浦结构的主被动调Q固体单纵模激光器的结构示意图。

图4是主被动调Q激光器多纵模运转时利用500MHz示波器拍摄的重复频率照片。

图5是主被动调Q固体单纵模激光器输出的单纵模激光特性照片。该照片使用自由光谱区为10GHz的标准具利用CCD相机拍摄得到。

图6是主被动调Q固体单纵模激光器的输出激光脉宽特性随腔长的变化关系曲线。

图7是主被动调Q固体单纵模激光器的输出激光重复频率特性随吸收的泵浦功率变化关系曲线。

图8是依据本发明前腔镜为平面镜的具有平凹稳定腔结构的主被动调Q固体单纵模激光器的结构示意图。

图9是依据本发明前腔镜为凹面镜的具有平凹稳定腔结构的主被动调Q固体单纵模激光器的结构示意图。

图10是依据本发明前腔镜为凸面镜的具有平凸非稳腔结构的主被动调Q固体单纵模激光器的结构示意图。

图11是依据本发明，使用两块激光晶体和一块饱和吸收晶体扩散键和粘接的具有平平临界腔结构的单块的主被动调Q固体单纵模激光器的结构示意图。

下面将结合附图对本发明作进一步的说明。

实施方式

图1是本发明主被动调Q固体单纵模激光器的基本实施例。由于谐振腔的长度可以变化，而且谐振腔内的激光晶体、饱和吸收晶体以及主动Q开关可以有多种方式组成，因此这里选用Cr⁴⁺，Nd:YAG作为双掺晶体，声光Q开关作为主动Q开关，以及平平谐振腔结构只是作为说明本发明的实例。

双掺晶体(1)Cr⁴⁺，Nd:YAG使用双掺激活离子Nd³⁺和饱和吸收离子Cr⁴⁺的钇铝石榴石YAG同时作为激光晶体和被动Q开关。激活离子Nd³⁺的掺杂浓度为1atm％，饱和吸收离子Cr⁴⁺的掺杂浓度从0.01到0.5atm％范围内变化。在激光振荡条件满足的情况下，即激光器能够出射振荡激光的条件下，Cr⁴⁺的浓度的高低可以根据具体的需要而确定，但是这个浓度至少要使YAG晶体能够自调Q或被动调Q。饱和吸收离子和电荷平衡元素的掺杂物可以选取下面一组氧化物的形式，例如Cr₂O₃，MgO，CaO等。一般地说，双掺晶体的初始透过率在30％到95％之间，相应的晶体长度0.2毫米至30毫米左右，一般选取5毫米左右即可。双掺晶体朝向泵浦源的一面，要镀上泵浦光和振荡激光的增透膜，背离泵浦源的端面要镀上振荡激光的增透膜，如果需要返回式泵浦可以考虑在背离泵浦源的一端再镀以泵浦光的高反膜。双掺晶体或键和晶体的冷却装置(2)采用水冷或半导体冷却方式，工作温度为5℃至20℃。

实现稳定重复频率的控制元件可以选用主动Q开关(3)。主动Q开关的重复频率范围应能覆盖被动Q开关的重复频率范围，以便于控制被动Q开关的重复频率。主动Q开关可以是光电Q开关例如普克尔盒Q开关，声光Q开关，受抑全内反射Q开关，转镜Q开关等。以电光Q开关为例，其重复频率可以从几十Hz到几百kHz之间变化，通光长度可以短至200微米。主被动调Q固体单纵模激光器的频率稳定性即抖动度决定于主动Q开关。

谐振腔选用平平谐振腔结构。后腔镜(8)要镀上泵浦光的高透膜和振荡激光的高反膜。前腔镜(9)要镀上振荡激光的部分反射膜，一般反射率在95％到50％之间变化。这需要视具体要求而定。因为前腔镜反射率的大小，将影响输出激光的脉宽，平均功率和重复频率。所述前、后腔镜和双掺晶体构成热稳腔，腔长为0.5毫米至500毫米。

根据具体应用对输出激光能量的要求，泵浦源(4)可以采用单管或列阵形式的半导体二极管激光器泵浦，以获得足够的反转粒子数来维持激光器的运转。半导体二极管激光器可以采用连续或脉冲两种工作方式。泵浦源和双掺晶体之间设置有一组耦合装置(5)，耦合装置与泵浦源之间使用光纤(6)连接，耦合装置以光腰直径比1∶1的大小把泵浦光(7)经过后腔镜聚焦于双掺晶体的后端表面上。耦合装置的作用是保持泵浦光束在双掺晶体内横截面积的均匀性。在一定泵浦功率下，主被动调Q固体单纵模激光器可以输出激光脉宽10纳秒量级，平均输出功率可达瓦级，重复频率可达10千赫兹，峰值功率可达10千瓦，长时间稳定工作的、没有跳模现象的1064纳米单纵模激光(10)。

图2是依据图1利用键和晶体即使用扩散键和技术粘接的激光晶体(1a)Nd:YAG和饱和吸收晶体(1b)Cr⁴⁺:YAG的主被动调Q固体单纵模激光器的实施例。采用上述键和形式的工作方式，可以有更多的选择激光晶体和饱和吸收晶体的自由。例如可以选取增益比Nd:YAG高5倍的Nd:YVO₄作为激光晶体，选取半导体GaAs取代晶体Cr⁴⁺:YAG作为饱和吸收体。激光晶体和饱和吸收晶体的冷却装置采用水冷或半导体冷却方式(2)，工作温度为5℃至20℃。半导体二极管激光器(4a)发射的泵浦光可以直接通过或经过光纤后再通过耦合装置照射到双掺晶体或键和晶体上。

图3是依据本发明具有侧面泵浦形式的主被动调Q固体单纵模激光器的一个实施例。泵浦源(4b)发射的泵浦光(7)直接照射或通过一组耦合装置(5)照射在双掺晶体(1c)的侧面上。与图1不同的是，此时双掺晶体的两个端面仅需要镀以振荡激光的增透膜，而侧面需要镀泵浦光的增透膜。谐振腔的后腔镜(8a)只需要镀振荡激光的高反膜即可。

图4是主被动调Q激光器多纵模运转时用500兆赫兹示波器拍摄的重复频率照片。当主动Q开关的重复周期远大于被动Q开关的重复周期时，由于端面泵浦极高的增益，腔内的激光功率密度很高，使得主动Q开关被打开，出现峰值较小的脉冲。但与普通Nd:YAG晶体不同的是，由于出现激光脉冲必须首先漂白饱和吸收晶体，因此在双掺晶体中不出现驰豫振荡，一旦反转粒子数被消耗，则激光脉冲立即熄灭。主被动调Q激光器的工作原理就是在刚刚出现激光脉冲时打开主动Q开关或者使用预激光的工作方式，使得激光脉冲在谐振腔内的往返次数极大地超过仅使用被动Q开关的往返次数，首先出现的纵模将建立起一个自诱导的损耗光栅，该损耗光栅对产生它的纵模损耗最小，因此可以抑制其他纵模的振荡，从而获得单纵模激光输出。损耗光栅起到谐振腔纵模选择器的作用。这实质上是一种自注入的工作方式。

主动Q开关可以使用普通工作方式，也可以使用预激光的工作方式。当加入主动Q开关后，适当调节泵浦源的泵浦功率和主动Q开关的重复频率，使得主动Q开关的重复周期T_a满足

                     T_p＜T_a＜1.4T_p                    (1)

就可以获得单纵模激光输出，其中，T_p为被动Q开关的重复周期。

单纵模运转的稳定性是一个极其重要的概念。实现单纵模运转的必要条件是单横模运转。由于损耗光栅不仅具有纵模选择特性，它还具有动态光阑或软光圈的特性，即它可以有效地抑制高阶横模。还可以使泵浦光的腰斑直径小于腔膜的腰斑直径，进一步确保单横模运转。当然还可以在谐振腔内使用普通光阑。

其他辅助条件还有使用脉冲泵浦会更加稳定。使用和主动Q开关重复频率相匹配的脉冲泵浦源，可以使单纵模输出更加稳定。使用预泵浦技术可以有效地增加单纵模输出的稳定性。

图5是主被动调Q固体单纵模激光器的输出激光的单纵模特性。由于Nd:YAG的荧光线宽是119.2吉赫兹，使用16毫米的F-P标准具，其自由光谱区范围是10吉赫兹，因此可以轻松地区分两个单纵模。测出该激光的线宽小于0.005纳米。

依据本发明所构造的主被动调Q激光器的脉宽由冷腔的时间常数，即冷腔中的光子的平均寿命以及n_i/n_f决定，其中n_i是饱和前的反转粒子数，n_f是阈值时的反转粒子数。在一定的泵浦功率下，当饱和吸收体的初始透过率、前腔镜的透过率保持不变时，对输出激光的脉宽影响最大的是腔长。图6是依据本发明所设计的激光器输出脉冲宽度随谐振腔腔长变化的线性曲线。在腔长不变时，输出脉宽随泵浦功率的增大而变小。

图7是依据本发明设计的固体单纵模激光器的输出重复频率与吸收的泵浦功率的关系的线性曲线。依据本发明所设计的激光器，其输出频率具有很高的稳定性，这是与被动Q开关激光器的不同之处。主被动调Q固体单纵模激光器重复频率的稳定性即抖动度由主动Q开关决定。

重复频率跟如下因素有关。重复频率随着泵浦功率以及晶体初始透过率的变大而变大。由于激光输出首先要漂白可饱吸收晶体，因此输出单纵模激光的频率范围仍然由被动Q开关决定。

重复频率是由泵浦速率决定的。泵浦速率又决定于激光材料的增益的大小。由于被动调Q的单脉冲能量随泵浦功率的增大变化较小，因此增大泵浦功率使得重复频率提高。

由于本发明使得固体单纵模激光器可以运转在远离泵浦阈值的泵浦功率下，相应地，输出平均功率也随泵浦功率的增加而增加。这实际上开创了一种无需放大级的高功率固体单纵模激光器的新方法。由于脉宽随泵浦功率的提高而减小，相应地峰值功率也随泵浦功率的提高而增大。

一般地，常规的Nd:YAG激光器的输出是非偏振的，因为Nd³⁺离子的是各向同性的。为了在这样一台激光器中获得偏振输出，必须使用例如偏振片或者布氏窗口。在本发明中，由于掺入的Cr⁴⁺离子具有各向异性的吸收特性，这样就提供了一种获取偏振光的方法。电场沿着具有最低饱和功率的方向上偏振。这样就获得了不需要任何偏振光学元件的，具有消光比为500∶1的线性偏振光输出。利用激光晶体Nd:YVO₄的偏振特性同样可以获得偏振的单纵模激光输出。

图8是依据本发明，设计的具有平凹稳定腔结构的主被动调Q固体单纵模激光器实施例，特点是后腔镜(8b)为凹面镜，其曲率半径1毫米至10米，一般选取500毫米为宜。这种谐振腔结构的优点是腔膜腰斑直径大，便于实现单横模运转，确保单纵模运转的稳定性。

图9是图8的一种变形，特点是后腔镜(8c)的膜层直接镀在双掺晶体的后端表面上，所镀膜层为泵浦光的增透膜和振荡激光的高反膜。前腔镜采用凹面镜(9a)，曲率半径1毫米至10米，一般选取500毫米为宜。

图10是依据本发明所设计的具有平凸非稳腔结构的主被动调Q固体单纵模激光器的一实施例。前腔镜(9b)采用凸面镜，曲率半径从1毫米至10米变化。

图11是是依据本发明所设计的使用两块激光晶体(1d)、(1f)和一块饱和吸收晶体(1e)扩散键和粘接的具有平平临界腔结构的单块的主被动调Q固体单纵模激光器的一个实施例。这种方法除了把谐振腔的后腔镜(8c)的膜层直接镀在双掺晶体或键和晶体朝向泵浦源的端面上，还在主动Q开关的融石英玻璃或电光Q开关的电光晶体远离双掺晶体或键和晶体的一面镀上振荡激光的部分反射膜。该实施例的结构最简单，使用元件最少，而且还可以把双掺晶体或键和晶体与融石英玻璃或电光晶体用光学粘胶连接起来，做成单块的主被动调Q固体单纵模激光器，以利于缩小腔长。电光晶体是KDP、KD^*P、LiNbO₃、LiTaO₃、BBO等晶体中的一种。

虽然这里演示并且描述了本发明的特殊细节和结构，但是应该明白这是为了描述本发明。对于在本行的专业人士不脱离本发明的范围和思想，可以对本发明做出轻松的改动。例如本发明同样适用于光纤激光器。

Claims (19)

1.一种主被动调Q固体单纵模激光器，其特征在于，该激光器包括泵浦源、谐振腔，所述谐振腔包括镀膜的前腔镜和后腔镜，所述前、后腔镜之间设置至少一段固体激光基质材料和至少一个主动Q开关，所述基质材料中，至少包含能够使所述基质材料产生振荡激光的作为激活离子的第一种掺杂元素、至少包含不同于所述第一种掺杂元素的能够在所述基质材料中对所述振荡激光产生饱和吸收的作为饱和吸收离子的第二种掺杂元素，所述饱和吸收具有对所述振荡激光在低强度时高吸收和高强度时低吸收的特性，所述含有具有饱和吸收特性的第二种掺杂元素的基质材料作为所述激光器的被动Q开关，所述泵浦源为所述激光器提供泵浦光，使得在所述基质材料中的所述第一种掺杂元素粒子数反转从而在所述激光器中产生所述振荡激光，所述泵浦光具有足够的能量使得在所述基质材料中产生所述振荡激光，所述振荡激光漂白所述第二种掺杂元素从而降低了所述第二种掺杂元素对所述振荡激光的吸收，因而进一步加强所述振荡激光到一个更高的强度，所述振荡激光随着所述第一种掺杂元素反转粒子数的消耗而熄灭。

2.如权利要求1所述的主被动调Q固体单纵模激光器，其特征在于，所述谐振腔中，只包含一段所述基质材料，并且该基质材料含有所述第一种、第二种掺杂元素时，所述基质材料称为双掺晶体；当含有两段或两段以上的所述基质材料时，所述基质材料可以相同或者不同，两段所述基质材料之间可以使用扩散键和技术连接，所述扩散键和连接的所述基质材料称为键和晶体；在所述键和晶体中，所述第一种、第二种掺杂元素可以同时包含在同一段所述基质材料中，即所述键和晶体中包含一块所述双掺晶体，或分别包含在不同段的所述基质材料中，只包含所述第一种掺杂元素的所述基质材料称为激光晶体，只包含所述第二种掺杂元素的所述基质材料称为饱和吸收晶体；在所述键和晶体中，可以包含没有任何所述第一种、第二种掺杂元素的基质材料。

3.如权利要求2所述的主被动调Q固体单纵模激光器，其特征在于，所述双掺晶体或键和晶体上设置冷却装置，所述冷却装置采用水冷或半导体冷却方式，工作温度为5℃至20℃。

4.如权利要求1或2所述的主被动调Q固体单纵模激光器，其特征在于，所述主被动调Q固体单纵模激光器，可以将从所述泵浦源发射的所述泵浦光直接照射到所述双掺晶体或键和晶体的侧面获得所述振荡激光，也可以包括一组耦合装置，会聚从所述泵浦源发射的所述泵浦光，并将其照射到所述双掺晶体或键和晶体的所述侧面获得所述振荡激光。

5.如权利要求4所述的主被动调Q固体单纵模激光器，其特征在于，所述泵浦源可以设置在所述双掺晶体或键和晶体的侧面，构成侧面泵浦，所述后腔镜仅对所述谐振腔内的所述振荡激光全反射，所述前腔镜对所述振荡激光的反射率为50％至95％，所述双掺晶体或键和晶体的所述侧面镀有所述泵浦光的增透膜，所述双掺晶体或键和晶体的前端表面和后端表面镀有所述振荡激光的增透膜。

6.如权利要求1或2所述的主被动调Q固体单纵模激光器，其特征在于，所述主被动调Q固体单纵模激光器，包括一组耦合装置，会聚从所述泵浦源发射的所述泵浦光，并将其照射到所述双掺晶体或键和晶体的所述后端表面获得所述振荡激光，所述耦合装置与所述泵浦源由光纤连接。

7.如权利要求6所述的主被动调Q固体单纵模激光器，其特征在于，所述泵浦源可以设置在所述双掺晶体或键和晶体的轴线上，构成端面泵浦，所述泵浦源发射的所述泵浦光通过所述光纤、耦合装置、后腔镜照射到所述双掺晶体或键和晶体的所述后端表面，所述后腔镜对所述泵浦光全透射，并能全反射所述谐振腔内的所述振荡激光，所述前腔镜对所述谐振腔内的所述振荡激光的反射率为50％至95％。

8.如权利要求1或2所述的主被动调Q固体单纵模激光器，其特征在于，所述基质材料分别为石榴石类Y₃Al₅O₁₂(YAG)、Lu₃Al₅O₁₂(LuAG)、Y₃Ga₅O₁₂(YGG)、Gd₃Ga₅O₁₂(GGG)、Gd₃Sc₂Ga₃O₁₂(GSGG)、Y₃Sc₂Ga₃O₁₂(YSGG)、Gd₃Sc₂Al₃O₁₂(GSAG)、Y₃Sc₂Al₃O₁₂(YSAG)、Gd₃In₂Ga₃O₁₂(GIGG)、CaY₂Mg₃Ge₃O₁₂(CYMGG)，镁橄榄石类Mg₂SiO₄(MSO)、Gd₂SiO₅(GSO)、Y₂SiO₅(YSO)，蓝宝石Al₂O₃，绿宝石BeAl₂O₄、SrAl₂O₄、CaAl₂O₄，钒酸盐YVO₄(YVO)、GdVO₄(GVO)，钨酸盐KGd(WO₄)₂(KGW)，氟化物LiYF₄(YLF)、LiCaAlF₆(LiCAF)、LiSrAlF₆(LiSAF)，硅酸盐玻璃Ca₂Al₂SiO₇(CAS)、Ca₂Ga₂SiO₇(CGS)，铝酸盐玻璃LiAlO₄，玻璃陶瓷等材料中的一种。

9.如权利要求8所述的主被动调Q固体单纵模激光器，其特征在于，所述第一种掺杂元素为Nd、Yb、Ho、Er、Mg中的一种，其掺杂浓度为0.5～2atm％；所述第二种掺杂元素为Cr、V、Ca、Mg、Sr、Ba、Co中的一种。

10.如权利要求9所述的主被动调Q固体单纵模激光器，其特征在于，所述基质材料中还添加有所述第二种掺杂元素的电荷平衡元素，所述第二种掺杂元素及其电荷平衡元素为下面各组合中的任意一组：(Cr，Ca)，(Cr，Mg)，(Cr，Ca，Mg)，(Ca，Mg)，(Cr，Sr)，(Cr，Ba)。

11.如权利要求10所述的主被动调Q固体单纵模激光器，其特征在于，所述双掺晶体长度为0.2毫米至30毫米，其初始透过率在30％到95％之间；所述键和晶体中，只含有所述第一种掺杂元素的所述一段基质材料的长度为0.2毫米至30毫米，只含有所述第二种掺杂元素的所述一段基质材料的初始透过率在30％到95％之间(初始透过率和该段基质材料的长度只能有一个确定的数值)，不含有任何所述第一种、第二种掺杂元素的所述基质材料的长度根据具体要求确定；在所述双掺晶体或键和晶体的所述后端表面镀有所述泵浦光和振荡激光的增透膜，其所述前端表面镀有所述泵浦光的高反膜和振荡激光的增透膜，或仅镀有所述振荡激光增透膜。

12.如权利要求11所述的主被动调Q固体单纵模激光器，其特征在于，所述泵浦源为半导体激光器、或红宝石激光器、或钕离子激光器、或镱离子激光器、或铒激光器、或可调谐激光器。

13.如权利要求12所述的主被动调Q固体单纵模激光器，其特征在于，所述半导体激光器为单管半导体二极管激光器或列阵形式的半导体二极管激光器；所述单管半导体二极管激光器或列阵形式的半导体二极管激光器为连续波或脉冲工作方式；所述连续波或脉冲工作方式的单管半导体二极管激光器或列阵形式的半导体二极管激光器为预泵浦工作方式或普通工作方式。

14.如权利要求13所述的主被动调Q固体单纵模激光器，其特征在于，所述谐振腔通过所述前、后腔镜和所述双掺晶体或键和晶体构成热稳腔，腔长为0.5毫米至500毫米。

15.如权利要求14所述的主被动调Q固体单纵模激光器，其特征在于，所述谐振腔为稳定腔、或非稳腔、或临界腔；所述稳定腔、或非稳腔、或临界腔通过改变其两端镀膜的腔镜的表面曲率半径而形成平凹稳定腔、或平平临界腔、或平凸非稳腔。

16.如权利要求15所述的主被动调Q固体单纵模激光器，其特征在于，所述后腔镜通过将所述泵浦光的高透膜和振荡激光的高反膜镀在所述双掺晶体或键和晶体的所述后端面而直接构成。

17.如权利要求16所述的主被动调Q固体单纵模激光器，其特征在于，所述主动Q开关为声光Q开关、或电光Q开关、或受抑全内反射Q开关，或转镜Q开关；所述声光Q开关或电光Q开关或受抑全内反射Q开关的电源的工作方式可以是预激光工作方式，也可以是普通的触发工作方式。

18.如权利要求17所述的主被动调Q固体单纵模激光器，其特征在于，所述前腔镜通过将所述振荡激光的部分反射膜镀在所述声光Q开关的融石英玻璃或所述电光Q开关的电光晶体远离所述双掺晶体或键和晶体一侧端部表面而直接制出；所述电光晶体是KDP、KD^*P、LiNbO₃、LiTaO₃、BBO晶体中的一种。

19.如权利要求18所述的主被动调Q固体单纵模激光器，其特征在于，所述双掺晶体或键和晶体与所述声光Q开关的融石英玻璃或所述电光Q开关的电光晶体之间可以使用所述扩散键和技术连接。

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