CN1702925A - 一种间歇振荡双波长全固态激光器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种间歇振荡双波长全固态激光器，以半导体激光器做泵浦源，掺Nd³⁺激光晶体两端分别设置光路转换镜和谐振腔后镜，分别包括Q－开关和腔镜的两个相对独立的声光调－Q谐振腔共用掺Nd³⁺激光晶体、光路转换镜和谐振腔后镜，Q－开关驱动器通过重复频率相同、开关时间有延迟的两个射频信号分别驱动Q－开关和Q－开关，掺Nd³⁺激光晶体每次只参与一种波长的激光振荡放大。本发明使用一套激光器设备，提供两种不同波长的脉冲激光，消除了由于双波长模式竞争造成的激光输出不稳定，提高了效率，降低了成本。

Description

一种间歇振荡双波长全固态激光器

技术领域：

本发明涉及激光器，尤其涉及一种全固态激光器。

背景技术：

1990年沈鸿元等在Appl.Phys.Lett.发表文章“各种掺Nd³⁺激光晶体⁴F_3/2→⁴I_11/2，⁴F_3/2→⁴I_13/2双波长同时振荡比较(Comparisionof simultaneous multiplewavelength lasing in various neodymium host crystals at transitions from ⁴F_3/2→⁴I_11/2，and ⁴F_3/2→⁴I_13/2)”，比较了四种掺Nd³⁺晶体双波长激光同时振荡输出的可能性。

1998年7月8日，中国科学院物理研究所和南京大学申请了“一种同时输出红、绿、蓝三元色的激光器”实用新型专利，目的在于克服激光器输出单一波长光的缺陷，从而提供一种在两个谐振腔镜内光路上安置光学超晶格晶体做参量介质和耦合参量介质，组成能同时输出红、绿、蓝三元色激光的激光器，

1999年4月，林文雄，沈鸿元在《物理学报》发表文章“一种新型结构的Nd:YAlO₃双波长调Q脉冲激光器”提出了一种新的腔型使双波长脉冲的峰值同步输出。

2000年2月，Y.-F.Chen在Appl.Phys.B发表文章“二极管端泵Nd:YVO₄连续双波长激光器(cw dual-wavelength operation of a diode-end-pumped Nd:YVO₄laser)”，报道了分别用一个谐振腔和两个共线谐振腔实现双波长同时输出。

2002年5月，中国科学院福建物质结构研究所张戈、沈鸿元等申报了“红绿双波长激光器”的专利，用LBO和KTP等非线性晶体将掺钕晶体1300nm和1000nm波段双波长激光倍频成红色和绿色激光，双波长谐振腔为直腔，双波长同时输出。

2002年6月，福建物构所黄艺东、黄妙良等申报了一种“可见波段双波长固体激光器”的专利。此专利涉及固体激光器设计领域，双波长谐振腔为直腔，双波长同时输出，采用腔内放置两块非线性晶体同时进行倍频与和频。

2003年7月30日，中国专利公开了CN1116723C号“双波长振荡被动双调Q激光器“，此专利采用的谐振腔为直腔，饱和吸收体被动调Q，其特征在于激光晶体所辐射的波长和饱和吸收被动调Q开关所辐射的波长同时形成。

2003年12日31日，中国专利公开了CN1464602A号“可见波段双波长固体激光器“专利申请，此专利采用的谐振腔为直腔，双波长同时输出。

2004年4月21日，中国专利公开了CN2613077Y号“复合腔Q开关-长脉冲双功能高光束质量固体激光器”专利申请，此实用新型专利仅涉及复合腔设计，一块激光晶体，一个Q-开关，不能实现双波长输出。

2004年6月，何京良等在Appl.Phys.B发表文章“光纤耦合二极管泵浦Nd:GdVO₄高效率单-双波长激光器(Highefficiency single-and dual-wavelengthNd:GdVO₄ lasers pumped by a fiber-coupled diode)”，首次报道了二极管端泵Nd:GdVO₄晶体实现连续双波长同时输出。

2004年8月11日，中国专利公开了CN2632895Y号“双调Q平-凹腔Nd:YAG内腔倍频输出百瓦级的绿光激光器”，此专利采用两个Q-开关放置于激光晶体两侧，为单一波长激光振荡。

综上所述的研究、技术途径和发明专利中的双波长激光器，采用的装置都是直腔，激光晶体同时参与两种波长的激光振荡，双波长同时振荡输出。由于存在模式竞争，所以效率不高，每一波长的功率输出较低且不稳定，同时保证两波长激光输出都为基模非常困难。

发明内容：

本发明的目的是提供一种具有相同重复频率并且开关时间延迟的射频信号分别驱动的两个Q-开关分别置于两个相对独立的谐振腔中，两种不同波长的激光间歇振荡输出，激光晶体每次只参与一种波长的激光振荡放大，从而消除因模式竞争而带来的激光输出不稳定和模式变差问题的间歇振荡双波长全固态激光器。

本发明的目的可通过如下技术措施来实现：

该间歇振荡双波长全固态激光器以半导体激光器做泵浦源，掺Nd³⁺激光晶体两端分别设置光路转换镜和谐振腔后镜，分别包括Q-开关和腔镜的两个相对独立的声光调-Q谐振腔共用掺Nd³⁺激光晶体、光路转换镜和谐振腔后镜，Q-开关驱动器通过重复频率相同、开关时间有延迟的两个射频信号分别驱动Q-开关和Q-开关，掺Nd³⁺激光晶体每次只参与一种波长的激光振荡放大，实现双波长间歇振荡激光输出。

本发明的目的还可通过如下技术措施来实现：

掺Nd³⁺激光晶体，设计具有Q-开关时间延迟的双波长谐振腔，激发⁴F_3/2→⁴I_11/2和⁴F_3/2→⁴I_13/2双波长间歇振荡，Q-开关驱动器输出重复频率相同且开关时间有延迟的两个射频信号，两个射频信号分别驱动两个声光Q-开关，对一种波长的声光Q-开关打开的同时，另一波长的Q-开关关闭，实现两个谐振腔内激光间歇振荡，间歇输出不同波长的脉冲激光。

掺Nd³⁺激光晶体，对从⁴F_3/2→⁴I_13/2和⁴F_3/2→⁴I_11/2能级跃迁的两条谱线，设计具有Q-开关时间延迟的双波长谐振腔，包括改变两个射频信号的开关延迟时间，或用电光Q-开关替代声光Q-开关，或采用端面泵浦和侧面泵浦之一的泵浦方式，实现双波长激光间歇振荡，间歇输出不同波长的脉冲激光。

掺Nd³⁺激光晶体，对从⁴F_3/2→⁴I_13/2和⁴F_3/2→⁴I_11/2能级跃迁的两条谱线，设计具有Q-开关时间延迟的双波长谐振腔，包括光路转换镜以布儒斯特角放置，实现线偏振激光间歇振荡，间歇输出不同波长的线偏振脉冲激光。

掺Nd³⁺激光晶体，对从⁴F_3/2→⁴I_13/2和⁴F_3/2→⁴I_11/2能级跃迁的两条谱线，设计具有Q-开关时间延迟的双波长谐振腔，包括改变各个腔镜和光路转换镜的反射率和透过率，实现双波长激光分别从两个腔镜耦合输出。

掺Nd³⁺激光晶体，对从⁴F_3/2→⁴I_13/2和⁴F_3/2→⁴I_11/2能级跃迁的两条谱线，设计具有Q-开关时间延迟的双波长谐振腔，实现双波长间歇振荡，包括掺Nd³⁺晶体其它发射谱线，⁴F_3/2→⁴I_9/2参与的两条发射谱线，相应改变各个腔镜和光路转换镜的膜参数，实现双波长激光间歇振荡，间歇输出不同波长的脉冲激光。

掺Nd³⁺激光晶体，对从⁴F_3/2→⁴I_13/2和⁴F_3/2→⁴I_11/2能级跃迁的两条谱线，设计具有Q-开关时间延迟的双波长谐振腔，实现双波长激光间歇振荡输出，包括用非线性光学材料实现频率转换，得到红、绿、蓝激光及其各种颜色组合激光输出的全固态激光器。

本发明可以采用不同基质的掺Nd³⁺激光晶体、不同类型的Q-开关元件、选择不同的发射谱线和镀膜参数，实现双波长间歇振荡，然后针对此双波长基波，设计和选用非线性晶体材料，对基波进行频率变换，获得所需要波长的激光输出。

本发明利用两个具有相同重复频率、开关时间延迟的声光Q-开关，两个谐振腔共用一块激光晶体，由于对某单一波长的声光Q-开关打开的同时，另一波长的Q-开关关闭，所以激光晶体每次只参与单一波长的激光振荡，激光晶体上能级的反转粒子数也只为该波长激光振荡所消耗，完全消除由于激光的模式竞争所导致的双波长激光输出能量低和输出不稳定等现象，得到了激光输出功率(能量)高且稳定的双波长脉冲激光器；尤其是掺Nd³⁺激光晶体的1.0μm和1.3μm的双波长激光间歇振荡输出，用非线性晶体材料进行频率变换，获得红、绿、蓝及各种颜色组合多波长激光输出的实用性全固态激光器。

本发明在产业、医疗和科学研究等领域具有很高的应用价值。

本发明的优越性：

1、本发明采用的谐振腔结构可以产生双波长激光振荡，两个谐振腔共用一块激光晶体和一个泵浦源，结构紧凑；两个谐振腔相对独立，通过调节Q-开关驱动信号的开关延迟时间，使激光晶体每次只参与单一波长激光的振荡放大，充分利用了上能级反转粒子数，每一波长的激光输出功率(能量)高；在振荡放大过程中，由于不存在双波长模式竞争，功率输出稳定，模式好。

2、本发明采用的结构设计不仅适用于掺Nd³⁺激光晶体，而且适用于所有具有两条发射谱线的激光晶体，只要相应改变泵浦波长、腔镜和光路转换镜的镀膜参数，就可以实现此激光晶体的双波长激光间歇振荡输出。

3、本发明可以作为一个单元器件，与非线性材料结合为输出红、绿、蓝激光及其各种颜色组合输出的全固态激光器，只需根据要求和双波长基波特性，选择和设计相应的非线性材料晶体，包括本征晶体和其他非线性光学材料，对双波长基波进行频率转换，就能够获得所需要波长的激光输出。

附图说明：

图1是本发明实施例的结构示意图。

其中：

1-谐振腔后镜，对1.0∠m和1.3μm双波长部分透射，为激光器的输出镜；

2-掺Nd³⁺激光晶体，产生1.0μm波长和1.3μm波长激光的增益介质；

3-光路转换(双色)镜，对1.0∠m波长激光减反(45°入射)，对1.3μm波长激光高反(45°入射)；

4-1.3μm波长声光开关；

5-腔镜，对1.0∠m波长激光高透，对1.3μm波长激光全反；

6-1.0∠m波长声光开关；

7-腔镜，对1.3∠m波长激光高透，对1.0μm波长激光全反；

8-具有相同重复频率Q-开关时间延迟两路输出的Q-开关驱动器。

本发明参照附图做进一步说明：

本发明可以按照下面所述的方式实现：

本发明所提供的相同重复频率Q-开关时间延迟的间歇振荡双波长全固态激光器，使用的光学元件和材料有：用于侧面或端面泵浦的二极管激光器，掺Nd³⁺激光晶体2，对1.0μm减反(45入射)和对1.3μm高反(45入射)的光路转换镜3，对1.0μm全反和对1.3μm高透的腔镜7，对1.3μm全反和1.0μm高透的腔镜5，对1.0μm减反的Q-开关6，对1.3μm减反的Q-开关4，谐振腔后镜1作为双波长激光的输出镜，对1.0μm激光和1.3μm激光有一定的透过率，能够产生有相同重复频率和一定开关延迟时间的两个射频信号的Q-开关驱动器8，利用Nd³⁺晶体的优异的激光性能和它的两条发射谱线⁴F_3/2→⁴I_11/2和⁴F_3/2→⁴I_3/2，1.0μm激光和1.3μm激光各自以相对独立的腔(1.3μm激光在1，5之间振荡，1.0μm激光在1，7之间振荡，说明书附图图1)间歇振荡，由谐振腔后镜1间歇输出1.0μm激光和1.3μm激光。

本发明还可以按照下面所述的方式实现：

本发明所提供的相同重复频率Q-开关时间延迟的间歇振荡双波长全固态激光器，使用的光学元件和材料有：用于侧面泵浦的二极管激光器，掺Nd³⁺激光晶体2，对1.0μm和1.3μm双波长全反的谐振腔后镜1，对1.0μm减反(45入射)和对1.3μm高反(45入射)的光路转换镜3，，对1.0μm减反的Q-开关6，对1.3μm减反的Q-开关4，能够产生相同重复频率和一定开关时间延迟的两个射频信号的Q-开关驱动器8，1.3μm激光输出镜5，1.0μm激光输出镜7，利用Nd³⁺晶体优异的激光性能和它的两条发射谱线⁴F_3/2→⁴I_11/2和⁴F_3/2→⁴I_13/2，1.0μm激光和1.3μm激光各自以相对独立的腔(1.3μm激光在1，5之间振荡，1.0μm激光在1，7之间振荡，说明书附图图1)间歇振荡，由输出镜7获得1.0μm激光输出，由输出镜5获得1.3μm激光输出。

本发明也可以按照下面所述的方式实现：

本发明所提供的相同重复频率Q-开关时间延迟的间歇振荡双波长全固态激光器，使用的光学元件和材料有：用于端面泵浦的二极管激光器，掺Nd³⁺激光晶体2，对1.0μm和1.3μm双波长全反和对0.808μm高透的谐振腔后镜1，对1.0μm减反(45入射)和对1.3μm高反(45入射)的光路转换镜3，对1.0μm减反的Q-开关6，对1.3μm减反的Q-开关4，能够产生相同重复频率和一定开关时间延迟的两个射频信号的Q-开关驱动器8，1.3μm输出镜5，1.0μm输出镜7。利用Nd³⁺晶体优异的激光性能和它的两条发射谱线⁴F_3/2→⁴I_11/2和⁴F_3/2→⁴I_13/2，1.0μm激光和1.3μm激光各自以相对独立的腔(1.3μm激光在1，5之间振荡，1.0μm激光在1，7之间振荡，说明书附图图1)间歇振荡，由输出镜7获得1.0μm激光输出，由输出镜5获得1.3μm激光输出。

不同基质的掺Nd³⁺激光晶体，对应的⁴F_3/2→⁴I_11/2和⁴F_3/2→⁴I_13/2的发射谱线的受激发射截面和对应波长有所不同，这意味着对不同的掺Nd³⁺晶体，都可用本发明实现双波长激光间歇振荡输出，只是产生的激光的波长会略有不同。如Nd:YVO₄晶体，⁴F_3/2→⁴I_11/2和⁴F_3/2→⁴I_13/2的发射谱线为1.064μm和1.342μm；Nd:GdVO₄晶体对应的⁴F_3/2→⁴I_11/2和⁴F_3/2→⁴I_13/2的发射谱线为1.063μm和1.341μm；Nd:YAG晶体对应⁴F_3/2→⁴I_11/2和⁴F_3/2→⁴I_13/2的发射谱线波长为1.064μm和1.319μm；Nd:YLF激光晶体对应两条发射谱线⁴F_3/2→⁴I_11/2和⁴F_3/2→⁴I_13/2为1.053μm(1.047μm)和1.313μm(1.321μm)等。

通过TTL电平控制的有一定开关延迟时间的两个射频信号分别驱动Q-开关4和Q-开关6。

Nd离子的发射谱线除了上述的⁴F_3/2→⁴I_11/2和⁴F_3/2→⁴I_13/2之外，还包括⁴F_3/2→⁴I_9/2谱线，选择其中的两条谱线，适当改变谐振腔后镜1、光路转换镜3、腔镜5和腔镜7的镀膜，都可用本发明实现双波长激光间歇振荡输出。

具体实施方式：

实施实例1、

按照图1制作一台具有相同重复频率声光Q-开关时间延迟间歇振荡双波长全固态激光器。用于侧面泵浦的二极管激光器，输出波长为0.808μm。激光增益介质Nd:YAG晶体2，对1.064μm波长激光减反(45°入射)和对1.319μm波长激光高反(45°入射)的光路转换镜3(镜3也可以布儒斯特角放置，从而产生1.064μm和1.319μm的偏振光输出)，对1.064μm高反和对1.319μm高透的腔镜7，对1.319μm高反和1.064μm高透的腔镜5，对1.064μm减反的Q-开关6，对1.319μm减反的Q-开关4，谐振腔后镜1作为双波长激光的输出镜，对1.064μm激光和1.319μm激光有一定的透过率，Q-开关驱动器8输出相同重复频率的两个射频信号，但开关时间有一定的的延迟，延迟时间根据具体设计而定。例如，为得到较大的输出能量，可等同于所用Nd:YAG的荧光寿命(约230∠s)。利用Nd³⁺晶体的优异的激光性能和它的两条发射谱线⁴F_3/2→⁴I_11/2和⁴F_3/2→⁴I_13/2，1.064μm激光和1.319μm激光各自以相对独立的腔(1.319μm激光在1，5之间振荡，1.064μm激光在1，7之间振荡)间歇振荡，由谐振腔后镜1间歇输出1.064μm波长和1.319μm波长双波长激光。

实施实例2、

按照图1制作一台具有相同重复频率Q-开关时间延迟间歇振荡双波长全固态激光器。用于端面泵浦的二极管激光器，输出波长为0.808μm，Nd:YVO₄激光晶体2，对1.064μm和1.342μm双波长全反和对0.808μm高透的谐振腔后镜1，对1.064μm减反(45°入射)和对1.342μm高反(45°入射)的光路转换反射镜3，对1.064μm减反的Q-开关6，对1.342μm减反的Q-开关4，Q-开关驱动器8输出的两个射频信号，两信号的开关时间有一定延迟，1.342μm激光输出镜5，1.064μm激光输出镜7，利用Nd³⁺晶体的优异的激光性能和它的两条发射谱线⁴F_3/2→⁴I_11/2和⁴F_3/2→⁴I_13/2，1.064μm激光和1.342μm激光各自以相对独立的腔(1.342μm激光在1，5之间振荡，1.064μm激光在1，7之间振荡)间歇振荡，由输出镜7获得1.064μm激光输出，由输出镜5获得1.342μm激光输出。

实施实例3、

按照图1制作一台具有相同重复频率Q-开关时间延迟间歇振荡双波长全固态激光器。用于侧面或端面泵浦的二极管激光器，输出波长为0.796μm。Nd:YLF激光晶体，对1.053μm(1.047μm)和1.313μm(1.321μm)双波长高反的谐振腔后镜1，对1.053μm减反(45°)和对1.313μm高反(45°)的光路转换镜3，对1.053μm减反的Q-开关6，对1.313μm减反的Q-开关4，Q-开关驱动器8输出的两个相同重复频率的射频信号，但Q开关时间延迟，1.313μm激光输出镜5，1.053μm激光输出镜7，利用Nd³⁺晶体的优异的激光性能和它的两条发射谱线⁴F_3/2→⁴I_11/2和⁴F_3/2→⁴I_13/2，1.053μm激光和1.313μm激光各自以相对独立的腔(1.313μm激光在1，5之间振荡，1.053μm激光在1，7之间振荡)间歇振荡，由输出镜7获得1.053μm激光输出，由输出镜5获得1.313μm激光输出。

实施实例4、

按照图1制作一台具有相同重复频率Q-开关时间延迟间歇振荡双波长全固态激光器。与实例1、2、3中不同的是，光路转换镜3以布儒斯特角放置，从而产生1.0μm和1.3μm的偏振光输出，得到双波长间歇振荡输出的全固态激光器。

实施实例5、

按照图1制作一台具有相同重复频率Q-开关时间延迟双波长间歇振荡全固态激光器。与实例2不同的是，激光晶体的一个端面作为输入镜，此端面为0.808μm高透，1.0μm和1.3μm全反，得到双波长间歇振荡输出的全固态激光器。

实施实例6、

按照图1制作一台具有相同重复频率Q-开关时间延迟间歇振荡双波长全固态激光器。与实例1不同的是，Q-开关选用电光Q-开关，得到双波长间歇振荡输出的全固态激光器。

实施实例7、

按照图1制作一台具有相同重复频率Q-开关时间延迟间歇振荡双波长全固态激光器。与实例1、2、3、4、5、6中不同的是，使用另外的掺Nd³⁺激光晶体如Nd:YAlO₃、Nd:GdVO₄，得到双波长间歇振荡输出的全固态激光器。

本发明还可以有下列的实施方式：

按照以上的实施实例制作一台具有相同重复频率Q-开关时间延迟间歇振荡双波长全固态激光器，获得双波长激光输出，用非线性晶体材料对双波长基波实现频率变换，实现红，绿，蓝及各种颜色组合的全固态激光器。

Claims (7)

1、一种间歇振荡双波长全固态激光器，其特征在于掺Nd³⁺激光晶体(2)两端分别设置光路转换镜(3)和谐振腔后镜(1)，分别包括Q-开关(4、6)和腔镜(5、7)的两个相对独立的声光调-Q谐振腔共用掺Nd³⁺激光晶体(2)、光路转换镜(3)和谐振腔后镜(1)，Q-开关驱动器(8)通过重复频率相同、开关时间有延迟的两个射频信号分别驱动Q-开关(4)和Q-开关(6)，掺Nd³⁺激光晶体(2)每次只参与一种波长的激光振荡放大，实现双波长间歇振荡激光输出。

2、根据权利要求1所述的一种全固态激光器，其特征在于掺Nd³⁺激光晶体(2)，设计具有Q-开关时间延迟的双波长谐振腔，激发⁴F_3/2→⁴I_11/2和⁴F_3/2→⁴I_13/2双波长间歇振荡，Q-开关驱动器输出重复频率相同且开关时间有延迟的两个射频信号，两个射频信号分别驱动两个声光Q-开关，对一种波长的声光Q-开关打开的同时，另一波长的Q-开关关闭，实现两个谐振腔内激光间歇振荡，间歇输出不同波长的脉冲激光。

3、根据权利要求1所述的一种全固态激光器，其特征在于掺Nd³⁺激光晶体(2)，对从⁴F_3/2→⁴I_13/2和⁴F_3/2→⁴I_11/2能级跃迁的两条谱线，设计具有Q-开关时间延迟的双波长谐振腔，包括改变两个射频信号的开关延迟时间，或用电光Q-开关替代声光Q-开关，或采用端面泵浦和侧面泵浦之一的泵浦方式，实现双波长激光间歇振荡，间歇输出不同波长的脉冲激光。

4、根据权利要求1所述的一种全固态激光器，其特征在于掺Nd³⁺激光晶体(2)，对从⁴F_3/2→⁴I_13/2和⁴F_3/2→⁴I_11/2能级跃迁的两条谱线，设计具有Q-开关时间延迟的双波长谐振腔，包括光路转换镜以布儒斯特角放置，实现线偏振激光间歇振荡，间歇输出不同波长的线偏振脉冲激光。

5、根据权利要求1所述的一种全固态激光器，其特征在于掺Nd³⁺激光晶体(2)，对从⁴F_3/2→⁴I_13/2和⁴F_3/2→⁴I_11/2能级跃迁的两条谱线，设计具有Q-开关时间延迟的双波长谐振腔，包括改变各个腔镜和光路转换镜的反射率和透过率，实现双波长激光分别从两个腔镜耦合输出。

6、根据权利要求1所述的一种全固态激光器，其特征在于掺Nd³⁺激光晶体(2)，对从⁴F_3/2→⁴I_13/2和⁴F_3/2→⁴I_11/2能级跃迁的两条谱线，设计具有Q-开关时间延迟的双波长谐振腔，实现双波长间歇振荡，包括掺Nd³⁺晶体其它发射谱线，⁴F_3/2→⁴I_9/2参与的两条发射谱线，相应改变各个腔镜和光路转换镜的膜参数，实现双波长激光间歇振荡，间歇输出不同波长的脉冲激光。

7、根据权利要求1所述的一种全固态激光器，其特征在于掺Nd³⁺激光晶体(2)，对从⁴F_3/2→⁴I_13/2和⁴F_3/2→⁴I_11/2能级跃迁的两条谱线，设计具有Q-开关时间延迟的双波长谐振腔，实现双波长激光间歇振荡输出，包括用非线性光学材料实现频率转换，得到红、绿、蓝激光及其各种颜色组合激光输出的全固态激光器。