CN1754290A - 抵抗内部红外引发的损伤的激光器 - Google Patents

Abstract

一种共掺杂二极管泵浦激光器的增益介质，使激光器能够抵抗由高强度内部红外辐射引起的长期性能下降。为增益介质共掺杂如Cr³⁺和Ce³⁺类的离子，使增益介质能够抗拒外部电离辐射的损伤，解决增益介质的长期性能下降问题。

Description

抵抗内部红外引发的损伤的激光器

技术领域

一般地说，本发明涉及激光器，具体地说，本发明涉及一种制造YAG激光器，这种激光器能够抵抗由强力的内部红外辐射所致的损伤。

背景技术

固态激光器，如钇铝石榴石(YAG)激光器，会经受到不同方式的失效。一种失效方式是经过延长使用周期的激光器性能下降。虽然这种失效方式与所有的激光器都有关系，但是这种失效方式对于长时间周期的连续使用或者接近连续使用的(如几百或几千小时，或更长)激光器来说，关系更大。例如，100-1000小时的寿命意味着激光器可能需要经常的维修，这对于有些应用是可以接受的。一般情况下，对于用在制造环境的激光器来说，5000-10000小时的寿命是可以接受的。有些激光器的应用甚至需要更长的寿命。虽然本领域中公知存在这样的失效方式，但是，由于多种潜在问题都与激光器的复杂性质有关，所以这种失效方式的性质是不清楚的，而且是可变的。这些问题中的某一些在本质上是机械方面的问题，有一些却与光学部件的性能下降有关。由于长期性能下降问题的本质不清楚，所以对这些问题的解决方案也是不清楚的。人们期望着对这个问题的任何解决方案都是实施简单、成本低，并且不需要对于现有激光器系统进行复杂的重新设计。

于是，在本领域中，需要一种能够抗拒长期性能下降的固态激光器以及实现这种激光器的方法。

发明内容

本发明的各种具体实施例，通过使用在共掺杂能使增益介质抗拒电离辐射的离子的增益介质的二极管泵浦红外激光器，克服了与现有技术相关缺点，其中在增益介质内部的内红外辐射的峰值强度大于约0.01GW/cm²。

附图说明

从以下结合附图的详细描述，可更容易地理解本发明的各种教导，其中：

图1表示本发明一种实施例激光器的示意图；

图2表示本发明另一实施例的腔内三倍频的二极管泵浦激光器的示意图；

图3表示本发明又个实施例的腔外三倍频的二极管泵浦激光器的示意图。

具体实施方式

虽然为了进行说明，以下的详细描述包含了许多特定的细节，但本领域的普通技术人员应该认识到，对下面的细节的许多变化和替换都在本发明的范围之内。因此，提出下面描述的本发明典型实施例对于要求保护的本发明并无任何损失，并且对于要求保护的本发明没有加给任何限制。

术语

有如这里使用的：

冠词“A”或“An”：除非另有明确说明，该冠词后面的一件或多件的数量。

腔：指的是由两个或多个反射表面确定的光可以往复运动或循环的光学路径。截断所述光学路径的物体被认为是在所述腔内。

共掺杂：指的是为增益介质掺杂两种或多种掺杂剂，例如激光所用的掺杂剂和附加掺杂剂，称为共掺杂剂。

连续波(CW)激光器：连续发出辐射的激光器，与脉冲式激光器中的短脉冲不同。

宇宙射线：指的是γ-射线、高能带电粒子和源于外部空间的其它高能辐射。

二极管激光器：指的是发光二极管，它被设计成，使得它可以使用受激发射产生相干光输出。二极管激光器也称为激光二极管或半导体激光器。

二极管泵浦激光器：指的是具有增益介质的激光器，所述增益介质由二极管激光器泵浦。

增益介质：指的是下面针对激光器描述的可产生激光的材料，。

石榴石：指的是一类特别的氧化物晶体，包括比如钇铝石榴石(YAG)、钆镓石榴石(GGG)、钆钪镓石榴石(GSGG)、钇钪镓石榴石(YSGG)等。

“包括”、“包含”、“比如”、“例如”、“以及类似物”、“可以”、“可 能”、以及其它类似限定词，它们与特定分类中的一项或多项物件一起使用，意思是包含该项或多项物件，但不限于这些项目的所述分类。

红外辐射：指是的电磁辐射，它的特征是真空波长在约700毫微米(nm)和约5000毫微米(nm)之间。

内部辐射：指的是引入激光器腔内的或在激光器腔内产生的辐射，这个辐射是这里发生的过程的原因或结果，或者是这些过程的预料的结果或者是没有预料的结果。如果不泵浦增益介质，就不会产生内部辐射。内部辐射的例子包括由激光过程本身产生的受激辐射，以及由与受激辐射有关的某些频率转换过程产生的辐射。

电离辐射：指的是紫外辐射、γ-射线、高能带电粒子和其它高能辐射。

激光：是“通过辐射的受激发射进行光放大”的缩写词。激光器是填充有可产生激光的材料的腔体。可产生激光的材料可以是任何材料，如晶体、玻璃、液体、染料或气体，通过泵浦，比如光或放电，可使这些材料的原子被激发到亚稳态。当原子退激回到基态并通过受激发射发出光时，通过所述原子发光。因为光多次往复通过腔运动，所以光(这里称为受激发射)的强度连续增加。使用光纤作为增益介质可以构成激光器。光纤通常是玻璃型材料，当然光纤还可以是结晶的或者是玻璃-毫微晶体的组合物。

光：正如这里所用的术语“光”，通常指的是电磁辐射，它的频率范围从红外到紫外，大约相当于从约1纳米(10^-9米)到100微米的真空波长范围。

锁模激光器：意指这样一种激光器，通过在内部控制每种模式的相对相位(有时是通过相对于时间进行调制)发挥作用，以选择性地产生高峰值功率和短持续时间的能量短脉冲，比如在皮秒(10^-12秒)域。

非线性效应：指的是一类光学现象，一般情况下，只能用接近单色的定向光束，如由激光器产生的光束才能观察到这类光学现象。例如，谐波的产生(如二次谐波、三次谐波和四次谐波的产生)、光学参数的振荡、求和频率的产生、差值频率的产生、光学参数的放大，以及受激罗曼效应。

非线件材料：指的是一种材料，它能够处理非零非线件介质相对于能够产生非线性效应的光辐射的响应。非线性材料的实例包括铌酸锂(LiNbO₃)、三硼酸锂(LBO)、β-硼酸钡(BBO)、硼酸铯锂(CLBO)、KDP及其同形体、LiIO₃晶体，以及各种准相位匹配(quasi-phase-matched)材料。

相位匹配：指的是一种用于多波长非线性光学过程技术，用于提高各种波之间能量相干传输可能达到的距离。例如，当k₁+k₂＝k₃时，认为这个三波过程是相位匹配的，这里，k_i是参与这个过程的第i种波的波矢量。例如，在倍频中，当基波和二次谐波的相位速度匹配时，这个过程的效率最高。

Q：指的是一个谐振器(谐振腔)的评价数值，Q定义为：(2.)×(谐振器中存储的平均能量)/(每个循环消耗的能量)。光学谐振器表面的反射系数越高并且吸收损耗越小，则Q值越高，并且从期望的模式中损耗的能量越小。

Q值开关：指的是用于迅速改变光学谐振器Q值的一种器件。

Q信开关激光器：指的是在激光器谐振腔中使用Q值开关，以防止激活作用，直到激活介质中实现高水平反转(光学增益和能量储存)时为止。当比如利用可饱和的吸收体声光或电光调制以使这个开关迅速增加谐振腔的Q值时，可产生巨大的脉冲。

准相位匹配(QPM)材料：在准相位匹配材料中，基波和二次谐波不是相位匹配的，但准相位匹配光栅可进行补偿。在准相位匹配材料中，基波和二次谐波可以有相同的极化度，通常可提高效率。准相位匹配材料的例子包括周期性极化的钽酸锂、周期性极化的铌酸锂(PPLN)，或者PPKTN。

真空波长：电磁辐射的波长通常与波穿行的介质有关。真空波长是一个指定频率的电磁辐射通过真空传播时的波长，用真空中的光速除以频率给出。

引言

按照通用的术语，本发明提供可抗拒损伤的二极管泵浦激光器。申请人对激光器中这种类型的失效方式进行过系统的研究，所述激光器使用钕掺杂的钇铝石榴石(Nd:YAG)作为增益介质。具体来说，他们的研究集中在使用Nd³⁺掺杂的YAG作为增益介质的二极管泵浦激光器。发明人认为，他们的发现能够应用于其它类型的基于石榴石的激光器以及其它固态激光器上。

二极管泵浦Nd³⁺:YAG激光器从二极管激光器接收泵浦光，例如约808nm，有时是880nm。泵浦光在Nd³⁺:YAG增益介质中激励1064nm辐射的发射。激活的1064nm辐射在反光镜之间来回穿行，形成强大的边界清晰的光束。所述激光器可以是Q值开关的，以便产生短的强大脉冲。激光器长期使用引起的性能下降的表现形式是输出功率随时间缓慢地下降。与增益介质的供应商的初始协商表明：供应商不相信这个问题来源于增益介质。然而，发明人在Nd:YAG增益介质中对长期性能下降的观察揭示，大量的增益介质都存在这种性能下降。进而，发明人发现，对于增益介质的损伤几乎完全集中在光束路径上。发明人已经观察到，损伤的数量强烈地依赖于1064nm辐射(红外)在Nd:YAG中的强度。

这类损伤是公知为彩色中心产生的类型。彩色中心在Nd:YAG中吸收1064nm的受激辐射，因而减小了输出。发明人注意到，通过电离辐射，如宇宙射线的强力轰击，也能引起彩色中心的产生。试验中可以使用利用镍离子(如Cr⁺³)或铈离子(如Ce⁺³)共掺杂的Nd:YAG保护二极管泵浦激光器不受宇宙射线的影响。例如，在“改变金属离子共掺杂剂引起的Nd:YAG辐射硬化”(T.S.Rose、R.L.Hutchenson和R.A.Fields，“美国光学学会”，“1994年先进的固态激光器会议录”，论文AQB2-1，第209页(1994))中表明：由于γ-射线辐射引起的激光器性能下降完全是因为由彩色中心的形成所引起1064nm的吸收所致。Rose等人的出版物表明：0.05％的Cr³⁺离子就将在抗γ-射线性能方面产生可测到的改进，但1％的Cr³⁺离子却要优越得多。Rose等人还列出对于辐射固化Nd:YAG而言可以替换的处理方法，其中包括设计激光器谐振腔使其对于在1064nm的光损耗的微小变化不敏感的特殊方法(例如使用高输出耦合，使用短Nd:YAG长度)。不幸的是，这与腔内三倍频激光器的设计限制相反，这里期望产生损耗低的，并且因此对于光损耗的微小变化非常敏感的激光器谐振腔。该参考文献还描述某些工作得不好的共掺杂剂。进而，在这些现有技术实验中，红外辐射在增益介质中的强度明显小于本发明人在Nd:YAG中已经观察到的长期性能下降的这个强度。

进而，M.Kh.Ashurov等人的题为“镍离子对于在具有石榴石结构的晶体中形成彩色中心的影响”(“Sov.Phys.Dokl”第30卷，第6期，第490页(1985))的文章表明：镍离子Cr³⁺共掺杂可防止在暴露给γ-射线的Nd:YAG中发生彩色中心的损伤。该文还表明，Cr⁺³对于许多石榴石型晶体(包括GGG、GSGG、YSGG)具有相似的效应。另外，该文还说，增加铈是使所述材料能够抗拒电离辐射的众所周知的方法。

除了辐射固化外，还有许多理由使得利用Cr³⁺和Nd³⁺掺杂YAG成为通用的作法。例如，题目为“钇铝石榴石激光器中Cr³⁺的发光和Cr³⁺及Nd³⁺离子间的能量传输”(P.Hong、X.X.Zhang、C.W.Struck、B.Di Bartolo，在“J.Appl.Phys.”中第78卷第7期，第4659页(1995))的文章描述了Cr³⁺、Nd³⁺以及Cr³⁺/Nd³⁺共掺杂的YAG的吸收和辐射性质，特别是对于闪光灯辐射吸收的增加以及从Cr³⁺到Nd³⁺的能量传输。这是使用Cr³⁺/Nd³⁺共掺杂的YAG的传统理由，与辐射固化没有任何关系。闪光灯泵浦的辐射必然是宽带的，一般情况下，包含比二极管泵浦辐射短的多的波长的有效功率。

N.S.Kovaleva、A.O.Ivanov、E.P.Dubrovina的科学论文“辐射彩色中心的形成和Nd:YAG晶体中的生长缺陷之间的关系”(“Sov.J.Quan.Elec.”第11卷，第1485页(1981))中叙述了在γ-射线引发的彩色中心的形成和Nd:YAG中的晶体缺陷的密度之间的关联性。该文还表示：通过在500℃下退火2小时，可以消除这些彩色中心。该文还表明动态掺杂Cr³⁺是如何减小Nd:YA6中的彩色中心的。

在闪光灯泵浦的激光器中，彩色中心的产生还有一个被公知为“日晒作用”的问题。据信日晒作用是由双光子紫外(UV)过程引起的。在现有技术中，通过在闪光灯和增益介质之间设置滤光片，以保护闪光灯泵浦激光器不受日晒作用的影响。发明人尚不知道任何现有技术的说法：由于日晒作用的彩色中心产生以及由于电离辐射的彩色中心的产生是如何关联的。

例如，K.Mori的题为“钇铝石榴石激光器中通过紫外光照射引起的过渡彩色中心”(“Phys.Stat.Sol.(a)”第42卷，第375页(1997))的文章叙述了紫外光照射在YAG中引发的“众所周知的”彩色中心吸收的过渡性质。彩色中心是产生晶体缺陷的根源。

G.Zfeidler的早期科学论文(IEEE J.Quan.Elec.第7卷，第153页(1968))曾报导，通过非常强的紫外辐射和可见光辐射的照射(尤其是波长小于500nm的照射)引起Nd:YAG激光器的效率下降。这个问题来源于吸收性彩色中心的产生。

M.Bass和A.E.Paladino的题目为“钇镓石榴石和钇铝石榴石中的彩色中心”(20世纪60年代晚期)的一篇科学论文描述了与YAG中彩色中心有关的吸收光谱(峰值接近紫外，具有通过可见光并且微弱进入红外的宽的拖尾)。该文还建议：特别是紫外光，能引起彩色中心的产生，通过在闪光灯和YAG之间放置滤光片，可以防止(或减小/消弱)这种情况。例如，美国专利US 4,039,970描述了一种YAG激光器，所述激光器包含一个滤光片，以阻塞波长小于500nm的光进入YAG晶体，从而可以获得性能的改善。此外，V.Czarniewski的题为“用于Nd:YAG泵浦谐振腔的光谱滤光片”(应用光学，第10卷，第6期，第1460页(1971))的科学论文描述了使用放置在闪光灯和Nd:YAG杆之间的光谱滤光片来吸收紫外光，并防止紫外光损伤Nd:YAG晶体。数据表明，10分钟的闪光灯辐射的照射就可以引起性能下降。

有些现有技术还建议，彩色中心的产生与杂质有关，他们倾向于提出：共掺杂解决不了这个问题。例如，Gerd Phillipps和Joachim Vater的另一篇题为“在闪光灯泵浦的Nd:YAG激光器杆中，由稳定的彩色中心引起的1.06μm的吸收”(应用光学，第32卷，第18期，第3210页(1953))科学论文评论了有关Nd:YAG的“日晒作用”的许多知识，再次指出：紫外辐射可引起日晒作用，这是众所周知的。该文还在稳定的(长期的)和不稳定的(短寿命的)彩色中心之间进行了区分，并且指出：其中涉及10ppm水平的许多杂质，它们就是彩色中心的根源，而且，还对Nd:YAG的紫外照射产生的典型的1064nm吸收的数值进行了量化处理。这些数据表明，对于特定的闪光灯泵浦条件，出现了约为0.004cm^-1吸收的饱和状态。这种饱和状态对应于在典型的Nd:YAG激光器中的非常约略的1％的多次反射损耗。该文还试图对下述两者的相对重要程度进行量化：(a)由紫外辐射产生的稳定和不稳定的彩色中心；(b)由紫外辐射产生的不稳定彩色中心的湮没。

所有这些现有技术都建议：正是短波长的辐射(如紫外辐射)或电离辐射(如γ-射线等)，才能使增益介质通过彩色中心的产生而性能下降。属于日晒作用的参考文献都不认为用Cr³⁺或Ce³⁺的共掺杂能解决日晒作用问题。YAG激光器中的内部红外辐射的波长长得多，因此能量较小。出于这个理由，通常不认为红外辐射是电离辐射。进而，公知的是，Cr⁴⁺掺杂的YAG可能引起红外辐射的强烈吸收，这可能与红外激光器的目的相背。本发明人并不担心引入Cr⁴⁺，但不愿意尝试共掺杂Nd³⁺:YAG的Cr³⁺。

解决问题的方案

发明人发现，由于来自内部1064nm辐射产生的彩色中心引起的损伤程度明显地取决于Nd:YAG内的1064nm(红外)辐射，因此假定：Nd:YAG内的长期性能下降以及解决这个问题的方案有如下述：

(1)损耗相当低的激光器谐振腔的平均循环功率较高，比如几百瓦特。在一个低损耗谐振腔的例子中，除了比如使用低-非线性LBO晶体的非线性光学转换成二次和三次谐波波长以外，没有任何有意的输出耦合。

(2)如果激光器是Q值开关激光器，则腔内峰值功率进一步增加。例如，分开50微秒(20千赫兹)的50毫微秒脉冲可以导致峰值功率和平均功率之间的1000∶1增强放大，这将导致几百千瓦的腔内峰值功率。

(3)激光模紧密地(＜＜1平方毫米)集中在Nd:YAG棒中，导致红外辐射峰值强度约为0.01-1GW/cm²。

(4)发明人推论出：较高的红外辐射强度允许缓慢但非零的、多光子(可为6或7个光子)从YAG价带到YAG导带的吸收速率。

(5)发明人还推得：吸收的光(因此还有解放的电子/空穴)等价于(就YAG而论)更易吸收的紫外光。因此，吸收的紫外光所可能引起的各种类型晶体损伤(“日晒作用”)也可能是由多光子吸收的红外辐射引起的。

(6)发明人得到结论：YAG受到高强度红外辐射光的“日晒作用”，由于红外辐射光的多光子吸收的几率很低，所以这个日晒作用极其微弱。这将产生彩色中心，彩色中心在1064nm表现出小量的(线性)吸收。

(7)这种1064nm的吸收虽然幅度小，但对于低损耗谐振腔内的长Nd:YAG棒而言是比较重要的，因为谐振腔必须工作几千小时不得调节。

(8)YAG中的相似或相同彩色中心也可能是由γ-射线照射引起的。相似性表现在(a)两者都是由辐射引发的；以及(b)两者具有相同的吸收谱：峰值在近紫外，长尾部延伸到红外区。

(9)文献中表明，Cr³⁺或Ce³⁺共掺杂可以有效地降低在γ-射线照射YAG时产生的彩色中心。

(10)众所周知，Cr³⁺共掺杂不能明显地影响Nd:YAG晶体的本底损耗。

因此，本发明人推论出：Cr³⁺或Ce³⁺共掺杂可以有效地降低由于高强度内部辐射(如每平方厘米0.01京瓦特(GW/cm²)或更高)引起的多红外光子吸收引发的YAG性能下降。

Rose等人借助对比表明：他们在高达900MW/cm²的强度测量了辐射损伤的Nd:YAG的1.06μm吸收系数。但是，他们没有用由这些强度的Nd:YAG建立激光器。他们正在寻找非线性吸收(即多光子吸收或饱和吸收，这些吸收取决于强度)，然而，即使对于照射过的并且具有彩色中心吸收位置的晶体，“他们什么也没有观察到”。Rose等人从他们的实验结果可能会得出结论：没有发生1.06μm的多光子吸收。此外，Rose等人没有描述(因此假定没有建立)有如下述的激光器：具有经受范围在0.01GW/cm²或更大红外辐射强度的共掺杂的Cr:Nd:YAG增益介质。

实验

通过利用Cr³⁺掺杂的YAG激光器的实验，发明人发现，Cr³⁺或Ce³⁺共掺杂事实上的确有效地减小了由于高强度内部辐射(如0.01GW/cm²或更大)产生的YAG的多红外辐射光子吸收引发的性能下降。首先，在照射之前和照射之后测量Nd:YAG晶体的1064nm的吸收，照射的强度约为100MW/cm²，使激光器的1064nm谐振腔内部脉动。在照射之前，Nd:YAG吸收35ppm/cm。在激光器操作的大约10¹¹个脉冲的照射之后，Nd:YAG在存在红外辐射光束的晶体区域吸收600ppm/cm。

第二个实验比较未经照射的Nd:YAG和Cr:Nd:YAG的1064nm吸收。如上所述，Nd:YAG吸收35ppm/cm，而Cr:Nd:YAG吸收100ppm/cm。这种较高的吸收通常会激励激光器设计领域的专业人员“避免”使用共掺杂的Cr:Nd:YAG，尤其是在低损耗、低噪声、腔内频率转换的激光器中。

为了证实这点，不管初始的吸收系数的增加有多大，在激光器内经过延续的操作之后，Cr:Nd:YAG的性能应该比正常的Nd:YAG好，所建立的两个几乎相同的激光器的唯一差别仅在于：一个激光器包含Cr作为共掺杂剂，另一个则没有。下面描述Cr:Nd:YAG激光器。

还要建立一个腔内三倍频的、侧面泵浦的Cr:Nd:YAG棒激光器，用以证实对于内部产生的辐射的抵抗能力。YAG棒掺杂1％的Nd(对于Nd:YAG激光器的典型值)和0.5％的Cr³⁺(常规量)。所述的棒具有向两端磨光并具有布儒斯特角的表面，借此可以保证极化的输出，并减小反射损耗(见美国专利US 5,867,324和US 5,774,488，它们描述了这样的几何形状，本文参照引用该二专利)。所述的棒利用3个808nm二极管激光器侧面泵浦，所述每个二极管激光器都是约25瓦特功率下工作。所述谐振腔包含用于有效的Q切换的声-光调制器、两个LBO晶体、在LBO晶体内部产生小光点的聚焦反光镜，以及一对端部反光镜。将一个LBO晶体配置成(通过选择取向和极化)用于产生二次谐波(SHG)(1064nm+1064nm＝532nm)，将另一个LBO晶体配置成用于产生三次谐波(THG)(1064nm+532nm＝355nm)。产生三次谐波的晶体有一个未予涂敷的、色散性的、布儒斯特角的、输出面(见美国专利US 5,850,407，本文参照引用该专利)。到产生二次谐波的晶体最近的端部反光镜对于1064nm和532nm波长都是反射性的。

所述谐振腔是驻波谐振腔，所以每个往返行程穿过每个光学部件(端部反光镜除外)两次。这样就倍加了激光器介质的非饱和增益，倍加了Q开关的截止时间，以及倍加了为二次谐波的产生所配置的LBO晶体的有效长度。产生三次谐波的晶体没有得到有效的长度倍加，因为当存在1064nm和532nm这二者的时候，只可能产生355nm的光。

对准激光器的方位，产生最高可能的平均紫外功率，同时保持高质量的光束。这个方位对准的条件对应于最小的总损耗、最佳的相位匹配等。在对任何重要的时间周期操作激光器之前，先要测量激光器的性能(紫外平均功率、脉冲宽度等)。为了观察由于多光子红外吸收引起的性能快速下降，在激光器谐振腔内利用约为200MW/cm²的循环红外峰值功率操作所述激光器。在激光工作的大约10¹⁰个脉冲之后，重新表征激光器的性能。

建立第二个激光器(除没有Cr共掺杂外，与第一个激光器完全相同)，使第二个激光器在相同条件下工作并对其进行表征。下表中总结了这些实验的结果：

激光器增益材料	初始紫外脉冲能量(微焦尔)	初始紫外脉冲宽度(毫微秒)	最终紫外脉冲能量(微焦尔)	最终紫外脉冲宽度(毫微秒)
					Nd:YAG(1％)	79	158	53	140
Cr:Nd:YAG(0.5％/1％)	73	145	73	146

应予说明的是，使用Nd:YAG晶体建立的激光器损失了它的紫外脉冲能量的33％，脉冲宽度缩小了12％。这两个变化表示在激光器谐振腔中的损耗增加了。还应说明的是，使用Nd:Cr:YAG晶体建立的激光器没有损失它的紫外脉冲能量，脉冲宽度没有缩小。因此，在这个高强度的测试期间，Nd:Cr:YAG晶体没有性能下降。

附图的详细描述

图1和图2A-2B描述了本发明具体实施例激光器的实例。图1示出激光器100，激光器100具有设在谐振腔101内并由反射表面104、106限定的增益介质102。增益介质102可掺杂有掺杂离子107，掺杂离子107可提供产生激光的亚稳态。增益介质102还掺杂有共掺杂离子108，共掺杂离子108使增益介质102可以抗拒宇宙射线。正如发明人所发现的，这使增益介质102能够抗拒由增益介质102自身在谐振腔102中产生的高强度内部辐射，如红外辐射。与没有共掺杂离子的相同或者基本相同的增益介质相比，在所述增益介质102内，共掺杂离子108的浓度要足以使增益介质102因红外辐射所产生的性能下降的速率减小2倍或2倍以上(减小10倍或10倍以上更好，减小100倍或100倍以上尤好)。

谐振腔101的结构应能支持电磁辐射103，如来自增益介质102的受激辐射，所述电磁辐射的特征在于：选择频率ω，使电磁辐射103的频率落在电磁谱的红外部分之内。在一个优选实施例中，基波频率ω对应于约为1064nm的真空波长。在可替换实施例中，基波频率ω可对应于约为946nm或者1319nm的真空波长。譬如，通过选择尺寸(如半径)、反射器104、106的反射系数和间距来确定谐振腔101的结构，使谐振腔101为共振器，能够支持基波频率ω的辐射。虽然图1中描述的是具有两个反射面的线性谐振腔101，但本领域普通技术人员还能设计出其它谐振器，如稳定的、不稳定的、3反光镜的、4反光镜的、Z形的、5反光镜的、W形的、有更多支路的谐振腔、环形的，或杯形结构的，但这些只是众多可能的例子中的几个例子。

增益介质102最好是一种固体材料，如结晶材料或玻璃。如果增益介质102本质上是结晶材料或粒状玻璃，则增益介质的长度可在约1毫米到约200毫米之间。如果颗粒介质是纤维，则它通常要长得多，从约0.1米到约几百米。优选的结晶材料包括氧化物和氟化物的晶体，例如钇锂氟化物(YLF)。氧化物晶体包括YALO(YAlO₃)、原钒酸钇(YVO₄)和石榴石。合适的石榴石包括：钇铝石榴石(YAG)、钆镓石榴石(GGG)、钆钪镓石榴石(GSGG)和钇钪镓石榴石(YSGG)。优选的石榴石是钇铝石榴石，它可以掺杂不同的离子。优选的掺杂YAG晶体包括：Tm:Ho:YAG、Yb:YAG、Er:YAG、Nd:YAG，以及Nd:YVO₄、Nd:YALO。包含适宜共掺杂离子的结晶增益介质是通过在晶体生长时将共掺杂剂引入熔化的原料中制造出来的。这通常是使用众所周知的丘克拉斯基生长方法实现的。

最为优选的增益介质102是掺杂有Nd³⁺掺杂离子107的钇铝石榴石(Nd³⁺:YAG)，优选的共掺杂离子108是Cr³⁺或Ce³⁺离子。如上所述，Cr³⁺离子能使Nd³⁺:YAG抗拒电离辐射，也如以上证实的，还能使Nd³⁺:YAG抗拒高强度的内部红外辐射。按照另一种方式，可以使用Ce³⁺离子代替Cr³⁺离子。Nd³⁺的掺杂程度可在约0.05％和约1.5％之间，通常是在约0.5％和约1％之间。Cr³⁺的掺杂程度可以在约0.01％和约5％之间，比如在约0.5％和约1％之间。发明人的试验表明，0.5％的Cr³⁺离子就能得到极大的改进。Cr³⁺离子的最优选的浓度范围是约0.5％和约1％。然而，人们期望低于0.05％的Cr³⁺离子浓度就可提供某些益处，这对于某些应用来说可能是足够的。例如，期望0.01％或更大些的Cr³⁺离子浓度能够提供抗拒内部红外辐射方面的某些好处。

例如，增益介质102可以是Nd:YAG布儒斯特棒，它的Nd掺杂程度为1％，Cr³⁺掺杂水平为0.5％。当用Cr³⁺共掺杂时，期望避免在增益介质102中引入红外吸收的Cr⁴⁺离子。Nd³⁺:YAG在真空波长约946nm、约1064nm和约1319nm等处产生受激辐射。其它适宜的增益介质包括以上列出的各增益介质，它们可以有具有多种形状和大小，具有较高的或较低的共掺杂程度。可以用商业方法，比如从“Scientific Marerials Corporation ofBozeman Montana”得到Cr³⁺:Nd:YAG以及其它的增益介质。

增益介质102可有两个端面，基波辐射103通过该二端面。增益介质102的端面可以正交(垂直)于或者接近正交于基波辐射103的传播方向，如图1所示。按照另一种方式，可将端面定位在相对于基波辐射103的一个布儒斯特角θ_B的位置，以使基波辐射103相对于端面是p-极化的，即在基波辐射103的入射平面的平面内被极化。按照另一种方式，还可以按某个其它的角度磨光这些端面。

可以通过具有泵浦能量112的外部源102泵浦增益介质102(端部泵浦或侧面泵浦)。泵浦能量112和增益介质102之间的相互作用产生辐射103。按照这样，至少在开始时辐射103是内部辐射。泵浦能量112可以是通过增益介质102的一个或多个侧面和/或端部引入的辐射形式。在一个优选实施例中，外部源是一个二极管激光器，在这种情况下，激光器100应为一个二极管泵浦激光器。泵浦辐射112的真空波长范围从约650nm到约1550nm。一般情况下，对于Nd:YAG而言，泵浦辐射的真空波长约为808nm或者约为880nm。

激光器100最好可以包含一个脉冲产生机构114，这个脉冲产生机构114便于产生高强度辐射脉冲(如Q开关、模式锁定器、无源可饱和吸收体、增益控制设备，或者它们的组合)。在特定实施例中，脉冲产生机构是一个Q开关。Q开关可以是有源的Q开关(如使用电-光或声-光调制器)，或者是无源的Q开关(如使用可饱和的吸收体)。使用这种脉冲产生机构，可以提供极高峰值强度的辐射103，它可以引起产生如上所述类型的彩色中心。在优选实施例中，激光器100的结构应使辐射103在增益介质102中产生的峰值强度能够大于0.01GW/cm²，并且能够产生不致引起激光器100致命伤害那样大的峰值强度，例如在约0.01GW/cm²和约10GW/cm²之间。在增益介质中共掺杂离子108的程度应足以抑制产生彩色中心，所述彩色中心的产生，是在所期望的激光器有效寿命期间因红外基波辐射103所引起的。彩色中心产生的充分抑制的有效度量值是：在指定的有效寿命期间辐射103的功率下降小于10％，这个有效寿命比如大于约100小时，优选地大于约1000小时，尤为优选的是大于约5000小时，最优选的是大于10000小时。另一个度量值是在激光器100的输出功率下降10％之前，增益介质102能够承受的高强度辐射的脉冲数。

在对于损耗特别敏感的激光器中，例如具有低噪声，比如在不同脉冲之间噪声的均方根变化小于约10％的激光器中，本发明的一些实施例是特别有用的。具体来说，对于具有低噪声的激光器100，期望泵浦的增益介质102远在受激辐射的阈值之上。在激光器100内，低损耗(如小于往返行程的约10％)将使阈值很低。这样的低损耗包括谐振腔101的低输出耦合。例如，反射表面104、106之一可发送来自谐振腔101内部入射于其上的部分辐射。以这种方式发送辐射的百分数是谐振腔101的输出耦合的一个可能的度量值。低损耗和低输出耦合(如小于约10％)导致在腔101内的高循环强度，这可能导致如上所述的长期性能下降。如果激光器100的增益足够高(比如对于Nd:YAG以及对于某些其它增益介质如Nd:YVO4的低脉冲重复频率情况)，大于10％的输出耦合仍旧被认为是“低输出耦合”。在这些情况下，“低输出耦合”的一个更有用的定义是：在激光器的操作参数范围内并在某些条件下，激光器可在5倍以上阈值泵浦强度的情况下工作。因此期望用Cr³⁺或Ce³⁺离子掺杂低损耗和低噪声激光器的增益介质，以便抑制这种长期的性能下降。

图1激光器的其它变型包括这样一些激光器，它们包含不止一部分增益介质、不止一类增益介质、使用非线性材料。可以与频率变换结合使用非线性材料，比如通过增益介质产生基波辐射的较高或较低谐波的频率变换。具有特殊意义的例子是三倍频的激光器。

图2描述本发明一种实施例的腔内三倍频激光器200的示意图。激光器200包括增益介质220和设在由反射表面204、206限定的谐振腔201中的脉冲产生机构214。增益介质202包括提供亚稳态的掺杂离子207，增益介质202共掺杂有共掺杂离子208，共掺杂离子208使增益介质可以抗拒电离辐射。有如发明人所发现的，这将使增益介质202能够抗拒在谐振腔201中产生的高强度内部辐射。谐振腔201、增益介质202、反射表面204、206、离子208以及脉冲产生机构214可以是如上参照图1激光器100的对应部件所描述的。激光器200还可以包括如上所述泵浦辐射212的源210。

泵浦辐射212通过增益介质202激励发射，增益介质202的基波辐射203的频率ω对应于譬如约1064nm的波长。激光器200还包括设在谐振腔201中的第一和第二非线性元件216、218，例如非线性晶体如LBO。第一非线性元件216对于第二谐波的产生是相位匹配的，这样会产生频率为2ω并对应于比如约532nm波长的辐射。第二非线性元件218对于基波辐射和第二谐波辐射之间的总和频率的产生是相位匹配的，以产生对应于比如波长约为355nm、频率为3ω的第三谐波辐射TH。第二非线性元件218可以包括一个布儒斯特切面217。通过布儒斯特切面217从第二非线性元件218发出的第三谐波辐射TH，作为激光器的输出辐射从谐振腔201折射出来。基波辐射203保留在谐振腔201内。

例如在普通转让的美国专利US 5,850,407中详细描述了图2所示类型的三倍频激光器，本文参照引用了该专利。

在图2的激光器中，三倍频发生在激光器内。按照另一种方式，可以使用图1所示类型的激光器产生三倍频，三倍频发生在激光器谐振腔的外部。在图3A和图3B中描述了这类激光器的例子。

图3A描述了一个外部三倍频的激光器300A，它具有增益介质302A和设在由反射表面304A和306B限定的谐振腔301A内的脉冲产生机构314。增益介质302A包括掺杂离子307，增益介质302A共掺杂有共掺杂离子308，共掺杂离子308如以上所述使增益介质可以抗拒电离辐射。谐振腔301、增益介质302、反射表面304A、306B、离子308，以及脉冲产生机构314可以是如上面参照图1激光器100的对应部件所描述过的。激光器300A还可以包括如上所述的二极管激光器的泵浦辐射312的源310A。

反射表面之一(如反射表面306B)相对于输出耦合装置为部分耦合的(如约50％到约99％)，并且用作输出耦合装置。激光器300A还包括设在谐振腔201外部的第一和第二非线性元件316、318。第一和第二非线性元件如上面所述那样是相位匹配的，可以从来自增益介质302A的受激辐射产生三次谐波TH，从输出耦合装置306A输出三次谐波。因为非线性晶体316、318配置在外部，所以它们不必有布儒斯特切面。布儒斯特切面的超低损耗尽管还有某个数值，但相对于波长分离已不重要。例如在LBO中，为了得到较高的转换效率(如约大于20％)，就需要较大的强度。因此，需要以很高的腔内强度聚焦在LBO内，或者说需要短脉冲。

图3B描述了另一个三倍频的激光器300B，它是图3A激光器的一种变型。与激光器300A类似，激光器300B具有增益介质302B和设在由反射表面304B和306B限定的谐振腔301B内的脉冲产生机构314。增益介质302B包括有如上述的掺杂离子307和共掺杂离子308。激光器300B还可以包括如上面所述的二极管激光器的泵浦辐射312的源310B。激光器300B还包括第一和第二非线性元件，将第一和第二非线性元件配置成，使来自增益介质302B的受激辐射三倍频，并从输出耦合装置306B输出。与激光器300A类似的是，一个反射表面(306B)用作输出耦合装置。与激光器300A不同的是，另一个反射表面304B也用作泵浦辐射312的输入耦合装置。当将反射表面304B用作输入耦合装置时，反射表面304B对于泵浦辐射312来说是透射的，对于来自增益介质302B的受激辐射是反射的。也可以使反射表面/输入耦合装置304B与增益介质302B的端面之一重合。

本发明的实施例还可以扩展到在除激光器以外的其它光学设备中使用的增益介质中应用共掺杂离子。例如，在光放大器中使用增益介质，可从共掺杂离子获益，使增益介质能够抗拒电离辐射。光放大器与激光器类似之处是都使用泵浦辐射驱动增益介质。放大器通常没有反馈(即谐振腔)，所以放大器具有增益，而不振荡。

本发明的实施例使当前大家都可以得到的高强度激光器能够具有较长的有效寿命，而不必对当前存在的设计进行全新的重新制作。这样，就可以用商业的方法得到一种全新的长寿命的激光器，而不必在其它性能参数之间进行折衰权衡。

虽然以上全面描述了本发明的优选实施例，但是，还可能使用它的各种各样的替换、改型和等价物。因此，不应该参照上述内容确定本发明的范围，而是应该参照所附各权利要求及其等效物的整个范围来确定。所附各权利要求不应该被认为包括装置加功能的限制，除非在使用术语“用于…的装置”的指定的权利要求中明确提及这样的限制。

Claims (65)

1.一种二极管泵浦激光器，包括：

由两个或多个反射表面限定的谐振腔；和

设在谐振腔内的增益介质；

其中，在增益介质内的内部红外辐射峰值强度大于约0.01GW/cm²；并且

增益介质包含共掺杂离子，所述共掺杂离子使增益介质可抗拒电离辐射；从而

增益介质可抗拒由红外辐射引起的损伤。

2.如权利要求1所述的激光器，其中，与没有共掺杂离子相同或基本相似的增益介质相比，共掺杂离子在增益介质中的浓度足以使红外辐射引起的增益介质性能下降速率减小2倍或2倍以上。

3.如权利要求1所述的激光器，其中，所述增益介质是固体材料。

4.如权利要求1所述的激光器，其中，所述增益介质是光纤，因此激光器是光纤激光器。

5.如权利要求1所述的激光器，其中，固体材料是结晶材料。

6.如权利要求1所述的激光器，其中，所述增益介质是氟化物晶体或氧化物晶体。

7.如权利要求1所述的激光器，其中，所述增益介质是石榴石。

8.如权利要求1所述的激光器，其中，所述增益介质选自以下的组：钇铝石榴石(YAG)、钆钪镓石榴石(GGG)、钆钪镓石榴石(GSGG)和钇钪镓石榴石(YSGG)。

9.如权利要求1所述的激光器，其中，所述增益介质是YAG。

10.如权利要求1所述的激光器，其中，所述增益介质是Tm:Ho:YAG、Yb:YAG、Nd:YAG或Er:YAG。

11.如权利要求1所述的激光器，其中，所述增益介质是Nd:YVO4或Nd:YALO。

12.如权利要求1所述的激光器，其中，所述增益介质是Nd:YAG。

13.如权利要求12所述的激光器，其中，所述共掺杂离子是Cr³⁺或Ce³⁺离子。

14.如权利要求13所述的激光器，其中，所述增益介质中存在的共掺杂离子的掺杂程度在约0.01％和约5％之间。

15.如权利要求14所述的激光器，其中，所述增益介质中存在的共掺杂离子的掺杂程度在约0.5％和约1％之间。

16.如权利要求1所述的激光器，其中，还包括设在谐振腔内的Q开关。

17.如权利要求16所述的激光器，其中，所述激光器是低噪声Q开关激光器。

18.如权利要求16所述的激光器，其中，所述激光器是有源Q开关激光器。

19.如权利要求1所述的激光器，其中，还包括设在谐振腔内用于对来自增益介质的受激辐射进行频率变换的装置。

20.如权利要求19所述的激光器，其中，用于频率变换的装置产生受激辐射的高次谐波。

21.如权利要求1所述的激光器，其中，所述激光器是三倍频激光器。

22.如权利要求1所述的激光器，其中，将所述激光器配置成具有低噪声。

23.如权利要求1所述的激光器，其中，所述激光器可在约5倍阈值泵浦强度下工作。

24.如权利要求1所述的激光器，其中，所述增益介质内的内部红外辐射峰值强度大于约0.1GW/cm²。

25.一种使激光器增益介质能抗拒由内部红外辐射引发的损伤的方法，所述方法包括如下步骤：

以使增益介质抗拒电离辐射的离子共掺杂该增益介质；

其中，增益介质中存在的离子的水平足以使增益介质能够抗拒长期的性能下降，所述长期性能下降是由于内部红外辐射的峰值强度大于约0.01GW/cm²引起的。

26.如权利要求25所述的方法，其中，与没有共掺杂离子的相同或基本相似的增益介质相比，所述共掺杂离子在增益介质中的浓度足以使由红外辐射引起的增益介质性能下降的速率减小2倍或2倍以上。

27.如权利要求25所述的方法，其中，所述增益介质是固体材料。

28.如权利要求25所述的方法，其中，所述增益介质是光纤。

29.如权利要求25所述的方法，其中，固体材料是结晶材料。

30.如权利要求25所述的方法，其中，所述增益介质是氟化物晶体或氧化物晶体。

31.如权利要求25所述的方法，其中，所述增益介质是石榴石。

32.如权利要求25所述的方法，其中，所述增益介质选自以下的组：钇铝石榴石(YAG)、钆钪镓石榴石(GGG)、钆钪镓石榴石(GSGG)和钇钪镓石榴石(YSGG)。

33.如权利要求25所述的方法，其中，所述增益介质是YAG。

34.如权利要求25所述的方法，其中，所述增益介质是Tm:Ho:YAG、Yb:YAG、Nd:YAG或Er:YAG。

35.如权利要求25所述的方法，其中，所述增益介质是Nd:YVO4或Nd:YALO。

36.如权利要求25所述的方法，其中，所述增益介质是Nd:YAG。

37.如权利要求36所述的方法，其中，所述离子是Cr³⁺或Ce³⁺离子。

38.如权利要求37所述的方法，其中，所述增益介质中存在的离子的掺杂程度在约0.01％和约5％之间。

39.如权利要求38所述的方法，其中，所述增益介质中存在的共掺杂离子的掺杂程度在约0.5％和约1％之间。

40.如权利要求25所述的方法，其中，所述增益介质中内部红外辐射的峰值强度大于约0.01GW/cm²。

41.一种共掺杂使增益介质能抗拒外部电离辐射的共掺杂离子的增益介质在二极管泵浦红外激光器中的应用，其中，所述增益介质中内部红外辐射的峰值强度大于约0.01GW/cm²。

42.如权利要求41所述的应用，其中，与没有共掺杂离子的相同或基本相似的增益介质相比，所述共掺杂离子在增益介质中的浓度足以使由红外辐射引起的增益介质性能下降的速率减小2倍或2倍以上。

43.如权利要求41所述的应用，其中，所述增益介质是固体材料。

44.如权利要求41所述的应用，其中，所述增益介质是光纤，因此激光器是光纤激光器。

45.如权利要求41所述的应用，其中，固体材料是结晶材料。

46.如权利要求41所述的方法，其中，所述增益介质是氟化物晶体或氧化物晶体。

47.如权利要求41所述的应用，其中，所述增益介质是石榴石。

48.如权利要求41所述的应用，其中，所述增益介质选自以下的组：钇铝石榴石(YAG)、钆钪镓石榴石(GGG)、钆钪镓石榴石(GSGG)和钇钪镓石榴石(YSGG)。

49.如权利要求41所述的应用，其中，所述增益介质是YAG。

50.如权利要求41所述的应用，其中，所述增益介质是Tm:Ho:YAG、Yb:YAG、Nd:YAG或Er:YAG。

51.如权利要求41所述的应用，其中，所述增益介质是Nd:YVO4或Nd:YALO。

52.如权利要求41所述的应用，其中，所述增益介质是Nd:YAG。

53.如权利要求41所述的应用，其中，所述共掺杂离子是Cr³⁺或Ce³⁺离子。

54.如权利要求53所述的应用，其中，所述增益介质中存在的共掺杂离子的掺杂程度在约0.01％和约5％之间。

55.如权利要求54所述的应用，其中，所述增益介质中存在的共掺杂离子的掺杂程度在约0.5％和约1％之间。

56.如权利要求41所述的应用，其中，所述激光器包括用于对来自增益介质的受激辐射进行频率变换的装置。

57.如权利要求56所述的应用，其中，用于频率变换的装置产生来自增益介质的受激辐射的高次谐波。

58.如权利要求57所述的应用，其中，所述激光器是三倍频激光器。

59.如权利要求41所述的应用，其中，将激光器配置成具有低噪声。

60.如权利要求41所述的应用，其中，所述增益介质中内部红外辐射的峰值强度大于约0.1GW/cm²。

61.如权利要求41所述的应用，其中，所述激光器是Q开关激光器。

62.如权利要求61所述的应用，其中，所述激光器是低噪声Q开关激光器。

63.如权利要求62所述的应用，其中，所述激光器是有源Q开关激光器。

64.如权利要求41所述的应用，其中，所述激光器可在约5倍阈值泵浦强度下工作。

65.一种激光放大器，具有增益介质，所述增益介质包含能够使增益介质抗拒电离辐射的共掺杂离子，其中，所述增益介质中内部红外辐射的峰值强度大于约0.01GW/cm²。

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