CN1783603A - 固态激光发生器 - Google Patents

Abstract

两个激光介质以等间隔设置在作为包括谐振器的谐振器镜的第一平面镜和用于分离激光的第二平面镜之间，第二平面镜透射二次谐波激光并向激光入射面反射基频激光；介电多层膜形成在用于分离激光的第二平面镜上。作为谐振器镜的第三平面镜设置成面对与第二平面镜中的基频激光的入射方向成90°的方向。第一透镜、用于把基频激光变换成二次谐波激光的非线性光学晶体、以及第二透镜顺次单排以与第一和第二透镜的焦距f相等的间隔设置在第二和第三平面镜之间。因而，可在维持稳定谐振条件的同时，确保用于容纳非线性光学晶体和分离二次谐波激光的镜的空间，并可增大固态激光发生器的输出。

Description

固态激光发生器

技术领域

本发明涉及采用腔内频率变换的固态激光发生器，更具体地涉及通过使用非线性光学晶体来变换频率的固态激光发生器。

背景技术

Nd:YAG激光器或其他固态激光发生器广泛用作机加工激光器。最近，固态激光发生器的输出从数百瓦迅速增大到数千瓦，激光器的应用领域相应地从现有的微加工领域扩展到汽车业中的焊接和切割应用。然而，大多数固态激光发生器的发光波长范围限于约1μm的近红外范围，从而产生的缺点是，对于近红外范围外的波长的反射率高，在具有低吸收率的铜、硅、以及一些其他材料方面的机加工效率不良。

为此，在现有技术(日本专利申请Kokai公开No.6-5962、日本专利申请Kokai公开No.6-21553、日本专利No.3197820)中提出了以下方法，即：使用LiB₃O₅(三硼酸锂(lithium triborate)，LBO)、KTiOPO₄(KTP)、β-BaB₂O₄(硼酸钡(barium borate)，BBO)、以及其他非线性光学晶体把发光波长变换为二次谐波，以减小工件表面的反射率，增大激光吸收，从而增大机加工效率。外腔频率变换和腔内频率变换是使用这种非线性光学晶体的频率变换类型。

外腔频率变换从基频的激光(以下称为基频激光)到二次谐波激光具有低变换率，必须在非线性光学晶体内以高功率密度聚集基频激光，以便输出高输出激光。为此，从简单的谐振器获得的输出的上限在高于100W的等级内，难以在考虑可靠性时实现较高输出。

腔内频率变换与外腔频率变换相比，向二次谐波激光的变换率高且可靠性更佳。然而，该方法的不利方面是，在固态激光介质内产生的热透镜效应不允许在维持稳定谐振条件的同时，获得较高输出。热透镜效应是固态激光介质由于受到激励而被加热的现象，在固态激光介质内产生的温度分布形成折射率分布，固态激光介质有透镜一样的表现。

普通固态激光介质几乎不吸收基频激光，但是频率变换的激光经常具有高吸收特性，特别是针对已变换成较高频率的激光。鉴于以上，采用腔内频率变换的固态激光发生器构成为使激光的光路弯曲至少一次，并通过使用介电多层膜镜把光路分离成频率变换的激光和基频激光，以便从谐振器中仅引出频率变换的激光，从而防止频率变换的激光被固态激光介质吸收，并获得具有良好效率的频率变换的激光。

图1是示出采用腔内频率变换的现有固态激光发生器中的谐振器的构造的图。现有固态激光发生器的谐振器100具有以下构造，即：平面镜104、Q开关103a、固态激光介质101、Q开关103b、以及平面镜107顺次单排设置，如图1所示。平面镜107设置成使通过Q开关103a透射的激光以45°角入射。凹面镜110和LBO或者用于变换激光频率的另一非线性光学晶体102顺次设置在由平面镜107反射的激光的行进方向，更具体地说，在与激光的入射方向成90°的方向。

谐振器100的平面镜104在面对Q开关103a的表面上，更具体地说，激光入射表面上设置有反射垂直入射的基频激光109的介电多层高反射膜。平面镜107是用于分离变换的激光108的镜，该镜的激光入射表面设置有介电多层膜，从而使以45°入射的基频激光109以高反射率反射，并使以45°入射的二次谐波激光108透射。凹面镜110设置有使垂直入射的基频激光109和二次谐波激光108都反射的介电多层高反射膜。

为此，在固态激光介质101内产生的基频激光109由平面镜104反射，然后再次通过固态激光介质101，由平面镜107反射，并被允许入射到非线性光学晶体102内。基频激光109的一部分由非线性光学晶体102变换成二次谐波激光108。通过了非线性光学晶体102的基频激光109和二次谐波激光108由凹面镜110反射，再次通过非线性光学晶体102透射，并被变换成另一频率。然后，基频激光109由平面镜107反射并被引导到Q开关103b，二次谐波激光108通过平面镜107透射并被引到系统外部。这样，仅二次谐波激光108被引到系统外部，而基频激光108被限制在系统内部。在现有固态激光发生器中，具有相对于与非线性光学晶体102和平面镜107所占的空间成比例的固态激光介质101的不对称性，至少一个镜构成为凹面镜110，而不是设置在其中的所有镜都构成为平面镜。

然而，上述现有技术具有下述缺点。如上所述，采用腔内频率变换的固态激光发生器从基频激光到二次谐波激光具有高变换率，但是由于在固态激光介质内产生热透镜效应，因而当发射到固态激光介质的激励光的强度增大以便获得高输出激光时，固态激光介质的热透镜焦距减小。

在采用腔内频率变换的现有固态激光发生器中，在两个平面镜例如作为谐振器镜设置在固态激光发生器的两侧的情况下，必须把两个平面镜之间的距离，即谐振器长度保持为固态激光介质的焦距的四倍或以下的量级，以便获得稳定谐振状态。谐振器长度越短，高激光输出就越稳定。然而，当激光的光路构成为折返时，如图1所示的谐振器100，不仅需要用于非线性光学晶体102的空间，而且需要用于平面镜107的空间，该平面镜107通过反射基频激光109来使光路折叠，并透射二次谐波激光108以使该光与基频激光109分离。这样，具有光路折返的现有谐振器构造的固态激光发生器具有的缺点是，不能使谐振器长度较短，难以获得较高输出。

另一缺点是，难以增加采用腔内频率变换的现有固态激光发生器中的谐振器内部设置的固态激光介质的数量。图2A～2C是示出当图1所示的谐振器100的组件被重新布置以便形成线性光路时的基频激光的传播状态的图。图2A示出输入到固态激光介质的激励光的强度具有低强度的情况。图2B示出激励光的强度是中等强度的情况。图2C示出激励光的强度高的情况。图2A～2C所示的基频激光109的传播状态通过计算单独获得。示出了限制在谐振器100内部的基频激光109的横向传播模式。如图2A～2C所示，两个固态激光介质111a和111b，设置在谐振器内部的相互面对放置的平面镜114和凹面镜120之间，并在固态激光介质111b和凹面镜120之间的间隔按照等于非线性光学晶体112所占的空间的距离延伸。这样，当谐振器的构造相对于固态激光介质不对称时，在此情况下形成的传播模式也是不对称的横向传播模式。为此，在采用腔内频率变换的现有固态激光发生器中的谐振器内部，不能容易增加固态激光介质的数量。

发明内容

本发明的目的是提供一种固态激光发生器，其能够确保用于容纳二次谐波激光分离镜和非线性光学晶体的空间、并能够在维持稳定谐振状态的同时，提供较高输出的。

根据本发明的固态激光发生器在谐振器内进行频率变换。该固态激光发生器包括：用于谐振的第一和第二平面镜；激光介质，其将激光放大并设置在第一和第二平面镜之间；一个或多个非线性光学晶体，其设置在激光介质和第二平面镜之间，并变换激光的频率；以及透镜，其设置在激光介质和第二平面镜之间，其中在透镜和第二平面镜之间的间隔等于透镜的焦距f。

在本发明中，透镜设置成使距第二平面镜的间隔与形成在第一和第二平面镜之间的谐振器内部的透镜的焦距f相等，由此即使谐振器长度延长，也能满足谐振稳定性条件直到达到高输出范围，并且由于可确保用于容纳非线性光学晶体、频率分离镜、以及用于变换激光频率的其他组件的空间，因而可容易地确保较高输出。

多个透镜可以设置在激光介质和第二平面镜之间的共焦位置。因此，即使谐振器长度延长，也能满足谐振稳定性条件直到达到高输出范围。

而且，当n(n是自然数)对透镜设置在激光介质和第二平面镜之间，并且非线性光学晶体设置在构成透镜对的两个透镜之间时，在透镜和非线性光学晶体之间的间隔优选地等于透镜的焦距f。因此，能够在高变换效率的同时实现高可靠性，而不改变非线性光学晶体的功率密度。

在激光入射面上形成有介电多层膜的一个或多个介电多层膜镜可以设置在第一和第二平面镜之间。在这种情况下，介电多层膜镜中的至少一个介电多层膜镜优选地反射具有基频的激光，并透射其频率已由非线性光学晶体变换的激光，或者透射具有基频的激光透射，并反射其频率已由非线性光学晶体变换的激光。这样，由于能够仅分离频率变换的激光，因而能够以良好的效率获得频率变换的激光，而不吸收其频率已由固态激光介质变换的激光。

可在第一和第二平面镜之间以等间隔设置多个固态激光介质。

可以设置两个或多个非线性光学晶体。由此能够提高变换效率，并可以产生三次或四次谐波。

根据本发明，把透镜设置在用于谐振的两个平面镜之间使得相对于镜之一的间隔等于透镜的焦距f，即使谐振器长度延长，也能满足稳定谐振条件直到达到高输出范围，并可确保用于容纳频率分离镜和变换激光频率的非线性光学晶体的空间。结果，可实现较高输出。

附图说明

图1是示出采用腔内频率变换的现有固态激光发生器中的谐振器的构造的图；

图2A～2C是示出当图1所示的谐振器的组件被重新布置从而形成线性光路时的基频激光的传播状态的图，其中，图2A示出输入到固态激光介质的激励光的强度低的情况，图2B示出激励光的强度是中等强度的情况，以及图2C示出激励光的强度高的情况；

图3是示出本发明的第一实施例的固态激光发生器中的谐振器的构造的图；

图4A～4C是示出当图3所示的谐振器的组件被重新布置从而形成线性光路时的基频激光的传播状态的图，其中，图4A示出输入到固态激光介质的激励光的强度低的情况，图4B示出激励光的强度是中等强度的情况，以及图4C示出激励光的强度高的情况；

图5是示出本发明的第二实施例的固态激光发生器中的谐振器的构造的图；

图6是示出本发明的第三实施例的固态激光发生器中的谐振器的构造的图；

图7A是示出根据本发明的例子的固态激光发生器的特性的图，其中，横轴表示激励强度，竖轴表示聚集在LBO晶体内部的基频激光的功率密度和光束直径；以及

图7B是示出根据本发明的比较例的固态激光发生器的特性的图，其中，横轴表示激励强度，竖轴表示聚集在LBO晶体内部的基频激光的功率密度和光束直径。

具体实施方式

以下参照附图对根据本发明的实施例的固态激光发生器进行详细说明。首先对根据本发明的第一实施例的固态激光发生器进行说明。图3是示出本实施例的固态激光发生器中的谐振器的构造的图。本实施例的固态激光发生器是具有用于执行二次谐波变换的谐振器的采用腔内频率变换的固态激光发生器。

本实施例的固态激光发生器中的谐振器10，具有：Q开关3a；固态激光介质1a，用于将基频激光9放大；Q开关3b；Q开关3c；固态激光介质1b，用于将基频激光9放大；以及Q开关3d，它们顺次单排布置在作为谐振器镜的平面镜4和作为激光分离镜的平面镜7之间，如图3所示。这些组件设置成使包括固态激光介质1a以及Q开关3a和3b的谐振器部件的长度L₁与包括固态激光介质1b以及Q开关3c和3d的谐振器部件的长度L₂相等。

平面镜7设置成使通过了Q开关3d的基频激光9以45°角入射。作为谐振器镜的平面镜5设置在与由平面镜7反射的基频激光9的行进方向，即，基频激光9的入射方向成90°的方向。此外，透镜6a、用于把基频激光9变换成二次谐波激光8的非线性光学晶体2、以及透镜6b顺次单排布置在平面镜7和5之间。

谐振器10中的固态激光介质1a和1b例如是Nd:YAG棒，介电多层防反射膜形成在激光入射面上，以便允许垂直入射的基频激光9通过该防反射膜。非线性光学晶体2是形成有介电多层防反射膜的LBO晶体，该介电防反射膜用于例如使垂直入射在激光入射面上的基频激光9和二次谐波激光8都透射。此外，介电多层防反射膜形成在Q开关3a～3d的激光入射面上，以便允许垂直入射的基频激光9通过该防反射膜。

用于使垂直入射的基频激光9反射的介电多层高反射膜形成在平面镜4的激光入射面上，用于使垂直入射的基频激光9和二次谐波激光8都反射的介电多层高反射膜形成在平面镜5的激光入射面上。平面镜7是用于分离频率变换的激光的45°入射平面镜，用于使基频激光9反射并使二次谐波激光8透射的介电多层膜形成在激光入射面上。

透镜6a和6b使用用于使垂直入射在激光入射面上的二次谐波激光8和基频激光9都透射的介电多层防反射膜来处理。透镜6b设置在与平面镜5隔开等于其焦距的距离f的位置，透镜6a设置在与透镜6b隔开等于焦距的两倍距离2f的位置。平面镜7设置在与透镜6a隔开距离f的位置，非线性光学晶体2设置在透镜6a和6b之间的中间位置。在本实施例的固态激光发生器中，以把相互面对的一对等效透镜布置在谐振器10内部的方式，构成放大率为1的望远镜。

当激励光被输入到作为固态激光介质的棒时，棒型固态激光发生器通常发热并产生热透镜效应。为此，必须满足下述式1，以便稳定地获得谐振。在式1中，f_R是作为固态激光介质的棒的热透镜的焦距，R₁和R₂是谐振器镜的曲率半径，以及L₁和L₂是谐振器镜和热透镜的主面之间的距离。

[式1]

$(1-\frac{L_2}{f_R}-\frac{L_0}{R_1})\&times;(1-\frac{L_1}{f_R}-\frac{L_0}{R_2})<1$ 式中 $L_0=L_1+L_2-\frac{L_1{\&times;L}_2}{f_R}$

从式1得出，当谐振器镜的曲率半径R₁和R₂是无穷时，即，当平面镜用作谐振器镜时，在谐振器镜和热透镜的主面之间的距离L₁和L₂彼此相等的对称谐振器的情况下，热透镜的焦距f_R满足在4f_R＜L₁+L₂的范围内的式1的稳定性条件。由于热透镜的焦距f_R与激励光的输入成反比减小，因而当使产生的激光的输出更高时，必须使谐振器长度L尽可能短。

当两个谐振器镜构成为平面镜，并且这些镜在热透镜的主面的位置附近对称地设置时，也使用于在谐振器内部进行谐振的横向模式中心对称，并可在镜表面上形成束腰。为此，通过把谐振器构成为使两个固态激光介质等间隔设置，在介质中生成等效热透镜，并使其两端在平面镜处终止，可在维持谐振器的稳定性的同时，容易确保较高输出。

然而，在采用腔内频率变换的固态激光发生器中，必须设置非线性光学晶体、用于分离激光的平面镜、Q开关、以及其他组件，并必须需要用于这些组件的空间。为此，难以缩短谐振器长度，并且由于因设置在一侧的光学组件而不能使谐振器镜和热透镜的主面之间的距离L₁和L₂相等，因而谐振器的构造变得不对称，难以实现较高输出。

鉴于以上，在本实施例的固态激光发生器中，一个或多个透镜设置在谐振器内部的合适位置，从而使谐振器长度延长并维持稳定性条件直到达到高输入，并且确保用于在该部件内容纳用于频率变换的非线性光学元件和用于分离激光的镜的空间。更具体地说，当焦距是f_L的透镜前面的束腰的半径是ω₁时，张角是θ₁，从束腰到透镜的距离是d₁，当焦距f_L的透镜后面的束腰的半径是ω₂时，张角是θ₂，从透镜到束腰的距离是d₂，从通过了透镜的激光的传播公式和光束容积(beamvolume)守恒定律获得下述式2～4。

[式2]

$\frac{1}{{\mathrm{\&omega;}}_2^2}=\left(\frac{1}{{\mathrm{\&omega;}}_1^2}\right)\&times;{(1-\frac{d_1}{f_L})}^2+\frac{1}{{(f_L\&times;{\mathrm{\&theta;}}_1)}^2}$

[式3]

$d_2-f_L=\frac{(d_1-f_L)\&times;{f_L}^2}{{(d_1-f_L)}^2+{\left(\frac{{\mathrm{\&omega;}}_1}{{\mathrm{\&theta;}}_1}\right)}^2}$

[式4]

            ω₁×θ₁＝ω₂×θ₂

当从束腰到透镜的距离d₁和透镜的焦距f_L匹配时，即当透镜设置成使d₁＝f_L时，可确定式2～5、式3～6、以及式4～7的每一个。

[式5]

     ω₂＝f_L×θ₁

[式6]

     d₂＝f_L

[式7]

${\mathrm{\&theta;}}_2=\frac{{\mathrm{\&omega;}}_1}{f_L}$

当平面镜设置在距透镜为d₂＝f_L的位置以便镜面地反射激光，并且束腰的半径和张角在返回光的束腰位置再生时，式2～8、式3～9、以及式4～10每个都成立。

[式8]

     ω₃＝f_L×θ₂＝ω₁

[式9]

      d₃＝f_L

[式10]

${\mathrm{\&theta;}}_3=\frac{{\mathrm{\&omega;}}_2}{f_L}={\mathrm{\&theta;}}_1$

通过利用这些特性，把平面镜用作谐振器镜，以及将透镜以等于焦距的距离布置，即使谐振器长度延长，也能维持谐振器的稳定性条件，直到达到高输出区域。

即使谐振器10构成为将多个透镜设置在共焦点的望远镜，该关系也成立。与在本实施例的固态激光发生器中一样，例如，当以下情况时，透镜6a和6b前面的束腰的半径ω₀随着激励光输入(与激光输出成正比)的增加而减少，所述情况是：当谐振器10是把平面镜4和5用作谐振器镜的不对称谐振器时；当提供将两个透镜6a和6b设置在谐振器内部的共焦点的放大率1的望远镜时；当望远镜以等于焦距的距离远离平面镜4和5设置时；以及当非线性光学晶体2设置在望远镜的共焦位置时。然而，光束的张角θ₀相反地增加。为此，通过透镜6a和6b聚集在非线性光学晶体2内部的激光的束腰的半径根据式2是ω₁＝f_L×θ₀，在低激励输入期间，聚集在非线性光学晶体2内部的光束的直径减小，但是，在高激励输入期间，光束直径相反地增大。

在非线性光学晶体的频率变换中，通常具有的可能性是，如果功率密度过低，则变换效率将减少，如果功率密度过高，则非线性光学晶体将损坏。因此，功率密度优选地被设定为等于或小于损坏阈值并允许获得充分的变换效率的水平。在本实施例的固态激光发生器中，通过合适地选择设置在谐振器10内部的透镜6a和6b的焦距f，可确保例如使聚集在非线性光学晶体2内部的激光的功率密度的变化在大范围内减少的控制。此外，通过在维持稳定性条件的同时，分多级布置多个固态激光介质，可构成包括以下部分的不对称谐振器，该部分不包含由透镜6a和6b形成的望远镜延伸的部分。因此，可获得较高输出。

下面对本实施例的固态激光发生器的操作进行说明。在本实施例的固态激光发生器中，在固态激光介质1a和1b内产生例如波长1064nm的基频激光9。基频激光9由平面镜4反射，然后在其再次通过Q开关3a、固态激光介质1a、Q开关3b、Q开关3c、固态激光介质1b、以及Q开关3d时被放大，由平面镜7反射，并通过透镜6a被引导到非线性光学晶体2。基频激光9的一部分由非线性光学晶体2变换成例如532nm的二次谐波激光8。通过了非线性光学晶体2的基频激光9和二次谐波激光8经由透镜6b被平面镜5反射，再次顺次通过透镜6b、非线性光学晶体2以及透镜6a透射，并被变换成另一频率。然后，基频激光9由平面镜7反射并被引导到Q开关3d。二次谐波激光8通过平面镜7透射并被引到系统外部。由此，仅二次谐波激光8被引到系统外部，而基频激光9被限制在系统内部。

这样，在本实施例的固态激光发生器中，两个相互等效的透镜6a和6b设置在用于谐振的平面镜5和用于激光分离的平面镜7之间，非线性光学晶体2设置在该对透镜之间。因此，即使谐振器长度延长，也能满足谐振稳定性条件直到达到高输出范围，并可确保用于容纳用于频率变换的非线性光学部件、用于频率分离的镜以及其他组件的空间。

由于在不包含延长部分的范围内的谐振器的构造相对于固态激光介质1a和1b是对称的，因而可容易实现较高输出，因为可将多个固态激光介质以多级连接。图4A～4C是示出当图3所示的谐振器的组件被重新布置成形成线性光路时的基频激光的传播状态的图。图4A示出输入到固态激光介质的激励光的强度低的情况。图4B示出激励光的强度是中等强度的情况。图4C示出激励光的强度高的情况。在本实施例的固态激光发生器中，设置在谐振器内部的固态激光介质1a和1b各自呈现对称横向传播模式而与激励光的强度无关，并且显然，通过等间隔布置介质，可容易地增加介质的数量，如图4A～4C所示。

下面对本发明的第二实施例的固态激光发生器进行说明。以与上述第一实施例的固态激光发生器相同的方式，本实施例的固态激光发生器是采用腔内频率变换的固态激光发生器，并设置有用于二次谐波变换的谐振器。图5是示出本实施例的固态激光发生器中的谐振器的构造的图。在图5中，图3所示的谐振器的相同组件被赋予相同参照编号，省略详细说明。本实施例的固态激光发生器中的谐振器20是单排顺次布置的以下部件：Q开关3a；固态激光介质1a，其将基频激光9放大；Q开关3b；Q开关3c；固态激光介质1b，其将基频激光9放大；Q开关3d；平面镜17，其是用于分离激光的镜；透镜6a；非线性光学晶体2，其把基频激光9变换成二次谐波激光8；以及透镜6b，其在作为谐振器镜的平面镜5和6之间，如图5所示。

在谐振器20中，包括固态激光介质1a以及Q开关3a和3b的谐振器部件的长度L₁、与包括固态激光介质1b以及Q开关3c和3d的谐振器部件的长度L₂彼此相等。透镜6b设置在与平面镜5隔开等于其焦距的距离f的位置，透镜6a设置在与透镜6b隔开焦距的两倍距离2f的位置。平面镜17设置在与透镜6a隔开距离f的位置，非线性光学晶体2设置在透镜6a和6b之间的中间位置。在本实施例的固态激光发生器中，以把相互面对的一对等效透镜布置在谐振器20内部的方式，构成放大率为1的望远镜。

在本实施例的固态激光发生器中，平面镜17用作用于分离激光的镜，其激光入射面设置有用于使二次谐波激光8反射并使基频激光9透射的介电多层膜。平面镜17是45°入射平面镜，该镜设置成使通过Q开关3d透射的基频激光9以及通过透镜6a透射的基频激光9和二次谐波激光8以45°角入射。

下面对本实施例的固态激光发生器的操作进行说明。在本第一实施例的固态激光发生器中，在固态激光介质1a和1b中产生例如1064nm基频激光9。基频激光9由平面镜4反射，然后在其再次通过Q开关3a、固态激光介质1a、Q开关3b、Q开关3c、固态激光介质1b、以及Q开关3d时被放大，由平面镜17反射，并通过透镜6a被引导到非线性光学晶体2。基频激光9的一部分由非线性光学晶体2变换成例如532nm的二次谐波激光8。通过了非线性光学晶体2的基频激光9和二次谐波激光8经由透镜6b被平面镜5反射，再次顺次通过透镜6b、非线性光学晶体2以及透镜6a透射，并被变换成另一频率。然后，基频激光9由平面镜17透射并被引导到Q开关3d，二次谐波激光8由平面镜17反射并被引到系统外部。这样，仅二次谐波激光8被引到系统外部，而基频激光9被限制在系统内部。

在本实施例的固态激光发生器中，两个相互等效的透镜6a和6b设置在用于谐振的平面镜5和用于激光分离的平面镜7之间，非线性光学晶体2设置在该对透镜之间。因此，即使谐振器长度延长，也能满足谐振稳定性条件直到达到高输出范围，并可确保用于容纳用于频率变换的非线性光学部件、用于频率分离的镜以及其他组件的空间。本实施例的固态激光发生器的构造和效果，除了上述以外，与第一实施例的上述固态激光发生器相同。

下面对本发明的第三实施例的固态激光发生器进行说明。用于分离激光的45°入射平面镜设置在上述第一和第二实施例的固态激光发生器中的Q开关3d和透镜6a之间，但是本发明不限于此，基频激光9和二次谐波激光8可以由谐振器镜分离。图6是示出本实施例的固态激光发生器中的谐振器的构造的图。在图6中，图3所示的谐振器的相同组件被赋予相同参照编号，并省略详细说明。本实施例的固态激光发生器中的谐振器30是单排顺次布置的以下部件：Q开关3a；固态激光介质1a，其将基频激光9放大；Q开关3b；Q开关3c；固态激光介质1b，其将基频激光9放大；Q开关3d；平面镜27；透镜6a；非线性光学晶体2，其把基频激光9变换成二次谐波激光8；以及透镜6b，其在作为谐振器镜的平面镜4和25之间，如图6所示。

在谐振器30中，包括固态激光介质1a以及Q开关3a和3b的谐振器部件的长度L₁、与包括固态激光介质1b以及Q开关3c和3d的谐振器部件的长度L₂彼此相等。透镜6b设置在与平面镜25隔开等于其焦距的距离f的位置，透镜6a设置在与透镜6b隔开焦距的两倍距离2f的位置。平面镜27设置在与透镜6a隔开距离f的位置，非线性光学晶体2设置在透镜6a和6b之间的中间位置。在本实施例的固态激光发生器中，以把相互面对的一对等效透镜布置在谐振器30内部的方式，构成放大率为1的望远镜。

平面镜27设置成使通过Q开关3d透射的基频激光9、以及通过透镜6a透射的基频激光9和二次谐波激光8垂直入射。使基频激光9透射并使二次谐波激光8反射的介电多层膜形成在激光入射面上。平面镜25是谐振器镜和用于分离激光的镜，使垂直入射的基频激光9反射并使二次谐波激光8透射的介电多层膜形成在激光入射面上。

下面对本实施例的固态激光发生器的操作进行说明。在本第一实施例的固态激光发生器中，在固态激光介质1a和1b内产生例如1064nm的基频激光9。基频激光9由平面镜4反射，然后在其再次通过Q开关3a、固态激光介质1a、Q开关3b、Q开关3c、固态激光介质1b、以及Q开关3d时被放大，由平面镜27透射，并通过透镜6a被引导到非线性光学晶体2。基频激光9的一部分由非线性光学晶体2变换成例如532nm的二次谐波激光8。通过了非线性光学晶体2的基频激光9和二次谐波激光8通过透镜6b入射到平面镜25内。在此情况下，基频激光9由平面镜25反射，再次通过透镜6b、非线性光学晶体2以及透镜6a透射，被变换成另一频率，并通过平面镜27透射，以便入射到Q开关3d内。二次谐波激光8通过平面镜25并被引到系统外部。由此，仅二次谐波激光8被引到系统外部，而基频激光9被限制在系统内部。这样，在本实施例的固态激光发生器中，基频激光9和二次谐波激光8由作为谐振器镜的平面镜25分离。

在本实施例的固态激光发生器中，两个相互等效的透镜6a和6b设置在平面镜27和5之间，非线性光学晶体2设置在该对透镜之间。因此，即使谐振器长度延长，也能满足谐振稳定性条件直到达到高输出范围，并可确保用于容纳用于频率变换的非线性光学部件、用于频率分离的镜以及其他组件的空间。本实施例的固态激光发生器的构造和效果，除了上述以外，与上述第一实施例的固态激光发生器相同。

在上述第一至第三实施例的固态激光发生器中，两个固态激光介质1a和1b设置在谐振器内部，但是本发明不限于此。由于谐振器构成为对称谐振器，并由在共焦位置的一对透镜(透镜6a和6b)延长，因而只要不超过光学部件的损坏公差，就能以等间隔设置任何数量的固态激光介质。而且，除了Nd:YAG棒、Yb:YAG、Nd:YLF、Nd:YVO₄以外，还可以使用其他固态激光介质。

在上述第一至第三实施例的固态激光发生器中，单个非线性光学晶体设置在谐振器内部，以便产生二次谐波，但是本发明不限于此。可以设置多个非线性光学晶体，以便提高变换效率并产生三次或四次谐波。除了上述LBO以外，还可以使用CLBO(C₃LiB₆O₁₀)、KTP、BBO等作为非线性光学晶体2。

通过把在本发明的范围内的例子的特性和在本发明的范围外的比较例的特性进行比较，对本发明的效果进行说明。准备设置有图3所示的谐振器的固态激光发生器(例子)作为本发明的例子，准备设置有图1所示的现有谐振器的固态激光发生器(比较例)作为本发明的比较例。Q开关的脉宽是固定的，而不依赖于激励强度，通过计算获得聚集在非线性光学晶体2内部的基频激光的光束直径和功率密度。在此情况下，固态激光介质是Nd:YAG棒，非线性光学晶体是LBO。

图7A是示出根据本发明的一例的固态激光发生器的特性的图，其中，横轴表示激励强度，竖轴表示聚集在LBO晶体内部的基频激光的功率密度和光束直径；以及图7B是示出根据本发明的一比较例的固态激光发生器的特性的图，其中，横轴表示激励强度，竖轴表示聚集在LBO晶体内部的基频激光的功率密度和光束直径。如图7A和7B所示，与比较例的固态激光发生器相比较，对于该例的固态激光发生器，所聚集的基频激光的功率密度的变化从低输入到高输入是少的。

Claims (7)

1.一种固态激光发生器，用于谐振器内部的频率变换，包括：

用于谐振的第一和第二平面镜；

激光介质，其将激光放大，并且设置在所述第一和第二平面镜之间；

一个或多个非线性光学晶体，其设置在所述激光介质和所述第二平面镜之间，并变换所述激光的频率；以及

透镜，其设置在所述激光介质和所述第二平面镜之间，其中在透镜和所述第二平面镜之间的间隔等于所述透镜的焦距f。

2.根据权利要求1所述的固态激光发生器，其中多个透镜中的每个都设置在所述激光介质和所述第二平面镜之间的共焦位置。

3.根据权利要求1或2所述的固态激光发生器，其中

n对透镜设置在所述激光介质和所述第二平面镜之间，其中n是自然数；

所述非线性光学晶体设置在构成所述透镜对的两个透镜之间；以及

在所述透镜和所述非线性光学晶体之间的间隔等于所述透镜的焦距f。

4.根据权利要求1或2所述的固态激光发生器，其中

在所述第一和第二平面镜之间设置一个或多个介电多层膜镜，介电多层膜镜的激光入射面上形成有介电多层膜；以及

从由所述介电多层膜镜构成的组中选择的至少一个介电多层膜镜反射具有基频的激光，并透射其频率已由所述非线性光学晶体变换的激光。

5.根据权利要求1或2所述的固态激光发生器，其中

在所述第一和第二平面镜之间设置一个或多个介电多层膜镜，介电多层膜镜的激光入射面上形成有介电多层膜；以及

从由所述介电多层膜镜构成的组中选择的至少一个介电多层膜镜透射具有基频的激光，并反射其频率已由所述非线性光学晶体变换的激光。

6.根据权利要求1或2所述的固态激光发生器，其中多个固态激光介质以等间隔设置在所述第一和第二平面镜之间。

7.根据权利要求1或2所述的固态激光发生器，包括两个或多个非线性光学晶体。

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