CN2569376Y - 激光二极管泵浦的腔内倍频单纵模全固态激光器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种激光二极管泵浦的腔内倍频单纵模全固态激光器，包括：一激光二极管，设置在激光二极管后且与之光连接的是聚焦整形装置，设置在与聚焦整形装置后是平凹型后腔镜，与平凹型后腔镜光连接的是激光晶体，设置在激光晶体后的是滤波选模元件，与滤波选模元件光连接的是倍频双折射晶体；其特点是：在所述的倍频双折射晶体后设置一与倍频双折射晶体光连接的温度补偿晶体；该温度补偿晶体的一面镀波长为1064纳米及波长为532纳米的双增透膜层，另一面则镀有波长为1064纳米的高反膜层而波长为532纳米增透的膜层。该简单易行的温度补偿方法解决双折射滤波的漂移问题，且可使激光器稳定工作在单纵模状态，从而使之适用于多种领域。

Description

激光二极管泵浦的腔内倍频单纵模全固态激光器

技术领域

本实用新型所涉及一种全固态激光器，尤其涉及一种激光二极管泵浦的腔内倍频单纵模全固态激光器。

背景技术

激光二极管(LD)泵浦的腔内倍频全固态激光器转换效率高、结构紧凑、寿命长，在众多领域有着广泛的应用。

但由于激光腔内存在着增益交叉饱和效应及和频效应引起的纵模耦合，导致输出的倍频光功率很不稳定，即所谓的“绿光问题”，“绿光问题”使得该类激光器的应用领域受到了很大的限制。解决“绿光问题”的有效途径之一就是采用单纵模激光器，其原理是，单纵模激光器由于只允许一个纵模起振并倍频输出，因此摒除了和频的产生，从而消除了“绿噪声”。

取得单纵模输出的方法很多，较为常用的是通过双折射滤波器(Lyot滤波器)滤波选模。双折射滤波器通常由两部分组成，一是双折射晶体波片，倍频晶体(如KTP)一般同时起双折射晶体波片的作用；二是选模元件，如布儒斯特片、检偏器、F-P标准具等。在设计时，把倍频晶体设计成我们希望起振的基波纵模的半波片(往返全程为全波片)，这样在选模时，选模元件就只允许该纵模通过并起振，其余的纵模则由于损耗过大低于阈值而不能起振。

然而，由以上方法取得单纵模输出也并不是稳定的，这是因为双折射晶体的波片效应对温度变化是非常敏感的，因此必须施加严格的温控措施，否则将导致较大的功率起伏甚至跳模。但是这样制作，不但整个器件的成本太高，而且体积也较庞大。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种改进的激光二极管泵浦的腔内倍频单纵模全固态激光器，它通过一种简单易行的温度补偿方法解决双折射滤波的漂移问题，无需或稍加温控就可使激光器稳定工作在单纵模状态，从而使之适用于多种领域。

本实用新型的目的是这样实现的：

一种激光二极管泵浦的腔内倍频单纵模全固态激光器，包括：一激光二极管，设置在激光二极管后且与之光连接的是聚焦整形装置，设置在与聚焦整形装置后是平凹型后腔镜，与平凹型后腔镜光连接的是激光晶体，设置在激光晶体后的是滤波选模元件，与滤波选模元件光连接的是倍频双折射晶体；其特点是：在所述的倍频双折射晶体后设置一与倍频双折射晶体光连接的温度补偿晶体。

在上述的激光二极管泵浦的腔内倍频单纵模全固态激光器中，其中，在所述的温度补偿晶体的一面镀波长为1064纳米及波长为532纳米的双增透膜层，另一面则镀有波长为1064纳米的高反膜层而波长为532纳米增透的膜层。

在上述的激光二极管泵浦的腔内倍频单纵模全固态激光器中，其中，所述的倍频双折射晶体采用II类位相匹配切割，双面均镀波长为1064纳米及波长为532纳米的双增透膜层。

本实用新型激光二极管泵浦的腔内倍频单纵模全固态激光器，由于采用了上述的技术方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：

1.本实用新型由于设置了温度补偿晶体，该温度补偿晶体是一种双折射晶体，其折射率的热变化特性可以对主倍频晶体形成一种补偿效应；

2.本实用新型由于温度补偿晶体达到其中一面与平凹型后腔镜的凹面共同构成平凹谐振腔，从而可获得较为稳定的单纵模输出；

3.本实用新型由于通过选取适当的倍频晶体与温度补偿晶体之间的长度比，由此可以使两者共同组成的多级波片效应对于温度的变化不再敏感；同时恰好是希望起振的纵模的半波片，这样整个结构不但可以实现单纵模输出，而且不会随温度的变化发生纵模漂移或跳模。

4.本实用新型通过一种简单易行的温度补偿方法解决双折射滤波的漂移问题，无需或稍加温控就可使激光器稳定工作在单纵模状态，因此极为实用。

附图说明

通过以下对本实用新型激光二极管泵浦的腔内倍频单纵模全固态激光器的一实施例结合其附图的描述，可以进一步理解本实用新型的目的、具体结构特征和优点。其中，附图为：

图1是现有技术普通单纵模激光器器件原理图；

图2是温度补偿方法的示意图；

图3是依据本实用新型提出的激光二极管泵浦的腔内倍频单纵模全固态激光器的原理图。

具体实施方式

如何控制腔内倍频单纵模全固态激光器的温度变化与双折射滤波的漂移问题，这是使激光器稳定工作的关键所在。

请先了解现有技术激光器的工艺情况。

请参见图1所示，图1是现有技术一种典型的单纵模激光器(以绿光波长为532nm纳米的激光器为例)的原理图。图中标号为101是激光二极管(LD)，激射中心波长为808nm纳米；与激光二极管(LD)101光连接的是聚焦整形装置102，该聚焦整形装置102通常由两块非球面透镜组成，其作用是对激光二极管LD 101出射的不规则发散光束进行整形并聚焦至激光晶体202上；与聚焦整形装置102光连接的是平凹型后腔镜201，在平凹型后腔镜201平的一面镀波长为808纳米的增透膜层，另一凹面上则镀有波长为808纳米的增透与波长为1064纳米高反膜层；以将经聚焦整形装置102整形的发散的激光束聚焦至激光晶体202上；该激光晶体202为a-切的掺Nd的钒酸钇晶体(Nd：YVO4)，为激光增益介质，其荧光发射主峰波长为1064nm纳米，同时两面均镀有808纳米及1064纳米的双增透膜；与激光晶体202光连接的是滤波选模元件203，可以采用布儒斯特片；与滤波选模元件203光连接的是倍频双折射晶体KTP 204，采用II类位相匹配切割，一面镀1064纳米及532纳米的双增透膜层，而另一面则镀有对1064纳米高反而对波长为532纳米增透的膜层，此面与平凹型后腔镜201的凹面共同构成平凹谐振腔。

沿腔轴方向看，激光晶体202即a-切的掺Nd的钒酸钇晶体(Nd：YVO4)的光轴与倍频晶体KTP的主轴成45°夹角，而与布儒斯特片法线夹角为零。这样由增益晶体发射的π偏振光(含多个纵模)可通过布儒斯特片，由激光晶体202即Nd：YVO4激射出的e光束在进入倍频晶体KTP后分为两个偏振组份，在光束往返两次通过KTP后，两组份的位相差为：

Δφ＝4πΔnL_KTP/λ，其中，

Δn为倍频晶体KTP两正交轴的折射率差，

L_KTP为倍频晶体KTP的长度，

λ为不同纵模对应下真空中的波长。

对于位相差为2π的整数倍的波长，返回后具有相同的偏振态，因此可以无损的通过布儒斯特片；而另一方面其他的波长返回时将成为椭圆偏振，具有一个沿σ轴方向的分量，因此在通过布儒斯特片时就会产生较大的损耗，从而受到抑制。这样就得到了单纵模输出。

但倍频晶体KTP两正交轴的折射率差Δn对于温度的变化是非常敏感的(10^-6/K量级)，这样温度变化时，KTP的波片效应也会跟着变化，不再是我们希望起振的纵模的半波片，其腔内损耗增大，倍频输出功率也相应降低，温度变化的一定程度，该纵模被完全抑制，但这时另外的纵模损耗会降低并因此而可能起振，即跳模。因此该类激光器为保证稳定的单纵模输出，对KTP、Nd：YVO4及LD都采取了温控措施，特别是对于倍频晶体KTP的温度控制尤为严格。

对于倍频双折射晶体的温度补偿要着重考虑两方面的因素：第一、增大双折射晶体波片的温度容差，第二、不削弱双折射滤波器的滤波效应，这就要求我们根据倍频晶体的属性来选择一种合适的晶体。

II类位相匹配KTP晶体的双折射属性如下： $n_o>n_e,\frac{{\mathrm{dn}}_o}{\mathrm{dT}}>\frac{{\mathrm{dn}}_e}{\mathrm{dT}}$

那么用来温度补偿的双折射晶体须具备以下性质： $\left(1\right)....n_o>n_e,\frac{{\mathrm{dn}}_o}{\mathrm{dT}}<\frac{{\mathrm{dn}}_e}{\mathrm{dT}}$ 或 $\left(2\right)....n_o<n_e,\frac{{\mathrm{dn}}_o}{\mathrm{dT}}>\frac{{\mathrm{dn}}_e}{\mathrm{dT}}$

下面对他们分别予以讨论：

①采用具有 $(n_o>n_e,\frac{{\mathrm{dn}}_o}{\mathrm{dT}}<\frac{{\mathrm{dn}}_e}{\mathrm{dT}})$ 性质的双折射晶体时，两者应光轴平行排列，如图二(1)所示，

设KTP长度为d1，温度补偿晶体长度为d2，当两偏振分量依次通过它们后的位相差为： $\mathrm{\&Delta;\&phi;}=\frac{2\mathrm{\&pi;}}{\mathrm{\&lambda;}}[(n_{10}-n_{1e})d_1+(d_{20}-n_{2e})d_2]$

式中折射率下标中1，2分别表示KTP和温度补偿晶体，这样 $\frac{\mathrm{d\&Delta;\&phi;}}{\mathrm{dT}}=\frac{2\mathrm{\&pi;}}{\mathrm{\&lambda;}}[d_1(\frac{{\mathrm{dn}}_{10}}{\mathrm{dT}}-\frac{{\mathrm{dn}}_{1e}}{\mathrm{dT}})+d_2(\frac{{\mathrm{dn}}_{20}}{\mathrm{dT}}-\frac{{\mathrm{dn}}_{2e}}{\mathrm{dT}})]$

上式中，由于 $\frac{{\mathrm{dn}}_{10}}{\mathrm{dT}}-\frac{{\mathrm{dn}}_{1e}}{\mathrm{dT}}>0,\frac{{\mathrm{dn}}_{20}}{\mathrm{dT}}-\frac{{\mathrm{dn}}_{2e}}{\mathrm{dT}}<0$

因此适当选取d1、d2的长度，可使 $\frac{\mathrm{d\&Delta;\&phi;}}{\mathrm{dT}}\&RightArrow;0,$ 从而起到温度补偿作用。

令 $\frac{\mathrm{d\&Delta;\&phi;}}{\mathrm{dT}}=0,$ 可得 $\frac{d_2}{d_1}=\frac{\frac{{\mathrm{dn}}_{1o}}{\mathrm{dT}}-\frac{{\mathrm{dn}}_{1e}}{\mathrm{dT}}}{\frac{{\mathrm{dn}}_{2e}}{\mathrm{dT}}-\frac{{\mathrm{dn}}_{2o}}{\mathrm{dT}}}$

②采用具有 $(n_o<n_e,\frac{{\mathrm{dn}}_o}{\mathrm{dT}}>\frac{{\mathrm{dn}}_e}{\mathrm{dT}})$ 性质的双折射晶体时，两者应光轴垂直排列，如图二(2)所示，当两偏振分量依次通过它们后的位相差为： $\mathrm{\&Delta;\&phi;}=\frac{2\mathrm{\&pi;}}{\mathrm{\&lambda;}}[(n_{10}-n_{1e})d_1+(n_{2e}-n_{2o})d_2]$

这样， $\frac{\mathrm{d\&Delta;\&phi;}}{\mathrm{dT}}=\frac{2\mathrm{\&pi;}}{\mathrm{\&lambda;}}[d_1(\frac{{\mathrm{dn}}_{10}}{\mathrm{dT}}-\frac{{\mathrm{dn}}_{1e}}{\mathrm{dT}})+d_2(\frac{{\mathrm{dn}}_{2e}}{\mathrm{dT}}-\frac{{\mathrm{dn}}_{2o}}{\mathrm{dT}})]$

此时，由于 $\frac{{\mathrm{dn}}_{10}}{\mathrm{dT}}-\frac{{\mathrm{dn}}_{1e}}{\mathrm{dT}}>0,\frac{{\mathrm{dn}}_{2e}}{\mathrm{dT}}-\frac{{\mathrm{dn}}_{2o}}{\mathrm{dT}}<0$

因此适当选取d1、d2的长度，同样可使 $\frac{\mathrm{d\&Delta;\&phi;}}{\mathrm{dT}}\&RightArrow;0,$

令 $\frac{\mathrm{d\&Delta;\&phi;}}{\mathrm{dT}}=0,$ 可得 $\frac{d_2}{d_1}=\frac{\frac{{\mathrm{dn}}_{1o}}{\mathrm{dT}}-\frac{{\mathrm{dn}}_{1e}}{\mathrm{dT}}}{\frac{{\mathrm{dn}}_{2o}}{\mathrm{dT}}-\frac{{\mathrm{dn}}_{2e}}{\mathrm{dT}}}$

这样我们就可以选取适当的晶体对KTP实施温度补偿了。

请参见图3所示，这是本实用新型激光二极管泵浦的腔内倍频单纵模全固态激光器的原理图。本实施例是采用了温度补偿方案后的单纵模激光器，由激光二极管101、聚焦整形装置102、平凹型后腔镜201、激光晶体202、滤波选模元件203、倍频双折射晶体204和温度补偿晶体205组成。其中，激光二极管LD 101的激射中心波长为808纳米；与激光二极管LD 101光连接的是聚焦整形装置102，通常聚焦整形装置102由两块非球面透镜组成，其作用是对激光二极管LD 101出射的不规则发散光束进行整形并聚焦至激光晶体202上；与聚焦整形装置102光连接的是平凹型后腔镜201，平凹型后腔镜201的平面一侧镀波长为808纳米的增透膜层，凹面一侧则镀有波长为808纳米的增透膜层和波长为1064纳米的高反膜层；设置在平凹型后腔镜201后的且与之光连接的是激光晶体202，该激光晶体202为a-切的掺Nd的钒酸钇晶体(Nd：YVO4)，为激光增益介质，其荧光发射主峰为波长是1064纳米，同时两面均镀有波长为808纳米及波长为1064纳米的双增透膜层；与激光晶体202光连接的是滤波选模元件203，在本实施例中滤波选模元件203采用的是布儒斯特片；设置在滤波选模元件203后的且与之光连接的是倍频双折射晶体KTP 204，在本实施例中，该倍频双折射晶体KTP 204采用II类位相匹配切割，双面均镀波长为1064纳米及波长为532纳米的双增透膜层；

与现有技术不同的是，在倍频双折射晶体KTP 204后设置一温度补偿晶体205，该温度补偿晶体205的一面镀波长为1064纳米及波长为532纳米的双增透膜层，另一面则镀有波长为1064纳米高反而波长为532纳米增透的膜层，此面与平凹型后腔镜201的凹面共同构成平凹谐振腔。倍频晶体204与温度补偿晶体205按上述的温度补偿方案排列，两者共同组成双折射波晶片，两者长度满足以上温度补偿条件，同时恰好是我们希望起振的纵模的半波片，这样整个结构不但可以实现单纵模输出，而且不会随温度的变化发生纵模漂移或跳模。

综上所述，本实用新型激光二极管泵浦的腔内倍频单纵模全固态激光器，通过一种简单易行的温度补偿晶体的加入，解决双折射滤波的漂移问题，可使与激光倍频晶体及选模元件组成的双折射滤波器更加稳定，从而可以降低对温控的要求，甚至无需温控系统即可获得较为稳定的单纵模输出，因此极为实用。

Claims (3)

1.一种激光二极管泵浦的腔内倍频单纵模全固态激光器，包括：一激光二极管(101)，设置在激光二极管(101)后且与之光连接的是聚焦整形装置(102)，设置在与聚焦整形装置(102)后是平凹型后腔镜(201)，与平凹型后腔镜(201)光连接的是激光晶体(202)上，设置在激光晶体(202)后的是滤波选模元件(203)，与滤波选模元件(203)光连接的是倍频双折射晶体(204)；

其特征在于：在所述的倍频双折射晶体(204)后设置一与倍频双折射晶体(204)光连接的温度补偿晶体(205)。

2.如权利要求1所述的激光二极管泵浦的腔内倍频单纵模全固态激光器，其特征在于：在所述的温度补偿晶体(205)的一面镀波长为1064纳米及波长为532纳米的双增透膜层，另一面则镀有波长为1064纳米的高反膜层而波长为532纳米增透的膜层。

3.如权利要求1所述的激光二极管泵浦的腔内倍频单纵模全固态激光器，其特征在于：所述的倍频双折射晶体(204)采用II类位相匹配切割，双面均镀波长为1064纳米及波长为532纳米的双增透膜层。

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