專利名稱：激光二極管泵浦的內腔倍頻激光器的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于激光技術領域，特別是一種激光二極管泵浦的內腔倍頻激光器，它適于激光全色顯示、其它激光器的泵浦源、光儲存、激光打標、激光劃片、印刷板的熱成像、激光醫(yī)療、科研和娛樂等領域的應用。
背景技術：
瓦級連續(xù)紅光、綠光、藍光激光器在激光全色顯示、其它激光器的泵浦源、光儲存、激光打標、激光劃片、印刷板的熱成像、激光醫(yī)療、科研和娛樂等領域有重要的應用。激光二極管泵浦的連續(xù)內腔倍頻激光器因其高功率、高效率、高光束質量、高穩(wěn)定性(功率和頻率)、結構緊湊等優(yōu)點而成為實現(xiàn)上述紅光、綠光、藍光激光器的最理想的技術。目前，隨著商品化激光二極管的激光功率的提高，國際上激光二極管泵浦的連續(xù)內腔倍頻激光器的輸出功率也越來越高。對于該類激光器存在的，諸如激光介質和倍頻晶體的熱效應(含熱透鏡效應、熱致雙折射效應等)、“綠光問題”(即倍頻激光功率不穩(wěn)定)等嚴重地影響激光器的輸出功率及其穩(wěn)定性、激光光束質量等。現(xiàn)多采用折迭腔內插入凸透鏡(見美國專利號5446749，其名稱“Diode pumped，Multi Axial Mode，IntracavityDoubled Laser”；中國專利號ZL01225034.1，其名稱“大功率半導體激光縱向泵浦內腔倍頻激光器”；中國專利申請?zhí)?9105276.5，其名稱“具有光學鎮(zhèn)定器的高度穩(wěn)定性的LD泵浦內腔倍頻激光器”)、折迭腔內插入λ/4波片(C.Czeranowsky，E.Heumann，and G.Huber，All-solid-state continuous-wavefrequency-doubled Nd:YAG-BiBO 1aser with 2.8W output-power at 473nm，OpticsLetters，Vo1.28(6)，432(2003))、環(huán)形腔單頻運轉(L.Cabaret，J.Philip，and P.Camus，Transient frequency shift in a single-mode quasi-continuous diode-pumpedNd:YAG laser，IEEE Journal of Quantum Electronics，Vol.36(11)，1323(2000)；M.V.Okhapkin，M.N.Skvortsov，A.M.Belkin，N.L.Kvashnin，and S.N.Bagayev，Tunable single-frequency diode-pumped Nd:YAG ring laser at 1064/532nm foroptical frequency standard applications，Optics Communications，203，359(2002))等技術進行解決。但是上述措施因光學損耗大，而影響激光器的輸出功率和光-光轉換效率。并且激光器的結構復雜，不僅生產成本高，而且安裝和調試過程復雜，不利于生產安裝和非專業(yè)人員操作使用。

發(fā)明內容本實用新型的目的正是為了解決上述現(xiàn)有技術中所存在的諸如激光介質和倍頻晶體的熱效應、“綠光問題”，以及諧振腔內的振蕩光與泵浦光的模式失配等嚴重影響激光輸出功率及其穩(wěn)定性、光-光轉換效率和激光光束質量的問題，而專門設計出一種新的激光二極管泵浦的內腔倍頻激光器。該激光器結構簡單緊湊，利用平平全反鏡、平平輸出鏡和插入其間凸透鏡組成的熱穩(wěn)定諧振腔有效地克服激光介質和倍頻晶體的熱透鏡效應、“綠光問題”等對激光輸出功率及其穩(wěn)定性、光-光轉換效率、激光模式和振蕩光(即基頻光)與泵浦光之間的模式匹配等影響，很大地提高了激光輸出功率及其穩(wěn)定性、光-光轉換效率和激光光束質量，使之在很大的泵浦功率范圍內，激光器處于高效高功率TEM00工作狀態(tài)。
本實用新型的目的是通過以下方案來實現(xiàn)的本激光二極管泵浦的內腔倍頻激光器包括泵浦源，光學耦合系統(tǒng)，由全反鏡、輸出鏡和插入其間的透鏡組成的熱穩(wěn)定諧振腔，以及放置在諧振腔內的激光介質和倍頻晶體。其中全反鏡和輸出鏡均為平平全反鏡，透鏡為凸透鏡；激光介質位于全反鏡與凸透鏡之間，且緊靠全反鏡，即在振蕩光的一個束腰處放置；倍頻晶體位于凸透鏡與輸出鏡之間，且緊靠輸出鏡，即在振蕩光的另一個束腰處放置。
在本實用新型中，熱穩(wěn)定諧振腔內的凸透鏡的焦距f和其在腔內的位置，諧振腔幾何長度等參數(shù)的設計，要根據(jù)泵浦功率的范圍、激光介質和倍頻晶體的熱透鏡焦距fL1和fL2、泵浦光在激光介質上聚焦光斑半徑wp和振蕩光在全反鏡(1)與輸出鏡(2)上的光斑束腰半徑w1與w2等參數(shù)，通過計算確定。設計要求是，在熱透鏡焦距fL1和fL2大幅度變化時，諧振腔處于穩(wěn)區(qū)，w1和W2仍能基本保持不變；同時，保證諧振腔內振蕩光與泵浦光之間的模式匹配。
本實用新型中，所述熱穩(wěn)定諧振腔可以是由平平全反鏡、平平輸出鏡和插入其間的凸透鏡組成的適用于單端泵浦、側面泵浦和閃光燈泵浦的平平腔。
為了增加泵浦用激光器二極管的數(shù)量，即增加泵浦功率，以進一步提高內腔倍頻激光器的輸出功率；同時能夠避免激光介質內泵浦光聚焦光斑處的泵浦光功率密度過大，引起激光介質的光損傷等。所述熱穩(wěn)定諧振腔也可以是由平平全反鏡、平平輸出鏡和插入其間的凸透鏡，以及設置在激光介質與凸透鏡之間的斜入射反射鏡組成的V型或L型變形平平腔?？紤]到入射角過大時，振蕩光和倍頻光的偏振態(tài)產生較大的變化，對激光功率及其穩(wěn)定性產生較大的影響，斜入射反射鏡的入射角不大于45°，即折迭角不大于90°。
上述熱穩(wěn)定諧振腔還可以是由平平全反鏡、平平輸出鏡和插入其間的凸透鏡，以及設置在激光介質與凸透鏡之間的斜入射反射鏡組成的且采用雙通倍頻技術的適用于雙端泵浦的V型或L型變形平平腔。同理，考慮到入射角過大時，振蕩光和倍頻光的偏振態(tài)產生較大的變化，對激光功率及其穩(wěn)定性產生較大的影響，斜入射反射鏡的入射角不大于45°，即折迭角不大于90°。
在熱穩(wěn)定腔內的凸透鏡的兩通光面對基頻光和倍頻光均鍍增透膜，該凸透鏡可為平凸透鏡，也可為雙凸透鏡。
在本實用新型中，平平全反鏡的兩通光面要求對有關泵浦光、基頻光和倍頻光進行光學鍍膜，至少其里通光面(即緊靠激光介質的通光面)鍍基頻光和倍頻光的增反膜；至少外通光面(即靠近光學耦合系統(tǒng)的通光面)鍍泵浦光的增透膜。如果激光介質存在多條激光譜線，當要實現(xiàn)激光輸出的譜線的受激發(fā)射截面小于所存在的某些譜線的受激發(fā)射截面時，平平輸入鏡里通光面或其兩通光面或平平輸出鏡的里通光面(即緊靠倍頻晶體的通光面)或其兩通光面還要對受激發(fā)射截面大于激光輸出譜線的所有其它譜線鍍增透膜。
在本實用新型中，平平輸出鏡要求對基頻光和倍頻光進行光學鍍膜，至少里通光面(即緊靠倍頻晶體的通光面)對基頻光鍍增反膜，對倍頻光鍍增透膜。
本激光器最突出的技術特征有以下幾點(1)由平平全反鏡、平平輸出鏡和插入其間的凸透鏡組成的熱穩(wěn)定諧振腔能夠很好地克服隨泵浦功率的增加熱透鏡效應所產生的振蕩光模體積的體積減小，提高振蕩光的功率及其穩(wěn)定性。(2)由平平全反鏡、平平輸出鏡和插入其間的凸透鏡組成的熱穩(wěn)定諧振腔能夠很好地克服不同泵浦功率所產生的不同焦距的熱透鏡效應所導致的振蕩光模式變化，使基頻光在倍頻晶體上光斑束腰半徑w2保持基本恒定，從而保證倍頻效率。(3)由平平全反鏡、平平輸出鏡和插入其間的凸透鏡組成的熱穩(wěn)定諧振腔能夠很好地克服不同泵浦功率所產生的不同焦距的熱透鏡效應所導致的振蕩光模式變化，保證振蕩光在激光介質上的光斑束腰半徑w1基本保持恒定，實現(xiàn)不同泵浦功率下的泵浦光和振蕩光之間的模式匹配，提高激光器的輸出功率。(4)由平平全反鏡、平平輸出鏡和插入其間的凸透鏡組成的熱穩(wěn)定諧振腔能夠很好地克服不同泵浦功率所產生的不同焦距的熱透鏡效應所導致的振蕩光模式變化，使基頻光在倍頻晶體上光斑束腰保持基本恒定，從而保證倍頻光光束質量高，實現(xiàn)TEM00模輸出。(5)與折迭腔相比較，由平平全反鏡、平平輸出鏡和插入其間的凸透鏡組成的熱穩(wěn)定諧振腔結構簡單，便于生產安裝和非專業(yè)人員操作使用。
本實用新型工作原理如下泵浦光和振蕩光分別對激光介質和倍頻晶體產生較嚴重的熱透鏡效應，焦距分別為fL1和fL2，造成振蕩光模體積的減小，由平平全反鏡、平平輸出鏡和插入其間的凸透鏡組成的熱穩(wěn)定諧振腔中的凸透鏡(焦距為f)能夠對熱透鏡效應進行補償，使得此時的諧振腔與無熱透鏡效應時的諧振腔等效。
凸透鏡(3)的焦距f和其在腔內的位置，以及熱穩(wěn)定諧振腔幾何長度L等參數(shù)的設計，要根據(jù)泵浦功率的范圍、泵浦光在激光介質上聚焦光斑半徑wp、激光介質和倍頻晶體的熱透鏡焦距fL1和fL2、振蕩光在全反鏡(1)與輸出鏡(2)上的光斑束腰半徑w1與w2等參數(shù)，利用描述高斯光束傳輸?shù)腁BCD定律進行計算。實現(xiàn)熱穩(wěn)定諧振腔的條件如下1.由平平全反鏡、平平輸出鏡和插入其間的凸透鏡組成的熱穩(wěn)定諧振腔中的平平全反鏡和凸透鏡保證了激光介質恒定地處在振蕩光的一個束腰處，而且其中的凸透鏡保證振蕩光在激光介質處的束腰半徑w1基本恒定。
2.由平平全反鏡、平平輸出鏡和插入其間的凸透鏡組成的熱穩(wěn)定諧振腔中的平平輸出鏡和凸透鏡保證了倍頻晶體恒定地處在振蕩光的另一個束腰處，而且其中的凸透鏡保證振蕩光在倍頻晶體處的束腰半徑w2基本恒定，從而提高倍頻效率和倍頻光功率穩(wěn)定性，保證高質量的激光模式。
3.保證振蕩光與泵浦光之間的模式匹配。
上述技術方案適合于激光二極管端面泵浦、側面泵浦，以及閃光燈泵浦的各類內腔倍頻激光器。
本實用新型的優(yōu)點在于(1)在較大的泵浦功率范圍內，激光輸出功率高。利用本實用新型研制的激光二極管泵浦的連續(xù)Nd:YVO4/KTP內腔倍頻532nm激光器，在808nm激光二極管尾纖輸出功率30W泵浦下，532nm激光TEM00運轉，輸出功率達到6.21W。
(2)在較大的泵浦功率范圍內，激光器的輸出功率穩(wěn)定性高。利用本實用新型研制的激光二極管泵浦的連續(xù)Nd:YVO4/KTP內腔倍頻532nm激光器，激光輸出功率6.21W時，4小時內激光輸出功率不穩(wěn)定度為1.1％(均方根)。
(3)在較大的泵浦功率范圍內，激光器的光-光轉換效率高。利用本實用新型研制的激光二極管泵浦的連續(xù)Nd:YVO4/KTP內腔倍頻532nm激光器的光-光轉換效率達到23.35％。
(4)在較大的泵浦功率范圍內，激光光束質量高。利用本實用新型研制的激光二極管泵浦的連續(xù)Nd:YVO4/KTP內腔倍頻532nm激光器，激光輸出功率6.21W時，激光模式為TEM00模。
(5)激光器使用的光學元件少，生產成本低。
(6)激光器的結構簡單緊湊，便于生產安裝和非專業(yè)人員的操作使用。
該類激光器非常適合于激光全色顯示、其它激光器的泵浦源、其它激光器的泵浦源、光儲存、激光打標、激光劃片、印刷板的熱成像、激光醫(yī)療、科研和娛樂等領域的應用。


圖1為本實用新型激光器的光路示意圖。
圖2為本實用新型激光器的熱穩(wěn)定諧振腔變形之一。
圖3為本實用新型激光器的熱穩(wěn)定諧振腔變形之二。
圖4為本實用新型研制的激光二極管泵浦的連續(xù)Nd:YVO4/KTP內腔倍頻532nm激光器的輸出功率與泵浦功率關系圖。Pin軸表示入射到激光介質的泵浦光功率，Pout軸表示532nm激光輸出功率。
圖5為本實用新型研制的激光二極管泵浦的連續(xù)Nd:YVO4/KTP內腔倍頻532nm激光器的光-光轉換效率與泵浦功率關系圖。Pin軸表示入射到激光介質的泵浦光功率，E軸表示光-光轉換效率。
具體實施方式
本實用新型
以下結合附圖(實施例)做進一步描述，但并不是限制本實用新型。
如圖1所示本激光二極管泵浦的內腔倍頻激光器包括泵浦源(7)，光學耦合系統(tǒng)(6)，由平平全反鏡(1)、平平輸出鏡(2)和插入兩鏡之間的凸透鏡(3)組成的熱穩(wěn)定諧振腔，以及放置在諧振腔內的激光介質(4)和倍頻晶體(5)，激光介質(4)位于平平全反鏡(1)和凸透鏡(3)之間，且緊靠全反鏡(1)，即在振蕩光的一個束腰處放置；倍頻晶體(5)位于凸透鏡(3)和平平輸出鏡(2)之間，且緊靠平平輸出鏡(2)，即在振蕩光的另一個束腰處放置。
泵浦源(7)為激光二極管，輸出激光波長808nm，激光功率30W(美國Coherent公司產FAP-Sys-30型)。光學耦合系統(tǒng)對泵浦光的聚焦光斑直徑為800μm，光學耦合效率為94.5％。平平全反鏡(1)的外通光面鍍808nm增透膜；里通光面鍍1064nm和532nm增反膜；全反鏡對泵浦光的透過率為94％。平平輸出鏡(2)鍍1064nm增反膜，反射率99％；鍍532nm增透膜，透過率95％。諧振腔的幾何長度為220mm。諧振腔內的凸透鏡為平凸透鏡，焦距50mm；凸透鏡距離平平全反鏡(1)為135mm；凸透鏡的兩通光面鍍1064nm和532nm增透膜。激光介質(4)采用Nd:YVO4晶體，通光長度為10mm，摻Nd濃度0.3at.％；兩通光面鍍1064nm、808nm和532nm增透膜，其中對808nm的透過率為97.9％。倍頻晶體采用KTP，□類角度相位匹配；通光長度10mm；兩通光面對1064nm和532nm鍍增透膜。Nd:YVO4和KTP晶體的側面均用銦片包裹后放在紫銅夾中，用恒溫循環(huán)器進行溫度控制。
用美國Newport產的2835-C型雙通道多功能激光功率/能量計測量本實用新型的激光二極管泵浦的連續(xù)Nd:YVO4/KTP內腔倍頻532nm激光器的輸出功率，實驗結果如圖4所示。在26.58W的808nm泵浦光進入激光介質的情況下，532nm激光實現(xiàn)TEM00模運轉，輸出功率達到6.21W，光-光轉換效率(激光輸出功率/進入激光介質的泵浦功率)達到23.76％，詳見圖5所示。532nm激光輸出功率6.21W情況下，4小時內輸出功率不穩(wěn)定度約為1.1％(均方根)。
為了增加泵浦用激光器二極管的數(shù)量，即增加泵浦功率，以進一步提高內腔倍頻激光器的輸出功率，同時能夠避免激光介質內泵浦光聚焦光斑處的泵浦光功率密度過大，引起激光介質的光損傷等，本實用新型的激光器的諧振腔可采用如圖2和如圖3所示的V型和L型變形平平腔。特別是如圖3所示的雙通倍頻技術，可獲得更高的倍頻激光功率和光-光轉換效率。
本實用新型的圖2中通過增加一個斜入射反射鏡(8)，從而可以方便地增加泵浦用激光二極管(10)和光學耦合系統(tǒng)(9)；其中反射鏡要求至少里通光面(即振蕩光的第一個反射面)對泵浦光鍍增透膜，對振蕩光和倍頻光均鍍增反膜。其它光學元件與圖1中的要求相同。
本實用新型的圖3中通過增加一個斜入射反射鏡(8)，從而可以方便地增加泵浦用激光二極管(10)和光學耦合系統(tǒng)(9)；其中反射鏡要求至少里通光面(即振蕩光的第一個反射面)對泵浦光和倍頻光均鍍增透膜，對振蕩光鍍增反膜；平平鏡(2)要求至少里通光面對振蕩光和倍頻光均鍍增反膜。
權利要求1.一種激光二極管泵浦的內腔倍頻激光器，它包括泵浦源(7)，光學耦合系統(tǒng)(6)，由全反鏡(1)、輸出鏡(2)和透鏡(3)組成的熱穩(wěn)定諧振腔，以及放置在熱穩(wěn)定諧振腔內的激光介質(4)和倍頻晶體(5)，其特征在于a.全反鏡(1)為平平鏡；b.輸出鏡(2)為平平鏡；c.透鏡(3)為凸透鏡；d.激光介質(4)位于全反鏡(1)與透鏡(3)之間，且緊靠全反鏡(1)，即在振蕩光的一個束腰處放置；e.倍頻晶體(5)位于透鏡(3)與輸出鏡(2)之間，且緊靠輸出鏡(2)，即在振蕩光的另一個束腰處放置。
2.根據(jù)權利要求1所述的內腔倍頻激光器，其特征在于凸透鏡(3)的焦距和放在腔內的位置，以及熱穩(wěn)定諧振腔幾何長度等參數(shù)的設計，要根據(jù)泵浦功率的范圍、激光介質和倍頻晶體的熱透鏡焦距fL1和fL2、泵浦光聚焦光斑半徑wp、振蕩光在全反鏡(1)和輸出鏡(2)上的光斑束腰半徑w1和w2等參數(shù)進行計算。
3.根據(jù)權利要求1所述的內腔倍頻激光器，其特征在于熱穩(wěn)定諧振腔是由平平全反鏡(1)、平平輸出鏡(2)和插入其間的凸透鏡(3)組成的適用于單端泵浦、側面泵浦和閃光燈泵浦的平平腔。
4.根據(jù)權利要求1所述的內腔倍頻激光器，其特征在于熱穩(wěn)定諧振腔是由平平全反鏡(1)、平平輸出鏡(2)和插入其間的凸透鏡(3)，以及設置在激光介質與凸透鏡之間的斜入射反射鏡組成的且適用于雙端泵浦的V型或L型變形平-平腔。
5.根據(jù)權利要求1所述的內腔倍頻激光器，其特征在于熱穩(wěn)定諧振腔是由平平全反鏡(1)、平平輸出鏡(2)和插入其間的凸透鏡(3)，以及設置在激光介質與凸透鏡之間的斜入射反射鏡組成的且采用雙通倍頻技術的適用于雙端泵浦的V型或L型變形平-平腔。
6.根據(jù)權利要求1所述的內腔倍頻激光器，其特征在于凸透鏡(3)的兩通光面有相應的基頻光和倍頻光增透膜。
7.根據(jù)權利要求1所述的內腔倍頻激光器，其特征在于全反鏡(1)至少里通光面有相應的基頻光和倍頻光增反膜。
專利摘要一種激光二極管泵浦的內腔倍頻激光器，包括泵浦源，光學耦合系統(tǒng)，由全反鏡、輸出鏡和插入其間的透鏡組成的熱穩(wěn)定諧振腔，以及放置在腔內的激光介質和倍頻晶體，其特征是全反鏡、輸出鏡均為平平鏡；透鏡為凸透鏡；激光介質位于全反鏡和凸透鏡之間，且在振蕩光的一個束腰處放置；倍頻晶體位于凸透鏡和輸出鏡之間，且在振蕩光的另一個束腰處放置。本實用新型的兩個平平鏡和一個凸透鏡組成的熱穩(wěn)定諧振腔有效地克服了大變化范圍內的不同泵浦功率所產生的不同焦距的熱透鏡效應、倍頻激光器的“綠光問題”(即倍頻光功率不穩(wěn)定問題)，以及泵浦光和振蕩光之間的模式失配問題，顯著地提高了激光器的輸出功率及其穩(wěn)定性、光－光轉換效率和光束質量等。
文檔編號H01S3/08GK2747754SQ200420075268
公開日2005年12月21日 申請日期2004年12月1日 優(yōu)先權日2004年12月1日
發(fā)明者鄭義, 姚建銓, 張玉萍, 梁蘭菊, 劉群, 張會云 申請人:鄭州大學