專利名稱：自受激固體拉曼激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
涉及固體激光器領(lǐng)域，特別是一種自受激固體拉曼激光器。
背景技術(shù)：
目前國(guó)外已經(jīng)有固體拉曼激光器的報(bào)道，它們主要有以下四種結(jié)構(gòu)(參見Pavel Cerny等人發(fā)表的“Solid state lasers with Raman frequencyconversion”，《Progress in Quantum Electronics》28(2004)113-143)單通拉曼激光裝置、外置拉曼激光裝置(拉曼晶體的振蕩腔與泵浦激光振蕩腔分開)、內(nèi)置拉曼激光裝置(拉曼晶體與激光介質(zhì)都放在腔內(nèi))和拉曼耦合腔裝置。不管上面的哪種結(jié)構(gòu)，激光器裝置中激光增益介質(zhì)與拉曼增益介質(zhì)都是分開的，所以必須同時(shí)滿足腔內(nèi)的基頻光、拉曼激光的模式匹配，使得諧振腔變得相當(dāng)復(fù)雜，而且系統(tǒng)制作工藝難度加大很多，系統(tǒng)穩(wěn)定性不高，也不緊湊。另外現(xiàn)有的固體拉曼激光器中一般沒(méi)有腔內(nèi)調(diào)Q裝置，對(duì)泵浦源脈寬、峰值功率的要求非常高。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供一種自受激固體拉曼激光器，以擴(kuò)展現(xiàn)有常規(guī)固體激光器的激光波長(zhǎng)，克服了現(xiàn)有的固體拉曼激光器激光增益介質(zhì)與拉曼增益介質(zhì)分開所導(dǎo)致的技術(shù)限制，以及對(duì)泵浦激光脈沖寬度和能量要求嚴(yán)格造成的限制，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)的緊湊性，并獲得高功率的拉曼激光輸出。
本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案如下一種自受激固體拉曼激光器，包括激光泵浦系統(tǒng)、鍍膜的激光輸入腔片和輸出腔片構(gòu)成的激光腔，其特征是在激光腔中放置自受激拉曼晶體和激光調(diào)Q裝置。
所述的自受激拉曼晶體采用低摻雜Nd3+稀土離子的YVO4晶體、或GdVO4晶體，或者采用摻雜Nd3+稀土離子的GDxY1-xVO4晶體，其中x從0變化到1。稀土離子摻雜濃度在0.05at.％至2.0at.％之間。
所述的調(diào)Q裝置為聲光調(diào)Q裝置、電光調(diào)Q裝置或非線性可飽和吸收體調(diào)Q裝置。
所述的激光腔中放入的自受激拉曼晶體在所述的調(diào)Q裝置之前，或之后均可。
所述的自激發(fā)拉曼晶體和調(diào)Q裝置的兩端面鍍有基頻光和拉曼激光的增透膜。
在腔內(nèi)的自受激拉曼晶體，既作為激光工作介質(zhì)，也作為拉曼頻率轉(zhuǎn)換介質(zhì)先產(chǎn)生基頻激光，然后通過(guò)腔內(nèi)調(diào)Q裝置壓縮激光脈寬，基頻光在諧振腔內(nèi)經(jīng)過(guò)多次振蕩后，由同一塊拉曼晶體完成基頻光轉(zhuǎn)換為拉曼激光輸出。將它作為工作物質(zhì)，不僅可以得到一些常規(guī)固體激光器得不到的波長(zhǎng)(可參考后面實(shí)例解說(shuō)中的例子)，而且比起一般意義上的固體拉曼激光器在結(jié)構(gòu)上要緊湊得多，因此與其相關(guān)的諧振腔設(shè)計(jì)、調(diào)整等難度也得到大大降低。
在產(chǎn)生拉曼激光的諧振腔中放入了調(diào)Q裝置，它的作用有三個(gè)一、為了使產(chǎn)生的基頻光在腔內(nèi)多次振蕩經(jīng)過(guò)調(diào)Q裝置后，大大地壓縮激光脈寬，同時(shí)達(dá)到足夠大的峰值功率，使基頻光滿足產(chǎn)生受激拉曼散射所需的閾值條件。
二、提高拉曼激光的輸出功率。
三、因?yàn)檎{(diào)Q裝置的壓縮脈寬和提高基頻光峰值功率的作用，系統(tǒng)對(duì)泵浦源的要求可以大大降低，只要用脈寬要求不是很嚴(yán)格、平均功率不太高的激光二極管泵浦就可以了。
本實(shí)用新型技術(shù)方案具有的有益的效果本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的自受激固體拉曼激光器可以由808nm波長(zhǎng)的激光二極管做泵浦源，得到某些特殊激光波長(zhǎng)，例如1525nm的人眼安全激光波長(zhǎng)、1176nm激光波長(zhǎng)等(下面有詳細(xì)的實(shí)例解說(shuō))，這對(duì)傳統(tǒng)固體激光器的輸出波長(zhǎng)的限制是個(gè)非常有益的補(bǔ)充；與一般意義上的固體拉曼激光器相比，自受激固體拉曼激光器解決了激光增益介質(zhì)與拉曼增益介質(zhì)分開的結(jié)構(gòu)造成的技術(shù)限制，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)的緊湊性；本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的調(diào)Q的自受激固體拉曼激光器解決了固體拉曼激光器對(duì)泵浦激光脈沖寬度和能量要求嚴(yán)格造成的限制，一般的固體拉曼激光器要求泵浦源脈寬為ns甚至ps量級(jí)，而調(diào)Q的自受激固體拉曼激光器泵浦源用連續(xù)或者準(zhǔn)連續(xù)的激光二極管即可。


圖1是本實(shí)用新型自受激固體拉曼激光器的結(jié)構(gòu)示意圖圖中1-激光泵浦系統(tǒng)；2-激光腔輸入腔片；3-激光腔輸出腔片；4-自受激拉曼晶體；5-調(diào)Q裝置；6-拉曼激光輸出方向；7-輸入腔片的外側(cè)面；8-輸入腔片的內(nèi)側(cè)面；9-輸出腔鏡的內(nèi)側(cè)面。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型加以說(shuō)明。
先請(qǐng)參閱圖1，圖1是本實(shí)用新型自受激固體拉曼激光器的結(jié)構(gòu)示意圖，由圖可見，本實(shí)用新型自受激固體拉曼激光器，包括激光泵浦系統(tǒng)1、鍍膜的激光輸入腔片2和輸出腔片3構(gòu)成的激光腔，其特征是在激光腔中放置自受激拉曼晶體4和激光調(diào)Q裝置5。
如附圖1所示，根據(jù)現(xiàn)有的泵浦源波長(zhǎng)情況和需要的拉曼激光波長(zhǎng)要求選擇合適的自激發(fā)拉曼晶體4進(jìn)行切割和端面拋光，切割方向都沿晶體物理學(xué)中定義的沿a軸切割(晶體受激發(fā)射橫截面平行于c軸)或者沿c軸方向切割(晶體受激發(fā)射橫截面正交于c軸)，晶體長(zhǎng)度可根據(jù)具體的材料和器件的要求確定(建議在10mm左右)，端面積由泵浦光光束的橫截面面積決定，一般在毫米平方到若干厘米平方之間。之后在激光腔中放入的自受激拉曼晶體和調(diào)Q裝置，它們的位置可以根據(jù)具體情況互換，以達(dá)到最佳輸出效果。諧振腔輸入腔片2上鍍膜，在輸入腔片外側(cè)面7鍍泵浦光的增透膜，反射率R＜0.2％；在輸入腔片1內(nèi)側(cè)面8鍍對(duì)基頻光和拉曼激光高反的膜，反射率R＞99.8％，且對(duì)泵浦光波長(zhǎng)高透，透射率T＞90％。諧振腔輸出腔片3的內(nèi)側(cè)面9鍍膜，對(duì)基頻光高反，R＞99.8％，對(duì)拉曼激光部分反射，反射率R＝60％-90％之間。最后拉曼激光將沿著方向6輸出。
可以在自受激拉曼晶體4、調(diào)Q裝置5的兩個(gè)端面都鍍基頻光、拉曼激光的增透膜，以提高激光系統(tǒng)的運(yùn)作效率。
自受激固體拉曼激光器的工作流程是這樣的由電激勵(lì)激光二極管發(fā)射808nm激光波長(zhǎng)，808nm波長(zhǎng)光泵浦自激發(fā)拉曼晶體4，晶體吸收泵浦光，能量以粒子數(shù)反轉(zhuǎn)形式存在晶體中，經(jīng)過(guò)諧振腔的反饋振蕩及調(diào)Q裝置5觸發(fā)，泵浦光轉(zhuǎn)換為基頻光；再經(jīng)過(guò)多次諧振腔的反饋振蕩和調(diào)Q裝置5觸發(fā)，泵浦光達(dá)到受激拉曼散射域值條件，由同一塊自激發(fā)拉曼晶體4完成拉曼頻率轉(zhuǎn)換，得到拉曼激光輸出。
實(shí)例1輸出為1525nm(人眼安全波段)的Yb:YVO4晶體自受激固體拉曼激光器激光器件結(jié)構(gòu)如圖1所示。泵浦源1為一個(gè)通過(guò)光纖耦合輸出的波長(zhǎng)為808nm的激光二極管，其中耦合光纖的芯纖直徑為400μm，數(shù)值孔徑為0.15，激光二極管輸出脈沖平均功率為12.0W，重復(fù)頻率為1kHz。用一個(gè)焦距為15.0mm的透鏡將85％以上的泵浦光能量耦合入自受激拉曼晶體(3)中，入射的泵浦光光束半徑平均為300μm左右。
整個(gè)激光腔腔長(zhǎng)87mm。為了得到高效的一階斯托克斯光轉(zhuǎn)換，諧振腔的輸入腔片2和輸出腔片3都鍍了特定的二向色性薄膜。諧振腔輸入腔片2是個(gè)曲率半徑為500mm的凹面鏡，在外側(cè)7鍍對(duì)泵浦光(808nm)波長(zhǎng)的增透膜，反射率R＜0.2％；在內(nèi)側(cè)8鍍了對(duì)1342nm和1525nm光的高反膜，反射率R＞99.8％，且對(duì)泵浦光波長(zhǎng)高透，透射率T＞90％。注意到這里1342nm波長(zhǎng)的是基頻光，1525nm波長(zhǎng)的是基頻光的一階斯托克斯光，也就是我們想要的拉曼激光。諧振腔輸出腔片3在內(nèi)側(cè)9鍍膜，對(duì)1342nm光高反，R＞99.8％，對(duì)1525nm激光部分反射，反射率R＝65％。輸入腔片2和輸出腔片3對(duì)1064nm激光都有90％的高透過(guò)率，這是為了抑制由Pr:YVO4晶體寄生振蕩產(chǎn)生的1064nm波長(zhǎng)光作為基頻光參與受激拉曼散射的產(chǎn)生。
自受激拉曼晶體4為摻雜0.4-at.％濃度Yb3+離子的YVO4晶體，其中低濃度摻雜是為了防止熱效應(yīng)嚴(yán)重而導(dǎo)致晶體破裂，晶體長(zhǎng)度11mm。Yb:YVO4晶體的兩個(gè)端面都鍍了對(duì)1330-1530nm區(qū)間波段的增透膜(反射率R＜0.2％)。Pr3+:YVO4晶體沿晶體物理學(xué)定義中的a軸方向切割(晶體受激發(fā)射橫截面平行于c軸)，用銦箔包裹晶體除兩端面外的幾個(gè)面，并固定在水冷的銅塊上，水溫控制在25℃左右。調(diào)Q裝置5采用30mm長(zhǎng)的聲光調(diào)Q開關(guān)，兩個(gè)端面都鍍有對(duì)1330-1530nm區(qū)間波段的增透膜，Q開關(guān)中心頻率為25-32MHz，射頻功率為13.0W。
整個(gè)工作流程如下首先808nm波長(zhǎng)的二極管激光器泵浦Yb:YVO4晶體，產(chǎn)生基頻激光，波長(zhǎng)分別為1342nm和1064nm(使1064nm光高度透過(guò)腔鏡，以抑制其在諧振腔中振蕩)，剩下1342nm基頻光振蕩，在腔內(nèi)通過(guò)調(diào)Q裝置，以及Yb:YVO4晶體的自拉曼效應(yīng)將1342nm基頻光完全轉(zhuǎn)換為1525nm的拉曼激光沿方向(6)輸出。
實(shí)例2輸出波長(zhǎng)為1176nm的Yb:YVO4晶體自受激固體拉曼激光器。
這種激光器裝置，單個(gè)的諧振腔、調(diào)Q裝置等等，都與實(shí)例1完全相同，采用的自受激拉曼晶體4也仍然是Yb:YVO4晶體，需要改動(dòng)的地方就是實(shí)例1中針對(duì)1342nm波長(zhǎng)鍍的膜等等都改成針對(duì)1064nm波段，而實(shí)例1中針對(duì)1064nm波長(zhǎng)鍍的膜都改成針對(duì)1342nm波段，這是為了抑制1342nm波長(zhǎng)光作為基頻光參與受激拉曼散射的產(chǎn)生。
整個(gè)原理性思想與實(shí)例1一致，工作流程如下首先808nm波長(zhǎng)的二極管激光器泵浦Yb:YVO4晶體，產(chǎn)生基頻激光，波長(zhǎng)分別為1064nm和1342nm(使1342nm光高度透過(guò)腔鏡，以抑制其在諧振腔中振蕩)，剩下1064nm基頻光振蕩，在腔內(nèi)通過(guò)調(diào)Q裝置5，以及Yb:YVO4晶體的自拉曼效應(yīng)將1064nm基頻光完全轉(zhuǎn)換為1176nm的拉曼激光。
實(shí)例3輸出波長(zhǎng)為1176nm的Pr:GdVO4晶體自受激固體拉曼激光器。
激光器件結(jié)構(gòu)如圖1所示。泵浦源1為一個(gè)通過(guò)光纖耦合輸出的波長(zhǎng)為808nm的激光二極管，其中耦合光纖的芯纖直徑為150μm，數(shù)值孔徑為0.15，激光二極管輸出脈沖平均功率為2.5W，重復(fù)頻率為1kHz。用一個(gè)焦距為12.5mm的透鏡將85％以上的泵浦光能量耦合入自受激拉曼晶體3中，入射的泵浦光光束半徑平均為120μm左右。
整個(gè)激光腔腔長(zhǎng)16mm。為了得到高效的一階斯托克斯光轉(zhuǎn)換，諧振腔輸入腔片2和輸出腔片3都鍍了特定的二向色性薄膜。諧振腔輸入腔片2是個(gè)曲率半徑為15mm的凹面鏡，在外側(cè)7鍍對(duì)泵浦光(808nm)波長(zhǎng)的增透膜，反射率R＜0.2％；在內(nèi)側(cè)8鍍了對(duì)1064nm和1176nm光的高反膜，反射率R＞99.8％，且對(duì)泵浦光波長(zhǎng)高透，透射率T＞90％。注意到這里1064nm波長(zhǎng)的是基頻光，1176nm波長(zhǎng)的是基頻光的一階斯托克斯光，也就是我們想要的拉曼激光。諧振腔輸出腔片3在內(nèi)側(cè)9鍍膜，對(duì)1064nm光高反，R＞99.8％，對(duì)1176nm激光部分反射，反射率R＝70％。自受激拉曼晶體4放在非常靠近輸入腔片2的位置。
自受激拉曼晶體4為摻雜0.9-at.％濃度Pr3+離子的GdVO4晶體，晶體長(zhǎng)度8mm。Pr3+:YVO4晶體沿晶體物理學(xué)定義中的c軸方向切割(晶體受激發(fā)射橫截面垂直于c軸)。調(diào)Q裝置(5)采用2mm厚度的Cr4+:YAG晶體，兩個(gè)端面都鍍有對(duì)1064nm波長(zhǎng)的增透膜(R＜0.2％)。
整個(gè)工作流程如下首先808nm波長(zhǎng)的二極管激光器泵浦Pr:GdVO4晶體，產(chǎn)生基頻激光，波長(zhǎng)為1064nm，在腔內(nèi)通過(guò)Cr4+:YAG晶體5被動(dòng)調(diào)Q，以及Pr:GdVO4晶體4自拉曼效應(yīng)將1064nm基頻光完全轉(zhuǎn)換為1176nm的拉曼激光沿方向(6)輸出。
權(quán)利要求1.一種自受激固體拉曼激光器，包括激光泵浦系統(tǒng)(1)、鍍膜的激光輸入腔片(2)和輸出腔片(3)構(gòu)成的激光腔，其特征是在激光腔中放置自受激拉曼晶體(4)和激光調(diào)Q裝置(5)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自受激固體拉曼激光器，其特征是所述的自受激拉曼晶體(4)采用低摻雜Nd3+稀土離子的YVO4晶體、或GdVO4晶體，或者采用摻雜Nd3+稀土離子的GDxY1-xVO4晶體，其中x從0變化到1，稀土離子摻雜濃度在0.05at.％至2.0at.％之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自受激固體拉曼激光器，其特征是所述的調(diào)Q裝置(5)為聲光調(diào)Q裝置、電光調(diào)Q裝置或非線性可飽和吸收體調(diào)Q裝置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自受激固體拉曼激光器，其特征是所述的激光腔中放入的自受激拉曼晶體(4)在所述的調(diào)Q裝置(5)之前，或之后。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的自受激固體拉曼激光器，其特征在于在所述的自激發(fā)拉曼晶體(4)和調(diào)Q裝置(5)的兩端面鍍基頻光和拉曼激光的增透膜。
專利摘要一種自受激固體拉曼激光器，包括激光泵浦系統(tǒng)、鍍膜的激光輸入腔片和輸出腔片構(gòu)成的激光腔，其特征是在激光腔中放置自受激拉曼晶體和激光調(diào)Q裝置。本實(shí)用新型器件擴(kuò)展了目前常規(guī)固體激光器所能達(dá)到的激光波長(zhǎng)范圍；再者克服了現(xiàn)有的固體拉曼激光器中激光增益介質(zhì)與拉曼增益介質(zhì)分開所導(dǎo)致的技術(shù)限制，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，器件的結(jié)構(gòu)更緊湊。
文檔編號(hào)H01S3/127GK2762401SQ20042011452
公開日2006年3月1日 申請(qǐng)日期2004年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月21日
發(fā)明者陳慧挺, 樓祺洪, 葉震寰, 何兵, 周軍, 孔令峰 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所