專利名稱：高倍頻效率綠光激光產(chǎn)生方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于一種激光產(chǎn)生方法，特別是一種綠光激光產(chǎn)生方法。
背景技術(shù)：
綠光激光的波長(zhǎng)小于紅外光激光，所以綠光激光的聚焦光斑比紅外光激光的小，另外，綠光激光單個(gè)光子的能量要大于紅外光激光單個(gè)光子的能量，所以在與其他物質(zhì)相互作用的時(shí)候綠光激光的熱影響區(qū)較小。由于綠光激光具有聚焦光斑小，熱影響區(qū)小的優(yōu)點(diǎn)，綠光激光可以被用于材料的精細(xì)加工。與不可見激光(紅外和紫外激光)相比，綠光激光可以直接被人眼睛觀察到，所以它還被廣范應(yīng)用于激光演示中。除此之外，綠光激光在激光醫(yī)學(xué)，光儲(chǔ)存，信息處理，光檢測(cè)等方面也有許多應(yīng)用。正因?yàn)榫G光激光的應(yīng)用范圍很廣，所以綠光激光器的研制成為激光領(lǐng)域所關(guān)注的焦點(diǎn)。
在國(guó)際上高功率綠光激光器產(chǎn)品主要有以下幾家公司生產(chǎn)相干公司(Coherent Inc.)，光譜物理公司(Spectra-Physics Inc.)，Quantronix，Lee LaserInc，Photonics Industries International Inc.，等。其中相干公司與PhotonicsIndustries International Inc.采用Nd:YLF作為工作物質(zhì)，再經(jīng)過倍頻產(chǎn)生大于30W的綠光，雖然Nd:YLF可以產(chǎn)生較大的脈沖能量，但與Nd:YAG相比，用Nd:YLF倍頻產(chǎn)生的綠光脈沖寬。相干公司綠光激光器產(chǎn)品Evolution-30型號(hào)的激光器，其綠光脈沖寬度達(dá)200ns，而且光束直徑為5mm，M2≈25。Photonics Industries International公司的GM3E系列產(chǎn)品，其綠光脈沖寬度達(dá)400ns，而且光束直徑在4mm的情況下發(fā)散角為5mrad.M2為30。
在國(guó)內(nèi)，山東大學(xué)用平凹直線腔腔內(nèi)調(diào)Q倍頻得到38W綠光輸出(《溫控高純KTP內(nèi)腔倍頻Nd:YAG激光器》，中國(guó)激光，Vol.A28，No1.7.2001，孫渝明等人著，山東大學(xué))。華北光電技術(shù)研究所用35個(gè)15W半導(dǎo)體側(cè)面泵浦Nd:YAG平凹直線腔內(nèi)倍頻得到56W綠光輸出M2＝27(《二極管側(cè)面抽運(yùn)的高平均功率倍頻Nd:YAG激光器》，中國(guó)激光，Vol.A28，No4.301.2001，姜東升等人著，華北光電技術(shù)研究所)。天津大學(xué)申請(qǐng)的第ZL 03258237.4號(hào)中國(guó)專利《雙調(diào)Q平-凹腔Nd:YAG內(nèi)腔倍頻輸出百瓦級(jí)的綠光激光器》，采用平凹直線腔型，用80個(gè)20W即1600W二極管激光泵浦Nd:YAG，通過KTP晶體最后倍頻出104W綠光激光，總光-光轉(zhuǎn)換效率為104/1600＝6.5％。上述倍頻激光器均為直線型腔，為了形成單端綠激光輸出，在直腔內(nèi)插入了一個(gè)高反二次諧波光的鏡片，基波單程通過倍頻晶體產(chǎn)生一束綠光輸出，同時(shí)基波回程通過倍頻晶體諧波后被腔內(nèi)的高反二次諧波光鏡片反射，產(chǎn)生另外一束綠光輸出，造成輸出兩束綠光的現(xiàn)象。由于KTP的損傷閾值較低，長(zhǎng)時(shí)間的腔內(nèi)高功率倍頻產(chǎn)生“灰跡”現(xiàn)象，很容易造成損傷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種能產(chǎn)生單束綠光輸出，輸出的綠光脈沖窄、倍頻效率高、光束質(zhì)量好，并且激光器使用壽命長(zhǎng)的高倍頻效率綠光激光產(chǎn)生方法。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是該高倍頻效率綠光激光產(chǎn)生方法，采用泵浦光源側(cè)面泵浦激光工作晶體和“L”或“V”形平-凸短腔，將平面鏡和凸面鏡做腔體的前后腔鏡，并使激光工作模塊產(chǎn)生的熱透鏡焦距，以及凸面鏡的曲率半徑，與腔長(zhǎng)相匹配，通過調(diào)Q在“L”或“V”形平-凸短腔內(nèi)產(chǎn)生高峰值功率準(zhǔn)連續(xù)基波光，讓紅外基波光在腔內(nèi)產(chǎn)生窄脈沖，高功率的振蕩，最后通過腔內(nèi)的非線性倍頻晶體產(chǎn)生二次諧波，輸出綠光。
本發(fā)明所具有的優(yōu)點(diǎn)是1、本發(fā)明高倍頻效率綠光激光產(chǎn)生方法的諧振腔為平-凸短腔激光諧振腔，凸腔的曲率與激光工作模塊產(chǎn)生的熱透鏡焦距匹配，使激光介質(zhì)基模尺寸極大，有利于提高光束質(zhì)量。同時(shí)短腔形成窄激光脈沖，高峰值功率有利于提高倍頻效率。
2、非線性倍頻晶體置于平面鏡一端，輸入非線性倍頻晶體的基波光為準(zhǔn)平行光束，遠(yuǎn)小于非線性倍頻晶體的接受角，有利于提高倍頻效率。
3、進(jìn)行平面鏡，腔鏡曲率，腔長(zhǎng)綜合參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，激光諧振腔內(nèi)基波在非線性倍頻晶體內(nèi)的功率大于60MW/cm2。
4、采用“L”或“V”形諧振腔代替直線形諧振腔，避免了在腔內(nèi)插入對(duì)二次諧波全反的鏡片，提高了基波的振蕩功率，消除了兩束綠光輸出的現(xiàn)象。
5、LBO非線性晶體的光損傷閾值是18.9GW/cm2，CLBO非線性晶體的光損傷閾值是26GW/cm2，BBO非線性晶體的光損傷閾值是10GW/cm2，而KTP的光損傷閾值僅有4.6GW/cm2。因此用光損傷閾值比KTP高的LBO非線性晶體、CLBO非線性晶體及BBO非線性晶體晶體，為高功率倍頻激光器的長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定和高壽命提供了保障。
6、由于腔長(zhǎng)短，所以結(jié)構(gòu)緊湊，整機(jī)體積小。采用“L”或“V”型腔使光路易調(diào)。


下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明。
圖1是本發(fā)明高倍頻效率綠光激光產(chǎn)生方法中凸腔面反射鏡曲率對(duì)光束質(zhì)量和非線性晶體入射角影響的計(jì)算結(jié)果。
圖2是本發(fā)明高倍頻效率綠光激光產(chǎn)生方法中凸腔面反射鏡與固體介質(zhì)的距離對(duì)光束質(zhì)量和非線性晶體入射角影響的計(jì)算結(jié)果。
圖3是本發(fā)明高倍頻效率綠光激光產(chǎn)生方法中平腔面反射鏡與固體介質(zhì)的距離對(duì)光束質(zhì)量和非線性晶體入射角影響的計(jì)算結(jié)果。
圖4是本發(fā)明高倍頻效率綠光激光產(chǎn)生方法的原理示意圖。
圖5是本發(fā)明高倍頻效率綠光激光產(chǎn)生方法輸出的綠光的功率和脈沖寬度隨電流變化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
圖6是本發(fā)明高倍頻效率綠光激光產(chǎn)生方法輸出的綠光的功率和脈沖寬度隨脈沖重復(fù)頻率變化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
圖7是本發(fā)明高倍頻效率綠光激光產(chǎn)生方法輸出的綠光的功率長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定性的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
具體實(shí)施例方式
如圖1、圖2及圖3所示，通過計(jì)算凸腔面反射鏡曲率對(duì)光束質(zhì)量和非線性晶體入射角的影響、凸腔面反射鏡與固體介質(zhì)的距離對(duì)光束質(zhì)量和非線性晶體入射角的影響，以及平腔面反射鏡與固體介質(zhì)的距離對(duì)光束質(zhì)量和非線性晶體入射角的影響，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，設(shè)計(jì)本發(fā)明高倍頻效率綠光激光產(chǎn)生方法。
如圖4所示，本發(fā)明高倍頻效率綠光激光產(chǎn)生方法采用平-凸的“L”形諧振腔，“L”形諧振腔相對(duì)于直形諧振腔避免了在腔內(nèi)插入二次諧波的全反鏡，提高了基波振蕩的功率。
本發(fā)明高倍頻效率綠光激光產(chǎn)生方法包括凸面鏡11、調(diào)Q模塊12、激光工作模塊13、角度輸出鏡14、倍頻晶體15及平面鏡16，其中凸面鏡11對(duì)基波光高反射，激光工作模塊13是一個(gè)由泵浦光源側(cè)面泵浦激光工作晶體的模塊，角度輸出鏡14是一片鍍有對(duì)基波光高反射膜層和對(duì)二次諧波光具有高透膜層的鏡片。倍頻晶體15為非線性倍頻晶體LBO，平面鏡16鍍有對(duì)基波和二次諧波光全反射膜層的鏡片。
其中，倍頻晶體15置于平面鏡16與角度輸出鏡14之間，激光工作模塊13與調(diào)Q模塊12置于凸面鏡11與角度輸出鏡14之間。
高功率諧波綠光激光的產(chǎn)生過程如下首先用多個(gè)二極管激光泵浦激光晶體產(chǎn)生基波激光。經(jīng)過調(diào)Q模塊12的作用，基波激光在腔內(nèi)形成了高重復(fù)頻率，短脈沖寬度，高峰值功率的脈沖群。通過角度輸出鏡14的反射，基波光第一次通過倍頻晶體15，一部分基波激光被諧波成綠光激光，透過倍頻晶體15的綠光激光和剩余未被諧波的基波光被放置在倍頻晶體15后的平面鏡16反射回倍頻晶體15，被再次進(jìn)行諧波。最后通過角度輸出鏡14把綠光激光全部輸出，并把通過雙程倍頻后剩余的基波光反射回激光工作模塊13，讓它再對(duì)激光工作模塊13進(jìn)行受激輻射放大。圖5為本發(fā)明高倍頻效率綠光激光產(chǎn)生方法輸出的綠光的功率和脈沖寬度隨電流變化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果；圖6為本發(fā)明高倍頻效率綠光激光產(chǎn)生方法輸出的綠光的功率和脈沖寬度隨脈沖重復(fù)頻率變化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果；圖7為本發(fā)明高倍頻效率綠光激光產(chǎn)生方法輸出的綠光的功率長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定性的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
經(jīng)過試驗(yàn)，本發(fā)明高倍頻效率綠光激光產(chǎn)生方法采用360W二極管列陣側(cè)面泵浦激光晶體，再通過倍頻得到了56W的綠光激光輸出，基波到諧波轉(zhuǎn)換效率為74％，LD泵浦光到整體綠光的總光-光轉(zhuǎn)換效率為15％，光束質(zhì)量M2＝11.5，光束直徑2mm，發(fā)散角θ＜5mrad，脈沖寬度＜100ns，長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)功率起伏＜4％，達(dá)到國(guó)際同類產(chǎn)品先進(jìn)水平。
根據(jù)本發(fā)明高倍頻效率綠光激光產(chǎn)生方法的原理，諧振腔可以采用“L”或“V”形諧振腔，并讓綠光從角度輸出鏡14輸出?？梢圆捎玫谋闷止庠礊榇蠊β拾雽?dǎo)體激光二極管側(cè)面泵浦，或二極管端面縱向泵浦，氪燈、氙燈側(cè)面泵浦。采用的激光工作晶體為Nd:YAG，或Nd:YVO4，Nd:YLF，Nd:GdVO4，Yb:YAG，Er:YAG.使用的光電開關(guān)為聲光開關(guān)，或電光開關(guān)或飽和激收型被動(dòng)Q開關(guān)。非線性倍頻晶體15可以采用LBO，或CLBO，BBO非線性晶體。
本發(fā)明高倍頻效率綠光激光產(chǎn)生方法具有以下幾點(diǎn)特點(diǎn)1、本發(fā)明高倍頻效率綠光激光產(chǎn)生方法的諧振腔為平-凸短腔激光諧振腔，凸腔的曲率與激光工作模塊產(chǎn)生的熱透鏡焦距匹配，使激光介質(zhì)基模尺寸極大，有利于提高光束質(zhì)量。同時(shí)短腔形成窄激光脈沖，高峰值功率有利于提高倍頻效率。
2、非線性倍頻晶體15置于平面鏡16一端，輸入非線性倍頻晶體15的基波光為準(zhǔn)平行光束，遠(yuǎn)小于非線性倍頻晶體15的接受角，有利于提高倍頻效率。
3、進(jìn)行平面鏡，腔鏡曲率，腔長(zhǎng)綜合參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，激光諧振腔內(nèi)基波在非線性倍頻晶體15內(nèi)的功率大于60MW/cm2。
4、采用“L”或“V”形諧振腔代替直線形諧振腔，避免了在腔內(nèi)插入對(duì)二次諧波全反的鏡片，提高了基波的振蕩功率，消除了兩束綠光輸出的現(xiàn)象。
5、LBO非線性晶體的光損傷閾值是18.9GW/cm2，CLBO非線性晶體的光損傷閾值是26GW/cm2，BBO非線性晶體的光損傷閾值是10GW/cm2，而KTP的光損傷閾值僅有4.6GW/cm2。因此用光損傷閾值比KTP高的LBO非線性晶體、CLBO非線性晶體及BBO非線性晶體晶體，為高功率倍頻激光器的長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定和高壽命提供了保障。
6、由于腔長(zhǎng)短，所以結(jié)構(gòu)緊湊，整機(jī)體積小。采用“L”或“V”型腔使光路易調(diào)。
權(quán)利要求
1.一種高倍頻效率綠光激光產(chǎn)生方法，其特征在于采用泵浦光源側(cè)面泵浦激光工作晶體和“L”或“V”形平-凸短腔，將平面鏡和凸面鏡做腔體的前后腔鏡，并使激光工作模塊產(chǎn)生的熱透鏡焦距，以及凸面鏡的曲率半徑，與腔長(zhǎng)相匹配，通過調(diào)Q在“L”或“V”形平-凸短腔內(nèi)產(chǎn)生高峰值功率準(zhǔn)連續(xù)基波光，讓紅外基波光在腔內(nèi)產(chǎn)生窄脈沖，高功率的振蕩，最后通過腔內(nèi)的非線性倍頻晶體產(chǎn)生二次諧波，輸出綠光。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高倍頻效率綠光激光產(chǎn)生方法，其特征在于采用“L”或“V”形諧振腔，并讓綠光從角度輸出鏡輸出。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高倍頻效率綠光激光產(chǎn)生方法，其特征在于非線性倍頻晶體置于平面鏡與角度輸出鏡之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高倍頻效率綠光激光產(chǎn)生方法，其特征在于采用的泵浦光源為大功率半導(dǎo)體激光二極管側(cè)面泵浦，或二極管端面縱向泵浦，氪燈、氙燈側(cè)面泵浦。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高倍頻效率綠光激光產(chǎn)生方法，其特征在于采用的激光工作晶體為Nd:YAG，或Nd:YVO4，Nd:YLF，Nd:GdVO4，Yb:YAG，Er:YAG。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高倍頻效率綠光激光產(chǎn)生方法，其特征在于使用的光電開關(guān)為聲光開關(guān)，或電光開關(guān)或飽和激收型被動(dòng)Q開關(guān)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高倍頻效率綠光激光產(chǎn)生方法，其特征在于采用LBO，或CLBO，BBO非線性晶體。
全文摘要
一種高倍頻效率綠光激光產(chǎn)生方法，采用泵浦光源側(cè)面泵浦激光工作晶體和“L”或“V”形平－凸短腔，將平面鏡和凸面鏡做腔體的前后腔鏡，并使激光工作模塊產(chǎn)生的熱透鏡焦距，以及凸面鏡的曲率半徑，與腔長(zhǎng)相匹配，通過調(diào)Q在“L”或“V”形平－凸短腔內(nèi)產(chǎn)生高峰值功率準(zhǔn)連續(xù)基波光，讓紅外基波光在腔內(nèi)產(chǎn)生窄脈沖，高功率的振蕩，最后通過腔內(nèi)的非線性倍頻晶體產(chǎn)生二次諧波，輸出綠光。諧振腔為平－凸短腔激光諧振腔，凸腔的曲率與激光工作模塊產(chǎn)生的熱透鏡焦距匹配，使激光介質(zhì)基模尺寸極大，有利于提高光束質(zhì)量。短腔形成窄激光脈沖，高峰值功率有利于提高倍頻效率。采用“L”或“V”形諧振腔，消除了兩束綠光輸出的現(xiàn)象。
文檔編號(hào)H01S3/16GK1893205SQ200510035839
公開日2007年1月10日 申請(qǐng)日期2005年7月7日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月7日
發(fā)明者周復(fù)正, 周宇超, 馬淑貞, 高云峰 申請(qǐng)人:深圳市大族激光科技股份有限公司