專利名稱：高功率二次諧波激光產(chǎn)生方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及激光技術(shù)領域，是關(guān)于一種激光產(chǎn)生方法，特別是一種高功率二次諧波激光產(chǎn)生方法。
背景技術(shù)：
綠激光具有波長短、光子能量高、水中傳輸距離遠、相對于人眼敏感等眾多優(yōu)點，可以應用在激光材料加工，激光醫(yī)學、信息存儲、激光娛樂、建筑、水下通訊、激光光譜與全息、機場導航、海底形貌探測、激光探潛、激光致盲武器等國民經(jīng)濟、國防建設和科學研究的領域中。
國內(nèi)的中高功率半導體泵浦固體綠激光器產(chǎn)品尚處于研發(fā)和試用階段。華北光電技術(shù)研究所(《二極管側(cè)面抽運的高平均功率倍頻Nd:YAG激光器》，中國激光，Vol.A28，NO.4，第301頁，2001，姜東升等人著)用35個15W二極管列陣側(cè)面泵浦Nd:YAG，腔內(nèi)倍頻得到功率為56W的532nm激光輸出，總光-光轉(zhuǎn)換效率10.7％。廣州安特激光技術(shù)有限公司生產(chǎn)的型號為SHG-DP-20的二級管泵浦調(diào)Q綠激光器，輸出532nm激光功率為20W。天津大學研制了功率為104W的半導體泵浦固體綠激光器，并申請了中國專利，專利號ZL 03258237.4。該專利用80個20W二極管總共1600W功率作為泵浦光源，最終獲得104W綠光輸出，總光-光轉(zhuǎn)換效率6.5％。該專利采用直線式平凹穩(wěn)定腔，諧波反射鏡采用鍍1064nm高透和532nm高反膜層的石英鏡片?；ㄍㄟ^晶體產(chǎn)生一束諧波激光，經(jīng)鍍1064nm高反，532nm高透膜層的鏡片輸出，被該鏡片反射的基波再次通過晶體，又產(chǎn)生一束諧波激光，經(jīng)諧波反射鏡反射輸出。此諧波產(chǎn)生方法的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，便于調(diào)節(jié)，穩(wěn)定度好。不足之處在于，基波兩次通過晶體產(chǎn)生的兩束諧波激光一束直接輸出，一束經(jīng)過反射鏡片輸出，致使激光器輸出光束為兩條，不利于應用。
國外的高功率固體綠激光器研究比較先進，有些國外公司生產(chǎn)該類產(chǎn)品，如美國相干公司推出75W固體綠激光器產(chǎn)品，該激光產(chǎn)生方法是采用II類倍頻非線性晶體45度角折疊腔結(jié)構(gòu)。該方法的優(yōu)點在于避免了直線腔的兩束光問題，但這種結(jié)構(gòu)使諧波激光有一定的偏振耦合損耗。因為隨意偏振態(tài)的光可正態(tài)劃分為與入射面垂直的光和與入射面平行的光兩類。當大角度反射隨意偏振態(tài)的光時，只有與入射面平行的偏振光才能達到高反，而與入射面相垂直的線偏振光的反射損耗較大。又因為基波通過II類倍頻非線性晶體產(chǎn)生二次諧波的原理為兩個正交態(tài)的基波光子矢量合成一個諧波光子。45度角導致基波中的與入射面平行的光子數(shù)量大于與入射面垂直的光子數(shù)量，結(jié)果是使倍頻效率降低。此外該產(chǎn)品的模式欠佳，光束質(zhì)量M2≈25。另外國外公司如美國Quantronix公司和美國Lee Laser公司都有100W固體綠激光器產(chǎn)品。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種高功率，高效率和高穩(wěn)定度的高功率二次諧波激光產(chǎn)生方法。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是該高功率二次諧波激光產(chǎn)生方法，采用大功率泵浦源泵浦固體激光介質(zhì)，設計了紅外激光“V”型雙凹閉路振蕩腔，紅外激光作為基波通過小角度反射射入二倍頻非線性晶體產(chǎn)生二次諧波激光，該二次諧波激光經(jīng)端面反射鏡反射后通過小角度輸出鏡輸出，采用雙方向倍頻，單方向反射和小角度偏振耦合，輸出單束二次諧波激光。
本發(fā)明所具有的優(yōu)點是1、計算了大功率半導體激光二極管側(cè)面泵浦固體激光介質(zhì)的熱透鏡，應力雙折射，熱退偏等效應，設計合適的腔結(jié)構(gòu)、腔內(nèi)元件間的距離、鏡片曲率參數(shù)，使固體激光介質(zhì)內(nèi)基模尺寸達到極大，同時使腔內(nèi)形成小尺寸、高功率密度的光腰，將二倍頻非線性晶體放置在光腰位置，達到高轉(zhuǎn)換效率二次諧波激光輸出。
2、采用“V”型折疊腔結(jié)構(gòu)，減少偏振耦合損耗得到單束二次諧波激光輸出，既解決了直線腔輸出兩束光問題，又有利于基波在腔內(nèi)振蕩和二次諧波激光的輸出。
3、設計合適的腔結(jié)構(gòu)，腔內(nèi)元件間的距離和鏡片曲率參數(shù)，采用雙凹腔結(jié)構(gòu)，使紅外激光振蕩腔在熱透鏡大范圍變化下仍然保持穩(wěn)定的振蕩。激光器能保持長時間穩(wěn)定工作。
4、采用本發(fā)明研制的激光器結(jié)構(gòu)簡單，易工業(yè)化生產(chǎn)。


下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。
圖1為本發(fā)明高功率二次諧波激光產(chǎn)生方法的原理示意圖。
圖2為本發(fā)明高功率二次諧波激光產(chǎn)生方法的激光諧振腔內(nèi)基模振蕩光束軌跡。
圖3為本發(fā)明高功率二次諧波激光產(chǎn)生方法中不同泵浦功率所對應的二次諧波輸出功率與脈沖寬度變化曲線圖(重復頻率為12KHZ)。
圖4為本發(fā)明高功率二次諧波激光產(chǎn)生方法中不同運轉(zhuǎn)重復頻率所對應的二次諧波輸出功率與脈沖寬度變化曲線圖(電流為24A)。
圖5為本發(fā)明高功率二次諧波激光產(chǎn)生方法中輸出的二次諧波激光長時間連續(xù)運轉(zhuǎn)穩(wěn)定性測試曲線圖(電流為22.5A，頻率為12KHZ)。
具體實施例方式
本發(fā)明高功率二次諧波激光產(chǎn)生方法的原理如圖1所示。紅外激光振蕩腔為閉路振蕩腔，包括大功率半導體激光二極管列陣側(cè)面泵浦的泵浦頭3，聲光開關(guān)2，端面反射鏡(1，6)和小角度輸出鏡4。用光學矩陣方法計算腔內(nèi)高斯模傳遞的空間分布，計算結(jié)果如圖2所示，通過計算熱透鏡、應力雙折射、熱退偏等效應，設計腔端面反射鏡(1，6)、小角度輸出鏡4的曲率和腔內(nèi)元件間的距離，確定紅外激光振蕩腔采用“V”型雙凹閉路振蕩腔結(jié)構(gòu)，采用該腔型，得到固體激光介質(zhì)內(nèi)基模尺寸為1.0mm。紅外激光振蕩腔在熱透鏡大范圍變化下仍然保持穩(wěn)定的振蕩，熱透鏡穩(wěn)定范圍為200mm到大于1000mm。在靠近端面反射鏡6的位置形成光腰，光腰處基模尺寸為0.3mm。由于紅外激光振蕩腔為“V”型雙凹閉路振蕩腔，且與大功率半導體二極管列陣側(cè)面泵浦的熱透鏡效應平衡，因此有很高的腔內(nèi)功率密度。光腰處功率密度大于50MW/cm2。
二次諧波激光振蕩腔為單端開式反射腔結(jié)構(gòu)，包括二倍頻非線性晶體5，小角度輸出鏡4和端面反射鏡6，在光腰處放置二倍頻非線性晶體5。
二次諧波激光的產(chǎn)生過程如下任意方向偏振的紅外激光作為基波經(jīng)小角度輸出鏡4反射后入射到二倍頻非線性晶體5上倍頻產(chǎn)生二次諧波激光，未倍頻轉(zhuǎn)換的基波與二次諧波激光一起經(jīng)端面反射鏡6反射后再次入射到二倍頻非線性晶體5上，再次產(chǎn)生二次諧波激光。兩次倍頻產(chǎn)生的二次諧波激光通過小角度輸出鏡4輸出。剩余的基波反射到端面反射鏡1上，并再次返回。由于紅外激光為閉路振蕩光，多次振蕩作用在二倍頻非線性晶體5上產(chǎn)生二次諧波激光，提高轉(zhuǎn)換效率。
實驗結(jié)果根據(jù)上述原理，建立了大功率半導體激光二極管列陣側(cè)面泵浦固體激光介質(zhì)腔內(nèi)倍頻實驗裝置。實驗結(jié)果如圖3，圖4，圖5所示。圖3為不同泵浦功率所對應的二次諧波輸出功率與脈沖寬度變化曲線圖；圖4為不同運轉(zhuǎn)重復頻率所對應的二次諧波輸出功率與脈沖寬度變化曲線圖；當運轉(zhuǎn)重復頻率為12KHZ時，諧波轉(zhuǎn)換效率最高，基波到二次諧波激光的轉(zhuǎn)換效率大于70％?？偣?光轉(zhuǎn)換效率大于17％。最大二次諧波激光輸出功率為86W，脈沖寬度T＜97ns。光脈沖瞬態(tài)峰值起伏ΔT＜6％(p-p)。二次諧波激光輸出光束直徑d＜2.5mm，光束發(fā)散角θ＜4.9mrad，光束質(zhì)量M2＜12。激光器能夠保持長時間的穩(wěn)定性，長時間運轉(zhuǎn)功率起伏ΔT＜2％(24小時)，如圖5所示。與美國相干公司的75W固體綠激光器光束質(zhì)量M2≈25相比較，證實本發(fā)明達到國際先進水平。
綜上所述，本發(fā)明高功率二次諧波激光產(chǎn)生方法通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)設計了紅外激光振蕩腔，經(jīng)端面反射鏡6反射后，紅外激光作為基波通過小角度輸出鏡4反射射入二倍頻非線性晶體5產(chǎn)生二次諧波激光經(jīng)端面反射鏡6反射后通過小角度輸出鏡4輸出；采用雙方向倍頻，單方向反射和小角度偏振耦合，輸出單束二次諧波激光；紅外激光“V”型雙凹閉路振蕩腔設計為與固體激光介質(zhì)熱透鏡平衡高功率密度穩(wěn)定腔結(jié)構(gòu)；二倍頻非線性晶體5為II類LBO晶體；泵浦固體激光介質(zhì)為Nd:YAG晶體；所使用的泵浦光源為大功率半導體激光二極管列陣；所使用的泵浦方式為側(cè)面泵浦；采用聲光開關(guān)作為光開關(guān)；激光腔結(jié)構(gòu)采用“V”型雙凹折疊腔。
根據(jù)本發(fā)明高功率二次諧波激光產(chǎn)生方法的原理，不難理解所使用的二倍頻非線性晶體可以為II類LBO，或者II類CLBO，II類BBO，KTP晶體；所使用的泵浦固體激光介質(zhì)可以為Nd:YAG，或者Nd:YVO4，Nd:GdVO4，Nd:YLF，Nd:Glass，Yb:YAG，Er:YAG；泵浦光源可以為大功率半導體激光二極管列陣，或者氪燈，氙燈；泵浦方式可以為側(cè)面泵浦或者端面泵浦；光開關(guān)可以為聲光開關(guān)，或者電光開關(guān)，飽和吸收型被動Q開關(guān)。
本發(fā)明所具有的優(yōu)點是1、計算了大功率半導體激光二極管側(cè)面泵浦固體激光介質(zhì)的熱透鏡，應力雙折射，熱退偏等效應，設計合適的腔結(jié)構(gòu)、腔內(nèi)元件間的距離、鏡片曲率參數(shù)，使固體激光介質(zhì)內(nèi)基模尺寸達到極大，同時使腔內(nèi)形成小尺寸、高功率密度的光腰，將二倍頻非線性晶體放置在光腰位置，達到高轉(zhuǎn)換效率二次諧波激光輸出。
2、采用“V”型折疊腔結(jié)構(gòu)，減少偏振耦合損耗得到單束二次諧波激光輸出，既解決了直線腔輸出兩束光問題，又有利于基波在腔內(nèi)振蕩和二次諧波激光的輸出。
3、設計合適的腔結(jié)構(gòu)，腔內(nèi)元件間的距離和鏡片曲率參數(shù)，采用雙凹腔結(jié)構(gòu)，使紅外激光振蕩腔在熱透鏡大范圍變化下仍然保持穩(wěn)定的振蕩。激光器能保持長時間穩(wěn)定工作。
4、采用本發(fā)明研制的激光器結(jié)構(gòu)簡單，易工業(yè)化生產(chǎn)。
權(quán)利要求
1.一種高功率二次諧波激光產(chǎn)生方法，其特征在于采用大功率泵浦源泵浦固體激光介質(zhì)，設計了紅外激光“V”型雙凹閉路振蕩腔，紅外激光作為基波通過小角度反射射入二倍頻非線性晶體產(chǎn)生二次諧波激光，該二次諧波激光經(jīng)端面反射鏡反射后通過小角度輸出鏡輸出，采用雙方向倍頻，單方向反射和小角度偏振耦合，輸出單束二次諧波激光。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高功率二次諧波激光產(chǎn)生方法，其特征在于采用的大功率泵浦光源為大功率半導體激光二極管列陣，或氪燈，氙燈。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高功率二次諧波激光產(chǎn)生方法，其特征在于泵浦方式采用側(cè)面泵浦或端面泵浦。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高功率二次諧波激光產(chǎn)生方法，其特征在于固體激光介質(zhì)可以為Nd:YAG，或者Nd:YVO4，Nd:GdVO4，Nd:YLF，Nd:Glass，Yb:YAG，Er:YAG。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高功率二次諧波激光產(chǎn)生方法，其特征在于二倍頻非線性晶體可以為II類LBO，或II類CLBO，II類BBO，KTP晶體。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高功率二次諧波激光產(chǎn)生方法，其特征在于光開關(guān)采用聲光開關(guān)，或者電光開關(guān)，飽和吸收型被動Q開關(guān)。
全文摘要
一種高功率二次諧波激光產(chǎn)生方法，采用大功率泵浦源泵浦固體激光介質(zhì)，設計了紅外激光“V”型雙凹閉路振蕩腔，紅外激光作為基波通過小角度反射射入二倍頻非線性晶體產(chǎn)生二次諧波激光，該二次諧波激光經(jīng)端面反射鏡反射后通過小角度輸出鏡輸出，采用雙方向倍頻，單方向反射和小角度偏振耦合，輸出單束二次諧波激光。設計了紅外激光“V”型雙凹閉路振蕩腔，使固體激光介質(zhì)內(nèi)基模尺寸達到極大，使腔內(nèi)形成小尺寸、高功率密度的光腰，將二倍頻非線性晶體放置在光腰位置，達到高轉(zhuǎn)換效率二次諧波激光輸出。采用“V”型折疊腔結(jié)構(gòu)，有利于基波在腔內(nèi)振蕩和二次諧波激光的輸出。采用雙凹腔，使紅外激光振蕩腔在熱透鏡大范圍變化下仍然保持穩(wěn)定的振蕩。
文檔編號H01S3/16GK1897371SQ20051003598
公開日2007年1月17日 申請日期2005年7月13日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月13日
發(fā)明者周復正, 陳莉英, 馬淑貞, 高云峰 申請人:深圳市大族激光科技股份有限公司