專(zhuān)利名稱(chēng)：無(wú)增益競(jìng)爭(zhēng)三波長(zhǎng)激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種無(wú)增益競(jìng)爭(zhēng)三波長(zhǎng)激光器，以串聯(lián)泵浦的形式實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)三能級(jí)激光、四能級(jí)激光及其一階斯托克斯自拉曼激光同時(shí)穩(wěn)定高效輸出，屬于激光技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
通過(guò)三波長(zhǎng)激光非線(xiàn)性混頻(倍頻、和頻、差頻)能夠獲得某些特殊波段的波長(zhǎng)。 如480 520nm波段，該波段與氬離子激光器的發(fā)射波段相同；再如550 600nm，該波段在光譜分析、軍事、天文觀測(cè)、激光引導(dǎo)星等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用；而通過(guò)差頻產(chǎn)生的THz波段在生物體的無(wú)損探測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)和通信等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。有關(guān)由一個(gè)激光器同時(shí)輸出三個(gè)不同波長(zhǎng)激光的已知技術(shù)是一項(xiàng)名為“三波長(zhǎng)釹激光器腔內(nèi)或腔外倍頻的紅綠藍(lán)三基色激光器”中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng)所公開(kāi)的方案。該方案涉及一種三波長(zhǎng)激光器，基于同一釹激光晶體中釹離子4f3/2-4f13/2、4f3/2-4f11/2和4f3/2-4f9/2躍遷產(chǎn)生的I. 3 i! m、I i! m和0. 9 i! m的三波長(zhǎng)激光通過(guò)腔內(nèi)或腔外倍頻獲得紅藍(lán)綠三基色激光。以腔內(nèi)倍頻為例說(shuō)明該激光器的結(jié)構(gòu)及工作過(guò)程，見(jiàn)圖I所示。NchYAlO3晶體I外套通冷卻液的石英玻璃管2。采用側(cè)面泵浦方式，LD泵浦3的驅(qū)動(dòng)源及冷卻控溫裝置4工作， 泵浦光波長(zhǎng)是803nm，激發(fā)NchYAlO3晶體I同時(shí)產(chǎn)生1341. 4nm、1079. 5nm、930nm輻射，經(jīng)過(guò)大色散率的色散棱鏡5、6分束，在由全反射介質(zhì)鏡7、8、9分別與全反射雙色鏡10、11、12構(gòu)成三個(gè)諧振腔內(nèi)諧振。1341. 4nm、1079. 5nm、930nm諧振光分別由倍頻非線(xiàn)性晶體16、17、18 倍頻得到各自的諧波670. 7nm、539. 7nm、465nm，再分別由聲光調(diào)制器19、20、21調(diào)制成高重復(fù)率納秒級(jí)短脈沖，分別從透反射雙色鏡13、14、15輸出。所述已知技術(shù)存在以下不足其一，由于同一種摻釹激光晶體的不同躍遷譜線(xiàn)發(fā)射截面相差很大，例如，I. 06um(1079. 5nm)和0. 9um(930nm)波長(zhǎng)發(fā)射截面相差10 20 倍，見(jiàn)下表，
晶體Nd:YAGNd:YV04Nd:GdV04Nd:YA103Nd:YLF入 i(nm)10641064106310791047入2(nm)94691491293090802/010.090.040.060.090.06 在不同躍遷譜線(xiàn)之間存在非常強(qiáng)烈的增益競(jìng)爭(zhēng)，因此，已知技術(shù)采用同一激光增益介質(zhì)同時(shí)實(shí)現(xiàn)1341. 4nm、1079. 5nm和930nm三波長(zhǎng)激光輸出，很容易造成兩種波長(zhǎng)激光光強(qiáng)增強(qiáng)而另外一種波長(zhǎng)激光光強(qiáng)減弱，即此漲彼消的后果，使得該三個(gè)波長(zhǎng)的激光很難同時(shí)穩(wěn)定振蕩；其二，1341. 4nm和1079. 5nm均為四能級(jí)激光,在4F5/2-4F3/2無(wú)福射躍遷過(guò)程中產(chǎn)生大量的廢熱而降低激光器的穩(wěn)定性，另外，該方案泵浦方式為普通泵浦，也會(huì)產(chǎn)生較多的廢熱；其三，當(dāng)采用803nm半導(dǎo)體激光泵浦時(shí)，泵浦光光子和激光光子之間存在較大的斯托克斯頻移以及較低的斯托克斯效率。

發(fā)明內(nèi)容
3
為了消除三波長(zhǎng)激光器增益競(jìng)爭(zhēng)、降低激光器廢熱量、減小斯托克斯頻移、提高斯托克斯效率，進(jìn)而獲得三波長(zhǎng)激光同時(shí)穩(wěn)定高效的輸出，我們發(fā)明了一種無(wú)增益競(jìng)爭(zhēng)三波長(zhǎng)激光器。本發(fā)明之激光器由一個(gè)長(zhǎng)諧振腔內(nèi)含一個(gè)短諧振腔，二者共光路、共用一個(gè)輸出耦合鏡，泵浦位于長(zhǎng)諧振腔全反鏡外側(cè)的光路上，聚光鏡位于長(zhǎng)諧振腔激光晶體與短諧振腔激光晶體之間及短諧振腔全反鏡外側(cè)的光路上，其特征在于，泵浦為885nm或者888nm半導(dǎo)體激光泵浦；長(zhǎng)諧振腔激光晶體為非鍵合激光晶體，產(chǎn)生準(zhǔn)三能級(jí)激光X1 ;短諧振腔激光晶體為鍵合自拉曼激光晶體，同時(shí)產(chǎn)生四能級(jí)激光入2及其自拉曼激光λ3。本發(fā)明其技術(shù)效果在于，來(lái)自泵浦的885nm或者888nm泵浦光透過(guò)長(zhǎng)諧振腔全反鏡為長(zhǎng)諧振腔激光晶體提供泵浦能量，這種泵浦方式屬于熱助推泵浦，能夠有效減少長(zhǎng)諧振腔中的廢熱，同時(shí)減小泵浦光光子和激光光子之間的斯托克斯頻移，提高斯托克斯效率， 從而提高準(zhǔn)三能級(jí)激光X1的轉(zhuǎn)換效率。所產(chǎn)生的準(zhǔn)三能級(jí)激光A1—部分作為長(zhǎng)諧振腔激光晶體的泵浦光，這種泵浦方式也屬于熱助推泵浦，同樣能夠減少短諧振腔中的廢熱。由于在該方案中兩個(gè)泵浦過(guò)程屬于串聯(lián)式熱助推泵浦，這樣能夠更有效減少整個(gè)激光器中的廢熱。另外，腔內(nèi)的一部分準(zhǔn)三能級(jí)激光X1作為泵浦光具有足夠的泵浦功率，從而能夠極大提高拉曼光的轉(zhuǎn)換效率，因此，本發(fā)明能夠獲得準(zhǔn)三能級(jí)激光X1、四能級(jí)激光λ2及其自拉曼激光λ 3三種波長(zhǎng)激光同時(shí)穩(wěn)定高效輸出。本發(fā)明采用兩個(gè)激光晶體同時(shí)獲得三波長(zhǎng)激光輸出，不會(huì)出現(xiàn)在單個(gè)激光晶體中多條躍遷譜線(xiàn)之間的增益競(jìng)爭(zhēng)現(xiàn)象。各個(gè)波長(zhǎng)激光的能級(jí)不同，也降低廢熱的產(chǎn)生。


圖I為已知技術(shù)中三波長(zhǎng)釹激光器腔內(nèi)或腔外倍頻的紅綠藍(lán)三基色激光器結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明之無(wú)增益競(jìng)爭(zhēng)三波長(zhǎng)激光器結(jié)構(gòu)示意圖，該圖兼作為摘要附圖。圖 3為本發(fā)明無(wú)增益競(jìng)爭(zhēng)三波長(zhǎng)激光器中的鍵合自拉曼激光晶體結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明之激光器具體實(shí)施方式
如下，見(jiàn)圖2所示。該激光器由一個(gè)長(zhǎng)諧振腔內(nèi)含一個(gè)短諧振腔，二者共光路、共用一個(gè)輸出I禹合鏡22。長(zhǎng)諧振腔由輸出I禹合鏡22與長(zhǎng)諧振腔全反鏡23構(gòu)成。長(zhǎng)諧振腔全反鏡23的腔內(nèi)表面為凹面或者平面，優(yōu)選平面；該表面膜系對(duì)準(zhǔn)三能級(jí)激光λ i具有大于99%的反射率，同時(shí)對(duì)泵浦光具有大于99%的透射率。短諧振腔由輸出耦合鏡22與短諧振腔全反鏡24構(gòu)成。短諧振腔全反鏡24腔外表面為平面，該表面膜系對(duì)準(zhǔn)三能級(jí)激光λ :具有大于99%的透射率；其腔內(nèi)表面為凹面或者平面，優(yōu)選平面，該表面膜系對(duì)準(zhǔn)三能級(jí)激光λ :具有大于99%的透射率，同時(shí)對(duì)四能級(jí)激光λ2及其自拉曼激光λ3均具有大于99%的反射率。輸出耦合鏡22腔內(nèi)表面為凹面或是平面，優(yōu)選凹面，該凹面的曲率半徑R為100mm;該凹面膜系對(duì)準(zhǔn)三能級(jí)激光X1、四能級(jí)激光λ 2及其自拉曼激光λ 3同時(shí)具有小于25%、大于15%的透射率，如對(duì)準(zhǔn)三能級(jí)激光A1具有15% 的透射率，對(duì)四能級(jí)激光λ 2具有20%的透射率，對(duì)自拉曼激光λ 3具有23%的透射率。泵浦25位于長(zhǎng)諧振腔全反鏡23外側(cè)的光路上，由半導(dǎo)體激光器擔(dān)當(dāng)，泵浦光波長(zhǎng)為885nm或者888nm，優(yōu)選888nm。聚光鏡26位于長(zhǎng)諧振腔激光晶體27與短諧振腔激光晶體28之間及短諧振腔全反鏡24外側(cè)的光路上。聚光鏡26是一種兩個(gè)通光面均為凸球面的正透鏡， 焦距f為50mm;其膜系對(duì)準(zhǔn)三能級(jí)激光入1具有大于99%的透射率。長(zhǎng)諧振腔激光晶體27 為非鍵合激光晶體，產(chǎn)生準(zhǔn)三能級(jí)激光λ i，是一種摻釹釩酸鹽晶體，優(yōu)選NchYVO4 ;長(zhǎng)諧振腔激光晶體27的兩個(gè)通光面為平行平面，其膜系對(duì)準(zhǔn)三能級(jí)激光λ i具有高于99. 9%的透射率。短諧振腔激光晶體28為鍵合自拉曼激光晶體，其中間段為摻雜區(qū)29，見(jiàn)圖3所示， 產(chǎn)生四能級(jí)激光λ 2;兩側(cè)段為未摻雜區(qū)30，產(chǎn)生自拉曼激光λ 3;摻雜區(qū)29與未摻雜區(qū)30 之間的界面為鍵合面31。短諧振腔激光晶體28也是一種摻釹釩酸鹽晶體，優(yōu)選NchLuVO4 ； 短諧振腔激光晶體28的兩個(gè)通光面為平行平面，其膜系對(duì)四能級(jí)激光入2及其自拉曼激光 λ 3同時(shí)具有高于99. 9%的透射率。根據(jù)泵浦25的功率、激光晶體實(shí)際輸出指標(biāo)以及摻雜濃度確定長(zhǎng)諧振腔激光晶體27及短諧振腔激光晶體28晶體棒尺寸，包括長(zhǎng)度和直徑。所述激光器的工作情況如下。隨著泵浦25功率的增加，首先在長(zhǎng)諧振器激光晶體27的Nd = YVO4激光增益介質(zhì)中產(chǎn)生914nm的準(zhǔn)三能級(jí)激光λ i，準(zhǔn)三能級(jí)激光λ :譜線(xiàn)在 NchYVO4激光增益介質(zhì)中躍遷，進(jìn)而在長(zhǎng)諧振腔中形成激光振蕩，準(zhǔn)三能級(jí)激光λ i功率在長(zhǎng)諧振腔內(nèi)循環(huán)放大。準(zhǔn)三能級(jí)激光λ , 一部分作為短諧振腔激光晶體28的腔內(nèi)直接泵浦光，其余部分成為輸出激光。當(dāng)準(zhǔn)三能級(jí)激光X1功率大于短諧振腔的起振閾值時(shí)，激光增益介質(zhì)為NchLuVO4的短諧振腔激光晶體28同時(shí)產(chǎn)生1064nm的四能級(jí)激光λ 2和1178nm 的自拉曼激光λ 3，四能級(jí)激光λ 2譜線(xiàn)在NchLuVO4激光增益介質(zhì)中躍遷，進(jìn)而在短諧振腔中形成激光振蕩。四能級(jí)激光λ 2—部分通過(guò)短諧振腔激光晶體28產(chǎn)生一階斯托克斯自拉曼激光λ 3，其余部分成為輸出激光。一階斯托克斯自拉曼激光入3可以看成是四能級(jí)激光 λ 2的腔內(nèi)插入損耗，通過(guò)優(yōu)化短諧振腔使一階斯托克斯自拉曼激光λ3和四能級(jí)激光λ2 達(dá)到最佳運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，這時(shí)可以得到短諧振腔所需的最佳泵浦功率。同時(shí)，短諧振腔激光晶體 28所吸收的準(zhǔn)三能級(jí)激光λ i也可以看成是腔內(nèi)插入損耗，據(jù)此來(lái)優(yōu)化長(zhǎng)諧振腔，使其達(dá)到最佳運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。最終得到準(zhǔn)三能級(jí)激光X1、四能級(jí)激光λ2、自拉曼激光入3同時(shí)穩(wěn)定輸出。
權(quán)利要求
1.一種無(wú)增益競(jìng)爭(zhēng)三波長(zhǎng)激光器，由一個(gè)長(zhǎng)諧振腔內(nèi)含一個(gè)短諧振腔，二者共光路、 共用一個(gè)輸出耦合鏡，泵浦位于長(zhǎng)諧振腔全反鏡外側(cè)的光路上，聚光鏡位于長(zhǎng)諧振腔激光晶體與短諧振腔激光晶體之間及短諧振腔全反鏡外側(cè)的光路上，其特征在于，泵浦為885nm 或者888nm半導(dǎo)體激光泵浦；長(zhǎng)諧振腔激光晶體為非鍵合激光晶體，產(chǎn)生準(zhǔn)三能級(jí)激光 A1 ;短諧振腔激光晶體為鍵合自拉曼激光晶體，同時(shí)產(chǎn)生四能級(jí)激光入2及其自拉曼激光
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的無(wú)增益競(jìng)爭(zhēng)三波長(zhǎng)激光器，其特征在于，長(zhǎng)諧振腔激光晶體(27)是一種摻釹釩酸鹽晶體，優(yōu)選NchYVO4;長(zhǎng)諧振腔激光晶體(27)的兩個(gè)通光面為平行平面，其膜系對(duì)準(zhǔn)三能級(jí)激光λ i具有高于99. 9%的透射率。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的無(wú)增益競(jìng)爭(zhēng)三波長(zhǎng)激光器，其特征在于，短諧振腔激光晶體(28)其中間段為摻雜區(qū)(29)，產(chǎn)生四能級(jí)激光λ2;兩側(cè)段為未摻雜區(qū)(30)，產(chǎn)生自拉曼激光λ3;摻雜區(qū)(29)與未摻雜區(qū)(30)之間的界面為鍵合面(31)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的無(wú)增益競(jìng)爭(zhēng)三波長(zhǎng)激光器，其特征在于，短諧振腔激光晶體 (28)是一種摻釹釩酸鹽晶體，優(yōu)選NchLuVO4;短諧振腔激光晶體(28)的兩個(gè)通光面為平行平面，其膜系對(duì)四能級(jí)激光入2及其自拉曼激光λ 3同時(shí)具有高于99. 9%的透射率。
全文摘要
無(wú)增益競(jìng)爭(zhēng)三波長(zhǎng)激光器屬于激光技術(shù)領(lǐng)域。已知技術(shù)在不同躍遷譜線(xiàn)之間存在非常強(qiáng)烈的增益競(jìng)爭(zhēng)；激光器的廢熱產(chǎn)生量大；在泵浦光光子和激光光子之間存在較大的斯托克斯頻移以及較低的斯托克斯效率。本發(fā)明之激光器由一個(gè)長(zhǎng)諧振腔內(nèi)含一個(gè)短諧振腔，二者共光路、共用一個(gè)輸出耦合鏡，泵浦位于長(zhǎng)諧振腔全反鏡外側(cè)的光路上，聚光鏡位于長(zhǎng)諧振腔激光晶體與短諧振腔激光晶體之間及短諧振腔全反鏡外側(cè)的光路上；泵浦為885nm或者888nm半導(dǎo)體激光泵浦；長(zhǎng)諧振腔激光晶體為非鍵合激光晶體，產(chǎn)生準(zhǔn)三能級(jí)激光λ1；短諧振腔激光晶體為鍵合自拉曼激光晶體，同時(shí)產(chǎn)生四能級(jí)激光λ2及其自拉曼激光λ3。本發(fā)明用來(lái)獲得三波長(zhǎng)激光，作為基頻光通過(guò)混頻獲得新的波長(zhǎng)的激光。
文檔編號(hào)H01S3/082GK102593700SQ20121003087
公開(kāi)日2012年7月18日 申請(qǐng)日期2012年2月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月13日
發(fā)明者呂彥飛, 張喜和, 李述濤, 董淵, 金光勇 申請(qǐng)人:長(zhǎng)春理工大學(xué)