專利名稱：自倍頻激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于激光技術(shù)和信息領(lǐng)域。
近年來，半導(dǎo)體激光器(LD)和LD泵浦的固體激光器得到迅速的發(fā)展。藍-綠激光的波長比紅外波段激光的波長更短，能被聚焦成一個更小的光斑;并且由于藍-綠光波段是水下通訊的一個窗口，因此它在光盤，圖象處理，彩色投影，激光打印，光纖通訊，光纖傳感和水下光通訊等技術(shù)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。因此能產(chǎn)生藍-綠激光的倍頻激光器和自倍頻激光器，尤其是用LD泵浦的倍頻器和自倍頻激光器引起了人們的極大興趣。
LD泵浦的倍頻固體激光器是一種全固化器件，具有體積小，穩(wěn)定性高，效率高等優(yōu)點。它將比氬離子激光器等有更廣泛的應(yīng)用。LD泵浦的腔外倍頻器件結(jié)構(gòu)簡單，但是倍頻效率相對低一些。一般的LD泵浦腔內(nèi)倍頻激光器由于在腔內(nèi)添加了一塊倍頻晶體，從而增加了腔內(nèi)損耗，降低了效率，提高了器件成本并使器件的制作困難。LD泵浦的自倍頻激光器利用同時具有激光功能和倍頻功能的復(fù)合功能激光晶體作為激光器工作介質(zhì)，既可輸出基頻激光，又可輸出倍頻激光。它克服了前述兩種倍頻器件的缺點，具有結(jié)構(gòu)緊湊，成本低，容易調(diào)整的優(yōu)點。LD泵浦的摻釹四硼酸鋁釔(NYAB)自倍頻激光器，它既可產(chǎn)生1.062μm基頻激光，又可產(chǎn)生0.531μm綠色倍頻激光，是至今已見報道的最好的自倍頻激光器。其工作原理是位于激光諧振腔內(nèi)的NYAB晶體吸收LD的泵浦光后，首先產(chǎn)生基頻光(1.062μm)振蕩，同時立即把基頻光轉(zhuǎn)換為倍頻光(0.531μm)，從而形成LD泵浦的自倍頻激光器。
實際應(yīng)用要求自倍頻激光器具有較低的閾值泵浦功率，高質(zhì)量的光束和高的能量轉(zhuǎn)換效率。但已見報導(dǎo)的自倍頻激光器尚不能滿足要求。雖然NYAB晶體是至今已見報道的最好的自倍頻激光晶體，但是LD泵浦的NYAB激光器的閾值泵浦功率還比較高，并且大多數(shù)不能得到基橫模運轉(zhuǎn)，輸出光束質(zhì)量較差，能量轉(zhuǎn)換效率還不夠高。這是LD泵浦的NYAB自倍頻激光器至今未能推廣應(yīng)用的主要原因。影響它性能的因素主要是NYAB晶體質(zhì)量。NYAB晶體是用鹽熔液冷卻法生長出來的。由于工藝和晶體自身性質(zhì)的限制，它的生長十分困難，很難得到高質(zhì)量晶體。由于Nd3+的體積(半徑為1.03 )比Y3+的體積(半徑為0.93 )大一些，因此當(dāng)晶格中的Y3+被Nd3+取代時，晶格產(chǎn)生較大的畸變，晶體內(nèi)部經(jīng)常產(chǎn)生位錯、生長云層、異質(zhì)結(jié)構(gòu)夾層和雙晶等缺陷，晶體質(zhì)量不是很好，從而使器件性能大大降低。
本發(fā)明的目的是提出一種新型自倍頻激光器，它除了具有直接產(chǎn)生波長短的綠色倍頻激光、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、使用方便等優(yōu)點之外，還克服了見報導(dǎo)的LD泵浦的自倍頻激光器的不足之處，具有閾值泵浦功率低、光束質(zhì)量高、能量轉(zhuǎn)換效率高和器件性能一致性好從而適合批量生產(chǎn)等優(yōu)點，可以滿足實際應(yīng)用的要求。
本發(fā)明提出的新型自倍頻激光器主要由泵浦光源、自倍頻激光晶體和由放在自倍頻激光晶體兩端的兩面反射鏡構(gòu)成的激光諧振腔共同組成。它的最主要的特征在于采用性能優(yōu)良的摻镥釹四硼酸鋁釔(LuxNdgY1-x-yAl3(BO3)4，簡稱LNYAB)自倍頻激光晶體作為激光器工作物質(zhì)，泵浦光經(jīng)過輸入端反射鏡后進入自倍頻激光晶體，當(dāng)泵浦光功率超過閾值泵浦功率時，在激光諧振腔輸出端反射鏡一端可得到倍頻光輸出。泵浦光源可選用LD。從泵浦光源發(fā)出的光入射到LNYAB晶體內(nèi)，對其進行泵浦。為提高泵浦效率，上述自倍頻激光器的半導(dǎo)體激光器與LNYAB晶體之間設(shè)置有耦合系統(tǒng)，使半導(dǎo)體激光器發(fā)出的光經(jīng)耦合射入LNYAB晶體之中。耦合系統(tǒng)可以用透鏡構(gòu)成，也可由透鏡與光纖共同組成，即先用透鏡將半導(dǎo)體激光器發(fā)出的光束聚焦耦合進光纖的一端，再把從光纖另一端出射的光耦合到倍頻晶體中。采用這種耦合系統(tǒng)也可使泵浦光源與自倍頻激光器遠離，使倍頻激光器使用更方便、靈活。
本發(fā)明所述的自倍頻激光器的諧振腔可以采用多種結(jié)構(gòu)，如介質(zhì)膜反射鏡可直接在LNYAB晶體兩端面上鍍上介質(zhì)膜反射鏡，構(gòu)成全內(nèi)腔式自倍頻激光器;也可在LNYAB晶體的一個端面上鍍上介質(zhì)膜反射鏡，晶體的另一端放置一分離的介質(zhì)膜反射鏡，構(gòu)成半外腔式自倍頻激光器;還可以在LNYAB晶體的兩端分別放置分離的介質(zhì)膜反射鏡，構(gòu)成全外腔自倍頻激光器。在上述半外腔及全外腔結(jié)構(gòu)的諧振腔內(nèi)，可在光路中插入調(diào)制器和選頻器。
LNYAB晶體和NYAB晶體一樣，也是用鹽熔液冷卻法生長出來的。和NYAB晶體相比，LNYAB晶體的主要改進是它采用體積匹配的方法，同時用Nd3+和Lu3+(半徑為0.81
)作為摻雜，取代晶體中的Y3+，減小了晶格的失配。由于Nd3+的體積比Y3+的大，而Lu3+體積比Y3+的小，因此以適當(dāng)?shù)谋壤蚓w中摻入Nd3+和Lu3+以取代晶格中的Y3+，可以在相當(dāng)大的程度上減小晶格畸變，減小微區(qū)內(nèi)部應(yīng)力，從而有力地阻止了雜質(zhì)離子和異質(zhì)結(jié)構(gòu)物質(zhì)在晶體生長過程中進入晶格，提高了晶體的微觀均勻性，進而避免了位錯、生長云層、異質(zhì)結(jié)構(gòu)夾層和雙晶等缺陷的產(chǎn)生，提高晶體質(zhì)量，使器件性能大大提高。LNYAB晶體折射率、吸收光譜和熒光光譜等性質(zhì)和NYAB晶體的很接近。它的吸收光譜在0.803-0.804μm和0.808-0.809μm處光器的工作物質(zhì)。
本發(fā)明提出的新型自倍頻激光器和已見報導(dǎo)的自倍頻激光器比較有如下優(yōu)點1、在不采用任何附加的選模元件的條件下，全部LD泵浦的LNYAB自倍頻激光器都是容易實現(xiàn)基橫模運轉(zhuǎn)，輸出高光束質(zhì)量的綠色激光。
2、LD泵浦的LNYAB自倍頻激光器的閾值泵浦功率大大降低，比已見報導(dǎo)的LD泵浦的NYAB自倍頻激光器的閾值泵浦功率降低74%。
3、LD泵浦的LNYAB自倍頻激光器的斜效率大大提高，比已見報導(dǎo)的LD泵浦的NYAB自倍頻激光器的斜效率提高20%。
4、LD泵浦的LNYAB自倍頻激光器的性能穩(wěn)定、一致。這使得LD泵浦的LNYAB自倍頻激光器的批量生產(chǎn)成為可能。
附圖簡要說明

圖1、LD泵浦LNYAB自倍頻激光器基本結(jié)構(gòu)示意2、本發(fā)明的LD泵浦緊耦合LNYAB自倍頻激光器結(jié)構(gòu)示意3、本發(fā)明的LD泵浦直接耦合LNYAB外腔自倍頻激光器結(jié)構(gòu)示意4、本發(fā)明的LD泵浦光纖耦合LNYAB半外腔自倍頻激光器結(jié)構(gòu)示意5、本發(fā)明的LD泵浦直接耦合LNYAB調(diào)Q半外腔自倍頻激光器結(jié)構(gòu)意圖下面結(jié)合附圖進一步描述本發(fā)明的實施方案。
本發(fā)明提出的新型自倍頻激光器的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。它主要由作為泵浦光源的半導(dǎo)體激光器LD1、自倍頻激光晶體2和在它兩端的兩面反射鏡3和4組成。這兩面反射鏡組成激光器的諧振腔。為了降低閾值泵浦功率和提高能量轉(zhuǎn)換效率，采用LD縱向同軸泵浦方式。由泵浦光源2發(fā)出的光進入自倍頻激光晶體后被吸收，自倍頻激光晶體被它泵浦。當(dāng)泵浦光功率超過閾值泵浦功率時，在輸出反射鏡4后可以得到綠色倍頻光輸出。
本發(fā)明的實施例一-LD泵浦緊耦合LNYAB自倍頻激光器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。它主要由作為泵浦光源的半導(dǎo)體激光器LD11、LNYAB自倍頻激光晶體12、激光諧振腔的球面輸入反射鏡13和平面輸出反射鏡14等元件組成。其特點是在LD和LNYAB晶體之間的距離很小，而兩面反射鏡分別是直接鍍在LNYAB晶體兩個端面上的介質(zhì)膜構(gòu)成的反射鏡。采用球面反射鏡作輸入反射鏡，可提高泵浦光利用率，降低腔內(nèi)損耗，提高輸出功率。泵浦光直接進入LNYAB晶體后，晶體被泵浦。其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，泵浦光的利用率高，器件調(diào)整容易，可得到較大功率倍頻光輸出。
本發(fā)明的實施例二-LD泵浦直接耦合LNYAB外腔自倍頻激光器的結(jié)構(gòu)如圖3所示。它主要由半導(dǎo)體激光器LD21、聚焦系統(tǒng)22、LNYAB自倍頻激光晶體23、由平面輸入反射鏡28和球面輸出反射鏡29等元件組成。其激光諧振腔為全外腔式，其特點是LD21和激光諧振腔輸入反射鏡28之間的有一定的距離，在它們之間有一個聚焦系統(tǒng)22。兩面反射鏡是分別放置在LNYAB晶體兩側(cè)的介質(zhì)膜反射鏡。LNYAB晶體放置在一恒溫室24中，恒溫室24由控溫儀250控制溫度，使放在恒溫室的晶體保持恒定的溫度。該恒溫室可由外壁繞有電熱絲的套筒組成。半導(dǎo)體激光器21由控溫儀251控制其溫度使其輸出波長更加穩(wěn)定的泵浦光。其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)比較簡單;泵浦光光束經(jīng)過聚焦系統(tǒng)聚焦后進入LNYAB晶體時，泵浦光光束可以和激光諧振腔的基橫模在空間上很好地匹配，從而提高泵浦光的利用率，并更容易得到基橫模運轉(zhuǎn);外腔結(jié)構(gòu)可以降低對LNYAB晶體的加工精度的要求。
本發(fā)明的實施例三-LD泵浦光纖耦合LNYAB半外腔自倍頻激光器的結(jié)構(gòu)如圖4所示。它主要包括下述各部分，半導(dǎo)體激光器LD31、耦合光纖33、聚焦系統(tǒng)320和321，放置在恒溫室35之中的LNYAB自倍頻激光晶體34、由直接鍍在自倍頻激光晶體34一端面上的介質(zhì)膜輸入反射鏡37和放置在激光晶體另一端的分離的輸出反射鏡39構(gòu)成的半外腔式激光諧振腔，恒溫室35及半導(dǎo)體激光器31分別由控溫儀360和361控制其溫度。用控溫儀361控制LD的工作溫度，使它的工作波長和LNYAB晶體的吸收峰準(zhǔn)確匹配，以得到高的泵浦效率;用控溫儀360控制LNYAB晶體的工作溫度，使它達到相位匹配條件。其特點是用位于LD和激光諧振腔輸入端反射鏡之間的耦合光纖和兩個聚焦系統(tǒng)把LD的泵浦光耦合到LNYAB晶體中;諧振腔的輸入反射鏡是在LNYAB晶體輸入端端面上的介質(zhì)膜反射鏡。其優(yōu)點是利用光纖耦合的方法可使LD和自倍頻晶體相互遠離的自倍頻激光器成為可能，使器件的使用更方便;泵浦光光束可以和激光諧振腔的基橫模在空間上很好地匹配，泵浦光利用率高，減少LD較差的光束質(zhì)量對器件性能的影響，更容易得到基橫模運轉(zhuǎn)，并使更大功率和高光束質(zhì)量的倍頻激光器件成為可能;半外腔結(jié)構(gòu)降低了腔內(nèi)損耗，并使器件調(diào)整容易。
本發(fā)明的實施例四-LD泵浦直接耦合LNYAB調(diào)Q半外腔自倍頻激光器的結(jié)構(gòu)如圖5所示。它主要由半導(dǎo)體激光器LD41、聚焦系統(tǒng)42、LNYAB自倍頻激光晶體43、調(diào)制器48、激光諧振腔的輸入反射鏡46，輸出反射鏡49等元件組成。其特點是LD和激光諧振腔輸入端反射鏡之間有一個聚焦系統(tǒng);諧振腔的輸入反射鏡是在LNYAB晶體輸入端端面上的介質(zhì)膜反射鏡;在LNYAB晶體和諧振腔輸出端反射鏡之間有調(diào)制器，用于對激光進行調(diào)制以得到大功率的脈沖激光束。其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)比較簡單;泵浦光光束可以和激光諧振腔的基橫模在空間上很好地匹配，泵浦光利用率高，并更容易得到基橫模運轉(zhuǎn);半外腔結(jié)構(gòu)降低了腔內(nèi)損耗，并使器件調(diào)整容易;可以得到大功率巨脈沖輸出和實現(xiàn)鎖模。
在上述的各實施例中，除了反射鏡之外，所有通光界面都鍍有介質(zhì)增透膜(26，27，38，47，481482)，以降低損耗。
權(quán)利要求
1.一種自倍頻激光器，由用激光介質(zhì)膜反射鏡組成的激光諧振腔，置于該諧振腔之中的自倍頻激光晶體和用以激勵該激光晶體的泵浦光源所組成，其特征在于所說的自倍頻激光晶體為摻镥釹四硼酸鋁釔晶體(LNYAB)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自倍頻激光器，其特征在于所說的泵浦光源是半導(dǎo)體激光器。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的自倍頻激光器，其特征在于由所說的LNYAB晶體和半導(dǎo)體激光器之間有耦合系統(tǒng)，從該半導(dǎo)體激光器發(fā)出的光經(jīng)過該耦合系統(tǒng)后進入該LNYAB晶體。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的自倍頻激光器，其特征在于所說的耦合系統(tǒng)是由透鏡組成。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的自倍頻激光器，其特征在于所說的耦合系統(tǒng)是由光纖和用透鏡組成的聚焦系統(tǒng)共同組成的耦合系統(tǒng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自倍頻激光器，其特征在于所說的激光諧振腔的介質(zhì)膜反射鏡是由直接鍍在所說的LNYAB晶體兩端面的介質(zhì)膜反射鏡所組成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自倍頻激光器，其特征在于所說的激光諧振腔是由分別放置在所說的LNYAB晶體兩端分離的兩個介質(zhì)膜反射鏡組成。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自倍頻激光器，其特征在于所說的激光諧振腔是由直接鍍在所說的LNYAB晶體端介質(zhì)膜反射鏡和放在LNYAB晶體另一端的分離的反射鏡組成。
9.根據(jù)權(quán)利要求1，2，3，4，5或7所述的自倍頻激光器，其特征在于所說的激光諧振腔內(nèi)光路中放置有調(diào)制器。
10.根據(jù)權(quán)利要求1，2，3，4，5或8所述的自倍頻激光器，其特征在于所說的激光諧振腔內(nèi)光路中放置有調(diào)制器。
11.根據(jù)權(quán)利要求1，2，3，4，5或7所述的自倍頻激光器，其特征在于所說的激光諧振腔內(nèi)光路中放置有選頻器。
12.根據(jù)權(quán)利要求1，2，3，4，5或8所述的自倍頻激光器，其特征在于所說的激光諧振腔內(nèi)光路中放置有選頻器。
全文摘要
一種新型自倍頻激光器，屬于激光技術(shù)和信息領(lǐng)域。本發(fā)明是由用激光介質(zhì)膜反射鏡組成的激光諧振器腔，置于該諧振腔之中的自倍頻激光晶體，和泵浦光源所組成，其特征在于所說的自倍頻激光晶體為LNYAB晶體。它具有泵浦功率閾值低、光束質(zhì)量高、輸出功率大、體積小、壽命長、效率高和性能穩(wěn)定的優(yōu)點，在激光技術(shù)、光盤、激光打印、光通訊和醫(yī)療等技術(shù)領(lǐng)域有重要的應(yīng)用。
文檔編號H01S3/16GK1070772SQ92109779
公開日1993年4月7日 申請日期1992年8月28日 優(yōu)先權(quán)日1992年8月28日
發(fā)明者霍玉晶, 王璞, 吳紅兵, 潘恒福, 蔡金星, 陸寶生, 周炳琨 申請人:清華大學(xué), 山東大學(xué)