专利名称：角锥棱镜非平面单向行波环形腔单频固体激光器的制作方法
技术领域：
本发明为角锥棱镜非平面单向行波环形腔单频固体激光器，属光电子技术领域。
产生大功率高相干性激光辐射的单频固体激光器一直是光电子技术领域的研究重点之一。其实现方法已有薄片腔法[1]、F-P标准具法[2]、扭转模腔法[3]、声光调制器法[4]和平面环形腔中加入光学单向器[5]等方法。1985年美国的Kane和Byer发明了单块非平面环形腔单频固体激光器[6]，此种激光器仅由一块激光晶体组成，由半导体激光器端面泵浦，可得到较高功率、稳定输出的单频激光，世界各国争相效仿。其不足为(1)晶体几何形状复杂，加工工艺困难，周期长，成本高；(2)只适宜端面泵浦激光单频输出功率受到限制；(3)晶体中的激光振荡环路只有一条，抗损坏能力低。
现有文献1.J.J.Zaghowski et al，″Single frequency microchip Nd lasers″，Opt.Lett.，Vol.14，P24-26，1989.2.R.Knappe et al，″Compact single-frequency diode pumped CrLiSAF lasers″，OpticsCommunications，Vol.143，P42-46，1997.3.K.Wallmeroth，″Monolithic integrated NdYAG laser″，Opt.Lett.，Vol.15，No.16，P903-905，1990.4.W.A.Clarkson et al，″Unidirectional operation of ring laser via the acousto optics effect″，IEEE Journal of Quantum Electronics，Vol.32，No.2，P311-325，1996.5.R.Scheps et al，″A single frequency NdYAG ring laser pumped by laser diodes″，IEEE Journalof Quantum Electronics，Vol.26，No.3，P413-416，1990.6.T.J.Kane，R.L.Byer，″Monolithic，unidirectional single-mode NdYAG ring laser″，Opt.Lett.，Vol.10，No.2，P65-67.1985.7.I.Freitag，A.Tünnermann，US6002704A，H01S 3/083，Monolithic，non-planar ring laserwith Q-switched single-frequency operation，1999.8.T.J.Kane，R.L.Byer，US4578793A，H01S 3/083，Solid-state non-planar internallyreflecting ringlaser，1986.9.臧二军，曹红军，沈乃徽，CN2344897Y，H01S 3/16，半非平面固体环形激光器，1998。10.E.C.Rea，A.C.Nillsson，US5027367，H01S 3/083，Single-frequency monolithic nonplanarring laser and method for determining same，1991.
本发明目的是由普通标准棱镜组成非平面单向行波环形激光谐振腔，可采用半导体激光器(LD)端面泵浦或侧面泵浦，实现稳定的大功率单频激光振荡。
本发明目的由如下技术方案实现。激光器由角锥棱镜和对称式直角棱镜或倾斜式直角棱镜组成，角锥棱镜置于直角棱镜的顶部，角锥棱镜底面和直角棱镜顶面镀振荡光的增透膜。直角棱镜由激光增益晶体组成，直角棱镜侧面与一个直角面的夹角为α。对称式直角棱镜的α＝45°，两个直角面是全内反射面，在一个或两个直角面贴非增益晶体即可实现泵浦光导入和振荡光输出功能。倾斜式直角棱镜的α≠45°。当两个直角面是全内反射直角面时，在一个或两个直角面贴非增益晶体即可实现泵浦光导入和振荡光输出功能。当倾斜式直角棱镜的α小于相应激光增益晶体的全内反射临界角时，一个直角面是全内反射面，而另一个直角面是部分反射直角面，在部分反射直角面上镀对泵浦光的增透膜和振荡光的偏振输出膜以实现端面泵浦光的导入和振荡激光的输出，或只镀振荡光的偏振输出膜实现振荡光的输出，而在直角棱镜侧面镀泵浦光的增透膜实现泵浦光的导入。角锥棱镜与对称式直角棱镜或倾斜式直角棱镜可为一体，形成具有极稳定单频输出的固体激光器。
角锥棱镜式非平面单向行波环形腔单频固体激光器与已有的各种单频固体激光器相比有如下优点1.可采用端面和侧面泵浦方式，得到较大功率的单频激光。
2.在固定的偏振输出反射膜参数条件下，可通过旋转角锥棱镜调整输出激光的偏振度及其实际输出耦合。
3.激光腔由熟知的角锥棱镜和直角棱镜组成，加工工艺非常成熟，可大大减少加工周期和成本而且成品激光器不易失调。
4.振荡光在腔内的环路有多条，可通过选择不同环路避开晶体中损伤的部位，激光器抗损伤能力强。
5.可在两棱镜之间方便地插入其它元件，如磁光晶体、Q开关、相位调制器、倍频晶体等，使激光器提高单纵模控制能力，实现调Q高峰值功率脉冲运转、频率调谐或倍频输出等各种功能。
6.将角锥棱镜与直角棱镜横向失调一个小位移，在直角输出面镀1.06μm增透膜，即可构成光再生放大器，通过注入一个较低功率的稳定单频激光，得到大功率稳定单频输出。
7.可将角锥棱镜与直角棱镜和成一体，制成单块化的激光器，输出很稳定的单频激光。
本发明的具体内容由图一至图三给出。
图一(a)为具有对称式直角棱镜的角锥棱镜非平面单向行波环形腔单频固体激光器。图一(b)为具有倾斜式直角棱镜的角锥棱镜非平面单向行波环形腔单频固体激光器。图二为角锥棱镜非平面单向行波环形腔单频固体激光器的单块化形式。图三为光在角锥棱镜中的传播。图四为倾斜式直角棱镜。
角锥棱镜1、对称式直角棱镜2、倾斜式直角棱镜2’、永磁场3、非增益晶体4、全内反射直角面5、部分反射直角面6，侧面7、顶面8、入射点9、出射点10、全内反射点11、全内反射点12、全内反射点13、传统直角棱镜14。
下面结合附图
对本发明加以详细说明。
角锥棱镜非平面单向行波环形腔单频固体激光器由角锥棱镜1和激光晶体(如NdYAG)制成的对称式直角棱镜2或倾斜式直角棱镜2’组成，角锥棱镜1置于对称式直角棱镜2或倾斜式直角棱镜2’的顶部，角锥棱镜底面和直角棱镜顶面镀振荡光的增透膜。如图一所示。光在角锥棱镜1内的三次全内反射位于不同空间取向的反射面内，具有法拉第磁光效应的激光增益晶体制成的直角棱镜在永磁场3作用下使偏振光在其中进行法拉第旋转，输出耦合偏振反射系数Rs≠Rp。激光腔内相向传播的光具有不同的本征偏振态和损耗，可实现单一本征偏振态的单向行波振荡，消除空间烧孔，获得单纵模输出。旋转角锥棱镜1可改变激光腔的本征偏振态及相应本征偏振态的输出损耗，从而在固定输出耦合反射系数时得到不同的激光耦合输出。激光器具有两种耦合输出方式。附图一(a)的对称式直角棱镜2的侧面7与全内反射直角面5之间的夹角α＝45°，大于临界角。在全内反射直角面5贴非增益晶体4，此晶体对泵浦光吸收很小。控制非增益晶体4表面与全内反射直角面5的距离形成受抑全反射，得到偏振耦合输出。倾斜式直角棱镜的α≠45°。当两个直角面是全内反射直角面时，也可在一个或两个直角面贴非增益晶体，控制非增益晶体表面与直角反射面的距离形成受抑全反射，得到偏振耦合输出；图一(b)采用倾斜式直角棱镜2’，是侧面7与全内反射直角面5的夹角α小于激光增益晶体的临界角的情况，在另一个直角面上光线以小于临界角部分反射，此直角面为部分反射直角面6，可直接镀偏振耦合输出膜以得到振荡激光的输出。
图一(a)采用半导体激光器端面泵浦时通过两全内反射直角面5所贴的非增益晶体4有两个泵浦通道，可获得较大功率的单频输出，图一(b)只通过部分反射直角面6有一个端面泵浦通道，单频激光功率受到一定限制，但激光器构成简单，输出损耗小。两种结构激光器均可采用半导体激光器泵浦对称式直角棱镜2或倾斜式直角棱镜2’的侧面，以提高激光器的输出功率。调节泵浦光的位置，激光可在腔内的不同环路振荡，因此可通过选择不同环路避开晶体中损伤的部位。激光器具有抗损伤的优点。
可将角锥棱镜与直角棱镜制成一体形成单块化的激光器，输出极稳定的单频激光。结构及镀膜要求同上，如图二所示。
角锥棱镜式非平面环形腔单频固体激光器中角锥棱镜1由玻璃或石英晶体等材料制成，底面镀振荡激光波长的增透膜。如附图二所示，光线在角锥棱镜内部非平面传播，在全内反射点11、全内反射点12、全内反射点13全内反射，出射光自动与其入射光平行。
如附图三所示，激光晶体制成的倾斜式直角棱镜2’是由传统直角棱镜14斜切α角制成，α角小于激光晶体的全内反射临界角。光线从直角棱镜顶面8入射，一个直角面是全内反射直角面5，另一个直角面是部分反射直角面6。直角棱镜顶面8镀对振荡激光波长的增透膜。如果用半导体激光器从部分反射直角面6端面泵浦，应在部分反射直角面6上镀对泵浦光波长的增透膜和对振荡激光波长的偏振输出膜，输出反射系数Rs≠Rp。如果用半导体激光器从侧面7泵浦则应在激光晶体的相应侧面镀对泵浦光波长的增透膜，在部分反射直角面6上镀对振荡激光波长的偏振输出膜。
激光器除采用NdYAG晶体为增益介质形成对称式直角棱镜2或倾斜式直角棱镜2’外，还可使用双折射激光晶体为工作物质(如YLF、YVO4)，利用此类激光晶体σ与π偏振分量的不同增益特性，调整两个光线传播方向四个本征偏振态的增益(损耗)特性，获得单向行波单一偏振态单纵模输出。对称式直角棱镜2或倾斜式直角棱镜2’也可用其它材料制作。
本实施例中角锥棱镜1的通光口径为17mm，轴向长度为10mm，对称式直角棱镜2和倾斜式直角棱镜2’的厚度为4mm，宽度为8mm，长度为21mm，由永磁铁提供的磁场强度为3000高斯。
由于激光器由分离元件组成时，可在两棱镜之间方便地插入其它元件，如磁光晶体、Q开关、相位调制器、倍频晶体等，使激光器提高单纵模控制能力，实现调Q高峰值功率脉冲运转、频率调谐或倍频输出等各种功能。
权利要求
1.一种角锥棱镜非平面单向行波环形腔单频固体激光器，其特征在于激光器由角锥棱镜(1)和对称式直角棱镜(2)组成，角锥棱镜(1)置于对称式直角棱镜(2)的顶部，角锥棱镜底面和直角棱镜顶面镀振荡光的增透膜，直角棱镜由激光增益晶体制成，直角棱镜侧面(7)与一个直角面的夹角为α，直角棱镜对称即α＝45°时，两个直角面是全内反射面(5)，在一个或两个直角面贴非增益晶体(4)。
2.一种角锥棱镜非平面单向行波环形腔单频固体激光器，其特征在于激光器由角锥棱镜(1)和倾斜式直角棱镜(2’)组成，角锥棱镜置于倾斜式直角棱镜的顶部，角锥棱镜底面和直角棱镜顶面镀振荡光的增透膜，直角棱镜由激光增益晶体组成，直角棱镜侧面与一个直角面的夹角为α，直角棱镜倾斜即α≠45°，两个直角面是全内反射直角面时，在一个或两个直角面贴非增益晶体。
3.如权利要求1、2所述的角锥棱镜非平面单向行波环形腔单频固体激光器，其特征在于角锥棱镜(1)与对称式直角棱镜(2)或倾斜式直角棱镜(2’)为一体。
4.如权利要求2所述的角锥棱镜非平面单向行波环形腔单频固体激光器，其特征在于倾斜式直角棱镜侧面与一个直角面的夹角α小于相应介质的全内反射临界角，一个直角面是全内反射面(5)，而另一个直角面是部分反射直角面(6)，在部分反射直角面上镀对泵浦光的增透膜和振荡光的偏振输出膜，或只镀振荡光的偏振输出膜而在直角棱镜侧面镀泵浦光的增透膜。
全文摘要
一种角锥棱镜非平面单向行波环形腔单频固体激光器,包括角锥棱镜,直角棱镜,非增益晶体和磁场。激光器可实现单块化得到稳定的单频激光,可在两棱镜之间灵活插入调Q、倍频器件,还可通过旋转角锥棱镜调节激光器的耦合输出。所发明激光器可用于需要需要较大功率或能量,高稳定相干激光的精密测量,相干通讯,光谱分析及全息光学等领域。
文档编号H01S3/16GK1373538SQ0110921
公开日2002年10月9日 申请日期2001年2月28日 优先权日2001年2月28日
发明者吴克瑛, 魏光辉 申请人:北京理工大学