专利名称：半导体端面泵浦双向固体环行激光器的制作方法
技术领域：
本发明属于半导体泵浦固体激光技术和传感器技术领域，特别涉及一种半导体端面泵浦以单横模、单纵模运转的双向固体环行激光器的结构设计。
由于以上特征，半导体泵浦固体激光器如果应用于速度传感器和导航的方面，将具有很大的潜力和优势，可以代替传统的气体激光器和光纤传感系统。它不仅可以克服传统的气体激光器对于镀膜要求高和需要经常充换气的诸多缺点，而且对于光纤传感系统的温度漂移和响应非线性等不足也可以有效的克服。同时如果在谐振腔内加入KDP等非线性光学晶体，对波长为1.06μm的激光基纵模进行二倍频、三倍频和四倍频，就可以得到四种波长的连续波激光，这样对于激光的检测就更加有利了。
但是在所有激光器中，只有环形腔行波激光器才可能由Sagnac效应产生出反映角速度的差频信号，因此用于速度传感器和导航方面的环形激光器必须满足以下基本条件必须在环形激光器内维持成对的相向行波模，相向行波模应以单纵模和单横模运转。由于激光谐振腔在理论上同时存在几种纵模的行波，环形激光器的这种工作状态称为多纵模，不同纵模之间的相互作用会引起不希望有的效应。比如，模之间拍频同步，驻波调制深度变化等等。因此在固体激光器中，总是尽量使环形激光器在单纵模状态下工作。
对于小功率(功率小于10W)应用于速度传感器和导航方面的激光器，一般有，腔长L≈25～35cm，因此Δν纵模≈109Hz，相应地，激光介质的增益谱线宽度Δν增益应小于109Hz。如果增益谱线宽度Δν增益＞2Δν纵模就需要采用适当的选模技术确保环形谐振腔内以单纵模运转。而一般应用的固体增益介质增益谱线宽度在1011的量级，因此说，要确保激光信号的单纵模状态，必须采用纵模选择技术。
同时用于速度传感器和导航方面的环形激光器，为了使输出信号的能量不至于耗散，一般使激光器工作于基横模的状态下，即只检测能量较高的基横模的信号。而激光谐振腔中由于光场能量分布的不同，出现高阶横模的激光也是不可避免的。因此必须采用限制高阶横模出现的技术，即尽量使激光工作于基横模的状态下。
本发明的目的是通过如下技术方案实现的一种半导体端面泵浦双向固体环行激光器，主要包括半导体激光阵列，泵浦激光束汇聚透镜，环形腔反射镜组，增益介质，所述的环形腔反射镜组是由两个与增益介质在同一光轴上的凹面镜和两个平面镜组成的8字型或是由两个与增益介质在同一光轴上的凹面镜和一个平面镜组成的三角型环形腔反射镜组，其特征在于在所述的凹面镜和平面镜之间或在两个平面镜之间的光路上设有狭缝或小孔；并在凹面镜和平面镜之间或在两个平面镜之间的光路上设置两个法布里—珀罗干涉仪。
本发明中所述的两个法布里—珀罗干涉仪中的一个是采用精细度为18，厚度为L/54.243mm，镀对波长1064nm反射率为94％膜的K9玻璃制成的法布里—珀罗干涉仪和另一个采用精细度为6.5，厚度为0.3mm，镀对波长1064nm反射率为80％膜的K9玻璃制成的法布里—珀罗干涉仪。所述狭缝的宽度为0.5mm～1mm；所述小孔直径为0.5mm-1mm。
本发明中所述的增益介质为掺钕0.5％-1.5％的钒酸钇，几何形状为板条，输入输出端面镀对1064nm波长反射率为小于0.1％的高透膜，远离泵浦光源的一面镀对波长1064nm反射率大于98％的高反膜，紧挨泵浦光源的一面镀对波长808nm反射率小于1％和对波长1064nm反射率大于98％的双色膜。
本发明中所述环行腔的平面镜和凹面镜均采用镀对波长1064nm反射率大于99.9％的高反膜的平面镜和凹面镜。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性进步本发明不仅能够克服传统的气体激光器对激光谐振腔镜镀膜要求高和需要定时充换气的诸多缺点，能够克服光纤耦合系统的温度漂移和非线性的不足，同时对于一般的固体激光器输出信号难以检测的问题。本发明利用设置在凹面镜和平面镜光路之间或两平面镜光路之间的狭缝或者小孔以及法布里—珀罗干涉仪，限制腔内双向运行光束的尺寸，使激光器输出基横模，调制环行腔内双向运行的荧光，使不同的纵模的荧光产生不同的损耗，损耗低的荧光形成单纵模激光输出。本发明能较好的实现双向固体环行激光器的单横模和单纵模输出，光路结构简单，对于能量比较集中的基模能量损失很小，对增益线宽很宽的激光工作物质，如NdYAG、NdYVO4、红宝石等激光器，均能获得单纵模振荡，输出功率可以很大。可以广泛应用在惯性导航，惯性制导和惯性测量等惯性技术中应用的固体环行激光器中。
图6、7分别为本发明提出的半导体端面泵浦双向固体三角形腔环行激光器实施例的结构示意图。
图8是本发明采用的法布里—珀罗干涉仪结构示意图。
图6、图7是本发明提出的半导体端面泵浦固体三角形腔环行激光器的结构示意图，它主要由半导体激光器阵列1，泵浦激光束汇聚透镜2，三角形环形腔反射镜组及增益介质7组成，三角形环形腔反射镜组由凹面镜3、4和平面镜5构成。在凹面镜3和平面镜5或者在凹面镜4和平面镜5之间的光路上设置狭缝或者小孔8，并在凹面镜3和平面镜5或者在凹面镜4和平面镜5之间的光路上设置法布里—珀罗干涉仪9、10。狭缝或者小孔8和法布里—珀罗干涉仪9、10可以同时设置在凹面镜3和平面镜5或者凹面镜4和平面镜5之间，也可以分别设置凹面镜3和平面镜5或者凹面镜4和平面镜5之间。半导体激光器阵列1作为泵浦光源，经过汇聚透镜2汇聚后到泵浦增益介质7；反射镜组3、4、5构成环形谐振腔；由于狭缝或者小孔8可限制高阶横模的产生，使激光器输出基横模；法布里—珀罗干涉仪9、10限制多纵模的振荡，从而使激光器输出单纵模。
图8是本发明的法布里—珀罗干涉仪的结构示意图，法布里—珀罗干涉仪包括法布里—珀罗标准具和法布里—珀罗干涉仪，该干涉仪由平行平板11和12组成，中间为空气夹层。本发明使用两个法布里—珀罗干涉仪，其中的一个精细度为18、厚度为L/54.243mm(L为激光器的谐振腔长)、镀对波长1064nm反射率为94％膜的K9玻璃制成的法布里—珀罗干涉仪，另一个精细度为6.5、厚度为0.3mm、镀对波长1064nm反射率为80％膜的K9玻璃制成的法布里—珀罗干涉仪。
这种半导体端面泵浦固体环行激光器装置工作原理如下如
图1所示，由半导体激光器阵列1发出的泵浦光λ1＝808nm，经过1泵浦激光束汇聚透镜2和凹面镜3，准直聚焦到晶体增益7[掺钕0.5％-1.5％的钒酸钇(NdYVO4)]，几何形状为板条，输入输出端面镀对1064nm波长反射率不高于0.1％高透膜，；晶体增益吸收λ1，发出系列波长的荧光；反射镜3、4、5、6形成的环形腔构成行波腔，由于模式竞争和谐振腔选模，波长为1.06μm的光波将在腔内形成双向振荡；狭缝或者小孔8限制光束的尺寸，从而限制光束的高阶横模；法布里—玻罗干涉仪9、10限制光束的纵模；最后经输出反射镜6输出。三角形腔激光器的工作原理与8字型腔激光器的工作原理相同。
实施例该系统的结构示意图如图1所示。详细说明步骤如下所用半导体激光器阵列1为GaAlAs/GaAs双异质结激光器阵列6W，峰值波长为810±5nm，固定在半导体制冷器上，并用温控系统控温。增益介质7采用吸收波长与半导体激光器峰值波长相匹配的晶体，我们选用很成熟的NdYVO4，没有选用NdYAG。NdYVO4晶体的掺杂浓度≈0.5％，几何形状为板条，尺寸10×5×5mm，输入输出端面(即2个5×5mm的面)镀对1064nm波长反射率小于0.1％高透膜，晶体用铟箔包裹(以达到良好的热接触)置入铜块内，铜块用半导体制冷器冷却并可控温。环形腔为由两个曲面镜和两个平面镜组成的8字形腔，两个凹面镜3、4间距为100mm，镜3、4为直径20mm、曲率半径200mm、镀有R＞99.9％@1064nm(入射角24°)膜系的凹面镜，平面镜5、6为直径20mm、镀有R＞99.9％@1064nm(入射角42°)膜系，形成环形腔。在凹面镜4和平面镜6之间加入小孔8，小孔直径为0.5mm，边缘光滑；在两个平面镜5和6之间加入一个精细度为18、厚度为9.033mm、镀对波长1064nm反射率为94％膜的K9玻璃制成的法布里—珀罗干涉仪和另一个精细度为6.5、厚度为0.3mm、镀对波长1064nm反射率为80％膜的K9玻璃制成的法布里—珀罗干涉仪。实验表明该激光器可以输出基横模和单纵模激光光束。
权利要求
1.一种半导体端面泵浦双向固体环行激光器，主要包括半导体激光阵列(1)，泵浦激光束汇聚透镜(2)，环形腔反射镜组，增益介质(7)，所述的环形腔反射镜组是由两个与增益介质在同一光轴上的凹面镜和两个平面镜组成的8字型环形腔反射镜组或是由两个与增益介质在同一光轴上的凹面镜和一个平面镜组成的三角型环形腔反射镜组，其特征在于在所述的凹面镜和平面镜之间或在两个平面镜之间的光路上设有狭缝或小孔(8)；并在凹面镜和平面镜之间或在两个平面镜之间的光路上设置两个法布里—珀罗干涉仪(9)、(10)。
2.根据权利1要求所述的半导体端面泵浦双向固体环行激光器，其特征在于所述的两个法布里—珀罗干涉仪中的一个精细度为18，厚度为L/54.243mm，镀对波长1064nm反射率为94％膜的K9玻璃制成的法布里—珀罗干涉仪和另一个精细度为6.5，厚度为0.3mm，镀对波长1064nm反射率反射率为80％膜的K9玻璃制成的法布里—珀罗干涉仪。法布里—珀罗干涉仪包含法布里—珀罗干涉仪和法布里—珀罗标准具。
3.根据权利要求1所述的半导体端面泵浦双向固体环行激光器，其特征在于所述狭缝的宽度为0.5mm～1mm或者小孔直径为0.5mm-1mm。
4.根据权利要求1、2或3所述的半导体端面泵浦双向固体环行激光器，其特征在于所述的增益介质为掺钕0.5％-1.5％的钒酸钇，几何形状为板条，输入输出端面镀对1064nm波长反射率为小于0.1％的高透膜，远离泵浦光源的一面镀对波长1064nm反射率大于98％的高反膜，紧挨泵浦光源的一面镀对波长808nm反射率小于1％和对波长1064nm反射率大于98％的双色膜。
5.根据权利要求1、2或3所述的半导体端面泵浦双向固体环行激光器，其特征在于所述环行腔的平面镜和凹面镜采用镀对波长1064nm反射率大于99.9％的高反膜的平面镜和凹面镜。
全文摘要
半导体端面泵浦双向固体环行激光器，涉及一种半导体泵浦固体激光器的结构设计。本发明利用设置在凹面镜和平面镜光路之间或两平面镜光路之间的狭缝或者小孔以及法布里—珀罗干涉仪，限制腔内双向运行光束的尺寸，使激光器输出基横模，调制环行腔内双向运行的荧光，使不同的纵模的荧光产生不同的损耗，损耗低的荧光形成单纵模激光输出。本发明能较好的实现双向固体环行激光器的单横模和单纵模输出，光路结构简单，对于能量比较集中的基模能量损失很小，对增益线宽很宽的激光工作物质的激光器，均能获得单纵模振荡，输出功率可以很大，可广泛应用在惯性导航，惯性制导和惯性测量等惯性技术中应用的固体环行激光器中。
文档编号H01S3/081GK1437288SQ0311912
公开日2003年8月20日 申请日期2003年3月14日 优先权日2003年3月14日
发明者田芊, 孙利群, 张志利, 章恩耀, 万顺平, 毛献辉 申请人:清华大学