专利名称：大功率色散耦合双共振腔混频方法
技术领域：
本发明涉及一种产生大功率可调谐激光技术，特别是涉及按权利要求1所述的大功率色散耦合双共振腔混频方法。
背景技术：
大功率全固态激光器件，特别是可调谐混频激光器件由于具有结构紧凑、寿命长、效率高等优点，广泛应用于工业、科研、医疗、军事、显示、测量等领域，近年来成为激光领域最为活跃且最具前景的方向之一。
通常的固体激光器在谐振腔镜间放置一块激光晶体和1-2块非线性光学晶体，其中所述的非线性光学晶体是作为参量介质和耦合参量介质。泵浦光放置在一块谐振腔镜的前方(端面泵浦)或激光晶体的侧面(侧面泵浦)激励激光介质发出荧光，再利用非线性光学材料的非线性效应来得到和频、差频或参量输出，在谐振腔内产生不同波长的激光。传统激光技术通常利用腔镜和晶体的镀膜来获得所需要谱线的起振，当需要获得激光腔内多条谱线同时振荡时，就需要在谐振腔镜和晶体上同时对多条谱线进行镀膜，而且对于不同的波长，镀膜的要求也不相同。有些情况下，多谱线激光的波长非常接近，在镀膜上很难将其分开，对腔镜和晶体的镀膜技术提出了很高的要求，在某些情况下甚至是镀膜技术无法解决的。更重要的是，一般情况下多谱线镀膜的膜层厚度较厚，膜层质量和抗损伤阈值较低，即使技术上实现了多谱线光学膜镀制，但在实际使用上却无法满足大功率激光装置要求。
发明内容
本发明的目的在于克服已有激光器的缺点，采用棱镜色散耦合来改变传统装置光路中通过腔镜镀膜控制谱线起振的目的，克服了原有技术镀膜困难的缺点，可应用于全固态激光器、光参量振荡器及可调谐掺钛蓝宝石激光器，获得355nm、894nm及3-5μm的可调谐激光输出，从而提供一种广泛应用于工业、军事、科研、娱乐、医疗等领域的大功率色散耦合双共振腔混频激光装置。
为实现上述目的，本发明的技术解决方案是提供一种大功率色散耦合双共振腔混频方法，用于产生大功率混频激光，其是在激光器双共振腔内的光路上，按布氏角设置至少一块色散耦合棱镜或光栅，将多谱线激光进行色散分光，然后直接实现大功率混频激光输出，或针对分光后的谱线分别进行光反馈，再实现大功率混频激光输出。
所述的大功率色散耦合双共振腔混频方法，其所用装置，由光源、Q开关、谐振腔镜、激光晶体和非线性光学晶体组成，其中，平面谐振腔镜右边光路上顺序设置有Q开关、激光晶体、非线性光学晶体和左侧为凹面的第一平凹谐振腔镜；光源安置在激光晶体的侧面，正射入激光晶体；上述各光学元件安装在可调谐角度的光学平台上；其所述色散耦合棱镜或光栅，位于激光晶体与非线性光学晶体之间的光路上，固定在可调谐角度的水平转台上；非线性光学晶体至少为一块。
所述的大功率色散耦合双共振腔混频方法所用装置，其所述Q开关，设置在激光晶体和色散耦合棱镜之间，是电光Q开关或声光Q开关或声光锁模装置。
所述的大功率色散耦合双共振腔混频方法所用装置，其所述非线性光学晶体，为三硼酸锂、偏硼酸钡、铌酸钾、钛氧磷酸钾、周期性极化钛氧磷酸钾、磷锗锌、周期性极化钽酸锂、周期性极化铌酸锂、周期性极化铌酸锂或其它非线性光学晶体中的任一种。
所述的大功率色散耦合双共振腔混频方法，其所用装置，由光源、谐振腔镜、激光晶体、双折射滤光片和Cs原子蒸气室组成，其中，平面谐振腔镜右边光路上顺序设置有双折射滤光片、激光晶体、Cs原子蒸气室和左侧为凹面的第一平凹谐振腔镜；光源安置在平面谐振腔镜的左边，正射入平面谐振腔镜，再经过双折射滤光片射入激光晶体；上述各光学元件安装在可调谐角度的光学平台上；其所述色散耦合棱镜或光栅，位于激光晶体与Cs原子蒸气室之间，固定在可调谐角度的水平转台上。
所述的大功率色散耦合双共振腔混频方法所用装置，其还包括右侧为凹面的第二平凹谐振腔镜，放在色散耦合棱镜或光栅左边分光后的光束中的任一束光的输出光路上，第二平凹谐振腔镜的具体放置位置，由色散耦合棱镜材料的色散角度来决定。
所述的大功率色散耦合双共振腔混频方法所用装置，其所述光源，为半导体激光器，闪光灯或固体激光器。
所述的大功率色散耦合双共振腔混频方法所用装置，其所述激光晶体，为掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)、掺钕钒酸钇(Nd:YVO4)、掺铥钇铝石榴石(Tm:YAG)、掺钕氟化钇锂(Nd:YLF)或掺钛蓝宝石(Ti:S)。
所述的大功率色散耦合双共振腔混频方法所用装置，其所述色散耦合棱镜，为两块时，两块色散耦合棱镜按布氏角紧密放置于光路上。
所述的大功率色散耦合双共振腔混频方法所用装置，其所述谐振腔镜，是平镜、平凹镜、平凸镜、光栅、法布里-珀罗标准具。
本发明的优越性本发明的大功率色散耦合双共振腔混频激光方法，其所用装置，由一块或几块棱镜、一块或一块以上非线性光学晶体、一块激光晶体、谐振腔镜、泵光组成的，其中非线性光学晶体置于棱镜的输出光路上，激光晶体安置在棱镜和谐振腔镜之间，泵光由侧面或端面泵浦激光晶体，产生的几种不同波长的光经过棱镜时被分开，克服了原有技术难于镀膜的缺点，并且结构简单，其功率可达几瓦至几十瓦，实现了高效、大功率的激光输出，广泛适用于准连续波、光参量振荡器以及可调谐激光器，为高功率激光输出开辟了广阔的前景，可广泛应用于军事、科研、娱乐、医疗等领域。
本发明利用色散原理，将多谱线激光进行色散分光，然后针对分光后的谱线分别进行光反馈，实现大功率混频激光输出，克服传统方法下利用镀膜技术难以实现的技术困难。
图1是大功率全固态紫外激光装置的光路图(准连续波)；图2是大功率OPO激光装置的光路图(准连续波)；图3是大功率894nm红外激光装置的光路图(连续波)。
具体实施例方式
见图2，一种大功率色散耦合双共振腔混频激光装置，由光源10、Q开关2、谐振腔镜、激光晶体3、色散耦合棱镜4和非线性光学晶体组成，其中，平面谐振腔镜1右边光路上顺序设置有Q开关2、激光晶体3、色散耦合棱镜4、非线性光学晶体5和左侧为凹面的平凹谐振腔镜7。光源10安置在激光晶体3的侧面，正射入激光晶体3。光源10为半导体激光器，闪光灯或固体激光器。色散耦合棱镜4是布儒斯特角棱镜(布氏角棱镜)，固定在可调谐角度的水平转台上，按布氏角放置于大功率双共振腔内的光路上，其他光学元件安装在可调谐角度的光学平台上(图中没示出)。色散耦合棱镜4也可替换为光栅。
一块右侧为凹面的平凹谐振腔镜8，放在色散耦合棱镜4左边分光后的光束中的任一束光的输出光路上，谐振腔镜8的具体放置位置由色散耦合棱镜4材料的色散角度来决定。
非线性光学晶体也可以为两块或两块以上，在光路上顺序排列，位于色散耦合棱镜4和平凹谐振腔镜7之间，如图1中的非线性光学晶体5、6。
Q开关2也可以设置在激光晶体3和色散耦合棱镜4之间(图中没示出)。Q开关2可以用电光Q开关、声光Q开关、声光锁模装置等。
在具体的实施中，也可以不用平凹谐振腔镜8，而让经过色散耦合棱镜4分光后的光束直接输出(图中没示出)。
色散耦合棱镜4也可以为二块，二块色散耦合棱镜4按布氏角紧密放置于光路上(图中没示出)。色散耦合棱镜4按布氏角放置，用以对混频产生的不同波长激光进行低损耗色散。
见图3，一种大功率色散耦合双共振腔混频激光装置，由光源10、谐振腔镜、激光晶体3、色散耦合棱镜4、双折射滤光片9和Cs原子蒸气室11组成，其中，平面谐振腔镜1右边光路上顺序设置有双折射滤光片9、激光晶体3、色散耦合棱镜4、Cs原子蒸气室11和左侧为凹面的平凹谐振腔镜7。光源10安置在平面谐振腔镜1的左边，正射入平面谐振腔镜1，再经过双折射滤光片9射入激光晶体3。这里平面谐振腔镜1为谐振腔的入射镜。光源10为半导体激光器，闪光灯或固体激光器。色散耦合棱镜4是布儒斯特角棱镜(布氏角棱镜)，固定在可调谐角度的水平转台上，按布氏角放置于大功率双共振腔内的光路上，其他光学元件安装在可调谐角度的光学平台上(图中没示出)。色散耦合棱镜4也可替换为光栅。
一块右侧为凹面的平凹谐振腔镜8，放在色散耦合棱镜4左边分光后的光束中的任一束光的输出光路上，谐振腔镜8的具体放置位置由色散耦合棱镜4材料的色散角度来决定。
在具体的实施中，也可以不用平凹谐振腔镜8，而让经过色散耦合棱镜4分光后的光束直接输出(图中没示出)。
色散耦合棱镜4也可以为二块，二块色散耦合棱镜4按布氏角紧密放置于光路上(图中没示出)。色散耦合棱镜4按布氏角放置，用以对混频产生的不同波长激光进行低损耗色散。
在附图中所示的激光晶体3是掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)或掺铥钇铝石榴石(Tm:YAG)或掺铝钒酸钇(Nd:YVO4)或掺钛蓝宝石(Ti:S)或其它激光材料。
谐振腔镜1、7、8可以是平镜、平凹镜、平凸镜、光栅、法布里-珀罗(F-P)标准具。
非线性光学晶体5、6包括三硼酸锂(LBO)、偏硼酸钡(BBO)、铌酸钾(KNbO3)、钛氧磷酸钾(KTP)、周期性极化钛氧磷酸钾(PPKTP)、磷锗锌(ZnGeP)、周期性极化钽酸锂(PPLT)、周期性极化铌酸锂(PPLN)或其它非线性光学晶体以及光学超晶格晶体。
泵浦光泵浦激光晶体发出荧光，通过对谐振腔镜镀膜及调整获得所需波长谱线的起振，再利用非线性光学材料的非线性效应来得到和频、差频或参量输出，在谐振腔内产生不同波长的激光，这些光经过一块或两块布氏角棱镜后，由于其出射方向不同而被分光，在棱镜分光后的光束的输出光路上放置谐振腔镜或直接输出，即可获得所需波长的激光。所述的色散耦合双共振腔混频激光装置中谐振腔镜和晶体只需针对一条或两条谱线进行镀膜，避免了通常的激光器中需要在谐振腔镜和晶体上同时对多条谱线进行镀膜，降低了镀膜的难度的同时提高了其精确度，保证了输出激光的高效稳定。
实施例1按照图1的光路制作一台大功率色散耦合双共振腔混频激光装置输出准连续紫外光，谐振腔镜1选用平镜，一面镀1064nm高反膜、谐振腔镜7选用平凹镜，一面镀1064nm、532nm高反膜、谐振腔镜8选用平凹镜，一面镀532nm全反膜；非线性光学晶体5选用切割角为θ＝0°，φ＝46.9°的LBO晶体；非线性光学晶体6选用切割角为θ＝90°，φ＝23.5°的KTP晶体或切割角为θ＝90°，φ＝0°的LBO晶体；色散耦合棱镜4选用顶角为69°的棱镜按1064nm光的布氏角放置在激光晶体3和非线性光学晶体5之间，激光晶体选用掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)；Q开关2选用声光Q开关放在谐振腔镜1和激光晶体3之间，用于产生准连续激光；在色散耦合棱镜4分光后的两束光中的一束光前放上谐振腔镜8，谐振腔镜8的具体放置位置由色散耦合棱镜4材料的色散角度来决定。中心波长为808nm的半导体激光阵列作为光源10安置在激光晶体3的侧面。
调节谐振腔镜1和7使Nd:YAG 1064nm的荧光起振，调节非线性光学晶体6和谐振腔镜8使1064nm激光产生532nm倍频光，并使倍频光产生振荡，调节非线性光学晶体5使1064nm和532nm激光产生和频，则在布氏角色散耦合棱镜4处输出355nm的准连续紫外光。
实施例2按照图2的光路制作一台大功率色散耦合双共振腔OPO激光装置，谐振腔镜1选用平镜，一面镀785nm高反膜、谐振腔镜7选用平凹镜，一面镀3-6μm宽带膜、谐振腔镜8选用平凹镜，一面镀3-5μm宽带膜；色散耦合棱镜4选用顶角为69°的棱镜按1064nm光的布氏角放置在激光晶体3和非线性光学晶体5之间，激光晶体3选用掺铥钇铝石榴石(Tm:YAG)；非线性光学晶体5选用磷锗锌晶体(ZnGeP)；Q开关2选用声光Q开关放在谐振腔镜1和激光晶体3之间；在色散耦合棱镜4分光后的两束光中的一束光前放上谐振腔镜8，谐振腔镜8的具体放置位置由色散耦合棱镜4材料的色散角度来决定。波长为785nm的半导体激光阵列作为光源10安置在激光晶体3的侧面。
调节谐振腔镜1和7使Tm:YAG2μm的荧光起振，调节非线性光学晶体6和谐振腔镜8即可在布氏角色散耦合棱镜4处输出3-5μm的空闲波，在谐振腔镜8处获得3.3-6μm的信号波。
实施例3按照图3的光路制作一台大功率色散耦合双共振腔混频激光装置输出894nm红外激光，谐振腔镜1选用平镜，一面镀532nm高反膜，谐振腔镜7选用平凹镜，一面镀894nm高反膜，谐振腔镜8选用平凹镜，一面镀对894nm透过为10％的部分透射膜；在谐振腔镜1与激光晶体3之间，设一双折射滤光片9；Cs原子蒸气室11位于谐振腔镜7右边光路上；色散耦合棱镜4选用顶角为69°的棱镜按1064nm光的布氏角放置在激光晶体3和Cs原子蒸气室11之间，激光晶体3选用掺钛蓝宝石晶体(Ti:S)；在色散耦合棱镜4分光后光束的输出光路上放上谐振腔镜8，谐振腔镜8的具体放置位置由色散耦合棱镜4材料的色散角度来决定。波长为532nm的激光作为泵光10放置在一块谐振腔镜1的前方从端面泵浦激光晶体3。
调节谐振腔镜1和7及双折射滤光片9使掺钛蓝宝石晶体(Ti:S)852nm的荧光起振后入射到Cs原子蒸气室11内，调节谐振腔镜7和8，使Cs原子蒸气的894nm谱线产生振荡，则在谐振腔镜8处输出894nm的红外光。
权利要求
1.一种大功率色散耦合双共振腔混频方法，用于产生大功率混频激光，其特征是在激光器双共振腔内的光路上，按布氏角设置至少一块色散耦合棱镜或光栅，将多谱线激光进行色散分光，然后直接实现大功率混频激光输出，或针对分光后的谱线分别进行光反馈，再实现大功率混频激光输出。
2.按权利要求1所述的大功率色散耦合双共振腔混频方法，其所用装置，由光源、Q开关、谐振腔镜、激光晶体和非线性光学晶体组成，其中，平面谐振腔镜右边光路上顺序设置有Q开关、激光晶体、非线性光学晶体和左侧为凹面的第一平凹谐振腔镜；光源安置在激光晶体的侧面，正射入激光晶体；上述各光学元件安装在可调谐角度的光学平台上；其特征是所述色散耦合棱镜或光栅，位于激光晶体与非线性光学晶体之间的光路上，固定在可调谐角度的水平转台上；非线性光学晶体至少为一块。
3.按权利要求2所述的大功率色散耦合双共振腔混频方法所用装置，其特征是所述Q开关，设置在激光晶体和色散耦合棱镜之间，是电光Q开关或声光Q开关或声光锁模装置。
4.按权利要求2所述的大功率色散耦合双共振腔混频方法所用装置，其特征是所述非线性光学晶体，为三硼酸锂、偏硼酸钡、铌酸钾、钛氧磷酸钾、周期性极化钛氧磷酸钾、磷锗锌、周期性极化钽酸锂、周期性极化铌酸锂、周期性极化铌酸锂或其它非线性光学晶体中的任一种。
5.按权利要求1所述的大功率色散耦合双共振腔混频方法，其所用装置，由光源、谐振腔镜、激光晶体、双折射滤光片和Cs原子蒸气室组成，其中，平面谐振腔镜右边光路上顺序设置有双折射滤光片、激光晶体、Cs原子蒸气室和左侧为凹面的第一平凹谐振腔镜；光源安置在平面谐振腔镜的左边，正射入平面谐振腔镜，再经过双折射滤光片射入激光晶体；上述各光学元件安装在可调谐角度的光学平台上；其特征是所述色散耦合棱镜或光栅，位于激光晶体与Cs原子蒸气室之间，固定在可调谐角度的水平转台上。
6.按权利要求2或5所述的大功率色散耦合双共振腔混频方法所用装置，其特征是还包括右侧为凹面的第二平凹谐振腔镜，放在色散耦合棱镜或光栅左边分光后的光束中的任一束光的输出光路上，第二平凹谐振腔镜的具体放置位置，由色散耦合棱镜材料的色散角度来决定。
7.按权利要求2或5所述的大功率色散耦合双共振腔混频方法所用装置，其特征是所述光源，为半导体激光器，闪光灯或固体激光器。
8.按权利要求2或5所述的大功率色散耦合双共振腔混频方法所用装置，其特征是所述激光晶体，为掺钕钇铝石榴石、掺钕钒酸钇、掺铥钇铝石榴石、掺钕氟化钇锂或掺钛蓝宝石。
9.按权利要求2或5所述的大功率色散耦合双共振腔混频方法所用装置，其特征是所述色散耦合棱镜，或为两块，两块色散耦合棱镜按布氏角紧密放置于光路上。
10.按权利要求2或5所述的大功率色散耦合双共振腔混频方法所用装置，其特征是所述谐振腔镜，是平镜、平凹镜、平凸镜、光栅、法布里—珀罗标准具。
全文摘要
本发明是大功率色散耦合双共振腔混频方法，用于产生大功率混频激光，其是在激光器双共振腔内的光路上，按布氏角设置至少一块色散耦合棱镜或光栅，将多谱线激光进行色散分光，然后直接实现大功率混频激光输出，或针对分光后的谱线分别进行光反馈，再实现大功率混频激光输出。本发明的方法采用棱镜与两个腔镜组成单通或双通倍频光路，克服了原有技术难于镀膜的缺点，并且结构简单，功率可达几瓦到几十瓦或更高，实现高效、大功率的色散耦合双共振混频激光输出。
文档编号H01S3/00GK1917305SQ20051009038
公开日2007年2月21日 申请日期2005年8月16日 优先权日2005年8月16日
发明者毕勇, 樊仲维, 张晶, 亓岩, 石昭辉, 房涛, 赵士勇, 裴博, 崔健丰 申请人:中国科学院光电研究院, 北京国科世纪激光技术有限公司