专利名称：全固态分体式拉曼激光器的制作方法
技术领域：
本发明涉及激光器，尤其涉及一种全固态分体式拉曼激光器。
背景技术：
1995年美国亚利桑那大学光学研究中心J.T.Murray等人获得接近衍射极限的固体拉曼激光，利用闪光灯泵浦的固体激光器作泵源，来泵浦拉曼活性晶体Ba(NO3)2，得到重复频率100Hz、波长1.56μm的拉曼激光。波长在1.5x μm的人眼安全固体拉曼激光器虽然起步较晚，但由于与其它人眼安全激光器相比在大功率、高重复频率及光束质量上有较大的优势，随着固体拉曼介质生长技术的成熟与提供，人眼安全拉曼激光器更具发展前景，其未来发展方向是与二极管泵浦的固体激光器技术相结合，充分发挥自身优势向高效率、高亮度、高功率、高重复频率的方向发展，以满足人眼安全激光器设备的需要。
1999年9月，J.Findeisen等在Appl.Phys.B上发表文章“端泵浦的Ba(NO3)2拉曼激光器和NaBrO3拉曼激光器(Diode-pumped Ba(NO3)2and NaBrO3Ramanlasers)”，得到1197nm和1163nm波长的拉曼激光。
1999年10月，A.S.Grabtchikov等在Appl.Phys.Lett.上发表文章“二极管激光端泵浦的全固态自转换拉曼激光器(All solid-state diode-pumped Raman laserwith self-frequency conversion)”，利用Nd3+:KGd(WO4)2自频率转换得到了1181nm波长的激光输出。
2001年俄罗斯晶体研究所的A.A.Kaminskii等研究发现了两种新的Raman频移晶体YVO4和GdVO4晶体，这为人眼安全固体Raman激光的获得途径提供了更多的选择。
2001年2月，Weibiao Chen等Opt.Commun.上发表文章“半导体激光泵浦的被动调Q Nd3+:PbWO4自转换拉曼激光器(Diode-pumped self-stimulating passivelyQ-switched Nd3+:PbWO4Raman laser)”，利用Nd3+:PbWO4晶体自身的拉曼频移，得到1170nm波长的激光输出。
2002年5月，N.TAKEI等在Appl.Phys.B上发表文章“20Hz运转的人眼安全Ba(NO3)2晶体级联拉曼激光器(20-Hz operation of an eye-safe cascade Raman laserwith a Ba(NO3)2crystal)”，利用1064nm调Q的Nd:YAG激光器泵浦Ba(NO3)2晶体，经三阶拉曼频移得到了人眼安全波长1598nm的激光输出，但由于低阶拉曼频移引起的热效应很强，使得激光输出能量水平受到极大的限制。
2002年10月，L.E.Batay等在Appl.Phys.Lett.上发表文章“Efficientdiode-pumped passively Q-switched laser operation around 1900nm andself-frequency Raman conversion of Tm-doped KY(WO4)2”，利用Tm:KY(WO4)2晶体的1900nm附近的拉曼频移，得到2365nm波长的激光。
2003年12月，Takashige Omatsu等在Opt.Commun.上发表文章“(Efficient1181nm self-stimulating Raman output from transversely diode-pumpedNd3+:KGd(WO4)2laser)”，利用Nd3+:KGd(WO4)2晶体自身的拉曼频移得到1067nm得到1181nm的拉曼激光输出。
2004年，Y.F.Chen报道了在声光主动调Q的激光器中，利用Nd:YVO4(或Nd:GdVO4)激光增益晶体自身的Raman频移，获得人眼安全波段(1.52μm)的Raman激光输出。由于Nd:YVO4(或Nd:GdVO4)晶体同时作为激光增益介质和拉曼频移晶体，热透镜效应严重地限制了激光输出功率水平和光束质量。
2004年2月，中国专利公开了CN1476131A号“多波长固体谐波拉曼激光器”专利申请，此实用新型专利涉及将气体的受激拉曼散射特性和固体激光谐波技术结合，实现单波长或多波长输出。
2005年6月，中国专利公开了CN1624992A号“自受激固体拉曼激光器”专利申请，此专利涉及同一块晶体既做激光增益介质有做拉曼频移介质，得到拉曼激光输出。它包括激光泵浦系统、镀膜的激光输入腔片和输出腔片构成的激光腔，在激光腔中放置自受激拉曼晶体和激光调Q装置。本发明器件扩展了目前常规固体激光器所能达到的激光波长范围。
综上所述的研究、技术途径和发明专利中的半导体激光端面泵浦的全固态拉曼激光器，都是使用一块晶体同时作为激光增益介质和自拉曼频移晶体的。由于热效应严重限制了激光输出功率和光束质量的进一步提高，所以我们对此进行了改进，提出分体式设计方案。
发明内容
本发明的目的是提供一种结构简单紧凑的全固态拉曼激光器，采用将激光晶体与拉曼活性介质分离的技术路线，克服热效应对激光输出功率及光束质量的限制，从而实现效率高、结构更简单紧凑、光束质量好、峰值功率高的人眼安全波段的拉曼激光输出。
本发明的目的通过如下技术措施来实现全固态分体式拉曼激光器，包括二极管激光端面泵浦系统、镀膜的激光输入腔镜和输出腔镜构成的激光腔，在激光腔中放置独立的激光增益晶体、拉曼频移晶体和激光调Q装置，在准连续运转的激光器中得到拉曼激光输出。激光增益介质为Nd:YVO4晶体，也包括掺杂Nd3+的激光晶体(如Nd:YAP，Nd:YAG，Nd:GdVO4，Nd:GdYVO4等)和掺杂其它稀土离子(如Yb3+:YAG，Pr3+:YVO4等)的激光晶体产生1342nm或1064nm激光振荡。使用一块单独的晶体作为拉曼活性介质，实现频率转换，如无掺杂的YVO4晶体，也包括使用其它具有拉曼活性的晶体(如YAP，YAG，GdVO4，PbWO4，SrWO4，GdYVO4，CuAlS2，NaClO3等)实现一阶拉曼频移。
本发明改进是在上述输入腔镜和输出腔镜之间设有一个腔镜，a面对基频光高透，b面对基频光高透和对拉曼频移光高反，输入腔镜和腔镜之间置有独立晶体为激光的增益介质；一个声光Q-开关，输出腔镜和腔镜之间设有一个独立晶体产生拉曼频移的拉曼活性介质；二极管泵浦激光的增益介质即晶体上产生基频光，又通过拉曼活性介质即晶体产生拉曼频移，拉曼频移光的谐振腔嵌套在基频光谐振腔中，经输出腔镜获得最终拉曼激光输出。
另一全固态分体式拉曼激光器是，在用于端面或侧面泵浦的二极管激光器，一个输入腔镜和一个折叠腔镜之间设有一个独立晶体为激光的增益介质和一个声光Q-开关；折叠腔镜对基频光和拉曼频移光高反；折叠腔镜和一个输出腔镜之间置有一个产生拉曼频移的独立晶体；折叠腔镜与输入腔镜、输出镜构成三镜腔折叠腔。
本发明使用分体式设计，将激光增益晶体与拉曼活性介质分离，克服了热透镜效应所造成的不利影响和制约，包括两镜和三镜直线腔及折叠腔结构。可以采用类似腔结构对波长在1342nm或1064nm的激光实现一阶拉曼频移。
该全固态激光器以半导体激光器做泵浦源，采用将激光晶体与拉曼活性晶体分离的技术路线，如利用Nd3+:YVO4晶体作为激光增益介质，用无掺杂的YVO4晶体作为拉曼活性介质。
本发明可以采用不同基质的掺Nd3+激光晶体(或掺杂不同的稀土离子)、不同类型的Q-开关元件(声光、电光及可饱和吸收体等)，设计和选用合适的拉曼活性晶体，对基波进行频率变换，获得高效、优质的拉曼激光输出。本发明在军事、医疗、气象、海事、航空和科学研究等领域具有很高的应用价值。
本发明的特点是1.固体拉曼激光器以其小型、高效、稳定、长寿、全固态、启动快、高重复频率、便携式等众多优点而在军事、医学、气象、海事、航空等领域备受关注，具有非常好的应用前景，本发明提供了一种小型全固态拉曼激光器具有其他激光器所没有的优点，可以完善应用于多种场合。
2.本发明采用的分体式设计克服了热效应对输出功率及光束质量的限制，可以实现转化效率高、光束质量好、峰值功率高的激光输出。
3.本发明实例采用的激光增益晶体Nd:YVO4具有优异的激光性能，如吸收系数大，吸收带宽宽，受激发射截面大，输出为线偏振光等。该晶体在4F3/2→4I11/2和4F3/2→4I13/2的跃迁都具有较大的发射截面。本发明采用的结构设计不仅适用于掺Nd3+激光晶体，而且适用于很多其它掺杂的激光晶体，只要相应改变泵浦波长、腔镜的镀膜参数，就可以实现相应的拉曼频移激光输出。
4.本发明实例采用的拉曼频移晶体YVO4具有优异的激光性能，作为单纯的拉曼频移介质，它的增益高，损耗低，转化效率高，而且制作工艺成熟，成本较低，是理想的拉曼活性晶体。
本发明可以作为一个单元器件，通过选择增益介质和频移介质对基波进行频率转换，就能够获得其它波长的拉曼激光输出。总之，本发明是结构简单紧凑的全固态拉曼激光器，克服了热效应对激光输出功率及光束质量的限制，光束质量好、峰值功率高，拉曼激光输出在人眼安全波段的范围。
图1是本发明激光器结构设计示意2为本发明另一种激光器结构设计示意3是本发明又一种激光器结构设计示意4为本发明YVO4晶体的拉曼光谱5为本发明获得1342nm基频光和1525nm拉曼光谱图具体实施方式
本发明参照附图做进一步说明本发明可以按照下面所述的方式实现本发明所提供的全固态拉曼激光器(图1)，图1中腔镜1，为激光器的输入镜；激光的增益介质2；拉曼活性介质5；声光Q-开关3；腔镜6，为激光器的输出镜；使用的光学元件和材料有用于侧面或端面泵浦的二极管激光器，一个输入镜(腔镜)1；一个独立晶体2为激光的增益介质；一个独立晶体5产生拉曼频移的拉曼活性介质；一个声光Q-开关3；一个输出镜(腔镜)6。激光二极管泵浦激光增益介质即晶体2产生基频光，又通过拉曼活性介质即晶体3产生拉曼频移，这里是使用两镜腔，基频光和拉曼频移光在同一个谐振腔中振荡，由输出镜6获得最终拉曼激光输出。
本发明还可以按照下面所述的方式实现本发明所提供的全固态拉曼激光器(图2)，腔镜1，为激光器的输入镜；激光的增益介质2；声光Q-开关3；腔镜4；拉曼活性介质5；腔镜6，为激光器的输出镜；使用的光学元件和材料有用于端面或侧面泵浦的二极管激光器，一个输入镜(腔镜)1；一个独立晶体2为激光的增益介质；一个声光Q-开关3；一个腔镜4，a面对基频光高透，b面对基频光高透和对拉曼频移光高反；一个独立晶体3产生拉曼频移的拉曼活性介质；一个输出镜。二极管泵浦激光的增益介质即晶体2上产生基频光，又通过拉曼活性介质即晶体5产生拉曼频移，这里使用三镜腔，拉曼频移光的谐振腔嵌套在基频光谐振腔中，经输出镜(腔镜)6获得最终拉曼激光输出。
本发明还可以按照下面所述的方式实现本发明所提供的全固态拉曼激光器(图3)，腔镜1，为激光器的输入镜；激光的增益介质2；声光Q-开关3；折叠腔镜7；拉曼活性介质5；腔镜6，为激光器的输出镜。
使用的光学元件和材料有用于端面或侧面泵浦的二极管激光器，一个输入镜(腔镜)1；一个独立晶体2为激光的增益介质；一个声光Q-开关3；一个折叠腔镜7，对基频光和拉曼频移光高反；一个独立晶体5产生拉曼频移的拉曼活性介质；一个输出镜。二极管泵浦激光的增益介质即晶体2上产生基频光，又通过拉曼活性介质即晶体5产生拉曼频移，这里使用三镜腔折叠腔，可以在拉曼活性介质上的到较小的光斑也即是得到较高的功率密度。经输出镜6获得最终拉曼激光输出。
YVO4晶体的拉曼光谱见图4，我们实验中使用的泵浦源是Coherent公司的FAP系统，输出尾纤芯径为800μm，通过1∶1的耦合系统从一端抽运激光晶体抽运光的中心波长为808nm，输出功率在1～30W之间可调；我们实验中采用的声光晶体是长方体的LiNbO3晶体，两面均镀上对1342nm、1525nm波长的高透膜，重复频率1k至40k可调，射频28MHz，声光晶体长度3cm。实验所用YVO4晶体的拉曼光谱图4所示。
实施实例1按照图1制作一台结构简单紧凑的全固态拉曼激光器。用于侧面或端面泵浦的二极管激光器，一个曲率半径600mm，对808nm波长泵浦光高透，对1342nm和1525nm波长激光高反的腔镜1，此为输入镜；Nd3+:YVO4晶体2为激光增益介质；无掺杂的YVO4晶体5为拉曼频移介质；声光Q-开关3用来实现准连续运转；一个平镜(腔镜)，对1342nm波长激光高反，对1525nm波长激光部分透射，为激光器的输出镜。808nm的激光二极管泵浦Nd3+:YVO4晶体2产生1342nm波长的激光，又通过无掺杂的YVO4晶体5产生拉曼频移从1342nm基频光转换到1525nm波长的拉曼激光，这里是使用两镜腔，1342nm和1525nm在同一个谐振腔中得到，由输出镜获得人眼安全的1525nm激光输出。产生的拉曼激光谱如图5所示。
实施实例2按照图2制作一台结构简单紧凑的全固态拉曼激光器。用于侧面泵浦的二极管激光器，一个曲率半径600mm，对808nm波长泵浦光高透，对1342nm波长激光高反的腔镜1，此为输入镜；Nd3+:YVO4晶体2为激光增益介质；无掺杂的YVO4晶体3为拉曼频移介质；声光Q-开关4用来实现准连续运转；一个平镜(腔镜)，a面对1342nm基频光高透，b面对1342nm基频光高透、对1525nm拉曼激光高反；无掺杂的YVO4晶体为拉曼频移介质；一个平镜(腔镜)，对1342nm波长激光高反，对1525nm波长激光部分透射，为激光器的输出镜。808nm的激光二极管泵浦Nd3+:YVO4晶体产生1342nm波长的激光，又通过无掺杂的YVO4晶体5产生拉曼频移，从1342nm基频光转换到1525nm波长的拉曼激光，这里使用三镜腔，1525nm谐振腔嵌套在1342nm谐振腔中(腔镜1和6构成1342nm基频光谐振腔，腔镜4和6构成1525nm拉曼激光腔)，经输出镜6获得人眼安全的1525nm激光输出。
实施实例3按照图3制作一台三镜折叠腔的全固态拉曼激光器。用于侧面或端面泵浦的二极管激光器，一个曲率半径600mm，对808nm波长泵浦光高透，对1342nm和1525nm波长激光高反的腔镜1，此为输入镜；Nd3+:YVO4晶体2为激光增益介质；无掺杂的YVO4晶体为拉曼频移介质；声光Q-开关用来实现准连续运转；一个平凹镜，对1342nm基频光和1525nm拉曼激光高反；无掺杂的YVO4晶体5为拉曼频移介质；一个平镜(腔镜)，对1342nm波长激光高反，对1525nm波长激光部分透射，为激光器的输出镜。808nm的激光二极管泵浦Nd3+:YVO4晶体2产生1342nm波长的激光，又通过无掺杂的YVO4晶体5产生拉曼频移从1342nm基频光转换到1525nm波长的拉曼激光，这里使用三镜折叠腔(是为了在拉曼活性晶体上得到较高的功率密度)经输出镜6获得人眼安全的1525nm激光输出。
实施实例4按照图1(或图2、或图3)制作一台分体式全固态拉曼激光器。与前面实例不同的是，激光晶体2的一个端面作为输入镜，此端面为808nm高透，1.06μm～1.53μm全反，得到分体式全固态拉曼激光器。
实施实例5按照图1(或图2、或图3)制作一台分体式全固态拉曼激光器。与前面实例1(或2、或3)不同的是，Q-开关选用电光Q-开关或可饱和吸收体，得到分体式全固态拉曼激光器。
实施实例6按照图1(或图2、或图3)制作一台分体式全固态拉曼激光器。与实例1、2、3、4、5中不同的是，使用另外的掺Nd3+激光晶体如(如Nd:YAP，Nd:YAG，Nd:GdVO4，Nd:GdYVO4，Nd:YAlO3等)或掺杂其它稀土离子(如Yb3+:YAG，Pr3+:YVO4等)的激光晶体，得到分体式全固态拉曼激光器。
实施实例7按照图1(或图2、或图3)制作一台分体式全固态拉曼激光器。与实例1、2、3、4、5、6中不同的是，其它具有拉曼活性的晶体(如YAP，YAG，GdVO4，PbWO4，SrWO4，GdYVO4，CuAlS2，NaClO3等)实现一阶拉曼频移。得到分体式全固态拉曼激光器。
权利要求
1.全固态分体式拉曼激光器，包括二极管激光端面泵浦系统、镀膜的激光输入腔镜和输出腔镜构成的激光腔，其特征是在激光腔中放置独立的激光增益晶体、拉曼频移晶体和激光调Q装置，在准连续运转的激光器中得到拉曼激光输出；所述激光增益介质为Nd:YVO4晶体、掺杂Nd3+的激光晶体或掺杂Yb3+:YAG、Pr3+:YVO4的激光晶体产生1.34μm或1.06μm波长附近的激光振荡；所述拉曼频移晶体是一块单独的晶体作为拉曼活性介质，所述拉曼频移晶体是无掺杂的YVO4晶体、YAP、YAG、GdVO4、PbWO4、SrWO4、GdYVO4、CuAlS2或NaClO3实现一阶拉曼频移。
2.由权利要求1所述的全固态分体式拉曼激光器，其特征是在上述输入腔镜和输出腔镜之间设有一个腔镜(4)，a面对基频光高透，b面对基频光高透和对拉曼频移光高反，输入腔镜和腔镜(4)之间置有独立晶体(2)为激光的增益介质；一个声光Q-开关(3)，输出腔镜和腔镜(4)之间设有一个独立晶体(5)产生拉曼频移的拉曼活性介质；二极管泵浦激光的增益介质即晶体(2)上产生基频光，又通过拉曼活性介质即晶体(5)产生拉曼频移，拉曼频移光的谐振腔嵌套在基频光谐振腔中，经输出腔镜(6)获得最终拉曼激光输出。
3.由权利要求1所述的全固态分体式拉曼激光器，其特征是在用于端面或侧面泵浦的二极管激光器，一个输入腔镜(1)和一个折叠腔镜(7)之间设有一个独立晶体(2)为激光的增益介质和一个声光Q-开关(3)；折叠腔镜对基频光和拉曼频移光高反；折叠腔镜和一个输出腔镜(6)之间置有一个产生拉曼频移的独立晶体(5)；折叠腔镜与输入腔镜、输出镜构成三镜腔折叠腔。
全文摘要
本发明提供一种结构简单紧凑的全固态拉曼激光器，包括二极管激光端面泵浦系统、镀膜的激光输入腔镜和输出腔镜构成的激光腔，在激光腔中放置独立的激光增益晶体、拉曼频移晶体和激光调Q装置，在准连续运转的激光器中得到拉曼激光输出；所述激光增益介质为Nd:YVO
文档编号H01S3/08GK1761111SQ20051009451
公开日2006年4月19日 申请日期2005年9月23日 优先权日2005年9月23日
发明者樊亚仙, 刘源, 王琴, 侯玉娥, 陈璟, 丁剑平, 王慧田, 闵乃本 申请人:南京大学