阈值减小的激光装置的制作方法

专利名称：阈值减小的激光装置的制作方法
阈值减小的激光装置
本发明涉及激光装置。其特别有利地应用在、但不限于有效的三 能级跃迁泵浦中,低跃迁能级对应于基态。
通常，三能级激光器为激光跃迁的低能级是基态的激光器。仅在 半数以上的离子处于激发态时，介质才会放大。
达到该激发能级所必要的局部泵浦功率为
其中h 是泵浦光子的能量，Ap是泵浦的横向范围面积，(7ap是泵
浦的有效吸收截面且t是激发态的寿命。单发射二极管聚焦在几1 (T8m2
的区域上，其对于多数基质材料中多数的三价形式的稀土元素，产生
量级从几W到几十W的P值。通常，激光阈值大于P。这就说明了
为什么很少生产出二极管泵浦的三能级激光器。
事实更复杂一点，因为关于能量，能级通常是多重的且略微分开。
次能级中的每一个都是热布居的(populated)且通常处于玻尔兹曼平 衡。有效截面为绝对有效截面乘以次能级的相关粒子^:。因而有效的 发射和吸收截面不同，(7a-ffe。当跃迁的低能级为高能次能级时， aa (ie,并且激光器操作接近四能级激光器的操作。这样的情况例如 是Nd:YAG ( 4F3/2 —419/2 )的946nm跃迁。另一方面，还没有这样的 实验是公知的，即，其例如演示与能级419/2的基态次能级相对应的约 875nm的发射，该跃迁与三能级激光器相对应。
具体地，三价镱(Yb)具有两个能级。基态能级^7/2具有四个次 能级。激发能级^5/2具有三个次能级。通常，最大的有效吸收截面与 最低的两个次能级之间的跃迁相对应。该跃迁是三能级激光器的跃迁，
并且因而不能用于泵浦该相同的三能级激光器。这意味着(7ap较低且激
光阈值因此不可避免地较高。这就是很少有实验已经演示出例如三能
级Yb激光器的操作的原因。
作为示例，只有两个显著的实验已经演示了基于镱的三能级跃迁 的激光器。
第一个实验涉及掺镱光纤激光器，其由在915nm发射18W的二 极管泵浦。这是977nm的、输出功率超过1W的唯一的激光器。这种 激光器在以下公开中描述"A 3.5-W 977-nm cladding-pumped jacketed air-clad Ytterbium-doped fiber laser" ， K.H. Yla-Jarkko, R. Selvas, D.B.S. Soh, J. K. Sahu， CA. Codemard, J. Nilsson, S: U. Alam, and A.B. Grudinin. In, Zayhowski, JJ. ( ed.) Advanced Solid-State Photonics 2003. Washington DC, USA, Optical Society of America Trends in Optics and Photonics Series ( OS A TOPS Vol 83 )。
在该文献中，阈值的减小通过光纤的引导结构和高亮度二极管来 实现，可使泵浦面积A减小的倍数大于10。然而，这种光纤激光器中 的泵浦注入系数并不好。这种激光器的工业生产将需要保偏光纤。最 后，小于IOW的激光功率例如不能使传统的非线性晶体具有较好的倍 频效率，并且泵浦与蓝光发射(488nm)之间的转换产量较低。
第二个实验涉及在985nm发出250mW的Yb:S-FAP激光器。该 激光器在以下文章中描述"Efficient laser operation of an Yb: S-FAP crystal at 985 nm"， S. Yiou, F. Balembois, K. Schaffers and P. Georges, Appl. Opt. 42, 4883-4886 ( 2003 )。该激光器由在900nm发射1.45W 的Ti:sapphire (蓝宝石)激光器泵浦。
阈值的减小通过选择使产品的(JapT最大的材料(S-FAP)以及通 过激光泵浦来实现，该激光泵浦可^f吏泵浦面积A至少减小10倍。
在约980nm发射的Yb激光器的主要困难有两部分。第一个困难 是四能级发射与三能级发射之间的增益竟争。为了将四能级发射的最 大增益减小至三能级发射的阈值，应该减小镱的浓度N和长度L的乘 积。另一个困难是泵浦的有效吸收截面尺寸较小(900和950nm之间)， 并且可利用的半导体源的最大吸收波长不足。低的NL乘积和小的泵 浦有效吸收截面的组合导致激光器中泵浦吸收减小。因此，这降低了 激光器的效率。
Yb:S-FAP晶体的选择随着S-FAP中Yb的有效吸收截面的高值的 变化而改变。所述两个主要问题是由缺乏S-FAP供应者以及与商业二 极管不相对应的泵浦波长(899 nm)引起的。其它的公知晶体更不适 合。
本发明的目的在于除去上述缺点，并且具体为减小三能级激光器 的发射阈值。本发明的另一目的在于设计一种能够由大范围的波长所 激发的三能级激光器。本发明的再一个目的在于提供一种高效而紧凑 的激光器。本发明的最终目的是设计一种二极管泵浦的激光器，其放 大介质的激发不能通过由泵浦二极管直接泵浦来进行(由于波长的未 利用率或者由于泵浦模式缺乏空间适应性)。
上述目的中的至少一个通过激光装置实现，其包括
-第一放大介质，其能够以输出波长Xs发出第 一输出激光束；
-第二放大介质，其能够发出中间波长Xi的第二激光束并能够以 泵浦波长入p泵浦，以使得Xi包含在Xp和Xs之间；
-单个激光腔，其包含所述第一放大介质和所述第二放大介质，所 述激光腔由最大反射位于所述波长Xi的两个镜闭合。
用本发明的装置，第二放大介质的激光发射被用于在单个激光腔 内泵浦第一放大介质。本发明因而可扩大使用的泵浦波长的范围，以 允许第一放大介质发出激光。也就是说，因而可对通常不能有效吸收 由二极管发出的波长的放大介质进行泵浦。
有利地，第一放大介质可以是三能级放大介质。本发明尤其可以 极大地减小激光发射阈值，并且同时增大三能级激光器的效率。尤其 是，在所述激光腔中产生有两个不同的激光波长入i和Xs。
根据本发明的有利特性，所述第一放大介质包括活性元件，所述 活性元件吸收所述中间波长Xi的激光束。具体地，在第一放大介质中
共振损耗。
为了得到本发明的有利组件，进行了下文描述的程序。 超过激光器阈值时，将泵浦功率Pp、激光器功率P,以及受激离子 部分x相联系的等式近似为<formula>formula see original document page 7</formula> (i )
其中A是泵浦的截面，Ni是掺杂离子的浓度，L,是放大介质的长 度，n是激发态寿命，G是对激光腔的损耗Ti准确补偿的增益，并且 "pi ( Xi) =(Japl N山i ( l-rXl)是作为粒子数反转的函数的泵浦吸收系数， r是受激离子的横向分布上的泵浦的覆盖系数。x的值由GZ(xJ ri =1的解给定。阈值为Pp的值，也就是当P尸0时式(1 )的解。
对于真实的三能级激光器，X!的数量可达到0.5或更多，然而， 对于四能级激光器，x的值可低至0.01。为了减小激光器阈值(与等 式的左部分连接)，乘积N山t应最小。另一方面，将泵浦功率较好地 转换为激光需要Opt (xj Lp〉1。如果有效吸收截面(7一较小，则这意 味着乘积N,L!—定很大。
为了解决阈值问题以及泵浦功率到激光的转换问题，提出了本发 明的新型激光器设计。提出了增加第二放大介质，其浓度为N2、长度 为L2、激发态寿命为t2，且其吸收泵浦波长Xp,并且在该泵浦波长和 激光器波长Xs之间的中间波长Xi处具有增益。波长Xi由第一放大介
质吸收。镜在波长Xi处高度反射，从而使激光Xi的非共振损耗1l2最
小。这些损耗可较好地低于1%。如果第一放大介质的吸收较好地高于 ti2 (当吸收的百分比比较小时，这种情况是真实的)，该新型激光器 的等式近似为
<formula>formula see original document page 7</formula>第一放大介质的受激离子的部分X2为允许在波长Xi处的激光器阈
值的部分。如果较好地选择第二放大介质，则X2的值可相当低(0.1 )。 通常，第二放大介质的使用可将乘积N山i的值减小IO倍，同时
增大泵浦的吸收能级。为了明显地减小激光器阈值，项AN2L2X2/[pi]2比
AN1L1x1/[pi]1足够低便可。
根据本发明的有利实施方式，所述激光腔为单块共振线形型，并 且不同的元件可光学接触。
优选地，当直接泵浦所述第一放大介质时，所述第二放大介质在
所述波长Xi处的发射阈值低于所述第一放大介质在所述波长Xs处的 发射阈值。
作为示例，所述第一放大介质基于三价镱的三能级跃迁，输出波 长约为980nm。所述镱可包含在掺镱(Yb )的硅酸盐基质中。
所述第二放大介质基于三价钕Nd的4F3/2 —419/2跃迁，所述三价钕 Nd能够包含在选自以下基质材料中YAG; YV04;GdV04; YAP或 YLF。
根据有利的特性，可将元件插入本发明的激光腔中，如偏振器、 滤波器、非线性晶体或任何适于插入激光腔的其它元件。
具体地，本发明的装置可以使得所述第 一 放大介质包括以大约 980nm发射的镱。此外，还可使用内腔倍频非线性晶体。在这种情况 下，由激光装置发出的波长是第一放大介质的波长的一半。
本发明的其它优点和特性将通过检查非限定性实施方式的详细描 述以及附图而变得明显，在附图中
图l是三能级激光器的简图2是本发明由激光二极管泵浦的激光装置的简图； 图3是GGG基质中镱的有效吸收和发射截面曲线的图示； 图4是表示传统激光器和本发明激光器的特性的图； 图5是硅基质中镱的有效吸收和发射截面曲线的图示。

图1示出了三能级激光器的能态图。可对以下三个态进行区分 态1:基态能级；态2:激发能级；以及态3:泵浦吸收能级。从一个 态到另一态的每个跃迁均与物理现象相关。从态1到态3的转变通过 吸收光子的光泵浦而发生。从态3到态2的转变通过原子的弛豫(即， 通常非辐射且快速的去激发)而发生。原子保持在态2的时段等于给 定的寿命。从态2到态1的转变通过形成激光束的光子发射而发生。
图2示出了本发明由激光二极管5泵浦的激光装置4。激光装置4 由形成单块线形腔的两个放大介质6和7组成。由激光二极管5发射
的激光束与激光装置4共线。
第 一放大介质6为设置在第二放大介质7下游的活性三能级介质， 该顺序能够颠倒。第二放大介质7的发射波长Xi包含在泵浦5的发射 波长Xp与第一放大介质的发射波长Xs之间。第二放大介质由泵浦5 激发。装置的激光腔包括在波长Xi处具有最大反射Rmax的镜8,镜 8连接于第 一放大介质6的输出表面。该装置的激光腔还包括在波长Xi 处具有最大反射Rmax的镜9,镜9连接于第二放大介质7的输入表 面。
图3至图5可突出将本发明应用于以大约980nm发射的三能级镱 Yb激光器时的优点。
Yb:YAG晶体常常用于以1031nm进行的发射(四能级激光器)。 在YAG基质中，Yb离子在波长在968nm处具有三能级跃迁。不幸地， 在该波长处，(7al=7.10-25m2>(7el=3.10-25m2。这意味着发射激光的阈值 需要激发多于70%的离子。为了克服该问题，选择了略微不同的晶体 基质(GGG)。 Yb:GGG的特性如下三能级发射峰为971nm，四能级 发射峰为1031nm，吸收带宽为930-945nm, (7al ( 971 ) =6.6.1 (T25 m2, (Tal (940) =4.1(T25 m2, 7=0.8ms。该有效吸收和发射截面在图3中示出。 也就是说，掺有2%Yb的晶体(Ny=2.5.1026m—3)。假定泵浦在15(^m 的直径上是一致的。如果对例如内腔倍频有兴趣，则考虑具有Rmax 镜的腔，并假定来回损耗等于2%，计算971nm的激光功率。模拟示 出了晶体长度L^5mm接近最佳。如果超过该值，激光阈值则变得很 高，并且四能级增益变得很大以致难以防止其振荡。低于该长度时， 泵浦则不再有效地吸收。对于5mm的长度，激光阈值为15W。对于 17.5W的泵浦功率，激光功率达到20W (参见图4中的右侧曲线)。
本发明的效率通过采用Nd:YAG作为第二增益介质来演示。考虑 掺有1.1% Nd (NN=1.53. 1026m-3)且厚度LN=2 mm的晶体。Nd离子 以808nm被泵浦并且可以946nm的波长发射。激发态寿命为F0.19ms 并且da2( 808 )=6.15.10-24 m2, (Je2( 946 )=3.9.10.24 m2, da2( 946 )=4.5.10.26 m2。如前所述，可以将Yb:GGG的厚度极大地减小至例如Ly=0.5 mm。 通过上述值，激光器阈值低于0.9W，并且对于1.55W的泵浦功率，971nm的激光器功率达到20W，与图4中左侧的曲线一致。
因而本发明已经说明了可通过保持或者甚至增大泵浦的吸收、并 因此保持或增大转换效率来极大地减小三能级激光器的阈值。本发明 所有的意义具体来自于(但不限于)根据Yb的三能级跃迁生产的约 980nm或约490nm (通过将倍频晶体插入腔中)的激光源。可以考虑 多数的基质材料，包括Yb:Si02 (图5 )，其优点是在976nm发射。倍 频精确地对应于氩激光器的主波长(488nm)。
一般说来，本发明允许有效地泵浦三能级激光器。为此目的，已 经将能够由波长为Xp的泵浦激发的第二激光介质引入激光腔中；该第 二介质发出中间波长Xi的第二介质，中间波长Xi包含在泵浦波长和三 能级激光器的波长Xs之间。还确保了激光腔的镜在波长Xi处为Rmax (最大反射)。优选地，当直接泵浦第一介质时，激光阈值Xi低于激 光阈值Xs。此外，波长Xi优选地由三能级激光器介质吸收，并且该吸 收大于腔的其它损耗。其它的元件也可加到腔的内部，如偏振器、滤 波器或非线性晶体。本发明具体应用在Yb"的三能级跃迁中，取决于 基质材料，Yb"的波长约为980nm。这样就可生产出以大约980nm发 射的激光器或者以大约490nm发射的包括内腔倍频装置的激光器。
当然，本发明不限于上述的实施例，并且在不超出本发明范围的 情况下，可对该实施例进行多种调整。事实上，本发明还可有利地应 用于除了三能级放大介质之外的其它放大介质，例如四能级放大介质。
权利要求
1.激光装置，包括-第一放大介质，其能够以输出波长λs发出第一输出激光束；-第二放大介质，能够发出中间波长λi的第二激光束，并能够以泵浦波长λp泵浦，以使得λi包含在λp和λs之间；其特征在于，所述第一放大介质和所述第二放大介质包含在单个激光腔内，所述激光腔由在所述波长λi具有最大反射的两个镜闭合，并且所述激光腔中产生两个不同的激光波长λi和λs。
2. 如权利要求l所述的装置，其特征在于，所述第一放大介质包 括活性元件，所述活性元件吸收所述中间波长Xi的激光束。
3. 如权利要求2所述的装置，其特征在于，在所述第一放大介质 非共振损耗。
4. 如任意一项前述权利要求所述的装置，其特征在于，所述激光 腔为单块共振线形型。
5. 如任意一项前述权利要求所述的装置，其特征在于，当直接泵 浦所述第一放大介质时，所述第二放大介质在所述波长Xi处的发射阈 值低于所述第一放大介质在所述波长Xs处的发射阈值。
6. 如任意一项前述权利要求所述的装置，其特征在于，所述第一 放大介质基于三价镱的三能级跃迁。
7. 如任意一项前述权利要求所述的装置，其特征在于，所述第一 放大介质包括掺镱(Yb)的硅酸盐基质。
8. 如任意一项前述权利要求所述的装置，其特征在于，所述第二 放大介质基于三价钕Nd的^3/2 — 419/2跃迁。
9. 如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述三价钕包含在以 下基质材料中YAG; YV04;GdV04; YAP或YLF。
10. 如任意一项前述权利要求所述的装置，其特征在于，所述激 光腔还包括偏振器。
11. 如任意一项前述权利要求所述的装置，其特征在于，所述激 光腔还包括滤波器。
12. 如任意一项前述权利要求所述的装置，其特征在于，所述激 光腔还包括非线性晶体。
13. 如权利要求12所述的装置，其特征在于，所述第一放大介质 包括以大约980nm发射的镱，并且还包括内腔非线性倍频晶体。
全文摘要
本发明的目的具体在于三能级激光器的有效泵浦。为此，在激光腔中包括第二激光介质，其能够由波长为λp的泵浦光束激发，所述第二介质发出位于泵浦波长和三能级激光器波长λs之间的中间波长λi。设法确保激光腔的镜在波长λi具有最大反射Rmax。优选地，当直接泵浦激光λs时，激光λi的阈值低于激光λs的阈值。此外，波长λi优选地由三能级激光介质吸收，并且该吸收大于其它的腔损耗。在腔内可增加其它元件，如偏振器、滤波器或非线性晶体。本发明尤其适用于I’Yb³⁺的三能级跃迁，其波长取决于基质材料而约为980nm。这样，可生产出以大约980nm进行发射的激光器或以大约490nm进行发射的包括内腔倍频装置的激光器。
文档编号H01S3/0941GK101366152SQ200780001935
公开日2009年2月11日 申请日期2007年1月4日 优先权日2006年1月4日
发明者蒂尔瑞·乔治 申请人:奥克休斯股份有限公司