整体化腔内混频微片激光器的制作方法

专利名称：整体化腔内混频微片激光器的制作方法
技术领域：
本专利涉及一种整体化腔内混频微片激光器。
背景技术：
为消除腔内混频中常见的绿光问题，基频光应由两个谐振腔独立产生。目前，已经 检索到的关于腔内混频的专利包括 1.美国专利US 5345457。该专利利用棱镜的色散效应将不同波长的光分束，使其 分别起振于两个腔中，实现基频光的独立起振。该方法结构复杂，调节难度大，稳定性也比较差。 2.美国专利US 5651019。该专利通过一双色膜将不同波长的基频光分束到两个 独立的激光腔中。该方案镀膜难度高，腔内损耗比较大，且不适合相同波长的基频光。 3.美国专利US 6816519。该专利通过一片PBS棱镜将两束不同的基频光分束到两 个独立的激光腔中，该方案镀膜难度高，且不易控制；另外，插入PBS分束棱镜损耗比较大。 4.德国专利DE 19610371。该专利通过一块双折射晶体将谐振腔分为两支。每支 含一激光增益介质，由一激光二极管泵浦。缺点是界面损耗大。且因两基频光的间隔受器 件尺寸限制，无法縮小，因而不得不采用厚双折射晶体，导致吸收增多，并对光束准直性要 求极高以避免滤光效应引起的损耗和噪音。 本专利采用全新的基频光和频机制，通过walk-off效应实现低损耗，高效率，低 噪声腔内混频。该方案结构简单，体积小巧，性能稳定，便于集成，适合微型化，整体化。

发明内容本专利涉及一种整体化腔内混频微片激光器。其技术方案在于采用两个独立谐振 腔产生基频光，从而消除了绿光问题。产生的基频光线性偏振并互相垂直，通过双折射晶体 在非线性晶体中重合并混频，从而实现高效率激光输出。 本发明的基本结构包括激光增益介质，双折射晶体和非线性晶体。这些晶体均被 切割成薄片用光胶粘合，集为一体，形成低损耗，低噪声微片激光器。双折射晶体应对所通 过之波长透明，并有较大的双折射率。至少一个激光增益介质与双折射晶体的一个表面相 贴。至少一个非线性晶体与双折射晶体的一面相贴。这些元件构成两独立的谐振腔，非线 性晶体外侧镀膜构成两谐振腔的共同腔镜，激光增益介质外侧镀膜构成另一腔镜。两独立 光腔在激光增益介质中相互平行，在双折射晶体与非线性晶体的界面相交，在非线性晶体 中重合。 一个光腔在激光增益介质与双折射晶体中呈线性。另一个光腔在激光增益介质与 双折射晶体界面弯折，弯折角等于双折射晶体走离角。省去了用于产生单频的选模元件，也 无需为产生极多模而采用极短光腔，光腔总长度为毫米级。两基频光入射线垂直距离等于 双折射晶体长度与走离角正切的乘积。由此基本结构可演变出许多不同的结构以适合各种 应用。 例如，激光增益介质可各向同性或异性，可位于双折射晶体同一侧或分置两侧。泵
3浦源可为二分离器件或一连体二元器件或由单一器件分成二束。光束分离可通过偏振差别 或其他方法实现。基于偏振差别的光束分离又有多种途径。 又如，基频光可由两激光增益介质单独产生，或由一激光增益介质及另一光源产 生。产生基频光的其他光源包括激光二极管，以激光二极管为泵浦源的固体激光器，及光参 量振荡器或放大器。 再如，除用于基频光混频的非线性晶体外，一个或多个非线性晶体可粘附在基本 结构上。通过进一步非线性作用包括混频或倍频，产生更短波长的激光，包括紫外激光。 本专利演示了一种仅包括一个泵浦源，一激光增益介质，一双折射晶体，及两个非 线性晶体的小尺寸，低成本可高效产生连续波紫外的微片激光器。 本发明结构上的灵活性导致器件尺寸进一步縮小，费用进一步降低，波长范围进 一步扩展。通过适当选择晶体材料及优化组合，从红外到紫外的多种波长均可获得。 此外，本发明适合各种工作模式，单模或多模，连续或脉冲。如果两基频光均为多 模，混频过程不存在简并，因而混频光模数倍增。将本发明用于激光显示器，可大大降低由 相干带来的斑点，从而改善影像质量。而且混频光模间隔非等距，消除了因自发Q-Switch 导致晶体损坏的隐忧。

图la为本发明的基本结构图。 图lb为本发明的另一基本结构图，采用一各向同性的激光增益介质产生基频光。 图2a-2h为本发明采用的几种泵浦源结构图。 图3为本发明的另一种结构图，其中激光增益介质分置双折射晶体两侧。 图4为本发明的另一种结构图，可用于产生单模或平顶光谱输出。 图5a-5b为本发明的另二种结构图，其中基频光之一由激光二极管或光参量振荡
器产生。 图6a-6f为本发明采用的几种结构图，用于产生所需波长包括紫外波长。
具体实施方式
本专利的结构特征在于利用e光在双折射晶体中的走离现象使两在独立谐振腔 中形成的基频光在非线性晶体中重合实现混频。实施技术方案的具体结构由图la至图6f 体现。其中图la为基本结构。其余为变通方案。 如图la所示，本发明的基本结构包括一对激光增益介质110和120，一双折射晶体 150，和一非线性晶体130。在此结构中增益介质的受激辐射截面与偏振有关。例如，Nd:YV04 的1064nm辐射沿ji -方向偏振。 增益介质110由波长为AM的泵浦光113激发，依靠第一谐振腔产生波长为、的 第一基频光115。泵浦光113的波长与增益介质110的吸收峰相重。若增益介质110的吸 收光谱与偏振有关，则泵浦光113的偏振方向亦应相符。同样，增益介质120由波长为AP2 的泵浦光123激发，依靠第二谐振腔产生波长为入2的第二基频光125。泵浦光123的波长 与增益介质120的吸收峰相重。若增益介质120的吸收光谱与偏振有关，则泵浦光123的 偏振方向亦应相符。第一基频光115在双折射晶体150中为e-光。第二基频光125则为o-光。这些均可通过调整激光增益介质及双折射晶体的主轴方向达成。 基频光115与基频光125依靠walk-off效应在独立的谐振腔中形成并在非线性 晶体130中重合并混频。第一谐振腔由镜面111和镜面131组成。第二谐振腔由镜面121 和镜面131组成。镜面111镀膜成对A工高反，而对A P1增透。镜面121对A 2高反，对入P2 增透。双折射晶体150与非线性晶体130之间的膜层153对、和、高透，对混频波长 入m高反。镜面131作为混频输出耦合则对、和、高反，而对混频波长入m增透。若混
频过程为和频，则A m = 、、/(、+、) 若混频过程为差频，则A m = A工A 2/ I A 「入2 I 。 激光输出耦合透镜131可以一凹透镜129替换。引入一凹透镜形成半聚腔有助于 改善光束的准直性。从而减少因光束发散引起的能量损失及噪音。在谐振腔内引入凹透镜 的另一好处是补偿热透镜效应，提高光束质量。 改善光束准直性的最有效方法是尽量縮短双折射晶体的长度。采用e-光与o-光 折射率差大的双折射晶体有助于达到这一目的。亦可通过尽量縮短两泵浦光的间隔实现 例如采用二体激光二极管，或光纤耦合输出，或将单一泵浦光分成偏振相互垂直的两束光， 分别激活增益介质110和120。在美国专利申请号11/143127及11/378552中均有详细描 述。本专利图2将进一步提出几种可能的分光结构。 图lb描述了本发明的另一基本结构。其中，与偏振有关的增益介质110和120被 一各向同性的介质140，例如Nd:YAG，取代。由于偏振差别，只有115_e光能在第一谐振腔 中形成激光，而只有125-0光能在第二谐振腔中形成激光。本结构的优点在于工艺简单，能 将尺寸做得很小，且适合大规模生产。将激光增益介质，双折射晶体，和非线性晶体分层生 长在同一大面积基片上，再切割成小块，每块构成一微片激光器，生产效率及成品率均大大 提高，成本大大降低。 本设计思想亦适用于能同时产生两种不同偏振跃迁的激光增益介质，例如 Nd:YLF。该增益介质能在4F3/2与4111/2能级间产生1053nm( o偏振)与1047nm( ji偏振) 跃迁，或在4F3/2与4113/2能级间同时产生1313nm( o偏振)与1321nm( ji偏振)跃迁。 在图la和图lb中，泵浦光可来自激光二极管或以激光二极管为泵浦源的固体激 光器或其它光源。可由两独立器件分别产生，亦可由一连体二元器件产生，或由单一光源分 光而成。后者可利用偏振差别实现。图2a-2h描述了本专利发明的几种用单一光源同时激 发两增益介质的泵浦源结构。以此几种结构为基础还能演变出更多符合本专利设计思想的 结构。 第一种泵浦源结构如图2a所示。由激光二极管281产生的泵浦光283经透镜285 变成平行光，投射到平板261。该平板镀膜的反射率和折射率随偏振方向而改变。具体地 说，泵浦光283的p-分量211高透通过平板261，同时其s-分量221高反并投射到平板262 上。平板262的镀膜亦对s-分量221高反。泵浦光283的p-分量211经透镜217聚焦后 形成泵浦源213。同时其s-分量221经透镜227聚焦后形成另一泵浦源223。通过调整平 板261与262的距离，两束泵浦光的间隔可被调整并优化。 图2b描述的泵浦源结构稍有不同。其中平板261被一分束棱镜PBS 263取代。机 理则相似。 图2c描述的泵浦源结构则进一步以一双PBS 264同时取代分束平板261和262。 在图2a-2c中，泵浦光283的偏振方向决定其分量213与223的强度比。泵浦光283的偏振方向可通过旋转激光二极管281而改变，以此优化泵浦及混频效率。 除图2a-2c所示结构，泵浦光亦可通过光纤输入。图2d示其一例。在通过光纤
284中，泵浦光的偏振方向被随机化。因此，该结构适合应用于要求两相同强度泵浦光的情况。 将泵浦光分束亦可通过walk-off效应实现。具体地说，引入另一双折射晶体260 将e光与o光分开。图2e-2h示其四例。 在图2e中，所引入之双折射晶体260与增益介质210和220直接粘合。泵浦光经 由透镜236在双折射晶体表面聚焦。 在图2f中，双折射晶体260与增益介质分离。泵浦光先经透镜236扩束，然后在 双折射晶体中分开。再经透镜217和227在增益介质表面聚焦。此结构尤其适合高功率泵 浦。 图2g所示结构与图2f相似。只是采用了微透镜237作聚焦用。 以上三泵浦源结构均以激光二极管281作光源。如上所述，调整281的取向可使
泵浦光263-e与263-o的强度比达到最佳，从而优化泵浦及混频效率。 图2h为图2d之翻版，采用光纤偶合，以得到两相同强度之泵浦光。不同处在于以
双折射晶体取代对偏振方向敏感之平行板作分光之用。 除了在泵浦源结构方面的灵活性，本发明还可按实际需要灵活放置激光增益介 质。在图3所示之结构中，激光增益介质310和320分置双折射晶体350两侧。分别由泵浦 源313及323激活。膜层311对第一泵浦光波长A P1增透但对基频波长A工高反。同样，膜 层331对第二泵浦光波长Ap2增透但对基频波长A"、及混频波长Am高反。对第二类 非线性过程，混频输出333为e-光，由于walk-off效应而从高透膜351输出。膜层351对 基频波长、高反而对混频波长入m高透。此结构的优点在于更为紧凑，且混频效率更高。 凹透镜319可作为选择元件插入而形成半聚腔。在此种情况下，对第一泵浦光波长入m増 透而对基频波长A工高反的膜应镀在凹透镜319内侧。同时，膜层311对第一泵浦光波长 入m高透。亦可在另一端插入另一凹透镜形成全聚腔。半聚腔或全聚腔适合某些应用，例 如调整腰束位置，有利提高混频效率。尤其适合大功率输出。 本发明结构上的灵活性还在于可方便加入附加元件以扩展性能。例如，插入波长 选择元件可得到单模或具一定带宽的输出。也可使波长选择元件透射率极小处与增益曲线 极大处重合以得到平顶光谱输出。又如，将电光或声光元件或透射率随光通变化的被动元 件粘贴在增益介质表面可实现Q-switch激光输出。 在图4所示之结构中引入了 Lyot filter 418和428，分别夹在增益介质410或 420与双折射晶体450之间，以此产生单模的基频光415和425。并因此产生单模的混频光 433。 与此相反，有些应用要求多模的混频输出。例如，激光显示系统常利用多模平均降 低噪声，消除影像斑点。作为本专利的另一优点，两基频光在双折射晶体中的光程略有差 别，即两者的模间隔不同。因此，在混频过程中不存在模式简并。这使混频光的模数大增， 有利于降低噪声和消除影像斑点。此外，混频光模间隔不等距，因而消除了因自发Q-switch 可能带来的损坏。 在图4所示之结构中泵浦光413和423由一连体二元激光二极管481产生。通过
6透镜417， 427，和437聚焦后进入增益介质410及420。该结构的优点在于泵浦光间隔很短，
可采用薄双折射晶体，从而縮小了器件尺寸，提高了效率，降低了噪音。 本发明结构上的灵活性还在于基频光之一可由其他光源产生。这些光源包括但不
限于激光二极管，以激光二极管为泵浦源的固体激光器，及光参量振荡器或放大器。 为方便叙述，首先参考图5a。如图所示，激光二极管526取代了一基频光源。发出
的基频光经527聚焦后进入双折射晶体550，然后与另一基频光515在非线性晶体530中重
合并混频。在双折射晶体550外侧所镀之膜551对激光二极管526发出的基频光525波长
增透。在该图中，激光二极管产生的是o-光。本发明亦适合产生e-光的激光二极管。只
须令由激光增益介质产生的另一基频光515为o-光。采用激光二极管作基频光源有助扩
展波长范围。此外，可通过高频调制激光驱动电路522稳定输出，减少噪声。 图5b描述了另一种变异结构。其中一基频光由光参量振荡器580产生。该光参
量振荡器被注入泵浦光511，经非线性作用产生一 signal和一 idler。两者均线性偏振，互
相垂直。光参量振荡器580外侧镀膜581对泵浦光511增透。在此图中，光参量振荡器所
产生的e-光被用作基频光。也可用o-光。只需调整另一基频光的偏振方向。此结构进一
步扩展了波长范围。 在图5b中光参量振荡产生于第二类非线性过程。应当指出，本发明亦适用于第一
类非线性过程。在后种情况，非线性作用产生的signal和idler具相同传播方向。可通过
适当的谐振腔镀膜滤除不需要的波长，仅使所需之波长形成振荡，并以此产生基频光。 本发明的结构还可进一步变异。尤其重要的是可引入更多非线性过程进一步混频
或倍频。从而产生短波长激光，尤其是紫外光。更加拓展本发明的应用范围。 其例一，如图6a所示，在激光增益介质610外表粘贴第二个非线性晶体690，对混
频光633倍频，产生波长为A f = A m/2的激光695。详细过程如下 由激光二极管681发出的泵浦光经分束板661和662分成两束，即613和623，经 透镜617和627聚焦后分别激活增益介质610和620。由此产生基频光615和625。经双折 射晶体650在非线性晶体630中重合并混频，产生的633为e_光。在非线性晶体630外侧 所镀的膜631对633高反，使非线性过程发生两次，混频效率较高。混频光633通过双折射 晶体650后在非线性晶体690中倍频。由于膜层691对混频光633及倍频光695均高反， 倍频过程亦发生两次，有较高效率。新产生的短波长激光695经双折射晶体650及增透膜 652输出。膜层619对基频光615高反而对混频光633及倍频光695均高透。该结构的主 要优点是效率高。主要缺点是695在经过双折射晶体650时可能被吸收。 如果695的波长很短，吸收可能很强。于此种情形，可令691对695高透，690与 610的间膜619对695高反，分束板661亦对695高反，使695从图的左方输出。 同样观念可用于改造图3结构。如图6b所示，在双折射晶体650外表粘贴第二个 非线性晶体690，对混频光633倍频，可产生波长为A f = A m/2的激光695。如上所述，取 决于镀膜情况，695可从左方或右方输出，以适应各种需要。 在图6a和图6b的例子中非线性晶体690用于对混频光633倍频。通过对镀膜的 调整，非线性晶体690亦可用于对633和615混频，产生新的波长、=、A 2/ 主要的不同在于当690用于倍频时，690与650之间的膜619(图6a)或659 (图6b)对第 一基频光615高反，用于混频时，619或659对第一基频光615高透。同样，采用不同镀膜，695可从左方或右方经高透膜652 (见图6c)输出，以满足各种需要。 图6c的结构可进一步变化以拓展到更短波长。如图6d所示，第三个非线性晶体670粘贴在双折射晶体650另侧，使695再次倍频。倍频后的675 (波长、=、/4或A t/2由镀膜决定)经增透膜671输出。 基于相同理念，图6a的结构亦可进一步变化以拓展到更短波长。如图6e所示，第三个非线性晶体670粘贴在双折射晶体650另侧，使695再次倍频。倍频后的675经增透膜671输出。 不难理解，如果一或多个混频的结果产生差频而不是和频，则以上所示结构亦可产生红外或其他波长。 图6f描述了另一种用于产生紫外光的简单结构。由于在双折射晶体650中的walk-off效应，增益介质610产生的受激辐射在谐振腔中形成o-偏振激光615-o。在满足第一类相位匹配的条件下，615-0在非线性晶体630中经历两次倍频。倍频光635具e-偏振。由于在双折射晶体650中的walk-off效应，635进入另一非线性晶体690，倍频后经高透膜691输出连续波紫外光695。在此结构中，膜层611对泵浦光613增透，对615_o高反，631对635及615-o均高反，659则对635高透而对695高反。 必须指出，以上所示各图均为叙述方便而举的例子，并不代表本专利之局限。事实上，根据本发明所述原理及基本结构还可演变出更多结构以适应各种需要。
权利要求一种整体化腔内混频微片激光器，其特征是由至少一个激光增益介质，至少一个非线性晶体，至少一个双折射晶体，激光二极管泵浦组合，及光学元件构成；其中双折射晶体应对所通过之波长透明，并有较大的双折射率；至少一个激光增益介质与双折射晶体的一个表面相贴；至少一个非线性晶体与双折射晶体的一面相贴；所有晶体均切割成薄片采用光胶粘合，集成为一体；这些元件构成两独立的谐振腔，非线性晶体外侧镀膜构成两谐振腔的共同腔镜，激光增益介质外侧镀膜构成另一腔镜；两独立光腔在激光增益介质中相互平行，在双折射晶体与非线性晶体的界面相交，在非线性晶体中重合；一个光腔在激光增益介质与双折射晶体中呈线性，另一个光腔在激光增益介质与双折射晶体界面弯折，弯折角等于双折射晶体走离角；光腔总长度为毫米级；两光腔平行部分的垂直距离等于双折射晶体长度与走离角正切的乘积。
2. 根据权利要求1所描述的整体化腔内混频微片激光器，其特征是所述的激光二极管泵浦组合进一步包含两个独立的激光二极管或一连体二元激光二极管及相应的光学元件；其中，泵浦光通过自由空间或光纤与激光增益介质耦合。
3. 根据权利要求1所描述的整体化腔内混频微片激光器，其特征是所述的激光二极管泵浦组合进一步包含一个激光二极管，按偏振方向分束的器件及其他光学元件。
4. 根据权利要求1所描述的整体化腔内混频微片激光器，其特征是基频光之一由激光二极管或光参量振荡器产生；激光二极管由高频调制激光驱动电路控制。
5. 根据权利要求1所描述的整体化腔内混频微片激光器，其特征是所述的激光增益介质是两个受激辐射与偏振方向有关的激光增益介质。
6. 根据权利要求1所描述的整体化腔内混频微片激光器，其特征是所述的激光增益介质是一各向同性的激光增益介质或能同时产生两种不同偏振跃迁的激光增益介质。
7. 根据权利要求1所描述的整体化腔内混频微片激光器，其特征是进一步粘贴一个或多个波长选择元件从而实现单模或具一定带宽光谱或平顶光谱输出。
8. 根据权利要求1制作的一种高效的紫外微片激光器。其特征是由一激光增益介质，一双折射晶体，两个非线性晶体，一激光二极管泵浦源，及相应光学元件构成。所有晶体均切割成薄片采用光胶粘合，集成为一体。
专利摘要本专利涉及一种整体化腔内混频微片激光器。由两个谐振腔独立产生的基频光一为e光，一为o光，通过双折射晶体在一个或多个非线性晶体中重合并混频或再经过一次或多次倍频或混频。产生基频光的激光增益介质，双折射晶体，及非线性晶体，均用光胶粘合，集成为一体。本实用新型彻底消除了绿光问题，可以高效地实现各种激光波长低噪声输出。根据本实用新型的基本原理可演变出多种结构以适应各种需要。本专利演示了一种仅包含一个激光增益介质，一个双折射晶体，两个非线性晶体，一个激光二极管泵浦源，及相应光学元件的高效紫外微片激光器。
文档编号H01S3/10GK201444533SQ20082015683
公开日2010年4月28日 申请日期2008年12月10日 优先权日2008年12月10日
发明者刘理, 朱声白, 罗宁一 申请人:维林光电(苏州)有限公