专利名称：全固体多波长激光器的制作方法
技术领域：
本发明属于激光器结构的改进，尤其是涉及固体激光器的多波长输出技术领域。
目前用克尔透镜锁模钛宝石激光器可产生短至几个飞秒的激光脉冲，而且最短脉冲的记录还在不断地缩短以满足某些基础学科中超快过程研究的需要。另一方面短波长超短脉冲激光如蓝光、紫外光等在诸如生物学、医学诊治等领域有很广泛的应用。而利用光学性质和物理性能优异的钛宝石和各种倍频晶体组成的波长各异的全固体脉冲激光系统，以其波长可变、结构紧凑、性能稳定等优点将会得到越来越多的应用。但这种类型的激光器尚未见有报道，而钛宝石飞秒激光脉冲的二次谐波产生已有大量报道。
本发明的目的是设计一种全固体多波长脉冲激光器，力求激光器的结构紧凑、性能稳定、操作简单、转换效率高。
本发明所设计的全固体多波长激光器，包括有半导体泵浦的Q-YLF激光器、反射镜和透镜、钛宝石激光腔、非线性晶体LBO和BBO、分光棱镜；本发明的特点是，用半导体泵浦的Q-YLF激光器作为泵浦源，其输出的532nm激光脉冲经两只全反射镜M1和M2调平后，通过聚焦透镜f1聚焦于钛宝石激光腔，钛宝石激光腔输出的激光脉冲至半反半透的双色膜反射镜把532nm的绿光与830nm的红外光分开，其中830nm激光脉冲再经两只全反射镜M3和M4调平后，通过聚焦透镜f2聚焦于非线性晶体LBO进行倍频，产生的倍频光经两只反射镜M5和M6过滤并调平后，将415nm的蓝光通过聚焦透镜f3聚焦于非线性晶体BBO再次倍频，再次倍频产生的倍频光通过准直透镜f4到达分光棱镜P，分别输出415nm的蓝光和208nm的紫外光。
其中，全反射镜M1、M2、M3、M4上的镀膜为全反射膜，而半反半透镜M7、M5、M6上的镀膜为双色膜；M7上的双色膜对532nm绿光全反对830nm红外光全透，或者是对532nm绿光全透对830nm红外光全反；反射镜M5和M6上的双色膜对415nm蓝光全反射对830nm红外光全透。本发明所述的各种镀膜的制作均为已有的成熟技术。
本发明的特点还在于，所述的钛宝石激光腔采用凹-平面镜组成的稳定腔结构，其中前腔镜M为凹面透镜对532nm绿光全透对830nm红外光全反，后腔镜MO为平面镜对532nm绿光全透对830nm红外光透过8-15％，腔内钛宝石Ti∶S的长度为20mm，应离焦放置；另外，在后腔镜MO与钛宝石之间还可以设置有精密波长调谐装置BF用于提高输出波长精度。该装置已另案申请中国专利(申请号为01212931.3)，这里不再赘述。
本发明的特征还在于，所述的反射镜M7若对532nm绿光全反对830nm红外光全透，则反射的532nm绿光输出，透射的830nm红外光由反射镜M3和M4调平，此时在反射镜M3或M4的位置沿镜面方向设置有滑轨，能把M3或M4任一反射镜平移开，使830nm红外光输出；若去掉半透半反反射镜M7则到达反射镜M3上的光为混合光，此时将M3制成半透半反的双色膜反射镜，其将532nm绿光全透过输出，将830nm红外光全反射至M4，M3和M4共同完成调平，并在M4的镜面方向设有滑轨，M4的平移可使830nm红外光输出。
附
图1为本发明所设计全固体多波长激光器的结构原理图。图中Diode-Q-YLF为半导体泵浦的Q-YLF倍频激光器(美国Photonics Industries DS-20)；M1和M2为全反射镜，二者共同完成对532nm光的调平；f1为聚焦透镜；M、Ti∶S和MO共同构成钛宝石激光腔，前腔镜M为凹面镜对532nm光全透对830nm光全反，后腔镜MO为平面镜对532nm光全透对830nm光透过8-15％；BF为精密波长调谐装置，可以设置在钛宝石与后腔镜之间任意位置，呈Brewster角插入光路；M7为半反半透的双色膜反射镜，对532nm光全反对830nm光全透，呈45°角放置；M3和M4为全反射镜，二者共同完成对830nm光的调平；f2为聚焦透镜；LBO和BBO为倍频晶体，其为非线性晶体，由山东大学生产；M5和M6为双色膜反射镜，对415nm光全反射对其他光(主要是830nm)全透过，二者共同完成对415nm光的调平；f3为聚焦透镜；f4为准直透镜；P为分光棱镜，可采用透紫外(石英)棱镜。
由上述可以看出，本发明采用高效全固化结构可在单一系统中产生多个不同波长的脉冲激光，具有以下优点。①整个系统从泵浦源到各中间过程全部采用固体激光器件，从而保证了系统结构紧凑、性能稳定、体积小的特点。②考虑到YLF激光器光束细及保护钛宝石端面不受损伤二方面的因素，在设计钛宝石激光腔时，重点优化了泵浦透镜的焦距，使腔模与泵浦光束最佳匹配，并离焦放置钛宝石棒以避免聚焦光斑损伤，按此设计的钛宝石激光腔输出效率达40％。③由于基波光后续的四倍频过程获得的紫外光已接近BBO晶体的增益边缘波段，需要精密调谐钛宝石基波光的波长以保证四倍频波长处在相对较高的增益区和窄的光谱带宽，所以在本系统中设置有精密波长调谐装置，保证了四倍频过程的高转换效率。④在通常的倍频过程中都要采用“聚焦基波光-晶体-准直倍频光”结构，一次倍频需要前后两个透镜；若按此结构，两次倍频则需要四个透镜，这会使系统庞杂，激光四次通过透镜，按优质石英材料透镜8％的损耗计算，在通过四个透镜后光功率降低至72％，可见损耗很大；本发明在两次倍频中采用成像式结构，只需两个透镜即可。为了避免成像缩小导致415nm蓝光像光斑损伤BBO晶体，应使LBO晶体处在透镜f3的二倍聚焦以内。
按照以上要求措施，本发明人制出一台全固体多波长激光器样机，该系统从泵浦到波长变换过程均采用全固体器件，YLF泵浦源尺寸为20×15×50cm,830nm、415nm及208nm组成的系统为20×25×50cm，所制作的多波长激光器由半导体泵浦的YLF调Q腔内倍频激光器输出532nm激光泵浦钛宝石激光腔产生波长830nm红外光；其中聚焦透镜f1焦距为15cm，前腔镜(凹面镜)M与后腔镜(平面镜)MO构成激光腔，凹面镜M镀有双色膜对830nm光全反，对532nm光全透；平面镜MO镀膜对830nm激光有10％输出率；以此作为基频光用非线性晶体LBO倍频后产生415nm的蓝光，聚焦透镜f2焦距为6.5cm，晶体长度为10mm(可任选)；用BBO晶体作进一步倍频后输出208nm的深紫外光，聚焦透镜f3焦距为12.5cm，晶体长度10mm(可任选)；准直透镜f4的焦距为65mm。为防止晶体潮解，倍频晶体LBO和BBO被分别设置在密封盒体内，盒体两端(通过光路的)窗口呈Bvewster角。
经检测，当泵浦源YLF激光器在重复频率1KHz、输出功率为3.6W时，830nm红外光可输出最大平均功率1.1W；415nm蓝光的最大输出380mW；208nm紫外光的最大输出39mW。计算倍频和四倍频过程中聚焦透镜的损耗、及晶体表面反射等各种损耗，得知LBO倍频效率为40％，BBO四倍频效率为12％，这在目前是最高的。用户可根据不同用途选择不同输出波长。
权利要求
1．一种全固体多波长激光器，采用有半导体泵浦的Q-YLF激光器、反射镜和透镜、钛宝石激光腔、非线性晶体LBO和BBO、分光棱镜，其特征在于，用半导体泵浦的Q-YLF激光器作为泵浦源，其输出的532nm激光脉冲经两只全反射镜M1和M2调平后，通过聚焦透镜f1聚焦于钛宝石激光腔，钛宝石激光腔输出的脉冲激光至半透半反的双色膜反射镜把532nm的绿光与830nm的红外光分开，其中830nm红外光再经两只全反射镜M3和M4调平后，通过聚焦透镜f2聚焦于非线性晶体LBO进行倍频，产生的倍频光经两只反射镜M5和M6过滤并调平后，将415nm蓝光通过聚焦透镜f3聚焦于非线性晶体BBO再次倍频，再次倍频产生的倍频光通过准直透镜f4到达分光棱镜P，分别输出415nm蓝光和208nm紫外光。
2．根据权利要求1所述的多波长激光器，其特征在于，所述的钛宝石激光腔的前腔镜M为凹面透镜，对532nm绿光全透对830nm红外光全反，后腔镜MO为平面镜，对532nm绿光全透对830nm红外光透过8-15％，腔内钛宝石Ti∶S的长度为20mm，并离焦放置。
3．根据权利要求2所述的多波长激光器，其特征在于，在钛宝石激光腔内的后腔镜MO与钛宝石之间设置有精密波长调谐装置BF，其在光路中呈Brewster角放置。
4．根据权利要求3所述的多波长激光器，其特征在于，在后腔镜MO和反射镜M3之间的光路上斜置有半透半反的双色膜反射镜M7，其对532nm绿光全反射输出，对830nm红外光全透射到反射镜M3，由反射镜M3和M4完成调平；在反射镜M3或M4的位置沿镜面方向设置有滑轨，能把反射镜M3或M4平移开，使830nm红外光输出。
5．根据权利要求3所述的多波长激光器，其特征在于，在后腔镜MO之后的反射镜M3为半透半反的双色膜反射镜，其对532nm绿光全透射输出，对830nm红外光全反射到达反射镜M4，由反射镜M3和M4完成调平；在反射镜M4的位置沿镜面方向设置有滑轨，M4的平移能使830nm红外光输出。
6．根据权利要求4或5所述的多波长激光器，其特征在于，所述的倍频晶体LBO和BBO被分别置于密封盒体内放置在光路中，其通过光路的两端窗口在光路中呈Brewster角。
全文摘要
一种全固体多波长激光器,本发明用Diode－Q－YLF激光器输出的532nm光泵浦钛宝石激光腔,其输出的激光由半反半透镜把523nm绿光和830nm红外光分开,830nm光经调平聚焦至倍频晶体LBO,产生的倍频光经过滤并调平将415nm蓝光聚焦至倍频晶体BBO,四倍频的光通过准直后到分光棱镜,分别输出415nm蓝光和208nm紫外光。本发明为全固化结构,能输出多个不同波长的激光脉冲,具有结构紧凑、性能稳定、操作简单、转换效率高的优点。
文档编号H01S3/16GK1300122SQ01106708
公开日2001年6月20日 申请日期2001年1月12日 优先权日2001年1月12日
发明者陈国夫, 赵尚弘, 赵卫, 王屹山 申请人:中国科学院西安光学精密机械研究所