专利名称：一种上转换自倍频紫外激光器的制作方法
一种上转换自倍频紫外激光器涉及激光晶体和固体激光器设计领域。
一种上转换自倍频紫外激光器，固体激光器具有光束质量高、运转稳定可靠、使用寿命长等优点。随着激光技术的发展及其在信息存储、光计算和光谱测量等领域的广泛应用，短波长固体激光特别是紫外固体激光器件日益引起人们的关注。现有的固体紫外激光一般采用红外半导体激光泵浦输出波长比该半导体激光更长的固体基波激光，再经过至少两次倍频或和频过程才能得到。其激光器件中除了一块激光晶体外还需要采用两块以上的非线性光学晶体。这就使得器件结构非常复杂，价格比较昂贵。使用过程中需要经常对其中的非线性光学器件进行调整和校正，维护成本较高，稳定性和可靠性都比较差，对使用环境的要求也比较高，在很多领域无法应用。
一种上转换自倍频紫外激光器设计由一个红外光泵浦的单一激光晶体构成的紫外固体激光器，将红外光有效地转变成为紫外固体激光输出。目的在于解决当前通过红外光泵浦输出紫外固体激光需要采用一系列的非线性光学器件所带来的激光系统结构复杂、维护困难、价格昂贵等问题，使得器件尽量紧凑和小型化，同时提高运行稳定性，降低器件成本。
本发明采用如下技术方案本固体紫外激光器采用的激光晶体为，掺杂能够产生频率上转换激光的稀土离子作为激活离子的非线性光学晶体，该类晶体具有非线性光学效应和通过激发态吸收或能量传递等过程产生频率上转换激光的双重功能，可以称之为上转换非线性激光晶体。例如在目前已有的非线性光学晶体GdxY1-xAl3(BO3)4，Ca4GdxY1-xO(BO3)3，Gd2xY2(1-x)(MoO4)3，(其中x可以从0变化到1)，LaSc3(BO3)4中，以稀土离子如Pr3+、Nd3+、Ho3+、Er3+、Tm3+等，作为激活离子全部或部分取代Gd3+、Y3+或La3+离子。或者其他可被稀土离子激活的非线性光学晶体，如RE3+:MgO:LiNbO3、RE3+:ZnO:LiNbO3(RE＝Pr、Ho、Er、Tm等稀土离子)等。
将上转换非线性激光晶体的两端面，沿垂直于倍频上转换基波激光的相位匹配方向切割，并与相应的镀膜片构成固体激光器。
本固体紫外激光器采用红外光泵浦。经过激活离子的频率上转换过程使得基波激光的波长短于泵浦的红外光波长，再利用非线性激光晶体自身具有的非线性光学效应将该基波激光倍频输出高光束质量的紫外激光。故称该器件为上转换自倍频紫外激光器。
现结合附图
来说明本发明方案的实现方式首先，根据红外泵浦光的情况和出射激光的要求，选择合适的稀土离子作为激活离子与合适的非线性光学晶体作为基质晶体，进行上转换非线性激光晶体生长。再根据倍频需要对上转换非线性激光晶体(1)进行定向切割，使其入射和出射端面与所需的相位匹配方向垂直，晶体的长度可根据具体的材料和器件的要求确定(一般在毫米到几十厘米之间)，端面积一般在毫米见方到厘米见方之间。之后将该晶体置于两个适合激光运转的介质膜片(2)和(3)构成的激光腔中，便是一个适于红外光沿方向(4)端面泵浦或沿方向(5)侧向泵浦的单一晶体自倍频紫外激光器，沿方向(6)输出紫外激光。
可以在上转换非线性激光晶体中掺杂百分之一到百分之九十九摩尔浓度的敏化离子，如Yb3+等，以增强对泵浦光的吸收，提高激光运转效率。在上转换非线性激光晶体的两端面镀泵浦光、基波光和紫外光的增透膜，可以提高激光运转效率。
直接在上转换非线性激光晶体的两端面镀膜，可以直接构成一个没有入射腔镜和出射腔镜，但具有相同功能的激光器。
实施本发明具有的有益的效果如下与已有的需要采用两块以上非线性光学晶体的红外光泵浦紫外激光系统相比，本发明由单一上转换非线性激光晶体构成的激光器经红外光泵浦即可输出紫外激光。本发明使得紫外激光器件更加紧凑，克服了器件制造、维护、调整的复杂性，降低了制造和维护成本，提高了运转的稳定性和可靠性，便于各种环境条件下使用，将进一步拓展紫外激光的应用领域。
一种上转换自倍频紫外激光器的结构如附图所示，其中(1)是频率上转换非线性激光晶体，其端面沿垂直于倍频上转换基波激光的相位匹配方向切割；(2)是激光腔的入射镀膜腔镜；(3)是激光腔的出射镀膜腔镜；(4)是端面泵浦的红外光入射方向；(5)是侧向泵浦的红外光入射方向；(6)是紫外激光出射方向。
一种上转换自倍频紫外激光器的实施例如下实例1830nm波长的红外光泵浦掺Pr3+上转换非线性激光晶体产生720nm上转换基波激光(3P0→3F4)，再自倍频产生360nm紫外激光输出。上转换非线性激光晶体PrxY1-xAl3(BO3)4(x在0.001到1之间)两端面沿垂直于I类相位匹配角θ＝48.2°(该匹配角可能需要根据不同的掺杂浓度x作适当调整)定向切割，同时确定晶体的大小(一般为端面积在平方毫米到平方厘米，长度为几毫米到几十厘米之间的方柱或圆柱)，端面抛光后置于激光腔中。入射镀膜腔镜(2)在泵浦光波长830nm附近高透、基波激光波长720nm附近高反(R＞99％)；出射镀膜腔镜(3)在830nm和720nm附近高反(R＞99％)、360nm附近透过率＞75％。这便是一个适于830nm红外光沿方向(4)或(5)泵浦的上转换自倍频紫外激光器，沿方向(6)输出360nm波长的紫外激光。
实例2800nm附近波长的红外光泵浦掺Er3+上转换非线性激光晶体产生671nm上转换基波激光(4F9/2→4I15/2)，再自倍频产生336nm紫外激光输出。上转换非线性激光晶体ErxY1-xAl3(BO3)4(x在0.001到1之间)两端面沿垂直于I类相位匹配角θ＝53.25°定向切割(该匹配角可能需要根据不同的掺杂浓度x作适当调整)，同时确定晶体的大小(一般为端面积在平方毫米到平方厘米，长度为几毫米到几十厘米之间的方柱或圆柱)，端面抛光后置于激光腔中。入射镀膜腔镜(2)在泵浦光波长800nm附近高透、基波激光波长671nm附近高反(R＞99％)；出射镀膜腔镜(3)在800nm和671nm附近高反(R＞99％)、336nm附近透过率＞75％。这便是一个适于800nm红外光沿方向(4)或(5)泵浦的上转换自倍频紫外激光器，沿方向(6)输出336nm波长的紫外激光。
实例3969nm波长的红外光泵浦掺Tm3+上转换非线性激光晶体产生650nm上转换基波激光(1G4→3F4)，再自倍频产生325nm紫外激光输出。上转换非线性激光晶体TmxY1-xAl3(BO3)4(x在0.001到1之间)两端面沿垂直于I类相位匹配角θ＝55.9°定向切割(该匹配角可能需要根据不同的掺杂浓度x作适当调整)，同时确定晶体的大小(一般为端面积在平方毫米到平方厘米，长度为几毫米到几十厘米之间的方柱或圆柱)，端面抛光后置于激光腔中。入射镀膜腔镜(2)在泵浦光波长969nm附近高透、基波激光波长650nm附近高反(R＞99％)；出射镀膜腔镜(3)在969nm和650nm附近高反(R＞99％)、325nm附近透过率＞75％。这便是一个适于969nm红外光沿方向(4)或(5)泵浦的上转换自倍频紫外激光器，沿方向(6)输出325nm波长的紫外激光。
实例4830nm波长的红外光泵浦掺Pr3+上转换非线性激光晶体产生635nm上转换基波激光(3P0→3F2)，再自倍频产生318nm紫外激光输出。上转换非线性激光晶体PrxY1-xAl3(BO3)4(x在0.001到1之间)两端面沿垂直于I类相位匹配角θ＝58.0°定向切割(该匹配角可能需要根据不同的掺杂浓度x作适当调整)，同时确定晶体的大小(一般为端面积在平方毫米到平方厘米，长度为几毫米到几十厘米之间的方柱或圆柱)，端面抛光后置于激光腔中。入射镀膜腔镜(2)在泵浦光波长830nm附近高透、基波激光波长635nm附近高反(R＞99％)；出射镀膜腔镜(3)在830nm和635nm附近高反(R＞99％)、318nm附近透过率＞75％。这便是一个适于830nm红外光沿方向(4)或(5)泵浦的上转换自倍频紫外激光器，沿方向(6)输出318nm波长的紫外激光。
实例5800nm附近波长的红外光泵浦掺Er3+上转换非线性激光晶体产生551nm上转换基波激光(4S3/2→4I15/2)，再自倍频产生276nm紫外激光输出。上转换非线性激光晶体ErxY1-xAl3(BO3)4(x在0.001到1之间)两端面沿垂直于I类相位匹配角θ＝79.5°定向切割(该匹配角可能需要根据不同的掺杂浓度x作适当调整)，同时确定晶体的大小(一般为端面积在平方毫米到平方厘米，长度为几毫米到几十厘米之间的方柱或圆柱)，端面抛光后置于激光腔中。入射镀膜腔镜(2)在泵浦光波长800nm附近高透、基波激光波长551nm附近高反(R＞99％)；出射镀膜腔镜(3)在800nm和551nm附近高反(R＞99％)、276nm附近透过率＞75％。这便是一个适于800nm红外光沿方向(4)或(5)泵浦的上转换自倍频紫外激光器，沿方向(6)输出276nm波长的紫外激光。
权利要求
1.一种上转换自倍频紫外激光器，是由红外光泵浦系统、激光腔和上转换非线性激光晶体组成，其特征在于激光腔中只用一块上转换非线性激光晶体，该非线性激光晶体采用GdxY1-xAl3(BO3)4，Ca4GdxY1-xO(BO3)3，Gd2xY2(1-x)(MoO4)3，(其中x可以从0变化到1)或LaSc3(BO3)4中的一种非线性光学晶体，以稀土离子Pr3+、Nd3+、Ho3+、Er3+或Tm3+，作为激活离子全部或部分取代Gd3+、Y3+或La3+离子；或者采用其他可被稀土离子激活的非线性光学晶体RE3+:MgO:LiNbO3或RE3+:ZnO:LiNbO3，RE＝Pr、Nd、Ho、Er或Tm稀土离子。
2.如权利要求1所述的一种上转换自倍频紫外激光器，其特征在于所述的上转换非线性激光晶体，其两端面沿垂直于自倍频的相位匹配方向切割，晶体的长度根据具体的材料和器件的要求确定。
3.如权利要求1所述的一种上转换自倍频紫外激光器，其特征在于所述的上转换非线性激光晶体中掺杂百分之一到百分之九十九摩尔浓度的敏化离子Yb3+。
4.如权利要求1所述的一种上转换自倍频紫外激光器，其特征在于所述的上转换非线性激光晶体的两端面镀泵浦光、基波光和紫外光的增透膜。
5.一种权利要求1的上转换自倍频紫外激光器，其特征在于直接在上转换非线性激光晶体的两端面镀膜，构成一个没有入射腔镜和出射腔镜的紫外激光器。
全文摘要
一种上转换自倍频紫外激光器涉及激光晶体和固体激光器设计领域。将频率上转换非线性激光晶体的两端面沿垂直于倍频基波激光的相位匹配方向切割并与相应的镀膜片构成固体激光器，利用红外光泵浦输出紫外激光。该器件由一块晶体和一对激光腔镜构成，结构简单紧凑，稳定性和可靠性高。
文档编号H01S3/16GK1464600SQ0212462
公开日2003年12月31日 申请日期2002年6月20日 优先权日2002年6月20日
发明者黄艺东, 黄妙良, 陈雨金, 龚兴红, 罗遵度 申请人:中国科学院福建物质结构研究所