专利名称：一种上转换腔内倍频紫外激光器的制作方法
一种上转换腔内倍频紫外激光器涉及固体激光器设计领域。
一种上转换腔内倍频紫外激光器，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介质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。采用上转换自倍频方案虽然使器件的紧凑性达到极致，但非线性激光晶体往往存在着对紫外激光的自吸收，约束了器件的运转效率和出射波长范围，上转换激光性能和非线性光学性能均较好的晶体材料也较难得到。本方案采用频率上转换激光晶体使得基波激光的波长短于泵浦的红外光波长，再利用非线性光学晶体将该基波激光高效倍频输出高光束质量的紫外激光，可以使紫外激光的输出范围更大，运转效率更高。
一种上转换腔内倍频紫外激光器设计一个红外光泵浦的由激光介质和一块非线性光学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介质为可被能够产生频率上转换激光的稀土离子，如Pr3+、Nd3+、Ho3+、Er3+、Tm3+等稀土离子掺杂的YAlO3、LiYF4、YAG、LaF3等晶体，掺杂浓度在0.5at.％～30at.％；掺上述离子的氟化物玻璃和透明陶瓷等，掺杂浓度在0.5at.％～30at.％。该类激光介质可称之为频率上转换激光介质。采用非线性光学晶体(如KTP、LBO、BBO、KNbO3等)对上转换基波激光进行腔内倍频。再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，再利用非线性光学晶体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腔内倍频紫外激光器。
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制备频率上转换激光介质。再对频率上转换激光介质进行切割和端面抛光，频率上转换激光介质(1)的长度可根据具体的材料和器件的要求确定(一般在几百微米到几十厘米之间)，端面积一般在毫米见方到厘米见方之间。根据倍频上转换基波激光的相位匹配需要对非线性光学晶体(2)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(一般在几毫米到几厘米之间)，端面积一般在毫米见方到厘米见方之间。之后将频率上转换激光介质和非线性光学晶体置于两个适合上转换腔内倍频紫外激光运转的入射镀膜腔镜(3)和出射镀膜腔镜(4)构成的激光腔中，二者的位置可以根据具体情况互换，以达到最佳输出效果。便是一个适于红外光沿方向(5)端面泵浦或沿方向(6)侧向泵浦的上转换腔内倍频紫外激光器，沿方向(7)输出紫外激光。
可以在频率上转换激光介质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。在频率上转换激光介质和非线性光学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。
在最靠近入射镀膜腔镜和出射镀膜腔镜的频率上转换激光介质或非线性光学晶体的端面镀适合上转换腔内倍频紫外激光运转的介质膜，取代入射镀膜腔镜(3)和出射镀膜腔镜(4)，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。
一种上转换腔内倍频紫外激光器的结构如附图所示，其中(1)是频率上转换激光介质；(2)是非线性光学晶体；(3)入射镀膜腔镜；(4)出射镀膜腔镜；(5)是端面泵浦的红外光入射方向；(6)是侧向泵浦的红外光入射方向；(7)是紫外激光出射方向。
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，本发明由一块频率上转换激光介质和一块非线性光学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。
一种上转换腔内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+频率上转换激光介质产生635nm上转换基波激光(3P0→3F2)，再腔内倍频产生318nm紫外激光输出。激光器结构如附图所示。入射镀膜腔镜(3)上镀有介质膜，在基波激光635nm附近高反(R＞99％)，在红外泵浦光830nm附近高透。出射镀膜腔镜(4)上镀有介质膜，在830nm和635nm附近高反(R＞99.9％)，在318nm附近透过率大于75％。频率上转换激光介质(1)为以Pr3+为激活离子、Yb3+为敏化离子的LiYF4晶体，一般为端面积5×5mm2的方柱或φ＝5mm的圆柱，长度为1cm左右，端面抛光后置于激光腔中。非线性光学晶体(2)为两端面沿垂直于倍频635nm基波激光的I类相位匹配角θ＝37.71°切割的BBO晶体，晶体长度一般为5mm到1cm，端面积一般为5×5mm2。这便是一个适于830nm红外光沿方向(5)端面泵浦或沿方向(6)侧向泵浦的上转换腔内倍频紫外激光器，沿方向(7)输出318nm波长的紫外激光。
实例2参照实例1，810nm附近波长的红外光泵浦掺Er3+频率上转换激光介质LiYF4(1)产生551nm上转换基波激光(4S3/2→4I15/2)，再腔内倍频产生276nm紫外激光输出。激光器结构如附图所示。入射镀膜腔镜(3)上镀有介质膜，在基波激光551nm附近高反(R＞99％)，在红外泵浦光810nm附近高透。出射镀膜腔镜(4)上镀有介质膜，在810nm和551nm附近高反(R＞99.9％)，在276nm附近透过率大于75％。非线性光学晶体(2)为两端面沿垂直于倍频551nm基波激光的I类相位匹配角θ＝45.33°切割的BBO晶体。这便是一个适于810nm红外光沿方向(5)端面泵浦或沿方向(6)侧向泵浦的上转换腔内倍频紫外激光器，沿方向(7)输出276nm波长的紫外激光。
实例3参照实例1，1120nm波长的红外光泵浦掺Tm3+氟化物玻璃(1)产生480nm上转换基波激光(1G4→3H6)，再腔内倍频产生240nm紫外激光输出。激光器结构如附图所示。入射镀膜腔镜(3)上镀有介质膜，在基波激光480nm附近高反(R＞99％)，在红外泵浦光1120nm附近高透。出射镀膜腔镜(4)上镀有介质膜，在1120nm和480nm附近高反(R＞99.9％)，在240nm附近透过率大于75％。非线性光学晶体(2)为两端面沿垂直于倍频480nm基波激光的I类相位匹配角θ＝56.02°切割的BBO晶体。这便是一个适于1120nm红外光沿方向(5)端面泵浦或沿方向(6)侧向泵浦的上转换腔内倍频紫外激光器，沿方向(7)输出240nm波长的紫外激光。
权利要求
1.一种上转换腔内倍频紫外激光器由红外激光泵浦系统、激光腔、频率上转换激光介质和非线性光学晶体组成，其特征在于激光腔中只用一块频率上转换激光介质(1)和一块非线性光学晶体(2)；频率上转换激光介质为掺杂Pr3+、Nd3+、Ho3+、Er3+或Tm3+稀土离子的YAlO3、LiYF4、YAG或LaF3晶体中的一种，稀土离子的掺杂浓度在0.5at.％～30at.％；或者为掺杂Pr3+、Nd3+、Ho3+、Er3+或Tm3+稀土离子的氟化物玻璃或透明陶瓷，稀土离子的掺杂浓度在0.5at.％～30at.％；非线性光学晶体为KTP、LBO、BBO或KNbO3晶体中的一种。
2.如权利要求1所述的一种上转换腔内倍频紫外激光器，其特征在于对所述的非线性光学晶体，根据倍频上转换基波激光的相位匹配需要进行定向切割，使其入射和出射端面与所需的相位匹配方向垂直，晶体的长度根据具体的材料和器件的要求确定，端面积在毫米见方到厘米见方之间。
3.如权利要求1所述的一种上转换腔内倍频紫外激光器，其特征在于在所述的频率上转换激光介质中掺杂百分之～到百分之九十九摩尔浓度的敏化离子Yb3+。
4.如权利要求1所述的一种上转换腔内倍频紫外激光器，其特征在于在所述的频率上转换激光介质和非线性光学晶体的两端面镀泵浦光、基波光和紫外光的增透膜。
5.如权利要求1所述的一种上转换腔内倍频紫外激光器，其特征在于所述的一块频率上转换激光介质(1)和一块非线性光学晶体(2)，二者的位置互换。
6.一种权利要求1的上转换腔内倍频紫外激光器，其特征在于在最靠近入射镀膜腔镜和出射镀膜腔镜的频率上转换激光介质和非线性光学晶体的端面镀适合上转换腔内倍频紫外激光运转的介质膜，直接构成一个没有入射腔镜和出射腔镜的激光器。
全文摘要
一种上转换腔内倍频紫外激光器涉及固体激光器设计领域。设计腔内倍频上转换基波激光的器件方案，利用红外光泵浦输出紫外激光。该器件由一块激光介质、一块非线性光学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H01S3/16GK1464601SQ0212462
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