专利名称：高功率二次谐波激光产生方法
技术领域：
本发明涉及激光技术领域，是关于一种激光产生方法，特别是一种高功率二次谐波激光产生方法。
背景技术：
绿激光具有波长短、光子能量高、水中传输距离远、相对于人眼敏感等众多优点，可以应用在激光材料加工，激光医学、信息存储、激光娱乐、建筑、水下通讯、激光光谱与全息、机场导航、海底形貌探测、激光探潜、激光致盲武器等国民经济、国防建设和科学研究的领域中。
国内的中高功率半导体泵浦固体绿激光器产品尚处于研发和试用阶段。华北光电技术研究所(《二极管侧面抽运的高平均功率倍频Nd:YAG激光器》，中国激光，Vol.A28，NO.4，第301页，2001，姜东升等人著)用35个15W二极管列阵侧面泵浦Nd:YAG，腔内倍频得到功率为56W的532nm激光输出，总光-光转换效率10.7％。广州安特激光技术有限公司生产的型号为SHG-DP-20的二级管泵浦调Q绿激光器，输出532nm激光功率为20W。天津大学研制了功率为104W的半导体泵浦固体绿激光器，并申请了中国专利，专利号ZL 03258237.4。该专利用80个20W二极管总共1600W功率作为泵浦光源，最终获得104W绿光输出，总光-光转换效率6.5％。该专利采用直线式平凹稳定腔，谐波反射镜采用镀1064nm高透和532nm高反膜层的石英镜片。基波通过晶体产生一束谐波激光，经镀1064nm高反，532nm高透膜层的镜片输出，被该镜片反射的基波再次通过晶体，又产生一束谐波激光，经谐波反射镜反射输出。此谐波产生方法的优点是结构简单，便于调节，稳定度好。不足之处在于，基波两次通过晶体产生的两束谐波激光一束直接输出，一束经过反射镜片输出，致使激光器输出光束为两条，不利于应用。
国外的高功率固体绿激光器研究比较先进，有些国外公司生产该类产品，如美国相干公司推出75W固体绿激光器产品，该激光产生方法是采用II类倍频非线性晶体45度角折叠腔结构。该方法的优点在于避免了直线腔的两束光问题，但这种结构使谐波激光有一定的偏振耦合损耗。因为随意偏振态的光可正态划分为与入射面垂直的光和与入射面平行的光两类。当大角度反射随意偏振态的光时，只有与入射面平行的偏振光才能达到高反，而与入射面相垂直的线偏振光的反射损耗较大。又因为基波通过II类倍频非线性晶体产生二次谐波的原理为两个正交态的基波光子矢量合成一个谐波光子。45度角导致基波中的与入射面平行的光子数量大于与入射面垂直的光子数量，结果是使倍频效率降低。此外该产品的模式欠佳，光束质量M2≈25。另外国外公司如美国Quantronix公司和美国Lee Laser公司都有100W固体绿激光器产品。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高功率，高效率和高稳定度的高功率二次谐波激光产生方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是该高功率二次谐波激光产生方法，采用大功率泵浦源泵浦固体激光介质，设计了红外激光“V”型双凹闭路振荡腔，红外激光作为基波通过小角度反射射入二倍频非线性晶体产生二次谐波激光，该二次谐波激光经端面反射镜反射后通过小角度输出镜输出，采用双方向倍频，单方向反射和小角度偏振耦合，输出单束二次谐波激光。
本发明所具有的优点是1、计算了大功率半导体激光二极管侧面泵浦固体激光介质的热透镜，应力双折射，热退偏等效应，设计合适的腔结构、腔内元件间的距离、镜片曲率参数，使固体激光介质内基模尺寸达到极大，同时使腔内形成小尺寸、高功率密度的光腰，将二倍频非线性晶体放置在光腰位置，达到高转换效率二次谐波激光输出。
2、采用“V”型折叠腔结构，减少偏振耦合损耗得到单束二次谐波激光输出，既解决了直线腔输出两束光问题，又有利于基波在腔内振荡和二次谐波激光的输出。
3、设计合适的腔结构，腔内元件间的距离和镜片曲率参数，采用双凹腔结构，使红外激光振荡腔在热透镜大范围变化下仍然保持稳定的振荡。激光器能保持长时间稳定工作。
4、采用本发明研制的激光器结构简单，易工业化生产。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为本发明高功率二次谐波激光产生方法的原理示意图。
图2为本发明高功率二次谐波激光产生方法的激光谐振腔内基模振荡光束轨迹。
图3为本发明高功率二次谐波激光产生方法中不同泵浦功率所对应的二次谐波输出功率与脉冲宽度变化曲线图(重复频率为12KHZ)。
图4为本发明高功率二次谐波激光产生方法中不同运转重复频率所对应的二次谐波输出功率与脉冲宽度变化曲线图(电流为24A)。
图5为本发明高功率二次谐波激光产生方法中输出的二次谐波激光长时间连续运转稳定性测试曲线图(电流为22.5A，频率为12KHZ)。
具体实施例方式
本发明高功率二次谐波激光产生方法的原理如图1所示。红外激光振荡腔为闭路振荡腔，包括大功率半导体激光二极管列阵侧面泵浦的泵浦头3，声光开关2，端面反射镜(1，6)和小角度输出镜4。用光学矩阵方法计算腔内高斯模传递的空间分布，计算结果如图2所示，通过计算热透镜、应力双折射、热退偏等效应，设计腔端面反射镜(1，6)、小角度输出镜4的曲率和腔内元件间的距离，确定红外激光振荡腔采用“V”型双凹闭路振荡腔结构，采用该腔型，得到固体激光介质内基模尺寸为1.0mm。红外激光振荡腔在热透镜大范围变化下仍然保持稳定的振荡，热透镜稳定范围为200mm到大于1000mm。在靠近端面反射镜6的位置形成光腰，光腰处基模尺寸为0.3mm。由于红外激光振荡腔为“V”型双凹闭路振荡腔，且与大功率半导体二极管列阵侧面泵浦的热透镜效应平衡，因此有很高的腔内功率密度。光腰处功率密度大于50MW/cm2。
二次谐波激光振荡腔为单端开式反射腔结构，包括二倍频非线性晶体5，小角度输出镜4和端面反射镜6，在光腰处放置二倍频非线性晶体5。
二次谐波激光的产生过程如下任意方向偏振的红外激光作为基波经小角度输出镜4反射后入射到二倍频非线性晶体5上倍频产生二次谐波激光，未倍频转换的基波与二次谐波激光一起经端面反射镜6反射后再次入射到二倍频非线性晶体5上，再次产生二次谐波激光。两次倍频产生的二次谐波激光通过小角度输出镜4输出。剩余的基波反射到端面反射镜1上，并再次返回。由于红外激光为闭路振荡光，多次振荡作用在二倍频非线性晶体5上产生二次谐波激光，提高转换效率。
实验结果根据上述原理，建立了大功率半导体激光二极管列阵侧面泵浦固体激光介质腔内倍频实验装置。实验结果如图3，图4，图5所示。图3为不同泵浦功率所对应的二次谐波输出功率与脉冲宽度变化曲线图；图4为不同运转重复频率所对应的二次谐波输出功率与脉冲宽度变化曲线图；当运转重复频率为12KHZ时，谐波转换效率最高，基波到二次谐波激光的转换效率大于70％。总光-光转换效率大于17％。最大二次谐波激光输出功率为86W，脉冲宽度T＜97ns。光脉冲瞬态峰值起伏ΔT＜6％(p-p)。二次谐波激光输出光束直径d＜2.5mm，光束发散角θ＜4.9mrad，光束质量M2＜12。激光器能够保持长时间的稳定性，长时间运转功率起伏ΔT＜2％(24小时)，如图5所示。与美国相干公司的75W固体绿激光器光束质量M2≈25相比较，证实本发明达到国际先进水平。
综上所述，本发明高功率二次谐波激光产生方法通过以下技术方案实现设计了红外激光振荡腔，经端面反射镜6反射后，红外激光作为基波通过小角度输出镜4反射射入二倍频非线性晶体5产生二次谐波激光经端面反射镜6反射后通过小角度输出镜4输出；采用双方向倍频，单方向反射和小角度偏振耦合，输出单束二次谐波激光；红外激光“V”型双凹闭路振荡腔设计为与固体激光介质热透镜平衡高功率密度稳定腔结构；二倍频非线性晶体5为II类LBO晶体；泵浦固体激光介质为Nd:YAG晶体；所使用的泵浦光源为大功率半导体激光二极管列阵；所使用的泵浦方式为侧面泵浦；采用声光开关作为光开关；激光腔结构采用“V”型双凹折叠腔。
根据本发明高功率二次谐波激光产生方法的原理，不难理解所使用的二倍频非线性晶体可以为II类LBO，或者II类CLBO，II类BBO，KTP晶体；所使用的泵浦固体激光介质可以为Nd:YAG，或者Nd:YVO4，Nd:GdVO4，Nd:YLF，Nd:Glass，Yb:YAG，Er:YAG；泵浦光源可以为大功率半导体激光二极管列阵，或者氪灯，氙灯；泵浦方式可以为侧面泵浦或者端面泵浦；光开关可以为声光开关，或者电光开关，饱和吸收型被动Q开关。
本发明所具有的优点是1、计算了大功率半导体激光二极管侧面泵浦固体激光介质的热透镜，应力双折射，热退偏等效应，设计合适的腔结构、腔内元件间的距离、镜片曲率参数，使固体激光介质内基模尺寸达到极大，同时使腔内形成小尺寸、高功率密度的光腰，将二倍频非线性晶体放置在光腰位置，达到高转换效率二次谐波激光输出。
2、采用“V”型折叠腔结构，减少偏振耦合损耗得到单束二次谐波激光输出，既解决了直线腔输出两束光问题，又有利于基波在腔内振荡和二次谐波激光的输出。
3、设计合适的腔结构，腔内元件间的距离和镜片曲率参数，采用双凹腔结构，使红外激光振荡腔在热透镜大范围变化下仍然保持稳定的振荡。激光器能保持长时间稳定工作。
4、采用本发明研制的激光器结构简单，易工业化生产。
权利要求
1.一种高功率二次谐波激光产生方法，其特征在于采用大功率泵浦源泵浦固体激光介质，设计了红外激光“V”型双凹闭路振荡腔，红外激光作为基波通过小角度反射射入二倍频非线性晶体产生二次谐波激光，该二次谐波激光经端面反射镜反射后通过小角度输出镜输出，采用双方向倍频，单方向反射和小角度偏振耦合，输出单束二次谐波激光。
2.根据权利要求1所述的高功率二次谐波激光产生方法，其特征在于采用的大功率泵浦光源为大功率半导体激光二极管列阵，或氪灯，氙灯。
3.根据权利要求1所述的高功率二次谐波激光产生方法，其特征在于泵浦方式采用侧面泵浦或端面泵浦。
4.根据权利要求1所述的高功率二次谐波激光产生方法，其特征在于固体激光介质可以为Nd:YAG，或者Nd:YVO4，Nd:GdVO4，Nd:YLF，Nd:Glass，Yb:YAG，Er:YAG。
5.根据权利要求1所述的高功率二次谐波激光产生方法，其特征在于二倍频非线性晶体可以为II类LBO，或II类CLBO，II类BBO，KTP晶体。
6.根据权利要求1所述的高功率二次谐波激光产生方法，其特征在于光开关采用声光开关，或者电光开关，饱和吸收型被动Q开关。
全文摘要
一种高功率二次谐波激光产生方法，采用大功率泵浦源泵浦固体激光介质，设计了红外激光“V”型双凹闭路振荡腔，红外激光作为基波通过小角度反射射入二倍频非线性晶体产生二次谐波激光，该二次谐波激光经端面反射镜反射后通过小角度输出镜输出，采用双方向倍频，单方向反射和小角度偏振耦合，输出单束二次谐波激光。设计了红外激光“V”型双凹闭路振荡腔，使固体激光介质内基模尺寸达到极大，使腔内形成小尺寸、高功率密度的光腰，将二倍频非线性晶体放置在光腰位置，达到高转换效率二次谐波激光输出。采用“V”型折叠腔结构，有利于基波在腔内振荡和二次谐波激光的输出。采用双凹腔，使红外激光振荡腔在热透镜大范围变化下仍然保持稳定的振荡。
文档编号H01S3/16GK1897371SQ20051003598
公开日2007年1月17日 申请日期2005年7月13日 优先权日2005年7月13日
发明者周复正, 陈莉英, 马淑贞, 高云峰 申请人:深圳市大族激光科技股份有限公司