专利名称：半导体激光泵浦折叠式单通道被动调q脉冲和频激光器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种获得和频脉冲激光输出的半导体激光泵浦固体激光器，属于激光技术领域。
背景技术：
随着激光技术的不断发展，其应用领域也越来越广泛，同时，对激光参数的要求也越来越高。为了获得高的峰值功率，需要调Q技术。调Q技术包括转镜调Q、染调Q、电光调Q、声光调Q等。目前最常用调Q方式为声光调Q，声光调Q工作稳定，一般脉冲宽度可以达到数十ns，频率不高于50KHz。电光调Q的优点是可以得到更窄光脉冲和更高的重复频率，但是，电光晶体容易衰退和潮解，影响使用寿命。这两种调Q方式都要使用电子驱动泵，称为主动调Q。最近出现一种利用晶体的吸收饱和效应进行调Q的技术，例如使用V:YAG等晶体，其作用机理就是利用饱和吸收效应，不需要外加的驱动源控制，故称被动调Q技术。被动调Q与主动调Q相比，晶体的被动调Q可以得到更窄的脉冲宽度，更高的重复频率，且工作稳定，寿命长。因此，在材料处理，激光干扰等领域得到了广泛的应用。而主动调Q不仅器件体积大，造价高，而且驱动源体积大，这样就限制很多特殊领域的应用。
半导体激光泵浦腔内混频激光器的主要应用是腔内倍频激光器。该技术已被广泛应用于半导体激光泵浦腔内倍频红、绿和蓝光激光器的产品中。与腔内倍频激光器相比，腔内和频激光器的研究较少，而通过和频获得脉冲激光的研究就更少，也只有主动调Q和频激光器，被动调Q激光器目前为止还未发现有报道。与本发明最为接近的已知技术是文献[Y.F.Chen，Optics Letters，27，397(2002)]给出的一种激光器。如图1所示，该激光器由泵浦源1、光纤2、耦合镜3、反射腔镜4、增益介质5、主动调Q元件6、非线性和频晶体7、谐振腔镜8和输出耦合镜9组成，所有的元件都排列在泵浦源1发出的激光传播光轴上。这种激光器是一种半导体激光泵浦单通道直列式复合腔主动调Q脉冲和频激光器，直列式与折叠式相比，缺乏束腰，振荡光束功率密度低，激光器发光效率低。
发明内容
本发明的目的是提供一种半导体激光泵浦被动调Q脉冲和频激光器，内部结构为单通道折叠式复合腔。本发明之主题为半导体激光泵浦折叠式单通道被动调Q脉冲和频激光器。
本发明之技术方案如图2所示，由半导体激光器10、光学耦合系统11、反射腔镜12、增益介质13、反射腔镜14、腔镜15、非线性和频晶体16、输出耦合镜17、被动调Q晶体18和被动调Q晶体19组成。在半导体激光器10的激光束的传播光轴上，依次设置有光学耦合系统11、反射腔镜12、增益介质13、被动调Q晶体19、被动调Q晶体18和输出耦合镜17；在输出耦合镜17的反射光轴上依次设置有非线性和频晶体16、腔镜15和反射腔镜14。输出耦合镜17为平凹镜，凹面是反射面。增益介质13至少有两条不同的激光跃迁谱线，分别设为波长λ1和λ2。反射腔镜12和腔镜15组成第一谐振腔，反射腔镜12和反射腔镜14组成第二谐振腔，两个谐振腔共用一个光传输通道，该光传输通道由两段组成，一段在反射腔镜12和输出耦合镜17之间，一段在输出耦合镜17和反射腔镜14之间，该光传输通道在输出耦合镜17处发生折叠，两个谐振腔因此也发生折叠。增益介质13、非线性和频晶体16和输出耦合镜17都在两个激光谐振腔内，产生的和频脉冲激光λ3由输出耦合镜17输出到腔外。
下面是对本发明之激光器工作原理的说明，作为泵浦源的半导体激光器10发出泵浦光，被光学耦合系统11耦合到增益介质13内；被动调Q晶体18是一种含有饱和吸收功能的掺杂的光学晶体，其透过率会随着能量密度的增大而增大，当达到某一个很高值时，透过率稳定在一个很高的值上，此时材料变得透明。根据这一效应，在刚开始泵浦时被动调Q晶体18会阻止基频光λ1产生振荡，从而实现激光上能级的粒子数快速积累，随着增益介质13中的粒子数反转的增加，激光增益系数渐渐增大并大于腔内损耗，在反射腔镜12和腔镜15之间开始出现基频光λ1的振荡，且腔内波长为λ1的基频激光光强快速增加；同时，被动调Q晶体19在泵浦刚开始时会阻止基频光λ2产生振荡，从而实现激光上能级的粒子数快速积累，随着增益介质13中的粒子数反转的增加，激光增益系数渐渐增大并大于腔内损耗，在反射腔镜12和反射腔镜14之间开始出现基频光λ2的振荡，且腔内波长为λ2的基频激光光强快速增加，从而导致两个被动调Q晶体18、19的透过率增加，出现所谓的漂白现象。此时损耗很低，从而在腔内产生双波长高功率脉冲，通过谐振腔的调节，可以使得两个脉冲基频光λ1、λ2在时间和空间上充分交叠，当两个基频光λ1、λ2通过非线性和频晶体16时，产生了不同于波长λ1、λ2的波长为λ3的和频光，透过输出耦合镜17输出到激光谐振腔外，此时激光上能级粒子数减少、增益减小，两个基频激光光强变小，被动调Q晶体18、19的损耗变大，最终导致激光输出的停止，完成了一个脉冲。上述过程不停地重复，便产生了脉冲系列。脉冲的宽度取决于调Q晶体的初始透过率和激光谐振腔的长度，脉冲的峰值功率取决于调Q晶体的初始透过率和泵浦光功率的大小，脉冲的重复频率取决于调Q晶体的初始透过率、泵浦光强度及其输出耦合镜17的反射率。
本发明的积极效果在于，实现了主动调Q。一个增益介质和两个调Q晶体在腔内同时产生两个波长的基频光，并经过非线性光学和频，所获得的激光不同于倍频脉冲激光，为激光光源领域提供了更多的波长选择。与已知技术相比，本发明由于形成一个折叠腔，并且，在折叠腔的两个臂上分别有束腰，其中一个束腰在增益介质所在的臂内，基模与入射的泵浦光模式匹配，获得最大的泵浦效率；另一个束腰在非线性和频晶体所在臂的内，并可在保持激光束的聚焦长度与非线性和频晶体长度匹配，以及在激光功率密度不超过非线性和频晶体及其表面光学薄膜损伤阈值的情况下，有效地减小基频光束腰，提高基频光功率密度，获得高的和频效率。
图1是已知技术之激光器结构示意图。图2是本发明之激光器结构示意图。
具体实施例方式
如图2所示，半导体激光器10为本发明之激光器的泵浦源，光学耦合系统11的作用是把半导体激光器10发出的泵浦光耦合到增益介质13内。在增益介质13的两个通光面上均制备对于波长λ1和λ2双波长具有大于98％透过率的增透膜。反射腔镜12为平凹镜，其凹面的膜系制备要求对波长λ1和λ2均具有大于98％的反射率，同时对半导体激光器10发出的泵浦光波长具有大于92％的透过率，其平面的膜系制备要求对泵浦光波长具有大于94％的透过率。输出耦合镜17反射面的膜系制备要求对波长λ1和λ2在激光入射角θ的方向上具有大于95％的反射率，同时双面对和频光的波长λ3具有大于96％的透过率；其中波长λ1、λ2和λ3的关系满足公式1/λ3＝1/λ2+1/λ1(取λ1＞λ2)的要求。非线性和频晶体16沿波长λ2和λ1的和频位相匹配的方向切割，使波长λ2和波长λ1在非线性和频晶体16中共线传播时满足位相匹配关系n3/λ3＝n2/λ2+n1/λ1，其中n3、n2和n1分别是相对应波长λ3、λ2和λ1在非线性和频晶体16中传播时的折射率，其中双面制备对波长λ3、λ2和λ1具有透过率大于98％的三色增透膜。腔镜15的膜系制备要求是，与非线性和频晶体16相对的一面对波长λ1和λ3具有大于98％的反射率，对λ2具有大于99％的透过率，另一面对波长λ2具有大于99％的透过率。反射腔镜14与腔镜15相对的一面膜系制备要求是对λ2具有大于98％的反射率。
下面进一步详细说明本发明，本发明之激光器由半导体激光器10，光学耦合系统11，反射腔镜12，增益介质13，反射腔镜14，腔镜15，非线性和频晶体16，输出耦合镜17、被动调Q晶体18和被动调Q晶体19组成。其中半导体激光器10选用半导体激光器列阵，发射波长为808nm的泵浦光。光学耦合系统11的作用是把半导体激光器10发出的椭圆像散光，耦合聚焦到增益介质13内。增益介质13选用Nd:YVO4，其激光跃迁波长为1342nm和1064nm，所对应的能级跃迁分别为4F3/2到4I13/2和4F3/2到4I11/2。Nd:YVO4增益介质的两个通光面制备1342nm和1064nm双波长增透膜，透过率为99％。反射腔镜12的凹面制备对波长1342nm和1064nm的反射率均为99.9％、对波长808nm的透过率为95％、另一面制备对波长808nm的透过率为99％的多层介质膜。被动调Q晶体18选用Gr:YAG，初始透过率为90％，被动调Q晶体19选用V:YAG，初始透过率为87％。输出耦合镜17的凹面制备对波长1342nm和1064nm在激光入射角θ的方向上具有反射率为99.9％、双面制备对波长593.5nm的透过率为99.8％的多层介质膜。非线性和频晶体16选用KTP或其它非线性晶体，其中KTP沿波长1342nm和1064nm的II类临界相位匹配方向切割，该晶体的两个通光面都制备对1342nm、1064nm和593.5nm的三波长增透膜，透过率为99.9％。反射腔镜14和腔镜15为平面镜，其中腔镜15与非线性和频晶体16相对的一面制备有对波长1342nm反射率为99.9％、对波长593.5nm反射率为98％和对波长1064nm透过率为99.8％的多层介质膜，另一面制备对波长1064nm的透过率为99.9％的膜层。反射腔镜14靠近腔镜15的一面制备对波长1064nm的反射率为99.9％的膜层。当半导体激光器10工作时，随着泵浦功率的增加，通过V:YAG的作用，在第一谐振腔内产生1064nm脉冲激光，通过Gr:YAG的作用，在第一谐振腔内产生1342nm脉冲激光，通过精确的谐振腔的调节，使得两个脉冲在空间上重合，在时间上相遇，当两个基频光通过KTP时，产生593.5nm的橙黄色和频脉冲激光，由输出耦合镜17输出。
权利要求
1.一种半导体激光泵浦折叠式单通道被动调Q脉冲和频激光器，其特征在于，由半导体激光器(10)、光学耦合系统(11)、反射腔镜(12)、增益介质(13)、反射腔镜(14)、腔镜(15)、非线性和频晶体(16)、输出耦合镜(17)、被动调Q晶体(18)和被动调Q晶体(19)组成，在半导体激光器(10)的激光束的传播光轴上，依次设置有光学耦合系统(11)、反射腔镜(12)、增益介质(13)、被动调Q晶体(19)、被动调Q晶体(18)和输出耦合镜(17)；在输出耦合镜(17)的反射光轴上依次设置有非线性和频晶体(16)、腔镜(15)和反射腔镜(14)；输出耦合镜17为平凹镜，凹面是反射面；增益介质(13)有两条不同的激光跃迁谱线，分别设为波长λ1和λ2；反射腔镜(12)和腔镜(15)组成第一谐振腔，反射腔镜(12)和反射腔镜(14)组成第二谐振腔，两个谐振腔共用一个光传输通道，该光传输通道由两段组成，一段在反射腔镜(12)和输出耦合镜(17)之间，一段在输出耦合镜(17)和反射腔镜(14)之间，该光传输通道在输出耦合镜(17)处发生折叠，两个谐振腔因此也发生折叠，增益介质(13)、非线性和频晶体(16)和输出耦合镜(17)都在两个激光谐振腔内，产生的和频脉冲激光λ3由输出耦合镜(17)输出到腔外。
2.根据权利要求1所述的和频激光器，其特征在于，在增益介质(13)的两个通光面上均制备对波长λ1和λ2双波长具有透过率大于98％的增透膜。
3.根据权利要求1所述的和频激光器，其特征在于，反射腔镜(12)为平凹镜，其凹面的膜系制备要求对波长λ1和λ2均具有大于98％的反射率，同时对半导体激光器(10)发出的泵浦光波长具有大于92％的透过率，其平面的膜系制备要求对泵浦光波长具有大于94％的透过率。
4.根据权利要求1所述的和频激光器，其特征在于，输出耦合镜(17)反射面的膜系制备要求对波长λ1和λ2在激光入射角θ的方向上具有大于95％的反射率，同时双面对和频光的波长λ3具有大于96％的透过率。
5.根据权利要求1所述的和频激光器，其特征在于，非线性和频晶体(16)双面制备对波长λ3、λ2和λ1具有透过率大于98％的三色增透膜。
6.根据权利要求1所述的和频激光器，其特征在于，腔镜(15)的膜系制备要求是，与非线性和频晶体(16)相对的一面对波长λ1和λ3具有大于98％的反射率，对λ2具有大于99％的透过率，另一面对波长λ2具有大于99％的透过率。
7.根据权利要求1所述的和频激光器，其特征在于，反射腔镜14与腔镜15相对的一面膜系制备要求是对λ2具有大于98％的反射率。
全文摘要
半导体激光泵浦折叠式单通道被动调Q脉冲和频激光器属于激光技术领域。现有技术属于主动调Q，复合腔为直列式。本发明则提供一种技术方案，采用一个增益介质、两个被动调Q晶体，形成两个谐振腔，共用一个折叠式光传输通道，最终实现了被动调Q脉冲和频激光输出。本发明由于在折叠腔的两个臂上分别有束腰，其中一个束腰在增益介质所在的臂内，基模与入射的泵浦光模式匹配，获得最大的泵浦效率；另一个束腰在非线性和频晶体所在臂的内，并可在保持激光束的聚焦长度与非线性和频晶体长度匹配，以及激光功率密度不超过非线性和频晶体及其表面光学薄膜损伤阈值的情况下，有效地减小基频光束腰，提高基频光功率密度，获得高的和频效率。
文档编号H01S3/05GK1870360SQ20061009865
公开日2006年11月29日 申请日期2006年7月11日 优先权日2006年7月11日
发明者吕彦飞, 张喜和, 姚治海, 卢俊, 李昌立 申请人:长春理工大学