专利名称：半导体激光泵浦双通道被动调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脉冲和频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和电光调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。最近发展出现一种利用晶体的吸收饱和效应进行的调Q技术，例如使用Cr∷YAG和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，在造价高，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方案是腔内倍频激光器，该技术已被广泛地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更少，也只有主动调Q和频激光器，腔内被动调Q和频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)]给出一种主动调Q和频激光器结构，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，是一种全固态单通道复合腔主动调Q脉冲和频激光器。两个子谐振腔均为直腔。另外，该方案仅有一个通道，不易控制光的增益，从而发光效率有所降低；该方案仅有一个增益介质，发光波长单一。
发明内容
概括来讲，现有技术存在的缺陷有，主动调Q元件价格高，而且驱动源体积大，不利于产业化。仅具有单一光传输通道，单一泵浦源，单一增益介质，难以控制光增益，难以轻易调出所需和频波长。为了克服现有技术存在的不足，我们提出一种半导体激光泵浦双通道被动调Q脉冲和频激光器。
本发明结构如图2所示，本发明之激光器由半导体激光器10和18，光学耦合系统11和19，反射腔镜12和20，增益介质13和21，被动调Q晶体14和22，和束镜15，和频晶体16和输出镜17组成。半导体激光器10和18为泵浦源，14和22为被动调Q晶体，光学耦合系统11和19的作用是把半导体激光器10和18发出的泵浦光分别耦合到增益介质13和21内，反射腔镜12和输出镜17组成第一个子谐振腔，反射腔镜20和输出镜17以及和束镜15组成第二个子谐振腔，两个子谐振腔分别有各自的光传输通道，自和束镜15至输出镜17段为两个光传输通道的公共部分，称为公共臂，在两个子谐振腔中产生两个不同波长λ1、λ2的基频光，通过被动调Q晶体14和22，分别产生脉冲激光，在公共臂内放置和频晶体16，通过和频获得新的波长λ3的脉冲激光由输出镜17输出到腔外。
本发明的激光器的工作过程是，半导体激光器10和18发出泵浦光，被光学耦合系统11和19分别耦合到增益介质13和21内。被动调Q晶体14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，当达到某一个很高的值时，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，被动调Q晶体14在泵浦刚开始会阻止基频光λ1振荡产生，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等于腔内损耗，波长λ1的基频光开始产生振荡，且腔内波长为λ1的基频光光强快速增大；同时，被动调Q晶体22在泵浦刚开始会阻止基频光λ2振荡产生，从而实现激光上能级的粒子数快速积累，随着增益介质21中的粒子数反转的增加，激光增益系数渐渐增大并大于等于腔内损耗，波长为λ2的基频光开始产生振荡，且腔内波长为λ2的基频激光光强快速增大。从而导致两个被动调Q晶体14和22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，当两基频光通过和频晶体16时，产生了不同于波长λ2和λ1的波长为λ3的脉冲和频光，通过输出镜17输出到激光谐振腔外，此时激光上能级粒子数的减小，增益减小，两基频激光光强变小，被动调Q晶体14和22的损耗变大，最终导致激光输出的停止，完成一个脉冲的产生。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14和22的初始透过率以及激光谐振腔的长度；脉冲的峰值功率取决于调Q晶体14和22的初始透过率即泵浦光功率的大小；脉冲的重复频率取决于调Q晶体14和22的初始透过率、泵浦光强度及输出镜17的反射率。
本发明是在两个相同或不同增益介质内分别产生两个波长的脉冲基频光，并在谐振腔内经过和频晶体和频，获得了不同于倍频激光器波长激光光源，使得激光应用领域增加了新的脉冲波长选择。由于有两个子谐振腔及两个被动调Q元件，可以分别调节各自的子谐振腔，这样装调起来容易。由于两个子谐振腔单独固定，产品的稳定性也优于现有技术。并且利用两种增益介质及利用两个谐振腔分别调节，降低了调节难度，易于控制增益，可以使两个子谐振腔的基频光束在时间上和空间上交叠更加充分，从而获得最大的泵浦效率和输出峰值功率。
图1是背景技术结构示意图。图2是本发明的结构示意图。
具体实施例方式
见图2所示，本发明之激光器由半导体激光器10和18，光学耦合系统11和19，反射腔镜12和20，增益介质13和21，被动调Q晶体14和22，和束镜15，和频晶体16和输出镜17组成。其中反射腔镜12和20是一种平凹镜，凹面的膜系制备要求分别对波长λ1和λ2两个波长具有大于等于99.5％的反射率，同时要求反射腔镜12和20的双面对半导体激光器10和18发出的泵浦波长均具有大于等于92％的透过率。增益介质13和21种类可以相同，也可以不同；增益介质13和21分别选择不同的激光跃迁谱线，相对应振荡波长为λ1和λ2(λ1≠λ2)，由二者产生和频光波长λ3，λ1、λ2和λ3满足关系1/λ3＝1/λ2+1/λ1，；增益介质13的两个通光面分别制备对波长λ1的增透膜，增益介质21的两个通光面分别制备对波长λ2的增透膜，透过率均大于等于99.8％。被动调Q晶体14和22分别为Cr:YAG和V:YAG，对波长λ1和波长λ2的透过率分别大于等于97.5％和98.5％。和束镜15是一个平面镜，在与和频晶体16相对的一个面上、在激光入射角θ的方向上制备对波长λ2具有大于等于98.5％的反射率，同时双面对波长λ1具有大于等于99％的透过率的多层介质膜。和频晶体16按与波长λ1和λ2和频的II类位相匹配的方向切割，使波长λ1和波长λ2在和频晶体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分别是波长λ3、λ2和λ1在和频晶体16中传播时的折射率；和频晶体16的双面制备三波长增透膜，透过率均大于等于99％。输出镜17是一种平面镜，膜系制备要求靠近和频晶体16的一面对波长λ1和λ2均具有大于等于95％的反射率，双面对和频光波长λ3均具有大于等于95％透过率。
下面进一步说明本发明之技术方案，半导体激光器10和18既可以采用单芯激光器，也可以采用列阵激光器，所发射的泵浦光波长为808nm。增益介质13和21均为Nd:YVO4，其激光跃迁波长分别选择1064nm和1342nm，所对应的能级跃迁分别为4F3/2到4I13/2和4F3/2到4I11/2，由二者产生和频光波长为593.5nm；增益介质13的两个通光面分别制备对1064nm的增透膜，增益介质21的两个通光面分别制备对1342nm的增透膜，透过率均为99.8％。反射腔镜12和20的凹面分别制备对波长1064nm和1342nm的反射率均为99.5％、双面制备对波长808nm的透过率为92％的多层介质膜。被动调Q晶体14和22分别采用Cr:YAG和V:YAG，对于波长λ1和波长λ2的透过率分别为97.5％和98.5％。和束镜15是一个平面镜，在靠近和频晶体16的一个面、在激光入射角θ的方向上制备对波长1342nm具有大于等于99.7％的高反射率、双面对波长1064nm具有大于等于99％的高透过率的多层介质膜；θ≤15°。和频晶体16为KTP，其中KTP按与波长1342nm和波长1064nm的和频II类位相匹配的方向切割，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，透过率均为99.4％。输出镜17靠近和频晶体16的一面制备对波长1342nm的反射率为99.5％、对波长1064nm的反射率为95％、双面对593.5nm的透过率均为95％的多层介质膜。当半导体激光器10和18工作时，随着泵浦功率的增加，在两个Nd:YVO4内分别产生1064nm和1342nm的两个波长的基频光，分别在两个子谐振腔内振荡，分别通过Cr:YAG和V:YAG产生脉冲基频光，在两个基频光的交叠处通过KTP晶体时，产生593.5nm的脉冲黄激光，由输出镜17输出。
增益介质13和21还可以分别选用Nd:YVO4和Nd:GdVO4，其激光跃迁波长分别选择1064nm和1341nm，所产生的和频光波长为593nm。
权利要求
1.一种半导体激光泵浦双通道被动调Q脉冲和频激光器，其特征在于，由两个半导体激光器(10和18)、两个光学耦合系统(11和19)、两个反射腔镜(12和20)、两个增益介质(13和21)、两个被动调Q晶体(14和22)、和束镜(15)、和频晶体(16)和输出镜(17)组成；半导体激光器(10和18)为泵浦源光学耦合系统(11和19)的作用是把半导体激光器(10和18)发出的泵浦光分别耦合到增益介质(13和21)内；一个反射腔镜(12)和输出镜(17)组成第一个子谐振腔，另一个反射腔镜(20)和输出镜(17)以及和束镜(15)组成第二个子谐振腔，两个子谐振腔分别有各自的光传输通道；自和束镜(15)至输出镜(17)段为两个光传输通道的公共部分，称为公共臂；在两个子谐振腔中产生两个不同波长λ1、λ2的基频光，分别通过两个被动调Q晶体(14和22)中的一个，产生脉冲激光；在公共臂内放置和频晶体(16)，通过和频获得新的波长λ3的脉冲激光由输出镜(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，反射腔镜(12和20)是一种平凹镜，凹面的膜系制备要求分别对波长λ1和λ2两个波长具有大于等于99.5％的反射率，同时要求双面对半导体激光器(10和18)发出的泵浦波长均具有大于等于92％的透过率。
3.根据权利要求1所述的和频激光器，其特征在于，两个增益介质(13和21)种类相同，或者不同。
4.根据权利要求1所述的和频激光器，其特征在于，增益介质(13)的两个通光面分别制备对波长λ1的增透膜，增益介质(21)的两个通光面分别制备对波长λ2的增透膜，透过率均大于等于99.8％。
5.根据权利要求1所述的和频激光器，其特征在于，两个被动调Q晶体(14和22)对波长λ1和波长λ2的透过率分别大于等于97.5％和98.5％。
6.根据权利要求1所述的和频激光器，其特征在于，和束镜(15)是一个平面镜，在与和频晶体(16)相对的一个面上、在激光入射角θ的方向上制备对波长λ2具有大于等于98.5％的反射率，同时双面对波长λ1具有大于等于99％的透过率的多层介质膜。
7.根据权利要求1所述的和频激光器，其特征在于，和频晶体(16)的双面制备对波长λ1、波长λ2以及波长λ3三波长增透膜，透过率均大于等于99％。
8.根据权利要求1所述的和频激光器，其特征在于，输出镜(17)是一种平面镜，膜系制备要求靠近和频晶体(16)的一面对波长λ1和λ2均具有大于等于95％的反射率，双面对和频光波长λ3均具有大于等于95％透过率。
全文摘要
半导体激光泵浦双通道被动调Q脉冲和频激光器属于激光技术领域。现有技术存在的缺陷有，主动调Q元件价格高，而且驱动源体积大，不利于产业化。仅具有单一光传输通道，单一泵浦源，单一增益介质，难以控制光增益，难以轻易调出所需和频波长。在本发明的技术方案中，一个反射腔镜和输出镜组成第一个子谐振腔，另一个反射腔镜和输出镜以及和束镜组成第二个子谐振腔，两个子谐振腔分别有各自的光传输通道。选用被动调Q元件。利用两种增益介质及利用两个谐振腔分别调节，降低了调节难度，易于控制增益，可以使两个子谐振腔的基频光束在时间上和空间上交叠更加充分，从而获得最大的泵浦效率和输出峰值功率。
文档编号H01S3/0941GK1870361SQ20061009865
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