专利名称：一种新型结构的连续波单频全固态激光器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种新型结构的连续波单频全固态激光器，属于半导体激光泵浦 全固态激光器技术领域。
背景技术：
LD泵浦的全固态激光器通常为多纵模状态运转，多纵模运转会导致激光输出频带 加宽、激光时间和空间相干性变差、由于纵模竞争导致激光输出功率不稳等。尤其是在腔内 插入非线性光学元件时，不同的纵模之间还会在极化物质中相互耦合，产生随机的和频、差 频等现象，使输出激光束的质量进一步下降。实现激光器的单频运转，可以提高激光器的稳定性、获得单色性更好的高相干性光 源。因此，单频激光器在光谱学、相干通讯、激光雷达、引力波探测、快速印刷、图像处理、光学 数据存储、DNA芯片和平板显示器检测等诸多领域有着广泛的应用，有很大的市场前景。传统的单频激光器实现方法主要有以下几种第一种方法是短腔法，当谐振腔短 到使纵模间隔大于增益介质的增益带宽时，只有单个纵模被允许震荡。但是短腔法只适用 于增益线宽较窄的激光器，同时还要考虑激光晶体的吸收系数和效率等因素，而且不适合 腔内加入倍频晶体或其他调制元件。第二种方法是短程吸收法缩短增益介质的长度，加快 粒子空间转移速度，避免形成空间烧孔，这样也就不会形成多纵模振荡，进而实现单频。上 述两种方法选频由于腔长很短或激光晶体很薄，激光器的输出功率必然受到限制，不适合 大功率输出。第三种方法是标准具法标准具对不同波长具有不同的透过率，选择适当的 标准具厚度和反射率，使其自由光谱区与激光工作物质的增益线宽相当，调节标准具的倾 斜角就可以使标准具最大透过率处的频率与不同纵模重合，从而获得不同频率的单纵模激 光输出。但是由于对标准具的厚度、反射率和倾斜角等参数要求较高，而且也为短腔结构， 腔内很难插入大尺寸器件，效率低。第四种方法是环形行波腔法采用环形腔结构，使激光 束只能以行波方式单向传播在行波腔中受激辐射即可均勻地消耗介质反转粒子数，消除驻 波效应。由于增益饱和，各纵模间的模式竞争中使中心频率的单纵模占优势，最终获得单纵 模激光输出。环形行波腔能够获得较大功率的单频输出，但结构复杂、体积大、制作成本高。 第五种方法是复合腔法由一个迈克尔逊干涉仪取代谐振腔的一个反射镜构成，适当选择 两个子腔的腔长，可以使复合腔的频率间隔足够大，当相邻纵模的间隔可以与激光介质的 增益线宽相比拟时，即可实现单纵模运转。此种方法选频灵活，但结构复杂，对机械件稳定 性要求较高。第六种方法是偏振转动扭转模法该方法的关键元件是放在激光晶体两端的 λ/4波片(两片)。两波片的快轴相对旋转90°，相对于腔内布氏片入射面转动45°。只有 在腔内经波片往返后偏振方向仍能满足布氏角的纵模才能形成激光振荡。此种方法对λ /4 波片的光轴、角度、厚度及温度情况要求较高，且光一光转换效率低。
发明内容本实用新型的目的在于提供一种新型结构的连续波单频全固态激光器，其采用V型腔结构的激光谐振腔模式，能够将基频光转化为单频光输出，进而改变现有单频激光器 的不便与缺陷，实现了结构简单、体积小、高效率的单频光输出，其是一种可获得小体积、稳 定性高、单色性好、单频输出的低噪声全固态激光器。本实用新型的技术方案是这样实现的一种新型结构的连续波单频全固态激光 器，由半导体激光器、半导体激光器座、光学耦合镜组、光学耦合镜组座、激光晶体、激光晶 体座、布氏片、布氏片座、全波片、全波片座、反射镜、反射镜座、倍频晶体、倍频晶体座、可调 光阑、输出镜、输出镜座、基板、外壳组成；其中半导体激光器固定于铜制的半导体激光器座 上，光学耦合镜组固定于光学耦合镜组座中，激光晶体固定在激光晶体座内，布氏片固定在 布氏片座上，全波片固定在全波片座上，反射镜固定在反射镜座上、倍频晶体固定在倍频晶 体座上，输出镜固定在铝制的输出镜座上；半导体激光器座、光学耦合镜组座、激光晶体座、 布氏片座、全波片座、反射镜座、倍频晶体座、可调光阑、输出镜座均固定在基板上，罩在外 壳中；其特征在于在激光器的光路中激光晶体和全波片之间安装有布氏片；输出镜与反 射镜对称布置，可调光阑安装在全波片与输出镜间，反射镜的光路中布置倍频晶体成V型 驻波腔结构；其中设泵浦光与基频光的波长分别为λρ，λ 1，固定在铜制半导体激光器座 上的半导体激光器发射与激光晶体吸收谱相对应波长的激光，波长为λ ρ，通过固定在泵浦 光学耦合镜组座中的泵浦光学耦合镜组注入到激光晶体中，泵浦光学耦合镜组两端镀泵浦 光λ ρ波长的增透膜系，激光晶体的两个通光面，靠近半导体激光器的一端镀膜为对λ ρ波 长泵浦光的增透膜系和对λ 1波长基频光的高反膜系，另一端为对λ ρ波长泵浦光和λ 波长基频光的增透膜系；布氏片按λ 1波长泵浦光的布氏角摆放，θ λ^arctgn1 (其中Ii1为 布氏片相对于λ 1波长的折射率);中心波长为λ 1的全波片双面镀对λ 1波长基频光的增 透膜系；反射镜靠近倍频晶体的一端镀膜为λ 1波长基频光的高反膜系以及倍频光λ 2的 高反膜系；输出镜靠近可调光阑的一端镀膜为λ 1波长基频光的高反膜系以及倍频光λ2 的增透膜系，另一端镀λ 2波长倍频光的增透膜系(其中1/λ 2=1/λ 1+1/λ 1);非线性倍频 晶体按基频光波长λ 1的倍频相位匹配方向切割，使得波长λ 1在非线性倍频晶体中共线 传播时满足相位匹配关系！^/入？二！^/入！+！^/入丨，其中！^，！^分别为λ ，λ 2波长的光 在非线性倍频晶体中传播时的折射率；激光晶体靠近泵浦源一端所镀制的基频光高反膜和 泵浦光增透膜作为谐振腔的一个腔镜，并分别与反射镜和输出镜形成基频光的谐振腔，V型 腔两个臂的夹角为5° < θ <15°，基频光在激光晶体内进行增益，非线性倍频晶体放置 在反射镜和输出镜之间高斯光束的光腰处，与腔内插入的布氏片和全波片构成复合双折射 滤光片，腔内插入选模光阑。所述的V型腔内插入布氏片和全波片位于激光晶体与可调光阑之间，布氏片、全 波片和激光晶体构成复合双折射滤光片。所述的V型腔内插入可调光阑，可调光阑位于输出镜与倍频晶体之间，用于抑制 其它模式振荡，保证激光输出基横模。本实用新型的积极效果是采用V型驻波腔结构，腔内插入布氏片与全波片和倍频 晶体构成复合双折射滤光片，腔内插入选模光阑，配合适当的腔长参数实现了单纵模输出， 优点是该V型驻波腔结构适合更广波段范围内的单频激光输出，且易于调节，不需要昂贵 器件，突破了传统驻波腔腔长限制，效率与选频兼顾，而且由于采用的是V型结构，减小了 整个系统的体积，为实现小型化、高效化、产品化的单频激光输出打下基础。
图1为本实用新型的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型做进一步的描述如图1所示，一种新型结构的连续 波单频全固态激光器，由半导体激光器1、半导体激光器座2、光学耦合镜组3、光学耦合镜 组座4、激光晶体5、激光晶体座6、布氏片7、布氏片座8、全波片9、全波片座10、反射镜11、 反射镜座12、倍频晶体13、倍频晶体座14、可调光阑15、输出镜16、输出镜座17、基板18、外 壳19组成；其中半导体激光器1固定于铜制的半导体激光器座2上，光学耦合镜组3固定 于光学耦合镜组座4中，激光晶体5固定在激光晶体座6内，布氏片7固定在布氏片座8上， 全波片9固定在全波片座10上，反射镜11固定在反射镜座12上、倍频晶体13固定在倍频 晶体座14上，输出镜16固定在铝制的输出镜座17上；半导体激光器座2、光学耦合镜组座 4、激光晶体座6、布氏片座8、全波片座10、反射镜座12、倍频晶体座14、可调光阑15、输出 镜座17均固定在基板18上，罩在外壳19中；其特征在于在激光器的光路中激光晶体和全 波片之间安装有布氏片；输出镜与反射镜对称布置，可调光阑安装在全波片与输出镜间，反 射镜的光路中布置倍频晶体成V型驻波腔结构；其中设泵浦光与基频光的波长分别为λ p， λ 1，固定在铜制半导体激光器座2上的半导体激光器1发射与激光晶体5吸收谱相对应波 长的激光，波长为λ ρ，通过固定在泵浦光学耦合镜组座4中的泵浦光学耦合镜组3注入到 激光晶体5中，泵浦光学耦合镜组两端镀泵浦光λ ρ波长的增透膜系，激光晶体5的两个通 光面，靠近半导体激光器1的一端镀膜为对λ ρ波长泵浦光的增透膜系和对λ 1波长基频 光的高反膜系，另一端为对λ ρ波长泵浦光和λ 1波长基频光的增透膜系；布氏片7按入1 波长泵浦光的布氏角摆放；中心波长为λ 1的全波片9双面镀对λ 1波长基频光的增透膜 系；反射镜11靠近倍频晶体13的一端镀膜为λ 1波长基频光的高反膜系以及倍频光λ 2 的高反膜系；输出镜16靠近可调光阑15的一端镀膜为λ 1波长基频光的高反膜系以及倍 频光λ 2的增透膜系，另一端镀入2波长倍频光的增透膜系(其中1/入2=1/入1+1/入1);非 线性倍频晶体13按基频光波长λ 1的倍频相位匹配方向切割，使得波长λ 1在非线性倍频 晶体13中共线传播时满足相位匹配关系η2/λ 2=η1/λ l+nl/λ 1，其中nl，n2分别为λ 1， λ 2波长的光在非线性倍频晶体13中传播时的折射率；激光晶体5靠近泵浦源一端所镀制 的基频光高反膜和泵浦光增透膜作为谐振腔的一个腔镜，并分别与反射镜11和输出镜16 形成基频光的谐振腔，V型腔两个臂的夹角为越小越好，一般为5° < θ <15°。基频光 在激光晶体5内进行增益，非线性倍频晶体13放置在反射镜11和输出镜16之间高斯光束 的光腰处，与腔内插入的布氏片7和全波片9构成复合双折射滤光片，腔内插入选模光阑 15，配合适当的腔长参数实现了高效率的单频激光输出。当本实用新型选择输出的单频激光波长为473nm时，半导体激光器1为发射与激 光晶体5Nd =YAG晶体吸收相对应的808nm波长激光的半导体激光器，固定在铜制的半导体 激光器座2上；泵浦光学耦合镜组3固定在铝制的泵浦光学耦合镜组座4中，泵浦光学耦合 镜组3两端均镀808nm泵浦光的增透膜系；激光晶体5为Nd =YAG晶体，可吸收半导体激光 器1发射的808nm波长激光后发射基频946nm波长的基频光，两个通光表面镀膜情况如下 靠近泵浦光学耦合镜组3的一端镀808nm泵浦光的增透膜系和946nm基频光的高反膜系，另一端镀808nm泵浦光和946nm基频光的增透膜系，固定在铝制的激光晶体座6上；布氏片 7按布氏角55. 4°摆放，全波片9的两端镀946nm基频光的增透膜系，固定在全波片座10 上；反射镜U靠近非线性倍频晶体13的一端镀946nm基频光和473nm倍频光的高反膜系， 固定在反射镜座12中；非线性倍频晶体13为I类角度相位匹配的LBO晶体，两个表面均镀 946nm基频光和473nm倍频光的增透膜系，固定在倍频晶体座14中；输出镜16的镀膜情况 如下靠近可调光阑15的一端镀946nm的高反膜系和473nm的增透膜系，另一端镀473nm 的增透膜系，固定在铝制的输出镜座17内。半导体激光器座2、光学耦合镜组座4、激光晶 体座6、布氏片座8、全波片座10、反射镜座12、倍频晶体座14、可调光阑15、输出镜座17均 固定在基板18上，罩在外壳19中。由激光晶体5、反射镜11、输出镜16构成946nm基频光的谐振腔，非线性倍频晶体 13放置在反射镜11、输出镜16之间的光路中，V型腔两个臂的夹角为10°。半导体激光器1发射与激光晶体5Nd =YVO4晶体吸收相对应的808nm波长激光，通 过泵浦光学耦合镜组3注入激光晶体5Nd =YVO4中；激光晶体5Nd =YVO4吸收半导体激光器 1发射的激光后发射基频946nm波长的荧光；946nm波长的荧光在由激光晶体5、反射镜11、 输出镜16构成946nm基频光的谐振腔中形成振荡，形成基频946nm波长的激光。通过布氏片7、全波片9和非线性倍频晶体13构成复合双折射滤光片，全波片9和 非线性倍频晶体13两种双折射晶体，在兼顾倍频效率的同时对布氏片7起偏的基频光产生 偏转效应，布氏片7对不同偏振方向纵模的选择性损耗，抑制了部分纵模的形成、腔内插入 选模光阑15抑制其他横模的产生，配合适当的腔长参数和最终实现了二倍频473nm波长的 单频激光经由输出镜16输出腔外。当本实用新型选择输出的单频激光波长为457nm时，半导体激光器1为发射与激 光晶体5Nd =YVO4晶体吸收相对应的808nm波长激光的半导体激光器，固定在铜制的半导体 激光器座2上；泵浦光学耦合镜组3固定在铝制的泵浦光学耦合镜组座4中，泵浦光学耦合 镜组3两端均镀808nm泵浦光的增透膜系；激光晶体5为Nd =YVO4晶体，可吸收半导体激光 器1发射的808nm波长激光后发射基频914nm波长的基频光，两个通光表面镀膜情况如下 靠近泵浦光学耦合镜组3的一端镀808nm泵浦光的增透膜系和914nm基频光的高反膜系， 另一端镀808nm泵浦光和914nm基频光的增透膜系，固定在铝制的激光晶体座6上；布氏片 7按布氏角55.5°摆放，固定在布氏片座8上；全波片9的两端镀914nm基频光的增透膜系， 固定在全波片座10上；反射镜11靠近非线性倍频晶体13的一端镀914nm基频光和457nm 倍频光的高反膜系，固定在反射镜座12中；非线性倍频晶体13为I类角度相位匹配的LBO 晶体，两个表面均镀914nm基频光和457nm倍频光的增透膜系，固定在倍频晶体座14中；输 出镜16的镀膜情况如下靠近可调光阑15的一端镀914nm的高反膜系和457nm的增透膜 系，另一端镀457nm的增透膜系，固定在铝制的输出镜座17内。半导体激光器座2、光学耦 合镜组座4、激光晶体座6、布氏片座8、全波片座10、反射镜座12、倍频晶体座14、可调光阑 15、输出镜座17均固定在基板18上，罩在外壳19中。由激光晶体5、反射镜11、输出镜16构成914nm基频光的谐振腔，非线性倍频晶体 13放置在反射镜11、输出镜16之间的光路中，V型腔两个臂的夹角为10°。半导体激光器1发射与激光晶体5Nd =YVO4晶体吸收相对应的808nm波长激光，通 过泵浦光学耦合镜组3注入激光晶体5Nd =YVO4中；激光晶体5Nd =YVO4吸收半导体激光器1发射的激光后发射基频9Hnm波长的荧光；914nm波长的荧光在由激光晶体5、反射镜11、 输出镜16构成914nm基频光的谐振腔中形成振荡，形成基频914nm波长的激光。 通过布氏片7、全波片9和非线性倍频晶体13构成复合双折射滤光片，全波片9和 非线性倍频晶体13两种双折射晶体，在兼顾倍频效率的同时对布氏片7起偏的基频光产生 偏转效应，布氏片7对不同偏振方向纵模的选择性损耗，抑制了部分纵模的形成、腔内插入 选模光阑15抑制其他横模的产生，配合适当的腔长参数和最终实现了二倍频457nm波长的 单频激光经由输出镜16输出腔外。
权利要求1.一种新型结构的连续波单频全固态激光器，由半导体激光器、半导体激光器座、光学 耦合镜组、光学耦合镜组座、激光晶体、激光晶体座、布氏片、布氏片座、全波片、全波片座、 反射镜、反射镜座、倍频晶体、倍频晶体座、可调光阑、输出镜、输出镜座、基板、外壳组成；其 中半导体激光器固定于铜制的半导体激光器座上，光学耦合镜组固定于光学耦合镜组座 中，激光晶体固定在激光晶体座内，布氏片固定在布氏片座上，全波片固定在全波片座上， 反射镜固定在反射镜座上、倍频晶体固定在倍频晶体座上，输出镜固定在铝制的输出镜座 上；半导体激光器座、光学耦合镜组座、激光晶体座、布氏片座、全波片座、反射镜座、倍频 晶体座、可调光阑、输出镜座均固定在基板上，罩在外壳中；其特征在于在激光器的光路 中激光晶体和全波片之间安装有布氏片；输出镜与反射镜对称布置，可调光阑安装在全波 片与输出镜间，反射镜的光路中布置倍频晶体成V型驻波腔结构；其中设泵浦光与基频光 的波长分别为λ P，λ 1，固定在铜制半导体激光器座上的半导体激光器发射与激光晶体吸 收谱相对应波长的激光，波长为λ ρ，通过固定在泵浦光学耦合镜组座中的泵浦光学耦合 镜组注入到激光晶体中，泵浦光学耦合镜组两端镀泵浦光λ ρ波长的增透膜系，激光晶体 的两个通光面，靠近半导体激光器的一端镀膜为对λ ρ波长泵浦光的增透膜系和对λ 波 长基频光的高反膜系，另一端为对λ ρ波长泵浦光和λ 1波长基频光的增透膜系；布氏片 按λ 1波长泵浦光的布氏角摆放，θ λ^arctgn1 (其中Ii1为布氏片相对于λ 1波长的折射 率)；中心波长为λ 1的全波片双面镀对λ 1波长基频光的增透膜系；反射镜靠近倍频晶体 的一端镀膜为λ 1波长基频光的高反膜系以及倍频光λ 2的高反膜系；输出镜靠近可调光 阑的一端镀膜为λ 1波长基频光的高反膜系以及倍频光λ 2的增透膜系，另一端镀λ2波 长倍频光的增透膜系(其中1/λ 2=1/λ 1+1/λ 1)；非线性倍频晶体按基频光波长λ 1的倍 频相位匹配方向切割，使得波长λ 1在非线性倍频晶体中共线传播时满足相位匹配关系 η2/λ 2=η1/λ l+nl/λ 1，其中nl，n2分别为λ 1，λ 2波长的光在非线性倍频晶体中传播时 的折射率；激光晶体靠近泵浦源一端所镀制的基频光高反膜和泵浦光增透膜作为谐振腔的 一个腔镜，并分别与反射镜和输出镜形成基频光的谐振腔，V型腔两个臂的夹角为5° < θ < 15°，基频光在激光晶体内进行增益，非线性倍频晶体放置在反射镜和输出镜之间高斯 光束的光腰处，与腔内插入的布氏片和全波片构成复合双折射滤光片，腔内插入选模光阑。
2.根据权利要求1所述的一种新型结构的连续波单频全固态激光器，其特征在于所述 的V型腔内插入布氏片和全波片位于激光晶体与可调光阑之间，布氏片、全波片和，非线性 倍频晶体构成复合双折射滤光片。
3.根据权利要求1所述的一种新型结构的连续波单频全固态激光器，其特征在于所述 的V型腔内插入可调光阑，可调光阑位于输出镜与倍频晶体之间，用于抑制其它模式振荡， 保证激光输出基横模。
专利摘要本实用新型涉及一种新型结构的连续波单频全固态激光器，其特征在于在激光器的光路中激光晶体和全波片之间安装有布氏片；输出镜与反射镜对称布置，可调光阑安装在全波片与输出镜间，反射镜的光路中布置倍频晶体成V型驻波腔结构；腔内插入的布氏片与全波片和倍频晶体构成复合双折射滤光片，全波片和非线性倍频晶体两种双折射晶体，在兼顾倍频效率的同时对布氏片起偏的基频光产生偏转效应，布氏片对不同偏振方向纵模的选择性损耗，抑制了部分纵模的形成、腔内插入选模光阑抑制其他横模的产生，配合适当的腔长参数和最终实现了单频激光经由输出镜输出腔外。其易于调节，突破了传统驻波腔腔长限制，效率与选频兼顾，而且由于采用的是V型结构，减小了整个系统的体积，为实现小型化、高效化、产品化的单频激光输出打下基础。
文档编号H01S3/106GK201877672SQ20102063374
公开日2011年6月22日 申请日期2010年11月30日 优先权日2010年11月30日
发明者曲大鹏, 邓岩, 郑权 申请人:长春新产业光电技术有限公司