专利名称：一种单向行波环形腔单频准三能级固体激光器的制作方法
技术领域：
本发明涉及激光技术领域，尤其涉及一种单向行波环形腔单频准三能级固体激光
O
背景技术：
众多重要应用场合需要采用高性能的单频准三能级激光。例如，用于腔外倍频产生高稳定单频473纳米蓝光所需的946纳米基频光(采用Nd YAG晶体作为激光增益介质)、 用于相干多普勒雷达及高分辨率光谱学的2. 01微米激光(采用Tm:YAG晶体作为激光增益介质)以及掺杂％的激光增益介质的绝大多数激光谱线等。为了实现这类单频准三能级固体激光器的高效稳定运转，一般通过选择或设计合适的激光谐振腔，使激光在谐振腔内能够沿顺时针光路或逆时针光路环行传播；并进一步通过在谐振腔内引入对环绕时针方向敏感的损耗机制，使激光能够在谐振腔内仅沿某一环绕时针方向实现单向单频传播。1985年美国的Kane等发明了单块非平面单向行波环形腔单频固体激光器，此种激光器的谐振腔仅由一块Nd:YAG晶体构成，磁场施加在Nd:YAG激光介质上，能够获得较高功率的稳定单频输出。2001年，吴克瑛等发明了角锥棱镜非平面单向行波环形腔单频固体激光器，利用角锥棱镜和Nd: YAG晶体构成激光谐振腔，磁场施加在Nd: YAG激光介质上，成功实现了 IW的1064纳米单频运转。为了尽可能采用最少的元件构成环形腔，提高单频激光的稳定性，以上激光器的激光增益介质的某一个外部光学表面均对腔内激光具有反射作用(且该反射的入射角不等于零)，并用于腔内激光光路的闭合。当设计以上激光器用于准三能级激光运转时，为了克服准三能级系统固有的再吸收损耗问题，通常采用热键合的方式，将掺杂激活离子的晶体与未掺杂激活离子的晶体键合在一起成为整体，并且选择热键合表面的位置，使掺杂激活离子的晶体中与反射相应的入射光束和反射光束在掺杂激活离子的晶体中的传播长度相等。此时，如果采用多路抽运源同时沿两个传播路径对增益介质进行双向抽运时，虽然可以克服具有相等传播长度的两个路径上的再吸收损耗问题，但是进行双向抽运时多路抽运源的使用增加了系统的成本且不利于单频激光器的稳定运转；同时由于激光的输出方向与其中一路抽运源的抽运方向接近重合，还必须额外插入双色分光元件来分离抽运激光和单频输出激光，这进一步增加了系统的成本和复杂度。因此，为了保证激光器的紧凑和稳定， 同时降低系统成本和复杂度，可以选择采用单路抽运源仅沿两个传播路径中的某一个路径进行单向抽运，但是此时未加抽运的另一个具有相等传播长度的路径上存在着显著的再吸收损耗，将会对激光器的输出性能造成严重影响。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种单向行波环形腔单频准三能级固体激光器，可以减小当采用单向抽运时在未加抽运的传播路径上激光经历的再吸收损耗，从而在保证激光器的紧凑、稳定且降低系统成本及复杂度的同时，有效提高单向抽运时的激光器输出性能。本发明提供的单向行波环形腔单频准三能级固体激光器，其激光工作物质是热键合激光晶体，热键合激光晶体由光学各向同性的掺杂激活离子的晶体与光学各向同性的未掺杂激活离子的晶体通过热键合形成，且掺杂激活离子的晶体与未掺杂激活离子的晶体的基质晶体相同；掺杂激活离子的晶体与未掺杂激活离子的晶体间的热键合表面，为该热键合激光晶体的一个内部光学表面；热键合激光晶体的所有外部光学表面中，只有一个光学表面同时用于抽运激光输入及腔内振荡激光耦合输出；所述的同时用于抽运激光输入及腔内振荡激光耦合输出的光学表面上镀有抽运激光的增透膜和腔内振荡激光的偏振输出膜， 且该光学表面上的反射点处在所述的掺杂激活离子的晶体的一个外部光学表面上；腔内传播的激光穿过热键合表面进入到掺杂激活离子的晶体后，在所述的同时用于抽运激光输入及腔内振荡激光耦合输出的光学表面上经历入射角小于全反射临界角的反射，且该反射将掺杂激活离子的晶体中的激光光束分为入射光束和反射光束；半导体激光抽运源发出的抽运激光经该反射位置进入掺杂激活离子的晶体后的传播方向与所述的反射光束的传播方向相同；选择所述的热键合表面的位置，使所述的入射光束在掺杂激活离子的晶体中的传播长度小于所述的反射光束在掺杂激活离子的晶体中的传播长度。进一步，利用所述的热键合激光晶体配合外加磁场直接提供非互易的法拉第磁光旋转作用，或者利用其他元件配合外加磁场提供非互易的法拉第磁光旋转作用；以热键合激光晶体自身直接构成环形谐振腔，或者以热键合激光晶体与其他光学元件共同构成环形谐振腔。与所述的基于等传播长度键合方式的已有单向行波环形腔单频准三能级固体激光器相比，当使用相同的抽运源仅沿腔内闭合光路中的最大增益方向进行单向抽运且抽运方向上掺杂激活离子的晶体的长度相等时，本发明提供的单向行波环形腔单频准三能级固体激光器，可以获得更低的激光阈值和更高的输出功率斜效率，因此可以获得更高的单频激光输出功率。通过进一步减小未加抽运的传播路径上激光经历的再吸收损耗，本发明所提供的单向行波环形腔单频准三能级固体激光器仅采用相同功率的抽运源既可获得与双向抽运时相当的输出性能，从而减少额外的抽运系统(抽运源及相应的耦合光学系统)和双色分光元件(用于分离抽运激光和单频输出激光)，降低系统的成本及复杂度，并使激光器更为紧凑和稳定。此外，在保证以上优点的基础上，本发明通过选择简单紧凑的激光器结构以及热键合表面的位置，可以在谐振腔内部获得更高的线偏振度，这一方面有利于采用按照第一类相位匹配方式进行角度切割的倍频晶体进行高效地腔内倍频，另一方面可以有效地降低倍频晶体的双折射对腔内振荡激光偏振态的不利影响。
下面结合附图来对本发明作进一步详细说明，其中图1是利于半导体激光单向抽运的单块非平面单向行波环形腔单频准三能级固体激光器示意图；图2是利于半导体激光单向抽运的角锥棱镜非平面单向行波环形腔单频准三能级固体激光器示意图；图3是利于半导体激光单向抽运及腔内倍频的角锥棱镜非平面单向行波环形腔单频准三能级固体激光器示意图；图4是利于半导体激光单向抽运的角锥棱镜非平面单向行波环形腔单频准三能级固体倍频激光器示意图。
具体实施例方式实施例1在图1所示的实施例中，环形激光谐振腔直接由热键合激光晶体8构成。外加磁场H沿图1所示方向施加到热键合激光晶体8上，利用半导体激光抽运源10沿图1所示方向经反射点7端面抽运热键合激光晶体8，可在反射点7获得单频激光输出9。如图1所示，热键合激光晶体8由光学各向同性的掺杂激活离子的晶体1和光学各向同性的未掺杂激活离子的晶体2在二者的交界面3处通过热键合形成，掺杂激活离子的晶体1与未掺杂激活离子的晶体2的基质晶体相同，并且该基质晶体具有法拉第磁光特性(例如，作为基质晶体的YAG晶体)。掺杂激活离子的晶体1与未掺杂激活离子的晶体2 的交界面3即为热键合表面，且为热键合激光晶体8的一个内部光学表面。掺杂激活离子的晶体1为准三能级激光工作介质，晶体的具体化学式由实际应用中所需的单频准三能级激光的工作波长决定。例如，为产生单频946纳米激光可以选择Nd:YAG晶体，为产生单频 2. 01微米激光可以选择Tm:YAG晶体等。热键合激光晶体8可以具有多个外部光学表面，但是实际用于腔内激光反射的外部光学表面只有四个，分别对应于反射点4、5、6、7所在的光学表面。这四个光学表面，既可能完全由掺杂激活离子的晶体1的外部光学表面构成，也可能完全由未掺杂激活离子的晶体2的外部光学表面构成，还可能由掺杂激活离子的晶体1的外部光学表面与未掺杂激活离子的晶体2的外部光学表面共同构成。例如，图1中热键合激光晶体8的同时用于抽运激光输入及腔内振荡激光耦合输出的外部光学表面是由掺杂激活离子的晶体1的外部光学表面与未掺杂激活离子的晶体2的外部光学表面共同构成。因此，处于热键合激光晶体 8的外部光学表面中的反射点7，也处于掺杂激活离子的晶体1的外部光学表面中，但是不处于未掺杂激活离子的晶体2的外部光学表面中；同理，反射点4、5、6均处于热键合激光晶体8的外部光学表面中，也均处于未掺杂激活离子的晶体2的外部光学表面中，但是不处于掺杂激活离子的晶体1的外部光学表面中。振荡激光依次经过反射点4、5、6、7的反射，在腔内沿顺时针环绕方向单向传播。 其中，反射点4和反射点6分别位于热键合激光晶体8的两个侧面上；反射点5位于热键合激光晶体8的顶面上；腔内激光在反射点4、5、6三点上均发生全内反射，从而在这些全反射点上依次经历由全内反射引入的偏振分量间的相移；反射点7位于热键合激光晶体8的输出端面，同时用于单频激光耦合输出和半导体激光抽运源10的端面抽运；在反射点7所处的光学表面上镀有抽运激光的增透膜和腔内振荡激光的偏振输出膜，该偏振输出膜对振荡激光的s偏振分量的反射率不等于ρ偏振分量的反射率；在此环形光路中，反射点5不位于由反射点4、6、7三点确定的平面中。为了便于光学加工和设计，掺杂晶体和未掺杂晶体的交界面3可以被设计为与反射点7的入射光束和反射光束构成的平面垂直。掺杂晶体与未掺杂晶体的交界面3为光滑表面，有利于高质量地将掺杂激活离子的晶体1和未掺杂激活离子的晶体2热键合为一体。选择和设计交界面3的位置，使由反射点6与反射点7决定的直线光路(沿反射点7的入射光束传播方向)在掺杂激活离子的晶体1中通过的长度小于由反射点7与反射点4决定的直线光路(沿反射点7的反射光束传播方向)在掺杂激活离子的晶体1中通过的长度。进一步选择半导体激光抽运源10的抽运方向，使抽运激光透射到掺杂激活离子的晶体1中，并使透射方向沿着反射点7与反射点4的连线方向(沿反射点7的反射光束传播方向)。最后可在反射点7获得单频激光输出9。通过使掺杂激活离子的晶体1对其内部的入射光束和反射光束具有上述的非等传播长度的激光增益介质结构，不仅可以使图1中沿顺旨针方向传播的光路获得有效的增益放大，而且可以减小反射点7的入射光束在掺杂激活离子的晶体1中经历的再吸收损耗， 有利于提高激光器的输出性能。通过进一步控制交界面3的位置，可以选择两个传播长度的比例，使反射点7的入射光束在掺杂激活离子的晶体1中经历的再吸收损耗进一步减小。 例如，可以使反射点7的入射光束在掺杂激活离子的晶体1中的传播长度小于反射点7的反射光束在掺杂激活离子的晶体1中的传播长度的1/5。从而无需采用抽运源沿着反射点 7的入射光束方向的反方向进行抽运，减少了双向抽运时所需的额外抽运系统(抽运源及相应的耦合光学系统)与双色分光元件(用于分离抽运激光和单频输出激光)，使激光器更为紧凑和稳定，并显著地降低了系统的成本及复杂度。图1中的元件及光路配置，决定了激光在腔内需要沿顺时针环路传播。但是，对于更一般的情况，本实施例中腔内激光的环绕方向(顺时针或逆时针)的具体确定，需要保证沿该环绕方向传播的激光经反射点7反射后的反射光束在掺杂激活离子的晶体1中的传播长度大于入射光束在掺杂激活离子的晶体1中的传播长度。在此基础上，根据构成热键合激光晶体的基质晶体的实际法拉第磁光系数的正负，磁场H也可能取负值(即沿着图中所示H方向的反方向)，但最终需保证腔内振荡激光能够沿着已确定的环绕方向单向传播。实施例2在图2所示的实施例中，环形谐振腔由角锥棱镜21与热键合激光晶体22两个光学元件构成。角锥棱镜是具有使其出射光束方向与其入射光束方向平行这一特性的光学元件，且角锥棱镜由具有法拉第磁光特性的光学介质(例如，熔融石英玻璃)制作而成。外加磁场H沿图2所示方向施加到角锥棱镜21上。将外加磁场施加到角锥棱镜21上，不仅可以在选择磁光材料方面提供更大的自由度，还有利于磁铁的固定安装，例如可以直接将角锥棱镜21放入环形磁铁的内环中。利用半导体激光抽运源20沿图2所示方向经反射点17 端面抽运热键合激光晶体22，可在反射点17获得单频激光输出19。如图2，热键合激光晶体22由光学各向同性的掺杂激活离子的晶体11和光学各向同性的未掺杂激活离子的晶体12在二者的交界面13处通过热键合形成，且掺杂激活离子的晶体11与未掺杂激活离子的晶体12的基质晶体相同。掺杂激活离子的晶体11与未掺杂激活离子的晶体12的交界面13即为热键合表面，且为热键合激光晶体22的一个内部光学表面。掺杂激活离子的晶体11为准三能级工作物质，晶体的具体化学式由实际应用中所需的单频准三能级激光的工作波长决定。例如，为产生单频946纳米激光可以选择Nd:YAG 晶体，为产生单频2. 01微米激光可以选择Tm:YAG晶体等。热键合激光晶体22可以具有多个外部光学表面，但是实际用于腔内激光反射的外部光学表面只有两个，分别对应于反射点17和反射点18所在的光学表面。这两个光学表面相互垂直，且热键合激光晶体中的所有振荡激光光束均处在与这两个光学表面同时垂直的一个平面中。为了便于光学加工和设计，掺杂晶体和未掺杂晶体的交界面13可以被设计为与热键合激光晶体中所有振荡激光光束所处的平面垂直。所述的这两个相互垂直的反射光学表面，既可能完全由掺杂激活离子的晶体11 的外部光学表面构成，也可能完全由未掺杂激活离子的晶体12的外部光学表面构成，还可能由掺杂激活离子的晶体11的外部光学表面与未掺杂激活离子的晶体12的外部光学表面共同构成。例如，图2中热键合激光晶体22的同时用于抽运激光输入及腔内振荡激光耦合输出的外部光学表面是由掺杂激活离子的晶体11的外部光学表面与未掺杂激活离子的晶体12的外部光学表面共同构成。因此，反射点17既处于热键合激光晶体22的外部光学表面中，也处于掺杂激活离子的晶体11的外部光学表面中，但是不处于未掺杂激活离子的晶体12的外部光学表面中；同理，处于热键合激光晶体22的外部光学表面中的反射点18，也处于掺杂激活离子的晶体11的外部光学表面中，但是不处于未掺杂激活离子的晶体12的外部光学表面中。振荡激光依次经过反射点14、15、16、17、18的反射，在腔内沿顺时针环绕方向单向传播。其中，反射点14、15、16分别位于角锥棱镜21的三个直角反射面上；反射点17、18 分别位于热键合激光晶体22的两个直角反射面上；腔内激光在反射点14、15、16、18上均发生全内反射，从而在这些全反射点上依次经历由全内反射引入的偏振分量间的相移；反射点17同时用于单频激光耦合输出和半导体激光抽运源20的端面抽运；在反射点17所处的光学表面上镀有抽运激光的增透膜和腔内振荡激光的偏振输出膜，该偏振输出膜对振荡激光的s偏振分量的反射率不等于ρ偏振分量的反射率；在此环形光路中，反射点15不处于反射点14的入射光束同反射点16的反射光束决定的平面中。掺杂晶体与未掺杂晶体的交界面13为光滑平面，有利于高质量地将掺杂激活离子的晶体11和未掺杂激活离子的晶体12热键合为一体。选择和设计交界面13的位置，使反射点18和反射点17均位于掺杂激活离子的晶体11的外部光学表面上，并使反射点17 的入射光束在掺杂激活离子的晶体11中通过的长度小于反射点17的反射光束在掺杂激活离子的晶体11中通过的长度。进一步选择半导体激光抽运源20的抽运方向，使抽运激光透射到掺杂激活离子的晶体11中，并使透射方向沿着反射点17的反射光束传播方向。最后可在反射点17获得单频激光输出19。通过使掺杂激活离子的晶体11对其内部的入射光束和反射光束具有上述的非等传播长度的激光增益介质结构，不仅可以使图2中沿顺旨针方向传播的光路获得有效的增益放大，而且可以减小反射点17的入射光束在掺杂激活离子的晶体11中经历的再吸收损耗，有利于提高激光器的输出性能。通过进一步控制交界面13的位置，可以选择两个传播长度的比例，使反射点17的入射光束在掺杂激活离子的晶体11中经历的再吸收损耗进一步减小。例如，可以使反射点17的入射光束在掺杂激活离子的晶体11中的传播长度小于反射点17的反射光束在掺杂激活离子的晶体11中的传播长度的1/5。从而无需采用抽运源沿着反射点17的入射光束方向的反方向进行抽运，减少了双向抽运时所需的额外抽运系统(抽运源及相应的耦合光学系统)与双色分光元件(用于分离抽运激光和单频输出激光)，使激光器更为紧凑和稳定，并显著地降低了系统的成本及复杂度。此外，通过改变反射点17在所述的同时用于抽运激光输入及腔内振荡激光耦合输出的掺杂激活离子的晶体11的光学表面上的位置，还可以在交界面13的位置已经确定(例如，热键合激光晶体22已经加工完成之后)的情况下，进一步方便地调节所述的两个传播长度的比例，从而有利于进一步减小反射点17的入射光束在掺杂激活离子的晶体11中经历的再吸收损耗。实施例3在图3所示的实施例中，环形谐振腔由角锥棱镜21与热键合激光晶体23两个光学元件构成。角锥棱镜是具有使其出射光束方向与其入射光束方向平行这一特性的光学元件，且角锥棱镜由具有法拉第磁光特性的光学介质(例如，熔融石英玻璃)制作而成。。外加磁场H沿图3所示方向施加到角锥棱镜21上。将外加磁场施加到角锥棱镜21上，不仅可以在选择磁光材料方面提供更大的自由度，还有利于磁铁的固定安装，例如可以直接将角锥棱镜21放入环形磁铁的内环中。利用半导体激光抽运源20沿图3所示方向经反射点 17端面抽运热键合激光晶体23，可在反射点17获得单频激光输出19。如图3，热键合激光晶体23由光学各向同性的掺杂激活离子的晶体31和光学各向同性的未掺杂激活离子的晶体32在二者的交界面33处通过热键合形成，且掺杂激活离子的晶体31与未掺杂激活离子的晶体32的基质晶体相同。掺杂激活离子的晶体31与未掺杂激活离子的晶体32的交界面33即为热键合表面，且为热键合激光晶体23的一个内部光学表面。掺杂激活离子的晶体31为准三能级工作物质，晶体的具体化学式由实际应用中所需的准三能级单频激光的工作波长决定。例如，为产生单频946纳米激光可以选择Nd: YAG 晶体，为产生单频2. 01微米激光可以选择Tm: YAG晶体等。热键合激光晶体23可以具有多个外部光学表面，但是实际用于腔内激光反射的外部光学表面只有两个，分别对应于反射点17和反射点18所在的光学表面。这两个光学表面相互垂直，且热键合激光晶体中的所有振荡激光光束均处在与这两个光学表面同时垂直的一个平面中。为了便于光学加工和设计，掺杂晶体和未掺杂晶体的交界面33可以被设计为与热键合激光晶体中所有振荡激光光束所处的平面垂直。所述的这两个相互垂直的反射光学表面，既可能完全由掺杂激活离子的晶体31 的外部光学表面构成，也可能完全由未掺杂激活离子的晶体32的外部光学表面构成，还可能由掺杂激活离子的晶体31的外部光学表面与未掺杂激活离子的晶体32的外部光学表面共同构成。例如，图3中热键合激光晶体23的同时用于抽运激光输入及腔内振荡激光耦合输出的外部光学表面是由掺杂激活离子的晶体31的外部光学表面与未掺杂激活离子的晶体32的外部光学表面共同构成。因此，处于热键合激光晶体23的外部光学表面中的反射点17，也处于掺杂激活离子的晶体31的外部光学表面中，但是不处于未掺杂激活离子的晶体32的外部光学表面中；同理，处于热键合激光晶体23的外部光学表面中的反射点18，也处于未掺杂激活离子的晶体32的外部光学表面中，但是不处于掺杂激活离子的晶体31的外部光学表面中。振荡激光依次经过反射点16、15、14、18、17的反射，在腔内沿逆时针环绕方向单向传播。其中，反射点16、15、14分别位于角锥棱镜21的三个直角反射面上；反射点18、17 分别位于热键合激光晶体23的两个直角反射面上；腔内激光在反射点16、15、14、18上均发生全内反射，并在这些全反射点上依次经历由全内反射引入的偏振分量间的相移；反射点 17同时用于单频激光耦合输出和半导体激光抽运源20的端面抽运；在反射点17所处的光学表面上镀有抽运激光的增透膜和腔内振荡激光的偏振输出膜，该偏振输出膜对振荡激光的s偏振分量的反射率不等于ρ偏振分量的反射率；在此环形光路中，反射点15不处于反射点14的反射光束同反射点16的入射光束决定的平面中。掺杂晶体与未掺杂晶体的交界面33为光滑平面，有利于高质量地将掺杂激活离子的晶体31和未掺杂激活离子的晶体32热键合为一体。选择和设计交界面33的位置，使反射点17位于掺杂激活离子的晶体31的外部光学表面上，而反射点18位于未掺杂激活离子的晶体32的外部光学表面上，并使反射点17的入射光束在掺杂激活离子的晶体31中通过的长度小于反射点17的反射光束在掺杂激活离子的晶体31中通过的长度。进一步选择半导体激光抽运源20的抽运方向，使抽运激光透射到掺杂激活离子的晶体31中，并使透射方向沿着反射点17的反射光束传播方向。最后可在反射点17获得单频激光输出19。通过使掺杂激活离子的晶体31对其内部的入射光束和反射光束具有上述的非等传播长度的激光增益介质结构，不仅可以使图3中沿逆时针方向传播的光路获得有效的增益放大，而且可以减小反射点17的入射光束在掺杂激活离子的晶体31中经历的再吸收损耗，有利于提高激光器的输出性能。通过进一步控制交界面33的位置，可以选择两个传播长度的比例，使反射点17的入射光束在掺杂激活离子的晶体31中经历的再吸收损耗进一步减小。例如，可以使反射点17的入射光束在掺杂激活离子的晶体31中的传播长度小于反射点17的反射光束在掺杂激活离子的晶体31中的传播长度的1/5。从而无需采用抽运源沿着反射点17的入射光束方向的反方向进行抽运，减少了双向抽运时所需的额外抽运系统(抽运源及相应的耦合光学系统)与双色分光元件(用于分离抽运激光和单频输出激光)，使激光器更为紧凑和稳定，并显著地降低了系统的成本及复杂度。此外，通过改变反射点17在所述的同时用于抽运激光输入及腔内振荡激光耦合输出的掺杂激活离子的晶体31 的光学表面上的位置，还可以在交界面33的位置已经确定(例如，热键合激光晶体23已经加工完成之后)的情况下，进一步方便地调节所述的两个传播长度的比例，从而有利于进一步减小反射点17的入射光束在掺杂激活离子的晶体31中经历的再吸收损耗。对于实施例2和实施例3所提出的单向行波环形腔单频准三能级固体激光器，除去用于腔内激光闭合的五个反射表面以外，其他仅用于腔内激光透射的外部通光表面上均需镀制振荡激光的抗反射膜；并进一步选择这些仅用于透射的通光表面的方位，以保证透射进入热键合激光晶体之前的激光光束的传播方向与透射出热键合激光晶体且之后将进入角锥棱镜的激光光束的传播方向平行。为了简单起见，可以将这些仅用于透射的通光表面设计成与其透射光束的传播方向垂直，从而不会因为折射而改变激光光束的传播方向。对于实施例2和实施例3，根据各自附图中的元件及光路配置，得出了在图2所示的实施例2中激光在腔内沿顺时针环路传播，而在图3所示的实施例3中激光在腔内沿逆时针环路传播。但是，对于更一般的情况，实施例2和实施例3中腔内激光的环绕方向(顺时针或逆时针)的具体确定，需要保证沿该环绕方向传播的激光经反射点17反射后的反射光束在掺杂激活离子的晶体中的传播长度大于入射光束在掺杂激活离子的晶体中的传播长度。在此基础上，根据构成角锥棱镜的光学介质的实际法拉第磁光系数的正负，磁场H也可能取负值(即沿着各自图中所示H方向的反方向)，但最终需保证腔内振荡激光能够沿着已确定的环绕方向单向传播。与实施例2相比，实施例3中的激光器结构更有利于在角锥棱镜和热键合激光晶体之间插入非线性倍频晶体高效地进行腔内倍频。对于实施例2和实施例3，如果按照第二类相位匹配方式进行腔内倍频时，非线性倍频晶体的双折射会对腔内激光的两个垂直偏振分量(相应于第二类相位匹配所要求的基频光的ο光和e光)之间引入额外的不确定相移， 此时需要通过对倍频晶体采取精确控温来补偿其自身的双折射作用，这将会增加装置的复杂度和成本。因此，更适合采用第一类相位匹配方式进行腔内倍频。在实施例3中，如图3，热键合激光晶体中的单向行波先通过反射点18的全内反射，之后经过反射点17的反射；由于反射点17所处的光学表面上镀有对振荡激光的s偏振分量反射率不等于P偏振分量反射率的偏振输出膜，因此经过反射点17反射后的激光光束可以具有更高的线偏振度；进一步通过适当增大振荡激光s分量的反射率同P分量的反射率的差距(例如，选择s分量的反射率为99. 36%，选择ρ分量的反射率为71. 34% )，可以使经过反射点17反射后的激光光束的偏振态接近于线偏振态。这至少具有三个显著优点 第一、有利于采用按照第一类相位匹配方式进行角度切割的非线性倍频晶体进行高效的腔内倍频；第二、显著降低了倍频晶体的双折射对腔内振荡激光偏振态的不利影响，从而免去了采用额外的控温设备对倍频晶体进行精确控温；第三、克服了为使反射点18的入射光束 (图3)具有高线偏振度需要施加极强的外加磁场这一缺点。而在实施例2中，如果改变施加磁场的方向，使其与原施加方向相反，则图2所示的腔内激光将沿着逆时针方向单向传播；此时，虽然单向行波也先由反射点18反射，再由反射点17反射，进而能够提高反射点17的反射光束的线偏振度，但是此时的激光输出方向将与图2中的抽运源20的抽运方向接近重合，从而必须采用额外的双色分光元件分离抽运激光和单频输出激光，增加了系统的成本和复杂度。因此，与实施例2相比，实施例3中的激光器结构更有利于在角锥棱镜和热键合激光晶体之间插入非线性倍频晶体高效地进行腔内倍频，且结构更为简单和紧凑。实施例4图4所示的实施例，是在图3所示的实施例的基础上，在角锥棱镜21与热键合激光晶体23之间插入非线性倍频晶体41，并且使反射点17与反射点16决定的光路直接穿过非线性倍频晶体41。在保留实施例3中各表面镀膜要求的基础上，还要求倍频激光经过的非全反射表面和透射表面均镀有倍频激光的增透膜，且倍频晶体自身的通光表面镀有腔内振荡激光及倍频激光的增透膜。图4中，由于反射点17所处的光学表面上镀有对振荡激光的s偏振分量反射率不等于P偏振分量反射率的偏振输出膜，因此该环形腔中的逆时针光路，经反射点17反射后， 在掺杂激活离子的晶体31中可以具有更高的线偏振度。当该光束进一步入射到按照第一类相位匹配方式进行角度切割的非线性倍频晶体41中，有利于获得更高的腔内倍频转换效率。此外，实施例4的其他优点已在前述的实施例3相比实施例2的优点里进行了详细说明。实施例5本实施例是在实施例4的基础上，进一步在角锥棱镜21与热键合激光晶体23之间插入可饱和吸收体。可饱和吸收体自身的通光表面镀有腔内振荡激光及倍频激光的增透膜。该可饱和吸收体元件放置在仅由反射点14与反射点18决定的光路能够穿过的位置上。因此，该可饱和吸收体与非线性倍频晶体41分别并列地位于空间错开的两路直线光束中。由于与其他腔内调Q元件(如声光调器器和电光调制器)相比，可饱和吸收体可以具有较小的尺寸，因此本实施例可以有效缩短角锥棱镜21与热键合激光晶体23间拉开的距离，从而有效减小谐振腔的腔长，有利于谐振腔的稳定性及单频运转的稳定性；同时脉冲运转方式可以显著减小掺杂激活离子的晶体的热效应，降低热致双折射影响，更有利于获得高效稳定的脉冲单频倍频激光输出。实施例6本实施例是在实施例2或实施例3的基础上，将腔内调Q元件(如声光调制器，电光调制器或可饱和吸收体等)或者非线性倍频晶体插入到角锥棱镜与热键合激光晶体之间的光路上。该腔内调Q元件或者非线性倍频晶体的具体位置，既可以选择在仅被反射点 16与反射点17决定的光路穿过的位置上，也可以选择在仅被反射点14与反射点18决定的光路穿过的位置上。如果腔内调Q元件或非线性倍频晶体的通光孔径足够大，也可以将其放置在既能被反射点16与反射点17决定的光路穿过、也能被反射点14与反射点18决定的光路穿过的位置上。以上所述仅为本发明的优选实施方式，但本发明保护范围并不局限于此。任何本领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，均可对其进行适当的改变或变化，而这种改变或变化都应涵盖在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种单向行波环形腔单频准三能级固体激光器，其特征是激光工作物质是热键合激光晶体，热键合激光晶体由光学各向同性的掺杂激活离子的晶体与光学各向同性的未掺杂激活离子的晶体通过热键合形成，且掺杂激活离子的晶体与未掺杂激活离子的晶体的基质晶体相同；掺杂激活离子的晶体与未掺杂激活离子的晶体间的热键合表面，为该热键合激光晶体的一个内部光学表面；热键合激光晶体的所有外部光学表面中，只有一个光学表面同时用于抽运激光输入及腔内振荡激光耦合输出；所述的同时用于抽运激光输入及腔内振荡激光耦合输出的光学表面上镀有抽运激光的增透膜和腔内振荡激光的偏振输出膜，且该光学表面上的反射点处在所述的掺杂激活离子的晶体的一个外部光学表面上；腔内传播的激光穿过热键合表面进入到掺杂激活离子的晶体后，在所述的同时用于抽运激光输入及腔内振荡激光耦合输出的光学表面上经历入射角小于全反射临界角的反射，且该反射将掺杂激活离子的晶体中的激光光束分为入射光束和反射光束；半导体激光抽运源发出的抽运激光经该反射位置进入掺杂激活离子的晶体后的传播方向与所述的反射光束的传播方向相同；选择所述的热键合表面的位置，使所述的入射光束在掺杂激活离子的晶体中的传播长度小于所述的反射光束在掺杂激活离子的晶体中的传播长度。
2.如权利要求1所述的单向行波环形腔单频准三能级固体激光器，其特征是所述的热键合激光晶体的所有外部光学表面中，对腔内振荡激光具有反射作用的光学表面分别为第一光学表面、第二光学表面、第三光学表面和第四光学表面；腔内的所有振荡激光光束均处于热键合激光晶体中，依次顺序经历第一光学表面、第二光学表面、第三光学表面和第四光学表面的反射；通过所述的四个光学表面的反射，使振荡激光在腔内形成闭合环路；第一光学表面为所述的同时用于抽运激光输入及腔内振荡激光耦合输出的光学表面；第二光学表面、第三光学表面以及第四光学表面上的反射点均位于未掺杂激活离子的晶体的外部光学表面上，且在第二光学表面、第三光学表面以及第四光学表面上均发生全内反射；第三光学表面上的反射点不处在第一光学表面、第二光学表面及第四光学表面上的反射点构成的平面中；外加磁场施加到热键合激光晶体上；选择外加磁场的方向，使振荡激光按照所述的反射顺序在腔内沿环形单向传播。
3.如权利要求1所述的单向行波环形腔单频准三能级固体激光器，其特征是谐振腔由所述的热键合激光晶体与角锥棱镜构成；热键合激光晶体的所有外部光学表面中，对腔内振荡激光具有反射作用的光学表面分别为第一光学表面和第二光学表面；第一光学表面与第二光学表面垂直，且热键合激光晶体中的所有振荡激光光束均处在同时与第一光学表面和第二光学表面垂直的一个平面中；第一光学表面为所述的同时用于抽运激光输入及腔内振荡激光耦合输出的光学表面；第二光学表面上的反射点位于掺杂激活离子的晶体的外部光学表面上，且腔内振荡激光在第二光学表面上发生全内反射；腔内激光透射进入热键合激光晶体后，依次顺序经历第一光学表面、第二光学表面的反射后，透射出热键合激光晶体，且透射出的光束与进入热键合激光晶体之前的光束的传播方向平行；之后该透射出的光束入射到角锥棱镜中，并依次在角锥棱镜的第一直角反射面、第二直角反射面和第三直角反射面上发生全内反射；通过所述的五个光学表面的反射，使振荡激光在腔内形成闭合环路；在角锥棱镜中，第二直角反射面上的反射点不处在第一直角反射面的入射光束同第三直角反射面的反射光束构成的平面中；外加磁场施加到角锥棱镜上；选择外加磁场的方向，使振荡激光按照所述的反射顺序在腔内沿环形单向传播。
4.如权利要求1所述的单向行波环形腔单频准三能级固体激光器，其特征是谐振腔由所述的热键合激光晶体与角锥棱镜构成；热键合激光晶体的所有外部光学表面中，对腔内振荡激光具有反射作用的光学表面分别为第一光学表面和第二光学表面；第一光学表面与第二光学表面垂直，且热键合激光晶体中的所有振荡激光光束均处在同时与第一光学表面和第二光学表面垂直的一个平面中；第一光学表面上的反射点位于未掺杂激活离子的晶体的外部光学表面上，且腔内振荡激光在第一光学表面上发生全内反射；第二光学表面为所述的同时用于抽运激光输入及腔内振荡激光耦合输出的光学表面；腔内激光透射进入热键合激光晶体后，依次顺序经历第一光学表面、第二光学表面的反射后，透射出热键合激光晶体，且透射出的光束与进入热键合激光晶体之前的光束的传播方向平行；之后该透射出的光束入射到角锥棱镜中，并依次在角锥棱镜的第一直角反射面、第二反射直角面和第三直角反射面上发生全内反射；通过所述的五个光学表面的反射，使振荡激光在腔内形成闭合环路；在角锥棱镜中，第二直角反射面上的反射点不处在第一直角反射面的入射光束同第三直角反射面的反射光束构成的平面中；外加磁场施加到角锥棱镜上；选择外加磁场的方向，使振荡激光按照所述的反射顺序在腔内沿环形单向传播。
5.如权利要求4所述的单向行波环形腔单频准三能级固体激光器，其特征是在热键合激光晶体与角锥棱镜之间插入按照第一类相位匹配方式进行角度切割的非线性倍频晶体；选择非线性倍频晶体的插入位置，仅使由透射出热键合激光晶体并随后将进入角锥棱镜的激光光束传播经过该非线性倍频晶体。
6.如权利要求5所述的单向行波环形腔单频准三能级固体激光器，其特征是在热键合激光晶体与角锥棱镜之间插入可饱和吸收体；选择可饱和吸收体的插入位置，仅使由透射出角锥棱镜并随后将进入热键合激光晶体的激光光束传播经过该可饱和吸收体。
7.如权利要求3或4所述的单向行波环形腔单频准三能级固体激光器，其特征是在热键合激光晶体与角锥棱镜之间，仅插入腔内调Q元件，或者仅插入非线性倍频晶体，或者同时插入腔内调Q元件及非线性倍频晶体。
全文摘要
本发明公开了一种单向行波环形腔单频准三能级固体激光器，采用热键合激光晶体作为腔内激光反射元件，并通过选择热键合表面的位置，使掺杂激活离子的晶体中与反射对应的入射光束在掺杂激活离子的晶体中的传播长度小于反射光束在掺杂激活离子的晶体中的传播长度。本发明可以减小当采用单向抽运时在未加抽运的传播路径上激光经历的再吸收损耗，从而在保证激光器的紧凑、稳定且降低系统成本及复杂度的同时，有效提高单向抽运时的激光器输出性能。进一步通过选择简单紧凑的激光器结构以及热键合表面的位置，可以在谐振腔内部获得高的线偏振度，从而有利于高效地进行腔内倍频。
文档编号H01S3/139GK102347585SQ20111032670
公开日2012年2月8日 申请日期2011年10月25日 优先权日2011年10月25日
发明者何淑芳, 吴克瑛, 巩轲, 霍玉晶 申请人:清华大学