专利名称：无增益竞争三波长激光器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种无增益竞争三波长激光器，以串联泵浦的形式实现准三能级激光、四能级激光及其一阶斯托克斯自拉曼激光同时稳定高效输出，属于激光技术领域。
背景技术：
通过三波长激光非线性混频(倍频、和频、差频)能够获得某些特殊波段的波长。 如480 520nm波段，该波段与氩离子激光器的发射波段相同；再如550 600nm，该波段在光谱分析、军事、天文观测、激光引导星等领域得到广泛应用；而通过差频产生的THz波段在生物体的无损探测、环境监测和通信等领域有着广泛的应用前景。有关由一个激光器同时输出三个不同波长激光的已知技术是一项名为“三波长钕激光器腔内或腔外倍频的红绿蓝三基色激光器”中国发明专利申请所公开的方案。该方案涉及一种三波长激光器，基于同一钕激光晶体中钕离子4f3/2-4f13/2、4f3/2-4f11/2和4f3/2-4f9/2跃迁产生的I. 3 i! m、I i! m和0. 9 i! m的三波长激光通过腔内或腔外倍频获得红蓝绿三基色激光。以腔内倍频为例说明该激光器的结构及工作过程，见图I所示。NchYAlO3晶体I外套通冷却液的石英玻璃管2。采用侧面泵浦方式，LD泵浦3的驱动源及冷却控温装置4工作， 泵浦光波长是803nm，激发NchYAlO3晶体I同时产生1341. 4nm、1079. 5nm、930nm辐射，经过大色散率的色散棱镜5、6分束，在由全反射介质镜7、8、9分别与全反射双色镜10、11、12构成三个谐振腔内谐振。1341. 4nm、1079. 5nm、930nm谐振光分别由倍频非线性晶体16、17、18 倍频得到各自的谐波670. 7nm、539. 7nm、465nm，再分别由声光调制器19、20、21调制成高重复率纳秒级短脉冲，分别从透反射双色镜13、14、15输出。所述已知技术存在以下不足其一，由于同一种掺钕激光晶体的不同跃迁谱线发射截面相差很大，例如，I. 06um(1079. 5nm)和0. 9um(930nm)波长发射截面相差10 20 倍，见下表，
晶体Nd:YAGNd:YV04Nd:GdV04Nd:YA103Nd:YLF入 i(nm)10641064106310791047入2(nm)94691491293090802/010.090.040.060.090.06 在不同跃迁谱线之间存在非常强烈的增益竞争，因此，已知技术采用同一激光增益介质同时实现1341. 4nm、1079. 5nm和930nm三波长激光输出，很容易造成两种波长激光光强增强而另外一种波长激光光强减弱，即此涨彼消的后果，使得该三个波长的激光很难同时稳定振荡；其二，1341. 4nm和1079. 5nm均为四能级激光,在4F5/2-4F3/2无福射跃迁过程中产生大量的废热而降低激光器的稳定性，另外，该方案泵浦方式为普通泵浦，也会产生较多的废热；其三，当采用803nm半导体激光泵浦时，泵浦光光子和激光光子之间存在较大的斯托克斯频移以及较低的斯托克斯效率。
发明内容
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为了消除三波长激光器增益竞争、降低激光器废热量、减小斯托克斯频移、提高斯托克斯效率，进而获得三波长激光同时稳定高效的输出，我们发明了一种无增益竞争三波长激光器。本发明之激光器由一个长谐振腔内含一个短谐振腔，二者共光路、共用一个输出耦合镜，泵浦位于长谐振腔全反镜外侧的光路上，聚光镜位于长谐振腔激光晶体与短谐振腔激光晶体之间及短谐振腔全反镜外侧的光路上，其特征在于，泵浦为885nm或者888nm半导体激光泵浦；长谐振腔激光晶体为非键合激光晶体，产生准三能级激光X1 ;短谐振腔激光晶体为键合自拉曼激光晶体，同时产生四能级激光入2及其自拉曼激光λ3。本发明其技术效果在于，来自泵浦的885nm或者888nm泵浦光透过长谐振腔全反镜为长谐振腔激光晶体提供泵浦能量，这种泵浦方式属于热助推泵浦，能够有效减少长谐振腔中的废热，同时减小泵浦光光子和激光光子之间的斯托克斯频移，提高斯托克斯效率， 从而提高准三能级激光X1的转换效率。所产生的准三能级激光A1—部分作为长谐振腔激光晶体的泵浦光，这种泵浦方式也属于热助推泵浦，同样能够减少短谐振腔中的废热。由于在该方案中两个泵浦过程属于串联式热助推泵浦，这样能够更有效减少整个激光器中的废热。另外，腔内的一部分准三能级激光X1作为泵浦光具有足够的泵浦功率，从而能够极大提高拉曼光的转换效率，因此，本发明能够获得准三能级激光X1、四能级激光λ2及其自拉曼激光λ 3三种波长激光同时稳定高效输出。本发明采用两个激光晶体同时获得三波长激光输出，不会出现在单个激光晶体中多条跃迁谱线之间的增益竞争现象。各个波长激光的能级不同，也降低废热的产生。
图I为已知技术中三波长钕激光器腔内或腔外倍频的红绿蓝三基色激光器结构示意图。图2为本发明之无增益竞争三波长激光器结构示意图，该图兼作为摘要附图。图 3为本发明无增益竞争三波长激光器中的键合自拉曼激光晶体结构示意图。
具体实施例方式本发明之激光器具体实施方式
如下，见图2所示。该激光器由一个长谐振腔内含一个短谐振腔，二者共光路、共用一个输出I禹合镜22。长谐振腔由输出I禹合镜22与长谐振腔全反镜23构成。长谐振腔全反镜23的腔内表面为凹面或者平面，优选平面；该表面膜系对准三能级激光λ i具有大于99%的反射率，同时对泵浦光具有大于99%的透射率。短谐振腔由输出耦合镜22与短谐振腔全反镜24构成。短谐振腔全反镜24腔外表面为平面，该表面膜系对准三能级激光λ :具有大于99%的透射率；其腔内表面为凹面或者平面，优选平面，该表面膜系对准三能级激光λ :具有大于99%的透射率，同时对四能级激光λ2及其自拉曼激光λ3均具有大于99%的反射率。输出耦合镜22腔内表面为凹面或是平面，优选凹面，该凹面的曲率半径R为100mm;该凹面膜系对准三能级激光X1、四能级激光λ 2及其自拉曼激光λ 3同时具有小于25%、大于15%的透射率，如对准三能级激光A1具有15% 的透射率，对四能级激光λ 2具有20%的透射率，对自拉曼激光λ 3具有23%的透射率。泵浦25位于长谐振腔全反镜23外侧的光路上，由半导体激光器担当，泵浦光波长为885nm或者888nm，优选888nm。聚光镜26位于长谐振腔激光晶体27与短谐振腔激光晶体28之间及短谐振腔全反镜24外侧的光路上。聚光镜26是一种两个通光面均为凸球面的正透镜， 焦距f为50mm;其膜系对准三能级激光入1具有大于99%的透射率。长谐振腔激光晶体27 为非键合激光晶体，产生准三能级激光λ i，是一种掺钕钒酸盐晶体，优选NchYVO4 ;长谐振腔激光晶体27的两个通光面为平行平面，其膜系对准三能级激光λ i具有高于99. 9%的透射率。短谐振腔激光晶体28为键合自拉曼激光晶体，其中间段为掺杂区29，见图3所示， 产生四能级激光λ 2;两侧段为未掺杂区30，产生自拉曼激光λ 3;掺杂区29与未掺杂区30 之间的界面为键合面31。短谐振腔激光晶体28也是一种掺钕钒酸盐晶体，优选NchLuVO4 ； 短谐振腔激光晶体28的两个通光面为平行平面，其膜系对四能级激光入2及其自拉曼激光 λ 3同时具有高于99. 9%的透射率。根据泵浦25的功率、激光晶体实际输出指标以及掺杂浓度确定长谐振腔激光晶体27及短谐振腔激光晶体28晶体棒尺寸，包括长度和直径。所述激光器的工作情况如下。随着泵浦25功率的增加，首先在长谐振器激光晶体27的Nd = YVO4激光增益介质中产生914nm的准三能级激光λ i，准三能级激光λ :谱线在 NchYVO4激光增益介质中跃迁，进而在长谐振腔中形成激光振荡，准三能级激光λ i功率在长谐振腔内循环放大。准三能级激光λ , 一部分作为短谐振腔激光晶体28的腔内直接泵浦光，其余部分成为输出激光。当准三能级激光X1功率大于短谐振腔的起振阈值时，激光增益介质为NchLuVO4的短谐振腔激光晶体28同时产生1064nm的四能级激光λ 2和1178nm 的自拉曼激光λ 3，四能级激光λ 2谱线在NchLuVO4激光增益介质中跃迁，进而在短谐振腔中形成激光振荡。四能级激光λ 2—部分通过短谐振腔激光晶体28产生一阶斯托克斯自拉曼激光λ 3，其余部分成为输出激光。一阶斯托克斯自拉曼激光入3可以看成是四能级激光 λ 2的腔内插入损耗，通过优化短谐振腔使一阶斯托克斯自拉曼激光λ3和四能级激光λ2 达到最佳运转状态，这时可以得到短谐振腔所需的最佳泵浦功率。同时，短谐振腔激光晶体 28所吸收的准三能级激光λ i也可以看成是腔内插入损耗，据此来优化长谐振腔，使其达到最佳运转状态。最终得到准三能级激光X1、四能级激光λ2、自拉曼激光入3同时稳定输出。
权利要求
1.一种无增益竞争三波长激光器，由一个长谐振腔内含一个短谐振腔，二者共光路、 共用一个输出耦合镜，泵浦位于长谐振腔全反镜外侧的光路上，聚光镜位于长谐振腔激光晶体与短谐振腔激光晶体之间及短谐振腔全反镜外侧的光路上，其特征在于，泵浦为885nm 或者888nm半导体激光泵浦；长谐振腔激光晶体为非键合激光晶体，产生准三能级激光 A1 ;短谐振腔激光晶体为键合自拉曼激光晶体，同时产生四能级激光入2及其自拉曼激光
2.根据权利要求I所述的无增益竞争三波长激光器，其特征在于，长谐振腔激光晶体(27)是一种掺钕钒酸盐晶体，优选NchYVO4;长谐振腔激光晶体(27)的两个通光面为平行平面，其膜系对准三能级激光λ i具有高于99. 9%的透射率。
3.根据权利要求I所述的无增益竞争三波长激光器，其特征在于，短谐振腔激光晶体(28)其中间段为掺杂区(29)，产生四能级激光λ2;两侧段为未掺杂区(30)，产生自拉曼激光λ3;掺杂区(29)与未掺杂区(30)之间的界面为键合面(31)。
4.根据权利要求I所述的无增益竞争三波长激光器，其特征在于，短谐振腔激光晶体 (28)是一种掺钕钒酸盐晶体，优选NchLuVO4;短谐振腔激光晶体(28)的两个通光面为平行平面，其膜系对四能级激光入2及其自拉曼激光λ 3同时具有高于99. 9%的透射率。
全文摘要
无增益竞争三波长激光器属于激光技术领域。已知技术在不同跃迁谱线之间存在非常强烈的增益竞争；激光器的废热产生量大；在泵浦光光子和激光光子之间存在较大的斯托克斯频移以及较低的斯托克斯效率。本发明之激光器由一个长谐振腔内含一个短谐振腔，二者共光路、共用一个输出耦合镜，泵浦位于长谐振腔全反镜外侧的光路上，聚光镜位于长谐振腔激光晶体与短谐振腔激光晶体之间及短谐振腔全反镜外侧的光路上；泵浦为885nm或者888nm半导体激光泵浦；长谐振腔激光晶体为非键合激光晶体，产生准三能级激光λ1；短谐振腔激光晶体为键合自拉曼激光晶体，同时产生四能级激光λ2及其自拉曼激光λ3。本发明用来获得三波长激光，作为基频光通过混频获得新的波长的激光。
文档编号H01S3/082GK102593700SQ20121003087
公开日2012年7月18日 申请日期2012年2月13日 优先权日2012年2月13日
发明者吕彦飞, 张喜和, 李述涛, 董渊, 金光勇 申请人:长春理工大学