倍频激光器的制作方法

本发明涉及激光器技术领域，特别是涉及倍频激光器。

背景技术：

连续和长脉冲(脉冲宽度≥100μs)绿激光在激光加工、医疗等领域被越来越广泛的采纳。要获得连续和长脉冲绿激光需要采用倍频技术将近红外的激光倍频到绿光波段。在激光倍频的过程中需要满足相位匹配条件，通常这要求基频光具有高的光束质量和线偏振度、高的峰值功率密度和窄的谱线宽度。

由于连续和长脉冲激光的峰值功率通常较低，为了提升第一倍频晶体中基频光的峰值功率密度以获得高的效率，一般采用腔内倍频技术同时保证第一倍频晶体中的基频光斑尺寸较小。在端面泵浦固体激光器中易于获得高的光束质量和较小的基频光斑尺寸，然而这种类型的激光器难以获得高功率或大能量的激光输出。固体激光器中，获得高功率或大能量激光输出的一般手段为采用侧面泵浦技术。侧面泵浦固体激光器的增益介质通常具有较大的横截面尺寸，使得输出光束质量较差且光斑尺寸较大，不利于获得高的效率。

传统的倍频激光器是在激光器谐振腔中插入一片聚焦透镜以提升第一倍频晶体中的基频光功率密度。该方法虽然简单的实现了第一倍频晶体中基频光功率密度的提升，但无法提升基频激光的光束质量，且在实际使用中发现该方案易于损伤第一倍频晶体且难以达到高的倍频效率。或是在激光器的谐振腔中引入望远镜系统，该激光器配置虽然能够产生高光束质量的基频光及缩小第一倍频晶体中的基频光斑尺寸，但谐振腔内器件较多，使得谐振腔结构复杂、调试难度增大，且仅适用于增益带宽较窄的增益介质。此外，为了获得线偏振的基频激光，需要在谐振腔内插入了一片布儒斯特片，这进一步增加了激光器的结构复杂性和调试难度，且对激光器效率有较大影响。

技术实现要素：

基于此，有必要针对结构复杂、调试难度大且对增益介质的增益带宽有严格要求的问题，提供一种结构简单紧凑、易于调试且对增益介质的增益带宽无要求的倍频激光器。

一种倍频激光器，包括谐振腔，以及位于所述谐振腔内的用于获得基频光的泵浦源和用于对所述基频光进行放大处理的增益介质，所述谐振腔的两端还分别设有光栅波导镜和全反镜，所述光栅波导镜与所述增益介质相邻设置；

所述谐振腔内还包括用于对所述基频光进行压缩、倍频处理并输出倍频光的倍频光发生装置；所述倍频光发生装置设置在所述增益介质与所述全反镜之间。

在其中一个实施例中，所述光栅波导镜为共振反射式光栅波导镜或共振衍射式波导镜。

在其中一个实施例中，所述共振反射式光栅波导镜为正入射型共振反射式光栅波导镜或角度入射型共振反射式光栅波导镜。

在其中一个实施例中，所述反射镜为镀有基频光和倍频光双色全反膜的平面镜或凹面镜。

在其中一个实施例中，所述谐振腔为直线型、“z”字型或“w”字型的驻波谐振腔。

在其中一个实施例中，所述倍频光发生装置包括沿光轴方向依次设置的谐波输出镜、望远镜模组和第一倍频晶体；

所述望远镜模组用于压缩所述基频光的光斑；

所述第一倍频晶体用于对所述基频光进行倍频处理产生倍频光；

所述谐波输出镜的表面法线与光轴的夹角为锐角，用于输出所述谐振腔内产生的倍频光。

在其中一个实施例中，所述望远镜模组包括依次沿所述光轴设置的第一透镜和第二透镜；所述望远镜模组的放大倍率范围为1.5～5。

在其中一个实施例中，所述谐波输出镜的输出面镀有基频光增透膜和倍频光反射膜，所述谐波输出镜的透射面镀有基频光增透膜。

在其中一个实施例中，所述倍频光发生装置沿光轴方向依次设置的第一镜片、第二镜片和第二倍频晶体；

所述第一镜片、第二镜片构成反射式望远镜组件；所述反射式望远镜组件用于压缩所述基频光的光斑；

所述第二倍频晶体用于对所述基频光进行倍频处理产生倍频光；

所述第一镜片还用于输出所述谐振腔内产生的倍频光。

在其中一个实施例中，所述第一镜片为凹面镜，所述凹面镜的入射面镀有基频光全反膜，所述第一镜面的出射面镀有倍频光增透膜；所述第二镜片为凸面镜或凹面镜，所述第二镜片镀有基频光和倍频光双色全反膜。

上述倍频激光器中采用光栅波导镜作为谐振腔的一个端镜，光栅波导镜同时具有起偏、选频及全反射的功能，能够代替传统倍频激光器中的全反射镜、偏振选择器及选频器件，减少了腔内的光学器件，简化了系统结构，易于激光器调试。而且，通过光栅波导镜可以获得小于0.1nm的激光频谱宽度，这使得宽增益谱的增益介质可直接用于倍频激光器，在实际应用中具有重要的价值。

附图说明

图1为一个实施例中倍频激光器的光路图之一；

图2为一个实施例中共振反射式光栅波导镜的结构图；

图3为一个实施例中正入射型共振反射式光栅波导镜的光路原理图；

图4为一个实施例中角度入射型共振反射式光栅波导镜的光路原理图；

图5为一个实施例中共振衍射式光栅波导镜的结构图；

图6为一个实施例中共振衍射式光栅波导镜的光路原理图；

图7为一个实施例中倍频激光器的光路图之二；

图8为一个实施例中倍频激光器的光路图之三；

图9为一个实施例中倍频激光器的光路图之四；

图10为一个实施例中倍频激光器的光路图之五。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示的为一个实施例中倍频激光器的光路图。在一个实施例中，倍频激光器，包括谐振腔(图未示)，以及位于所述谐振腔内的用于获得基频光的泵浦源101和用于对所述基频光进行放大处理的增益介质102。其中，所述谐振腔的两端还分别设有光栅波导镜103和全反镜104，所述光栅波导镜103与所述增益介质102相邻设置。所述谐振腔内还包括用于对所述基频光进行光斑尺寸压缩、倍频处理并输出倍频光的倍频光发生装置105；所述倍频光发生装置105设置在所述增益介质102与所述全反镜104之间。

上述倍频激光器中采用光栅波导镜103作为谐振腔的一个端镜，光栅波导镜103同时具有起偏、选频及全反射的功能，能够代替传统倍频激光器中的全反射镜、偏振选择器及选频器件，减少了腔内的光学器件，简化了系统结构，易于激光器调试。而且，通过光栅波导镜10可以获得小于0.1nm的激光频谱宽度，这使得宽增益谱的增益介质可直接用于倍频激光器，在实际应用中具有重要的价值。

在一个实施例中，泵浦源101用于向增益介质102注入泵浦能量，泵浦方式可以为端面泵浦或侧面泵浦。泵浦源101可以为半导体激光器，也可以为闪光灯。也即，泵浦源101可以为连续输出或是脉冲输出，泵浦源101连续输出即可获得连续输出的基频光，泵浦源101脉冲输出即可获得脉冲输出的基频光。

在一个实施例中，增益介质102可以为掺钕nd:yag，钇铝石榴石晶体为其激活物质，体晶体内之nd原子含量为0.6～1.1％，属固体激光，可激发脉冲激光或连续式激光，发射的激光为红外线波长1.064μm。在其他实施例中，增益介质还可以为掺镱钇铝石榴石晶体yb:yag、掺钕玻璃nd:glass、掺钕氟化锂晶体nd:ylf、掺珥钇铝石榴石晶体er:yag等。

在一实施例中，光栅波导镜103作为谐振腔的第一端镜，光栅波导镜采用微纳加工技术制备而成，光栅波导镜同时具有起偏、选频及全反射的功能，光栅波导镜可以为共振反射式光栅波导镜，参考图2，共振反射式光栅波导镜包括依次层叠的基板210、波导层220以及光栅230。

具体地，共振反射式光栅波导镜为正入射型共振反射式光栅波导镜或角度入射型共振反射式光栅波导镜。其中，参考图3，正入射型共振反射式光栅波导镜的入射光沿镜片法线方向入射并沿法线方向出射；参考图4，角度入射型共振反射式光栅波导镜的入射光沿设计角度θ入射并以镜像的θ角出射。

在一实施例中，光栅波导镜采用微纳加工技术制备而成，光栅波导镜同时具有起偏、选频及全反射的功能，光栅波导镜可以为共振衍射式光栅波导镜，参考图5，共振衍射式光栅波导镜包括依次层叠的基板510、全反镜层520、波导层530以及光栅540。参考图6，共振衍射式光栅波导镜的入射光从1级衍射角度θ入射并沿入射光路径的相反方向反射。

在一实施例中，全反镜104作为谐振腔的第二端镜。全反镜104可以为平面镜也可以为凹面镜。全反镜104上镀有基频光和倍频光双色全反膜。

在一个实施例中，所述倍频光发生装置105包括沿光轴方向依次设置的谐波输出镜106、望远镜模组107和第一倍频晶体108。其中，所述望远镜模组107对所述基频光的光斑进行压缩处理；所述第一倍频晶体108用于对所述基频光进行倍频处理产生倍频光；所述谐波输出镜106的表面法线与光轴方向的夹角为锐角，用于输出所述谐振腔内产生的倍频光，其中，谐波输出镜106的表面法线与光轴方向的夹角的45°。

具体地，望远镜模组107包括依次沿所述光轴设置的第一透镜107a和第二透镜107b；其中，所述第一透镜107a为凸透镜，所述第二透镜107b为凸透镜或凹透镜。所述望远镜模组107的放大倍率范围为1.5～5。

所述谐波输出镜106的输出面106b镀有基频光增透膜和倍频光反射膜，所述谐波输出镜的透射面106a镀有基频光增透膜。

第一倍频晶体108为二次谐波非线性晶体，其中，第一倍频晶体108为ii类磷酸钛氧钾晶体ktp。在其他实施例中，第一倍频晶体108还可以者为i类三硼酸锂晶体lbo、i类β相-偏硼酸钡晶体bbo、准相位匹配的三硼酸锂晶体lbo。

进一步的，在一个实施例中，谐振腔为直线型的驻波谐振腔。其中，泵浦源101为闪光灯，以利于获得大的单脉冲能量输出。增益介质102采用掺钕的增益介质，以便在闪光灯较低的泵浦强度下获得高的增益。具有全反射、选偏振以及选频作用的正入射型共振反射式光栅波导镜103为谐振腔的第一端镜，镀有基频光和倍频光双色全反膜的平面镜104为谐振腔的第二端镜。谐振腔对基频光具有正反馈作用能够使得倍频光两次通过第一倍频晶体108，从而提高倍频效率，同时还能够使倍频光从谐振腔单端输出。依次沿所述光轴设置的第一透镜107a和第二透镜107b构成望远镜模组107，其中，所述第一透镜107a为凸透镜，且两通光面镀有基频光和倍频光双色增透膜。第二透镜107b为凹透镜，且两通光面镀基频光和倍频光双色增透膜。望远镜模组107使得增益介质可以保持较大的基模体积从而获得较高的光束质量，同时能够使第一倍频晶体108中具有较小直径的基频光束，从而提升第一倍频晶体108中的基频光峰值功率密度以获得高的倍频效率。第一倍频晶体108采用i类相位匹配的lbo晶体，第一倍频晶体108的两端面镀有基频光和倍频光增透膜，将基频光转换为倍频光。谐波输出镜的表面法线与激光器谐振腔的光轴的夹角为45°，以便于将谐振腔内产生的倍频光提取出来。其中，谐波输出镜106具有输出面106b和透射面106a，输出面镀106b有基频光增透膜和倍频光高反膜，透射面106a镀有基频光增透膜。

在一个实施例中，参考图7，泵浦源701为闪光灯，以利于获得大的单脉冲能量输出。增益介质702采用掺钕的增益介质，以便在闪光灯较低的泵浦强度下获得高的增益。具有全反射、选偏振以及选频作用的角度入射型共振反射式光栅波导镜703为谐振腔的第一端镜，角度入射型共振反射式光栅波导镜703将沿增益介质光轴方向的基频光反射向全反镜704，反射光的方向与全反镜704的表面法线方向平行。镀有基频光和倍频光双色全反膜的平面镜705为谐振腔的第二端镜。谐振腔对基频光具有正反馈作用能够使得倍频光两次通过第一倍频晶体706，从而提高倍频效率，同时还能够使倍频光从谐振腔单端输出。依次沿所述光轴设置的第一透镜707和第二透镜708构成望远镜模组，其中，所述第一透镜707为凸透镜，且两通光面镀有基频光和倍频光双色增透膜。第二透镜708为凹透镜，且两通光面镀基频光和倍频光双色增透膜。望远镜模组使得增益介质702可以保持较大的基模体积从而获得较高的光束质量，同时能够使第一倍频晶体706中具有较小直径的基频光束，从而提升第一倍频晶体706中的基频光峰值功率密度以获得高的倍频效率。第一倍频晶体706采用i类相位匹配的lbo晶体，第一倍频晶体706的两端面镀有基频光和倍频光增透膜，将基频光转换为倍频光。谐波输出镜709的表面法线与激光器谐振腔的光轴的夹角为45°，以便于将谐振腔内产生的倍频光提取出来。其中，谐波输出镜709具有输出面709a和透射面709b，输出面709a镀有基频光增透膜和倍频光高反膜，透射面709b镀有基频光增透膜。

在一个实施例中，参考图8，泵浦源801为闪光灯，以利于获得大的单脉冲能量输出。增益介质802采用掺钕的增益介质802，以便在闪光灯较低的泵浦强度下获得高的增益。谐振腔的第一端镜为共振衍射式光栅波导镜803，由光栅-1级衍射方向入射的光将沿入射方向的反向方向全反射，共振衍射式光栅波导镜803具有全反射、选偏振及选频率的作用。谐振腔的第二端镜为平面镜804，该平面镜804镀有基频光和倍频光双色全反膜。谐振腔对基频光具有正反馈作用能够使得倍频光两次通过第一倍频晶体805，从而提高倍频效率，同时还能够使倍频光从谐振腔单端输出。依次沿所述光轴设置的第一透镜806和第二透镜构成望远镜模组，其中，所述第一透镜806为凸透镜，且两通光面镀有基频光和倍频光双色增透膜。第二透镜807为凹透镜，且两通光面镀基频光和倍频光双色增透膜。望远镜模组使得增益介质802可以保持较大的基模体积从而获得较高的光束质量，同时能够使第一倍频晶体805中具有较小直径的基频光束，从而提升第一倍频晶体805中的基频光峰值功率密度以获得高的倍频效率。第一倍频晶体805采用i类相位匹配的lbo晶体，第一倍频晶体805的两端面镀有基频光和倍频光增透膜，将基频光转换为倍频光。谐波输出镜808的表面法线与激光器谐振腔的光轴的夹角为45°，以便于将谐振腔内产生的倍频光提取出来。其中，谐波输出镜808具有输出面808a和透射面808b，输出面808a镀有基频光增透膜和倍频光高反膜，透射面808b镀有基频光增透膜。

在一个实施例中，泵浦源801为半导体激光器，以获得较高的泵浦亮度及降低增益介质中的热效应。增益介质802采用掺镱的增益介质，以获得相对掺钕的增益介质更高的电光效率。谐振腔的第一端镜为共振衍射式光栅波导镜803，由光栅-1级衍射方向入射的光将沿入射方向的反向方向全反射，共振衍射式光栅波导镜803具有全反射、选偏振及选频率的作用。谐振腔的第二端镜为平面镜804，该平面镜804镀有基频光和倍频光双色全反膜。谐振腔对基频光具有正反馈作用能够使得倍频光两次通过第一倍频晶体805，从而提高倍频效率，同时还能够使倍频光从谐振腔单端输出。依次沿所述光轴设置的第一透镜806和第二透镜构成望远镜模组，其中，所述第一透镜806为凸透镜，且两通光面镀有基频光和倍频光双色增透膜。第二透镜807为凹透镜，且两通光面镀基频光和倍频光双色增透膜。望远镜模组使得增益介质802可以保持较大的基模体积从而获得较高的光束质量，同时能够使第一倍频晶体805中具有较小直径的基频光束，从而提升第一倍频晶体805中的基频光峰值功率密度以获得高的倍频效率。第一倍频晶体805采用i类相位匹配的lbo晶体，第一倍频晶体805的两端面镀有基频光和倍频光增透膜，将基频光转换为倍频光。谐波输出镜808的表面法线与激光器谐振腔的光轴的夹角为45°，以便于将谐振腔内产生的倍频光提取出来。其中，谐波输出镜808具有输出面808a和透射面808b，输出面808a镀有基频光增透膜和倍频光高反膜，透射面808b镀有基频光增透膜。

在一个实施例中，参考图9，谐振腔为“z”字型的驻波谐振腔。其中，谐振腔内的倍频光发生装置沿光轴方向依次设置的第一镜片901、第二镜片902和第二倍频晶体903。所述第一镜片901、第二镜片902构成反射式望远镜组件；所述反射式望远镜组件用于对所述基频光的光斑进行压缩处理。所述第二倍频晶体903用于对所述基频光进行倍频处理产生倍频光。所述第一镜片901还用于输出所述谐振腔内产生的倍频光。所述第一镜片901为凹面镜，所述凹面镜的入射面901a镀有基频光全反膜，所述第一镜面901的出射面901b镀有倍频光增透膜；所述第二镜片902为凸面镜或凹面镜，所述第二镜片902镀有基频光和倍频光双色全反膜。

泵浦源904为半导体激光器，以获得较高的泵浦亮度及降低增益介质中的热效应。增益介质905采用掺镱的增益介质，以获得相对掺钕的增益介质更高的电光效率。谐振腔的第一端镜为共振衍射式光栅波导镜906，由光栅-1级衍射方向入射的光将沿入射方向的反向方向全反射，共振衍射式光栅波导镜906具有全反射、选偏振及选频率的作用。谐振腔的第二端镜为平面镜907，该平面镜907镀有基频光和倍频光双色全反膜。第二倍频晶体903采用i类相位匹配的lbo晶体，第二倍频晶体903的两端面镀有基频光和倍频光增透膜，将基频光转换为倍频光。

在一个实施例中，所述谐振腔为“w”字型的驻波谐振腔。参考图10，其中，谐振腔内的倍频光发生装置沿光轴方向依次设置的第一镜片1001、第二镜片1002和第二倍频晶体1003。所述第一镜片1001、第二镜片1002构成反射式望远镜组件；所述反射式望远镜组件用于对所述基频光的光斑进行压缩处理。所述第二倍频晶体1003用于对所述基频光进行倍频处理产生倍频光。所述第一镜片1001还用于输出所述谐振腔内产生的倍频光。所述第一镜片1001为凹面镜，第一镜片1001的入射面1001a镀有基频光全反膜，所述第一镜面1001的出射面1001b镀有倍频光增透膜；所述第二镜片1002为凸面镜或凹面镜，所述第二镜片1002镀有基频光和倍频光双色全反膜。

泵浦源1004为半导体激光器，以获得较高的泵浦亮度及降低增益介质中的热效应。增益介质1005采用掺镱的增益介质，以获得相对掺钕的增益介质更高的电光效率。谐振腔的第一端镜为角度入射型共振反射式光栅波导镜1006，角度入射型共振反射式光栅波导镜1006将沿增益介质光轴方向的基频光反射向全反镜1007，反射光的方向与全反镜1007的表面法线方向平行。谐振腔的第二端镜为平面镜1008，该平面镜1008镀有基频光和倍频光双色全反膜。第二倍频晶体1003采用i类相位匹配的lbo晶体，第二倍频晶体1003的两端面镀有基频光和倍频光增透膜，将基频光转换为倍频光。

上述倍频激光器中采用光栅波导镜作为谐振腔的一个端镜，光栅波导镜同时具有起偏、选频及全反射的功能，能够代替传统倍频激光器中的全反射镜、偏振选择器及选频器件，减少了腔内的光学器件，简化了系统结构，易于激光器调试。而且，通过光栅波导镜可以获得小于0.1nm的激光频谱宽度，这使得宽增益谱的增益介质可直接用于倍频激光器，在实际应用中具有重要的价值。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。