專利名稱：輸出單頻脈沖的全固化固體激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種輸出單頻脈沖的全固化固體激光器?？梢詰?yīng)用于激光多普勒雷達、全息術(shù)、精密測量、激光光譜和非線性光學(xué)等多種學(xué)科領(lǐng)域。
為實現(xiàn)固體激光器的脈沖單頻運轉(zhuǎn)，已有的技術(shù)可以概括為兩類一類是先產(chǎn)生單頻連續(xù)激光，再調(diào)Q，獲得脈沖輸出。如果要求高功率輸出，則再加放大，即所謂的主振+放大(MOPA)結(jié)構(gòu)。
由于固體激光介質(zhì)大多數(shù)屬于均勻加寬型(如摻Nd晶體)，因此為實現(xiàn)單頻(即單縱模)運轉(zhuǎn)，有如下幾類典型結(jié)構(gòu)(1)在激光器的諧振腔內(nèi)插入選頻元件，諸如干涉儀、法泊里-佰羅(F-P)標(biāo)準(zhǔn)具之類。。
(2)縮短激光器的諧振腔腔長，增大縱模間隔。。
(3)采用環(huán)形行波腔單向運轉(zhuǎn)，消除空間燒孔效應(yīng)的影響，選單縱模。。
(4)預(yù)調(diào)Q、扭轉(zhuǎn)模、復(fù)合腔等其它技術(shù)。(5)另一類是注入鎖定實現(xiàn)單頻脈沖高功率激光輸出的結(jié)構(gòu)。。
它是把一個低功率、單頻運轉(zhuǎn)的主振蕩器(連續(xù)或脈沖)產(chǎn)生的種子激光注入到高功率脈沖運轉(zhuǎn)的伺服振蕩器中，從而獲得單頻、脈沖、高功率激光輸出。它要求注入種子激光的頻率與伺服振蕩器的振蕩頻率相匹配，因此必須配置諧振腔伺服控制機構(gòu)。
以上所述幾種結(jié)構(gòu)的缺點是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，調(diào)整麻煩，分立元件太多，不適合器件的集成、全固化。
本實用新型的目的是為了克服已有技術(shù)的缺點，提供一種輸出單頻脈沖的全固化固體激光器。其結(jié)構(gòu)較簡單，調(diào)整容易，可達到全固化、體積小、重量輕和低功耗的要求，能提供高光束質(zhì)量、窄線寬、頻率穩(wěn)定的激光輸出。
本實用新型的固體激光器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。它包括由第一腔鏡1和第二腔鏡6構(gòu)成的激光諧振腔8。第一腔鏡1的中心軸線O1O1與第二腔鏡6的中心軸線O2O2相互垂直。在激光諧振腔8內(nèi)，靠近第一腔鏡1的一端與第一腔鏡1同中心軸線O1O1地置有第一激光介質(zhì)2，靠近第二腔鏡6的一端與第二腔鏡2同中心軸線O2O2地置有第二激光介質(zhì)5。在激光諧振腔8內(nèi)，在第一腔鏡1的中心軸線O1O1與第二腔鏡6的中心軸線O2O2的交點O處置有偏振元件4。偏振元件4的偏振面401與第一腔鏡1的中心軸線O1O1的夾角α1和偏振面401與第二腔鏡6的中心軸線O2O2的夾角α2都是45°角。即∠α1=∠α2=45°。在激光諧振腔8內(nèi)，在第一激光介質(zhì)2與偏振元件4之間，與第一腔鏡1同中心軸線O1O1地置有電光Q調(diào)制器3。在激光諧振腔8外，與第一腔鏡1同中心軸線O1O1地置有第一泵浦源11，與第二腔鏡6同中心軸線O2O2地置有第二泵浦源7。上述置于激光諧振腔8內(nèi)的第一、第二激光介質(zhì)(2,5)，電光Q調(diào)制器3、偏振元件4以及第一腔鏡1和第二腔鏡6全部用固化膠10集成在一基片9上。也就是說，除了第一泵浦源11和第二泵浦源7可以固化在基片9上，或者不固化在基片9上外，其它所有置于激光諧振腔8內(nèi)的元件包括第一腔鏡1和第二腔鏡6在內(nèi)均用固化膠集成在一基片9上。
所說的置于激光諧振腔8內(nèi)的第一激光介質(zhì)2和第二激光介質(zhì)5是波長λ相同厚度d不相等的固體激光工作物質(zhì)。也就是說，第一激光介質(zhì)2的波長λ1等于第二激光介質(zhì)5的波長λ2，即λ1=λ2。而第一激光介質(zhì)2的厚度d1大于第二激光介質(zhì)5的厚度d2，即d1＞d2。
所說的置于激光諧振腔8外的第一泵浦源11和第二泵浦源7都是半導(dǎo)體激光器。第一泵浦源11的泵浦功率W1必須大于第二泵浦源7的泵浦功率W2，即W1＞W(wǎng)2。第一泵浦源11是大功率W1的準(zhǔn)連續(xù)輸出光的半導(dǎo)體激光器，或者是大功率W1的連續(xù)輸出光的半導(dǎo)體激光器；第二泵浦源7是小功率W2的連續(xù)輸出光的半導(dǎo)體激光器。
所說的置于激光諧振腔8內(nèi)的偏振元件4是偏振棱鏡，或者是偏振片。
所說的置于激光諧振腔8內(nèi)的電光Q調(diào)制器3是由鈮酸鋰晶體構(gòu)成，或者是由鉭酸磷鉀晶體構(gòu)成，或者是磷酸鈦氧鉀(KTP)晶體構(gòu)成。
所說的基片9是導(dǎo)熱性能好，化學(xué)物理性能穩(wěn)定的白寶石片，或者是釔鋁石榴石(YAG)晶體片。
所說的第一腔鏡1和第二腔鏡6是平面鏡，或者是平凹鏡，或者是平凸鏡。在第一腔鏡1對著激光諧振腔8的內(nèi)表面101上和在第二腔鏡6對著激光諧振腔8的內(nèi)表面601上均鍍有對激光振蕩波長全反射的，對第一、第二泵浦源11、7的波長λ1=λ2的泵浦光全透過的多層介質(zhì)膜。
所說的固化膠10是對激光振蕩波長損耗小的紫外固化膠。
上述結(jié)構(gòu)的本實用新型固體激光器以如下方式運轉(zhuǎn)一開始，電光Q調(diào)制器3上不加電壓，由作為第二泵浦光源7的小功率W2連續(xù)半導(dǎo)體激光器輸出泵浦光Gp2泵浦第二激光介質(zhì)5，在兩腔鏡第一腔鏡1和第二腔鏡6之間產(chǎn)生激光振蕩。然后用大功率W1半導(dǎo)體激光器作為第一泵浦源11輸出大功率W1激光Gp1泵浦第一激光介質(zhì)2，因電光Q調(diào)制器3上無電壓，第一激光介質(zhì)2開始的自發(fā)輻射光有一個偏振態(tài)可順利通過偏振元件4。對這一偏振態(tài)而言，輸出端402無反射，因腔內(nèi)的Q值很低，形成不了激光振蕩。而與這一偏振態(tài)垂直的另一偏振態(tài)與作為注入種子源的第二泵浦源7的主振蕩激光偏振態(tài)及頻率一致，因而能產(chǎn)生激光振蕩，并一直在激光諧振腔8內(nèi)的第一腔鏡1和第二腔鏡6之間往返。當(dāng)激光諧振腔8內(nèi)激光振蕩的光子密度達到最大值時(與大功率W1半導(dǎo)體激光泵浦有一延遲)，電光Q調(diào)制器3上迅速加上λ/4波電壓，這時電光Q調(diào)制器3相當(dāng)于一個λ/4波片。振蕩激光在激光諧振腔8內(nèi)的第一腔鏡1和第二腔鏡6之間往返兩次，偏振度旋轉(zhuǎn)90°，因此激光諧振腔8內(nèi)存儲的最大光能瞬間透過偏振元件4從輸出端402輸出激光束Gc。這種激光諧振腔8內(nèi)電光Q調(diào)制器3以脈沖透射式運轉(zhuǎn)，比已有技術(shù)中以一面形成激光振蕩一面從輸出鏡輸出激光的脈沖反射式電光Q調(diào)制器效率要高。
本實用新型的優(yōu)點是(1)本實用新型采用復(fù)合腔，如上述的結(jié)構(gòu)，在激光諧振腔8內(nèi)有兩塊激光介質(zhì)2和5，對應(yīng)兩塊激光介質(zhì)2和5在激光諧振腔8外有兩個泵浦源11和7。構(gòu)成激光諧振腔8的第一腔鏡1和第二腔鏡6兩條中心軸線O1O1和O2O2相互垂直，又在激光諧振腔8內(nèi)置有電光Q調(diào)制器3和偏振元件4，使得整個激光諧振腔8較短，輸出的是單頻脈沖的激光束Gc，所以短腔，單頻和脈沖運轉(zhuǎn)能夠在同一個復(fù)合腔中實現(xiàn)。
(2)上述的結(jié)構(gòu)與已有技術(shù)相比，不需要腔長伺服控制，其結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)整方便，穩(wěn)定可靠。
(3)本實用新型使用半導(dǎo)體激光器作泵浦源以及激光諧振腔2內(nèi)的透射式電光Q調(diào)制器3，使得本實用新型的固體激光器效率較高，輸出的光束質(zhì)量好，窄線寬，頻率穩(wěn)定。
(4)上述構(gòu)成激光器的全部元件都可以用固化膠10集成在基片9上，構(gòu)成一固體激光器，所以本實用新型稱為全固化固體激光器，具有體積小、重量輕和低功耗的特點，適用于激光多普勒雷達、全息術(shù)、精密測量、激光光譜以及非線性光學(xué)等多學(xué)科領(lǐng)域。


圖1是本實用新型的輸出單頻脈沖的全固化固體激光器的結(jié)構(gòu)示意圖。
實施例如圖1所示。其中兩塊諧振腔的腔鏡第一腔鏡1和第二腔鏡6均為平面鏡，第一腔鏡1的內(nèi)表面101和第二腔鏡6的內(nèi)表面601分別鍍有對激光振蕩波長全反、對作為泵浦源11和7的半導(dǎo)體激光器波長高透過的多層介質(zhì)膜。激光介質(zhì)2、5采用摻釹釔鋁石榴石晶體(Nd∶YAG)(或Yb∶YAG)。第一激光介質(zhì)2的厚度d1=1mm，由大功率W1脈沖半導(dǎo)體激光器作為第一泵浦源11，其功率W1≥600瓦，它起類似于高功率輸出的伺服振蕩器作用。第二激光介質(zhì)5的厚度d2=0.5mm，由小功率W2連續(xù)半導(dǎo)體激光器作為第二泵浦源7，其功率W2≤1瓦。選擇激光諧振腔8的長度為20mm，保證其激光連續(xù)單頻振蕩，起到注入種子源的主振蕩器作用。電光Q調(diào)制器3是鈮酸鋰晶體構(gòu)成的，置放在激光諧振腔8內(nèi)第一激光介質(zhì)2與偏振元件4之間，所以是透射式的。當(dāng)它工作時，加有合適幅度及時間波形的電壓。偏振元件4是偏振棱鏡。上述激光器所包含的全部元件均用紫外固化膠10集成在一塊導(dǎo)熱好的作為基片9的白寶石片上。
本實施例中，整個激光器整體厚度僅為15mm，體積30×20×15mm3，調(diào)整簡單，輸出1.06nm單頻(線寬小于1MHz)脈沖(脈寬為nm量級)的激光束Gc，光束質(zhì)量好，而且頻率穩(wěn)定。
權(quán)利要求1．一種輸出單頻脈沖的全固化固體激光器，包括<1>由第一腔鏡(1)和第二腔鏡(6)構(gòu)成的激光諧振腔(8)，在激光諧振腔(8)外置有泵浦源(11、7)，在激光諧振腔(8)內(nèi)置有激光介質(zhì)(2、5)；其特征在于<2>第一腔鏡(1)的中心軸線(O1O1)與第二腔鏡(6)的中心軸線(O2O2)相互垂直；<3>在激光諧振腔(8)內(nèi)，靠近第一腔鏡(1)的一端與第一腔鏡(1)同中心軸線(O1O1)地置有第一激光介質(zhì)(2)，靠近第二腔鏡(6)的一端與第二腔鏡(6)同中心軸線(O2O2)地置有第二激光介質(zhì)(5)；<4>在激光諧振腔(8)內(nèi)，在第一腔鏡(1)的中心軸線(O1O1)與第二腔鏡(6)的中心軸線(O2O2)的交點(O)處置有偏振面(401)分別與第一腔鏡(1)的中心軸線(O1O1)的夾角(α1)和與第二腔鏡(6)的中心軸線(O2O2)的夾角(α2)都等于45°的偏振元件(4)；<5>在激光諧振腔(8)內(nèi)，在第一激光介質(zhì)(2)與偏振元件(4)之間、與第一腔鏡(1)同中心軸線(O1O1)地置有電光Q調(diào)制器(3)；<6>在激光諧振腔(8)外，與第一腔鏡(1)同中心軸線(O1O1)的置有第一泵浦源(11)，與第二腔鏡(6)同中心軸線(O2O2)的置有第二泵浦源(7)；<7>置于激光諧振腔(8)內(nèi)的所有上述元件包括第一腔鏡(1)和第二腔鏡(6)在內(nèi)，全部以固化膠(10)集成在一基片(9)上。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的輸出單頻脈沖的全固化固體激光器，其特征在于所說的置于激光諧振腔(8)內(nèi)的第一激光介質(zhì)(2)的波長λ1等于第二激光介質(zhì)(5)的波長λ2，即λ1=λ2，而第一激光介質(zhì)(2)的厚度d1大于第二激光介質(zhì)(5)的厚度d2，即d1＞d2。
3．根據(jù)權(quán)利要求1所述的輸出單頻脈沖的全固化固體激光器，其特征在于所說的置于激光諧振腔(8)外的第一泵浦源(11)的泵浦功率W1大于第二泵浦源(7)的泵浦功率W2，即W1＞W(wǎng)2。
4．根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的輸出單頻脈沖的全固化固體激光器，其特征在于所說的第一泵浦源(11)是大功率W1的準(zhǔn)連續(xù)輸出光的半導(dǎo)體激光器，或者是大功率W1的連續(xù)輸出光的半導(dǎo)體激光器；第二泵浦源(7)是小功率W2的連續(xù)輸出光的半導(dǎo)體激光器。
5．根據(jù)權(quán)利要求1所述的輸出單頻脈沖的全固化固體激光器，其特征在于所說的偏振元件(4)是偏振棱鏡，或者是偏振片。
6．根據(jù)權(quán)利要求1所述的輸出單頻脈沖的全固化固體激光器，其特征在于所說的電光Q調(diào)制器(3)是由鈮酸鋰晶體構(gòu)成，或者是由鉭酸磷鉀晶體構(gòu)成，或者是由磷酸鈦氧鉀晶體構(gòu)成。
7．根據(jù)權(quán)利要求1所述的輸出單頻脈沖的全固化固體激光器，其特征在于所說的基片(9)是白寶石晶體片，或者是釔鋁石榴石晶體片。
專利摘要一種輸出單頻脈沖的全固化固體激光器,包括由兩塊中心軸線相互垂直的腔鏡構(gòu)成的激光諧振腔。在激光諧振腔內(nèi)置有兩塊波長相同厚度不相等的激光介質(zhì),兩激光介質(zhì)之間有電光Q調(diào)制器和偏振元件。在激光諧振腔外相對兩塊激光介質(zhì)有兩個泵浦功率不相等的半導(dǎo)體激光器作為泵浦源。激光器包含的全部元件均以固化膠集成在一基片上。具有體積小、調(diào)整方便、 頻率穩(wěn)定、光束質(zhì)量好的特點。適用雷達、全息術(shù)、精密測量等多種學(xué)科領(lǐng)域。
文檔編號H01S3/00GK2433753SQ0021748
公開日2001年6月6日 申請日期2000年4月29日 優(yōu)先權(quán)日2000年4月29日
發(fā)明者李小莉, 胡企銓, 陸雨田 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所