專利名稱：?jiǎn)我活l率的單塊線性激光器件及包含該器件的系統(tǒng)的制作方法
單一頻率的單塊線性激光器件及包含該器件的系統(tǒng)
本發(fā)明涉及激光二極管泵浦單塊固體激光器件，尤其涉及單模 內(nèi)腔加倍固體激光器件。還涉及用于制作這種器件的方法。
本發(fā)明可以特別有利地應(yīng)用于產(chǎn)生藍(lán)色或綠色激光的領(lǐng)域，但 這并非是唯一的用途。
例如采用多模二極管，在可見光鐠473nm處發(fā)射一束具有良好 空間和光譜質(zhì)量的激光，尤其可以在工業(yè)和醫(yī)學(xué)上加以利用。被稱 為諧波的這種波長(zhǎng)可以在946nm的一個(gè)被稱為基波的波長(zhǎng)處，就摻 雜釹的釔鋁石榴石(Nd:YAG)進(jìn)行激光發(fā)射的頻率加倍而獲得。
一般來說，內(nèi)腔加倍激光包含一個(gè)用于對(duì)固體激光器件，例如 Nd: YAG進(jìn)行泵浦的激光二極管，在946nm處形成放大器。為了進(jìn) 行加倍，可以將一個(gè)非線性晶體連接到用倍頻技術(shù)把近紅外基本信 號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢娦盘?hào)的放大器上(也被稱為"第二諧波階段SHG")。 從而得到等于基波波長(zhǎng)用2除的諧波波長(zhǎng)。放大器和非線性晶體包 含在一個(gè)空腔中，在激光束的路徑上，空腔的兩個(gè)端頭相對(duì)的表面 可以反射某些波長(zhǎng)。
但是，如果要求連續(xù)進(jìn)行發(fā)射，基本發(fā)射的功率就小于激光二 極管的功率，則倍頻的效率很低。
標(biāo)題為 "Diode pumped laser and doubling to obtain blue light" ( "二極管泵浦激光器和加倍獲得藍(lán)光")的美國(guó) 專利US 4 809 291現(xiàn)已/〉開，在這篇專利中，R.L.Byer和T.Y.Fan 提議用內(nèi)腔加倍以便增加946nm基波波長(zhǎng)的功率，從而增加加倍效 率。在一篇1988年發(fā)表于Journal Optics Letters (第13巻 第137 — 139頁(yè))的題為"Efficient blue emission from an intracavity-doubled 946 nm Nd: YAG Laser"("來自于 內(nèi)腔加倍946nm Nd: YAG激光器的高效藍(lán)光發(fā)射")的文章中，Dixon 等人提出用內(nèi)腔加倍Nd: YAG基激光器進(jìn)行5mW藍(lán)光(473 nm) 發(fā)射。Nd濃度為l.l at.%，加倍效率僅為2%。
這些內(nèi)腔加倍激光器件的主要問題是存在軸模及偽偏振，軸模 及偽偏振降低了激光效率并且是大功率波動(dòng)的原因。舉例來說，
Matthews等人在題為"Diode pumping in a blue (473 nm) Nd: YAG/KNb03 microchip laser"("藍(lán)色(473 nm) Nd: YAG/KNb03微芯片激光器中的二極管泵浦"(CLEO'96第9巻第 174頁(yè))中，展示了具有強(qiáng)度大于10%的波動(dòng)的26.5mW藍(lán)光。
更精確地說，內(nèi)腔倍頻導(dǎo)致選擇性損耗，而損耗隨主激光器件 發(fā)射的泵浦功率而增加。加倍效率增加時(shí)，空腔的平均粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 必須增加，以便補(bǔ)償額外損耗。但是，這使得相鄰模及正交偏振發(fā) 射開始發(fā)出激光。對(duì)于相鄰模來說，這是"空間洞燃燒"之外的效 果，因?yàn)?空間洞燃燒"已經(jīng)使相鄰模發(fā)出激光了。
空腔中發(fā)出激光的不同模與放大媒*合(增益竟?fàn)?并與倍 頻媒介耦合(頻率增加)。這些耦合是非線性的并且參與到一個(gè)復(fù) 雜的非線性活動(dòng)中。后者導(dǎo)致^:高的或者甚至混亂的功率波動(dòng)。
如果倍頻是"類型I"的，正交偏振模不受有效倍頻的影響(在 基波和諧波之間沒有相適應(yīng))。這些模通過泵浦功率的增長(zhǎng)來穩(wěn)定 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。它們使轉(zhuǎn)換效率減緩，轉(zhuǎn)換效率的增加需要增加粒子 數(shù)反轉(zhuǎn)。只有"空間洞燃燒，，效應(yīng)允許轉(zhuǎn)換效率略微增加。已經(jīng)提 出幾種制造激光單?；?qū)⒎蔷€性晶體中的模拆開的方法。這些方法 可分為三類
a) 第一種是在空腔中引入一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)具。這種方法，特別是Y. Shimoji在美國(guó)專利5,838,713中所公開的，引起了幾個(gè)問題。 標(biāo)準(zhǔn)具引起空腔中的損耗，除非它由YAG和加倍晶體的面形成。在 后者的情況下，要求定位非常精確(亞微米)，很難在工業(yè)上獲得 并且很難穩(wěn)定。解決這個(gè)問題的一個(gè)方法是隨著加倍晶體在接觸面 的一部分插入一個(gè)角度，將放大媒介引入光接觸。這個(gè)角度在兩種
材料之間產(chǎn)生一個(gè)空氣隙。這個(gè)方法使接觸變?nèi)酰瑥亩鴾p弱了單塊 激光器件的完整性，并且不允許用粘合劑保護(hù)接觸面。
b) 第二類包括基本的偏振。放大媒介可以插入兩個(gè)四分之一 波長(zhǎng)板之間，目的是消除"空間洞燃燒"效應(yīng)，詳見G .Hollemann 等人的"Frequency-stabilized diode-pumped Nd:YAG laser at 946 nm with harmonics at 473 nm and 237 nm〃 ("帶有473nm和237nm諧波的頻率穩(wěn)定的二極管泵浦946nmNd: YAG激光器")Opt. Lett. 19,第192頁(yè)，1994年2月。這個(gè)方法有一個(gè)缺點(diǎn)，就是在空腔中造成損耗。
有一個(gè)實(shí)施方案，表示可以通過類型I加倍，其中基本激光束 沿晶體的一個(gè)光軸傳播(通常是慢軸)，諧波激光束沿晶體的其他
光軸傳播，與第一個(gè)正交。當(dāng)它可能切割晶體時(shí)，類型I加倍出現(xiàn)， 因此光軸對(duì)基波波長(zhǎng)的折射率等于其他光軸對(duì)諧波波長(zhǎng)的折射率。
這就是KNb03的情況。
有一個(gè)實(shí)施方案，表示可以通過類型II加倍，其中基本激光 束存在于兩個(gè)軸上，當(dāng)基本激光束的偏振與光軸形成45°角時(shí)，轉(zhuǎn) 換系數(shù)最佳。
c)第三種方法是減小空腔的長(zhǎng)度。這是1993年10月A. Mooradian在專利US 5 ,256 ,164中提出的。對(duì)于946nm處發(fā)射 的lnm線寬來說(對(duì)比1.064 pm處線的0.6nm)， Mooradian 的公式需要小于300pm的空腔長(zhǎng)度，包括YAG和KNb03。迄今公布 或申請(qǐng)專利的微片中的Nd濃度不超過l.latJ。這等于808.4 nm 處的0.85 mnf1的衰減，即每100pm厚度的被吸收的泵浦功率的 8.1%及每200萍被吸收的泵浦功率的15.6%。但是，KNb。3的100 或200nm不能提供適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換效率。因此，按照Mooradian不等 式設(shè)計(jì)的微片激光器件好像不能用1W激光二極管泵浦功率發(fā)射大 于幾mW的藍(lán)光。
文件"Low-noise diode-pumped intracavity-doubled laser with off-axially cut Nd: YV04"("用軸向截止切 割Nd:YV04的低噪聲二極管泵浦內(nèi)腔加倍激光器件")(Opt. Lett. 19,第1624頁(yè)，K. Suzuki等人)，描述了在與平凹透鏡結(jié)合時(shí) 離開效應(yīng)的使用。此類器件不能提供高可靠性。
此夕卜，由T. Y. FAN在〃Single-Axial Mode, Intracavity Doubled Nd: YAG Laser〃 ("單軸向模，內(nèi)腔加倍的Nd: YAG 激光器，，)(IEEE Journal of Quantum Electronics, 第 27巻，1991年9月9日)中提出的一種有效方法，因制造一種內(nèi) 腔加倍單頻激光器件而為眾所知。在這種方法中，放大媒介(Nd: YAG)在相對(duì)于空氣的布儒斯特(Brewster)角處被切割。非線性， 雙折射晶體在45。受到基波的觸擊(類型II加倍)。兩個(gè)布儒斯特 角在正交偏振中引起顯著的損耗，并阻止其發(fā)出激光。還在雙折射
晶體引起偏轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)的每個(gè)波長(zhǎng)處造成損耗。這種隨波長(zhǎng)變化的損耗 調(diào)制可以制造激光器件單模。從另一方面來說，這種方法不能用于 類型I倍頻，因?yàn)榘凑赵瓌t，基頻信號(hào)存在于非線性晶體的一個(gè)光 軸上。但是由于雙折射，不可能將在布儒斯特角處進(jìn)行切割的放大 晶體與非線性晶體結(jié)合。事實(shí)上，雙折射引入相位效應(yīng)，表示由空 腔外面反射的激光束返回放大器時(shí)不會(huì)重新結(jié)合。最后，F(xiàn)AN提出 的設(shè)計(jì)的主要困難是保持精度超過幾百納米的空腔的總長(zhǎng)，以便消除所有模跳變以及隨后發(fā)生的功率不穩(wěn)定。事實(shí)上，空腔長(zhǎng)度增長(zhǎng) (或減少)V4(即大約250nm)，使其能夠從單模變?yōu)殡p模功能。 長(zhǎng)度的V4的額外增長(zhǎng)使其能夠回到相鄰模上的單模功能。
本發(fā)明的目的在于通過提出一種內(nèi)腔加倍固體激光器件來解決 上述大部分缺陷，這種內(nèi)腔加倍固體激光器件尺寸小，提供高工作 穩(wěn)定性，并且允許類型I和II倍頻。本發(fā)明的另一個(gè)目的是提出一 種能夠在單模下工作的可調(diào)諧固體激光器件。本發(fā)明還涉及一種無 論泵浦激光二極管的功率水平如何的大功率固體激光器件。本發(fā)明 更進(jìn)一步的目的則是獲得高可靠性的固體激光器件。
包含下列各點(diǎn)的激光器件至少可以達(dá)到上述各目的中的一項(xiàng)
- 一種能夠產(chǎn)生基波波長(zhǎng)激光束的放大媒介；
- 一種雙折射非線性媒介，這種雙折射非線性媒介帶有用于 基波波長(zhǎng)激光束倍頻的平行面，以便產(chǎn)生諧波波長(zhǎng)激光束；
- 用于對(duì)基波波長(zhǎng)激光束進(jìn)行偏振選擇的偏振媒介，這種偏 振媒介要求在其輸出面的基波波長(zhǎng)，與其輸入面的基波波長(zhǎng)保持平 行。
按照本發(fā)明，偏振媒介包含與正在離開該偏振媒介的基波波長(zhǎng) 垂直的輸出面。此外，放大媒介，雙折射非線性媒介及偏振媒介牢 固地互相附著，從而構(gòu)成一個(gè)單塊諧振腔。所選偏振媒介要能使基 波波長(zhǎng)激光束不偏離絕對(duì)相，即偏振媒介輸出端的基波波長(zhǎng)平行于 該媒介輸入端的基波波長(zhǎng)。因此，通過將放大媒介、偏振媒介及非 線性媒介結(jié)合起來，能夠構(gòu)成單塊諧振腔。
空腔最好是線形的。
由于不同媒介可以牢固地互相附著或者結(jié)合起來，因此用本發(fā) 明的器件，可以獲得單塊結(jié)構(gòu)。不會(huì)導(dǎo)致激光束偏離絕對(duì)相的偏振 元件(正如下面將看到的，在布儒斯特角可產(chǎn)生雙倍偏轉(zhuǎn))可以容 許獲得一個(gè)輸入面與輸出面互相平行的線形空腔(在空腔中激光束 幾乎處處與一個(gè)軸平行)。因此本發(fā)明提出一種固體激光器件，這 種固體激光器件可靠性高，同時(shí)易于制造，并且不論時(shí)間推移，非 常穩(wěn)定。構(gòu)成器件的各個(gè)元件可以獨(dú)立設(shè)計(jì)然后在光學(xué)上裝配。就 機(jī)械構(gòu)造而言，空腔是固體的。
特別是，放大媒介、偏振媒介和雙折射非線性媒介以線性方式 結(jié)合在一起，每個(gè)媒介包含相互平行的一個(gè)輸入面和一個(gè)輸出面，
并且和其它媒介的其它面平行；這些面與諧波波長(zhǎng)激光束的輸出方 向正交?？涨灰环矫婢哂蟹糯竺浇榈妮斎朊?，在另一方面具有雙折 射非線性媒介的輸出面，于是構(gòu)成空腔完整的結(jié)構(gòu)。
或者減少基波波長(zhǎng)的偏振，或者如下所述，用一面鏡子對(duì)基波 波長(zhǎng)進(jìn)行偏轉(zhuǎn)，要在二者中作出選擇。選擇基波波長(zhǎng)的偏振，事實(shí) 上就是防止不能通過倍頻產(chǎn)生藍(lán)光的偏振振蕩。這意味著無論采用 什么樣的泵浦功率水平，按照本發(fā)明的這種固體激光器件都能夠產(chǎn)
生大功率信號(hào)。這也使得有可能產(chǎn)生Lyot濾波器。
按照本發(fā)明的一個(gè)有利特征，雙折射非線性媒介包含類型I非 線性晶體。例如，這就不是FAN文件中所說的情況。例如類型II 非線性晶體也可以用于本發(fā)明。
按照本發(fā)明的一個(gè)有利特征，雙折射非線性媒介由類型I非線 性晶體構(gòu)成，其雙折射軸相對(duì)于由偏振媒介選擇的偏振，形成非零 角模n/2弧度角。也可以說非線性晶體設(shè)置在軸外。該器件采用這 種類型的設(shè)置，就構(gòu)成一個(gè)Lyot濾波器。因此本發(fā)明值得注意的是 采用了離軸類型I非線性晶體，而這種做法在這一工作中通常被認(rèn) 為是"不正常，，而且效率不高。事實(shí)上，當(dāng)基波波長(zhǎng)的偏振平行于 非線性晶體的一個(gè)雙折射軸時(shí)，類型I倍頻更為有效。按照本發(fā)明 的實(shí)施方案，允許將單晶用于非線性的功能以及Lyot濾波器所必需 的雙折射。在FAN文件中，空腔不是單塊的，其倍頻為類型II。如 果FAN原理直接用于類型I倍頻，Lyot濾波器不再存在，因?yàn)槟?時(shí)非線性晶體的軸與所選偏振成一直線。
按照本發(fā)明的第二個(gè)有利特征，被設(shè)置為離軸的非線性媒介與 一個(gè)雙折射晶體相結(jié)合，從而使該雙折射晶體的雙折射軸與所述非 線性晶體的軸保持平行。這種類型的實(shí)施方案的優(yōu)點(diǎn)是非線性晶體
的長(zhǎng)度不是單獨(dú)由Lyot濾波器的需求所決定的。事實(shí)上，增加雙折 射能使這些需求的一部分得到補(bǔ)償，從而使非線性晶體的長(zhǎng)度適合 于倍頻。
按照本發(fā)明的笫三個(gè)有利特征，雙折射媒介與非線性晶體無 關(guān)。在這種情況下，加倍效率有助于和偏振媒介所選偏振平行的非 線性晶體全部軸，或其中一個(gè)軸的定向。此外，雙折射晶體和所述 非線性晶體相結(jié)合，使雙折射晶體的雙折射軸相對(duì)于由偏振媒介所 選偏振形成非零角模n/2弧度角，從而使該器件構(gòu)成Lyot濾波器。
所述被選的偏振最好適合于基波波長(zhǎng)與諧波波長(zhǎng)之間的相匹配。
這種類型的布儒斯特角界面和一個(gè)離軸雙折射晶體(或者幾個(gè) 晶體)結(jié)合起來，使得有可能選擇單模。事實(shí)上，布儒斯特界面引 起對(duì)正交偏振的選擇性損耗。只有波長(zhǎng)在雙折射造成的相位移是2n 的倍數(shù)時(shí)，可以在布儒斯特界面保持低損耗偏振。這構(gòu)成了在波長(zhǎng) 為、=(E5nj。 /m時(shí)具有最小損耗的周期濾波器，其中5r^和 Ii分別為離軸雙折射元件的指數(shù)差及長(zhǎng)度。其和僅適合于本發(fā)明的 第二個(gè)有利特征。波長(zhǎng)2v決定于溫度，因?yàn)榫w長(zhǎng)度及指數(shù)差決定 于溫度。因此濾波器可以通過溫度調(diào)節(jié)。濾波器的自由光譜帶(即 兩個(gè)傳送峰值之間的波長(zhǎng)差)為FSB - X2/ (S5r^Ii)，其中X2 是激光發(fā)射長(zhǎng)度。
當(dāng)雙折射軸相對(duì)于由偏振媒介激勵(lì)的偏振形成6 = n/4弧度 角(模n/2)時(shí)，濾波器具有更多的選擇性。
特別是通過調(diào)節(jié)離軸雙折射晶體的長(zhǎng)度，能夠在發(fā)射頻帶(一 半高度時(shí)的寬度A w)中僅僅選擇一個(gè)單模，只要FSB和A w為相 同數(shù)量級(jí)，系數(shù)大約為2或3。最好對(duì)雙折射晶體的參數(shù)進(jìn)行選擇， 以便濾波器的FSB由放大媒介的中間寬度(厶4)的發(fā)射波長(zhǎng)的0 . 5 倍和3倍之間組成。
換句話說，與雙折射晶體的長(zhǎng)度相關(guān)的各向同性媒介的指數(shù)及
角e可以進(jìn)行調(diào)節(jié)，以便使空腔中只有一個(gè)單模。
按照本發(fā)明，非線性晶體的切割角是這樣的，調(diào)節(jié)晶體溫度(在 合理的范圍內(nèi))可以j吏基波波長(zhǎng)和倍頻波長(zhǎng)之間進(jìn)4亍相匹配。例如非線性晶體可以由鈮酸鉀(KNb03)構(gòu)成或來自硼酸鋰LBO。雙折 射晶體可以由釩酸鹽YV04構(gòu)成。
按照本發(fā)明的第一個(gè)有利的變化方案，偏振媒介包含主元件， 后面是中間媒介和次元件，其折射率與主元件的折射率基本一致， 主元件的輸出面和次元件的輸入面平行，并且按照布儒斯特角切割 基波波長(zhǎng)的長(zhǎng)度。
中間媒介可以由空氣構(gòu)成。在這種情況下，主元件通過動(dòng)態(tài)粘 合劑或通過與多孔水洗器的閉塞接觸，牢固地附著于次元件。中間 媒介也可以由硅石構(gòu)成。
在本發(fā)明的第一個(gè)變化方案中，當(dāng)偏振媒介設(shè)置在放大媒介和 雙折射非線性媒介之間時(shí)，主元件可以由放大媒介構(gòu)成。更精確地 說，放大媒介在輸入處有一個(gè)垂直于基波傳播方向的面，在輸出處 有一個(gè)相對(duì)于基波的布儒斯特角的切割面。放大媒介最好由摻雜釹 Nd的釔鋁石榴石YAG (Nd: YAG)構(gòu)成，次元件由未摻雜的釔鋁石 榴石(YAG)構(gòu)成。Nd: YAG晶體可以是圓筒形，其輸入面形成一 個(gè)平面鏡。
偏振媒介也可以與放大媒介分開。在這種情況下，主元件及次 元件可以由未摻雜的4乙鋁石榴石(YAG)構(gòu)成。另外，主元件和次元 件可以由硅石構(gòu)成，中間媒介則為未摻雜的釔鋁石榴石(YAG)。
用這種類型的器件，只要主元件和次元件具有相同的角(當(dāng)它 們一起制造時(shí)這是容易做到的)，制造布儒斯特角時(shí)，不必達(dá)到過 高的精度(小于幾分的角)，這就使得在工廠制造時(shí)速度更快，成 本更低。
不采用布儒斯特角時(shí)，可以按照本發(fā)明的笫二個(gè)變化方案采用 與空間損耗調(diào)制相關(guān)的離開效應(yīng)(或雙折射)。因此，偏振媒介由 離軸切割的雙折射晶體構(gòu)成，例如在兩個(gè)基波波長(zhǎng)激光束的偏振之 間呈現(xiàn)強(qiáng)烈的"離開"效應(yīng)，空間損耗調(diào)制可以通過用平凸透鏡封 閉空腔來獲得。
文件"ljow-noise diode—pumped intracavity-doubled laser with off-axially cut Nd: YV04"("帶有離軸切割 面的Nd: YV04的低噪聲二極管泵浦內(nèi)腔加倍激光")(Opt. Lett. 19，笫1624頁(yè)，K. Suzuki等人)，描述了不能作為單塊
裝配的平凹透鏡的使用。另一方面，由于放大媒介經(jīng)過偏振化，不 能清楚地顯示哪個(gè)器件(偏振器或偏振化的發(fā)射)在偏振選擇中占 主導(dǎo)地位。
按照本發(fā)明的另一個(gè)方面，考慮激光系統(tǒng)包含用于如上所述的 固體激光器件的泵浦方法。有利的是，用所述泵浦方法發(fā)射的激光 束沿著與固體激光器件的放大媒介的輸入面正交的方向傳播。
通過對(duì)一個(gè)毫無局限的實(shí)施方案和附圖的詳細(xì)說明的考察，將
使本發(fā)明的其它優(yōu)點(diǎn)和特性顯得更加清晰，其中
-圖l是按照本發(fā)明的固體激光器件的筒圖，包含按照布 儒斯特角切割的放大媒介，偏振媒介包含空氣隙；
-圖2是按照本發(fā)明的固體激光器件的簡(jiǎn)圖，包含按照布
儒斯特角切割的放大媒介，偏振媒介包含硅石薄片；
—圖3是按照本發(fā)明的固體激光器件的簡(jiǎn)圖，其中偏振媒 介包含按照布儒斯特角切割的兩個(gè)壁之間的空氣隙；
-圖4是按照本發(fā)明的固體激光器件的簡(jiǎn)圖，其中偏振媒 介包含按照布儒斯特角切割的兩個(gè)壁之間的硅石薄片；
-圖5是按照本發(fā)明的固體激光器件的簡(jiǎn)圖，其中偏振媒
介包含帶有離開效應(yīng)及平凸透鏡的雙折射晶體；
-圖6是說明采用雙折射的三個(gè)示例的簡(jiǎn)圖，雙折射能夠
達(dá)到期望的濾波特性，同時(shí)保證有效的非線性效應(yīng)。 現(xiàn)在來說明包含在946nm發(fā)射的Nd: YAG激光并且在473nm 用KNb03晶體進(jìn)行內(nèi)腔加倍的內(nèi)腔倍頻單塊激光器件，雖然本發(fā)明
并不限制于這個(gè)實(shí)施方案。
才艮據(jù)

圖1和2， 一個(gè)泵浦激光二極管11正在808nm處向包含 三個(gè)晶體1、 2、 3的裝置的空腔發(fā)射激光束12。晶體放大器1是 Nd: YAG。其折射率為ni=1.82到946nm。這個(gè)晶體1的輸入面 la經(jīng)過處理，構(gòu)成一個(gè)平面鏡。其輸出面lb在通過指數(shù)r^及媒介 5或6的指數(shù)ri5或ri6計(jì)算出的布儒斯特角處切割。在圖1中，媒介 5由空氣構(gòu)成，而在圖2中媒介6是平行的一個(gè)硅石薄片。這一平 行薄片5或6楔入晶體放大器1的輸出面lb和由指數(shù)為r^的未摻 雜釔鋁石榴石(YAG)(白色YAG) 2構(gòu)成的晶體的輸入面2a之間。 這個(gè)面2b也按照布儒斯特角切割并設(shè)置為與lb面平行。lb和2a
兩個(gè)面最好同時(shí)拋光，然后裝配可以盲目地完成。這一制作方法在 按照布儒斯特角的切割精度方面的要求是非常寬松的，這樣就便利 了這種固體激光器件的生產(chǎn)。當(dāng)平行空間是空氣時(shí)，可以采用帶有
平行面的隔片，或如圖1和3所示的由激光控制的動(dòng)態(tài)粘合劑4或 10。這一粘合劑施加在平行隔片5的周圍。圖2與此相反，采用硅 石薄片6，它是固定在lb和2a兩個(gè)平行面上的。
由鈮酸鉀KNb03構(gòu)成的雙折射倍頻器晶體3和輸出面2b結(jié)合 在一起。
1、 2、 3三個(gè)晶體形成一個(gè)線性諧振腔。
Nd: YAG1的輸入面la和KNb03 4的輸出面3b是平行的，用 常規(guī)方式進(jìn)行處理以便構(gòu)成諧振腔。從3b面離去的激光束15可以 設(shè)置在946nm或473nm。
圖l中的簡(jiǎn)圖是以Nd: YAG中946 nm的信號(hào)的垂直偏振為基 準(zhǔn)的。垂直軸位于圖中的平面，橫軸垂直于這個(gè)平面。精通本技術(shù) 的人士能夠很容易地適應(yīng)這個(gè)表示線性水平或其它任何偏振方式的 簡(jiǎn)圖。
在所表示的情況中，基本信號(hào)的偏振是垂直的。如果鈮酸鉀晶 體的c軸是水平的，則光軸就會(huì)是水平的和垂直的。則基本信號(hào)就 會(huì)沿雙折射軸傳播，而其偏振不再能旋轉(zhuǎn)。如果c軸以及雙折射軸 象現(xiàn)在這樣旋轉(zhuǎn)，基波波長(zhǎng)就不再在雙折射軸中，因此其偏振在晶 體中傳播時(shí)旋轉(zhuǎn)。這時(shí)就可以開始選擇偏振的旋轉(zhuǎn)方式。
在KNb03雙折射晶體中，輸入面3a包含c軸，并且根據(jù)相對(duì) 于b軸的角度(p = 32。切割平面ab，從而得到308K時(shí)946nm和 473nm波長(zhǎng)之間的相匹配。精通本項(xiàng)技術(shù)的人士能夠?yàn)榱似渌鼫囟?下的相匹配H"改這一角度。在946nm， c軸上的折射率為n3f = 2.127，正交軸上的折射率為n3s = 2.238。因此雙折射的特征為 △n3 = 0.111。按照本發(fā)明的器件通?？梢詷?gòu)成Lyot濾波器，從 而使雙折射晶體的軸不與布儒斯特界面平行。
在不同激光束所取的光路方面，由泵浦11發(fā)射的激光束12到 達(dá)Nd: YAG晶體的輸入面la，并且按照正常方向到達(dá)這個(gè)la面。 Nd: YAG1從而被激勵(lì)，產(chǎn)生在鏡面la和3b之間振蕩的激光束13。 由于激光束13穿過平行薄片5、 6，因此它在lb、 2a各個(gè)面經(jīng)歷 偏轉(zhuǎn)，而使離開平行薄片5、 6的激光束13平行于進(jìn)入平行薄片5、 6的激光束13。由于在白色YAG2和KNb03之間通過，線性雙折射 晶體并不使激光束13偏轉(zhuǎn)。在這個(gè)KNb03晶體3內(nèi)部發(fā)生了倍頻， 這由通過3b面離開激光器件的諧波波長(zhǎng)激光束14的產(chǎn)生來表示。 因此，空腔具有輸入面和輸出面，輸入面和輸出面相互平行， 但與發(fā)生于泵浦的激光束正交，并與離開固體激光器件的激光束正 交。
在圖1和2中，放大媒介由Nd: YAG 1構(gòu)成。偏振媒介包含 主元件、中間媒介和次元件，主元件也是這個(gè)Nd: YAG晶體1，或 更確切地說是該晶體1的輸出面lb，中間媒介是平行薄片5、 6， 次元件是白色YAG晶體2。
相反，在圖3和4中，偏振媒介與由未切割的Nd: YAG晶體7 構(gòu)成的放大媒介分開。偏振媒介包含主元件8和次元件9，它們可以 是與平行薄片5、 16結(jié)合的白色YAG (未摻雜)，平行薄片5、 16 可以是帶有動(dòng)態(tài)粘合劑10的空氣5或硅石6。當(dāng)平行薄片是白色YAG 或空氣時(shí)，主元件和次元件二者也可以是硅石。其實(shí)現(xiàn)及功能與參 照?qǐng)Dl和2所作的說明相同。
作為對(duì)上述的特別補(bǔ)充，當(dāng)平行薄片是連接的硅石薄片時(shí)，在 激光束通過的地方可以做一個(gè)開口，以便這些激光束實(shí)際上通過空 氣，而不是透入珪石。
圖5中的器件的特別之處在于不包含布儒斯特角。放大媒介也 是一個(gè)帶有平行壁7a和7b的Nd: YAG晶體7。 一個(gè)經(jīng)過切割的雙 折射YV04晶體23，使結(jié)合在面7b上的兩個(gè)偏振之間的離開效應(yīng)最 大化。離軸結(jié)合的KNb03 20，與一個(gè)平凸透鏡17—起，封閉了空 腔。透鏡對(duì)于各個(gè)晶體的角度不足進(jìn)行校正。兩個(gè)偏振是基波波長(zhǎng) 激光束13的偏振以及諧波波長(zhǎng)激光束14的偏振。激光束13被透 鏡17的凸面部分反射，從諧振腔中射出。
在圖1到5中，采用KNb03晶體作為非線性和雙折射元件， 它對(duì)溫度的高度靈敏性使得發(fā)射波長(zhǎng)14能夠被調(diào)諧。這個(gè)晶體的軸 在45。定向到偏振元件的偏振軸。LBO也可以用作非線性和雙折射 晶體。
不過，如圖6中所示，通過采用KNb03或LBO晶體18，能夠
將非線性功能分開，KNb03或LBO晶體18的軸，通過采用軸旋轉(zhuǎn) 的釩酸鹽YV04晶體19，和偏振器的軸排成直線。釩酸鹽(YV04) 晶體封閉激光空腔。這就增加了一個(gè)元件和一個(gè)界面，但優(yōu)點(diǎn)是在 其軸中采用了非線性晶體18，特別是對(duì)類型I倍頻器可以獲得最大 加倍效率。由于YV04具有高雙折射性，因此被推薦作為雙折射晶 體。由于YV04的折射率對(duì)溫度的相關(guān)性低，激光比較不容易調(diào)諧， 但是從另一方面來說，單個(gè)頻率操作可以有更大的溫度范圍，即比 用離軸KNb03所得到的溫度范圍約大25倍?？烧{(diào)諧性能低的結(jié)果 是Lyot濾波器的自由光譜帶FSB最好能達(dá)到激光躍遷的發(fā)射寬 度。事實(shí)上，用太小的FSB，有在幾個(gè)模上發(fā)射激光的危險(xiǎn)。用太 大的FSB，有在發(fā)射頻帶找不到任何濾波峰值的危險(xiǎn)。
在圖6中，還可以看到第三個(gè)示例，其中離軸設(shè)置的非線性 KNb03晶體21與同樣離軸設(shè)置的雙折射YV04晶體22結(jié)合在一 起。這個(gè)解決方案使FSB在為倍頻保持KNb03最佳長(zhǎng)度時(shí)能夠被調(diào) 節(jié)。
當(dāng)然，本發(fā)明并局限于上述的示例，可以對(duì)這些示例作出調(diào)整 而不超出本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1.激光器件，所述激光器件包含-能夠產(chǎn)生基波波長(zhǎng)激光束(13)的放大媒介(1、7)；-雙折射非線性媒介(3、20、20)，這種雙折射非線性媒介帶有用于基波波長(zhǎng)激光束倍頻的平行面，以便產(chǎn)生諧波波長(zhǎng)激光束(14)；-用于對(duì)基波波長(zhǎng)激光束進(jìn)行偏振選擇的偏振媒介(1b、5、6、2、8、9、16、20)，這種偏振媒介在其輸出處的基波波長(zhǎng)，與其輸入處的基波波長(zhǎng)保持平行；其特征在于，偏振媒介(1b、5、6、2、8、9、16、20)包含與離開該偏振媒介的基波波長(zhǎng)相垂直的輸出面(2b)；并且在于放大媒介，雙折射非線性媒介及偏振媒介牢固地互相附著從而構(gòu)成單塊諧振腔。
2. 如權(quán)利要求1所述的器件，其特征在于，雙折射非線性媒 介包含類型I非線性晶體。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的器件，其特征在于，雙折射非線 性媒介由類型I非線性晶體構(gòu)成，其雙折射軸相對(duì)于由偏振媒介選擇 的偏振形成非零角模n/2弧度角，從而使該器件構(gòu)成Lyot濾波器。
4. 如權(quán)利要求3所述的器件，其特征在于，雙折射晶體與該 非線性晶體按照以下方式結(jié)合，即雙折射晶體的雙折射軸與該非線 性晶體的軸保持平行。
5. 如權(quán)利要求1或2所述的器件，其特征在于，雙折射非線 性媒介由類型I非線性晶體構(gòu)成，其雙折射軸中的一個(gè)平行于偏振媒 介所選的偏振；并且雙折射晶體按照以下方式與該非線性晶體結(jié)合， 即這個(gè)雙折射晶體的雙折射軸相對(duì)于由偏振媒介選擇的偏振形成非 零角模n/2弧度角，從而使該器件構(gòu)成Lyot濾波器；該所選偏振適合于基波波長(zhǎng)與諧波波長(zhǎng)之間的相匹配。
6. 如權(quán)利要求5所述的器件，其特征在于，該器件構(gòu)成了 Lyot 濾波器，而濾波器的自由光鐠帶FSB由諧波波長(zhǎng)激光束發(fā)射寬度的 0.5倍和3倍之間組成。
7. 如權(quán)利要求3到6中任何一項(xiàng)所述的器件，其特征在于， 雙折射軸和所選偏振之間的角度大約等于n/4弧度角。
8. 如權(quán)利要求4到7中任何一項(xiàng)所述的器件，其特征在于， 雙折射晶體(19)由釩酸鹽YV04構(gòu)成。
9. 如權(quán)利要求3到8中任何一項(xiàng)所述的器件，其特征在于， 非線性晶體(3、 18)由鈮酸鉀(KNb03)構(gòu)成。
10. 如權(quán)利要求3到8中任何一項(xiàng)所述的器件，其特征在于， 非線性晶體(18)由硼酸鋰LBO構(gòu)成。
11. 如前述權(quán)利要求中任何一項(xiàng)所述的器件，其特征在于，放大 媒介、偏振媒介及雙折射非線性媒介以線性方式結(jié)合在一起；每個(gè)媒 介包含相互平行并與其它媒介的其它面平行的一個(gè)輸入面和一個(gè)輸出 面；這些面與諧波波長(zhǎng)激光束的輸出方向垂直。
12. 如前述權(quán)利要求中任何一項(xiàng)所述的器件，其特征在于，偏振 媒介包含主元件Ub、 8)，后面是中間媒介(5、 6、 16)和次元件(2、 9)，其折射率與主元件的折射率基本一致；主元件的輸出面和 次元件的輸入面平行，并且按照布儒斯特角切割基波波長(zhǎng)。
13. 如權(quán)利要求12所述的器件，其特征在于，中間媒介由空氣 (5)構(gòu)成。
14. 如權(quán)利要求13所述的器件，其特征在于，主元件通過 動(dòng)態(tài)粘合劑(4、 10)牢固地附著于次元件。
15. 如權(quán)利要求12所述的器件，其特征在于，中間媒介由 珪石(6、 16)構(gòu)成。
16 . 如權(quán)利要求12到15中任何一項(xiàng)所述的器件，其特征在 于，偏振媒介設(shè)置在放大媒介和雙折射非線性媒介之間，主元件由放 大媒介(1、 lb)構(gòu)成。
17.如權(quán)利要求16所述所述的器件，其特征在于，放大媒 介由摻雜釹Nd的釔鋁石榴石YAG (1)構(gòu)成，次元件由未摻雜的釔鋁 石榴石(YAG) (2 )構(gòu)成。
18 .如權(quán)利要求12到15中任何一項(xiàng)所述的器件，其特征在 于，主元件及次元件由未摻雜的釔鋁石榴石(YAG) (8、 9)構(gòu)成。
19. 如權(quán)利要求20到21中任何一項(xiàng)所述的器件，其特征在 于，主元件和次元件由硅石構(gòu)成，中間媒介為未摻雜的釔鋁石榴石(YAG)。
20. 如權(quán)利要求1到10所述的器件，其特征在于，偏振媒介由離軸切割的雙折射晶體(20)構(gòu)成，使得兩個(gè)基波波長(zhǎng)激光束的 偏振之間具有"離開"效應(yīng)，諧振腔由一個(gè)平凸透鏡封閉。
21.如前述權(quán)利要求中任何一項(xiàng)的激光系統(tǒng)，所述激光系統(tǒng)包含用于固體激光器件的泵浦裝置(11)，由所述泵浦裝置發(fā)射的激 光束沿著與固體激光器件放大媒介的輸入面垂直的方向傳播。
全文摘要
本發(fā)明涉及的激光器件包含一個(gè)適合于產(chǎn)生基波波長(zhǎng)激光束(13)的放大媒介(1、7)；一個(gè)用于對(duì)基波波長(zhǎng)激光束進(jìn)行加倍來產(chǎn)生諧波波長(zhǎng)激光束(14)的雙折射非線性媒介(3、20、20)；一個(gè)用于選擇基波波長(zhǎng)激光束偏振的偏振媒介(1b、5、6、2、8、9、16、20)，所述偏振媒介要求在其輸出面的基波波長(zhǎng)與其輸入面的基波波長(zhǎng)保持平行。本發(fā)明的特征在于偏振媒介(1b、5、6、2、8、9、16、20)包含一個(gè)垂直于正在離開所述偏振媒介的基波的輸出面(2b)。放大媒介和雙折射非線性媒介互相結(jié)合，構(gòu)成一個(gè)單塊諧振腔。
文檔編號(hào)H01S3/106GK101199090SQ200680021371
公開日2008年6月11日 申請(qǐng)日期2006年4月7日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月15日
發(fā)明者T·喬治斯 申請(qǐng)人:奧克休斯股份有限公司