專利名稱：：具有光學(xué)鎮(zhèn)定器的高度穩(wěn)定性的ld泵浦固體激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及激光二極管(LD)泵浦的固體激光器的制造技術(shù)。半導(dǎo)體激光器(LD)泵浦的內(nèi)腔倍頻綠光固體激光器，由于具有高效、緊湊的特點(diǎn)，在光存儲(chǔ)、彩色顯示、彩色打印、生物測(cè)試、醫(yī)療、科研、娛樂等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值，它已成為年增長(zhǎng)速度最快(30％-50％)的一種商品激光器，近年來一直受到科研人員的極大重視。與傳統(tǒng)的閃光燈泵浦的固體激光器相比，LD縱向泵浦的腔內(nèi)倍頻固體激光器，激光介質(zhì)的熱透鏡效應(yīng)極其突出。當(dāng)泵清功率變化時(shí)，激光介質(zhì)的熱透鏡焦距變化很大，可從∞變化至10cm,[B.Neuenschwander,etc.,Determinationofthermallensinsolidstatelaserswithstablecavities,IEEEJ.QE,Vol.31(6),1082(1995)]，從而使諧振腔的模參數(shù)發(fā)生重大變化，嚴(yán)重影響了激光運(yùn)行特性。從現(xiàn)有的文獻(xiàn)報(bào)道來看，半導(dǎo)體激光泵浦的倍頻綠光固體激光器一般采用Z型諧振腔結(jié)構(gòu)，它具有效率高、緊湊等特點(diǎn)，但激光介質(zhì)熱效應(yīng)的問題并未得到解決[L.Y.Liu,M.Okaetc.,Longitudinallydiode-pumpedcw3.5WgreenLaser,Opt.Lett.Vol.19,189(1994)；M.Tsunekaneetc,Opt.Lett.,Vol.21(23),1912(1996)；何京良等，物理，Vol.26(9),536(1997)]。目前固體激光器的使用的方法是，根據(jù)一定的泵浦功率條件，設(shè)計(jì)一定結(jié)構(gòu)參數(shù)的諧振腔，但當(dāng)泵浦功率改變幅度較大時(shí)，熱效應(yīng)變化幅度很大，原先設(shè)計(jì)好的諧振腔就會(huì)變得不穩(wěn)定了。即設(shè)計(jì)腔的結(jié)構(gòu)參數(shù)時(shí)，若考慮為較小功率泵浦，則當(dāng)泵浦功率提高到一定程度時(shí)，倍頻綠光功率會(huì)出現(xiàn)飽和甚至下降；如果考慮大功率泵浦時(shí)，設(shè)計(jì)的激光器則閾值往往很高[參考文獻(xiàn)同上]。目前國(guó)際上，包括著名的SpectraPhysics公司、Coherent公司出售的該類商品激光器同樣未能解決這個(gè)問題。關(guān)于固體激光器的熱效應(yīng)問題，過去的有關(guān)文獻(xiàn)對(duì)熱不敏感腔有過很多討論，但那只涉及到熱微小擾動(dòng)時(shí)的腔模的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)問題，對(duì)上述熱透鏡效應(yīng)大幅度變化時(shí)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定腔的問題還沒有人討論過。本發(fā)明的目的是提供一種具有光學(xué)鎮(zhèn)定器的高度穩(wěn)定性的LD泵浦固體激光器。將光學(xué)鎮(zhèn)定器放入LD泵浦的固體激光器或倍頻輸出的固體激光器腔內(nèi)時(shí)，能有效地抑制激光腔內(nèi)熱透鏡效應(yīng)對(duì)激光輸出功率、激光模式的影響，徹底解決具有熱透鏡效應(yīng)的LD泵浦的固體激光運(yùn)行穩(wěn)定性問題，使之在小功率泵浦到大功率泵浦很寬的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)激光輸出功率都能得到穩(wěn)定的增長(zhǎng)和穩(wěn)定運(yùn)行。根據(jù)諧振腔變換圓的理論[張光寅，固體激光腔的動(dòng)力學(xué)分析，物理學(xué)報(bào)，Vol.40,1065(1991)]，對(duì)上述LD泵浦的固體激光器或倍頻輸出的固體激光器腔型(折疊型或Z字型腔)進(jìn)行分析，我們可以得到上述諧振腔在泵浦功率大幅度變化(從而熱透鏡焦距大幅度變化)時(shí)激光模式的變化情況。圖1是分析的結(jié)果。圖1為L(zhǎng)D泵浦的固體激光器或倍頻輸出的固體激光器的激光介質(zhì)(或反射鏡M1處)、輸出鏡M3及KTP晶體上(或反射鏡M4處)的光斑w1,w3,w4(也就是反射鏡M1,M3,M4處的光斑尺寸，下同)隨熱透鏡焦距fL的變化情況。(腔參數(shù)計(jì)算數(shù)據(jù)取自O(shè)pticsLetter.96,p870,OpticsLetter,1997,L1=180mm,L2=60mm,f=50mm，熱透鏡焦距fL=650mm-50mm)。由圖1可見，輸出鏡上的束腰尺寸w3隨著熱透鏡焦距的變化而變化，在一定的范圍變化異常劇烈，從而得到的激光模式極其不穩(wěn)定。由于倍頻晶體KTP置于M4附近，該處的束腰不穩(wěn)定，導(dǎo)致倍頻效率變化，從而使得綠光輸出不穩(wěn)定，這由實(shí)際的普通LD泵浦固體激光器運(yùn)行情況所證實(shí)。在這種情況下，如果要求束腰不變，腔長(zhǎng)L2(M2鏡到M4鏡之間的距離)必須隨著熱透鏡焦距的變化而不斷改變，即需要挪動(dòng)諧振鏡M4的位置以適應(yīng)不同的泵浦功率(前面的文獻(xiàn)中曾提到這種現(xiàn)象)。這在實(shí)際應(yīng)用中顯然是不可取的。因此，探索研究激光介質(zhì)的熱透鏡效應(yīng)大幅度變化時(shí)的固體激光腔的穩(wěn)定問題，降低熱效應(yīng)的影響，提高激光效率和激光輸出特性，成了非常重要的研究課題。我們?cè)趹?yīng)用上述諧振腔變換圓理論對(duì)熱透鏡效應(yīng)大幅度變化的LD泵浦固體激光器或倍頻固體激光器的激光輸出特性分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，如果在激光介質(zhì)附近放置一個(gè)特定的被稱之為“光學(xué)鎮(zhèn)定器”(Opticalballast)的透鏡，在激光介質(zhì)的熱透鏡焦距大幅度變化時(shí)能極大地改善腔內(nèi)激光模式和激光光斑尺寸的穩(wěn)定性。具有光學(xué)鎮(zhèn)定器的LD泵浦腔內(nèi)倍頻固體激光器如圖2所示。圖3是其等效光路圖。光學(xué)鎮(zhèn)定器的焦距fa及放在腔內(nèi)的位置La(距激光介質(zhì)的距離)的設(shè)計(jì)依諧振腔變換圓理論[張光寅，物理學(xué)報(bào)，固體激光腔的動(dòng)力學(xué)分析，Vol.40,1065(1991)]進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算的方法是將不同的fa,La及激光器腔長(zhǎng)L1、L2及不同熱透鏡焦距fL等參數(shù)代入諧振腔變換圓的理論公式，得到不同的激光介質(zhì)、輸出鏡M3及KTP晶體上的光斑束腰尺寸w1、w3、w4，直至隨熱透鏡焦距fL變化時(shí)w1、w3、w4基本保持穩(wěn)定，如圖4所示。由圖說明了這種方法極大地改善了腔內(nèi)激光模式的穩(wěn)定性。設(shè)計(jì)時(shí)要同時(shí)保證腔內(nèi)激光模式與泵浦光的模式匹配。本方法也適于普通的LD泵浦固體激光器。為減小損耗，光學(xué)鎮(zhèn)定器的兩表面應(yīng)鍍有相應(yīng)的基頻光(和倍頻光)增透膜，距離La一般小于10mm，光學(xué)鎮(zhèn)定器焦距fa小于最小熱透鏡焦距的1/3，一般焦距不大于50mm。實(shí)施例具有一個(gè)光學(xué)鎮(zhèn)定器的LD泵浦倍頻固體激光器，L1=180mm,L2=60mm，按本發(fā)明的設(shè)計(jì)方法得到光學(xué)鎮(zhèn)定器焦距fa為50mm，與激光介質(zhì)的距離La為5-10mm，光學(xué)鎮(zhèn)定器的兩表面應(yīng)鍍有相應(yīng)的基頻光和倍頻光增透膜，得到隨熱透鏡焦距fL變化時(shí)w1、w3、w4基本保持穩(wěn)定不變的極好結(jié)果，在實(shí)際的LD泵浦倍頻固體激光器的泵浦功率大幅度變化時(shí)仍能保持腔內(nèi)激光模式和激光光斑尺寸的穩(wěn)定性。本發(fā)明的光學(xué)鎮(zhèn)定器的安裝非常簡(jiǎn)單、方便，成本低廉，但能使得LD泵浦固體激光器和倍頻固體激光器運(yùn)行的穩(wěn)定性大大提高，其經(jīng)濟(jì)效益是巨大的。圖1是普通LD泵浦固體激光器各個(gè)反射鏡處光斑尺寸隨熱透鏡焦距變化的曲線；圖2是具有光學(xué)鎮(zhèn)定器的LD泵浦倍頻固體激光器原理示意圖其中1是激光介質(zhì)，2是光學(xué)鎮(zhèn)定器透鏡；圖3是具有光學(xué)鎮(zhèn)定器的LD泵浦倍頻固體激光器等效光路圖fL是激光介質(zhì)熱透鏡焦距，fa是光學(xué)鎮(zhèn)定器透鏡及焦距，f是折疊反射鏡M2,M3組件等效透鏡和等效透鏡焦距；圖4是具有光學(xué)鎮(zhèn)定器的LD泵浦倍頻固體激光器各個(gè)反射鏡處光斑尺寸隨熱透鏡焦距變化的曲線。權(quán)利要求1．一種激光介質(zhì)具有大幅度變化的熱透鏡效應(yīng)的LD泵浦固體激光器或倍頻固體激光器，其技術(shù)特征是在激光介質(zhì)附近放置一個(gè)被稱之為光學(xué)鎮(zhèn)定器的透鏡。2．按照權(quán)利要求1所說的固體激光器，其特征在于光學(xué)鎮(zhèn)定器的焦距fa及放在腔內(nèi)的位置距激光介質(zhì)的距離La的設(shè)計(jì)依諧振腔變換圓理論進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算的方法是將不同的fa,La及激光器腔長(zhǎng)L1、L2及不同熱透鏡焦距fL等參數(shù)代入諧振腔變換圓的理論公式，分別得到激光介質(zhì)、輸出鏡M3及KTP晶體上不同的光斑束腰尺寸w1、w3、w4，直至隨熱透鏡焦距fL大幅度變化時(shí)w1、w3、w4仍能基本保持穩(wěn)定；同時(shí)保證腔內(nèi)激光模式與泵浦光的模式匹配。3．按照權(quán)利要求1所說的固體激光器，其特征在于光學(xué)鎮(zhèn)定器的兩表面鍍有相應(yīng)的泵浦光和倍頻光增透膜。4．按照權(quán)利要求1-3所說的固體激光器，其特征在于光學(xué)鎮(zhèn)定器焦距fa為50mm，與激光介質(zhì)的距離La為5-10mm。全文摘要本發(fā)明用于解決LD泵浦的固體激光器和倍頻固體激光器在泵浦功率大幅度變化時(shí)的激光輸出穩(wěn)定性問題。本發(fā)明是一種安裝有光學(xué)鎮(zhèn)定器的LD泵浦固體激光器和倍頻固體激光器,得到了極其穩(wěn)定激光模式和激光功率輸出。本發(fā)明給出了光學(xué)鎮(zhèn)定器的設(shè)計(jì)、安裝方法。光學(xué)鎮(zhèn)定器的設(shè)計(jì)、安裝非常簡(jiǎn)單、方便,LD泵浦的固體激光器的運(yùn)行性能得到極大的改善,其經(jīng)濟(jì)效益是巨大的。文檔編號(hào)H01S3/16GK1234638SQ9910527公開日1999年11月10日申請(qǐng)日期1999年5月1日優(yōu)先權(quán)日1999年5月1日發(fā)明者張光寅,宋峰,許京軍申請(qǐng)人:南開大學(xué)