[发明专利]一种基于掺钕硼酸钙氧钆晶体的自变频固体激光器

说明书

技术领域

本发明涉及一种自变频固体激光器，特别是涉及一种基于掺钕硼酸钙氧钆(Nd:GdCOB)晶体的自变频固体激光器。

背景技术

随着激光技术的发展及其在信息存储、生物医学、激光显示、光学研究等领域越来越广泛的应用，对具有不同输出波长的固体激光器的需求也越来越迫切。可见波长激光在全色显示、医疗、印刷、娱乐和科学研究等方面都有广泛的应用。目前，获得绿光输出的主要途径是采用倍频晶体KTP、PPLN或LBO等对Nd³⁺离子产生的1.06μm激光进行倍频获得0.53μm的绿光输出。对于中小功率的绿光输出，通常采用Nd:YVO₄+KTP的方式来得到。将Nd:YVO₄和KTP晶体胶合在一起，并在胶合的晶体两端直接镀上腔镜膜，形成激光谐振腔。这种办法获得绿光的效率较高，已经实现了商业化。但是这种包含激光工作物质和倍频材料两种晶体的激光器，结构比较复杂，稳定性不是很强，而且两块晶体的胶合工艺一直限制了这种激光器的成本和发展。

自变频晶体是一个获得可见激光输出的理想方式。将激活离子掺杂入一块具有非线性光学特性的晶体，使其既是激光晶体，又具有非线性的功能。当晶体的切割方向沿相位匹配的方向切割时，就可以在晶体内部对离子产生的基频激光直接进行自倍频、自和频、自差频、或者自参量振荡，从而获得不同波长的自变频激光输出。从原理上讲，自变频激光器结构简单紧凑，稳定性强，制作成本低。近年来人们一直在探索高效的、适合实用化的自变频晶体，其中主要被研究的是自倍频晶体，其它自变频现象比较少见报道。最先实现自倍频绿光输出的晶体是Nd:MgO:LiNbO₃。但是LiNbO₃晶体的泵浦阈值高，自倍频效率很低并且具有光折变效应，不能获得实际应用。Nd_xY_1-xAl₃(BO₃)₄(NYAB)曾经被认为是最有希望实现绿光自倍频输出的晶体，用LD泵浦NYAB晶体可获得225mW的绿光输出，光光转换效率为14％。但是由于YAl(BO₃)₄(YAB)和NdAl(BO₃)₄(NAB)的晶体结构不同，造成NYAB晶体的光学均匀性较差，使生长高质量的NYAB晶体很困难，不能满足商品化的要求。由于Nd:Mg:LiNbO₃和NYAB晶体的这些缺点，阻碍了这两种激光自倍频晶体走向实用。

新型激光自变频晶体掺钕硼酸钙氧钆(Nd:GdCOB)的出现给激光自变频晶体的研究和实用化带来了新的希望。由于这类晶体可以用提拉法生长，容易得到大尺寸、高质量的单晶。用钛宝石激光器泵浦Nd:GdCOB晶体的自倍频绿光输出功率为225mW；用LD(激光二极管)泵浦Nd:GdCOB晶体的自倍频绿光输出功率为114mW；LD泵浦Nd:GdCOB晶体的平平腔激光自倍频绿光输出功率为22mW，LD泵浦Nd:GdCOB晶体微片自倍频绿光激光输出为20mW(切割方向为θ＝90°，φ＝35°)，而在其最优倍频方向上，其自倍频绿光激光输出可达960mW(切割方向为θ＝113°，φ＝36.4°)。另外，我们在该晶体自倍频的实验过程中，还发现了两个基频光的自和频现象。以上结果充分展示了Nd:GdCOB在自变频方面的研究前景和应用价值。目前，一些可以获得实际应用的自变频激光器正在设计制作之中。

鉴于Nd:GdCOB以上这些优点，本发明针对目前以Nd:YVO4+KTP为工作物质制作中小功率的绿光激光器的不足，用Nd:GdCOB一块晶体同时作为增益介质及变频元件，晶体的两个端面沿着垂直于自变频的相位匹配方向切割，在自变频晶体两端加上腔镜，或者对端面直接进行曲面加工和镀膜，形成激光谐振腔，采用能被该自变频晶体有效吸收的激光作为泵浦源(800～885nm附近)，获得936nm、1060nm、1090nm、和1332nm附近波段的基频光运转，再利用激光晶体自身具有的非线性光学效应，实现以上基频光的自倍频、自和频、自差频、或者自参量振荡的激光输出。本发明使激光器结构更加简单紧凑，简化了小功率激光器的制备工艺，降低了制作成本，并提高了激光器的可靠性和稳定性，有利于自变频激光器的应用和产业化，并推动了新型小功率自倍频绿光激光器的发展。

发明内容