[发明专利]自倍频激光器

说明书

本发明属于激光技术和信息领域。

近年来，半导体激光器（LD）和LD泵浦的固体激光器得到迅速的发展。蓝-绿激光的波长比红外波段激光的波长更短，能被聚焦成一个更小的光斑;并且由于蓝-绿光波段是水下通讯的一个窗口，因此它在光盘，图象处理，彩色投影，激光打印，光纤通讯，光纤传感和水下光通讯等技术领域有广泛的应用。因此能产生蓝-绿激光的倍频激光器和自倍频激光器，尤其是用LD泵浦的倍频器和自倍频激光器引起了人们的极大兴趣。

LD泵浦的倍频固体激光器是一种全固化器件，具有体积小，稳定性高，效率高等优点。它将比氩离子激光器等有更广泛的应用。LD泵浦的腔外倍频器件结构简单，但是倍频效率相对低一些。一般的LD泵浦腔内倍频激光器由于在腔内添加了一块倍频晶体，从而增加了腔内损耗，降低了效率，提高了器件成本并使器件的制作困难。LD泵浦的自倍频激光器利用同时具有激光功能和倍频功能的复合功能激光晶体作为激光器工作介质，既可输出基频激光，又可输出倍频激光。它克服了前述两种倍频器件的缺点，具有结构紧凑，成本低，容易调整的优点。LD泵浦的掺钕四硼酸铝钇（NYAB）自倍频激光器，它既可产生1.062μm基频激光，又可产生0.531μm绿色倍频激光，是至今已见报道的最好的自倍频激光器。其工作原理是位于激光谐振腔内的NYAB晶体吸收LD的泵浦光后，首先产生基频光（1.062μm）振荡，同时立即把基频光转换为倍频光（0.531μm），从而形成LD泵浦的自倍频激光器。

实际应用要求自倍频激光器具有较低的阈值泵浦功率，高质量的光束和高的能量转换效率。但已见报导的自倍频激光器尚不能满足要求。虽然NYAB晶体是至今已见报道的最好的自倍频激光晶体，但是LD泵浦的NYAB激光器的阈值泵浦功率还比较高，并且大多数不能得到基横模运转，输出光束质量较差，能量转换效率还不够高。这是LD泵浦的NYAB自倍频激光器至今未能推广应用的主要原因。影响它性能的因素主要是NYAB晶体质量。NYAB晶体是用盐熔液冷却法生长出来的。由于工艺和晶体自身性质的限制，它的生长十分困难，很难得到高质量晶体。由于Nd³⁺的体积（半径为1.03）比Y³⁺的体积（半径为0.93）大一些，因此当晶格中的Y³⁺被Nd³⁺取代时，晶格产生较大的畸变，晶体内部经常产生位错、生长云层、异质结构夹层和双晶等缺陷，晶体质量不是很好，从而使器件性能大大降低。

本发明的目的是提出一种新型自倍频激光器，它除了具有直接产生波长短的绿色倍频激光、结构简单、体积小、使用方便等优点之外，还克服了见报导的LD泵浦的自倍频激光器的不足之处，具有阈值泵浦功率低、光束质量高、能量转换效率高和器件性能一致性好从而适合批量生产等优点，可以满足实际应用的要求。

本发明提出的新型自倍频激光器主要由泵浦光源、自倍频激光晶体和由放在自倍频激光晶体两端的两面反射镜构成的激光谐振腔共同组成。它的最主要的特征在于采用性能优良的掺镥钕四硼酸铝钇（Lu_xNd_gY_1-x-yAl₃（BO₃）₄，简称LNYAB）自倍频激光晶体作为激光器工作物质，泵浦光经过输入端反射镜后进入自倍频激光晶体，当泵浦光功率超过阈值泵浦功率时，在激光谐振腔输出端反射镜一端可得到倍频光输出。泵浦光源可选用LD。从泵浦光源发出的光入射到LNYAB晶体内，对其进行泵浦。为提高泵浦效率，上述自倍频激光器的半导体激光器与LNYAB晶体之间设置有耦合系统，使半导体激光器发出的光经耦合射入LNYAB晶体之中。耦合系统可以用透镜构成，也可由透镜与光纤共同组成，即先用透镜将半导体激光器发出的光束聚焦耦合进光纤的一端，再把从光纤另一端出射的光耦合到倍频晶体中。采用这种耦合系统也可使泵浦光源与自倍频激光器远离，使倍频激光器使用更方便、灵活。

本发明所述的自倍频激光器的谐振腔可以采用多种结构，如介质膜反射镜可直接在LNYAB晶体两端面上镀上介质膜反射镜，构成全内腔式自倍频激光器;也可在LNYAB晶体的一个端面上镀上介质膜反射镜，晶体的另一端放置一分离的介质膜反射镜，构成半外腔式自倍频激光器;还可以在LNYAB晶体的两端分别放置分离的介质膜反射镜，构成全外腔自倍频激光器。在上述半外腔及全外腔结构的谐振腔内，可在光路中插入调制器和选频器。