[发明专利]适用于频率倍增的单模激光器及其构造方法

说明书

发明的背景

本发明总的涉及单模激光器，尤其涉及一种单模激光器结构，其中可以通过采用一频率倍增材料以提供可以在腔内倍频的单频激光器。

在已有技术中，已开发了多种单纵模激光器(以下简称SLM激光器)。人们之所以对SLM激光器感兴趣，其原因之一是通过在该激光器腔内加入一非线性材料就可以很容易地把SLM激光器转换成一倍频的结构。此外，当人们试图把不是SLM激光器的激光器转换成腔内倍频结构时往往就会遇到一些问题，下面接着就要谈到这些问题。

已有技术中的非线性倍频技术往往用于在可见和紫外光谱区域内产生相干辐射。采用这种技术获得了可以被接受的光转换效率。然而很多这种倍频激光器遇到了所谓“绿色噪声”问题。这种绿色噪声限制了它们在一些应用中的用途。具体地说，绿色噪声问题造成了幅度噪声(即倍频输出光束的强度的高低起伏)，人们相信这是由于在激光器的谐振腔内存在一纵向基模以外的其他模式从而产生增益竞争以及通过非线性倍频过程纵向模式与存在的种种模式之间的耦合现象所造成的。解决绿色噪声的最常见的方法是在激光器光线中消除激励非线性材料的其他模式(即使用SLM激光器)，从而消灭纵向模式的耦合而得到单一的倍频输出频率。

在已有技术中，研制出了多种腔内倍频纵向单模(SLM)激光器系统。一种实现SLM运转的方法是通过使用环形激光器。在环形激光器中，由于单向行波而消灭了空间烧孔现象。SLM运转就这样在一个均匀加宽的激光系统中得以实现。1991年10月1日授予Nightingale等人的美国专利第5,052,815号公开了一个腔内倍频SLM激光器的例子。使用环形激光器的主要缺点之一是环形激光器难以对准和操作。此外，环形激光器通常比简单的线性腔复杂，因为它要用上光二极管及往复延迟补偿器。此外，环形激光器的光束瞄准稳定性通常没有使用线性腔的好。然而，因为行波均匀地抽取出所有可以得到的增益，因此人们通常认为环形激光器与驻波线性腔相比是更为有效的。但是，在一腔内倍频激光器中，环形激光器不一定比线性腔更为有效，因为对于单向运转来说，环形腔需要较多的腔内元件。与倍频线性几何形状的腔相比，较多的元件在倍频环形腔内产生了较多的腔内损失，因为腔内倍频激光系统对腔的损失是极端敏感的。显然，损失一多，倍频的功率就小了。

1992年11月17日授予Lukas等人的美国专利第5,164,947号披露了形成SLM激光器的另一种技术。在这个专利中，使用了挠曲模式技术以消灭空间烧孔现象而获得SLM运转。所述激光腔包括一输入反射镜和一输出耦合器，它们共同形成一线性激光腔。在此激光腔内，一激射工作物质棒插在两个四分之一波长片之间，还在激光器内腔设置一偏振器和一非线性光学晶体以形成基波的偏振方向以及产生频率为基波两倍的输出辐射。激光器模式在激射工作物质棒中是圆偏振的，产生一驻波，其中电场矢量旋转通过增益介质而且其中在增益介质内没有驻波节。这样就消灭了空间烧孔现象。然而这一方法有它的固有缺点而且往往难以实施。首先，它需要在腔内设置两块非常精确的四分之一波长片；其次激光棒必须是非双折射的。这种要求把该激光器限于为数较少的激光器主体。此外，激光器晶体是光激励的，由热和应力引起的双折射将在增益介质中引入烧孔现象，从而再次产生多模运转。从实施的观点来看，这种激光器设计的复杂性也使得它难以定标及操作。