專利名稱：全固體多波長激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于激光器結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，尤其是涉及固體激光器的多波長輸出技術(shù)領(lǐng)域。
目前用克爾透鏡鎖模鈦寶石激光器可產(chǎn)生短至幾個飛秒的激光脈沖，而且最短脈沖的記錄還在不斷地縮短以滿足某些基礎(chǔ)學(xué)科中超快過程研究的需要。另一方面短波長超短脈沖激光如藍(lán)光、紫外光等在諸如生物學(xué)、醫(yī)學(xué)診治等領(lǐng)域有很廣泛的應(yīng)用。而利用光學(xué)性質(zhì)和物理性能優(yōu)異的鈦寶石和各種倍頻晶體組成的波長各異的全固體脈沖激光系統(tǒng)，以其波長可變、結(jié)構(gòu)緊湊、性能穩(wěn)定等優(yōu)點將會得到越來越多的應(yīng)用。但這種類型的激光器尚未見有報道，而鈦寶石飛秒激光脈沖的二次諧波產(chǎn)生已有大量報道。
本發(fā)明的目的是設(shè)計一種全固體多波長脈沖激光器，力求激光器的結(jié)構(gòu)緊湊、性能穩(wěn)定、操作簡單、轉(zhuǎn)換效率高。
本發(fā)明所設(shè)計的全固體多波長激光器，包括有半導(dǎo)體泵浦的Q-YLF激光器、反射鏡和透鏡、鈦寶石激光腔、非線性晶體LBO和BBO、分光棱鏡；本發(fā)明的特點是，用半導(dǎo)體泵浦的Q-YLF激光器作為泵浦源，其輸出的532nm激光脈沖經(jīng)兩只全反射鏡M1和M2調(diào)平后，通過聚焦透鏡f1聚焦于鈦寶石激光腔，鈦寶石激光腔輸出的激光脈沖至半反半透的雙色膜反射鏡把532nm的綠光與830nm的紅外光分開，其中830nm激光脈沖再經(jīng)兩只全反射鏡M3和M4調(diào)平后，通過聚焦透鏡f2聚焦于非線性晶體LBO進(jìn)行倍頻，產(chǎn)生的倍頻光經(jīng)兩只反射鏡M5和M6過濾并調(diào)平后，將415nm的藍(lán)光通過聚焦透鏡f3聚焦于非線性晶體BBO再次倍頻，再次倍頻產(chǎn)生的倍頻光通過準(zhǔn)直透鏡f4到達(dá)分光棱鏡P，分別輸出415nm的藍(lán)光和208nm的紫外光。
其中，全反射鏡M1、M2、M3、M4上的鍍膜為全反射膜，而半反半透鏡M7、M5、M6上的鍍膜為雙色膜；M7上的雙色膜對532nm綠光全反對830nm紅外光全透，或者是對532nm綠光全透對830nm紅外光全反；反射鏡M5和M6上的雙色膜對415nm藍(lán)光全反射對830nm紅外光全透。本發(fā)明所述的各種鍍膜的制作均為已有的成熟技術(shù)。
本發(fā)明的特點還在于，所述的鈦寶石激光腔采用凹-平面鏡組成的穩(wěn)定腔結(jié)構(gòu)，其中前腔鏡M為凹面透鏡對532nm綠光全透對830nm紅外光全反，后腔鏡MO為平面鏡對532nm綠光全透對830nm紅外光透過8-15％，腔內(nèi)鈦寶石Ti∶S的長度為20mm，應(yīng)離焦放置；另外，在后腔鏡MO與鈦寶石之間還可以設(shè)置有精密波長調(diào)諧裝置BF用于提高輸出波長精度。該裝置已另案申請中國專利(申請?zhí)枮?1212931.3)，這里不再贅述。
本發(fā)明的特征還在于，所述的反射鏡M7若對532nm綠光全反對830nm紅外光全透，則反射的532nm綠光輸出，透射的830nm紅外光由反射鏡M3和M4調(diào)平，此時在反射鏡M3或M4的位置沿鏡面方向設(shè)置有滑軌，能把M3或M4任一反射鏡平移開，使830nm紅外光輸出；若去掉半透半反反射鏡M7則到達(dá)反射鏡M3上的光為混合光，此時將M3制成半透半反的雙色膜反射鏡，其將532nm綠光全透過輸出，將830nm紅外光全反射至M4，M3和M4共同完成調(diào)平，并在M4的鏡面方向設(shè)有滑軌，M4的平移可使830nm紅外光輸出。
附

圖1為本發(fā)明所設(shè)計全固體多波長激光器的結(jié)構(gòu)原理圖。圖中Diode-Q-YLF為半導(dǎo)體泵浦的Q-YLF倍頻激光器(美國Photonics Industries DS-20)；M1和M2為全反射鏡，二者共同完成對532nm光的調(diào)平；f1為聚焦透鏡；M、Ti∶S和MO共同構(gòu)成鈦寶石激光腔，前腔鏡M為凹面鏡對532nm光全透對830nm光全反，后腔鏡MO為平面鏡對532nm光全透對830nm光透過8-15％；BF為精密波長調(diào)諧裝置，可以設(shè)置在鈦寶石與后腔鏡之間任意位置，呈Brewster角插入光路；M7為半反半透的雙色膜反射鏡，對532nm光全反對830nm光全透，呈45°角放置；M3和M4為全反射鏡，二者共同完成對830nm光的調(diào)平；f2為聚焦透鏡；LBO和BBO為倍頻晶體，其為非線性晶體，由山東大學(xué)生產(chǎn)；M5和M6為雙色膜反射鏡，對415nm光全反射對其他光(主要是830nm)全透過，二者共同完成對415nm光的調(diào)平；f3為聚焦透鏡；f4為準(zhǔn)直透鏡；P為分光棱鏡，可采用透紫外(石英)棱鏡。
由上述可以看出，本發(fā)明采用高效全固化結(jié)構(gòu)可在單一系統(tǒng)中產(chǎn)生多個不同波長的脈沖激光，具有以下優(yōu)點。①整個系統(tǒng)從泵浦源到各中間過程全部采用固體激光器件，從而保證了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、性能穩(wěn)定、體積小的特點。②考慮到Y(jié)LF激光器光束細(xì)及保護鈦寶石端面不受損傷二方面的因素，在設(shè)計鈦寶石激光腔時，重點優(yōu)化了泵浦透鏡的焦距，使腔模與泵浦光束最佳匹配，并離焦放置鈦寶石棒以避免聚焦光斑損傷，按此設(shè)計的鈦寶石激光腔輸出效率達(dá)40％。③由于基波光后續(xù)的四倍頻過程獲得的紫外光已接近BBO晶體的增益邊緣波段，需要精密調(diào)諧鈦寶石基波光的波長以保證四倍頻波長處在相對較高的增益區(qū)和窄的光譜帶寬，所以在本系統(tǒng)中設(shè)置有精密波長調(diào)諧裝置，保證了四倍頻過程的高轉(zhuǎn)換效率。④在通常的倍頻過程中都要采用“聚焦基波光-晶體-準(zhǔn)直倍頻光”結(jié)構(gòu)，一次倍頻需要前后兩個透鏡；若按此結(jié)構(gòu)，兩次倍頻則需要四個透鏡，這會使系統(tǒng)龐雜，激光四次通過透鏡，按優(yōu)質(zhì)石英材料透鏡8％的損耗計算，在通過四個透鏡后光功率降低至72％，可見損耗很大；本發(fā)明在兩次倍頻中采用成像式結(jié)構(gòu)，只需兩個透鏡即可。為了避免成像縮小導(dǎo)致415nm藍(lán)光像光斑損傷BBO晶體，應(yīng)使LBO晶體處在透鏡f3的二倍聚焦以內(nèi)。
按照以上要求措施，本發(fā)明人制出一臺全固體多波長激光器樣機，該系統(tǒng)從泵浦到波長變換過程均采用全固體器件，YLF泵浦源尺寸為20×15×50cm,830nm、415nm及208nm組成的系統(tǒng)為20×25×50cm，所制作的多波長激光器由半導(dǎo)體泵浦的YLF調(diào)Q腔內(nèi)倍頻激光器輸出532nm激光泵浦鈦寶石激光腔產(chǎn)生波長830nm紅外光；其中聚焦透鏡f1焦距為15cm，前腔鏡(凹面鏡)M與后腔鏡(平面鏡)MO構(gòu)成激光腔，凹面鏡M鍍有雙色膜對830nm光全反，對532nm光全透；平面鏡MO鍍膜對830nm激光有10％輸出率；以此作為基頻光用非線性晶體LBO倍頻后產(chǎn)生415nm的藍(lán)光，聚焦透鏡f2焦距為6.5cm，晶體長度為10mm(可任選)；用BBO晶體作進(jìn)一步倍頻后輸出208nm的深紫外光，聚焦透鏡f3焦距為12.5cm，晶體長度10mm(可任選)；準(zhǔn)直透鏡f4的焦距為65mm。為防止晶體潮解，倍頻晶體LBO和BBO被分別設(shè)置在密封盒體內(nèi)，盒體兩端(通過光路的)窗口呈Bvewster角。
經(jīng)檢測，當(dāng)泵浦源YLF激光器在重復(fù)頻率1KHz、輸出功率為3.6W時，830nm紅外光可輸出最大平均功率1.1W；415nm藍(lán)光的最大輸出380mW；208nm紫外光的最大輸出39mW。計算倍頻和四倍頻過程中聚焦透鏡的損耗、及晶體表面反射等各種損耗，得知LBO倍頻效率為40％，BBO四倍頻效率為12％，這在目前是最高的。用戶可根據(jù)不同用途選擇不同輸出波長。
權(quán)利要求
1．一種全固體多波長激光器，采用有半導(dǎo)體泵浦的Q-YLF激光器、反射鏡和透鏡、鈦寶石激光腔、非線性晶體LBO和BBO、分光棱鏡，其特征在于，用半導(dǎo)體泵浦的Q-YLF激光器作為泵浦源，其輸出的532nm激光脈沖經(jīng)兩只全反射鏡M1和M2調(diào)平后，通過聚焦透鏡f1聚焦于鈦寶石激光腔，鈦寶石激光腔輸出的脈沖激光至半透半反的雙色膜反射鏡把532nm的綠光與830nm的紅外光分開，其中830nm紅外光再經(jīng)兩只全反射鏡M3和M4調(diào)平后，通過聚焦透鏡f2聚焦于非線性晶體LBO進(jìn)行倍頻，產(chǎn)生的倍頻光經(jīng)兩只反射鏡M5和M6過濾并調(diào)平后，將415nm藍(lán)光通過聚焦透鏡f3聚焦于非線性晶體BBO再次倍頻，再次倍頻產(chǎn)生的倍頻光通過準(zhǔn)直透鏡f4到達(dá)分光棱鏡P，分別輸出415nm藍(lán)光和208nm紫外光。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的多波長激光器，其特征在于，所述的鈦寶石激光腔的前腔鏡M為凹面透鏡，對532nm綠光全透對830nm紅外光全反，后腔鏡MO為平面鏡，對532nm綠光全透對830nm紅外光透過8-15％，腔內(nèi)鈦寶石Ti∶S的長度為20mm，并離焦放置。
3．根據(jù)權(quán)利要求2所述的多波長激光器，其特征在于，在鈦寶石激光腔內(nèi)的后腔鏡MO與鈦寶石之間設(shè)置有精密波長調(diào)諧裝置BF，其在光路中呈Brewster角放置。
4．根據(jù)權(quán)利要求3所述的多波長激光器，其特征在于，在后腔鏡MO和反射鏡M3之間的光路上斜置有半透半反的雙色膜反射鏡M7，其對532nm綠光全反射輸出，對830nm紅外光全透射到反射鏡M3，由反射鏡M3和M4完成調(diào)平；在反射鏡M3或M4的位置沿鏡面方向設(shè)置有滑軌，能把反射鏡M3或M4平移開，使830nm紅外光輸出。
5．根據(jù)權(quán)利要求3所述的多波長激光器，其特征在于，在后腔鏡MO之后的反射鏡M3為半透半反的雙色膜反射鏡，其對532nm綠光全透射輸出，對830nm紅外光全反射到達(dá)反射鏡M4，由反射鏡M3和M4完成調(diào)平；在反射鏡M4的位置沿鏡面方向設(shè)置有滑軌，M4的平移能使830nm紅外光輸出。
6．根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的多波長激光器，其特征在于，所述的倍頻晶體LBO和BBO被分別置于密封盒體內(nèi)放置在光路中，其通過光路的兩端窗口在光路中呈Brewster角。
全文摘要
一種全固體多波長激光器,本發(fā)明用Diode－Q－YLF激光器輸出的532nm光泵浦鈦寶石激光腔,其輸出的激光由半反半透鏡把523nm綠光和830nm紅外光分開,830nm光經(jīng)調(diào)平聚焦至倍頻晶體LBO,產(chǎn)生的倍頻光經(jīng)過濾并調(diào)平將415nm藍(lán)光聚焦至倍頻晶體BBO,四倍頻的光通過準(zhǔn)直后到分光棱鏡,分別輸出415nm藍(lán)光和208nm紫外光。本發(fā)明為全固化結(jié)構(gòu),能輸出多個不同波長的激光脈沖,具有結(jié)構(gòu)緊湊、性能穩(wěn)定、操作簡單、轉(zhuǎn)換效率高的優(yōu)點。
文檔編號H01S3/16GK1300122SQ01106708
公開日2001年6月20日 申請日期2001年1月12日 優(yōu)先權(quán)日2001年1月12日
發(fā)明者陳國夫, 趙尚弘, 趙衛(wèi), 王屹山 申請人:中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機械研究所