專利名稱：一種上轉(zhuǎn)換自倍頻紫外激光器的制作方法
一種上轉(zhuǎn)換自倍頻紫外激光器涉及激光晶體和固體激光器設(shè)計(jì)領(lǐng)域。
一種上轉(zhuǎn)換自倍頻紫外激光器，固體激光器具有光束質(zhì)量高、運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定可靠、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。隨著激光技術(shù)的發(fā)展及其在信息存儲(chǔ)、光計(jì)算和光譜測(cè)量等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，短波長(zhǎng)固體激光特別是紫外固體激光器件日益引起人們的關(guān)注?，F(xiàn)有的固體紫外激光一般采用紅外半導(dǎo)體激光泵浦輸出波長(zhǎng)比該半導(dǎo)體激光更長(zhǎng)的固體基波激光，再經(jīng)過(guò)至少兩次倍頻或和頻過(guò)程才能得到。其激光器件中除了一塊激光晶體外還需要采用兩塊以上的非線性光學(xué)晶體。這就使得器件結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，價(jià)格比較昂貴。使用過(guò)程中需要經(jīng)常對(duì)其中的非線性光學(xué)器件進(jìn)行調(diào)整和校正，維護(hù)成本較高，穩(wěn)定性和可靠性都比較差，對(duì)使用環(huán)境的要求也比較高，在很多領(lǐng)域無(wú)法應(yīng)用。
一種上轉(zhuǎn)換自倍頻紫外激光器設(shè)計(jì)由一個(gè)紅外光泵浦的單一激光晶體構(gòu)成的紫外固體激光器，將紅外光有效地轉(zhuǎn)變成為紫外固體激光輸出。目的在于解決當(dāng)前通過(guò)紅外光泵浦輸出紫外固體激光需要采用一系列的非線性光學(xué)器件所帶來(lái)的激光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維護(hù)困難、價(jià)格昂貴等問(wèn)題，使得器件盡量緊湊和小型化，同時(shí)提高運(yùn)行穩(wěn)定性，降低器件成本。
本發(fā)明采用如下技術(shù)方案本固體紫外激光器采用的激光晶體為，摻雜能夠產(chǎn)生頻率上轉(zhuǎn)換激光的稀土離子作為激活離子的非線性光學(xué)晶體，該類晶體具有非線性光學(xué)效應(yīng)和通過(guò)激發(fā)態(tài)吸收或能量傳遞等過(guò)程產(chǎn)生頻率上轉(zhuǎn)換激光的雙重功能，可以稱之為上轉(zhuǎn)換非線性激光晶體。例如在目前已有的非線性光學(xué)晶體GdxY1-xAl3(BO3)4，Ca4GdxY1-xO(BO3)3，Gd2xY2(1-x)(MoO4)3，(其中x可以從0變化到1)，LaSc3(BO3)4中，以稀土離子如Pr3+、Nd3+、Ho3+、Er3+、Tm3+等，作為激活離子全部或部分取代Gd3+、Y3+或La3+離子。或者其他可被稀土離子激活的非線性光學(xué)晶體，如RE3+:MgO:LiNbO3、RE3+:ZnO:LiNbO3(RE＝Pr、Ho、Er、Tm等稀土離子)等。
將上轉(zhuǎn)換非線性激光晶體的兩端面，沿垂直于倍頻上轉(zhuǎn)換基波激光的相位匹配方向切割，并與相應(yīng)的鍍膜片構(gòu)成固體激光器。
本固體紫外激光器采用紅外光泵浦。經(jīng)過(guò)激活離子的頻率上轉(zhuǎn)換過(guò)程使得基波激光的波長(zhǎng)短于泵浦的紅外光波長(zhǎng)，再利用非線性激光晶體自身具有的非線性光學(xué)效應(yīng)將該基波激光倍頻輸出高光束質(zhì)量的紫外激光。故稱該器件為上轉(zhuǎn)換自倍頻紫外激光器。
現(xiàn)結(jié)合附圖
來(lái)說(shuō)明本發(fā)明方案的實(shí)現(xiàn)方式首先，根據(jù)紅外泵浦光的情況和出射激光的要求，選擇合適的稀土離子作為激活離子與合適的非線性光學(xué)晶體作為基質(zhì)晶體，進(jìn)行上轉(zhuǎn)換非線性激光晶體生長(zhǎng)。再根據(jù)倍頻需要對(duì)上轉(zhuǎn)換非線性激光晶體(1)進(jìn)行定向切割，使其入射和出射端面與所需的相位匹配方向垂直，晶體的長(zhǎng)度可根據(jù)具體的材料和器件的要求確定(一般在毫米到幾十厘米之間)，端面積一般在毫米見(jiàn)方到厘米見(jiàn)方之間。之后將該晶體置于兩個(gè)適合激光運(yùn)轉(zhuǎn)的介質(zhì)膜片(2)和(3)構(gòu)成的激光腔中，便是一個(gè)適于紅外光沿方向(4)端面泵浦或沿方向(5)側(cè)向泵浦的單一晶體自倍頻紫外激光器，沿方向(6)輸出紫外激光。
可以在上轉(zhuǎn)換非線性激光晶體中摻雜百分之一到百分之九十九摩爾濃度的敏化離子，如Yb3+等，以增強(qiáng)對(duì)泵浦光的吸收，提高激光運(yùn)轉(zhuǎn)效率。在上轉(zhuǎn)換非線性激光晶體的兩端面鍍泵浦光、基波光和紫外光的增透膜，可以提高激光運(yùn)轉(zhuǎn)效率。
直接在上轉(zhuǎn)換非線性激光晶體的兩端面鍍膜，可以直接構(gòu)成一個(gè)沒(méi)有入射腔鏡和出射腔鏡，但具有相同功能的激光器。
實(shí)施本發(fā)明具有的有益的效果如下與已有的需要采用兩塊以上非線性光學(xué)晶體的紅外光泵浦紫外激光系統(tǒng)相比，本發(fā)明由單一上轉(zhuǎn)換非線性激光晶體構(gòu)成的激光器經(jīng)紅外光泵浦即可輸出紫外激光。本發(fā)明使得紫外激光器件更加緊湊，克服了器件制造、維護(hù)、調(diào)整的復(fù)雜性，降低了制造和維護(hù)成本，提高了運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性和可靠性，便于各種環(huán)境條件下使用，將進(jìn)一步拓展紫外激光的應(yīng)用領(lǐng)域。
一種上轉(zhuǎn)換自倍頻紫外激光器的結(jié)構(gòu)如附圖所示，其中(1)是頻率上轉(zhuǎn)換非線性激光晶體，其端面沿垂直于倍頻上轉(zhuǎn)換基波激光的相位匹配方向切割；(2)是激光腔的入射鍍膜腔鏡；(3)是激光腔的出射鍍膜腔鏡；(4)是端面泵浦的紅外光入射方向；(5)是側(cè)向泵浦的紅外光入射方向；(6)是紫外激光出射方向。
一種上轉(zhuǎn)換自倍頻紫外激光器的實(shí)施例如下實(shí)例1830nm波長(zhǎng)的紅外光泵浦摻Pr3+上轉(zhuǎn)換非線性激光晶體產(chǎn)生720nm上轉(zhuǎn)換基波激光(3P0→3F4)，再自倍頻產(chǎn)生360nm紫外激光輸出。上轉(zhuǎn)換非線性激光晶體PrxY1-xAl3(BO3)4(x在0.001到1之間)兩端面沿垂直于I類相位匹配角θ＝48.2°(該匹配角可能需要根據(jù)不同的摻雜濃度x作適當(dāng)調(diào)整)定向切割，同時(shí)確定晶體的大小(一般為端面積在平方毫米到平方厘米，長(zhǎng)度為幾毫米到幾十厘米之間的方柱或圓柱)，端面拋光后置于激光腔中。入射鍍膜腔鏡(2)在泵浦光波長(zhǎng)830nm附近高透、基波激光波長(zhǎng)720nm附近高反(R＞99％)；出射鍍膜腔鏡(3)在830nm和720nm附近高反(R＞99％)、360nm附近透過(guò)率＞75％。這便是一個(gè)適于830nm紅外光沿方向(4)或(5)泵浦的上轉(zhuǎn)換自倍頻紫外激光器，沿方向(6)輸出360nm波長(zhǎng)的紫外激光。
實(shí)例2800nm附近波長(zhǎng)的紅外光泵浦摻Er3+上轉(zhuǎn)換非線性激光晶體產(chǎn)生671nm上轉(zhuǎn)換基波激光(4F9/2→4I15/2)，再自倍頻產(chǎn)生336nm紫外激光輸出。上轉(zhuǎn)換非線性激光晶體ErxY1-xAl3(BO3)4(x在0.001到1之間)兩端面沿垂直于I類相位匹配角θ＝53.25°定向切割(該匹配角可能需要根據(jù)不同的摻雜濃度x作適當(dāng)調(diào)整)，同時(shí)確定晶體的大小(一般為端面積在平方毫米到平方厘米，長(zhǎng)度為幾毫米到幾十厘米之間的方柱或圓柱)，端面拋光后置于激光腔中。入射鍍膜腔鏡(2)在泵浦光波長(zhǎng)800nm附近高透、基波激光波長(zhǎng)671nm附近高反(R＞99％)；出射鍍膜腔鏡(3)在800nm和671nm附近高反(R＞99％)、336nm附近透過(guò)率＞75％。這便是一個(gè)適于800nm紅外光沿方向(4)或(5)泵浦的上轉(zhuǎn)換自倍頻紫外激光器，沿方向(6)輸出336nm波長(zhǎng)的紫外激光。
實(shí)例3969nm波長(zhǎng)的紅外光泵浦摻Tm3+上轉(zhuǎn)換非線性激光晶體產(chǎn)生650nm上轉(zhuǎn)換基波激光(1G4→3F4)，再自倍頻產(chǎn)生325nm紫外激光輸出。上轉(zhuǎn)換非線性激光晶體TmxY1-xAl3(BO3)4(x在0.001到1之間)兩端面沿垂直于I類相位匹配角θ＝55.9°定向切割(該匹配角可能需要根據(jù)不同的摻雜濃度x作適當(dāng)調(diào)整)，同時(shí)確定晶體的大小(一般為端面積在平方毫米到平方厘米，長(zhǎng)度為幾毫米到幾十厘米之間的方柱或圓柱)，端面拋光后置于激光腔中。入射鍍膜腔鏡(2)在泵浦光波長(zhǎng)969nm附近高透、基波激光波長(zhǎng)650nm附近高反(R＞99％)；出射鍍膜腔鏡(3)在969nm和650nm附近高反(R＞99％)、325nm附近透過(guò)率＞75％。這便是一個(gè)適于969nm紅外光沿方向(4)或(5)泵浦的上轉(zhuǎn)換自倍頻紫外激光器，沿方向(6)輸出325nm波長(zhǎng)的紫外激光。
實(shí)例4830nm波長(zhǎng)的紅外光泵浦摻Pr3+上轉(zhuǎn)換非線性激光晶體產(chǎn)生635nm上轉(zhuǎn)換基波激光(3P0→3F2)，再自倍頻產(chǎn)生318nm紫外激光輸出。上轉(zhuǎn)換非線性激光晶體PrxY1-xAl3(BO3)4(x在0.001到1之間)兩端面沿垂直于I類相位匹配角θ＝58.0°定向切割(該匹配角可能需要根據(jù)不同的摻雜濃度x作適當(dāng)調(diào)整)，同時(shí)確定晶體的大小(一般為端面積在平方毫米到平方厘米，長(zhǎng)度為幾毫米到幾十厘米之間的方柱或圓柱)，端面拋光后置于激光腔中。入射鍍膜腔鏡(2)在泵浦光波長(zhǎng)830nm附近高透、基波激光波長(zhǎng)635nm附近高反(R＞99％)；出射鍍膜腔鏡(3)在830nm和635nm附近高反(R＞99％)、318nm附近透過(guò)率＞75％。這便是一個(gè)適于830nm紅外光沿方向(4)或(5)泵浦的上轉(zhuǎn)換自倍頻紫外激光器，沿方向(6)輸出318nm波長(zhǎng)的紫外激光。
實(shí)例5800nm附近波長(zhǎng)的紅外光泵浦摻Er3+上轉(zhuǎn)換非線性激光晶體產(chǎn)生551nm上轉(zhuǎn)換基波激光(4S3/2→4I15/2)，再自倍頻產(chǎn)生276nm紫外激光輸出。上轉(zhuǎn)換非線性激光晶體ErxY1-xAl3(BO3)4(x在0.001到1之間)兩端面沿垂直于I類相位匹配角θ＝79.5°定向切割(該匹配角可能需要根據(jù)不同的摻雜濃度x作適當(dāng)調(diào)整)，同時(shí)確定晶體的大小(一般為端面積在平方毫米到平方厘米，長(zhǎng)度為幾毫米到幾十厘米之間的方柱或圓柱)，端面拋光后置于激光腔中。入射鍍膜腔鏡(2)在泵浦光波長(zhǎng)800nm附近高透、基波激光波長(zhǎng)551nm附近高反(R＞99％)；出射鍍膜腔鏡(3)在800nm和551nm附近高反(R＞99％)、276nm附近透過(guò)率＞75％。這便是一個(gè)適于800nm紅外光沿方向(4)或(5)泵浦的上轉(zhuǎn)換自倍頻紫外激光器，沿方向(6)輸出276nm波長(zhǎng)的紫外激光。
權(quán)利要求
1.一種上轉(zhuǎn)換自倍頻紫外激光器，是由紅外光泵浦系統(tǒng)、激光腔和上轉(zhuǎn)換非線性激光晶體組成，其特征在于激光腔中只用一塊上轉(zhuǎn)換非線性激光晶體，該非線性激光晶體采用GdxY1-xAl3(BO3)4，Ca4GdxY1-xO(BO3)3，Gd2xY2(1-x)(MoO4)3，(其中x可以從0變化到1)或LaSc3(BO3)4中的一種非線性光學(xué)晶體，以稀土離子Pr3+、Nd3+、Ho3+、Er3+或Tm3+，作為激活離子全部或部分取代Gd3+、Y3+或La3+離子；或者采用其他可被稀土離子激活的非線性光學(xué)晶體RE3+:MgO:LiNbO3或RE3+:ZnO:LiNbO3，RE＝Pr、Nd、Ho、Er或Tm稀土離子。
2.如權(quán)利要求1所述的一種上轉(zhuǎn)換自倍頻紫外激光器，其特征在于所述的上轉(zhuǎn)換非線性激光晶體，其兩端面沿垂直于自倍頻的相位匹配方向切割，晶體的長(zhǎng)度根據(jù)具體的材料和器件的要求確定。
3.如權(quán)利要求1所述的一種上轉(zhuǎn)換自倍頻紫外激光器，其特征在于所述的上轉(zhuǎn)換非線性激光晶體中摻雜百分之一到百分之九十九摩爾濃度的敏化離子Yb3+。
4.如權(quán)利要求1所述的一種上轉(zhuǎn)換自倍頻紫外激光器，其特征在于所述的上轉(zhuǎn)換非線性激光晶體的兩端面鍍泵浦光、基波光和紫外光的增透膜。
5.一種權(quán)利要求1的上轉(zhuǎn)換自倍頻紫外激光器，其特征在于直接在上轉(zhuǎn)換非線性激光晶體的兩端面鍍膜，構(gòu)成一個(gè)沒(méi)有入射腔鏡和出射腔鏡的紫外激光器。
全文摘要
一種上轉(zhuǎn)換自倍頻紫外激光器涉及激光晶體和固體激光器設(shè)計(jì)領(lǐng)域。將頻率上轉(zhuǎn)換非線性激光晶體的兩端面沿垂直于倍頻基波激光的相位匹配方向切割并與相應(yīng)的鍍膜片構(gòu)成固體激光器，利用紅外光泵浦輸出紫外激光。該器件由一塊晶體和一對(duì)激光腔鏡構(gòu)成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，穩(wěn)定性和可靠性高。
文檔編號(hào)H01S3/16GK1464600SQ0212462
公開(kāi)日2003年12月31日 申請(qǐng)日期2002年6月20日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月20日
發(fā)明者黃藝東, 黃妙良, 陳雨金, 龔興紅, 羅遵度 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所