專利名稱：一種上轉(zhuǎn)換腔內(nèi)倍頻紫外激光器的制作方法
一種上轉(zhuǎn)換腔內(nèi)倍頻紫外激光器涉及固體激光器設(shè)計領(lǐng)域。
一種上轉(zhuǎn)換腔內(nèi)倍頻紫外激光器，固體激光器具有光束質(zhì)量高、運轉(zhuǎn)穩(wěn)定可靠、使用壽命長等優(yōu)點。隨著激光技術(shù)的發(fā)展及其在信息存儲、光計算和光譜測量等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，短波長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。現(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比該半導(dǎo)體激光更長的固體基波激光，再經(jīng)過至少兩次倍頻或和頻過程才能得到。其激光器件中除了一塊激光介質(zhì)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，價格比較昂貴。使用過程中需要經(jīng)常對其中的非線性光學(xué)器件進行調(diào)整和校正，維護成本較高，穩(wěn)定性和可靠性都比較差，對使用環(huán)境的要求也比較高，在很多領(lǐng)域無法應(yīng)用。采用上轉(zhuǎn)換自倍頻方案雖然使器件的緊湊性達到極致，但非線性激光晶體往往存在著對紫外激光的自吸收，約束了器件的運轉(zhuǎn)效率和出射波長范圍，上轉(zhuǎn)換激光性能和非線性光學(xué)性能均較好的晶體材料也較難得到。本方案采用頻率上轉(zhuǎn)換激光晶體使得基波激光的波長短于泵浦的紅外光波長，再利用非線性光學(xué)晶體將該基波激光高效倍頻輸出高光束質(zhì)量的紫外激光，可以使紫外激光的輸出范圍更大，運轉(zhuǎn)效率更高。
一種上轉(zhuǎn)換腔內(nèi)倍頻紫外激光器設(shè)計一個紅外光泵浦的由激光介質(zhì)和一塊非線性光學(xué)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)器件所帶來的激光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維護困難、價格昂貴等問題，使得器件盡量緊湊和小型化，同時提高運行穩(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介質(zhì)為可被能夠產(chǎn)生頻率上轉(zhuǎn)換激光的稀土離子，如Pr3+、Nd3+、Ho3+、Er3+、Tm3+等稀土離子摻雜的YAlO3、LiYF4、YAG、LaF3等晶體，摻雜濃度在0.5at.％～30at.％；摻上述離子的氟化物玻璃和透明陶瓷等，摻雜濃度在0.5at.％～30at.％。該類激光介質(zhì)可稱之為頻率上轉(zhuǎn)換激光介質(zhì)。采用非線性光學(xué)晶體(如KTP、LBO、BBO、KNbO3等)對上轉(zhuǎn)換基波激光進行腔內(nèi)倍頻。再與相應(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)過激活離子的頻率上轉(zhuǎn)換過程使得基波激光的波長短于泵浦的紅外光波長，再利用非線性光學(xué)晶體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)換腔內(nèi)倍頻紫外激光器。
現(xiàn)結(jié)合附圖
來說明本發(fā)明方案的實現(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制備頻率上轉(zhuǎn)換激光介質(zhì)。再對頻率上轉(zhuǎn)換激光介質(zhì)進行切割和端面拋光，頻率上轉(zhuǎn)換激光介質(zhì)(1)的長度可根據(jù)具體的材料和器件的要求確定(一般在幾百微米到幾十厘米之間)，端面積一般在毫米見方到厘米見方之間。根據(jù)倍頻上轉(zhuǎn)換基波激光的相位匹配需要對非線性光學(xué)晶體(2)進行定向切割，使其入射和出射端面與所需的相位匹配方向垂直，晶體的長度可根據(jù)具體的材料和器件的要求確定(一般在幾毫米到幾厘米之間)，端面積一般在毫米見方到厘米見方之間。之后將頻率上轉(zhuǎn)換激光介質(zhì)和非線性光學(xué)晶體置于兩個適合上轉(zhuǎn)換腔內(nèi)倍頻紫外激光運轉(zhuǎn)的入射鍍膜腔鏡(3)和出射鍍膜腔鏡(4)構(gòu)成的激光腔中，二者的位置可以根據(jù)具體情況互換，以達到最佳輸出效果。便是一個適于紅外光沿方向(5)端面泵浦或沿方向(6)側(cè)向泵浦的上轉(zhuǎn)換腔內(nèi)倍頻紫外激光器，沿方向(7)輸出紫外激光。
可以在頻率上轉(zhuǎn)換激光介質(zhì)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，以增強對泵浦光的吸收，提高激光運轉(zhuǎn)效率。在頻率上轉(zhuǎn)換激光介質(zhì)和非線性光學(xué)晶體的兩端面鍍泵浦光、基波光和紫外光的增透膜，可以提高激光運轉(zhuǎn)效率。
在最靠近入射鍍膜腔鏡和出射鍍膜腔鏡的頻率上轉(zhuǎn)換激光介質(zhì)或非線性光學(xué)晶體的端面鍍適合上轉(zhuǎn)換腔內(nèi)倍頻紫外激光運轉(zhuǎn)的介質(zhì)膜，取代入射鍍膜腔鏡(3)和出射鍍膜腔鏡(4)，可以直接構(gòu)成一個沒有入射腔鏡和出射腔鏡，但具有相同功能的激光器。
一種上轉(zhuǎn)換腔內(nèi)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)換激光介質(zhì)；(2)是非線性光學(xué)晶體；(3)入射鍍膜腔鏡；(4)出射鍍膜腔鏡；(5)是端面泵浦的紅外光入射方向；(6)是側(cè)向泵浦的紅外光入射方向；(7)是紫外激光出射方向。
實施本發(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)明由一塊頻率上轉(zhuǎn)換激光介質(zhì)和一塊非線性光學(xué)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、調(diào)整的復(fù)雜性，降低了制造和維護成本，提高了運轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性和可靠性，便于各種環(huán)境條件下使用，將進一步拓展紫外激光的應(yīng)用領(lǐng)域。
一種上轉(zhuǎn)換腔內(nèi)倍頻紫外激光器的實施例如下實例1830nm波長的紅外光泵浦摻Pr3+頻率上轉(zhuǎn)換激光介質(zhì)產(chǎn)生635nm上轉(zhuǎn)換基波激光(3P0→3F2)，再腔內(nèi)倍頻產(chǎn)生318nm紫外激光輸出。激光器結(jié)構(gòu)如附圖所示。入射鍍膜腔鏡(3)上鍍有介質(zhì)膜，在基波激光635nm附近高反(R＞99％)，在紅外泵浦光830nm附近高透。出射鍍膜腔鏡(4)上鍍有介質(zhì)膜，在830nm和635nm附近高反(R＞99.9％)，在318nm附近透過率大于75％。頻率上轉(zhuǎn)換激光介質(zhì)(1)為以Pr3+為激活離子、Yb3+為敏化離子的LiYF4晶體，一般為端面積5×5mm2的方柱或φ＝5mm的圓柱，長度為1cm左右，端面拋光后置于激光腔中。非線性光學(xué)晶體(2)為兩端面沿垂直于倍頻635nm基波激光的I類相位匹配角θ＝37.71°切割的BBO晶體，晶體長度一般為5mm到1cm，端面積一般為5×5mm2。這便是一個適于830nm紅外光沿方向(5)端面泵浦或沿方向(6)側(cè)向泵浦的上轉(zhuǎn)換腔內(nèi)倍頻紫外激光器，沿方向(7)輸出318nm波長的紫外激光。
實例2參照實例1，810nm附近波長的紅外光泵浦摻Er3+頻率上轉(zhuǎn)換激光介質(zhì)LiYF4(1)產(chǎn)生551nm上轉(zhuǎn)換基波激光(4S3/2→4I15/2)，再腔內(nèi)倍頻產(chǎn)生276nm紫外激光輸出。激光器結(jié)構(gòu)如附圖所示。入射鍍膜腔鏡(3)上鍍有介質(zhì)膜，在基波激光551nm附近高反(R＞99％)，在紅外泵浦光810nm附近高透。出射鍍膜腔鏡(4)上鍍有介質(zhì)膜，在810nm和551nm附近高反(R＞99.9％)，在276nm附近透過率大于75％。非線性光學(xué)晶體(2)為兩端面沿垂直于倍頻551nm基波激光的I類相位匹配角θ＝45.33°切割的BBO晶體。這便是一個適于810nm紅外光沿方向(5)端面泵浦或沿方向(6)側(cè)向泵浦的上轉(zhuǎn)換腔內(nèi)倍頻紫外激光器，沿方向(7)輸出276nm波長的紫外激光。
實例3參照實例1，1120nm波長的紅外光泵浦摻Tm3+氟化物玻璃(1)產(chǎn)生480nm上轉(zhuǎn)換基波激光(1G4→3H6)，再腔內(nèi)倍頻產(chǎn)生240nm紫外激光輸出。激光器結(jié)構(gòu)如附圖所示。入射鍍膜腔鏡(3)上鍍有介質(zhì)膜，在基波激光480nm附近高反(R＞99％)，在紅外泵浦光1120nm附近高透。出射鍍膜腔鏡(4)上鍍有介質(zhì)膜，在1120nm和480nm附近高反(R＞99.9％)，在240nm附近透過率大于75％。非線性光學(xué)晶體(2)為兩端面沿垂直于倍頻480nm基波激光的I類相位匹配角θ＝56.02°切割的BBO晶體。這便是一個適于1120nm紅外光沿方向(5)端面泵浦或沿方向(6)側(cè)向泵浦的上轉(zhuǎn)換腔內(nèi)倍頻紫外激光器，沿方向(7)輸出240nm波長的紫外激光。
權(quán)利要求
1.一種上轉(zhuǎn)換腔內(nèi)倍頻紫外激光器由紅外激光泵浦系統(tǒng)、激光腔、頻率上轉(zhuǎn)換激光介質(zhì)和非線性光學(xué)晶體組成，其特征在于激光腔中只用一塊頻率上轉(zhuǎn)換激光介質(zhì)(1)和一塊非線性光學(xué)晶體(2)；頻率上轉(zhuǎn)換激光介質(zhì)為摻雜Pr3+、Nd3+、Ho3+、Er3+或Tm3+稀土離子的YAlO3、LiYF4、YAG或LaF3晶體中的一種，稀土離子的摻雜濃度在0.5at.％～30at.％；或者為摻雜Pr3+、Nd3+、Ho3+、Er3+或Tm3+稀土離子的氟化物玻璃或透明陶瓷，稀土離子的摻雜濃度在0.5at.％～30at.％；非線性光學(xué)晶體為KTP、LBO、BBO或KNbO3晶體中的一種。
2.如權(quán)利要求1所述的一種上轉(zhuǎn)換腔內(nèi)倍頻紫外激光器，其特征在于對所述的非線性光學(xué)晶體，根據(jù)倍頻上轉(zhuǎn)換基波激光的相位匹配需要進行定向切割，使其入射和出射端面與所需的相位匹配方向垂直，晶體的長度根據(jù)具體的材料和器件的要求確定，端面積在毫米見方到厘米見方之間。
3.如權(quán)利要求1所述的一種上轉(zhuǎn)換腔內(nèi)倍頻紫外激光器，其特征在于在所述的頻率上轉(zhuǎn)換激光介質(zhì)中摻雜百分之～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)換腔內(nèi)倍頻紫外激光器，其特征在于在所述的頻率上轉(zhuǎn)換激光介質(zhì)和非線性光學(xué)晶體的兩端面鍍泵浦光、基波光和紫外光的增透膜。
5.如權(quán)利要求1所述的一種上轉(zhuǎn)換腔內(nèi)倍頻紫外激光器，其特征在于所述的一塊頻率上轉(zhuǎn)換激光介質(zhì)(1)和一塊非線性光學(xué)晶體(2)，二者的位置互換。
6.一種權(quán)利要求1的上轉(zhuǎn)換腔內(nèi)倍頻紫外激光器，其特征在于在最靠近入射鍍膜腔鏡和出射鍍膜腔鏡的頻率上轉(zhuǎn)換激光介質(zhì)和非線性光學(xué)晶體的端面鍍適合上轉(zhuǎn)換腔內(nèi)倍頻紫外激光運轉(zhuǎn)的介質(zhì)膜，直接構(gòu)成一個沒有入射腔鏡和出射腔鏡的激光器。
全文摘要
一種上轉(zhuǎn)換腔內(nèi)倍頻紫外激光器涉及固體激光器設(shè)計領(lǐng)域。設(shè)計腔內(nèi)倍頻上轉(zhuǎn)換基波激光的器件方案，利用紅外光泵浦輸出紫外激光。該器件由一塊激光介質(zhì)、一塊非線性光學(xué)晶體和一對激光腔鏡構(gòu)成，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，穩(wěn)定性和可靠性高。
文檔編號H01S3/16GK1464601SQ0212462
公開日2003年12月31日 申請日期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 申請人:中國科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所