專利名稱：自受激固體拉曼激光器的制作方法
技術領域：
涉及固體激光器領域，特別是一種自受激固體拉曼激光器。
背景技術：
目前國外已經(jīng)有固體拉曼激光器的報道，它們主要有以下四種結構(參見Pavel Cerny等人發(fā)表的“Solid state lasers with Raman frequencyconversion”，《Progress in Quantum Electronics》28(2004)113-143)單通拉曼激光裝置、外置拉曼激光裝置(拉曼晶體的振蕩腔與泵浦激光振蕩腔分開)、內(nèi)置拉曼激光裝置(拉曼晶體與激光介質(zhì)都放在腔內(nèi))和拉曼耦合腔裝置。不管上面的哪種結構，激光器裝置中激光增益介質(zhì)與拉曼增益介質(zhì)都是分開的，所以必須同時滿足腔內(nèi)的基頻光、拉曼激光的模式匹配，使得諧振腔變得相當復雜，而且系統(tǒng)制作工藝難度加大很多，系統(tǒng)穩(wěn)定性不高，也不緊湊。另外現(xiàn)有的固體拉曼激光器中一般沒有腔內(nèi)調(diào)Q裝置，對泵浦源脈寬、峰值功率的要求非常高。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的在于克服上述現(xiàn)有技術的缺點，提供一種自受激固體拉曼激光器，以擴展現(xiàn)有常規(guī)固體激光器的激光波長，克服了現(xiàn)有的固體拉曼激光器激光增益介質(zhì)與拉曼增益介質(zhì)分開所導致的技術限制，以及對泵浦激光脈沖寬度和能量要求嚴格造成的限制，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和結構的緊湊性，并獲得高功率的拉曼激光輸出。
本實用新型的技術解決方案如下一種自受激固體拉曼激光器，包括激光泵浦系統(tǒng)、鍍膜的激光輸入腔片和輸出腔片構成的激光腔，其特征是在激光腔中放置自受激拉曼晶體和激光調(diào)Q裝置。
所述的自受激拉曼晶體采用低摻雜Nd3+稀土離子的YVO4晶體、或GdVO4晶體，或者采用摻雜Nd3+稀土離子的GDxY1-xVO4晶體，其中x從0變化到1。稀土離子摻雜濃度在0.05at.％至2.0at.％之間。
所述的調(diào)Q裝置為聲光調(diào)Q裝置、電光調(diào)Q裝置或非線性可飽和吸收體調(diào)Q裝置。
所述的激光腔中放入的自受激拉曼晶體在所述的調(diào)Q裝置之前，或之后均可。
所述的自激發(fā)拉曼晶體和調(diào)Q裝置的兩端面鍍有基頻光和拉曼激光的增透膜。
在腔內(nèi)的自受激拉曼晶體，既作為激光工作介質(zhì)，也作為拉曼頻率轉換介質(zhì)先產(chǎn)生基頻激光，然后通過腔內(nèi)調(diào)Q裝置壓縮激光脈寬，基頻光在諧振腔內(nèi)經(jīng)過多次振蕩后，由同一塊拉曼晶體完成基頻光轉換為拉曼激光輸出。將它作為工作物質(zhì)，不僅可以得到一些常規(guī)固體激光器得不到的波長(可參考后面實例解說中的例子)，而且比起一般意義上的固體拉曼激光器在結構上要緊湊得多，因此與其相關的諧振腔設計、調(diào)整等難度也得到大大降低。
在產(chǎn)生拉曼激光的諧振腔中放入了調(diào)Q裝置，它的作用有三個一、為了使產(chǎn)生的基頻光在腔內(nèi)多次振蕩經(jīng)過調(diào)Q裝置后，大大地壓縮激光脈寬，同時達到足夠大的峰值功率，使基頻光滿足產(chǎn)生受激拉曼散射所需的閾值條件。
二、提高拉曼激光的輸出功率。
三、因為調(diào)Q裝置的壓縮脈寬和提高基頻光峰值功率的作用，系統(tǒng)對泵浦源的要求可以大大降低，只要用脈寬要求不是很嚴格、平均功率不太高的激光二極管泵浦就可以了。
本實用新型技術方案具有的有益的效果本實用新型設計的自受激固體拉曼激光器可以由808nm波長的激光二極管做泵浦源，得到某些特殊激光波長，例如1525nm的人眼安全激光波長、1176nm激光波長等(下面有詳細的實例解說)，這對傳統(tǒng)固體激光器的輸出波長的限制是個非常有益的補充；與一般意義上的固體拉曼激光器相比，自受激固體拉曼激光器解決了激光增益介質(zhì)與拉曼增益介質(zhì)分開的結構造成的技術限制，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和結構的緊湊性；本實用新型設計的調(diào)Q的自受激固體拉曼激光器解決了固體拉曼激光器對泵浦激光脈沖寬度和能量要求嚴格造成的限制，一般的固體拉曼激光器要求泵浦源脈寬為ns甚至ps量級，而調(diào)Q的自受激固體拉曼激光器泵浦源用連續(xù)或者準連續(xù)的激光二極管即可。


圖1是本實用新型自受激固體拉曼激光器的結構示意圖圖中1-激光泵浦系統(tǒng)；2-激光腔輸入腔片；3-激光腔輸出腔片；4-自受激拉曼晶體；5-調(diào)Q裝置；6-拉曼激光輸出方向；7-輸入腔片的外側面；8-輸入腔片的內(nèi)側面；9-輸出腔鏡的內(nèi)側面。
具體實施方式
以下結合附圖和具體實施例對本實用新型加以說明。
先請參閱圖1，圖1是本實用新型自受激固體拉曼激光器的結構示意圖，由圖可見，本實用新型自受激固體拉曼激光器，包括激光泵浦系統(tǒng)1、鍍膜的激光輸入腔片2和輸出腔片3構成的激光腔，其特征是在激光腔中放置自受激拉曼晶體4和激光調(diào)Q裝置5。
如附圖1所示，根據(jù)現(xiàn)有的泵浦源波長情況和需要的拉曼激光波長要求選擇合適的自激發(fā)拉曼晶體4進行切割和端面拋光，切割方向都沿晶體物理學中定義的沿a軸切割(晶體受激發(fā)射橫截面平行于c軸)或者沿c軸方向切割(晶體受激發(fā)射橫截面正交于c軸)，晶體長度可根據(jù)具體的材料和器件的要求確定(建議在10mm左右)，端面積由泵浦光光束的橫截面面積決定，一般在毫米平方到若干厘米平方之間。之后在激光腔中放入的自受激拉曼晶體和調(diào)Q裝置，它們的位置可以根據(jù)具體情況互換，以達到最佳輸出效果。諧振腔輸入腔片2上鍍膜，在輸入腔片外側面7鍍泵浦光的增透膜，反射率R＜0.2％；在輸入腔片1內(nèi)側面8鍍對基頻光和拉曼激光高反的膜，反射率R＞99.8％，且對泵浦光波長高透，透射率T＞90％。諧振腔輸出腔片3的內(nèi)側面9鍍膜，對基頻光高反，R＞99.8％，對拉曼激光部分反射，反射率R＝60％-90％之間。最后拉曼激光將沿著方向6輸出。
可以在自受激拉曼晶體4、調(diào)Q裝置5的兩個端面都鍍基頻光、拉曼激光的增透膜，以提高激光系統(tǒng)的運作效率。
自受激固體拉曼激光器的工作流程是這樣的由電激勵激光二極管發(fā)射808nm激光波長，808nm波長光泵浦自激發(fā)拉曼晶體4，晶體吸收泵浦光，能量以粒子數(shù)反轉形式存在晶體中，經(jīng)過諧振腔的反饋振蕩及調(diào)Q裝置5觸發(fā)，泵浦光轉換為基頻光；再經(jīng)過多次諧振腔的反饋振蕩和調(diào)Q裝置5觸發(fā)，泵浦光達到受激拉曼散射域值條件，由同一塊自激發(fā)拉曼晶體4完成拉曼頻率轉換，得到拉曼激光輸出。
實例1輸出為1525nm(人眼安全波段)的Yb:YVO4晶體自受激固體拉曼激光器激光器件結構如圖1所示。泵浦源1為一個通過光纖耦合輸出的波長為808nm的激光二極管，其中耦合光纖的芯纖直徑為400μm，數(shù)值孔徑為0.15，激光二極管輸出脈沖平均功率為12.0W，重復頻率為1kHz。用一個焦距為15.0mm的透鏡將85％以上的泵浦光能量耦合入自受激拉曼晶體(3)中，入射的泵浦光光束半徑平均為300μm左右。
整個激光腔腔長87mm。為了得到高效的一階斯托克斯光轉換，諧振腔的輸入腔片2和輸出腔片3都鍍了特定的二向色性薄膜。諧振腔輸入腔片2是個曲率半徑為500mm的凹面鏡，在外側7鍍對泵浦光(808nm)波長的增透膜，反射率R＜0.2％；在內(nèi)側8鍍了對1342nm和1525nm光的高反膜，反射率R＞99.8％，且對泵浦光波長高透，透射率T＞90％。注意到這里1342nm波長的是基頻光，1525nm波長的是基頻光的一階斯托克斯光，也就是我們想要的拉曼激光。諧振腔輸出腔片3在內(nèi)側9鍍膜，對1342nm光高反，R＞99.8％，對1525nm激光部分反射，反射率R＝65％。輸入腔片2和輸出腔片3對1064nm激光都有90％的高透過率，這是為了抑制由Pr:YVO4晶體寄生振蕩產(chǎn)生的1064nm波長光作為基頻光參與受激拉曼散射的產(chǎn)生。
自受激拉曼晶體4為摻雜0.4-at.％濃度Yb3+離子的YVO4晶體，其中低濃度摻雜是為了防止熱效應嚴重而導致晶體破裂，晶體長度11mm。Yb:YVO4晶體的兩個端面都鍍了對1330-1530nm區(qū)間波段的增透膜(反射率R＜0.2％)。Pr3+:YVO4晶體沿晶體物理學定義中的a軸方向切割(晶體受激發(fā)射橫截面平行于c軸)，用銦箔包裹晶體除兩端面外的幾個面，并固定在水冷的銅塊上，水溫控制在25℃左右。調(diào)Q裝置5采用30mm長的聲光調(diào)Q開關，兩個端面都鍍有對1330-1530nm區(qū)間波段的增透膜，Q開關中心頻率為25-32MHz，射頻功率為13.0W。
整個工作流程如下首先808nm波長的二極管激光器泵浦Yb:YVO4晶體，產(chǎn)生基頻激光，波長分別為1342nm和1064nm(使1064nm光高度透過腔鏡，以抑制其在諧振腔中振蕩)，剩下1342nm基頻光振蕩，在腔內(nèi)通過調(diào)Q裝置，以及Yb:YVO4晶體的自拉曼效應將1342nm基頻光完全轉換為1525nm的拉曼激光沿方向(6)輸出。
實例2輸出波長為1176nm的Yb:YVO4晶體自受激固體拉曼激光器。
這種激光器裝置，單個的諧振腔、調(diào)Q裝置等等，都與實例1完全相同，采用的自受激拉曼晶體4也仍然是Yb:YVO4晶體，需要改動的地方就是實例1中針對1342nm波長鍍的膜等等都改成針對1064nm波段，而實例1中針對1064nm波長鍍的膜都改成針對1342nm波段，這是為了抑制1342nm波長光作為基頻光參與受激拉曼散射的產(chǎn)生。
整個原理性思想與實例1一致，工作流程如下首先808nm波長的二極管激光器泵浦Yb:YVO4晶體，產(chǎn)生基頻激光，波長分別為1064nm和1342nm(使1342nm光高度透過腔鏡，以抑制其在諧振腔中振蕩)，剩下1064nm基頻光振蕩，在腔內(nèi)通過調(diào)Q裝置5，以及Yb:YVO4晶體的自拉曼效應將1064nm基頻光完全轉換為1176nm的拉曼激光。
實例3輸出波長為1176nm的Pr:GdVO4晶體自受激固體拉曼激光器。
激光器件結構如圖1所示。泵浦源1為一個通過光纖耦合輸出的波長為808nm的激光二極管，其中耦合光纖的芯纖直徑為150μm，數(shù)值孔徑為0.15，激光二極管輸出脈沖平均功率為2.5W，重復頻率為1kHz。用一個焦距為12.5mm的透鏡將85％以上的泵浦光能量耦合入自受激拉曼晶體3中，入射的泵浦光光束半徑平均為120μm左右。
整個激光腔腔長16mm。為了得到高效的一階斯托克斯光轉換，諧振腔輸入腔片2和輸出腔片3都鍍了特定的二向色性薄膜。諧振腔輸入腔片2是個曲率半徑為15mm的凹面鏡，在外側7鍍對泵浦光(808nm)波長的增透膜，反射率R＜0.2％；在內(nèi)側8鍍了對1064nm和1176nm光的高反膜，反射率R＞99.8％，且對泵浦光波長高透，透射率T＞90％。注意到這里1064nm波長的是基頻光，1176nm波長的是基頻光的一階斯托克斯光，也就是我們想要的拉曼激光。諧振腔輸出腔片3在內(nèi)側9鍍膜，對1064nm光高反，R＞99.8％，對1176nm激光部分反射，反射率R＝70％。自受激拉曼晶體4放在非?？拷斎肭黄?的位置。
自受激拉曼晶體4為摻雜0.9-at.％濃度Pr3+離子的GdVO4晶體，晶體長度8mm。Pr3+:YVO4晶體沿晶體物理學定義中的c軸方向切割(晶體受激發(fā)射橫截面垂直于c軸)。調(diào)Q裝置(5)采用2mm厚度的Cr4+:YAG晶體，兩個端面都鍍有對1064nm波長的增透膜(R＜0.2％)。
整個工作流程如下首先808nm波長的二極管激光器泵浦Pr:GdVO4晶體，產(chǎn)生基頻激光，波長為1064nm，在腔內(nèi)通過Cr4+:YAG晶體5被動調(diào)Q，以及Pr:GdVO4晶體4自拉曼效應將1064nm基頻光完全轉換為1176nm的拉曼激光沿方向(6)輸出。
權利要求1.一種自受激固體拉曼激光器，包括激光泵浦系統(tǒng)(1)、鍍膜的激光輸入腔片(2)和輸出腔片(3)構成的激光腔，其特征是在激光腔中放置自受激拉曼晶體(4)和激光調(diào)Q裝置(5)。
2.根據(jù)權利要求1所述的自受激固體拉曼激光器，其特征是所述的自受激拉曼晶體(4)采用低摻雜Nd3+稀土離子的YVO4晶體、或GdVO4晶體，或者采用摻雜Nd3+稀土離子的GDxY1-xVO4晶體，其中x從0變化到1，稀土離子摻雜濃度在0.05at.％至2.0at.％之間。
2.根據(jù)權利要求1所述的自受激固體拉曼激光器，其特征是所述的調(diào)Q裝置(5)為聲光調(diào)Q裝置、電光調(diào)Q裝置或非線性可飽和吸收體調(diào)Q裝置。
3.根據(jù)權利要求1所述的自受激固體拉曼激光器，其特征是所述的激光腔中放入的自受激拉曼晶體(4)在所述的調(diào)Q裝置(5)之前，或之后。
4.根據(jù)權利要求1、2或3所述的自受激固體拉曼激光器，其特征在于在所述的自激發(fā)拉曼晶體(4)和調(diào)Q裝置(5)的兩端面鍍基頻光和拉曼激光的增透膜。
專利摘要一種自受激固體拉曼激光器，包括激光泵浦系統(tǒng)、鍍膜的激光輸入腔片和輸出腔片構成的激光腔，其特征是在激光腔中放置自受激拉曼晶體和激光調(diào)Q裝置。本實用新型器件擴展了目前常規(guī)固體激光器所能達到的激光波長范圍；再者克服了現(xiàn)有的固體拉曼激光器中激光增益介質(zhì)與拉曼增益介質(zhì)分開所導致的技術限制，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，器件的結構更緊湊。
文檔編號H01S3/127GK2762401SQ20042011452
公開日2006年3月1日 申請日期2004年12月21日 優(yōu)先權日2004年12月21日
發(fā)明者陳慧挺, 樓祺洪, 葉震寰, 何兵, 周軍, 孔令峰 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所