專利名稱：二倍頻二極管泵激固體激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在諧振腔內(nèi)二倍頻的二倍頻二極管泵激固體激光器，包括一個具有適當反射薄層的激光固體媒質(zhì)，此媒質(zhì)的反射薄層構(gòu)成諧振腔的一個組成部分，包括至少一個由激光二極管構(gòu)成的泵激光源以產(chǎn)生適當?shù)谋眉す馍涫?，包括一個具有適當反射薄層的非線性晶體形式的二倍頻非線性光學(xué)元件，此元件的反射薄層構(gòu)成諧振腔的另一個組成部分，其中在固體媒質(zhì)的反射薄層和二倍頻元件的反射薄層之間形成諧振腔，并且包括與泵激光源相適應(yīng)的，將泵射束傳導(dǎo)至激光媒質(zhì)的光學(xué)媒質(zhì)。
技術(shù)現(xiàn)狀這種類型的激光器具有獨特的噪聲特性，此噪聲特性是由非線性過程，諸如二倍頻，縱向振動模式的混合以及在有源激光媒質(zhì)中的“燒孔”(Spatial-hole-burning)所決定的。此特征作為在腔內(nèi)二倍頻激光器的“綠色問題”已為人們所熟知。其噪聲特性是通過光幅度幾十至幾百千赫的周期性變化或者通過不規(guī)律的波動表征的。噪聲幅度從調(diào)制的百分之幾延伸至100％。在固體激光器中采用的非線性晶體在基頻輻射和二倍頻輻射時具有吸收損耗，由此而導(dǎo)至非線性晶體不希望出現(xiàn)的升溫。其中的出現(xiàn)的溫度變化在激光束的中心區(qū)可以達到幾百°K。通過所產(chǎn)生的溫度及其在非線性二倍頻晶體截面的分布將在此晶體上產(chǎn)生失諧，這樣就不能進行最佳的相位匹配，其結(jié)果是二倍頻輻射功率的下降。這意味著幾乎所有已知的二倍頻固體激光器均不能最佳的工作。
業(yè)已公知了消除或抑制噪聲和減少這些缺點的一些不同的方法。
在這方面在雜志“Optics Letters”，Vol．16(1991)，第1665頁(“Single-Londitudinal-mode operation and second harmonicgeneration of NdYVO4microchip laser”)，描述了一種方法，此方法建立在頻率選擇和單模工作方式的基礎(chǔ)上。因為在單模工作方式中沒有縱向諧振模的相互作用，從而消除了“綠色”噪聲。這樣，只有一個振蕩模并且虛擬的消除了由所謂“綠色問題”所決定的噪聲。其中的缺點在于為了實現(xiàn)單模工作方式而采用的諧振腔結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。在某些情況下這種激光器的低噪聲特性是通過采用II型非線性晶體(KTP或KTiOPO4)作為雙折射濾光器、例如里奧濾光器的一部分加以實現(xiàn)的(“Optics letters”，Vol 13(1988)第805頁至807頁)。
在美國專利4，933，947中描述的一種腔內(nèi)二倍頻激光器改進了幅度結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)是這樣實現(xiàn)的，即在激光器材料中的“燒孔”通過使用λ／4的平板加以消除并且激光器的光諧振腔保持在能夠產(chǎn)生低噪聲光輻射的溫度上。然而為此需要配備與噪聲電平相關(guān)的恒溫裝置。
在德國專利4205 587 Al中公開了一種二倍頻單頻激光器，其中，在一個共同的諧振腔中采用了一個激光二極管，一個用稀土元素摻雜的激光晶體和一種二倍頻材料，此系統(tǒng)產(chǎn)生一個穩(wěn)定的綠色光束并且沒有由于“燒孔”而引起的一些問題。這樣，在激光器的輸出端存在著一個單頻模。
此激光器在一個由適當?shù)碾娮与娐房刂频恼臏囟确秶鷥?nèi)實現(xiàn)了穩(wěn)定的低噪聲特性。其缺點是諧振腔的結(jié)構(gòu)確實復(fù)雜，從而影響了這類激光器的廣泛應(yīng)用。
在文獻WO 95／21480和美國專利5．446．749中公開了一種二極管泵激的激光器，其中利用了大量縱向諧振模在腔內(nèi)二倍頻以便抑制噪聲并且達到高的幅度穩(wěn)定性。其中，諧振腔的長度設(shè)計成約100個模。這種方案的缺點在于一個諧振腔的長度需要1m以上，這在許多應(yīng)用中都是不現(xiàn)實的，從而限制了作為大功率激光器的應(yīng)用范圍。
本發(fā)明描述本發(fā)明的任務(wù)在于克服當前技術(shù)中的缺點創(chuàng)造一種二倍頻二極管泵激固體激光器，此激光器結(jié)構(gòu)簡單、體積小并且最大程度的抑制了噪聲。
按照本發(fā)明此項任務(wù)在一種二倍頻二極管泵激固體激光器上是這樣進行的，即在二倍頻元件上和／或在激光固體媒質(zhì)中各配置一個由導(dǎo)熱材料構(gòu)成的孔徑并且將用于相位匹配的二倍頻光學(xué)元件設(shè)計在高于環(huán)境溫度的溫度上。
如果導(dǎo)熱孔徑設(shè)計成能夠?qū)崿F(xiàn)單橫向振動模TEMoo，則是有利的。
此外，如果散熱性能很好的導(dǎo)熱孔徑安裝在二倍頻元件兩個終端表面上。其中此元件由一種高非線性材料磷酸鉀鈦(KTP)或者由磷酸二氫銨(ADP)、硼酸三鋰(LBO)、碘酸鋰或其它在美國專利5．164．947中給出的其它材料構(gòu)成則是有利的。激光固體媒質(zhì)，即實際的激光器晶體、由NdYAG；NdYVO4；NdLSB或者由其它已知的適當材料構(gòu)成則是有利的。
為了在整個諧振腔中實現(xiàn)比較有利的熱條件，屬于此諧振腔的首先是激光器晶體和同樣是晶體的二倍頻元件，激光器晶體和二倍頻元件與導(dǎo)熱孔徑熱接觸的特征同樣起著作用。
作為有源激光媒質(zhì)的激光器晶體在其終端配置有適當?shù)姆瓷浠蛲干鋵?；二倍頻元件同樣也是如此。這樣，激光器晶體對準泵激光源的第1表面配置有一薄層，此層對由泵激光源發(fā)射的泵激輻射是高透明的，但是對通過激光材料產(chǎn)生的具有基頻或基波波長的激光器輻射則具有高反射性。激光器晶體的其它的、與所述第1平面相對的平面配置有一個鍍膜層，此層可以使具有基波長的激光器軸射損耗很小的由激光器晶體中射出。
此非線性的、將由激光器晶體射出的激光器射束的頻率倍增的元件，此非線性晶體在其對準激光器晶體的表面上制作了一層對激光器射線有效作用的鍍膜(抗反射層)。此元件對面的平面配置有一個對其波長的激光器射束具有高反射性能的薄層，對于在此元件本身形成的、頻率變換了的射束、即具有激光器晶體射束的半波長或二倍頻的射束，所述相對的表面配置了一個涂層，此涂層允許二倍頻射束由此元件中低損耗的射出。這樣，首先是也可以實現(xiàn)激光器晶體和二倍頻元件不會有由于射束損耗而引起的顯著的升溫。
在本發(fā)明解決方案中，為了相位匹配，二倍頻晶體是為了在較高溫度下工作而設(shè)計和配置的，就是說，在正常溫度下頻率的倍增不是以非最佳的相位匹配為代價的。只要是激光器的激光媒質(zhì)射出射束，在激光器晶體中的溫度就會增高，這是由激光器射束和頻率倍增了的射束在此元件中的吸收所決定的。這樣，在本發(fā)明的固體激光器上相位匹配總是比較好的并且頻率倍增射束的功率繼續(xù)連續(xù)增高直至溫度最高點。
此自身最佳化的過程繼續(xù)運行直到達到最佳的相位匹配。如果在固體激光器中在產(chǎn)生二倍頻射束方面達到了高效率，則二倍頻元件的溫度也就恒定了。通過此自身最佳化過程使激光器達到了一個穩(wěn)定的最佳工作狀態(tài)，這意味著噪聲的顯著降低。
附圖的簡單說明下面借助于一個實施例對本發(fā)明進一步加以闡述。所屬附圖如下

圖1本發(fā)明固體激光器方框2此激光器的剖面3帶有孔徑的二倍頻元件圖4激光固體媒質(zhì)的支架圖5具有一個激光二極管的泵激裝置圖6諧振腔溫度與孔徑直徑的關(guān)系附圖的詳細說明在圖1中以方框圖形式示出的二倍頻二極管泵激固體激光器包括一個具有適當反射層和透射層1．1和1．2的激光固體媒質(zhì)1并且形成了一個激光器晶體。此激光器晶體例如由NdYAG；NdYAP；NdYVO4；NdGdWO4或NdLSB構(gòu)成并且是一個諧振腔的組成部分。
此外配置了一個泵激光源2用來產(chǎn)生適當?shù)谋眉す馍涫员慵ぐl(fā)固體媒質(zhì)1產(chǎn)生激光射束。其中，如果作為泵激光源2至少采用一個激光器二極管是有利的。在激光固體媒質(zhì)1和泵激光源2之間配置有光學(xué)媒質(zhì)3，此光學(xué)媒質(zhì)將泵激光射束傳輸?shù)郊す饷劫|(zhì)1上。這些光學(xué)媒質(zhì)例如可以是光導(dǎo)或者透鏡。
一個將離開激光器晶體的激光器射束的頻率倍增的非線性光學(xué)元件5同樣是諧振腔的一個組成部分，光學(xué)元件5具有例如由KTP；KDP；LBO；ADP或LilO3構(gòu)成的非線性晶體的形式，優(yōu)先用適當?shù)姆瓷鋵?．1覆蓋。元件5是這樣設(shè)計的，即最佳的相位匹配在高于環(huán)境溫度的溫度下進行。在激光媒質(zhì)1的薄層1．1和光學(xué)元件5的層5．1之間是諧振腔范圍，在一個窄的、與二倍頻元件5和／或也與激光固體媒質(zhì)1的熱接觸中配置了一個由導(dǎo)熱材料構(gòu)成的孔徑6。此孔徑6例如可以是一個由銦或一種其它適當材料構(gòu)成的薄膜，具有中心孔7，所產(chǎn)生的射束可以穿過此孔。
各個面的薄層按如下配置是有利的對準泵激光源2的激光固體媒質(zhì)1的表面蒸發(fā)了一個對泵激光射束高透明的，然而對激光器射束高反射的薄層1．1。固體媒質(zhì)1的另一表面具有一個對激光器射束可以穿過的鍍膜層1．2。為了保證激光射束向二倍頻元件5的低損耗的良好的過渡，元件5對準激光固體媒質(zhì)1的表面5．2上配置了一個抗反射層。
元件5的另一個表面具有一個對激光器射束的波長不透明的薄層5．1，然而此薄層對于其頻率倍增的，也就是其波長減半的元件5的射束是高透明的。
在圖2中以截面示出的固體激光器具有配裝散熱器11的外殼10，其中在支架12上安裝著激光固體媒質(zhì)(激光器晶體)、激光二極管13作為泵激光源2與激光器晶體軸向?qū)实陌惭b在外殼10上。在激光二極管13和激光固體媒質(zhì)1之間具有將泵激光射束傳輸至激光器晶體的光學(xué)媒質(zhì)3。用于與激光二極管13緊密熱連接的一個珀耳帖元件14用來在外殼10中的熱調(diào)節(jié)并且也就在整個諧振腔中進行了熱調(diào)節(jié)。在本發(fā)明解決方案中首次在安裝激光器之前計算了輸出射束噪聲最低時的溫度。然后在激光器工作期間將諧振腔的溫度借助于珀爾帖元件14調(diào)節(jié)至此溫度。
在激光媒質(zhì)1背向激光二極管13的一側(cè)備有一個用于二倍頻元件5的支架4。在其上面配置了由良導(dǎo)熱材料、例如銦或其它適當材料構(gòu)成的孔徑6。
由激光固體媒質(zhì)1產(chǎn)生的、并且由元件5將其頻率倍增的光經(jīng)分光器16穿過可以用快門15鎖定的孔7向外輻射。此輻射光一部分通過分光器16偏轉(zhuǎn)至監(jiān)視二極管20，借助于此二極管和其它部件可以顯示此激光裝置的工作狀態(tài)。在外殼10的兩側(cè)備有密封蓋18和19，用它們可以將外殼密封。
如圖3所示，二倍頻元件5安裝在支架4上，在支架中心備有孔21，光通過此孔經(jīng)分光器16(參閱圖2)和孔17(同樣見圖2)向外輻射。導(dǎo)熱良好的孔徑6其一側(cè)面與支架的正面連接，并且其另一側(cè)面與一個蓋板23連接。在支架4表面24和孔徑6的與正面22連接的表面之間安裝著二倍頻元件5，也就是人們熟知的非線性光學(xué)元件。元件5一方面與支架4、另一方面與導(dǎo)熱良好的孔徑6的緊密接觸對于元件5而言起著良好的散熱和熱分配的作用。
圖4示出在支架12中的激光固體媒體1(激光器晶體)裝置，其光入射孔25對準泵激光源2(參閱圖1和圖5)。正面26和27配置起光學(xué)作用的薄層1．1和1．2比較有利。這樣，例如對準泵激光源的正面26配置對泵射束可以有效通過的薄層1．2并且正面27配置對激光射束具有高反射性能的薄層1．1。
圖5示出了泵結(jié)構(gòu)，它是由珀爾帖元件14和例如以激光二極管13(參閱圖2)形式的泵激光源2或另一個適當?shù)墓庠礃?gòu)成。通過接線端28為泵激光源供電。由泵激光源2射出的射束通過光學(xué)媒質(zhì)3(在圖5中以透鏡表示)傳輸至激光器晶體(固體媒質(zhì)1)。珀爾帖元件14用于泵激光源2和整個激光器諧振腔的溫度調(diào)節(jié)，以便能夠在出射射束噪聲電平最低的溫度范圍工作。
在本發(fā)明激光器系統(tǒng)中(參閱圖2)泵裝置，激光器晶體的支架12和二倍頻元件5的支架4均安裝在光學(xué)軸29上。如果激光固體媒質(zhì)1和二倍頻元件5與唯一的孔徑6(在圖中未示出)熱連接則是有利的。這樣就可以實現(xiàn)將溫度控制和溫度調(diào)節(jié)在激光器輸出射線的噪聲最低的特別有利的數(shù)值上。在本發(fā)明固體激光器上此溫度值在裝配時整定并且在激光器工作期間借助于珀爾帖元件14或其它適當?shù)难b置加以保持。在帶有本發(fā)明孔徑6的激光器上，空間的“燒孔”對噪聲特性不會有負面影響。
在圖6中示出了溫度特性與孔徑6的孔7的直徑d的關(guān)系，其中孔7的幾何尺寸是變量，a=0．1mm；b=0．25mm并且c=0．5mm。
在應(yīng)用導(dǎo)熱良好的孔徑6時，此孔徑與二倍頻晶體或激光器具有良好的接觸，通過有效的冷卻可以獲得進一步的改進。不難識別，在相應(yīng)晶體中間的溫度在現(xiàn)有導(dǎo)熱良好的孔徑6情況下主要與孔徑6孔7的幾何尺寸相關(guān)而與環(huán)境溫度不相關(guān)。這樣，就勿需目前技術(shù)現(xiàn)狀下的恒溫措施(US-專利4．933．947)了。
權(quán)利要求
1．采用腔內(nèi)二倍頻方式的二倍頻二極管泵激固體激光器包括一個帶有適當反射薄層的激光固體媒質(zhì)(1)，反射薄層是諧振腔的一個組成部分，包括至少一個由激光二極管構(gòu)成的泵激光源以產(chǎn)生適當?shù)谋眉す馍涫?，包括一個帶有適當反射薄層的非線性晶體形式的二倍頻非線性光學(xué)元件(5)，此反射薄層形成諧振腔的另一個組成部分，其中在固體媒質(zhì)(1)的反射薄層和二倍頻元件(5)反射薄層之間形成諧振腔，并且包括光學(xué)媒質(zhì)(3)，此光學(xué)媒質(zhì)在泵激光源的后面并且將泵射線傳輸至激光固體媒質(zhì)(1)上。其特征在于，在二倍頻元件(5)和／或激光固體媒質(zhì)(1)上至少分別配置一個由導(dǎo)熱材料制成的孔徑(6)，并且此二倍頻光學(xué)元件(5)是為了在高于環(huán)境溫度的溫度上進行相位匹配而設(shè)計的。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述固體激光器，其特征在于，至少一個的導(dǎo)熱孔徑(6)其幾何尺寸是這樣確定的，即可以實現(xiàn)單橫向振動模TEMoo。
3．根據(jù)權(quán)利要求1和2所述固體激光器，其特征在于，在二倍頻元件(5)的兩面各配置一個導(dǎo)熱孔徑(6)。
4．根據(jù)權(quán)利要求1和2所述固體激光器，其特征在于，激光固體媒質(zhì)(1)和二倍頻元件(5)借助于導(dǎo)熱孔徑(6)進行熱接觸。
5．根據(jù)權(quán)利要求1至4至少其中之一所述固體激光器，其特征在于，激光固體媒質(zhì)(1)是由NdYAG；NdYAP；NdYVO4；NdGDWO4；NdLSB和類似材料構(gòu)成的。
6．根據(jù)上述權(quán)利要求至少其中之一所述固體激光器，其特征在于，二倍頻元件(5)優(yōu)選由KTP；KDP；LBO；ADP或LilO3構(gòu)成。
7．根據(jù)權(quán)利要求1所述固體激光器，其特征在于，光學(xué)媒質(zhì)(3)是透鏡，這些透鏡將泵射束由泵激光源(2)傳輸至激光固體媒質(zhì)(1)。
8．根據(jù)上述權(quán)利要求至少其中之一所述固體激光器，其特征在于，激光固體媒質(zhì)(1)和二倍頻元件(5)借助于唯一的一個共同的孔徑(6)進行熱接觸。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種采用腔內(nèi)二倍頻方式的二倍頻二極管泵激固體激光器,此固體激光器包括帶有適當薄層的激光固體媒質(zhì)(1),其薄層是諧振腔的一個組成部分。此外,此固體激光器還包括由激光二極管(13)形成的泵激光源(2)和一個帶有適當反射薄層的具有非線性晶體形式的二倍頻非線性光學(xué)元件(5),其反射薄層是諧振腔的另一個組成部分。此諧振腔是在固體媒質(zhì)(1)和元件(5)的反射薄層之間形成的。通過光學(xué)媒質(zhì)(3)將泵射束傳輸至激光固體媒質(zhì)(1)上。在元件5和/或在激光固體媒質(zhì)(1)上至少各配置一個由良好導(dǎo)熱材料構(gòu)成的孔徑(6)。其中,二倍頻光學(xué)元件(5)為了相位匹配而設(shè)計在高于環(huán)境的溫度上工作。
文檔編號H01S3/08GK1205123SQ97191329
公開日1999年1月13日 申請日期1997年9月24日 優(yōu)先權(quán)日1996年9月27日
發(fā)明者M·內(nèi)格勒, E·普法伊弗, K·斯坦科 申請人:拉索斯激光制作股份有限公司