角錐稜鏡非平面單向行波環形腔單頻固體雷射器的製作方法

2023-07-15 00:14:56 2

專利名稱：角錐稜鏡非平面單向行波環形腔單頻固體雷射器的製作方法
技術領域：
本發明為角錐稜鏡非平面單向行波環形腔單頻固體雷射器，屬光電子技術領域。
產生大功率高相干性雷射輻射的單頻固體雷射器一直是光電子技術領域的研究重點之一。其實現方法已有薄片腔法[1]、F-P標準具法[2]、扭轉模腔法[3]、聲光調製器法[4]和平面環形腔中加入光學單向器[5]等方法。1985年美國的Kane和Byer發明了單塊非平面環形腔單頻固體雷射器[6]，此種雷射器僅由一塊雷射晶體組成，由半導體雷射器端面泵浦，可得到較高功率、穩定輸出的單頻雷射，世界各國爭相效仿。其不足為(1)晶體幾何形狀複雜，加工工藝困難，周期長，成本高；(2)只適宜端面泵浦雷射單頻輸出功率受到限制；(3)晶體中的雷射振蕩環路只有一條，抗損壞能力低。
現有文獻1.J.J.Zaghowski et al，″Single frequency microchip Nd lasers″，Opt.Lett.，Vol.14，P24-26，1989.2.R.Knappe et al，″Compact single-frequency diode pumped CrLiSAF lasers″，OpticsCommunications，Vol.143，P42-46，1997.3.K.Wallmeroth，″Monolithic integrated NdYAG laser″，Opt.Lett.，Vol.15，No.16，P903-905，1990.4.W.A.Clarkson et al，″Unidirectional operation of ring laser via the acousto optics effect″，IEEE Journal of Quantum Electronics，Vol.32，No.2，P311-325，1996.5.R.Scheps et al，″A single frequency NdYAG ring laser pumped by laser diodes″，IEEE Journalof Quantum Electronics，Vol.26，No.3，P413-416，1990.6.T.J.Kane，R.L.Byer，″Monolithic，unidirectional single-mode NdYAG ring laser″，Opt.Lett.，Vol.10，No.2，P65-67.1985.7.I.Freitag，A.Tünnermann，US6002704A，H01S 3/083，Monolithic，non-planar ring laserwith Q-switched single-frequency operation，1999.8.T.J.Kane，R.L.Byer，US4578793A，H01S 3/083，Solid-state non-planar internallyreflecting ringlaser，1986.9.臧二軍，曹紅軍，沈乃徽，CN2344897Y，H01S 3/16，半非平面固體環形雷射器，1998。10.E.C.Rea，A.C.Nillsson，US5027367，H01S 3/083，Single-frequency monolithic nonplanarring laser and method for determining same，1991.
本發明目的是由普通標準稜鏡組成非平面單向行波環形雷射諧振腔，可採用半導體雷射器(LD)端面泵浦或側面泵浦，實現穩定的大功率單頻雷射振蕩。
本發明目的由如下技術方案實現。雷射器由角錐稜鏡和對稱式直角稜鏡或傾斜式直角稜鏡組成，角錐稜鏡置於直角稜鏡的頂部，角錐稜鏡底面和直角稜鏡頂面鍍振蕩光的增透膜。直角稜鏡由雷射增益晶體組成，直角稜鏡側面與一個直角面的夾角為α。對稱式直角稜鏡的α＝45°，兩個直角面是全內反射面，在一個或兩個直角面貼非增益晶體即可實現泵浦光導入和振蕩光輸出功能。傾斜式直角稜鏡的α≠45°。當兩個直角面是全內反射直角面時，在一個或兩個直角面貼非增益晶體即可實現泵浦光導入和振蕩光輸出功能。當傾斜式直角稜鏡的α小於相應雷射增益晶體的全內反射臨界角時，一個直角面是全內反射面，而另一個直角面是部分反射直角面，在部分反射直角面上鍍對泵浦光的增透膜和振蕩光的偏振輸出膜以實現端面泵浦光的導入和振蕩雷射的輸出，或只鍍振蕩光的偏振輸出膜實現振蕩光的輸出，而在直角稜鏡側面鍍泵浦光的增透膜實現泵浦光的導入。角錐稜鏡與對稱式直角稜鏡或傾斜式直角稜鏡可為一體，形成具有極穩定單頻輸出的固體雷射器。
角錐稜鏡式非平面單向行波環形腔單頻固體雷射器與已有的各種單頻固體雷射器相比有如下優點1.可採用端面和側面泵浦方式，得到較大功率的單頻雷射。
2.在固定的偏振輸出反射膜參數條件下，可通過旋轉角錐稜鏡調整輸出雷射的偏振度及其實際輸出耦合。
3.雷射腔由熟知的角錐稜鏡和直角稜鏡組成，加工工藝非常成熟，可大大減少加工周期和成本而且成品雷射器不易失調。
4.振蕩光在腔內的環路有多條，可通過選擇不同環路避開晶體中損傷的部位，雷射器抗損傷能力強。
5.可在兩稜鏡之間方便地插入其它元件，如磁光晶體、Q開關、相位調製器、倍頻晶體等，使雷射器提高單縱模控制能力，實現調Q高峰值功率脈衝運轉、頻率調諧或倍頻輸出等各種功能。
6.將角錐稜鏡與直角稜鏡橫向失調一個小位移，在直角輸出面鍍1.06μm增透膜，即可構成光再生放大器，通過注入一個較低功率的穩定單頻雷射，得到大功率穩定單頻輸出。
7.可將角錐稜鏡與直角稜鏡和成一體，製成單塊化的雷射器，輸出很穩定的單頻雷射。
本發明的具體內容由圖一至圖三給出。
圖一(a)為具有對稱式直角稜鏡的角錐稜鏡非平面單向行波環形腔單頻固體雷射器。圖一(b)為具有傾斜式直角稜鏡的角錐稜鏡非平面單向行波環形腔單頻固體雷射器。圖二為角錐稜鏡非平面單向行波環形腔單頻固體雷射器的單塊化形式。圖三為光在角錐稜鏡中的傳播。圖四為傾斜式直角稜鏡。
角錐稜鏡1、對稱式直角稜鏡2、傾斜式直角稜鏡2』、永磁場3、非增益晶體4、全內反射直角面5、部分反射直角面6，側面7、頂面8、入射點9、出射點10、全內反射點11、全內反射點12、全內反射點13、傳統直角稜鏡14。
下面結合附圖
對本發明加以詳細說明。
角錐稜鏡非平面單向行波環形腔單頻固體雷射器由角錐稜鏡1和雷射晶體(如NdYAG)製成的對稱式直角稜鏡2或傾斜式直角稜鏡2』組成，角錐稜鏡1置於對稱式直角稜鏡2或傾斜式直角稜鏡2』的頂部，角錐稜鏡底面和直角稜鏡頂面鍍振蕩光的增透膜。如圖一所示。光在角錐稜鏡1內的三次全內反射位於不同空間取向的反射面內，具有法拉第磁光效應的雷射增益晶體製成的直角稜鏡在永磁場3作用下使偏振光在其中進行法拉第旋轉，輸出耦合偏振反射係數Rs≠Rp。雷射腔內相向傳播的光具有不同的本徵偏振態和損耗，可實現單一本徵偏振態的單向行波振蕩，消除空間燒孔，獲得單縱模輸出。旋轉角錐稜鏡1可改變雷射腔的本徵偏振態及相應本徵偏振態的輸出損耗，從而在固定輸出耦合反射係數時得到不同的雷射耦合輸出。雷射器具有兩種耦合輸出方式。附圖一(a)的對稱式直角稜鏡2的側面7與全內反射直角面5之間的夾角α＝45°，大於臨界角。在全內反射直角面5貼非增益晶體4，此晶體對泵浦光吸收很小。控制非增益晶體4表面與全內反射直角面5的距離形成受抑全反射，得到偏振耦合輸出。傾斜式直角稜鏡的α≠45°。當兩個直角面是全內反射直角面時，也可在一個或兩個直角面貼非增益晶體，控制非增益晶體表面與直角反射面的距離形成受抑全反射，得到偏振耦合輸出；圖一(b)採用傾斜式直角稜鏡2』，是側面7與全內反射直角面5的夾角α小於雷射增益晶體的臨界角的情況，在另一個直角面上光線以小於臨界角部分反射，此直角面為部分反射直角面6，可直接鍍偏振耦合輸出膜以得到振蕩雷射的輸出。
圖一(a)採用半導體雷射器端面泵浦時通過兩全內反射直角面5所貼的非增益晶體4有兩個泵浦通道，可獲得較大功率的單頻輸出，圖一(b)只通過部分反射直角面6有一個端面泵浦通道，單頻雷射功率受到一定限制，但雷射器構成簡單，輸出損耗小。兩種結構雷射器均可採用半導體雷射器泵浦對稱式直角稜鏡2或傾斜式直角稜鏡2』的側面，以提高雷射器的輸出功率。調節泵浦光的位置，雷射可在腔內的不同環路振蕩，因此可通過選擇不同環路避開晶體中損傷的部位。雷射器具有抗損傷的優點。
可將角錐稜鏡與直角稜鏡製成一體形成單塊化的雷射器，輸出極穩定的單頻雷射。結構及鍍膜要求同上，如圖二所示。
角錐稜鏡式非平面環形腔單頻固體雷射器中角錐稜鏡1由玻璃或石英晶體等材料製成，底面鍍振蕩雷射波長的增透膜。如附圖二所示，光線在角錐稜鏡內部非平面傳播，在全內反射點11、全內反射點12、全內反射點13全內反射，出射光自動與其入射光平行。
如附圖三所示，雷射晶體製成的傾斜式直角稜鏡2』是由傳統直角稜鏡14斜切α角製成，α角小於雷射晶體的全內反射臨界角。光線從直角稜鏡頂面8入射，一個直角面是全內反射直角面5，另一個直角面是部分反射直角面6。直角稜鏡頂面8鍍對振蕩雷射波長的增透膜。如果用半導體雷射器從部分反射直角面6端面泵浦，應在部分反射直角面6上鍍對泵浦光波長的增透膜和對振蕩雷射波長的偏振輸出膜，輸出反射係數Rs≠Rp。如果用半導體雷射器從側面7泵浦則應在雷射晶體的相應側面鍍對泵浦光波長的增透膜，在部分反射直角面6上鍍對振蕩雷射波長的偏振輸出膜。
雷射器除採用NdYAG晶體為增益介質形成對稱式直角稜鏡2或傾斜式直角稜鏡2』外，還可使用雙折射雷射晶體為工作物質(如YLF、YVO4)，利用此類雷射晶體σ與π偏振分量的不同增益特性，調整兩個光線傳播方向四個本徵偏振態的增益(損耗)特性，獲得單向行波單一偏振態單縱模輸出。對稱式直角稜鏡2或傾斜式直角稜鏡2』也可用其它材料製作。
本實施例中角錐稜鏡1的通光口徑為17mm，軸向長度為10mm，對稱式直角稜鏡2和傾斜式直角稜鏡2』的厚度為4mm，寬度為8mm，長度為21mm，由永磁鐵提供的磁場強度為3000高斯。
由於雷射器由分離元件組成時，可在兩稜鏡之間方便地插入其它元件，如磁光晶體、Q開關、相位調製器、倍頻晶體等，使雷射器提高單縱模控制能力，實現調Q高峰值功率脈衝運轉、頻率調諧或倍頻輸出等各種功能。
權利要求
1.一種角錐稜鏡非平面單向行波環形腔單頻固體雷射器，其特徵在於雷射器由角錐稜鏡(1)和對稱式直角稜鏡(2)組成，角錐稜鏡(1)置於對稱式直角稜鏡(2)的頂部，角錐稜鏡底面和直角稜鏡頂面鍍振蕩光的增透膜，直角稜鏡由雷射增益晶體製成，直角稜鏡側面(7)與一個直角面的夾角為α，直角稜鏡對稱即α＝45°時，兩個直角面是全內反射面(5)，在一個或兩個直角面貼非增益晶體(4)。
2.一種角錐稜鏡非平面單向行波環形腔單頻固體雷射器，其特徵在於雷射器由角錐稜鏡(1)和傾斜式直角稜鏡(2』)組成，角錐稜鏡置於傾斜式直角稜鏡的頂部，角錐稜鏡底面和直角稜鏡頂面鍍振蕩光的增透膜，直角稜鏡由雷射增益晶體組成，直角稜鏡側面與一個直角面的夾角為α，直角稜鏡傾斜即α≠45°，兩個直角面是全內反射直角面時，在一個或兩個直角面貼非增益晶體。
3.如權利要求1、2所述的角錐稜鏡非平面單向行波環形腔單頻固體雷射器，其特徵在於角錐稜鏡(1)與對稱式直角稜鏡(2)或傾斜式直角稜鏡(2』)為一體。
4.如權利要求2所述的角錐稜鏡非平面單向行波環形腔單頻固體雷射器，其特徵在於傾斜式直角稜鏡側面與一個直角面的夾角α小於相應介質的全內反射臨界角，一個直角面是全內反射面(5)，而另一個直角面是部分反射直角面(6)，在部分反射直角面上鍍對泵浦光的增透膜和振蕩光的偏振輸出膜，或只鍍振蕩光的偏振輸出膜而在直角稜鏡側面鍍泵浦光的增透膜。
全文摘要
一種角錐稜鏡非平面單向行波環形腔單頻固體雷射器,包括角錐稜鏡,直角稜鏡,非增益晶體和磁場。雷射器可實現單塊化得到穩定的單頻雷射,可在兩稜鏡之間靈活插入調Q、倍頻器件,還可通過旋轉角錐稜鏡調節雷射器的耦合輸出。所發明雷射器可用於需要需要較大功率或能量,高穩定相干雷射的精密測量,相干通訊,光譜分析及全息光學等領域。
文檔編號H01S3/16GK1373538SQ0110921
公開日2002年10月9日 申請日期2001年2月28日 優先權日2001年2月28日
發明者吳克瑛, 魏光輝 申請人:北京理工大學