專利名稱：角錐棱鏡非平面單向行波環(huán)形腔單頻固體激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明為角錐棱鏡非平面單向行波環(huán)形腔單頻固體激光器，屬光電子技術(shù)領(lǐng)域。
產(chǎn)生大功率高相干性激光輻射的單頻固體激光器一直是光電子技術(shù)領(lǐng)域的研究重點之一。其實現(xiàn)方法已有薄片腔法[1]、F-P標準具法[2]、扭轉(zhuǎn)模腔法[3]、聲光調(diào)制器法[4]和平面環(huán)形腔中加入光學單向器[5]等方法。1985年美國的Kane和Byer發(fā)明了單塊非平面環(huán)形腔單頻固體激光器[6]，此種激光器僅由一塊激光晶體組成，由半導體激光器端面泵浦，可得到較高功率、穩(wěn)定輸出的單頻激光，世界各國爭相效仿。其不足為(1)晶體幾何形狀復雜，加工工藝困難，周期長，成本高；(2)只適宜端面泵浦激光單頻輸出功率受到限制；(3)晶體中的激光振蕩環(huán)路只有一條，抗損壞能力低。
現(xiàn)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(huán)形激光器，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(fā)明目的是由普通標準棱鏡組成非平面單向行波環(huán)形激光諧振腔，可采用半導體激光器(LD)端面泵浦或側(cè)面泵浦，實現(xiàn)穩(wěn)定的大功率單頻激光振蕩。
本發(fā)明目的由如下技術(shù)方案實現(xiàn)。激光器由角錐棱鏡和對稱式直角棱鏡或傾斜式直角棱鏡組成，角錐棱鏡置于直角棱鏡的頂部，角錐棱鏡底面和直角棱鏡頂面鍍振蕩光的增透膜。直角棱鏡由激光增益晶體組成，直角棱鏡側(cè)面與一個直角面的夾角為α。對稱式直角棱鏡的α＝45°，兩個直角面是全內(nèi)反射面，在一個或兩個直角面貼非增益晶體即可實現(xiàn)泵浦光導入和振蕩光輸出功能。傾斜式直角棱鏡的α≠45°。當兩個直角面是全內(nèi)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(xiàn)泵浦光導入和振蕩光輸出功能。當傾斜式直角棱鏡的α小于相應激光增益晶體的全內(nèi)反射臨界角時，一個直角面是全內(nèi)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(xiàn)端面泵浦光的導入和振蕩激光的輸出，或只鍍振蕩光的偏振輸出膜實現(xiàn)振蕩光的輸出，而在直角棱鏡側(cè)面鍍泵浦光的增透膜實現(xiàn)泵浦光的導入。角錐棱鏡與對稱式直角棱鏡或傾斜式直角棱鏡可為一體，形成具有極穩(wěn)定單頻輸出的固體激光器。
角錐棱鏡式非平面單向行波環(huán)形腔單頻固體激光器與已有的各種單頻固體激光器相比有如下優(yōu)點1.可采用端面和側(cè)面泵浦方式，得到較大功率的單頻激光。
2.在固定的偏振輸出反射膜參數(shù)條件下，可通過旋轉(zhuǎn)角錐棱鏡調(diào)整輸出激光的偏振度及其實際輸出耦合。
3.激光腔由熟知的角錐棱鏡和直角棱鏡組成，加工工藝非常成熟，可大大減少加工周期和成本而且成品激光器不易失調(diào)。
4.振蕩光在腔內(nèi)的環(huán)路有多條，可通過選擇不同環(huán)路避開晶體中損傷的部位，激光器抗損傷能力強。
5.可在兩棱鏡之間方便地插入其它元件，如磁光晶體、Q開關(guān)、相位調(diào)制器、倍頻晶體等，使激光器提高單縱?？刂颇芰?，實現(xiàn)調(diào)Q高峰值功率脈沖運轉(zhuǎn)、頻率調(diào)諧或倍頻輸出等各種功能。
6.將角錐棱鏡與直角棱鏡橫向失調(diào)一個小位移，在直角輸出面鍍1.06μm增透膜，即可構(gòu)成光再生放大器，通過注入一個較低功率的穩(wěn)定單頻激光，得到大功率穩(wěn)定單頻輸出。
7.可將角錐棱鏡與直角棱鏡和成一體，制成單塊化的激光器，輸出很穩(wěn)定的單頻激光。
本發(fā)明的具體內(nèi)容由圖一至圖三給出。
圖一(a)為具有對稱式直角棱鏡的角錐棱鏡非平面單向行波環(huán)形腔單頻固體激光器。圖一(b)為具有傾斜式直角棱鏡的角錐棱鏡非平面單向行波環(huán)形腔單頻固體激光器。圖二為角錐棱鏡非平面單向行波環(huán)形腔單頻固體激光器的單塊化形式。圖三為光在角錐棱鏡中的傳播。圖四為傾斜式直角棱鏡。
角錐棱鏡1、對稱式直角棱鏡2、傾斜式直角棱鏡2’、永磁場3、非增益晶體4、全內(nèi)反射直角面5、部分反射直角面6，側(cè)面7、頂面8、入射點9、出射點10、全內(nèi)反射點11、全內(nèi)反射點12、全內(nèi)反射點13、傳統(tǒng)直角棱鏡14。
下面結(jié)合附圖
對本發(fā)明加以詳細說明。
角錐棱鏡非平面單向行波環(huán)形腔單頻固體激光器由角錐棱鏡1和激光晶體(如NdYAG)制成的對稱式直角棱鏡2或傾斜式直角棱鏡2’組成，角錐棱鏡1置于對稱式直角棱鏡2或傾斜式直角棱鏡2’的頂部，角錐棱鏡底面和直角棱鏡頂面鍍振蕩光的增透膜。如圖一所示。光在角錐棱鏡1內(nèi)的三次全內(nèi)反射位于不同空間取向的反射面內(nèi)，具有法拉第磁光效應的激光增益晶體制成的直角棱鏡在永磁場3作用下使偏振光在其中進行法拉第旋轉(zhuǎn)，輸出耦合偏振反射系數(shù)Rs≠Rp。激光腔內(nèi)相向傳播的光具有不同的本征偏振態(tài)和損耗，可實現(xiàn)單一本征偏振態(tài)的單向行波振蕩，消除空間燒孔，獲得單縱模輸出。旋轉(zhuǎn)角錐棱鏡1可改變激光腔的本征偏振態(tài)及相應本征偏振態(tài)的輸出損耗，從而在固定輸出耦合反射系數(shù)時得到不同的激光耦合輸出。激光器具有兩種耦合輸出方式。附圖一(a)的對稱式直角棱鏡2的側(cè)面7與全內(nèi)反射直角面5之間的夾角α＝45°，大于臨界角。在全內(nèi)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(nèi)反射直角面5的距離形成受抑全反射，得到偏振耦合輸出。傾斜式直角棱鏡的α≠45°。當兩個直角面是全內(nèi)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)采用傾斜式直角棱鏡2’，是側(cè)面7與全內(nèi)反射直角面5的夾角α小于激光增益晶體的臨界角的情況，在另一個直角面上光線以小于臨界角部分反射，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激光的輸出。
圖一(a)采用半導體激光器端面泵浦時通過兩全內(nèi)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，單頻激光功率受到一定限制，但激光器構(gòu)成簡單，輸出損耗小。兩種結(jié)構(gòu)激光器均可采用半導體激光器泵浦對稱式直角棱鏡2或傾斜式直角棱鏡2’的側(cè)面，以提高激光器的輸出功率。調(diào)節(jié)泵浦光的位置，激光可在腔內(nèi)的不同環(huán)路振蕩，因此可通過選擇不同環(huán)路避開晶體中損傷的部位。激光器具有抗損傷的優(yōu)點。
可將角錐棱鏡與直角棱鏡制成一體形成單塊化的激光器，輸出極穩(wěn)定的單頻激光。結(jié)構(gòu)及鍍膜要求同上，如圖二所示。
角錐棱鏡式非平面環(huán)形腔單頻固體激光器中角錐棱鏡1由玻璃或石英晶體等材料制成，底面鍍振蕩激光波長的增透膜。如附圖二所示，光線在角錐棱鏡內(nèi)部非平面?zhèn)鞑ィ谌珒?nèi)反射點11、全內(nèi)反射點12、全內(nèi)反射點13全內(nèi)反射，出射光自動與其入射光平行。
如附圖三所示，激光晶體制成的傾斜式直角棱鏡2’是由傳統(tǒng)直角棱鏡14斜切α角制成，α角小于激光晶體的全內(nèi)反射臨界角。光線從直角棱鏡頂面8入射，一個直角面是全內(nèi)反射直角面5，另一個直角面是部分反射直角面6。直角棱鏡頂面8鍍對振蕩激光波長的增透膜。如果用半導體激光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激光波長的偏振輸出膜，輸出反射系數(shù)Rs≠Rp。如果用半導體激光器從側(cè)面7泵浦則應在激光晶體的相應側(cè)面鍍對泵浦光波長的增透膜，在部分反射直角面6上鍍對振蕩激光波長的偏振輸出膜。
激光器除采用NdYAG晶體為增益介質(zhì)形成對稱式直角棱鏡2或傾斜式直角棱鏡2’外，還可使用雙折射激光晶體為工作物質(zhì)(如YLF、YVO4)，利用此類激光晶體σ與π偏振分量的不同增益特性，調(diào)整兩個光線傳播方向四個本征偏振態(tài)的增益(損耗)特性，獲得單向行波單一偏振態(tài)單縱模輸出。對稱式直角棱鏡2或傾斜式直角棱鏡2’也可用其它材料制作。
本實施例中角錐棱鏡1的通光口徑為17mm，軸向長度為10mm，對稱式直角棱鏡2和傾斜式直角棱鏡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。
由于激光器由分離元件組成時，可在兩棱鏡之間方便地插入其它元件，如磁光晶體、Q開關(guān)、相位調(diào)制器、倍頻晶體等，使激光器提高單縱模控制能力，實現(xiàn)調(diào)Q高峰值功率脈沖運轉(zhuǎn)、頻率調(diào)諧或倍頻輸出等各種功能。
權(quán)利要求
1.一種角錐棱鏡非平面單向行波環(huán)形腔單頻固體激光器，其特征在于激光器由角錐棱鏡(1)和對稱式直角棱鏡(2)組成，角錐棱鏡(1)置于對稱式直角棱鏡(2)的頂部，角錐棱鏡底面和直角棱鏡頂面鍍振蕩光的增透膜，直角棱鏡由激光增益晶體制成，直角棱鏡側(cè)面(7)與一個直角面的夾角為α，直角棱鏡對稱即α＝45°時，兩個直角面是全內(nèi)反射面(5)，在一個或兩個直角面貼非增益晶體(4)。
2.一種角錐棱鏡非平面單向行波環(huán)形腔單頻固體激光器，其特征在于激光器由角錐棱鏡(1)和傾斜式直角棱鏡(2’)組成，角錐棱鏡置于傾斜式直角棱鏡的頂部，角錐棱鏡底面和直角棱鏡頂面鍍振蕩光的增透膜，直角棱鏡由激光增益晶體組成，直角棱鏡側(cè)面與一個直角面的夾角為α，直角棱鏡傾斜即α≠45°，兩個直角面是全內(nèi)反射直角面時，在一個或兩個直角面貼非增益晶體。
3.如權(quán)利要求1、2所述的角錐棱鏡非平面單向行波環(huán)形腔單頻固體激光器，其特征在于角錐棱鏡(1)與對稱式直角棱鏡(2)或傾斜式直角棱鏡(2’)為一體。
4.如權(quán)利要求2所述的角錐棱鏡非平面單向行波環(huán)形腔單頻固體激光器，其特征在于傾斜式直角棱鏡側(cè)面與一個直角面的夾角α小于相應介質(zhì)的全內(nèi)反射臨界角，一個直角面是全內(nèi)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棱鏡側(cè)面鍍泵浦光的增透膜。
全文摘要
一種角錐棱鏡非平面單向行波環(huán)形腔單頻固體激光器,包括角錐棱鏡,直角棱鏡,非增益晶體和磁場。激光器可實現(xiàn)單塊化得到穩(wěn)定的單頻激光,可在兩棱鏡之間靈活插入調(diào)Q、倍頻器件,還可通過旋轉(zhuǎn)角錐棱鏡調(diào)節(jié)激光器的耦合輸出。所發(fā)明激光器可用于需要需要較大功率或能量,高穩(wěn)定相干激光的精密測量,相干通訊,光譜分析及全息光學等領(lǐng)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(yōu)先權(quán)日2001年2月28日
發(fā)明者吳克瑛, 魏光輝 申請人:北京理工大學