專利名稱：一種固體激光器諧振腔的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型是屬于半導(dǎo)體激光二極管泵浦全固態(tài)激光器技術(shù)領(lǐng)域，涉及固體激光器諧振腔的改進(jìn)及激光二極管泵浦的固體激光器制造技術(shù)。
在

圖1(b)中示出V型腔的等效光路。為分析簡(jiǎn)化起見，這里忽略了像散的作用。因而可用一個(gè)單一焦距值的透鏡F等效折疊鏡M，將激光介質(zhì)(多數(shù)為厚度1～8mm的NdYAG或NdYVO4晶片)等效為一個(gè)緊貼于平面鏡M1的薄熱透鏡Ft，其焦距值ft隨光泵浦功率的增大，可從∞變化至十幾厘米。熱動(dòng)力參數(shù)1/ft可大幅值變化是這種V型固體激光腔的一個(gè)重要特點(diǎn)。在圖2中示出它的光模特性的變換圓圖解分析。通過(guò)變換圓理論可以導(dǎo)出在情況(1)ft＞l1-f(此處f為等效透鏡F的焦距值)時(shí)，F(xiàn)-M2腔臂中的側(cè)焦點(diǎn)位置(在σ2圓上)及束腰參數(shù)b2=f22(l1-f)-l1+f-ftl1-f-ft---(1)]]>w2=b2λπ=[f2λ2π(l1-f)-l1+f-ftl1-f-ft]12---(2)]]>圖3中示出w2～1/ft的關(guān)系曲線。
當(dāng)情況(2)ft＞l1-f時(shí)，M2′鏡處的基模光斑尺寸為w2′=[f2λ2π(l1-f)-l1+f+3ftl1-f-ft]12---(3)]]>在圖3中示出w2′～1/ft的關(guān)系曲線。上式只有在ll1-f<1ft<3l1-f]]>時(shí)有實(shí)解。
在Ft-F腔臂中，M2鏡的σ2圓通過(guò)F透鏡變換后的像σ2′圓，也有兩種情況，同樣可求得情況(1)下Ft處的基模光束參數(shù)和Ft處的基模光斑尺寸bt=(l1-f)ftft2-(l1-f)2---(4)]]>wt=[λ(l1-f)ftπft2-(l1-f)2]12---(5)]]>在另一種情況(2)下Ft處的基模光斑尺寸wt′=[λ(l1-f)ftπ4(l1-f)ft-(l1-f)2-3ft2]12---(6)]]>圖4示出wt～1/ft與wt′～1/ft的關(guān)系曲線。從圖中可以看出，在情況(1)中，激光腔只能在“U”形曲線的一半所對(duì)應(yīng)的動(dòng)力穩(wěn)定區(qū)內(nèi)，即0<1ft<1l1-f]]>內(nèi)，穩(wěn)定運(yùn)行；在情況(2)下，激光腔可在整個(gè)“U”形曲線所對(duì)應(yīng)的動(dòng)力穩(wěn)定區(qū)內(nèi)，即1l1-f<1ft<3l1-f]]>內(nèi)，穩(wěn)定運(yùn)行。這與w2、w2′具有實(shí)解的動(dòng)力穩(wěn)定區(qū)是一致的(見圖3)。因此，在情況(2)中，較之情況(1)，可有兩倍較寬的實(shí)際可運(yùn)行的動(dòng)力穩(wěn)定區(qū)。但在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，要注意當(dāng)1/ft值接近 時(shí)，w2′變得很小，使M2′鏡承受較大的功率密度的激光作用，容易引起M2′鏡的光損傷。但由于激光介質(zhì)的激活區(qū)的孔徑是有限的，這會(huì)限制實(shí)際激光功率密度的極度增加，上述情況一般是可以避免的。
熱透鏡處的基模光斑尺寸可通過(guò)軸移M2鏡的位置而得以調(diào)整。按情況(1)設(shè)置的諧振腔，若我們將M2鏡左移至F透鏡的右焦點(diǎn)O′處，這時(shí)，σ2′圓為一通過(guò)F透鏡的左焦點(diǎn)O的直線。在這種情況下，wt的最小值將出現(xiàn)在1ft=12(l1-f)]]>處，其值為前述情況的 倍(見圖5(a))。
按情況(2)設(shè)置的諧振腔，若我們將M2鏡進(jìn)一步右移至M2″處，離S11″的距離為2Δ+，這時(shí)，熱透鏡Ft處的最小基模光斑尺寸還可以擴(kuò)大。在圖5(b)中給出其圖解表示。這時(shí)，在熱透鏡Ft處的最小基模光束參數(shù)b″min為M2′離S11″的距離為Δ+時(shí)的最小基模光束參數(shù)b″min的二倍，也即最小基模光斑尺寸可再擴(kuò)大 倍。
在上述兩種情況下，可相應(yīng)地增大端面泵浦光照于激光介質(zhì)中的激活區(qū)的截面，從而使熱透鏡效應(yīng)相應(yīng)地減弱。
按情況(2)配置的諧振腔，雖有上述的優(yōu)點(diǎn)，但有它的缺點(diǎn)。這主要是，它必須運(yùn)行在1ft>1l1-f]]>的動(dòng)力狀態(tài)。這時(shí)，光泵浦輸入功率較大，容易在激光介質(zhì)中引起明顯的熱應(yīng)力與雙聚焦效應(yīng)，及其相關(guān)的光損耗，使激光器的效率降低。
從上面對(duì)通用V型固體激光腔的光模特性的動(dòng)力學(xué)分析中可以看出，激光棒處的基模光斑尺寸wt(見圖4)或M2鏡處的基模光斑尺寸w2(見圖3)在1ft≈1l1-f]]>附近均趨于∞值，導(dǎo)致腔模運(yùn)行損耗大增，而使激光無(wú)法運(yùn)行。這是通用V型固體激光腔的致命缺點(diǎn)。
最近，Liu Jun-hai等人提出了改進(jìn)的V型腔結(jié)構(gòu)。在按情況(2)配置的諧振腔中，如果用一曲率半徑為R1＝15cm的凹面鏡代替平面鏡M1，即與工作[Liu J H，Wang C Q，LüJ H，Li G M，Shao Z S，Wang J Y，Liu Y G，Jiang M H 1999 Chin.Phys.Lett.16 508]中的諧振腔近似。在如此改進(jìn)后的V型腔中，可將動(dòng)力穩(wěn)定區(qū)移至低值1/ft的動(dòng)力狀態(tài)。因此，在極低的光泵浦功率輸入時(shí)，即可使激光腔穩(wěn)定運(yùn)行；同時(shí)，由于此時(shí)熱應(yīng)力引起的腔損耗可以忽略，激光器的運(yùn)行效率較高。
本實(shí)用新型包括V型諧振腔、激光介質(zhì)、折疊鏡、輸出鏡與端面鏡構(gòu)成，其特征在于所述的端面鏡是凹面鏡M1，所述的輸出鏡是凹面鏡M2’，還包括平面折疊鏡M3，構(gòu)成固體激光器諧振腔。
所述的輸出鏡在倍頻情況下對(duì)基頻光高反；所述的輸出鏡M2’與折疊鏡M3之間放置倍頻晶體；所述的折疊鏡M3對(duì)倍頻光高透，對(duì)基頻光高反。
所述的倍頻晶體置于熱透鏡對(duì)所述的凹面鏡M2’的‘像’點(diǎn)上；所述的倍頻晶體是KTP晶體。
所述的基頻光輸出鏡(倍頻情況下，對(duì)基頻光和倍頻光高反)M2’，M2’的曲率半徑及放置的位置的設(shè)計(jì)可依據(jù)諧振腔變換圓理論公式進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算的方法是將激光器腔長(zhǎng)、折疊凹鏡的位置、KTP倍頻晶體的位置以及激光晶體的熱透鏡焦距參數(shù)代入諧振腔變換圓的理論公式，可以得到平面輸出鏡通過(guò)折疊凹鏡的變換圓σ2′圓，此時(shí)M2′的曲率半徑等于σ2′圓的直徑，位置相應(yīng)在σ2′圓與光軸的右交點(diǎn)處。
所述的在倍頻情況下，將倍頻晶體KTP置于熱透鏡Ft對(duì)鏡M2’的‘像’點(diǎn)上，‘像’點(diǎn)的位置可以通過(guò)諧振腔變換圓理論公式求得。
本實(shí)用新型還可用LBO、KDP等其它倍頻晶體置于熱透鏡對(duì)輸出鏡的‘像’點(diǎn)上，可使倍頻晶體處的光斑尺寸不受熱透鏡大小變化的較大影響。在激光介質(zhì)與倍頻晶體間用一平面鏡做折疊鏡，此鏡對(duì)倍頻光(532nm)高透，對(duì)基頻光(1.064μm)高反，可以防止綠光返回激光介質(zhì)，引起激光介質(zhì)附加吸收，加劇熱效應(yīng)。
本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)緊湊，極大壓縮了激光器體積，腔內(nèi)無(wú)象散元件，可保證光束具有更好的質(zhì)量，并具有重大的經(jīng)濟(jì)效益。
在取l1＝250mm，f＝50mm，R1＝150mm。這里只有一個(gè)“U”曲線，另一個(gè)落在1/ft→∞處。1/ft＝0的縱坐標(biāo)與這個(gè)“U”曲線相交。1/ft＞0的“U”曲線才有實(shí)際意義。此時(shí)，σ1′圓的直徑R1′=ftR1ft+R1,]]>熱透鏡Ft處的基模光束參數(shù)為b′=(l1-f)R1′4(l1-f)R1′-(l1-f)2-3R1′2]]>熱透鏡Ft處的基模光斑尺寸wt′=b′λπ.]]>當(dāng)R1′=12(l1-f)]]>時(shí)，b′有一最小值b′min＝l1-f，相應(yīng)地，有最小的基模光斑尺寸wmin′=(l1-f)λπ.]]>正如在文獻(xiàn)[Zhang G Y，Song F，F(xiàn)eng Y，Xu J J 2000 Acta phys.Sina.491495(in Chinese)[張光寅，宋峰，馮衍，許京軍2000物理學(xué)報(bào)49 1495]]中已指出的，可以將激活區(qū)的孔徑擴(kuò)大至最小基模限制孔徑的1.2倍，均可以保證在此孔徑的限制下的整個(gè)有效動(dòng)力穩(wěn)定區(qū)內(nèi)基模運(yùn)行。這時(shí)，在有效動(dòng)力穩(wěn)定區(qū)的邊界處運(yùn)行的基模光束參數(shù)為該區(qū)內(nèi)最小基模光束參數(shù)b′min的1.44倍，即有b′＝1.44(l1-f)，于是可得R1′的兩個(gè)解為R1±′=(5.76±2.07)(l1-f)10.03.]]>而由l1＝250mm，f＝50mm，則有l(wèi)1-f＝200mm，于是可求得R1+′＝156mm；R1-′＝73.6mm。在這里，若采用凹面鏡M1曲率半徑為R1＝150mm。如此，當(dāng)ft從∞變化至150mm時(shí)，σ1′圓的直徑R1′為75mm。由R1確定的σ1圓，和由R1′確定的σ1′圓均落在由R1+′確定的σ1+′圓，和由R1-′確定的σ1-′圓之間；而σ1圓緊鄰σ1+′圓，σ1′圓緊鄰σ1-′圓。這意味著，在ft從∞至150mm大幅值變化的情況下，部能滿足基模穩(wěn)定運(yùn)行的要求。工作[Liu J H，Wang C Q，LüJ H，LiGM，Shao Z S，Wang JY，Liu Y G，Jiang M H 1999 Chin.Phys.Lett.16 508]中采用的諧振腔結(jié)構(gòu)及其參數(shù)與上述分析所采用的十分相近，它們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與上述分析的結(jié)果也十分地相近。這表明，上述分析是可信的。
將上述V型腔用作內(nèi)腔倍頻激光腔。只需將KTP或LBO等倍頻晶體(4～5mm厚)放置于腔內(nèi)緊鄰M2鏡一端。由于M2鏡處的束腰基模光斑尺寸w2或w2′較小(見圖3)，這有利于基頻光向倍頻光的轉(zhuǎn)換。但也應(yīng)看到，w2或w2′隨1/ft的變化較為明顯；特別是，w2′隨1/ft向大值變化時(shí)，有趨向零的趨勢(shì)，這時(shí)，易于引起倍頻晶體的光損傷。如果將倍頻晶體稍離開M2鏡，即置于熱透鏡Ft對(duì)透鏡F的像點(diǎn)上，在ft大幅值變化的情況下，倍頻晶體處的基模光斑尺寸可基本上保持不變。這可避免由于ft的大幅值變化可能引起的腔內(nèi)光束在倍頻晶體上的聚焦而引起的光損傷。這正是圖1所示的V型腔在使用時(shí)需要注意防止的。還須指出，這種腔結(jié)構(gòu)恰好符合雙熱擾中心情況下的熱穩(wěn)腔的要求。
權(quán)利要求1.一種固體激光器諧振腔，所述的諧振腔包括V型諧振腔、激光介質(zhì)、折疊鏡、輸出鏡與端面鏡構(gòu)成，其特征在于所述的端面鏡是凹面鏡M1，所述的輸出鏡是凹面鏡M2’，還包括平面折疊鏡M3，構(gòu)成固體激光器諧振腔。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固體激光器諧振腔，其特征在于所述的輸出鏡M2’與折疊鏡M3之間放置倍頻晶體。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的固體激光器諧振腔，其特征在于所述的折疊鏡M3對(duì)倍頻光高透，對(duì)基頻光高反。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的固體激光器諧振腔，其特征在于所述的倍頻晶體置于熱透鏡對(duì)所述的凹面鏡M2’的‘像’點(diǎn)上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固體激光器諧振腔，其特征在于所述的倍頻晶體是KTP晶體。
專利摘要本實(shí)用新型涉及固體激光器諧振腔制造技術(shù)。它包括端面鏡、腔內(nèi)激光介質(zhì)、折疊鏡、輸出鏡。利用諧振腔變換圓理論以短曲率半徑的M
文檔編號(hào)H01S3/08GK2560132SQ0223834
公開日2003年7月9日 申請(qǐng)日期2002年7月3日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月3日
發(fā)明者張光寅, 沙作金, 張潮波, 高文靖, 丁欣, 顏彩繁, 焦志勇 申請(qǐng)人:南開大學(xué), 海南睿豐光纖光纜有限公司