专利名称：一种采用非线性激光晶体的和频紫外固体激光器的制作方法
技术领域：
本发明涉及固体激光器件设计领域。
背景技术：
紫外激光可应用于原子和分子光谱、生物学、同位素分离、激光化学、光数据存储等，在微电子、激光加工、科研等领域有着广泛应用。虽然准分子激光器可以直接输出紫外激光，然而该类激光采用了腐蚀性气体，具有高压气体放电，需要定期维护，而且体积庞大。因此，从比较成熟的半导体激光泵浦激光晶体产生近红外基波激光，再经过非线性光学的方法进行变频是成功获得紫外激光的较好手段，如1064nm的掺Nd3+固体基波激光首先经KTiOPO4(KTP)晶体倍频获得532nm，然后经过LiB3O4(LBO)、β-BaB2O4(BBO)、BiB3O6或YCa4O(BO3)3(YCOB)对1064nm与532nm和频产生355nm的紫外激光。
尽管与准分子激光器相比，采用上述方案具有高效、长寿命和全固态结构等优点。但是，整个系统需要一块激光晶体、两块非线性光学晶体分别用于倍频与和频，整个系统仍然比较复杂，调整、维护也比较困难。
发明内容
本发明设计了利用一块可掺杂稀土离子并具有非线性光学性能的晶体同时输出近红外基波光和倍频光，再利用一块非线性光学晶体对基波和倍频激光和频产生紫外激光的器件。
本发明的紫外激光系统，是由作为泵浦源的半导体激光器或其他红外光源、一块掺杂稀土离子的非线性激光晶体、一块和频用的非线性光学晶体、保证基波激光起振和紫外激光输出的镀膜片组成。其中掺杂稀土离子的非线性激光晶体能够有效吸收泵浦光，产生基波激光并能同时对基波激光自倍频，该基波激光和自倍频激光经非线性光学晶体和频后处于紫外波段。例如在目前已有的非线性光学晶体BiB3O6、LaSc3(BO3)4、GdxY1-xAl3(BO3)4和GdxY1-xCa4O(BO3)3(其中x可以从0变化到1)中，以0.5at.％～10.0at.％的Nd3+离子或1.0at.％～50.0at.％的Yb3+离子取代Bi3+、La3+、Gd3+和Y3+离子。在非线性激光晶体的切割和安装过程中，保证经泵浦光激励后的基波激光通光方向与倍频该基波激光的相位匹配方向一致。非线性光学晶体，如LBO、BBO、BiB3O6或YCOB按非线性激光晶体的基波激光和倍频激光的和频相位匹配方向切割、加工和安装。
也可以用第二块掺杂稀土离子的非线性激光晶体替代上述和频用的非线性光学晶体，该非线性激光晶体在起和频作用的同时也可以被泵浦光激励并输出基波激光参与倍频与和频过程。
现结合附图1和2来说明本发明方案的实现方式首先，根据有效吸收泵浦光和输出紫外激光波长的要求，选择合适的稀土离子；再选择能被上述稀土离子有效掺杂的非线性光学晶体作为基质晶体，进行稀土离子按一定浓度掺杂的非线性激光晶体生长。
其次，根据倍频晶体中稀土离子基波激光的需要对生长所得的非线性激光晶体1进行定向切割加工，使其通光方向与倍频相位匹配方向一致，晶体的长度可根据具体的材料和器件要求确定(一般在几毫米到几厘米之间)，端面积一般在毫米见方到厘米见方之间。之后将该晶体置于附图所示的入射镀膜腔镜3和出射镀膜腔镜4之间。泵浦光可以沿方向5端面泵浦或沿方向6侧向泵浦该非线性激光晶体。再将非线性光学晶体2进行定向切割加工，使其通光方向与非线性激光晶体输出的基波与倍频激光的和频相位匹配方向一致。
附图1是腔内和频紫外激光系统的示意图。非线性光学晶体2置于非线性激光晶体1和腔镜4之间，最后，紫外激光沿方向7输出。
附图2是腔外和频紫外激光系统的示意图。非线性光学晶体2置于出射腔镜4之外，最后，紫外激光沿方向7输出。
在非线性激光晶体的通光面镀泵浦光、基波光和倍频光的增透膜，在非线性光学晶体的通光面镀基波光、倍频光与和频光的增透膜，可以提高激光运转效率。
利用一块非线性激光晶体同时产生基波光和倍频光，与一块非线性光学晶体结合，采用除附图外的其他器件构造或添加其他光学元器件，同样可以实现紫外激光输出。
与目前常用的一块激光晶体和两块非线性光学晶体为主构成的紫外激光系统相比，本发明少用一块非线性光学晶体，即用类似于通常倍频的器件构造获得三倍频的紫外激光输出。使得器件更为简单和紧凑，有助于提高运行的稳定性并降低器件成本，将进一步拓展紫外固态激光器件的应用领域。
附图1和附图2分别是腔内和频紫外激光系统的示意图和腔外和频紫外激光系统的示意图。其中，1是掺稀土离子的非线性激光晶体，其通光方向与倍频基波激光的相位匹配方向一致；2是通光方向与非线性激光晶体1输出的基波与倍频激光的和频相位匹配方向一致的非线性光学晶体；3是激光腔的入射镀膜腔镜；4是激光腔的出射镀膜腔镜；5是端面泵浦光入射方向；6是侧向泵浦光入射方向；7是紫外激光输出方向。
具体实施例方式
实例1807nm波长的半导体激光泵浦，非线性激光晶体Nd3+:YAl3(BO3)4和非线性光学晶体BBO构成354nm腔内和频紫外激光输出系统。
非线性激光晶体NdxY1-xAl3(BO3)4(x在0.005到0.1之间)两端面沿垂直于I类倍频相位匹配角θ＝30.6°，＝0°定向切割，同时确定晶体的大小(一般为5×5×10mm3，10mm为相位匹配方向)，两个垂直于相位匹配方向的5×5mm2端面抛光后置于腔镜3和4之间。非线性光学晶体BBO两端面沿垂直于I类1062nm与531nm和频相位匹配角θ＝31.4°，＝0°定向切割，同时确定晶体的大小(一般为5×5×10mm3，10mm为相位匹配方向)，两个垂直于相位匹配方向的5×5mm2端面抛光后置于非线性激光晶体2和腔镜4之间(见附图1)。入射镀膜腔镜3在泵浦光波长807nm附近高透，Nd3+离子基波激光波长1062nm、倍频光531nm及和频光354nm附近高反(R＞99％)；出射腔镜4在和频光354nm附近高透，在807nm、1062nm及531nm附近高反(R＞99％)。这便是一个适于807nm的半导体激光沿方向5端面泵浦或沿方向6侧向泵浦的紫外固体激光系统，沿方向7输出354nm的紫外固体激光。
实例2807nm波长的半导体激光泵浦，非线性激光晶体Nd3+:YAl3(BO3)4和非线性光学晶体BBO构成354nm腔外和频紫外激光输出系统。
非线性激光晶体NdxY1-xAl3(BO3)4(x在0.005到0.1之间)两端面沿垂直于I类倍频相位匹配角θ＝30.6°，＝0°定向切割，同时确定晶体的大小(一般为5×5×10mm3，10mm为相位匹配方向)，两个垂直于相位匹配方向的5×5mm2端面抛光后置于腔镜3和4之间。非线性光学晶体BBO两端面沿垂直于I类1062nm与531nm和频相位匹配角θ＝31.4°，＝0°定向切割，同时确定晶体的大小(一般为5×5×10mm3，10mm为相位匹配方向)，两个垂直于相位匹配方向的5×5mm2端面抛光后置于腔镜4之外(见附图2)。入射镀膜腔镜3在泵浦光波长807nm附近高透，Nd3+离子基波激光波长1062nm、倍频光531nm及和频光354nm附近高反(R＞99％)；出射腔镜4在倍频光531nm附近高透，807nm附近高反(R＞99％)，基波1062nm附近透过与531nm相当光子数的激光。这便是一个适于807nm的半导体激光沿方向5端面泵浦或沿方向6侧向泵浦的紫外固体激光系统，沿方向7输出354nm的紫外固体激光。
实例3807nm波长的半导体激光泵浦，非线性激光晶体Nd3+:YAl3(BO3)4和非线性光学晶体LBO构成354nm腔内和频紫外激光输出系统。
非线性激光晶体NdxY1-xAl3(BO3)4(x在0.005到0.1之间)两端面沿垂直于I类倍频相位匹配角θ＝30.6°，＝0°定向切割，同时确定晶体的大小(一般为5×5×10mm3，10mm为相位匹配方向)，两个垂直于相位匹配方向的5×5mm2端面抛光后置于腔镜3和4之间。非线性光学晶体LBO两端面沿垂直于I类1062nm与531nm和频相位匹配角θ＝90°，＝37.5°定向切割，同时确定晶体的大小(一般为5×5×10mm3，10mm为相位匹配方向)，两个垂直于相位匹配方向的5×5mm2端面抛光后置于非线性激光晶体2和腔镜4之间(见附图1)。入射镀膜腔镜3在泵浦光波长807nm附近高透，Nd3+离子基波激光波长1062nm、倍频光531nm及和频光354nm附近高反(R＞99％)；出射腔镜4在和频光354nm附近高透，在807nm、1062nm及531nm附近高反(R＞99％)。这便是一个适于807nm的半导体激光沿方向5端面泵浦或沿方向6侧向泵浦的紫外固体激光系统，沿方向7输出354nm的紫外固体激光。
实例4807nm波长的半导体激光泵浦，非线性激光晶体Nd3+:YAl3(BO3)4和非线性光学晶体LBO构成354nm腔外和频紫外激光输出系统。
非线性激光晶体NdxY1-xAl3(BO3)4(x在0.005到0.1之间)两端面沿垂直于I类倍频相位匹配角θ＝30.6°，＝0°定向切割，同时确定晶体的大小(一般为5×5×10mm3，10mm为相位匹配方向)，两个垂直于相位匹配方向的5×5mm2端面抛光后置于腔镜3和4之间。非线性光学晶体LBO两端面沿垂直于I类1062nm与531nm和频相位匹配角θ＝90°，＝37.5°定向切割，同时确定晶体的大小(一般为5×5×10mm3，10mm为相位匹配方向)，两个垂直于相位匹配方向的5×5mm2端面抛光后置于腔镜4之外(见附图2)。入射镀膜腔镜3在泵浦光波长807nm附近高透，Nd3+离子基波激光波长1062nm、倍频光531nm及和频光354nm附近高反(R＞99％)；出射腔镜4在倍频光531nm附近高透，807nm附近高反(R＞99％)，基波1062nm附近透过与531nm相当光子数的激光。这便是一个适于807nm的半导体激光沿方向5端面泵浦或沿方向6侧向泵浦的紫外固体激光系统，沿方向7输出354nm的紫外固体激光。
实例5977nm波长的半导体激光泵浦，非线性激光晶体Yb3+:GdCa4O(BO3)3和非线性光学晶体BBO构成344nm腔内和频紫外激光输出系统。
非线性激光晶体YbxGd1-xCa4O(BO3)3(x在0.01到0.5之间)两端面沿垂直于I类倍频相位匹配角θ＝67.27°，＝129.4°定向切割，同时确定晶体的大小(一般为5×5×10mm3，10mm为相位匹配方向)，两个垂直于相位匹配方向的5×5mm2端面抛光后置于腔镜3和4之间。非线性光学晶体BBO两端面沿垂直于I类1030nm与515nm和频相位匹配角θ＝32.4°，＝0°定向切割，同时确定晶体的大小(一般为5×5×10mm3，10mm为相位匹配方向)，两个垂直于相位匹配方向的5×5mm2端面抛光后置于非线性激光晶体2和腔镜4之间(见附图1)。入射镀膜腔镜3在泵浦光波长977nm附近高透，Yb3+离子基波激光波长1030nm、倍频光515nm及和频光344nm附近高反(R＞99％)；出射腔镜4在和频光344nm附近高透，在977nm、1030nm及515nm附近高反(R＞99％)。这便是一个适于977nm的半导体激光沿方向5端面泵浦或沿方向6侧向泵浦的紫外固体激光系统，沿方向7输出344nm的紫外固体激光。
实例6977nm波长的半导体激光泵浦，非线性激光晶体Yb3+:GdCa4O(BO3)3和非线性光学晶体BBO构成344nm腔外和频紫外激光输出系统。
非线性激光晶体YbxGd1-xCa4O(BO3)3(x在0.01到0.5之间)两端面沿垂直于I类倍频相位匹配角θ＝67.27°，＝129.4°定向切割，同时确定晶体的大小(一般为5×5×10mm3，10mm为相位匹配方向)，两个垂直于相位匹配方向的5×5mm2端面抛光后置于腔镜3和4之间。非线性光学晶体BBO两端面沿垂直于I类1030nm与515nm和频相位匹配角θ＝32.4°，＝0°定向切割，同时确定晶体的大小(一般为5×5×10mm3，10mm为相位匹配方向)，两个垂直于相位匹配方向的5×5mm2端面抛光后置于腔镜4之外(见附图2)。入射镀膜腔镜3在泵浦光波长977nm附近高透，Yb3+离子基波激光波长1030nm、倍频光515nm及和频光344nm附近高反(R＞99％)；出射腔镜4在倍频光515nm附近高透，977nm附近高反(R＞99％)，基波1030nm附近透过与515nm相当光子数的激光。这便是一个适于977nm的半导体激光沿方向5端面泵浦或沿方向6侧向泵浦的紫外固体激光系统，沿方向7输出344nm的紫外固体激光。
实例7977nm波长的半导体激光泵浦，非线性激光晶体Yb3+:GdCa4O(BO3)3和非线性光学晶体LBO构成344nm腔内和频紫外激光输出系统。
非线性激光晶体YbxGd1-xCa4O(BO3)3(x在0.01到0.5之间)两端面沿垂直于I类倍频相位匹配角θ＝67.27°，＝129.4°定向切割，同时确定晶体的大小(一般为5×5×10mm3，10mm为相位匹配方向)，两个垂直于相位匹配方向的5×5mm2端面抛光后置于腔镜3和4之间。非线性光学晶体LBO两端面沿垂直于I类1030nm与515nm和频相位匹配角θ＝90°，＝40.2°定向切割，同时确定晶体的大小(一般为5×5×10mm3，10mm为相位匹配方向)，两个垂直于相位匹配方向的5×5mm2端面抛光后置于非线性激光晶体2和腔镜4之间(见附图1)。入射镀膜腔镜3在泵浦光波长977nm附近高透，Yb3+离子基波激光波长1030nm、倍频光515nm及和频光344nm附近高反(R＞99％)；出射腔镜4在和频光344nm附近高透，在977nm、1030nm及515nm附近高反(R＞99％)。这便是一个适于977nm的半导体激光沿方向5端面泵浦或沿方向6侧向泵浦的紫外固体激光系统，沿方向7输出344nm的紫外固体激光。
实例8977nm波长的半导体激光泵浦，非线性激光晶体Yb3+:GdCa4O(BO3)3和非线性光学晶体LBO构成344nm腔外和频紫外激光输出系统。
非线性激光晶体YbxGd1-xCa4O(BO3)3(x在0.01到0.5之间)两端面沿垂直于I类倍频相位匹配角θ＝67.27°，＝129.4°定向切割，同时确定晶体的大小(一般为5×5×10mm3，10mm为相位匹配方向)，两个垂直于相位匹配方向的5×5mm2端面抛光后置于腔镜3和4之间。非线性光学晶体LBO两端面沿垂直于I类1030nm与515nm和频相位匹配角θ＝90°，＝40.2°定向切割，同时确定晶体的大小(一般为5×5×10mm3，10mm为相位匹配方向)，两个垂直于相位匹配方向的5×5mm2端面抛光后置于腔镜4之外(见附图2)。入射镀膜腔镜3在泵浦光波长977nm附近高透，Yb3+离子基波激光波长1030nm、倍频光515nm及和频光344nm附近高反(R＞99％)；出射腔镜4在倍频光515nm附近高透，977nm附近高反(R＞99％)，基波1030nm附近透过与515nm相当光子数的激光。这便是一个适于977nm的半导体激光沿方向5端面泵浦或沿方向6侧向泵浦的紫外固体激光系统，沿方向7输出344nm的紫外固体激光。
实例9977nm波长的半导体激光泵浦，非线性激光晶体Yb3+:YAl3(BO3)4和非线性光学晶体BBO构成347nm腔内和频紫外激光输出系统。
非线性激光晶体YbxY1-xAl3(BO3)4(x在0.01到0.5之间)两端面沿垂直于I类倍频相位匹配角θ＝31.1°，＝0°定向切割，同时确定晶体的大小(一般为5×5×10mm3，10mm为相位匹配方向)，两个垂直于相位匹配方向的5×5mm2端面抛光后置于腔镜3和4之间。非线性光学晶体BBO两端面沿垂直于I类1040nm与520nm和频相位匹配角θ＝32.1°，＝0°定向切割，同时确定晶体的大小(一般为5×5×10mm3，10mm为相位匹配方向)，两个垂直于相位匹配方向的5×5mm2端面抛光后置于非线性激光晶体2和腔镜4之间(见附图1)。入射镀膜腔镜3在泵浦光波长977nm附近高透，Yb3+离子基波激光波长1040nm、倍频光520nm及和频光347nm附近高反(R＞99％)；出射腔镜4在和频光347nm附近高透，在977nm、1040nm及520nm附近高反(R＞99％)。这便是一个适于977nm的半导体激光沿方向5端面泵浦或沿方向6侧向泵浦的紫外固体激光系统，沿方向7输出347nm的紫外固体激光。
实例10977nm波长的半导体激光泵浦，非线性激光晶体Yb3+:YAl3(BO3)4和非线性光学晶体BBO构成347nm腔外和频紫外激光输出系统。
非线性激光晶体YbxY1-xAl3(BO3)4(x在0.01到0.5之间)两端面沿垂直于I类倍频相位匹配角θ＝31.1°，＝0°定向切割，同时确定晶体的大小(一般为5×5×10mm3，10mm为相位匹配方向)，两个垂直于相位匹配方向的5×5mm2端面抛光后置于腔镜3和4之间。非线性光学晶体BBO两端面沿垂直于I类1040nm与520nm和频相位匹配角θ＝32.1°，＝0°定向切割，同时确定晶体的大小(一般为5×5×10mm3，10mm为相位匹配方向)，两个垂直于相位匹配方向的5×5mm2端面抛光后置于腔镜4之外(见附图2)。入射镀膜腔镜3在泵浦光波长977nm附近高透，Yb3+离子基波激光波长1040nm、倍频光520nm及和频光347nm附近高反(R＞99％)；出射腔镜4在倍频光520nm附近高透，977nm附近高反(R＞99％)，基波1040nm附近透过与520nm相当光子数的激光。这便是一个适于977nm的半导体激光沿方向5端面泵浦或沿方向6侧向泵浦的紫外固体激光系统，沿方向7输出347nm的紫外固体激光。
实例11977nm波长的半导体激光泵浦，两块非线性激光晶体Yb3+:YAl3(BO3)4构成347nm腔内和频紫外激光输出系统。
第一块非线性激光晶体YbxY1-xAl3(BO3)4(x在0.01到0.5之间)两端面沿垂直于I类倍频相位匹配角θ＝31.1°，＝0°定向切割，同时确定晶体的大小(一般为5×5×10mm3，10mm为相位匹配方向)，两个垂直于相位匹配方向的5×5mm2端面抛光后置于腔镜3和4之间。第二块非线性激光晶体YbxY1-xAl3(BO3)4(x在0.01到0.5之间)两端面沿垂直于I类1040nm与520nm和频相位匹配角θ＝39.8°，＝0°定向切割，同时确定晶体的大小(一般为5×5×10mm3，10mm为相位匹配方向)，两个垂直于相位匹配方向的5×5mm2端面抛光后置于非线性激光晶体2和腔镜4之间(见附图1)。入射镀膜腔镜3在泵浦光波长977nm附近高透，Yb3+离子基波激光波长1040nm、倍频光520nm及和频光347nm附近高反(R＞99％)；出射腔镜4在和频光347nm附近高透，在977nm、1040nm及520nm附近高反(R＞99％)。这便是一个适于977nm的半导体激光沿方向5端面泵浦或沿方向6侧向泵浦第一块Yb3+:YAl3(BO3)4晶体、同时参照类似方案泵浦第二块Yb3+:YAl3(BO3)4晶体的紫外固体激光系统，沿方向7输出347nm的紫外固体激光。
权利要求
1.一种采用非线性激光晶体的和频紫外固体激光器，是由作为泵浦源的半导体激光器或其他红外光源、一块掺杂稀土离子的非线性激光晶体(1)、一块和频用的非线性光学晶体(2)、保证基波激光起振和紫外激光输出的镀膜片组成，其中掺杂稀土离子的非线性激光晶体(1)有效吸收泵浦光，产生基波激光并同时对基波激光自倍频，该基波激光和自倍频激光经非线性光学晶体(2)和频后处于紫外波段。
2.如权利要求1所述的固体激光器，其特征在于所述的非线性激光晶体(1)采用为BiB3O6、LaSc3(BO3)4、GdxY1-xAl3(BO3)4或GdxY1-xCa4O(BO3)3为基质晶体，其中x的取值为0～1，并以0.5at.％～10.0at.％的Nd3+离子或1.0at.％～50.0at.％的Yb3+离子取代Bi3+、La3+、Gd3+或Y3+离子。
3.如权利要求1所述的固体激光器，其特征在于所述的非线性光学晶体(2)为LBO、BBO、BiB3O6或YCOB晶体。
4.如权利要求1所述的固体激光器，其特征在于所述的非线性光学晶体采用第二块掺杂稀土离子的非线性激光晶体替代。
5.如权利要求1或4所述的固体激光器，其特征在于所述的非线性激光晶体(1)与第二块掺杂稀土离子的非线性激光晶体，采用分别按倍频与和频匹配方向切割的两块非线性激光晶体Yb3+:YAl3(BO3)4。
全文摘要
一种采用非线性激光晶体的和频紫外固体激光器，涉及固体激光器件设计领域。利用掺杂稀土离子的非线性激光晶体同时输出基波与倍频激光，再经过一非线性光学晶体对该基波与倍频激光和频，输出紫外波段的固体激光。该器件结构简单紧凑、稳定性和可靠性较高、制造成本较低。
文档编号H01S3/16GK1691442SQ20041003459
公开日2005年11月2日 申请日期2004年4月20日 优先权日2004年4月20日
发明者黄艺东, 陈雨金, 黄志云 申请人:中国科学院福建物质结构研究所