专利名称：自受激固体拉曼激光器的制作方法
技术领域：
涉及固体激光器领域，特别是一种自受激固体拉曼激光器。
背景技术：
目前国外已经有固体拉曼激光器的报道，它们主要有以下四种结构(参见Pavel Cerny等人发表的“Solid state lasers with Raman frequencyconversion”，《Progress in Quantum Electronics》28(2004)113-143)单通拉曼激光装置、外置拉曼激光装置(拉曼晶体的振荡腔与泵浦激光振荡腔分开)、内置拉曼激光装置(拉曼晶体与激光介质都放在腔内)和拉曼耦合腔装置。不管上面的哪种结构，激光器装置中激光增益介质与拉曼增益介质都是分开的，所以必须同时满足腔内的基频光、拉曼激光的模式匹配，使得谐振腔变得相当复杂，而且系统制作工艺难度加大很多，系统稳定性不高，也不紧凑。另外现有的固体拉曼激光器中一般没有腔内调Q装置，对泵浦源脉宽、峰值功率的要求非常高。
发明内容
本实用新型的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种自受激固体拉曼激光器，以扩展现有常规固体激光器的激光波长，克服了现有的固体拉曼激光器激光增益介质与拉曼增益介质分开所导致的技术限制，以及对泵浦激光脉冲宽度和能量要求严格造成的限制，提高系统的稳定性和结构的紧凑性，并获得高功率的拉曼激光输出。
本实用新型的技术解决方案如下一种自受激固体拉曼激光器，包括激光泵浦系统、镀膜的激光输入腔片和输出腔片构成的激光腔，其特征是在激光腔中放置自受激拉曼晶体和激光调Q装置。
所述的自受激拉曼晶体采用低掺杂Nd3+稀土离子的YVO4晶体、或GdVO4晶体，或者采用掺杂Nd3+稀土离子的GDxY1-xVO4晶体，其中x从0变化到1。稀土离子掺杂浓度在0.05at.％至2.0at.％之间。
所述的调Q装置为声光调Q装置、电光调Q装置或非线性可饱和吸收体调Q装置。
所述的激光腔中放入的自受激拉曼晶体在所述的调Q装置之前，或之后均可。
所述的自激发拉曼晶体和调Q装置的两端面镀有基频光和拉曼激光的增透膜。
在腔内的自受激拉曼晶体，既作为激光工作介质，也作为拉曼频率转换介质先产生基频激光，然后通过腔内调Q装置压缩激光脉宽，基频光在谐振腔内经过多次振荡后，由同一块拉曼晶体完成基频光转换为拉曼激光输出。将它作为工作物质，不仅可以得到一些常规固体激光器得不到的波长(可参考后面实例解说中的例子)，而且比起一般意义上的固体拉曼激光器在结构上要紧凑得多，因此与其相关的谐振腔设计、调整等难度也得到大大降低。
在产生拉曼激光的谐振腔中放入了调Q装置，它的作用有三个一、为了使产生的基频光在腔内多次振荡经过调Q装置后，大大地压缩激光脉宽，同时达到足够大的峰值功率，使基频光满足产生受激拉曼散射所需的阈值条件。
二、提高拉曼激光的输出功率。
三、因为调Q装置的压缩脉宽和提高基频光峰值功率的作用，系统对泵浦源的要求可以大大降低，只要用脉宽要求不是很严格、平均功率不太高的激光二极管泵浦就可以了。
本实用新型技术方案具有的有益的效果本实用新型设计的自受激固体拉曼激光器可以由808nm波长的激光二极管做泵浦源，得到某些特殊激光波长，例如1525nm的人眼安全激光波长、1176nm激光波长等(下面有详细的实例解说)，这对传统固体激光器的输出波长的限制是个非常有益的补充；与一般意义上的固体拉曼激光器相比，自受激固体拉曼激光器解决了激光增益介质与拉曼增益介质分开的结构造成的技术限制，提高了系统的稳定性和结构的紧凑性；本实用新型设计的调Q的自受激固体拉曼激光器解决了固体拉曼激光器对泵浦激光脉冲宽度和能量要求严格造成的限制，一般的固体拉曼激光器要求泵浦源脉宽为ns甚至ps量级，而调Q的自受激固体拉曼激光器泵浦源用连续或者准连续的激光二极管即可。
图1是本实用新型自受激固体拉曼激光器的结构示意图图中1-激光泵浦系统；2-激光腔输入腔片；3-激光腔输出腔片；4-自受激拉曼晶体；5-调Q装置；6-拉曼激光输出方向；7-输入腔片的外侧面；8-输入腔片的内侧面；9-输出腔镜的内侧面。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本实用新型加以说明。
先请参阅图1，图1是本实用新型自受激固体拉曼激光器的结构示意图，由图可见，本实用新型自受激固体拉曼激光器，包括激光泵浦系统1、镀膜的激光输入腔片2和输出腔片3构成的激光腔，其特征是在激光腔中放置自受激拉曼晶体4和激光调Q装置5。
如附图1所示，根据现有的泵浦源波长情况和需要的拉曼激光波长要求选择合适的自激发拉曼晶体4进行切割和端面抛光，切割方向都沿晶体物理学中定义的沿a轴切割(晶体受激发射横截面平行于c轴)或者沿c轴方向切割(晶体受激发射横截面正交于c轴)，晶体长度可根据具体的材料和器件的要求确定(建议在10mm左右)，端面积由泵浦光光束的横截面面积决定，一般在毫米平方到若干厘米平方之间。之后在激光腔中放入的自受激拉曼晶体和调Q装置，它们的位置可以根据具体情况互换，以达到最佳输出效果。谐振腔输入腔片2上镀膜，在输入腔片外侧面7镀泵浦光的增透膜，反射率R＜0.2％；在输入腔片1内侧面8镀对基频光和拉曼激光高反的膜，反射率R＞99.8％，且对泵浦光波长高透，透射率T＞90％。谐振腔输出腔片3的内侧面9镀膜，对基频光高反，R＞99.8％，对拉曼激光部分反射，反射率R＝60％-90％之间。最后拉曼激光将沿着方向6输出。
可以在自受激拉曼晶体4、调Q装置5的两个端面都镀基频光、拉曼激光的增透膜，以提高激光系统的运作效率。
自受激固体拉曼激光器的工作流程是这样的由电激励激光二极管发射808nm激光波长，808nm波长光泵浦自激发拉曼晶体4，晶体吸收泵浦光，能量以粒子数反转形式存在晶体中，经过谐振腔的反馈振荡及调Q装置5触发，泵浦光转换为基频光；再经过多次谐振腔的反馈振荡和调Q装置5触发，泵浦光达到受激拉曼散射域值条件，由同一块自激发拉曼晶体4完成拉曼频率转换，得到拉曼激光输出。
实例1输出为1525nm(人眼安全波段)的Yb:YVO4晶体自受激固体拉曼激光器激光器件结构如图1所示。泵浦源1为一个通过光纤耦合输出的波长为808nm的激光二极管，其中耦合光纤的芯纤直径为400μm，数值孔径为0.15，激光二极管输出脉冲平均功率为12.0W，重复频率为1kHz。用一个焦距为15.0mm的透镜将85％以上的泵浦光能量耦合入自受激拉曼晶体(3)中，入射的泵浦光光束半径平均为300μm左右。
整个激光腔腔长87mm。为了得到高效的一阶斯托克斯光转换，谐振腔的输入腔片2和输出腔片3都镀了特定的二向色性薄膜。谐振腔输入腔片2是个曲率半径为500mm的凹面镜，在外侧7镀对泵浦光(808nm)波长的增透膜，反射率R＜0.2％；在内侧8镀了对1342nm和1525nm光的高反膜，反射率R＞99.8％，且对泵浦光波长高透，透射率T＞90％。注意到这里1342nm波长的是基频光，1525nm波长的是基频光的一阶斯托克斯光，也就是我们想要的拉曼激光。谐振腔输出腔片3在内侧9镀膜，对1342nm光高反，R＞99.8％，对1525nm激光部分反射，反射率R＝65％。输入腔片2和输出腔片3对1064nm激光都有90％的高透过率，这是为了抑制由Pr:YVO4晶体寄生振荡产生的1064nm波长光作为基频光参与受激拉曼散射的产生。
自受激拉曼晶体4为掺杂0.4-at.％浓度Yb3+离子的YVO4晶体，其中低浓度掺杂是为了防止热效应严重而导致晶体破裂，晶体长度11mm。Yb:YVO4晶体的两个端面都镀了对1330-1530nm区间波段的增透膜(反射率R＜0.2％)。Pr3+:YVO4晶体沿晶体物理学定义中的a轴方向切割(晶体受激发射横截面平行于c轴)，用铟箔包裹晶体除两端面外的几个面，并固定在水冷的铜块上，水温控制在25℃左右。调Q装置5采用30mm长的声光调Q开关，两个端面都镀有对1330-1530nm区间波段的增透膜，Q开关中心频率为25-32MHz，射频功率为13.0W。
整个工作流程如下首先808nm波长的二极管激光器泵浦Yb:YVO4晶体，产生基频激光，波长分别为1342nm和1064nm(使1064nm光高度透过腔镜，以抑制其在谐振腔中振荡)，剩下1342nm基频光振荡，在腔内通过调Q装置，以及Yb:YVO4晶体的自拉曼效应将1342nm基频光完全转换为1525nm的拉曼激光沿方向(6)输出。
实例2输出波长为1176nm的Yb:YVO4晶体自受激固体拉曼激光器。
这种激光器装置，单个的谐振腔、调Q装置等等，都与实例1完全相同，采用的自受激拉曼晶体4也仍然是Yb:YVO4晶体，需要改动的地方就是实例1中针对1342nm波长镀的膜等等都改成针对1064nm波段，而实例1中针对1064nm波长镀的膜都改成针对1342nm波段，这是为了抑制1342nm波长光作为基频光参与受激拉曼散射的产生。
整个原理性思想与实例1一致，工作流程如下首先808nm波长的二极管激光器泵浦Yb:YVO4晶体，产生基频激光，波长分别为1064nm和1342nm(使1342nm光高度透过腔镜，以抑制其在谐振腔中振荡)，剩下1064nm基频光振荡，在腔内通过调Q装置5，以及Yb:YVO4晶体的自拉曼效应将1064nm基频光完全转换为1176nm的拉曼激光。
实例3输出波长为1176nm的Pr:GdVO4晶体自受激固体拉曼激光器。
激光器件结构如图1所示。泵浦源1为一个通过光纤耦合输出的波长为808nm的激光二极管，其中耦合光纤的芯纤直径为150μm，数值孔径为0.15，激光二极管输出脉冲平均功率为2.5W，重复频率为1kHz。用一个焦距为12.5mm的透镜将85％以上的泵浦光能量耦合入自受激拉曼晶体3中，入射的泵浦光光束半径平均为120μm左右。
整个激光腔腔长16mm。为了得到高效的一阶斯托克斯光转换，谐振腔输入腔片2和输出腔片3都镀了特定的二向色性薄膜。谐振腔输入腔片2是个曲率半径为15mm的凹面镜，在外侧7镀对泵浦光(808nm)波长的增透膜，反射率R＜0.2％；在内侧8镀了对1064nm和1176nm光的高反膜，反射率R＞99.8％，且对泵浦光波长高透，透射率T＞90％。注意到这里1064nm波长的是基频光，1176nm波长的是基频光的一阶斯托克斯光，也就是我们想要的拉曼激光。谐振腔输出腔片3在内侧9镀膜，对1064nm光高反，R＞99.8％，对1176nm激光部分反射，反射率R＝70％。自受激拉曼晶体4放在非常靠近输入腔片2的位置。
自受激拉曼晶体4为掺杂0.9-at.％浓度Pr3+离子的GdVO4晶体，晶体长度8mm。Pr3+:YVO4晶体沿晶体物理学定义中的c轴方向切割(晶体受激发射横截面垂直于c轴)。调Q装置(5)采用2mm厚度的Cr4+:YAG晶体，两个端面都镀有对1064nm波长的增透膜(R＜0.2％)。
整个工作流程如下首先808nm波长的二极管激光器泵浦Pr:GdVO4晶体，产生基频激光，波长为1064nm，在腔内通过Cr4+:YAG晶体5被动调Q，以及Pr:GdVO4晶体4自拉曼效应将1064nm基频光完全转换为1176nm的拉曼激光沿方向(6)输出。
权利要求1.一种自受激固体拉曼激光器，包括激光泵浦系统(1)、镀膜的激光输入腔片(2)和输出腔片(3)构成的激光腔，其特征是在激光腔中放置自受激拉曼晶体(4)和激光调Q装置(5)。
2.根据权利要求1所述的自受激固体拉曼激光器，其特征是所述的自受激拉曼晶体(4)采用低掺杂Nd3+稀土离子的YVO4晶体、或GdVO4晶体，或者采用掺杂Nd3+稀土离子的GDxY1-xVO4晶体，其中x从0变化到1，稀土离子掺杂浓度在0.05at.％至2.0at.％之间。
2.根据权利要求1所述的自受激固体拉曼激光器，其特征是所述的调Q装置(5)为声光调Q装置、电光调Q装置或非线性可饱和吸收体调Q装置。
3.根据权利要求1所述的自受激固体拉曼激光器，其特征是所述的激光腔中放入的自受激拉曼晶体(4)在所述的调Q装置(5)之前，或之后。
4.根据权利要求1、2或3所述的自受激固体拉曼激光器，其特征在于在所述的自激发拉曼晶体(4)和调Q装置(5)的两端面镀基频光和拉曼激光的增透膜。
专利摘要一种自受激固体拉曼激光器，包括激光泵浦系统、镀膜的激光输入腔片和输出腔片构成的激光腔，其特征是在激光腔中放置自受激拉曼晶体和激光调Q装置。本实用新型器件扩展了目前常规固体激光器所能达到的激光波长范围；再者克服了现有的固体拉曼激光器中激光增益介质与拉曼增益介质分开所导致的技术限制，提高了系统的稳定性，器件的结构更紧凑。
文档编号H01S3/127GK2762401SQ20042011452
公开日2006年3月1日 申请日期2004年12月21日 优先权日2004年12月21日
发明者陈慧挺, 楼祺洪, 叶震寰, 何兵, 周军, 孔令峰 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所