用自变频晶体腔内和频产生黄光的黄色激光器

摘要

用自变频晶体腔内和频产生黄光的黄色激光器，是利用半导体激光器(LD)或灯泵浦同时具有发光中心和非线性光学效应的非线性激光晶体—自变频晶体(如四硼酸铝钇钕，简称NYAB)，在同一激光腔腔体内产生1.06um和1.34um的同时，借助同一晶体的非线性光学的和频效应产生黄色激光，并将其耦合输出的新型激光器。这种激光器腔内只有一个晶体元件，激光腔腔轴方向—晶体的通光方向就是1.06um和1.34um混频(和频)要求的相位匹配方向。这种新型激光器腔内损耗小，既具有小型紧凑、易调整、稳定性好和具有广泛实用性等优点。

说明书

用自变频晶体腔内和频产生黄光的黄色激光器，它涉及激光技术领域，特别是涉及一种通过同时具有激光和非线性光学效应的非线性激光晶体——自变频晶体产生黄色激光的激光器件。

用自变频晶体腔内和频产生黄光的黄色激光器，从技术背景的角度来说，迄今为止，市场上还没有固体(晶体)、半导体黄色激光器这类产品，从文献报道上，也还没有应用自变频晶体在腔内混频产生黄色激光的报道。仅在美国军工部门，已经开始注意黄色激光器的研究，但是，他们的技术路线与本发明专利截然不同，他们是利用特制的、可以实现非临界相位匹配的KTP晶体在腔内混频得到黄色激光输出的，发光与变频是由各不相同的晶体器件分别完成的，因而增大了腔内损耗。本发明的实质是提出了研究和制造黄色激光器的一种新途径，其发光和变频是由同一个晶体器件完成的，与之相比，不仅有小型紧凑、容易调整、运行稳定的优势，而且因为激光腔内元件少(从而腔内损耗小)势必将会有更高的发光和变频效率。

自变频晶体是一种新型光电子复合功能材料，它同时具有激光发射和非线性光学变频的功能晶体，所以又可以把自变频晶体称之为非线性激光晶体。目前掺Nd³⁺激发离子具有代表性的自变频晶体已有多种，如Nd：YAl₃(BO₃)₄(NYAB)、Nd：GdAl₃(BO₃)₄(NGAB)、Nd：Y_xGd_1-xAl₃(BO₃)₄(NYGAB)、Nd：CaOY₄(BO₃)₃(NCYB)、Nd：CaOGd₄(BO₃)₃(NCGB)、Nd：Ba₂NaNb₅O₁₅(NBNN)等。以往，对这类晶体的变频应用，主要着眼于用来产生1.06um的发光及其自倍频(绿光，0.53um)或者与剩余泵浦光和频产生蓝光(≈0.46um)；也已经有人开始在研究这些自变频晶体产生1.34um激光的基础上通过倍频(非自倍频！)产生红光(0.67um)。尚未有利用这类晶体的自和频功能来产生黄光的报道。

用自变频晶体腔内和频产生黄光的黄色激光器，本发明的目的就在于公开一种用自变频晶体腔内和频产生黄光的黄色激光器。它为自变频晶体开发新的应用技术，为光电子科学技术及其产业增加一种新型激光器类型。这里涉及的非线性激光晶体，只涉及Nd³⁺激发离子的自变频晶体(过去俗称为自倍频晶体)。用自变频晶体腔内和频产生黄光的黄色激光器也可为许多固体晶体激光器增添一种泵浦源，为激光医疗(如，内耳治疗)技术填补一种新光源。

在以Nd³⁺为激发离子的自变频晶体中，以NYAB(Nd：YAl₃(BO₃)₄)晶体为代表的RM(BO₃)₄(其中，R＝Y，Gd；M＝Al，Sc)类晶体一直作为相对较有实用价值的自变频晶体器件得到广泛研制。近几年来又有以NCYB(Nd：CaOY₄(BO₃)₃)类晶体为典型代表的新一代自变频晶体得到广泛研究。这表明运用非线性激光晶体——自变频晶体研制新器件是有很好的材料基础的。

自变频晶体以往被用于研制自倍频激光器，即这晶体在激光腔内同时起发光和倍频作用；也有用于自和频激光器研制的，即自变频晶体在激光腔中发出一种波长的激光，并将此光与泵浦光通过和频过程产生另一种波长的光。本发明虽然也是腔内自和频激光器的一种，但是它又不同于以往的自和频激光器，因为它要求腔内的自变频晶体要同时发出两种波长的激光，并通过非线性光学和频效应将它们自动变成另一种波长的激光。

为了同时获得较好的发光和频率变换的效率，除了选择合适的非线性激光晶体是至关重要的之外，器件的配置极其重要，除了一般激光器中所要求的泵浦和腔镜设计与镀膜条件外，在利用自变频晶体腔内混频产生黄色激光的新型激光器中，要特别注意保证三波的共线相位匹配、足够的光功率密度和晶体中传播的光束发散度足够小。

用自变频晶体腔内和频产生黄光的激光器，要求在同一激光腔腔体内同时产生1.06um和1.34um的激光振荡，并同时通过晶体的非线性光学的和频效应产生黄色激光。晶体的通光方向必须满足1.06um和1.34um和频产生黄光0.59um的相位匹配条件。根据非线性光学效应三波作用变频过程中必须同时满足能量守恒(ω₃＝ω₁+ω₂)和动量守恒(k₃＝k₁+k₂)条件的要求，三波共线相位匹配的条件可以简化为

        n₃λ₃＝n₁λ₂+n₂λ₁非线性光学晶体中三波互作用的相位匹配有两种类型。设定三个光波满足ω₃＞ω₂≥ω₁，dn/dλ≤0，如果ω₁与ω₂的光波具有相同的偏振态，此时的相位匹配称为I类匹配；反之，如果ω₁与ω₂的光波彼此的偏振是正交的话，此时的相位匹配为II类匹配。

相位匹配是实现有效频率变换的方法之一。它的基本意思是，要求三种频率(ω₁，ω₂，ω₃)的光波在非线性介质内传播过程中，三波的相位速度必须相同。为了激光腔结构的简单、紧凑、易行、有效，除了选择高效的自变频晶体外，还要在相位匹配类型上选择共线匹配方式。利用非线性光学晶体的双折射与色散特性可以达到相位匹配的目的。位相匹配条件对有关的非线性光学效应有着关键性的影响，如果这一条件不被满足，输出光就可能几乎无法观测到。

实现本发明的技术路线是，本发明的黄色激光器由泵浦源(1)、光耦合器(2)、激光腔介质膜(3)、自变频晶体(4)和激光腔输出镜(5)组成，在其激光腔内只配置一个晶体器件——自变频晶体元件(4)，激光的发生与和频一体化，利用一类非线性光学激光晶体——自变频晶体的发光和自和频(自混频，SSFM)产生黄色激光(6)。泵浦源(1)可以是半导体激光二极管LD，其泵浦方式是端泵(包括单端或双端泵浦结构)或是侧泵；也可以是灯泵浦源。产生的黄色激光(6)是连续的或是脉冲式的。

从动态的角度看，在腔内实际同时产生了3种波长的激光，但是，腔内振荡的是1.06um和1.34um两种波长，耦合输出的是第3种波长的激光——黄色激光。两种波长(1.06um和1.34um)都是在有泵浦的条件下由非线性激光晶体的发光中心发出的，第3种波长则是通过腔内同一块非线性激光晶体——自变频晶体的非线性光学效应将前面两种波长的激光通过和频方式产生的0.59um黄色激光。实现本发明的技术关键是，针对非线性激光晶体不同发光波长有不同的发射截面，针对高的变频效率(混频效率)就有相对严格的相位匹配和允许角宽度要求，因此，必须选用合适的自变频晶体及其器件的设计，对光路和耦合输出镜的设计都要注意到相应的要求。

本发明不仅具有激光发生与和频(混频)一体化的特色，发光和混频均由一个多功能晶体器件——非线性激光晶体器件来完成，从而带来小型紧凑、容易调整、运行稳定等实用化优点。而且又有利用技术上已经很成熟、又已商品国产化了的大功率LD为泵浦源的方便。

用自变频晶体腔内和频产生黄光的黄色激光器，现对附图作简要说明：附图是一种自变频晶体腔内和频产生黄光的黄色激光器的结构示意图。其中，(1)是泵浦源，(2)是光耦合器(聚光头)，(3)是激光腔介质膜膜片，它可以是独立的一个介质膜膜片，也可以是已经镀上合适介质膜的激光晶体的前端端面，(4)是非线性激光晶体——自变频晶体，(5)是激光腔输出镜，(6)是输出的黄色激光。

用自变频晶体腔内和频产生黄光的黄色激光器，下面结合附图简要描述本发明的一个具体典型实施例：

自变频晶体(4)选用NYAB(Nd：YAl₃(BO₃)₄)非线性激光晶体，泵浦源(1)选用808nm的半导体激光器(LD)。图中，(1)是≈0.81um的LD泵浦源；(2)是光耦合器(聚光头)；(3)是激光腔介质膜膜片，它可以是一个独立的介质膜片，也可以是在激光晶体的前端端面上镀膜而成，它对≈0.81um LD泵浦光是高透，而对1.06um、1.34um和0.59um是高反的；(4)是NYAB自变频非线性激光晶体，晶体的两个端面，除了有高质量的抛光之外，还要镀上增透膜(对1.06um、1.34um和0.59um三种波长光都是高透的；如果激光腔前端介质膜膜片在激光晶体前端端面镀膜形成的话，前端端面的镀膜要求与(3)相同，而三波高透膜只镀在另一端面上)；此外，晶体的通光轴向——激光腔轴向必须是1.06um、1.34um和频产生0.59um黄光的共线相位匹配方向，根据上面介绍的相位匹配计算公式，可以计算得出，对NYAB而言，为了通过1.06um与1.34um的混频获得0.59um，其I类共线相位匹配角是(θ＝28°，φ＝0°)，在此匹配条件下，NYAB晶体的相位匹配允许角宽为1.63mrad.，相应地对聚光头和腔镜的设计都要顾及晶体这一特性的要求；(5)是激光腔输出镜，它的镀膜要求是，对1.06um和1.34um必须是高反的，而对0.59um的黄色激光是增透的(增透率视具体要求而定)，此外，考虑到晶体的1.06um和1.34um发射截面各不相同，对于输出镜还有另一要求，它对这两种波长的输出耦合度要有所不同，从而使两种波长激光在腔内的损耗有所不同，以达到同时满足这两种波长的振荡条件；(6)表示耦合输出的黄色激光。