全固态五波长同时输出的激光装置及五波长激光产生方法

摘要

本发明公开了全固态五波长同时输出的激光装置及其激光产生方法，以掺杂Nd

说明书

技术领域

本发明涉及一种激光器，特别涉及侧面泵浦功率1.3微米波段范围红外光、1.0微米波段范围红外光、0.5微米波段范围绿光、0.5微米波段范围黄光及0.6微米波段范围红光的全固态五波长同时输出的激光装置及五波长激光产生方法。

背景技术

自1960年世界上第一台红宝石激光器诞生以来，各类激光器及激光技术发展极为迅速。其中，多波长激光器的发展备受瞩目，由于它克服了传统激光器输出单一波长的缺陷，可以根据实际需要在不同应用中人为的选择某一波长激光，也可以将多波长激光组合起来应用，例如，在医学领域，单波长高功率532nm绿光激光可以用于组织增生的治疗，利用波长为1064nm的红外激光(占总能量的80％)和波长为532nm的绿激光(占总能量的20％)两个脉冲激光可以组成U100激光碎石系统；在天文学中，利用589nm黄光激光可以形成激光引导星；在激光显示领域，红、绿、蓝三基色激光可以用于高分辨率的激光电视系统中。因此多波长激光器在诸多领域中都有着广泛的应用，市场应用前景十分可观，已成为国内外的热门研究课题。

目前，国内外都有关于多波长激光的相关报道。但多为双波长或三波长激光系统。如2004年天津大学报道过1319/660nm双波长激光器(王涛，姚建铨，“Nd:YAG激光器多波长输出技术与应用研究”，河北工业大学学报，33(2004)：1-6)通过置换不同输出镜来实现双波长激光同时或交替输出，此方案不仅操作复杂，而且每次变换时都会不同程度的影响输出激光束的质量与性能。对于三波长激光，国际上(US.Patent 5740190)用一台Nd:YLF激光器产生1047nm单一波长的基频光，通过倍频晶体后产生523nm倍频光，该绿光通过光参量振荡器后，同时输出896nm信号光和1256nm闲置光及523nm的绿光，信号光同闲置光分别经过倍频晶体后分别输出448nm蓝光和628nm红光，从而完成红、绿、蓝三基色激光的输出。但该类三基色激光的产生过程较为复杂，成本也较高。此外，也少量关于四波长激光的报道，南京大学利用同一晶体发射的1.3微米与1.0微米波段范围内的基频光通过一块非周期光学超晶格，实现了红、黄、蓝、绿四波长激光同时输出，但该腔型对腔镜的镀膜要求较高，同时输出激光功率较低，而且光学超晶格的价格较为昂贵，不利于多波长激光的产业化。上述各种多波长激光器存在操作复杂，成本高、波长少，功率较低的缺陷。

发明内容

本发明的目的提供一种波长多、效率高、结构紧凑、运转成本低、调节灵活方便、工作安全，侧面泵浦高功率的全固态五波长同时输出的激光装置。本发明的另一目的提供多波长激光产生方法。

为了克服现有技术的不足，本发明的技术方案是这样解决的：全固态五波长同时输出的激光装置，包括平凹全反射端镜，本发明的特殊之外在于入射平凹全反射端镜的水平光路依次置有第一声光调Q晶体、第一掺杂Nd³⁺的激光晶体及其LD侧面第一泵浦源、偏振分束镜、第一二次谐波反射镜、和频晶体、第一平面输出端镜、分光棱镜；另一非水平光路上的偏振分束镜的上方依次置有第三平面输出端镜、第二倍频晶体、第二二次谐波反射镜、第二声光调Q晶体、第二掺杂Nd³⁺的激光晶体及其侧面第二泵浦源；偏振分束镜的下方依次置有第一倍频晶体、第二平面输出端镜。

激光装置的五波长激光产生方法，依次按下述步骤进行：

1)、第一掺杂Nd³⁺的激光晶体和第二掺杂Nd³⁺的激光晶体分别吸收LD侧面第一泵浦源和侧面第二泵浦源辐射的能量后，形成反转粒子数分布，Nd³⁺分别在能级⁴F_3/2-⁴I_11/2和⁴F_3/2-⁴I_13/2之间跃迁，产生1.0微米和1.3微米波段范围的受激荧光辐射，辐射的荧光在各自相应的激光器谐振腔内振荡放大后形成稳定的基频光，其中1.0微米波段范围的基频光经偏振分束镜分束，两偏振方向互相垂直的激光分别在由平凹全反射端镜、第一平面输出端镜组成的直腔和由平凹全反射端镜、偏振分束镜分束、第二平面输出端镜组成的折叠腔内形成振荡；

2)、第一掺杂Nd³⁺的激光晶体发射的1.0微米波段范围的基频光由平凹全反射端镜反射，经第一声光调Q晶体、第一掺杂Nd³⁺的激光晶体入射到偏振分束镜，偏振分束镜将其分成两条光路，其中一条光路是‘s’偏振基频光经第一倍频晶体倍频，产生的倍频绿光与未经转换的‘s’偏振基频光一同到达第二平面输出端镜，经反射，‘s’偏振基频光再次通过第一倍频晶体倍频后，剩余‘s’偏振基频光沿原路返回平凹全反射端镜，两次倍频产生的绿光一同经第二平面输出端镜耦合输出；另一条光路是‘p’偏振基频光经第一二次谐波反射镜入射到和频晶体，与1.3微米波段范围的‘s’偏振基频光经和频晶体和频后产生的和频黄光和部分未经转换的1.0微米波段的‘p’偏振基频光通过第一平面输出端镜耦合输出，并通过分光棱镜分光，另一部分未经转换的‘p’偏振基频光由第一平面输出端镜反射后原路返回平凹全反射端镜，经过和频晶体时与1.3微米波段范围的‘s’偏振基频光耦合又一次产生和频黄光，产生的和频黄光被第一二次谐波反射镜反射后经过和频晶体再次由第一平面输出端镜耦合输出；

3)、第二掺杂Nd³⁺的激光晶体发射的1.3微米波段范围的基频光向上经第二声光调Q晶体、第二二次谐波反射镜入射到第二倍频晶体，经第二倍频晶体倍频，产生倍频红光由第三平面输出端镜耦合输出，未经转换的基频光由第三平面输出端镜反射，再次经第二倍频晶体倍频，倍频光由第二二次谐波反射镜反射与第一次产生的倍频光一同经第三平面输出端镜耦合输出，剩余1.3微米基频光经第二二次谐波反射镜、第二声光调Q晶体、第二掺杂Nd³⁺的激光晶体入射到偏振分束镜上，由偏振分束镜反射后的1.3微米波段范围‘s’偏振基频光经二次谐波反射镜入射到和频晶体，与另一条1.0微米波段范围的‘p’偏振基频光经和频晶体和频，产生的和频黄光和部分未经转换的1.3微米‘s’偏振基频光及1.0微米‘p’偏振通过第一平面输出端镜耦合输出，并通过分光棱镜分光，另一部分未经转换的1.3微米‘s’偏振基频光由第一平面输出端镜反射后原路返回第三平面输出端镜，再次经过和频晶体时与1.0微米‘p’偏振基频光又一次产生和频黄光，产生的和频黄光被第一二次谐波反射镜反射后经过和频晶体由第一平面输出端镜再次耦合输出。

本发明与现有技术相比，具有波长多、效率高、结构紧凑、运转成本低、调节灵活方便、工作安全，侧面泵浦高功率五波长激光同时输出激光的激光器，采用结构紧凑的“十字”复合腔结构，实现了1.3微米波段范围红外光、1.0微米波段范围红外光、0.5微米波段范围绿光、0.5微米波段范围黄光光及0.6微米波段范围红光五波长激光同时输出的特点，可以同时满足不同领域及市场的需要。偏振分束镜的使用，既实现了对谐振腔内不同频率基频光的偏振态控制，同时又将两波长不同、偏振态不同的基频光束同轴耦合到同一和频晶体中，同时起到了偏振器和耦合器的作用，避免了腔内插入其它光学器件造成基频光因插入损耗而降低整个激光系统的输出功率。不同波长不同偏振方向的基频光在各自相应的谐振腔内分别振荡，每一路光都可以独立进行调节，使操作更为方便灵活，广泛用于激光医学、激光彩色显示、激光娱乐、天文、国防及科学研究等领域。

附图说明

图1为本发明激光器的结构示意图。

具体实施方式

附图为本发明的实施例。

下面结合附图对本发明的内容作进一步详细说明：

参照图1所示，全固态五波长同时输出的激光装置，包括平凹全反射端镜1，入射平凹全反射端镜1的水平光路依次置有第一声光调Q晶体2、第一掺杂Nd³⁺的激光晶体3及其LD侧面第一泵浦源4、偏振分束镜5、第一二次谐波反射镜6、和频晶体7、第一平面输出端镜8、分光棱镜9；另一非水平光路的偏振分束镜5的上方依次置有第三平面输出端镜17、第二倍频晶体16、第二二次谐波反射镜15、第二声光调Q晶体14、第二掺杂Nd³⁺的激光晶体12及其侧面第二泵浦源13；偏振分束镜5的下方依次置有第一倍频晶体11、第二平面输出端镜10。

所述偏振分束镜5面向第一掺杂Nd³⁺的激光晶体3的一面镀有1.0微米波段范围的‘p’偏振增透(透过率T＞99.8％)和1.0微米波段范围的‘s’偏振增透高反(反射率R＞99.8％)的双色膜，面向第二掺杂Nd³⁺的激光晶体12的一面(上面)还要镀有1.0微米波段范围的‘p’偏振增透(透过率T＞99.8％)和1.3微米波段范围的‘s’偏振增透高反膜(反射率R＞99.8％)的双色膜，其倾斜角度与水平正向夹角为130°～140°

所述的水平光路与另一非水平光路分别与偏振分束镜5分别成130°～140°和50°～40°夹角，以保证垂直光路的1.3微米‘s’偏振光光经偏振分束镜5反射后的与水平光路上1.0微米‘p’偏振光同轴耦合到和频晶体7，使两基频光束有最大的空间交叠和高的和频转换效率。

所述的平凹全反射端镜1面向第一声光调Q晶体2的一面镀有1.0微米波段基频光全反膜反射率大于99.9％；第一平面输出端镜8面向和频晶体7的一面镀有1.0和1.3微米波段范围基频光的部分透过膜透过率分别为3％和2％及0.5微米波段范围和频光的增透膜透过率大于99.9％，另一面镀有1.0和1.3微米波段范围基频光和0.5微米波段范围和频光的增透膜过率大于99.8％；第二平面输出端镜10的两面均镀有0.5微米波段范围倍频绿光的增透膜透过率大于99.8％)，其中面向第一倍频晶体11的一面还镀有1.0微米波段范围基频光的高反膜反射率大于99.8％；第三平面输出端镜17的两面均镀有0.6微米波段范围倍频红光的增透膜透过率大于99.8％，其中面向第二倍频晶体16的一面还镀有1.3微米波段范围基频光的高反膜反射率大于99.8％。

所述的平凹全反射端镜1的曲率半径选取范围为800mm～1200mm。

所述的第一倍频晶体11、第二倍频晶体16、和频晶体7的晶体为三硼酸锂LBO、β-偏硼酸钡BBO、磷酸钛氧钾KTP或其它非线性光学晶体中的同一种、不同的两种或三种晶体。

所述的第一掺杂Nd³⁺的激光晶体3和第二掺杂Nd³⁺的激光晶体12为掺钕钇铝石榴石Nd³⁺:YAG、掺钕钒酸钇Nd³⁺:YVO₄、掺钕铝酸钇Nd³⁺:YAP、掺钕氟化钇锂Nd³⁺:YLF激光晶体中的同一种或不同两种晶体。

所述的第一声光调Q晶体2和第二声光调Q晶体14受同一驱动源控制，分别放置于第一掺杂Nd³⁺的激光晶体3的左侧和第二掺杂Nd³⁺的激光晶体12的上方。

所述的第一二次谐波反射镜6的两面均镀有1.0和1.3微米波段范围基频光的增透膜透过率大于99.9％，其中面向和频晶体7的一面还镀有0.5微米波段范围和频黄光的高反膜反射率大于99.8％；第二二次谐波反射镜15的两面均镀有1.3微米波段范围基频光的增透膜透过率大于99.9％，其中面向第二倍频晶体16的一面还镀有0.6微米波段范围倍频红光的高反膜反射率大于99.8％。

激光装置的五波长激光产生方法，依次按下述步骤进行：

1)、第一掺杂Nd³⁺的激光晶体3和第二掺杂Nd³⁺的激光晶体12分别吸收LD侧面第一泵浦源4和侧面第二泵浦源13辐射的能量后，形成反转粒子数分布，Nd³⁺分别在能级⁴F_3/2-⁴I_11/2和⁴F_3/2-⁴I_13/2之间跃迁，产生1.0微米和1.3微米波段范围的受激荧光辐射，辐射的荧光在各自相应的激光器谐振腔内振荡放大后形成稳定的基频光，其中1.0微米波段范围的基频光经偏振分束镜5分束，两偏振方向互相垂直的激光分别在由平凹全反射端镜1、第一平面输出端镜8组成的直腔和由平凹全反射端镜1、偏振分束镜5分束、第二平面输出端镜10组成的折叠腔内形成振荡。

2)、第一掺杂Nd³⁺的激光晶体3发射的1.0微米波段范围的基频光由平凹全反射端镜1反射，经第一声光调Q晶体2、第一掺杂Nd³⁺的激光晶体3入射到偏振分束镜5，偏振分束镜5将其分成两条光路，其中一条光路是‘s’偏振基频光经第一倍频晶体11倍频，产生的倍频绿光与未经转换的‘s’偏振基频光一同到达第二平面输出端镜10，经反射，‘s’偏振基频光再次通过第一倍频晶体11倍频后，剩余‘s’偏振基频光沿原路返回平凹全反射端镜1，两次倍频产生的绿光一同经第二平面输出端镜10耦合输出；另一条光路是‘p’偏振基频光经第一二次谐波反射镜6入射到和频晶体7，与1.3微米波段范围的‘s’偏振基频光经和频晶体7和频后产生的和频黄光和部分未经转换的1.0微米波段的‘p’偏振基频光通过第一平面输出端镜8耦合输出，并通过分光棱镜9分光，另一部分未经转换的‘p’偏振基频光由第一平面输出端镜8反射后原路返回平凹全反射端镜1，经过和频晶体7时与1.3微米波段范围的‘s’偏振基频光耦合又一次产生和频黄光，产生的和频黄光被第一二次谐波反射镜6反射后经过和频晶体7再次由第一平面输出端镜8耦合输出。

3)、第二掺杂Nd³⁺的激光晶体12发射的1.3微米波段范围的基频光向上经第二声光调Q晶体14、第二二次谐波反射镜15入射到第二倍频晶体16，经第二倍频晶体16倍频产生倍频红光由第三平面输出端镜17耦合输出，未经转换的基频光由第三平面输出端镜17反射，再次经第二倍频晶体16倍频，倍频光由第二二次谐波反射镜15反射与第一次产生的倍频光一同经第三平面输出端镜17耦合输出，剩余1.3微米基频光经第二二次谐波反射镜15、第二声光调Q晶体14、第二掺杂Nd³⁺的激光晶体12入射到偏振分束镜5上，由偏振分束镜5反射后的1.3微米波段范围‘s’偏振基频光经二次谐波反射镜6入射到和频晶体7，与另一条1.0微米波段范围的‘p’偏振基频光经和频晶体7和频，产生的和频黄光和部分未经转换的1.3微米‘s’偏振基频光及1.0微米‘p’偏振通过第一平面输出端镜8耦合输出，并通过分光棱镜9分光，另一部分未经转换的1.3微米‘s’偏振基频光由第一平面输出端镜8反射后原路返回第三平面输出端镜17，再次经过和频晶体7时与1.0微米‘p’偏振基频光又一次产生和频黄光，产生的和频黄光被第一二次谐波反射镜6反射后经过和频晶体7由第一平面输出端镜8再次耦合输出。

实施例1

本发明实施例为LD侧面泵浦Nd³⁺:YAG腔内倍频/和频0.660微米红光、0.532微米绿光、0.589微米黄光、1.319微米及1.064微米红外光五波长激光同时输出的激光器。1.064微米‘p’偏振基频光在平凹全反射端镜1和第一平面输出端镜8组成的直线型谐振腔内振荡，1.064微米‘s’偏振基频光在平凹全反射端镜1、偏振分束镜5及第二平面输出端镜10组成的L型谐振腔内振荡，而1.319微米‘s’偏振基频光在第三平面输出端镜17、偏振分束镜5及第一平面输出端镜8构成的谐振腔内振荡。

平凹全反射端镜1的曲率半径选取为1000mm，面向第一声光调Q晶体2的一面镀有1.064微米基频光全反膜反射率大于99.9％；第一平面输出端镜8面向和频晶体7的一面镀有1.064和1.319微米基频光的部分透过膜透过率分别为3％和2％及0.5微米波段范围和频光的增透膜透过率大于99.9％，另一面镀有1.064和1.319微米基频光和0.589微米和频光的增透膜透过率大于99.8％；第二平面输出端镜10的两面均镀有0.532微米倍频绿光的增透膜透过率大于99.8％，其中面向第一倍频晶体11一面还镀有1.064微米波段范围基频光的高反膜反射率大于99.8％；第三平面输出端镜17的两面均镀有0.660微米倍频红光的增透膜透过率大于99.8％，其中面向第二倍频晶体16的一面还镀有1.319微米基频光的高反膜反射率大于99.8％。

偏振分束镜5直径为Φ＝20mm，与水平正向夹角为135°，面向第一掺杂Nd³⁺的激光晶体3的一面镀有1.064微米45°‘p’偏振增透(透过率T＞99.8％)和1.064微米45°‘s’偏振高反反射率R＞99.8％的双色膜，面向第二掺杂Nd³⁺的激光晶体12的一面(上面)还要镀有1.064微米45°‘p’偏振增透透过率T＞99.8％和1.319微米的45°‘s’偏振高反膜反射率R＞99.8％的双色膜。

第一二次谐波反射镜6的直径为Φ＝20mm，两面均镀有1.064微米和1.319微米基频光的增透膜透过率大于99.9％，其中面向和频晶体KTP 7的一面还镀有0.589微米和频黄光的高反膜反射率大于99.8％；第二二次谐波反射镜15直径为Φ＝20mm，两面均镀有1.319微米基频光的增透膜透过率大于99.9％，其中面向第二倍频晶体LBO 16的一面还镀有0.660微米倍频红光的高反膜反射率大于99.8％。

第一掺杂Nd³⁺的激光晶体3为Nd³⁺:YAG，Nd³⁺的掺杂浓度为0.8％，尺寸为Φ4.0mm×90mm，两通光面均镀有1.064微米和1.319微米双色高透膜透过率均大于99.8％。第二掺杂Nd³⁺的激光晶体12为Nd³⁺:YAG，Nd³⁺的掺杂浓度为1.0％，两端均镀有1.064微米和1.319微米双色增透膜透过率均大于99.8％，尺寸为Φ4.0mm×90mm。

第一声光调Q晶体2和第二声光调Q晶体14受同一驱动源控制中心频率为27kHz，其调制频率在1～50kHz可调。

和频晶体7采用II类临界相位匹配的KTP晶体(θ＝78.9°，φ＝0°)，尺寸为4mm×4mm×7mm两通光面均镀有对1.319微米、1.064微米和0.589微米高透的三色膜。

第一倍频晶体11选用II类临界相位匹配的KTP晶体(θ＝90°，φ＝23.8°)，尺寸为3mm×3mm×5mm，两通光面均镀有1.064微米和0.532微米双色增透膜透过率均大于99.8％，侧面均匀涂有银粉并用铟箔包裹后放于水冷散热铜块中。

第二倍频晶体16选用I类临界相位匹配的的LBO晶体(θ＝85.9°，φ＝0°)，尺寸为3mm×3mm×5mm，两通光面均镀有1.319微米和0.660微米双色增透膜透过率均大于99.8％，侧面均匀涂有银粉并用铟箔包裹后放于水冷散热铜块中。

激光晶体3、12与倍频晶体16、11和和频晶体7均采用循环水冷却，冷却温度范围在16℃～22℃。

第一掺杂Nd³⁺的激光晶体Nd³⁺:YAG 3吸收LD侧面第一泵浦源4辐射的能量后，形成反转粒子数分布，其发出的1.064微米‘s’偏振基频光在平凹全反射端镜1、偏振分束镜5及第二平面输出端镜10组成的L型谐振腔内振荡，在加入第一倍频晶体KTP 11后，0.532微米倍频绿光经第二平面输出端镜10输出腔外；第二掺杂Nd³⁺的激光晶体Nd³⁺:YAG 12吸收LD侧面第二泵浦源13辐射的能量后，发出的1.319微米‘s’偏振基频光在第三平面输出端镜17、偏振分束镜5及第一平面输出端镜8构成的谐振腔内振荡，在第三平面输出端镜17与第二二次谐波反射镜15之间置入第二倍频晶体LBO 16后，部分1.319微米‘s’偏振基频光经倍频产生0.660微米红光由第三平面输出端镜17输出腔外。1.064微米‘p’偏振基频光在平凹全反射端镜1和第一平面输出端镜8组成的直线型谐振腔内振荡，同时在第一二次谐波反射镜6和第一平面输出端镜8之间加入和频晶体7，1.319微米‘s’偏振光与1.064微米‘p’偏振光经和频产生生0.589微米黄光，未经转换的1.064微米和1.319微米基频光同0.589微米黄光一同经第一平面输出端镜8输出腔外，由分光棱镜9以一定角度分开，至此实现了0.660微米红光3W、0.532微米绿光20W、0.589微米黄光4W、1.319微米激光100mW及1.064微米激光240mW的五波长激光同时输出。