CN1060742A - 内腔式高次谐波激光器 - Google Patents

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Abstract

一种内腔式高次谐波激光器，由激光输出镜，全 反射镜组成谐振腔，腔内有激光工作物质，声光调制 器位于全反射镜和激光工作物质之间，其特点是在激 光工作物质和激光输出镜之间的腔内，配置n(n≥2) 块非线性晶体，其中靠近激光工作物质的一块为激光 基波的倍频晶体，其余(n-1)块为和频晶体或高次倍 频晶体，用以产生高于2次谐波激光，并克服了外腔 式高次谐波激光器不适用于连续波的缺点。

Description

本发明属于固体激光器，特别是在腔内设置若干块非线性晶体产生高次谐波的激光器。
J.O.S.A.B  vol.4.NO.7.1987年发表的文章20W  average-power  KTP  interacavity-doubled  Nd：YAG  Laser，给出了目前常用的内腔倍频激光器，这种激光器只能得到二次谐波激光。
SPIE  Proceedings  vol.681，（1987）P.12陈创天等人的“Recent  developments  in  barium  borate”一文中公布了一种目前通常采用的外腔式获得高次谐波的激光器，其结构如图1所示。图中1为激光输出镜，5为激光工作物质Nd＝YAG，6是声光调制器，7为全反射镜，在腔外选用一块二倍频晶体13，一块和频或四倍频晶体14，最终可获得三次谐波或四次谐波激光输出。但这种方案通常适用于脉冲激光系统，如果是一台连续Nd：YAG激光器，或者一台峰值功率低的脉冲激光系统，则会因峰值功率太低，三次或四次谐波激光输出很小，甚至没有输出。
本发明的目的是为了克服上述困难，提供一种连续的高次谐波激光器。当然，本发明的技术方案对基波峰值功率低的脉冲激光系统获得高次谐波激光也是适用的。
本发明的技术解决方案是在激光腔内适当配置n（n≥2）块非线性晶体，以实现三倍频，四倍频或更高次谐波的激光输出。
本发明的激光器，由全反射镜和激光输出镜组成谐振腔，腔内有激光工作物质和声光调制器，该声光调制器在激光工作物质和全反射镜之间，其特征是在激光输出镜和激光工作物质之间设置有n（n≥2）块非线性晶体，其中靠近激光工作物质的一块非线性晶体为基波（ω）的倍频晶体，其余（n-1）块为和频晶体或倍频晶体。
其中激光工作物质可以选择Nd：YAG、或Nd：YLF，或Nd：YAP，所不同的只是基波发射频率，或者说基波波长不一样。
当n＝2时，即腔内放置两块非线性晶体，令激光工作物质的基波发射频率为ω时，则靠近激光工作物质的第一块晶体为基波（ω）的倍频晶体，第二块为和频晶体，其过程是：
ω→2ω……（1）
ω+2ω→3ω……（2）
当n＝3，即再放入第三块和频晶体，使其产生过程：
ω+3ω→4ω……（3）
当n＝4，即在（3）的基础上再放入第四块和频晶体，使其产生过程：
ω+4ω→5ω……（4）
上述过程均可选Ⅰ类和频晶体，或Ⅱ类和频晶体。
依此，如果放入n块晶体，则可实现（n+1）ω的谐波输出，获得n+1次谐波激光。
几乎大部分非线性晶体均可制作上述倍频晶体、和频晶体，例如KDP，KD＊P.LiNbO3，Mg：LiNbO3.KNbO3.BBO.LBO及MTiO（XO4）等均可适当切割制做倍频晶体和和频晶体，分子式中M为钾K、铷Rb或钛Ti，X可以是磷P或砷As，根据各种晶体的具体情况，按照上述（1）、（2）、（3）、（4）等过程对晶体的要求，可以选择Ⅰ类或Ⅱ类工作状态再按通常方法求出晶体切割角度。
为了进一步提高激光的非线性转换效率，在腔内应加入对某一谐波共振的子腔共振镜。
因为激光腔内的基波（ω）功率密度通常要比腔外高1-2个数量级，在腔内设置非线性晶体就可以充分利用腔内高密度基波功率来增强晶体的非线性效应，因而可以实现连续的高次谐波激光的输出，对于基波峰值功率较低的脉冲激光系统也可以用此方法实现高次谐波激光脉冲输出。
下面结合本发明实施例及其附图对本发明作进一步说明。
图1是已有技术的外腔式高次谐波激光器结构示意图。
图2是本发明激光器（n＝2）的一种结构示意图。
图3是本发明激光器（n＝2）的另一种结构示意图
图4是本发明激光器（n＝2）的第三种结构示意图
图5是本发明激光器（n＝3）的第四种结构示意图
在图2中，激光输出镜1和全反射镜7构成谐振腔，6是声光调制器，调制频率从0.5～20KC可变，并能承受腔内高激光功率密度，5为工作物质，在实例中选择Nd：YAG棒，其基波ω为1.064μm。2和3为两块非线性晶体，可有多种组合配置。例如3选用Ⅱ类倍频切割的KTP晶体（θ＝90°，φ＝23°），2选用和频切割的BBO晶体（θ＝38°或θ＝32°），在这种情况下，腔内分别有二种非线性过程发生：
1.064e+1.064O→0.532e……（1）
1.064e+0.532O→0.355e[Ⅱ类和频θ＝38°]……（2）
或1.064e+0.532O→0.355e[Ⅰ类和频θ＝32°]…（2）′
上述过程中，1.064表示1.064μm激光，下标o表示o光，e表示e光，例如1.064e表示1.064μm的e光，下文的含义均应作如此理解。
这样配置的目的是要获得高功率0.355μm的紫外输出，从上述（1）和（2）两种过程看，都与Nd：YAG激光工作物质的基波1.064μm有关，在腔内由于谐振腔的作用，1.064μm的激光功率密度要比腔外高1～2个数量级，因而0.532μm和0.355μm这二种谐波功率也会大大增强。
如果改变配置，晶体选用θ＝48°的BBO，则第（2）过程变为0.532O+0.532O→0.266e，这就是基波1.06μm的四次谐波。
激光输出镜1的参数要根据使用者的要求来选取。
如果希望输出二次谐波，那么只用一块晶体3即可，这时激光输出镜1的要求是：对1.064μm具有高反射率（简称高反），对0.532μm具有高透过率（简称高透）。
如果希望输出三次谐波，对激光输出镜1的要求是：对1.064μm和0.532μm为高反，对0.355μm为高透。
如果希望输出四次谐波，对激光输出镜1的要求是：对1.064μm和0.532μm为高反，对0.266μm为高透。
图2中的4为子腔共振镜，它插入后与激光输出镜1构成一个对某一谐波，例如0.532μm共振的子谐振腔，目是的进一步提高转换效率。对子腔共振镜的要求是对基波1.06μm要有极高的透过率，对共振的谐波要有极高的反射率。
图3的激光器工作原理与图2激光器基本一样，图中元件编号也一致。这里只是1不作激光输出镜，反射镜8起折迭腔的作用兼作激光输出窗口，它对基波应有尽可能高的反射率，如果要求输出二次谐波，则它应对二次谐波高透，如果要求输出三次谐波，则它应对三次谐波高透，对二次谐波也是高反。在没有子腔共振镜4时，图3的激光器为双通激光器，基波两次通过晶体3，使二次谐波增强后再通过晶体2实现高次谐波。插入子腔共振镜4时，应形成子腔，进一步增强二次谐波强度。
图4激光器的工作原理与图2激光器的相同，这时腔内还插入了起偏元件9，为了保证基波的偏振自洽，减小双折射引入后的损耗，还必须加入元件10，它是一块1/4波片。
图5的激光器与图2的激光器只是多了晶体11和晶体12，以实现更高次谐波的输出。当腔中只增加晶体11而无晶体12时，晶体11的参数可以有如下两种选择。
（1）晶体11选为和频切割的BBO晶体，θ＝40.3°或θ＝46.6°，在晶体内发生的过程为：
1.064O+0.355O→0.266e（Ⅰ类θ＝40.3°）……（3）
1.064O+0.355O→0.266e（Ⅱ类θ＝46.6°）……（3）′
均获得四次谐波。
（2）晶体11选择Ⅰ类和频切割的BBO晶体，θ＝69.6°，在晶体内发生的过程为：
0.532O+0.355O→0.213e
得到五次谐波。
当腔中同时有晶体11和晶体12时，晶体11选为和频切割的BBO晶体，θ＝40.3°或θ＝46.6°晶体12选为和频切割的BBO晶体，θ＝51.1°，或θ＝57.2°，晶体12内发生的过程为：
1.06O+0.266O→0.213e（Ⅰ类θ＝51.1°）……（4）
1.06e+0.266O→0.213e（Ⅱ类θ＝57.2°）……（4）′
也可得到五次谐波。
总之按照过程（1）、（2）、（3）、（4）的规律，选择n块晶体放入腔内，则可得到n+1次谐波，当然还要具体考虑各块晶体其它性能的限制。
上述实施例中晶体2、3、11、12完全可以采用其他非线性晶体来代替。

Claims (9)

1、一种内腔式高次谐波激光器，全反射镜7和激光输出镜1组成谐振腔，腔内有激光工作物质5和声光调制器6，所说的声光调制器处于全反射镜7和激光工作物质5之间，其特征是在激光输出镜1和激光工作物质之间设置有n(n≥2)块非线性晶体，其中靠近激光工作物质5的一块非线性晶体为基波(ω)的倍频晶体3，其余(n-1)块为和频晶体或倍频晶体。
2、按照权利要求1的激光器，其特征是非线性晶体数n＝2，另一块非线性晶体2为（ω+2ω）和频晶体。
3、按照权利要求1的激光器，其特征是非线性晶体数n＝2，另一块非线性晶体2为2ω的倍频晶体，即四倍频晶体。
4、按照权利要求2或3的激光器，其特征是在倍频晶体3和激光工作物质之间还有对基波高透的子腔共振镜4。
5、按照权利要求4的激光器，其特征是在激光工作物质5和子腔共振镜4之间还有起偏元件9，在输出镜1和非线性晶体2之间有一1/4波片10。
6、按照权利要求1的激光器，其特征是所说的非线性晶体数n＝3，其中晶体3为（ω→2ω）倍频晶体，晶体2为（ω+2ω）和频晶体，晶体11为（ω+3ω）和频晶体。
7、按照权利要求1的激光器，其特征是所说的非线性晶体数n＝4，晶体3为ω→2ω的倍频晶体，晶体2为ω→2ω的和频晶体，晶体11为ω+3ω的和频晶体，晶体12为ω+4ω的和频晶体。
8、按照权利要求6或7的激光器，其特征是在倍频晶体3和激光工作物质5之间还有对基波高透的子腔共振镜4。
9、按照权利要求8的激光器，其特征是在激光工作物质5和子腔共振镜4之间有起偏元件9，在输出镜1和晶体11或晶体12之间有一1/4波片10。
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