[发明专利]晶体取向选择偏振态可控微片激光器

说明书

技术领域

本发明涉及一种激光器，尤其是涉及一种晶体取向选择偏振态可控微片激光器。

背景技术

掺稀土离子的钇铝石榴石晶体(Y₃Al₅O₁₂，即YAG)在当前固体激光器领域占据着举足轻重的地位，特别是Yb:YAG晶体具有宽的吸收带、长的荧光寿命、高掺杂浓度和高的量子效率，在相同的泵浦功率下，Yb:YAG泵浦产生的热仅为Nd:YAG的三分之一。采用端面泵浦、侧面泵浦的棒状激光器及薄片激光器获得了千瓦甚至几十千瓦的连续激光输出。高掺杂浓度的Yb:YAG晶体非常适合微片激光器的研制，基于被动调Q的Yb:YAG微片激光器实现了亚纳秒、峰值功率高达百千瓦的激光输出，因此Yb:YAG晶体在激光器领域内受到越来越多的重视。

由于YAG晶体属于立方晶系，在光谱上不具有像YVO₄晶体一样的偏振光谱特性，其偏振激光输出主要是通过激光腔内增加偏振片或波片等光学元件、或者采用有布鲁斯特窗口的复杂腔型结构来抑制一个偏振态的振荡从而获得线偏振激光输出、在晶体上施加外力如改变晶体的应力分布或者改变晶体的温度来实现线偏振激光的输出、或者采用线偏振泵浦光源等措施来实现。这样一来，不仅使得激光器的结构复杂、成本高、维护困难，而且激光器的效率也会随着光学元件的增加带入的损耗而降低。另外一种常用的方法是采用集成光学元件如通过特殊设计镀膜形成共振光栅镜等措施来实现线偏振激光输出或者附加具有高偏振选择性的光子晶体光栅镜来实现径向偏振激光输出，然而这种方法对镀膜的要求极高，而且由于在膜和基板之间存在应力，容易损坏，不适合高功率运行。

通过对掺稀土离子YAG晶体光谱及晶体场的分析研究表明，当稀土离子取代Y³⁺离子占据的十二面体格位时，YAG晶体的各向同性的对称性就被打破，在D₂格位掺杂的稀土离子的对称性降低了，甚至属于三次对称。由于晶体对称性降低所造成的局部各向异性光谱特性在掺稀土离子YAG晶体如Er，Yb:YAG和Ho:YAG等中得到了实验的证实。在过渡金属离子掺杂的Cr⁴⁺:YAG晶体中也存在依赖晶体取向的可饱和吸收特性([14]H.Eilers，K.R.Hoffman，W.M.Dennis，S.M.Jacobsen，and W.M.Yen，″Saturation of 1.064μm absorption inCr，Ca:Y₃Al₅O₁₂ crystals，″Appl.Phys.Lett.61，2958-2960(1992))。采用线偏振泵浦光源泵浦<111>方向Nd:YAG晶体获得了线偏振激光输出([15]R.Dalgliesh，A.D.May，and G.Stephan，″Polarization states of a single-mode(microchip)Nd³⁺:YAG laser-Part II：comparison oftheory andexperiment，″IEEE J.Quantum Electron.34，1493-1502(1998))。采用<100>方向切割的Nd:YAG晶体作为激光增益介质获得双向偏振激光输出([16]A.M^cKay，J.M.Dawes，and J.Park，″Polarisation-mode coupling in(100)-cut Nd:YAG，″Opt.Express 15，16342-16347(2007))。这些Nd:YAG晶体取向对线偏振激光的研究成果需要线偏振泵浦源和特殊的晶体切割方向，不仅使得激光器价格昂贵，而且不适合传统<111>方向生长的Nd:YAG或者Yb:YAG晶体在微片激光器中的应用。利用掺杂稀土离子YAG晶体自身局部各向异性光学性能，以性能优良的Yb:YAG晶体作为激光增益介质，通过选择(111)晶面内合适的晶体取向来控制输出激光的偏振态，在激光二极管泵浦的微片固体激光器中不仅可以实现高光束质量、高效率的激光输出；而且在激光二极管泵浦的<111>方向Yb:YAG晶体微片激光器中首次获得了晶体取向自选择的线偏振激光输出([17]J.Dong，A.Shirakawa，and K.Ueda，″A crystalline-orientationself-selected linearly polarized Yb:Y₃Al₅O₁₂ microchip laser，″Appl.Phys.Lett.93，101105(2008))。我们的研究发现，在Yb:YAG(111)晶面内存在六个特殊的方向，可以获得消光比大于100的线偏振激光输出。这六个方向之间存在着90°和30°的位相关系，呈三次对称关系，与<111>方向生长Yb:YAG晶体的局部晶体取向有明显的对应关系。这一研究成果打破了传统的观点，即Yb:YAG晶体属于立方晶系，光学光谱呈现各向同性，通常需要外加光学元件或者施加外力来实现线偏振激光输出。进一步拓宽Yb:YAG晶体在高功率固体线偏振激光器中的应用，提升激光二极管泵浦的高功率、不同偏振态微片固体激光器竞争力。同时也为采用传统的掺稀土离子YAG激光晶体通过晶体取向自选择获得偏振态可控激光输出提供了一条更为方便和简洁的途径，可大大简化生产流程，因而具有非常重要的理论和现实意义。