[发明专利]一种自倍频激光器

说明书

技术领域

本发明涉及全固态激光技术领域，特别涉及一种采用体光栅外腔技术压窄半导体激光器(Laser-diode，LD)输出谱宽、锁定输出波长的高效、稳定的自倍频激光器。

背景技术

目前，获得可见光激光的主要方法是利用KTP等非线性光学晶体，对掺Nd³⁺离子激光晶体产生的0.9μm、1.06μm和1.3μm波段激光倍频。通过将Nd:YVO₄晶体和KTP晶体利用光胶结合到一起，并在晶体表面和胶合面镀膜，使之形成激光振荡，获得高效率的绿光输出，已经实现了商品化。但是晶体胶合技术一直限制了激光器的成本和工艺的简化，并且包含激光工作物质和倍频材料两种晶体的激光器使得机构比较复杂。最理想的获得可见光激光输出的方式是将激光振荡和倍频作用两种技术集中在同一块晶体上，获得自倍频激光。自倍频激光器结构简单，成本低。多年来，人们一直在探索自倍频晶体，先后发明了Nd:MgO:LiNbO₃、NYAB(NdYAl₃(BO₃)₄)、Nd:YCOB(Nd:YCa₄O(BO₃)₃)和Nd:GdCOB(Nd:GdCa₄O(BO₃)₃)等自倍频晶体并实现了自倍频绿光输出。但是一般的自倍频激光晶体吸收带宽较窄且比较锐，吸收效率较低。半导体激光器(Laser-diode，LD)以其体积小、功率高、价格便宜等独特优点广泛应用于固体激光器的泵浦。但是，由于宽条形半导体激光器的能带发光、多模激射特征和能带宽度对温度的敏感特性，LD在自由运转时输出光束的光谱宽度约为2～4nm，中心波长随温度(大约0.3nm/K)和注入电流的大小发生变化。这些问题都难以在常规的法布里-珀罗(F-P)腔结构器件中解决。因此，一般LD泵浦自倍频激光器效率较低并且稳定性较差，从而限制了自倍频激光器的应用和发展。

发明内容

为克服现有技术的缺陷和不足，本发明提供一种高效率、稳定的LD泵浦的自倍频激光器，利用体光栅(如体布拉格光栅(Volume Bragg Grating，VBG)、体全息光栅(Volume holographic Grating，VHG)、光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating，FBG))与LD构成外腔系统有效的压窄LD的输出光束的线宽，将LD的输出波长锁定在晶体的吸收峰位置并较大程度的保持了LD的高效工作，从而提高自倍频晶体的吸收效率和激光输出的稳定性，有利于自倍频激光器的应用和产业化的发展。

本发明按照下面所述的方式实现：

一种LD泵浦的高效稳定的自倍频激光器，包括热沉、LD泵浦源、耦合系统、体光栅、激光谐振腔。其中激光谐振腔包括输入端镜、激光自倍频晶体、激光输出腔镜。输入腔镜镀对泵浦光的增透膜以及基频光和倍频光的高反膜，输出腔镜镀对基频光的高反膜以及倍频光的高透膜。激光自倍频晶体按照相应的相位匹配角度切割，两端镀对基频光和倍频光高透膜。

体光栅作为一种新型的光栅元件具有体积小、结构简单、功能灵活的优点。以体布拉格光栅VBG为例说明体光栅的波长选择性。以体布拉格光栅VBG为例说明平面光栅的波长选择性。VBG是一种折射率呈周期Λ变化的光学晶体，其折射率可表示为：

n(z)＝n₀+n₁f(z)

式中，f(z)是周期Λ的函数，n₀为VBG的平均折射率，n1为折射率调制振幅。VBG的反射波长有布拉格条件决定：

2Λn₀cosθ＝mλ

其中，m为衍射级次，θ折射角。当具有一定带宽的光束以一定角度进入VBG时，其中只有一个波长λ会被反射。因此，通过改变光束的入射角度，就可以改变反射的波长。LD出射光束经耦合系统准直后大部分将透过VBG，而波长范围在(811±0.2)nm(Nd:YCOB晶体峰值吸收波长)范围内的光束有一部分被反射回LD，由于VBG对特定波长的角度选择性，反射回去的光束其发散角度远小于LD的发散角。这样，便构成一个具有波长选择性质的外腔，反馈回去的部分将在LD的后端面和VBG之间形成稳定的振荡，实现了波长的锁定。与其他方式相比，VBG外腔锁定减小了LD出射光束的谐振腔腔长，减少了LD在慢轴方向上的功率损耗，有利于获得大功率的泵浦激光输出。