閾值減小的激光裝置的制作方法

專利名稱：閾值減小的激光裝置的制作方法
閾值減小的激光裝置
本發明涉及激光裝置。其特別有利地應用在、但不限于有效的三 能級躍遷泵浦中,低躍遷能級對應于基態。
通常，三能級激光器為激光躍遷的低能級是基態的激光器。僅在 半數以上的離子處于激發態時，介質才會放大。
達到該激發能級所必要的局部泵浦功率為
其中h 是泵浦光子的能量，Ap是泵浦的橫向范圍面積，(7ap是泵
浦的有效吸收截面且t是激發態的壽命。單發射二極管聚焦在幾1 (T8m2
的區域上，其對于多數基質材料中多數的三價形式的稀土元素，產生
量級從幾W到幾十W的P值。通常，激光閾值大于P。這就說明了
為什么很少生產出二極管泵浦的三能級激光器。
事實更復雜一點，因為關于能量，能級通常是多重的且略微分開。
次能級中的每一個都是熱布居的(populated)且通常處于玻爾茲曼平 衡。有效截面為絕對有效截面乘以次能級的相關粒子^:。因而有效的 發射和吸收截面不同，(7a-ffe。當躍遷的低能級為高能次能級時， aa (ie,并且激光器操作接近四能級激光器的操作。這樣的情況例如 是Nd:YAG ( 4F3/2 —419/2 )的946nm躍遷。另一方面，還沒有這樣的 實驗是公知的，即，其例如演示與能級419/2的基態次能級相對應的約 875nm的發射，該躍遷與三能級激光器相對應。
具體地，三價鐿(Yb)具有兩個能級。基態能級^7/2具有四個次 能級。激發能級^5/2具有三個次能級。通常，最大的有效吸收截面與 最低的兩個次能級之間的躍遷相對應。該躍遷是三能級激光器的躍遷，
并且因而不能用于泵浦該相同的三能級激光器。這意味著(7ap較低且激
光閾值因此不可避免地較高。這就是很少有實驗已經演示出例如三能
級Yb激光器的操作的原因。
作為示例，只有兩個顯著的實驗已經演示了基于鐿的三能級躍遷 的激光器。
第一個實驗涉及摻鐿光纖激光器，其由在915nm發射18W的二 極管泵浦。這是977nm的、輸出功率超過1W的唯一的激光器。這種 激光器在以下公開中描述"A 3.5-W 977-nm cladding-pumped jacketed air-clad Ytterbium-doped fiber laser" ， K.H. Yla-Jarkko, R. Selvas, D.B.S. Soh, J. K. Sahu， CA. Codemard, J. Nilsson, S: U. Alam, and A.B. Grudinin. In, Zayhowski, JJ. ( ed.) Advanced Solid-State Photonics 2003. Washington DC, USA, Optical Society of America Trends in Optics and Photonics Series ( OS A TOPS Vol 83 )。
在該文獻中，閾值的減小通過光纖的引導結構和高亮度二極管來 實現，可使泵浦面積A減小的倍數大于10。然而，這種光纖激光器中 的泵浦注入系數并不好。這種激光器的工業生產將需要保偏光纖。最 后，小于IOW的激光功率例如不能使傳統的非線性晶體具有較好的倍 頻效率，并且泵浦與藍光發射(488nm)之間的轉換產量較低。
第二個實驗涉及在985nm發出250mW的Yb:S-FAP激光器。該 激光器在以下文章中描述"Efficient laser operation of an Yb: S-FAP crystal at 985 nm"， S. Yiou, F. Balembois, K. Schaffers and P. Georges, Appl. Opt. 42, 4883-4886 ( 2003 )。該激光器由在900nm發射1.45W 的Ti:sapphire (藍寶石)激光器泵浦。
閾值的減小通過選擇使產品的(JapT最大的材料(S-FAP)以及通 過激光泵浦來實現，該激光泵浦可^f吏泵浦面積A至少減小10倍。
在約980nm發射的Yb激光器的主要困難有兩部分。第一個困難 是四能級發射與三能級發射之間的增益竟爭。為了將四能級發射的最 大增益減小至三能級發射的閾值，應該減小鐿的濃度N和長度L的乘 積。另一個困難是泵浦的有效吸收截面尺寸較小(900和950nm之間)， 并且可利用的半導體源的最大吸收波長不足。低的NL乘積和小的泵 浦有效吸收截面的組合導致激光器中泵浦吸收減小。因此，這降低了 激光器的效率。
Yb:S-FAP晶體的選擇隨著S-FAP中Yb的有效吸收截面的高值的 變化而改變。所述兩個主要問題是由缺乏S-FAP供應者以及與商業二 極管不相對應的泵浦波長(899 nm)引起的。其它的公知晶體更不適 合。
本發明的目的在于除去上述缺點，并且具體為減小三能級激光器 的發射閾值。本發明的另一目的在于設計一種能夠由大范圍的波長所 激發的三能級激光器。本發明的再一個目的在于提供一種高效而緊湊 的激光器。本發明的最終目的是設計一種二極管泵浦的激光器，其放 大介質的激發不能通過由泵浦二極管直接泵浦來進行(由于波長的未 利用率或者由于泵浦模式缺乏空間適應性)。
上述目的中的至少一個通過激光裝置實現，其包括
-第一放大介質，其能夠以輸出波長Xs發出第 一輸出激光束；
-第二放大介質，其能夠發出中間波長Xi的第二激光束并能夠以 泵浦波長入p泵浦，以使得Xi包含在Xp和Xs之間；
-單個激光腔，其包含所述第一放大介質和所述第二放大介質，所 述激光腔由最大反射位于所述波長Xi的兩個鏡閉合。
用本發明的裝置，第二放大介質的激光發射被用于在單個激光腔 內泵浦第一放大介質。本發明因而可擴大使用的泵浦波長的范圍，以 允許第一放大介質發出激光。也就是說，因而可對通常不能有效吸收 由二極管發出的波長的放大介質進行泵浦。
有利地，第一放大介質可以是三能級放大介質。本發明尤其可以 極大地減小激光發射閾值，并且同時增大三能級激光器的效率。尤其 是，在所述激光腔中產生有兩個不同的激光波長入i和Xs。
根據本發明的有利特性，所述第一放大介質包括活性元件，所述 活性元件吸收所述中間波長Xi的激光束。具體地，在第一放大介質中
共振損耗。
為了得到本發明的有利組件，進行了下文描述的程序。 超過激光器閾值時，將泵浦功率Pp、激光器功率P,以及受激離子 部分x相聯系的等式近似為<formula>formula see original document page 7</formula> (i )
其中A是泵浦的截面，Ni是摻雜離子的濃度，L,是放大介質的長 度，n是激發態壽命，G是對激光腔的損耗Ti準確補償的增益，并且 "pi ( Xi) =(Japl N山i ( l-rXl)是作為粒子數反轉的函數的泵浦吸收系數， r是受激離子的橫向分布上的泵浦的覆蓋系數。x的值由GZ(xJ ri =1的解給定。閾值為Pp的值，也就是當P尸0時式(1 )的解。
對于真實的三能級激光器，X!的數量可達到0.5或更多，然而， 對于四能級激光器，x的值可低至0.01。為了減小激光器閾值(與等 式的左部分連接)，乘積N山t應最小。另一方面，將泵浦功率較好地 轉換為激光需要Opt (xj Lp〉1。如果有效吸收截面(7一較小，則這意 味著乘積N,L!—定很大。
為了解決閾值問題以及泵浦功率到激光的轉換問題，提出了本發 明的新型激光器設計。提出了增加第二放大介質，其濃度為N2、長度 為L2、激發態壽命為t2，且其吸收泵浦波長Xp,并且在該泵浦波長和 激光器波長Xs之間的中間波長Xi處具有增益。波長Xi由第一放大介
質吸收。鏡在波長Xi處高度反射，從而使激光Xi的非共振損耗1l2最
小。這些損耗可較好地低于1%。如果第一放大介質的吸收較好地高于 ti2 (當吸收的百分比比較小時，這種情況是真實的)，該新型激光器 的等式近似為
<formula>formula see original document page 7</formula>第一放大介質的受激離子的部分X2為允許在波長Xi處的激光器閾
值的部分。如果較好地選擇第二放大介質，則X2的值可相當低(0.1 )。 通常，第二放大介質的使用可將乘積N山i的值減小IO倍，同時
增大泵浦的吸收能級。為了明顯地減小激光器閾值，項AN2L2X2/[pi]2比
AN1L1x1/[pi]1足夠低便可。
根據本發明的有利實施方式，所述激光腔為單塊共振線形型，并 且不同的元件可光學接觸。
優選地，當直接泵浦所述第一放大介質時，所述第二放大介質在
所述波長Xi處的發射閾值低于所述第一放大介質在所述波長Xs處的 發射閾值。
作為示例，所述第一放大介質基于三價鐿的三能級躍遷，輸出波 長約為980nm。所述鐿可包含在摻鐿(Yb )的硅酸鹽基質中。
所述第二放大介質基于三價釹Nd的4F3/2 —419/2躍遷，所述三價釹 Nd能夠包含在選自以下基質材料中YAG; YV04;GdV04; YAP或 YLF。
根據有利的特性，可將元件插入本發明的激光腔中，如偏振器、 濾波器、非線性晶體或任何適于插入激光腔的其它元件。
具體地，本發明的裝置可以使得所述第 一 放大介質包括以大約 980nm發射的鐿。此外，還可使用內腔倍頻非線性晶體。在這種情況 下，由激光裝置發出的波長是第一放大介質的波長的一半。
本發明的其它優點和特性將通過檢查非限定性實施方式的詳細描 述以及附圖而變得明顯，在附圖中
圖l是三能級激光器的簡圖2是本發明由激光二極管泵浦的激光裝置的簡圖； 圖3是GGG基質中鐿的有效吸收和發射截面曲線的圖示； 圖4是表示傳統激光器和本發明激光器的特性的圖； 圖5是硅基質中鐿的有效吸收和發射截面曲線的圖示。

圖1示出了三能級激光器的能態圖。可對以下三個態進行區分 態1:基態能級；態2:激發能級；以及態3:泵浦吸收能級。從一個 態到另一態的每個躍遷均與物理現象相關。從態1到態3的轉變通過 吸收光子的光泵浦而發生。從態3到態2的轉變通過原子的弛豫(即， 通常非輻射且快速的去激發)而發生。原子保持在態2的時段等于給 定的壽命。從態2到態1的轉變通過形成激光束的光子發射而發生。
圖2示出了本發明由激光二極管5泵浦的激光裝置4。激光裝置4 由形成單塊線形腔的兩個放大介質6和7組成。由激光二極管5發射
的激光束與激光裝置4共線。
第 一放大介質6為設置在第二放大介質7下游的活性三能級介質， 該順序能夠顛倒。第二放大介質7的發射波長Xi包含在泵浦5的發射 波長Xp與第一放大介質的發射波長Xs之間。第二放大介質由泵浦5 激發。裝置的激光腔包括在波長Xi處具有最大反射Rmax的鏡8,鏡 8連接于第 一放大介質6的輸出表面。該裝置的激光腔還包括在波長Xi 處具有最大反射Rmax的鏡9,鏡9連接于第二放大介質7的輸入表 面。
圖3至圖5可突出將本發明應用于以大約980nm發射的三能級鐿 Yb激光器時的優點。
Yb:YAG晶體常常用于以1031nm進行的發射(四能級激光器)。 在YAG基質中，Yb離子在波長在968nm處具有三能級躍遷。不幸地， 在該波長處，(7al=7.10-25m2>(7el=3.10-25m2。這意味著發射激光的閾值 需要激發多于70%的離子。為了克服該問題，選擇了略微不同的晶體 基質(GGG)。 Yb:GGG的特性如下三能級發射峰為971nm，四能級 發射峰為1031nm，吸收帶寬為930-945nm, (7al ( 971 ) =6.6.1 (T25 m2, (Tal (940) =4.1(T25 m2, 7=0.8ms。該有效吸收和發射截面在圖3中示出。 也就是說，摻有2%Yb的晶體(Ny=2.5.1026m—3)。假定泵浦在15(^m 的直徑上是一致的。如果對例如內腔倍頻有興趣，則考慮具有Rmax 鏡的腔，并假定來回損耗等于2%，計算971nm的激光功率。模擬示 出了晶體長度L^5mm接近最佳。如果超過該值，激光閾值則變得很 高，并且四能級增益變得很大以致難以防止其振蕩。低于該長度時， 泵浦則不再有效地吸收。對于5mm的長度，激光閾值為15W。對于 17.5W的泵浦功率，激光功率達到20W (參見圖4中的右側曲線)。
本發明的效率通過采用Nd:YAG作為第二增益介質來演示。考慮 摻有1.1% Nd (NN=1.53. 1026m-3)且厚度LN=2 mm的晶體。Nd離子 以808nm被泵浦并且可以946nm的波長發射。激發態壽命為F0.19ms 并且da2( 808 )=6.15.10-24 m2, (Je2( 946 )=3.9.10.24 m2, da2( 946 )=4.5.10.26 m2。如前所述，可以將Yb:GGG的厚度極大地減小至例如Ly=0.5 mm。 通過上述值，激光器閾值低于0.9W，并且對于1.55W的泵浦功率，971nm的激光器功率達到20W，與圖4中左側的曲線一致。
因而本發明已經說明了可通過保持或者甚至增大泵浦的吸收、并 因此保持或增大轉換效率來極大地減小三能級激光器的閾值。本發明 所有的意義具體來自于(但不限于)根據Yb的三能級躍遷生產的約 980nm或約490nm (通過將倍頻晶體插入腔中)的激光源。可以考慮 多數的基質材料，包括Yb:Si02 (圖5 )，其優點是在976nm發射。倍 頻精確地對應于氬激光器的主波長(488nm)。
一般說來，本發明允許有效地泵浦三能級激光器。為此目的，已 經將能夠由波長為Xp的泵浦激發的第二激光介質引入激光腔中；該第 二介質發出中間波長Xi的第二介質，中間波長Xi包含在泵浦波長和三 能級激光器的波長Xs之間。還確保了激光腔的鏡在波長Xi處為Rmax (最大反射)。優選地，當直接泵浦第一介質時，激光閾值Xi低于激 光閾值Xs。此外，波長Xi優選地由三能級激光器介質吸收，并且該吸 收大于腔的其它損耗。其它的元件也可加到腔的內部，如偏振器、濾 波器或非線性晶體。本發明具體應用在Yb"的三能級躍遷中，取決于 基質材料，Yb"的波長約為980nm。這樣就可生產出以大約980nm發 射的激光器或者以大約490nm發射的包括內腔倍頻裝置的激光器。
當然，本發明不限于上述的實施例，并且在不超出本發明范圍的 情況下，可對該實施例進行多種調整。事實上，本發明還可有利地應 用于除了三能級放大介質之外的其它放大介質，例如四能級放大介質。
權利要求
1.激光裝置，包括-第一放大介質，其能夠以輸出波長λs發出第一輸出激光束；-第二放大介質，能夠發出中間波長λi的第二激光束，并能夠以泵浦波長λp泵浦，以使得λi包含在λp和λs之間；其特征在于，所述第一放大介質和所述第二放大介質包含在單個激光腔內，所述激光腔由在所述波長λi具有最大反射的兩個鏡閉合，并且所述激光腔中產生兩個不同的激光波長λi和λs。
2. 如權利要求l所述的裝置，其特征在于，所述第一放大介質包 括活性元件，所述活性元件吸收所述中間波長Xi的激光束。
3. 如權利要求2所述的裝置，其特征在于，在所述第一放大介質 非共振損耗。
4. 如任意一項前述權利要求所述的裝置，其特征在于，所述激光 腔為單塊共振線形型。
5. 如任意一項前述權利要求所述的裝置，其特征在于，當直接泵 浦所述第一放大介質時，所述第二放大介質在所述波長Xi處的發射閾 值低于所述第一放大介質在所述波長Xs處的發射閾值。
6. 如任意一項前述權利要求所述的裝置，其特征在于，所述第一 放大介質基于三價鐿的三能級躍遷。
7. 如任意一項前述權利要求所述的裝置，其特征在于，所述第一 放大介質包括摻鐿(Yb)的硅酸鹽基質。
8. 如任意一項前述權利要求所述的裝置，其特征在于，所述第二 放大介質基于三價釹Nd的^3/2 — 419/2躍遷。
9. 如權利要求8所述的裝置，其特征在于，所述三價釹包含在以 下基質材料中YAG; YV04;GdV04; YAP或YLF。
10. 如任意一項前述權利要求所述的裝置，其特征在于，所述激 光腔還包括偏振器。
11. 如任意一項前述權利要求所述的裝置，其特征在于，所述激 光腔還包括濾波器。
12. 如任意一項前述權利要求所述的裝置，其特征在于，所述激 光腔還包括非線性晶體。
13. 如權利要求12所述的裝置，其特征在于，所述第一放大介質 包括以大約980nm發射的鐿，并且還包括內腔非線性倍頻晶體。
全文摘要
本發明的目的具體在于三能級激光器的有效泵浦。為此，在激光腔中包括第二激光介質，其能夠由波長為λp的泵浦光束激發，所述第二介質發出位于泵浦波長和三能級激光器波長λs之間的中間波長λi。設法確保激光腔的鏡在波長λi具有最大反射Rmax。優選地，當直接泵浦激光λs時，激光λi的閾值低于激光λs的閾值。此外，波長λi優選地由三能級激光介質吸收，并且該吸收大于其它的腔損耗。在腔內可增加其它元件，如偏振器、濾波器或非線性晶體。本發明尤其適用于I’Yb³⁺的三能級躍遷，其波長取決于基質材料而約為980nm。這樣，可生產出以大約980nm進行發射的激光器或以大約490nm進行發射的包括內腔倍頻裝置的激光器。
文檔編號H01S3/0941GK101366152SQ200780001935
公開日2009年2月11日 申請日期2007年1月4日 優先權日2006年1月4日
發明者蒂爾瑞·喬治 申請人:奧克休斯股份有限公司