全固化的单频脉冲固体激光器 本发明涉及一种全固化的单频脉冲固体激光器。可以应用于激光多普勒雷达、全息术、精密测量、激光光谱和非线性光学等多种学科领域。
为实现固体激光器的脉冲单频运转，已有的技术可以概括为两类；
一类是先产生单频连续激光，再调Q，获得脉冲输出。如果要求高功率输出，则再加放大，即所谓的主振+放大(MOPA)结构。
由于固体激光介质大多数属于均匀加宽型(如掺Nd晶体)，因此为实现单频(即单纵模)运转，有如下几类典型结构：
(1)在激光器的谐振腔内插入选频元件，诸如干涉仪、法泊里—佰罗(F-P)标准具之类。
[参见C.Pedersen，et al.，Opt.Lett.，Vol.20，No.12，pp.1389(1995)]。
(2)缩短激光器的谐振腔腔长，增大纵模间隔。
[参见B.Zhou，et al.，Opt.Lett.，Vol.10，pp.62(1985)，R.Secheps，D.F.Heller，Appl.Opt.，Vol.28，No.24，pp.5288(1989)]。
(3)采用环形行波腔单向运转，消除空间烧孔效应的影响，选单纵模。
[参见G.T.Maker，G.P.A.Malcolm，Opt.Lett.，Vol.18，No.21，pp.1813(1993)]。
(4)预调Q、扭转模、复合腔等其它技术。
[参见K.Wallmeroth，Electron.Lett.，Vol.24，No.1，pp.1086(1988)，K.Wallmeroth，Opt.Lett.，Vol.15，No.16，pp.903(1990)]
(5)另一类是注入锁定实现单频脉冲高功率激光输出的结构。
[参见J.J.Zayhowski，A.Mooradian，Opt.lett.，Vol.14，No.12，pp.618(1989)，R.L.Schmitt，et al.，Appl.Opt.，Vol.25，No.5，pp.629(1986)]。
它是把一个低功率、单频运转的主振荡器(连续或脉冲)产生的种子激光注入到高功率脉冲运转的伺服振荡器中，从而获得单频、脉冲、高功率激光输出。它要求注入种子激光的频率与伺服振荡器的振荡频率相匹配，因此必须配置谐振腔伺服控制机构。
以上所述几种结构的缺点是：结构比较复杂，调整麻烦，分立元件太多，不适合器件的集成、全固化。
本发明的目的是为了克服已有技术地缺点，提供一种全固化的单频脉冲固体激光器。其结构较简单，调整容易，可达到全固化、体积小、重量轻和低功耗的要求，能提供高光束质量、窄线宽、频率稳定的激光输出。
本发明的固体激光器的结构如图1所示。它包括由第一腔镜1和第二腔镜6构成的激光谐振腔8。第一腔镜1的中心轴线O1O1与第二腔镜6的中心轴线O2O2相互垂直。在激光谐振腔8内，靠近第一腔镜1的一端与第一腔镜1同中心轴线O1O1地置有第一激光介质2，靠近第二腔镜6的一端与第二腔镜2同中心轴线O2O2地置有第二激光介质5。在激光谐振腔8内，在第一腔镜1的中心轴线O1O1与第二腔镜6的中心轴线O2O2的交点O处置有偏振元件4。偏振元件4的偏振面401与第一腔镜1的中心轴线O1O1的夹角α1和偏振面401与第二腔镜6的中心轴线O2O2的夹角α2都是45°角。即＜α1＝＜α2＝45°。在激光谐振腔8内，在第一激光介质2与偏振元件4之间，与第一腔镜1同中心轴线O1O1地置有电光Q调制器3。在激光谐振腔8外，与第一腔镜1同中心轴线O1O1地置有第一泵浦源11，与第二腔镜6同中心轴线O2O2地置有第二泵浦源7。上述置于激光谐振腔8内的第一、第二激光介质(2，5)，电光Q调制器3、偏振元件4以及第一腔镜1和第二腔镜6全部用固化胶10集成在一基片9上。也就是说，除了第一泵浦源11和第二泵浦源7可以固化在基片9上，或者不固化在基片9上外，其它所有置于激光谐振腔8内的元件包括第一腔镜1和第二腔镜6在内均用固化胶集成在一基片9上。
所说的置于激光谐振腔8内的第一激光介质2和第二激光介质5是波长λ相同厚度d不相等的固体激光工作物质。也就是说，第一激光介质2的波长λ1等于第二激光介质5的波长λ2，即λ1＝λ2。而第一激光介质2的厚度d1大于第二激光介质5的厚度d2，即d1＞d2。
所说的置于激光谐振腔8外的第一泵浦源11和第二泵浦源7都是半导体激光器。第一泵浦源11的泵浦功率W1必须大于第二泵浦源7的泵浦功率W2，即W1＞W2。第一泵浦源11是大功率W1的准连续输出光的半导体激光器，或者是大功率W1的连续输出光的半导体激光器；第二泵浦源7是小功率W2的连续输出光的半导体激光器。
所说的置于激光谐振腔8内的偏振元件4是偏振棱镜，或者是偏振片。
所说的置于激光谐振腔8内的电光Q调制器3是由铌酸锂晶体构成，或者是由钽酸磷钾晶体构成，或者是磷酸钛氧钾(KTP)晶体构成。
所说的基片9是导热性能好，化学物理性能稳定的白宝石片，或者是钇铝石榴石(YAG)晶体片。
所说的第一腔镜1和第二腔镜6是平面镜，或者是平凹镜，或者是平凸镜。在第一腔镜1对着激光谐振腔8的内表面101上和在第二腔镜6对着激光谐振腔8的内表面601上均镀有对激光振荡波长全反射的，对第一、第二泵浦源11、7的波长λ1＝λ2的泵浦光全透过的多层介质膜。
所说的固化胶10是对激光振荡波长损耗小的紫外固化胶。
上述结构的本发明固体激光器以如下方式运转：一开始，电光Q调制器3上不加电压，由作为第二泵浦光源7的小功率W2连续半导体激光器输出泵浦光Gp2泵浦第二激光介质5，在两腔镜第一腔镜1和第二腔镜6之间产生激光振荡。然后用大功率W1半导体激光器作为第一泵浦源11输出大功率W1激光Gp1泵浦第一激光介质2，因电光Q调制器3上无电压，第一激光介质2开始的自发辐射光有一个偏振态可顺利通过偏振元件4。对这一偏振态而言，输出端402无反射，因腔内的Q值很低，形成不了激光振荡。而与这一偏振态垂直的另一偏振态与作为注入种子源的第二泵浦源7的主振荡激光偏振态及频率一致，因而能产生激光振荡，并一直在激光谐振腔8内的第一腔镜1和第二腔镜6之间往返。当激光谐振腔8内激光振荡的光子密度达到最大值时(与大功率W1半导体激光泵浦有一延迟)，电光Q调制器3上迅速加上λ/4波电压，这时电光Q调制器3相当于一个λ/4波片。振荡激光在激光谐振腔8内的第一腔镜1和第二腔镜6之间往返两次，偏振度旋转90°，因此激光谐振腔8内存储的最大光能瞬间透过偏振元件4从输出端402输出激光束Gc。这种激光谐振腔8内电光Q调制器3以脉冲透射式运转，比已有技术中以一面形成激光振荡一面从输出镜输出激光的脉冲反射式电光Q调制器效率要高。
本发明的优点是：
(1)本发明采用复合腔，如上述的结构，在激光谐振腔8内有两块激光介质2和5，对应两块激光介质2和5在激光谐振腔8外有两个泵浦源11和7。构成激光谐振腔8的第一腔镜1和第二腔镜6两条中心轴线O1O1和O2O2相互垂直，又在激光谐振腔8内置有电光Q调制器3和偏振元件4，使得整个激光谐振腔8较短，输出的是单频脉冲的激光束Gc，所以短腔，单频和脉冲运转能够在同一个复合腔中实现。
(2)上述的结构与已有技术相比，不需要腔长伺服控制，其结构简单，调整方便，稳定可靠。
(3)本发明使用半导体激光器作泵浦源以及激光谐振腔2内的透射式电光Q调制器3，使得本发明的固体激光器效率较高，输出的光束质量好，窄线宽，频率稳定。
(4)上述构成激光器的全部元件都可以用固化胶10集成在基片9上，构成一固体激光器，所以本发明称为全固化的单频脉冲固体激光器，具有体积小、重量轻和低功耗的特点，适用于激光多普勒雷达、全息术、精密测量、激光光谱以及非线性光学等多学科领域。
附图说明：
图1是本发明的全固化的单频脉冲固体激光器的结构示意图。
实施例：
如图1所示。其中：两块谐振腔的腔镜第一腔镜1和第二腔镜6均为平面镜，第一腔镜1的内表面101和第二腔镜6的内表面601分别镀有对激光振荡波长全反、对作为泵浦源11和7的半导体激光器波长高透过的多层介质膜。激光介质2、5采用掺钕钇铝石榴石晶体(Nd：YAG)(或Yb：YAG)。第一激光介质2的厚度d1＝1mm，由大功率W1脉冲半导体激光器作为第一泵浦源11，其功率W1≥600瓦，它起类似于高功率输出的伺服振荡器作用。第二激光介质5的厚度d2＝0.5mm，由小功率W2连续半导体激光器作为第二泵浦源7，其功率W2≤1瓦。选择激光谐振腔8的长度为20mm，保证其激光连续单频振荡，起到注入种子源的主振荡器作用。电光Q调制器3是铌酸锂晶体构成的，置放在激光谐振腔8内第一激光介质2与偏振元件4之间，所以是透射式的。当它工作时，加有合适幅度及时间波形的电压。偏振元件4是偏振棱镜。上述激光器所包含的全部元件均用紫外固化胶10集成在一块导热好的作为基片9的白宝石片上。
本实施例中，整个激光器整体厚度仅为15mm，体积30×20×15mm3，调整简单，输出1.06nm单频(线宽小于1MHz)脉冲(脉宽为mm量级)的激光束Gc，光束质量好，而且频率稳定。