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CN1100374C - 波长可调激光器中的波长可选择激光振荡器 - Google Patents

波长可调激光器中的波长可选择激光振荡器 Download PDF

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Abstract

波长可调激光器中的波长可选择激光振荡器，上述波长可调激光器中的波长可选择激光振荡器包括：激光谐振器，它包括相对的具有规定反射率的反射镜。波长可调激光介质，它设置于激光谐振器中，并且可在规定范围的波长区域实现激光振荡；设置于激光振荡器中的声—光晶体，从波长可调激光介质射出的光射入该晶体；声波输入装置，它没置于声—光晶体上，其用于让声—光晶体接收声波；脉冲激发激光器，其用于使激发激光束输入激光谐振器中。

Description

波长可调激光器中的波长可选择激光振荡器
本发明涉及波长可调激光器中的波长可选择激光振荡器，特别涉及下述的波长可调激光器中的波长可选择激光振荡器，通过该振荡器可使激光谐振器中的激光束产生具有较高的重复振荡。
作为可使激光谐振器**(laser resonator)中的激光束产生脉冲振荡的波长可调激光器，闪光灯激发Q开关YAG激光器激发的钛-蓝宝石(Ti：Al2O3)激光器目前已为公众所知。
在闪光灯激发Q开关YAG激光器激发的钛-蓝宝石激光器中，由于YAG激光器通过根据闪光灯激发的Q开关脉冲模式操纵，因此脉冲重复率由闪光灯的闪光频率确定。
在上述情况下，由于闪光灯的频率一般在1～50Hz，这样通过上述的闪光灯激发激光器激发的激光(laser)脉冲频率的增加是有限的。因此，需要一种下述的波长可调激光器，通过该激光器可使激光束的脉冲重复率增加。
另外，上述的闪光灯激发Q开关YAG激光器激光的titanium-sapphire激光器要求较高的激发输入能量(一般作为激发能量要求20mJ/单位脉冲)，波长调节速度较低，这样会产生下述的问题，即在使用上述激光器时，其适用性较差。
本发明是针对已有技术中所存在的上述问题而提出的。因此本发明的目的在于提供一种波长可调激光器中的波长可选择激光振荡器，通过该振荡器，与普通的振荡器相比较，可大大增加上述激光的脉冲振荡重复频率，另外可减小激发输入能量，此外可提高波长调节速度，这样可在使用波长可选择振荡器的情况下使其适用性大大提高。
为了实现上述目的，本发明的波长可调激光器中的波长可选择激光振荡器的特征在于：它包括：激光谐振器，其中包括相对的各有规定反射率的反射镜；波长可调激光介质，它设置于上述激光谐振器中，并且可在规定范围的波长区域实现激光振荡；设置于上述激光振荡器中的声—光晶体，从上述波长可调激光介质射出的光射入该晶体；声波输入装置，它设置于上述声—光晶体上，其用于让声波输入声—光晶体；脉冲激发激光器，其用于使激发激光束射入上述激光谐振器中。
另外，本发明的波长可调激光器中的波长可选择激光振荡器的特征在于，它包括：激光谐振器，其中包括相对的各有规定反射率的反射镜；波长可调激光介质，它设置于上述激光谐振器中，并且可在规定范围的波长区域实现激光振荡；设置于上述激光振荡器中的声—光晶体，从上述波长可调激光介质射出的光射入该晶体；声波输入装置，它设置于上述声—光晶体上，其用于让声波输入声—光晶体；设置于上述激光谐振器中的光学部件，它用于对从上述声—光晶体射出的经衍射的光的散射进行修正；脉冲激发激光器，其用于使激发的激光束射入上述激光谐振器中。
在上述场合，上述的脉冲激发激光器可包括具有高重复的连续波-Q开关固态激光器，该具有高重复的连续波-Q开关固态激光器可包括激光二极管激发的高重复的固态激光器。
另外，上述的laser-diode激发的具有高重复的固态激光器可具体包括连续波-Q开关脉冲Nd：YLF激光器，连续波-Q开关脉冲YAG激光器或类似激光器。
一方面，上述的激光谐振器可为Z形激光谐振器，或X形激光谐振器。
另一方面，上述的波长可调激光介质可按照下述方式设置，即其入射端面经布儒斯特(Brewster)式切削，上述的入射端面相对上述的激光谐振器内侧的光路成布儒斯特(Brewster)角倾斜设置。
此外，上述的波长可调激光介质可这样设置，即非反射涂层敷设于其入射端面上，上述入射端面相对上述的激光谐振器内侧的光路沿垂向设置。
还有，构成上述激光谐振器的相对的反射镜中的一个可由特定涂层代替，该涂层形成于上述波长可调激光介质的端面上。
在上述本发明的波长可调激光器中的波长可选择激光振荡器中，由于位于波长可调激光介质中的激光激光而产生的激发量与激光谐振器内侧的光模量**(optical mode volume)相对应以便提高效率，这样可减小激发输入能量，从而激光谐振器可作用于具有高重复的脉冲激发激光。
另外，上述本发明的波长可调激光器中的波长可选择激光振荡器是这样设置的，即从波长可调激光介质射出的光射入声—光晶体，当通过声波输入装置声波被射入上述的声—光晶体中时，可对从波长可调激光介质射出的光的波长进行选择，这样可增加从波长可选择激光振荡器射出的激光束的波长可调速度。
在上述情况下，之所以可对于本发明的波长可调激光器中的波长可选择激光振荡器进行波长选择，其原因是：当使声波在具有双折射性的声—光晶体，如TeO2晶体等中产生时，下述的经衍射的光的偏振平面与非经衍射的光的偏振平面相垂直，该经衍射的光具有响应射入上述晶体的光线中的上述声波频率的特定波长，另外经衍射的光的射出角比非经衍射的光的射出角倾斜，从而使上述两个角度产生明显的差别。
图1是一个原理图，该图表示通过声波利用具有特定波长的光的偏振任用而造成的波长选择作用，在这里具有波长λi和角频率ωi的入射光射入具有双折射性的声—光晶体100中。在此场合，当具有频率ωa的声波104射向声—光晶体100时，可获得经衍射的光106。
对于在构成上述的声—光晶体100中发生衍射的光线成分的经衍射的光106，当设置全反射镜110和位于出射侧112的具有规定透射率的一个反射镜时，激光谐振器是这样构成的，即经衍射的光在全反射镜110和位于出射侧112的反射镜之间作往复运动。
在此场合，衍射光106的波长由在声—光晶体100中产生的声波104的频率确定。因此，比如，通过RF电源而驱动的压电部件固定于上述声—光晶体100上，该压电部件通过RT电源驱动而在其内部产生应变，这样具有与上述应变相对应的频率的声波104射入声—光晶体100中，从而可通过对RF电源进行控制，而实现有选择地对激光波长进行控制。
另一方面，衍射光106的衍射效率由声波的强度确定，这样当控制RF电源的输入能量时，则可对激光谐振器的损耗进行控制，从而可改变激光输出能量。
然而，由于衍射角α109相对衍射光的波长不能保持恒定，由于全反射镜110相对衍射光106沿垂向产生反射，可构成激光谐振器的波长范围较窄。因此，设置全反射镜110的角度必须逐渐调节以便位于较宽范围内的激光产生振荡，这样会产生一点麻烦，即从实际的观点来看，调节操作较为复杂。由于此缘故，必须在不改变所设置的全反射镜110的角度的情况下，通过增加波长调节范围的装置对衍射角α109的偏差进行修正。
作为对衍射角α109的偏差进行修正的装置，可以是一个将光的波长散射的光学部件、如三棱镜或类似部件以便具有由波长λ1和λ2限定的偏转角的光线穿过该三角棱角后基本平行前进。其结果是，可始终使衍射光106垂直射入全反射镜110，这样可形成用于构成较大波长区域的激光谐振器。
根据下面的具体描述，以及附图可更加全面地理解本发明，该附图仅仅以说明方式给出，因此它并不构成对本发明的限定。
图1是一个原理图，该图表示通过声波利用具有特定波长的光的衍射功能的波长选择作；
图2是一个结构示意图，该图用于说明本发明的波长可调激光器中的波长可选择激光振荡器的第1实施例；
图3为曲线图，它表示在下述的试验中，激发激光束(输入)的能量和出射激光束(输出)的能量之间的输入/输出特性，在该试验中按照本发明的第1实施例，采用波长可调激光器中的波长可选择激光振荡器；
图4为曲线图，它表示下述试验中波长可选择特性，在该试验中按照本发明的第1实施例，采用波长可调激光器中的波长可选择激光振荡器；
图5是一个结构示意图，该图用于说明本发明的波长可调激光器中的波长可选择激光振荡器的第2实施例；
图6是一个结构示意图，该图用于说明本发明的波长可调激光器中的波长可选择激光振荡器的第3实施例；
图7是一个结构示意图，该图用于解释本发明的波长可调激光器中的波长可选择激光振荡器的第4实施例；
下面结合附图对本发明的波长可调激光器中的波长可选择激光振荡器的实施例进行具体描述。
参照图2，该图是一个结构示意图，该图用于说明本发明的波长可调激光器中的波长可选择激光振荡器的第1实施例。
在该波长可调激光器中的波长可选择激光振荡器中，采用下述的所谓的Z型(Z-holding type)激光谐振器，在这里，该激光谐振器内侧往复移动的光径呈“Z”形路径。该Z型激光谐振器包括位于出射侧10的具有规定透射率的反射镜和全反射镜12。
另外，上述Z型激光谐振器设有第1中间反射镜14，激发激光束A射入该反射镜14，另外该反射镜14还将在位于出射侧10的反射镜和全反射镜12之间往复移动的光B全部反射，以及第2中间反射镜16、它对在位于射出侧10的反射镜和全反射镜12之间往复移动的光进行全反射，此外上述激光谐振器是这样设置的，即在激光谐振器内侧往复移动的光B的光径呈“Z”形路径。
在激光谐振器的光径上的第1中间反射镜14和第2中间反射镜16之间设置有作为波长可调激光介质的Ti：Al2O3激光晶体18，其对于入射光的入射端面是这样以Brewster方式进行切割的，即上述入射端面保持Brewster角，在这里入射光的反射为零，从而由激发激光束A产生的沿纵向的共轴激发会造成激光振荡。
还有，在激光谐振器的光路上的第2中间反射镜16和全反射镜12之间设置有声—光晶体20，其可对波长进行选择并具有双反射特性。
此外，作为声波输入装置的压电部件26固定于上述声—光晶体20上，该压电部件26通过RF电源24驱动，该RF电源的频率通过个人计算机22控制。因此，当压电部件26被RF电源24驱动时，在这里，上述RF电源的频率根据个人计算机的控制，以机存取的方式被设定，从而使压电部件26内产生应变。根据在压电部件26中产生应变，则具有与上述应变相对应的频率的声波射入声—光晶体20中。其结果是，声—光晶体20仅仅使与所射入的声波相对应的光D产生衍射。
因此，声波朝向声—光晶体20的射入通过个人计算机22按照下述的方式控制，该方式为：可仅仅使具有下述射出激光束C的波长的光B作为衍射光D射出，上述激光束C通过压电部件26经过从位于出射侧10的反射镜射出，上述衍射光D被声—光晶体20按照预定方向产生衍射从而可产生激光振荡。
另外，在声—光晶体20和全反射镜12之间设置有用于修正上述衍射光D散射的散射修正棱镜28。由于采用上述散射修正棱镜28，可使射出的激光束C的方向性保持恒定。
在波长可调激光器中的波长可选择激光振荡器中，脉冲激发激光器32用作使激发光A向激光谐振器射入的激光器。作为脉冲激发激光器32，可采用具有高重复连续波-Q开关，比如可为小型的激光二极管(LD)激发的具有高重复的固态激光器等。特别是，可采用连续波-Q开关脉冲YAG激光器，连续波-Q开关脉冲Nd：YLF激光器等。
脉冲激发激光器32所产生的激发激光束A被全反射镜34向全反射光束聚光镜36反射，从而由该全反射光束聚光镜36接收，之后通过第1中间反射镜14射入从而以沿纵向共轴激发的方式抽运上述Ti：Al2O3激光晶体18。
在上述的结构中，为获得出射激光束C，利用脉冲激发激光器32射入的激发激光束A使Ti：Al2O3激光晶体18激发。根据上述原理，RF电源24的频率通过个人计算机22控制从而可根据下述的出射激光C的波长使压电部件26产生振动，该出射激光C以出射侧10的反射镜射出。
在上述情况下，射出的衍射光D沿着从声—光晶体20射出的规定方向发生衍射，该射出光为是Ti：Al2O3激光晶体18射出的光线中与RF电源24的频率相对应的波长的射出光，该射出光来自朝向声—光晶体20射入并属于较宽的波长范围的光。此外，沿规定方向以衍射状态从声—光晶体20射出的衍射光D通过散射修正棱镜28向全反射镜12射入，从而所射入的光被全反射镜12反射，这样所形成的光在激光谐振器内侧沿“Z”形光路往复移动。
其结果是，仅仅具有与RF电源24的频率相对应的波长的光放大而产生激光振荡，这样仅仅具有上述波长的出射激光束C可从激光谐振器射出。
按照上面所述，可通过个人计算机对RF电源的频率进行选择而实现射出的激光束C波长的选择，从而可借助RF电源24使压电部件26产生振动。因此，可快速任意对出射激光束C的波长进行选择，从而可提高出射的激光束波长的可选择速度。
另外，由于设置有散射修正棱镜28，这样可修正衍射光D沿衍射角度产生的散射。如果衍射光D在衍射角度内产生散射，则在激光谐振器内侧的光路发生改变，这样波长可选择的区域受到限制。然而，在这方面，当设置散射修正棱镜28时，可消除上述的问题。
此外，在本发明中采用脉冲激发激光器32代替采用闪光灯激发的普通固态激光器，来产生激发激光束A。其结果是，与已有技术相比较，单位时间的重复脉冲次数大大增加，另外可使上述系统的尺寸减小到最小程度。
还有，激光谐振器的结构呈Z形，其这样设置，即可使被全反射光束聚光镜36接收上述激发激光束A输入Ti：Al2O3激光晶体18。因此，与采用闪光灯实现激发的普通的固态激光器相比较，尽管激发激光束A是由具有较低激发能量的脉冲激光束32产生的，仍可产生充分的激光振荡。
下面对一个试验性实施例进行描述，在该实施例中，采用图2所示的波长可调激光器中的波长可选择激光振荡器。
在该试验性实施例中，将连续波-Q-开关脉冲Nd：YLF激光器作为脉冲激发激光器32，激发激光束A采用第2谐波。在此情况下，激发激光束A的波长为523nm，脉冲重复为1kHz，单位脉冲的最大输出能量为200μJ。
全反射光束聚光镜36的半径为200mm，第一中间反射镜14二以及第中间反射镜16的半径分别为100mm，位于出射侧的反射镜的反射率为97％(即，透射率为3％)。
在图2所示的波长可调激光器中的波长可选择激光振荡器中的Z型(holding)激光谐振器中，由于Ti：Al2O3激光晶体18的作用，谐振器模量小到几十个微米，激发激光束A被全反射光束聚光镜36收集到这个狭小的区域，这样可提高激发的效率。
图3表示在上述试验的结构中，激发激光束A(输入)的能量和出射激光束C(输出)的能量之间的输入/输出特性，在该试验性实施例中，出射激光束的波长固定为800nm。从图3可知，当单位脉冲的激发激光束A的能量约为40μJ时，在此波长可调激光器系统中，激光振荡频率达到临界值。
另外，图4表示在下述场合中的波长可选择特性，在该场合中，激发激光束C的能量为100μJ。从图4可知，波长可调范围在740nm～870nm之间。
由于设有散射修正棱镜28，通过调节激光波长所观察到的激光束方向的变化大大小于观测(observation)限度(limit)。
图5是一个结构示意图，该图用于说明本发明的波长可调激光器中的波长可选择激光振荡器的第2实施例，在这里与图2中所示第1实施例的相同或相应的部件采用相同的标号，并略去对这些部件的具体描述。
第2实施例的波长可调激光器中的波长可选择激光振荡器与第1实施例的波长可调激光器中的波长可选择激光振荡器的不同之处仅仅在于：激光谐振器的结构呈所谓的X形。
在第2实施例的波长可调激光器中的波长可选择激光振荡器中所采用的X型的激光谐振器中，由于激发激光束A射入全反射光束聚光镜36，该镜36将其射入Ti：Al2O3激光晶体18中，这样与其中采用闪光灯激发或放电**(discharge)激发的普通离子激光器的情况相比较，既使具有由脉冲激发激光器32产生的具有较低激发输入能量的激发激光束A也可产生有效的激光振荡。
另外，由于采用X型激光谐振器，这样其结构比Z型的激光谐振器的结构更小。
图6表示一个结构示意图，该图用于说明本发明的波长可调激光器中的波长可选择激光振荡器的第3实施例，在这里与图2中所示本发明第1实施例的相同或相应的部件采用相同的标号，该图2中的部件表示本发明的波长可调激光器中的波长可选择激光振荡器的第1实施例，并略去对这些部件的具体描述。
第3实施例的波长可调激光器中的波长可选择激光振荡器与第1实施例的波长可调激光器中的波长可选择激光振荡器的不同之处仅仅在于：图2中的全反射镜12由位于出射侧10的反射镜代替，同时为了取代图1中的位于出射侧的反射镜以及第1中间镜14，在上述改进实施例中添加有下述的结构，在该结构中，激发激光束A射入到Ti：Al2O3激光晶体18一侧的端面上，该侧而指晶体18被激发激光束A射入的一侧，另外用于反射从Ti：Al2O3激光晶体18射出的光的特殊涂层40敷设于该改进分端面。
因此，在第3实施例的波长可调激光器中的波长可选择激光振荡器中，激光谐振器由特殊涂层40和位于射出侧10的反射镜形成。
由于上述原因，根据第3实施例的波长可调激光器中的波长可选择激光振荡器，与第1实施例和第2实施例的波长可调激光器中的波长可选择激光振荡器相比较，第3实施例的部件数量减小，从而整个系统的体积可减小到最小程度，另外可使成本降低。
图7是一个结构示意图，该图用于说明本发明的波长可调激光器中的波长可选择激光振荡器的第4实施例，在该实施例中，相同的标号表示与图2所示本发明第1实施例相同的或相应的部件，这里略去对相同或相应部件的描述。
第4实施方式的波长可调激光器中的波长可选择激光振荡器与第1实施方式的波长可调激光器中的波长可选择激光振荡器的不同之处在于：没有采用下述的结构，该结构为：Ti：Al2O3激光晶体18经过布儒斯特(Brewster)切削，该晶体按照应用的布儒斯特(Brewster)角度设置；而采用下述的结构，该结构指：Ti：对Al2O3激光晶体18以垂直入射的方式切削，同时敷设非反射涂层42，晶体按照使激光束A沿垂直方向入射的方式设置。
如上所述，对激发激光束A沿垂直方向射入其中的Ti：Al2O3激光晶体18的设置比以Brewster角度入射Ti：Al2O3激光晶体18的设置容易，另外上述角度的散射较小，这样可获得较宽的波长区域。
由于本发明按照上述方式构成，这样与已有技术相比较，重复性脉冲振荡频率可显著提高，另外可增加波长调节的速度，这样本发明可获得下述的优点，即可大大改善使用波长可选择振荡器时的适用性。
本领域普通的技术人员可以知道，在不离开上述实质或主要特征的情况下，本发明可按照其它的特定方式实施。
在这里所给出的实施例在各方面为示意性的，它们不具有限定性。本发明的请求保护范围由非前述的后附的权利要求确定，该权利要求应包括落入本发明等同物的含义和范围内的所有变换。
在这里引用包括有说明书，权利要求书，附图和摘要的申请号为JP特愿平8-132847，申请日为1996年4月30日的已完全公开的日本专利申请，以便供参考。

Claims (10)

1.一种波长可调激光器中的波长可选择激光振荡器，它包括：
激光谐振器，它包括相对设置且各具有规定反射率的反射镜；
波长可调激光介质，它设置于上述激光谐振器中，并且可在规定范围的波长区域实现激光振荡；
设置于上述激光振荡器中的声—光晶体，从上述波长可调激光介质射出的光射入该晶体，可对从所述波长可调激光介质射出的光的波长进行选择，从而能增加从波长可选择激光振荡器射出的激光束的波长可调速度；
声波输入装置，它设置于上述声—光晶体上，其用于让声波输入声—光接收晶体；
设置于上述激光谐振器中的光学部件，它用于修正从上述声—光晶体射出的经衍射的光的散射；
脉冲激发激光器，其用于使激发激光束射入上述激光谐振器中。
2.根据权利要求1所述的一种波长可调激光器中的波长可选择激光振荡器，其特征在于上述脉冲激发激光器为具有高重复的连续波-Q开关固态激光器。
3.根据权利要求2所述的一种波长可调激光器中的波长可选择激光振荡器，其特征在于上述具有较高频率的连续波-Q开关固态激光器为激光二极管激发的具有较高重复的固态激光器。
4.根据权利要求3所述的一种波长可调激光器中的波长可选择激光振荡器，其特征在于上述激光二极管激发的具有高重复的固态激光器是连续波-Q开关脉冲Nd：YLF激光器。
5.根据权利要求3所述的一种波长可调激光器中的波长可选择激光振荡器，其特征在于上述激光二极管激发的具有高重复的固态激光器是连续波-Q开关脉冲YAG激光器。
6.根据权利要求1所述的一种波长可调激光器中的波长可选择激光振荡器，其特征在于上述激光谐振器为Z型光路激光谐振器。
7.根据权利要求2所述的一种波长可调激光器中的波长可选择激光振荡器，其特征在于上述激光谐振器为Z型光路激光谐振器。
8.根据权利要求3所述的一种波长可调激光器中的波长可选择激光振荡器，其特征在于上述激光谐振器为Z型光路激光谐振器。
9.根据权利要求4所述的一种波长可调激光器中的波长可选择激光振荡器，其特征在于上述激光谐振器为Z型光路激光谐振器。
10.根据权利要求5所述的一种波长可调激光器中的波长可选择激光振荡器，其特征在于上述激光谐振器为Z型光路激光谐振器。
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OPTICS COMMUNICATIONS VOL.84 NO.3-4 1991-07-15 RICHTER R I ET AL A CW dye laser tuned by an acousto-optic filter *

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