CN101227059A - 单纵模微片激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种单纵模微片激光器，其包括前后谐振腔片、激光增益介质、偏振相关损耗元件、双折射晶体，其中在双折射晶体之前或之后设置一个或一个以上不同材料的双折射晶体，与偏振相关损耗元件和双折射晶体一起构成波长选择器，采用以上技术，选择双折射晶体厚度，使得V1＝V2即可以构成宽温性能的单纵模输出激光器。

Description

单纵模微片激光器

技术领域  本发明涉及激光器领域，尤其涉及一种单纵模微片激光器。

背景技术  在激光腔设计中一种称为Lyot滤波器可用以选择激光腔中的纵模，其激光器的结构如图1所示：激光器两端为前后谐振腔片1、5，中间依序分别设置有激光增益介质2、布儒斯特片9和双折射晶体6。其中布儒斯特片9表面对P分量全透，对S分量部分反射；双折射晶体6的光轴与布儒斯特片9主光平面形成夹角；双折射晶体6对于不同波长的光相当于不同的波片，其o与e光位相差为： $\mathrm{\δ}(\mathrm{\λ},L,T)=\frac{2\mathrm{\π}(n_o-n_e)L}{\mathrm{\λ}}$

其中δ为o光与e光位相差，λ为波长，L为双折射晶体6厚度，n_o、n_e分别为o光与e光折射率，T为温度参数。

由于布儒斯特片9对P分量与S分量损耗不一样，双折射晶体6对不同波长的光旋转角也不一样，因此在激光器腔内形成标准具中，布儒斯特片9与双折射晶体6构成波长选择器，只有双折射晶体6为其半波片或全波片的光，才能形成振荡输出。设激光增益带宽为Δλ，其两端波长为λ₁、λ₂，则 $|\frac{2\mathrm{\&pi;}(n_o-n_e)L}{{\mathrm{\&lambda;}}_1}-\frac{2\mathrm{\&pi;}(n_o-n_e)L}{{\mathrm{\&lambda;}}_2}|<\mathrm{\&pi;}$ 时，则可能形成单纵模输出。其中布儒斯特片9亦可为其他偏振相关损耗结构。

在申请号：200710009276.6的“一种单纵模微片激光器”专利申请和申请号：200420026386.5的“微片式单频激光器”专利申请中，分别采用由两个或两个以上楔角片构成的偏振相关损耗元件、walk-off晶体来代替布儒斯特片9，与双折射晶体6构成波长选择器，从而可构成平平腔结构的单纵模微片激光器，其结构分别如图2、图4所示，图2中，一对前腔片1和后腔片5，前腔片1与后腔片5之间设置有激光增益介质2、偏振相关损耗元件3和倍频晶体4，其中偏振相关损耗元件3由两个或两个以上楔角片31、32……构成，偏振相关损耗元件3输出的o光与e光通过楔角片31、32……形成夹角；图4中，一对前腔片1和后腔片5，前腔片1与后腔片5之间设置有激光增益介质2、偏振相关损耗元件3和倍频晶体4，其中偏振相关损耗元件3由walk-off晶体构成。

但是在以上所有结构单纵模激光器中，由于偏振相关损耗元件3与双折射晶体6构成波长选择器，使得只有双折射晶体6为其半波片或全波片的光才能形成振荡输出，即当光通过双折射晶体6后o光与e光位相差为 $\mathrm{\&delta;}(\mathrm{\&lambda;},L,T)=\frac{2\mathrm{\&pi;}(n_o-n_e)L}{\mathrm{\&lambda;}}=\mathrm{k\&pi;}$ 时才能形成振荡输出，其中δ为o光与e光位相差，λ为波长，L为双折射晶体6的厚度，n_o、n_e分别为双折射晶体6中o光与e光折射率，T为温度参数，k为整数。

因此当温度变化时，在激光增益介质2的增益带宽内，双折射晶体6所选择的振荡光波长随温度将有一变化速度V1， $V1=\frac{\mathrm{\&lambda;}}{(n_o-n_e)L}\&times;\frac{d\left[(n_o-n_e)L\right]}{\mathrm{dT}},$ 而同时整个振荡腔形成的纵模波长随温度也有一变化速度V2， $V2=\frac{\mathrm{\&lambda;}}{\underset{i}{\mathrm{\&Sigma;}}{n}_i{l}_i}\&times;\frac{d\left(\underset{i}{\mathrm{\&Sigma;}}{n}_i{l}_i\right)}{\mathrm{dT}},i=\mathrm{1,2,3}\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,$ 其中n_il_i为振荡腔中各光学元件的光程。

当V1≠V2时，随着温度的变化，双折射晶体6为其半波片或全波片的光的波长可能与整个振荡腔形成的纵模波长相偏离，从而大大增加了起振纵模的损耗，造成出光功率随温度变化时有较强的起伏，其振荡光功率随温度变化曲线可见图3所示，在某些温度点，由于损耗过大，甚至无法产生振荡。

发明内容  本发明的目的是采用一种补偿措施以形成功率不随温度变化而变化，输出稳定的单纵模激光器。

本发明达到以上目的，所采用的技术方案是：单纵模微片激光器包括前后谐振腔片、激光增益介质、偏振相关损耗元件、双折射晶体，其中在双折射晶体之前或之后设置一个或一个以上不同材料的双折射晶体，与偏振相关损耗元件和双折射晶体一起构成波长选择器，如此，振荡光波长随温度变化速度V1， $V1=\frac{\mathrm{\&lambda;}}{\underset{j}{\mathrm{\&Sigma;}}{(n_o-n_e)}_j{l}_j}\&times;\frac{d\left[\underset{j}{\mathrm{\&Sigma;}}{(n_o-n_e)}_j{l}_j\right]}{\mathrm{dT}},j=\mathrm{1,2,3}\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;$ 其中(n_o-n_e)_il_i为振荡光通过振荡腔内各双折射晶体时o光与e光的位相差，选择各双折射晶体的厚度，使得V1＝V2。

上述的一个或一个以上不同材料的双折射晶体为单独的双折射光学元件或倍频晶体。

上述的双折射晶体采用Type II型相位匹配的倍频晶体时，可在腔内设置波片，该波片相对基波为全波片、倍频光为1/2波片，调节波片光轴，使输出倍频光与偏振相关损耗元件呈o光或e光输出。

上述的偏振相关损耗元件为楔角片、两个或两个以上楔角片组、walk-off晶体、布儒斯特片、PBS棱镜或镀不同反射率的PBS膜片。

上述的偏振相关损耗元件由两个或两个以上楔角片组、walk-off晶体组成时，激光增益介质、偏振相关损耗元件和双折射晶体之间可由光胶、胶合或深化光胶粘接。

本发明采用以上技术，这样所有双折射晶体共同选择的振荡光的波长与整个振荡腔形成的纵模波长在温度变化时将不产生偏离，因此可形成功率随温度变化稳定的单纵模基波或谐波激光器。本发明可以应用于产生基波输出激光器，亦可用于产生倍频光器件。

附图说明  以下结合附图对本发明做进一步描述：

图1是常见单纵模微片激光器的结构示意图；

图2是现有单纵模微片激光器之二的结构示意图；

图3是现有单纵模微片激光器之二的功率随温度变化曲线图；

图4是现有单纵模微片激光器之三的结构示意图；

图5是本发明微片激光器实施例之一的结构示意图；

图6是本发明微片激光器实施例之二的结构示意图；

图7是本发明微片激光器实施例之三的结构示意图；

图8是本发明微片激光器实施例之四的结构示意图；

图9是本发明微片激光器实施例之五的结构示意图。

具体实施方式  请参阅5或6所示，本发明包括前后谐振腔片1、5、激光增益介质2、偏振相关损耗元件3、双折射晶体6，偏振相关损耗元件3可以选用布儒斯特片9，其表面对P分量全透，对S分量部分反射；其中在双折射晶体6之前或之后设置一个或一个以上不同材料的双折射晶体7，该双折射晶体7为单独的双折射光学元件或倍频晶体4，与偏振相关损耗元件3和双折射晶体6一起构成波长选择器，双折射晶体6和双折射晶体7或倍频晶体4的光轴与布儒斯特片9主光平面形成夹角。如此，振荡光波长随温度变化速度V1， $V1=\frac{\mathrm{\&lambda;}}{\underset{j}{\mathrm{\&Sigma;}}{(n_o-n_e)}_j{l}_j}\&times;\frac{d\left[\underset{j}{\mathrm{\&Sigma;}}{(n_o-n_e)}_j{l}_j\right]}{\mathrm{dT}},j=\mathrm{1,2,3}\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;$ 其中(n_o-n_e)_il_i为振荡光通过振荡腔内各双折射晶体6、7或倍频晶体4时o光与e光的位相差，选择各双折射晶体6、7或倍频晶体4的厚度，使得V1＝V2。

如图5所示，当激光增益介质2为Nd:YVO4，双折射晶体6为纯YVO4，双折射晶体7为金红石(TiO2)或LiNbO3，前腔片1和后腔片5通光面光轴投影成45°时，双折射晶体6和双折射晶体7同时作为Lyot滤波器中双折射晶体厚波片，此时双折射晶体6和双折射晶体7与偏振相关损耗元件3构成滤波带宽超过Nd:YVO4增益带宽，并且双折射晶体6和双折射晶体7所选择的振荡光波长随温度变化速度V1与整个振荡腔形成的纵模波长随温度变化速度V2相等，即可获得宽温性能的单纵模激光器。

又如图6所示，当激光增益介质2为Nd:YVO4，双折射晶体6为纯YVO4，倍频晶体4为Type II类相位匹配倍频晶体KTP，前腔片1和后腔片5通光面光轴投影成45°时，双折射晶体6和倍频晶体4同时作为Lyot滤波器中双折射晶体厚波片，此时双折射晶体6和倍频晶体4与偏振相关损耗元件3构成滤波带宽超过Nd:YVO4增益带宽，且双折射晶体6和倍频晶体4所选择的振荡光波长随温度变化速度V1与整个振荡腔形成的纵模波长随温度变化速度V2相等，也可获得宽温性能的单纵模激光器。

又请参阅7或8所示，本发明微片式激光器包括：前后谐振腔片1、5，、激光增益介质2、偏振相关损耗元件3、双折射晶体6和双折射晶体7或倍频晶体4，偏振相关损耗元件3为楔角片、两个或两个以上楔角片组、walk-off晶体、布儒斯特片、PBS棱镜或镀不同反射率的PBS膜片，这里偏振相关损耗元件3由两个或两个以上楔角片31、32、……构成，偏振相关损耗元件3输出的o光与e光通过楔角片31、32、……形成夹角。

如图7所示，当激光增益介质2为Nd:YVO4，偏振相关损耗元件3为偏振损耗相关的楔角片31、32，双折射晶体6为纯YVO4，双折射晶体7为金红石(TiO2)或LiNbO3，前后谐振腔片1、5通光面的光轴投影成45°时，双折射晶体6和双折射晶体7同时作为Lyot滤波器中双折射晶体厚波片，此时双折射晶体6和双折射晶体7与偏振相关损耗元件3构成滤波带宽超过Nd:YVO4增益带宽，且双折射晶体6和双折射晶体7所选择的振荡光波长随温度变化速度V1与整个振荡腔形成的纵模格子随温度变化速度V2相等，即可获得宽温性能的单纵模激光器。

又如图8所示，当激光增益介质2为Nd:YVO4，偏振相关损耗元件3为偏振损耗相关的楔角片31、32，双折射晶体6为纯YVO4，倍频晶体4为TypeII类相位匹配倍频晶体KTP，前后谐振腔片1、5通光面的光轴投影成45°时，双折射晶体6和倍频晶体4同时作为Lyot滤滤器中双折射晶体厚波片，此时双折射晶体6和倍频晶体4与偏振相关损耗元件3构成滤波带宽超过Nd:YVO4增益带宽，且双折射晶体6和倍频晶体4所选择的振荡光波长随温度变化速度V1与整个振荡腔形成的纵模波长随温度变化速度V2相等，也可获得宽温性能的单纵模激光器。

再请参阅9所示，当微片式激光器中倍频晶体4为Type II型相位匹配KTP时，可在倍频晶体和偏振相关损耗元件3之间插入相对基波为全波片、相对倍频光为1/2波片8，其通光面上的光轴与激光增益介质2和倍频晶体4的光轴呈22.5°或67.5°，调节波片8光轴，这样倍频晶体4产生倍频光相对偏振相关损耗元件3为o光或e光输出，防止倍频光被分裂成有夹角的两束光输出偏振相关损耗元件3。

上述的偏振相关损耗元件3由两个或两个以上楔角片组、walk-off晶体组成时，激光增益介质2、偏振相关损耗元件3、双折射晶体6和双折射晶体7或或倍频晶体4之间可由光胶、胶合或深化光胶粘接，构成微片式激光器。

Claims (6)

1.一种单纵模微片激光器，包括前后谐振腔片、激光增益介质、偏振相关损耗元件、双折射晶体，其中在双折射晶体之前或之后设置一个或一个以上不同材料的双折射晶体，与偏振相关损耗元件和双折射晶体一起构成波长选择器，如此，振荡光波长随温度变化速度V1， $V1=\frac{\mathrm{\&lambda;}}{\underset{j}{\mathrm{\&Sigma;}}{(n_o-n_e)}_j{l}_j}\&times;\frac{d\left[\underset{j}{\mathrm{\&Sigma;}}{(n_o-n_e)}_j{l}_j\right]}{\mathrm{dT}},j=\mathrm{1,2,3}\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;$ 其中(n_o-n_e)_jl_j为振荡光通过振荡腔内各双折射晶体时o光与e光的位相差，选择各双折射晶体的厚度，使得V1＝V2。

2.根据权利要求1所述的一种单纵模微片激光器，其特征在于：上述的一个或一个以上不同材料的双折射晶体为单独的双折射光学元件或倍频晶体。

3.根据权利要求1或2所述的一种单纵模微片激光器，其特征在于：其双折射晶体采用Type II型相位匹配的倍频晶体时，可在腔内设置波片，该波片相对基波为全波片、倍频光为1/2波片，调节波片光轴，使输出倍频光与偏振相关损耗元件呈o光或e光输出。

4.根据权利要求3所述的一种单纵模微片激光器，其特征在于：其波片的通光面上的光轴与激光增益介质和倍频晶体的光轴呈22.5°或67.5°。

5.根据权利要求1所述的一种单纵模微片激光器，其特征在于：其偏振相关损耗元件为楔角片、两个或两个以上楔角片组、walk-off晶体、布儒斯特片、PBS棱镜或镀不同反射率的PBS膜片。

6.根据权利要求1或5所述的一种单纵模微片激光器，其特征在于：其偏振相关损耗元件由两个或两个以上楔角片组、walk-off晶体组成时，激光增益介质、偏振相关损耗元件和双折射晶体之间可由光胶、胶合或深化光胶粘接。

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