CN101304153B - 一种宽温度工作范围半导体泵浦的单纵模倍频激光器 - Google Patents
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Abstract
一种宽工作范围半导体泵浦的单纵模倍频激光器，其包括泵浦源，激光增益介质和谐振腔，所述谐振腔为由前、后腔镜，低级次波片及偏振起偏器构成的扭摆模腔，其特征在于：所述低级次波片由光轴相互垂直的倍频晶体构成。本发明利用扭摆模腔结构实现微片式腔内倍频单纵模输出：使光轴相互垂直的倍频晶体成为零级全波片、二分之一波片或其它低级次波片，所述低级次波片设在两片四分之一波片之间或之外，这样就不影响四分之一波片消除增益介质的空间烧孔效应，又由于低级次波片温度带宽较宽，从而实现宽温度范围单纵模倍频输出。
Description
技术领域
本发明涉及一种激光器，尤指半导体泵浦具有宽温度带宽的单纵模激光器。
背景技术
自1985年国际上首次报道了LD泵浦单频Nd:YAG激光器以来，其应用领域不断拓宽，已广泛应用于光谱分析、光学储存、相干通信、彩色显示、激光雷达、光学测量、引力波探测、医疗、二次谐波产生、参量振荡及压缩态光场产生等领域。二十多年来，人们研究了许多方式使激光器单纵模输出，已有环型腔、扭摆模腔、短程吸收、双折射滤波片、薄片腔等。其中扭摆模腔法是基于消除激光增益介质空间烧孔效应的方法，其适用于各向同性的增益介质。下面结合图1a、1b重点介绍扭摆模腔法的原理及结构。
如图1a所示，沿激光泵浦方向依次设置有前腔镜101A、四分之一波片102A、激光增益介质103A、四分之一波片104A、偏振起偏器105A、后腔镜106A，其中四分之一波片102A、104A快轴相互垂直并与起偏器105A起偏方向成45°分布，激光增益介质103A为Nd:YAG晶体。激光器工作时，从LD发出线偏振光经过四分之一波片102A后转变成圆偏振光，圆偏振光通过四分之一波片104A后变成线偏光，经后腔镜106A反射后再次经过四分之一波片104A，线偏振光又变成圆偏振光，增益介质103A内正、反两方向的圆偏振光叠加，其光强I＝4E2COS2(wt-k1)，可知在增益介质103A内光强与Z无关，其能量均匀分布，因而消除了增益介质103A的空间烧孔效应，激光器可以单纵模运转。
如图1b所示，该扭摆模腔为V型腔结构，亦为图1a改进结构。该扭摆模腔由一条主光路和一条支光路构成，沿激光泵浦方向的主光路依次设置有四分之一波片102B、激光增益介质103B、标准具107B及倾斜的后腔镜106B，其中激光增益介质103B为Nd:YAG晶体，前腔镜101B以镀膜的方式设在四分之一波片102B的前端面；沿后腔镜106B反射光传播方向的支光路上设有由倍频晶体KTP及起偏器复合而成的复合块104B，利用对KTP的温控使它对基频光起四分之一波片作用。采用V型腔结构是为了提高输出光的功率。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：根据上述扭摆模腔法设计一种宽温度工作范围半导体泵浦的单纵模倍频激光器，其工作的温度带宽宽，且结构简单。
本发明的技术方案是：一种宽温度工作范围半导体泵浦的单纵模倍频激光器，其包括泵浦源，激光增益介质和谐振腔，所述谐振腔为由前、后腔镜，低级次波片及偏振起偏器构成的扭摆模腔，所述低级次波片由光轴相互垂直的倍频晶体构成。
进一步，所述的倍频晶体为两片，且该两片倍频晶体的厚度相等。
进一步，所述的倍频晶体为两片，且该两片倍频晶体的厚度差为低级二分之一波片或全波片。
进一步，所述的偏振起偏器为双折射晶体楔角对。
进一步，所述的低级次波片的光轴相互垂直，且与起偏器偏振方向呈45°夹角。
进一步，所述的激光增益介质为各向同性均匀介质。
进一步，所述的激光增益介质为通光面上两光轴折射率差为零的双折射晶体。
进一步，所述的双折射晶体为单片倍频晶体，由温度控制使之成为二分之一波片或全波片。
进一步，所述的起偏器与后腔镜之间设有光轴相互垂直的II类倍频晶体。
进一步，所述的起偏器的出射端设有选频器，其对起振波长相当于四分之一波片、二分之一波片或全波片。
进一步，所述的激光腔中设对起振波长透射、对其它竞争波长产生部分损耗的介质膜，激光腔中还设含有光学标准具的光学元件。
本发明的有益效果是：本发明利用扭摆模腔结构实现微片式腔内倍频单纵模输出，使光轴相互垂直的倍频晶体成为零级全波片、二分之一波片或其它低级次波片，所述低级次波片设在两片四分之一波片之间或之外，这样就不影响四分之一波片消除增益介质的空间烧孔效应，又由于低级次波片温度带宽较宽，从而实现宽温度范围单纵模倍频输出。
附图说明
图1a为本发明所采用扭摆模腔结构原理图；
图1b为图1a所示扭摆模腔改进结构原理图；
图2a为本发明第一实施例激光腔结构示意图；
图2b为本发明第二实施例激光腔结构示意图；
图2c为本发明第三实施例激光腔结构示意图；
图2d为本发明第四实施例激光腔结构示意图；
图3为本发明第五实施例激光腔结构示意图；
图4a为本发明第六实施例激光腔结构示意图；
图4b为本发明第七实施例激光腔结构示意图；
图4c为本发明第八实施例激光腔结构示意图。
具体实施方式
本发明宽温度工作范围半导体泵浦的单纵模倍频激光器包括泵浦源、激光增益介质和谐振腔，其中泵浦源为激光二极管即半导体泵浦源，激光增益介质为Nd:YAG或类似各向同性介质。
如图2a所示，前腔镜以镀膜的方式设在四分之一波片201a的左端面。激光增益介质202a可以为各向同性均匀介质，如Nd:YAG，亦可以为通光面上两光轴(o光、e光)折射率差为零的双折射晶体增益介质。
如图2b所示，与第一实施例相比较不同的是，波片201b、204b均为倍频晶体，其光轴相互垂直，该两倍频晶体构成低级二分之一波片或全波片，即倍频晶体取代图2a中的四分之一波片201a。前、后腔镜分别以镀膜的方式设在四分之一波片201b的左端面和起偏器206b的右端面。
如图2c所示，与第一实施例相比较不同的是，与起偏器206c光轴平行或垂直的单片I类倍频晶体207c设在起偏器206c的出射端。前、后腔镜分别以镀膜的方式设在四分之一波片201c的左端面和I类倍频晶体207c的右端面。
如图2d所示，与第一实施例相比较不同的是，起偏器206d与后腔镜之间设有光轴相互垂直的II类倍频晶体203d、204d，此II类倍频晶体203d、204d构成低级二分之一波片或全波片，其光轴与起偏器偏振方向呈一夹角，该夹角为45°±3°，最佳值为45°。若采用单片II类倍频晶体亦可实现单纵模输出。前、后腔镜分别以镀膜的方式设在四分之一波片201d的左端面和II类倍频晶体204d的右端面。
图2a、2c、2d中，两光轴(o光、e光)相互垂直的双折射晶体205a、205c、205d亦可以为单片倍频晶体，由温度控制使之成为二分之一波片或全波片。
图2a～2d中，低级次波片采用两片光轴相互垂直的倍频晶体主要是为获得宽温度的工作范围，因此该低级次波片亦可以由一片倍频晶体与其它种类的双折射晶体构成温度补偿宽温度范围工作的复合波片。
本发明不仅适用于均匀增益介质，如Nd:YAG；亦适用于通光面上两光轴折射率相同的双折射晶体激光增益介质，此激光增益介质即可保证双折射晶体通光面上两光轴折射率差值为零，亦即等效为均匀增益介质。
如图3所示，前、后腔镜分别以镀膜的方式设在倍频晶体301的左端面和起偏器304的右端面，采用温控方式使倍频晶体301成为四分之一波片。激光增益介质302设在倍频晶体301与四分之一波片303之间，其中倍频晶体301与四分之一波片303的光轴在通光面上相互平行或垂直。
激光增益介质经常有几个增益相近的波长相互竞争，如Nd:YAG中存在波长为1.064μm和1.061μm的单纵模相互竞争，因此每次开机有可能出现波长为1.061μm的单纵模，使激光器输出波长有不确定性。如图4a所示，起偏器406a的出射端设有厚波片407a，其对起振波长相当于四分之一波片、二分之一波片或全波片，但对其它相近竞争波长则为非四分之一波片、非二分之一波片或非全波片，该厚波片407a将使竞争波长在起偏器一侧产生另一偏振分量的损耗。本实施例中四分之一波片401、405，激光增益介质402，光轴相互垂直的倍频晶体403和起偏器406与其它实施例的相同。因此本发明所述激光器仍可实现宽温度范围单纵模倍频光输出。
如图4b所示，与第六实施例不同的是在激光腔中设对起振波长透射、对其它竞争波长产生部分损耗的介质膜S1，该介质膜S1可以单独设在光学元件407B的斜面上，亦可以设在起偏器406的斜面上，其中407B为带楔角斜面的光学元件。
如图4c所示，与第六实施例不同的是在激光腔中设含有光学标准具的光学元件407C，它可以是一个独立的光学元件，亦可以设在起偏器406的倾角斜面上。
本发明可以采用微片式激光腔结构即各光学元件通过粘合、光胶或深化光胶制成微片式激光腔；激光腔各光学元件亦可以为分立式光学元件。此外本发明不采用倍频晶体则可制得微片式单频基波输出的激光器。
综上所述，本发明利用扭摆模腔结构实现微片式腔内倍频单纵模输出：使光轴相互垂直的倍频晶体成为零级全波片、二分之一波片或其它低级次波片；或都使光轴相互垂直的倍频晶体成为低级次的四分之一波片，从而成为扭摆模腔的四分之一波片，所述低级次波片设在两片四分之一波片之间或之外，这样就不影响四分之一波片消除增益介质的空间烧孔效应，又由于低级次波片温度带宽较宽，从而实现宽温度范围单纵模倍频输出。
Claims (9)
1.一种宽温度工作范围半导体泵浦的单纵模倍频激光器，其包括泵浦源，激光增益介质和谐振腔，所述谐振腔为由前、后腔镜，低级次波片及偏振起偏器构成的扭摆模腔，其特征在于：所述低级次波片由两片光轴相互垂直的倍频晶体构成，所述低级次波片成为扭摆模腔的四分之一波片。
2.根据权利要求1所述的宽温度工作范围半导体泵浦的单纵模倍频激光器，其特征在于：所述两片倍频晶体的厚度相等。
3.根据权利要求1所述的宽温度工作范围半导体泵浦的单纵模倍频激光器，其特征在于：所述两片倍频晶体的厚度差为低级二分之一波片或全波片。
4.根据权利要求1所述的宽温度工作范围半导体泵浦的单纵模倍频激光器，其特征在于：所述偏振起偏器为双折射晶体楔角对。
5.根据权利要求1所述的宽温度工作范围半导体泵浦的单纵模倍频激光器，其特征在于：所述激光增益介质为各向同性均匀介质。
6.根据权利要求1所述的宽温度工作范围半导体泵浦的单纵模倍频激光器，其特征在于：所述激光增益介质为通光面上两光轴折射率差为零的双折射晶体。
7.根据权利要求6所述的宽温度工作范围半导体泵浦的单纵模倍频激光器，其特征在于：所述双折射晶体为单片倍频晶体，由温度控制使之成为二分之一波片或全波片。
8.根据权利要求1所述的宽温度工作范围半导体泵浦的单纵模倍频激光器，其特征在于：起偏器的出射端设有选频器，其对起振波长相当于四分之一波片、二分之一波片或全波片。
9.根据权利要求1所述的宽温度工作范围半导体泵浦的单纵模倍频激光器，其特征在于：激光腔中设对起振波长透射、对其它竞争波长产生部分损耗的介质膜，激光腔中还设含有光学标准具的光学元件。
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