CN101409422B - 可控多波长激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可控多波长激光器，包括激光晶体、基波谐振腔、非线性介质、非线性谐振腔，还包括偏振分束片、波长分束片、偏振控制元件、多波长耦合输出元件及控制驱动元件。本发明的技术方案，利用偏振控制元件、偏振分束片和波长分束片，能够实现基波谐振腔和非线性谐振腔之间的分时运转、可选择运转和同步运转，从而能够产生某个所需的单一波长及实现多波长波分复用。
Description
技术领域
本发明涉及激光技术领域，尤其涉及一种输出波长可控的多波长激光器。
背景技术
激光以其“单色、单向、高亮度和高相干性”的特点在国民经济的各个领域得到了广泛应用。正是由于“单色”的特点，现有激光器往往都是针对某一‘单一波长’进行设计。激光器设计中，激光工作物质的能级结构和荧光发射谱线对产生何种波长的激光起着决定性的作用，不同的激光工作物质可以产生不同波长的激光束，而现有激光器多为采用一种激光工作物质的单波长激光器。
尽管已有的激光技术中常利用介质的非线性效应来产生多波长激光束，如倍频、光参量振荡(OPO)和拉曼效应等；而且，非线性谐振腔有多种结构配置，典型的有：外腔式、内腔式和折叠腔结构；多采用平-平腔。但是，面临的问题是：一方面电光转换效率不高，能量利用率低；另一方面多波长激光束是同时产生的，无法实时调谐。因此，在时域(或时序)上，无法实施有效地控制，即无法控制产生需要的某一波长的激光束。
发明内容
本发明的目的是提供一种可控多波长激光器，以解决现有技术中多波长激光器无法实施有效控制的缺陷。
为了达到上述目的，本发明的技术方案提出一种可控多波长激光器，包括：m个激光晶体、实现光波频率转换的非线性介质、Q开关、偏振分束片和波长分束片，
所述Q开关在控制器作用下构成单刀双掷光路切换开关，在基波谐振腔之间、基波谐振腔与非线性谐振腔之间相互切换，分别控制各基波谐振腔和非线性振腔的运转，从而实现不少于n个激光波长的可控输出；
所述n个激光波长的可控输出，在可选择运转模式下，产生某个所需的单一波长；在分时运转模式下，产生多波长的分时调制输出；在同步运转模式下，同时产生多波长激光束，实现波长域调制输出；其中，m的取值为1或3，当m为1时，n为2或3；当m为3时，n为4。
上述的可控多波长激光器中，所述的非线性谐振腔利用介质的非线性效应来产生多波长激光束，所述非线性效应包括倍频、光参量振荡或拉曼效应。
上述的可控多波长激光器中，所述的‘单刀双掷’光开关，可在基波谐振腔与非线性谐振腔之间切换，分别控制基波谐振腔和非线性谐振腔的运转；同时Q开关可以是电光调制器件，也可以是声光调制器件。
上述的可控多波长激光器中，所述单刀双掷光路切换开关，将基波泵浦光路切换到非线性谐振腔，从而配置成折叠腔结构的基波泵浦腔，与非线性介质相互作用产生新的激光波长。
上述的可控多波长激光器中，还包括多波长耦合输出装置，
所述基波谐振腔，由基波全反镜及基波耦合输出镜组成，用于输出基波光束；
所述非线性谐振腔，由非线性全反镜及非线性腔耦合输出镜组成，用于输出非线性光束；
所述基波全反镜、激光晶体及非线性介质、非线性全反镜形成折叠结构的基波泵浦腔，以激励所述非线性谐振腔产生非线性光束；
所述偏振分束片对S波高反而对P波高透；所述波长分束片对所 述基波光束高反而对所述非线性光束高透；
所述Q开关，在所述控制器按照预设控制逻辑的驱动下，利用所述偏振分束片及波长分束片控制所述基波谐振腔及非线性谐振腔的运转；
所述多波长耦合输出装置，用于将所述基波光束和/或非线性光束共光路输出。
本发明的技术方案采用单一泵浦源，利用偏振控制元件、偏振分束片和波长分束片，能够实现基波谐振腔和非线性谐振腔之间的分时运转、可选择运转和同步运转，从而能够产生某个所需的单一波长及实现多波长波分复用。
附图说明
图1为本发明可控多波长激光器的实施例一结构图；
图2为本发明可控多波长激光器的实施例二结构图；
图3为本发明可控多波长激光器的实施例三结构图。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明在具体实施方式中以双波长、三波长和四波长为例来阐述多波长激光器的设计思想；同时，本发明在具体实施方式中偏振控制元件Q开关采用电光晶体，Q开关的工作方式是退压方式，非线性介质采用KGW拉曼晶体，激光器的运转模式是脉冲体制，而且拉曼谐振腔设计成一级拉曼光输出。以此为例来阐述本发明的设计思想，并不用以局限本发明。凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。以下结合附图对本发明的具体实施过程作进一步的说明。
实施例一
本发明实施例一为可控双波长拉曼激光器，如图1所示。
具体实施例中的主要元器件有：基波全反镜101(即M1)、激光晶体102(即LC)、偏振分束片103(P1)、Q开关104(Q1)，106(Q2)、基波耦合输出镜105(即M2)、拉曼腔全反镜107(M3)、拉曼介质108(RC1)、波长分束片109(DM)、拉曼腔耦合输出镜110(M4)、多波长耦合输出装置111和控制器112。
全反镜M1和基波耦合输出镜M2构成基波谐振腔，输出基波λ10，激光晶体LC选用Nd:YAG，因此基波波长为1064nm。全反镜M1镀基波高反膜和一级拉曼光λ11的增透膜；M3与M4构成λ11的拉曼谐振腔，拉曼腔全反镜M3镀基波高反膜，同时分别镀一级拉曼光λ11的高反膜和二级拉曼光增透膜，以抑制高阶拉曼光振荡；基波全反镜M1与拉曼腔全反镜M3构成基波泵浦腔，拉曼晶体为沿Np方向切割的KGW晶体，泵浦基波的偏振方向沿Nm方向，因此拉曼频频移宽度为901.5cm-1，输出的一级拉曼波长λ11为1177nm；波长分束片DM对1064nm波长高反，同时对1177nm波长高透。由此，基波泵浦腔配置为‘U’型折叠腔结构。
偏振分束片P1对S波高反，而对P波高透；同时与偏振控制元件104、106配合起光开关和调Q作用，实现光路通道的切换，为拉曼谐振腔构建其基波泵浦腔。
光路切换的原理和过程如下：
Q1与M2、Q2与M3分别构成λ/2电光开关，与偏振分束片P1配合可将光路切换到基波谐振腔或基波泵浦腔；由此可在基波谐振腔与拉曼谐振腔之间切换，分别控制基波谐振腔和拉曼谐振腔的运转。
Q1加压工作时，透过偏振分束片P1的P光经Q1和M2变成S光，再经P1调出腔外，阻止基波谐振腔的运转；Q2加压工作时，经偏振分束片P1反射的S光经Q2和M3变成P光，再经P1调出腔外，阻止基波泵浦腔的运转。
控制器按照控制逻辑驱动偏振控制元件来控制光开关的切换状态。
多波长激光束的共光路输出由多波长耦合输出装置实现。
(1)所述双波长拉曼激光器分时或选择输出基波λ10，偏振元件的控制状态如表1所示。
表1
| 偏振控制元件 | Q1 | Q2 |
| 控制端 | C0 | C1 |
| 逻辑状态 | 1→0 | 1 |
注：表1中，1→0表示偏振控制元件退压式工作，下同。
(2)所述双波长拉曼激光器分时或选择输出λ11，偏振元件的控制状态如表2所示。
表2
| 偏振控制元件 | Q1 | Q2 |
| 控制端 | C0 | C1 |
| 逻辑状态 | 1 | 1→0 |
(3)所述双波长拉曼激光器同步输出λ10、λ11，偏振元件的控制状态如表3所示。
表3
| 偏振控制元件 | Q1 | Q2 |
| 控制端 | C0 | C1 |
| 逻辑状态 | 1→0 | 1→0 |
实施例二
本发明实施例二为可控三波长拉曼激光器，如图2所示。
本实施例中的主要元器件基本与图1相同，只是增加了λ/2电光晶体213(SW)。
由于增加了λ/2电光晶体SW，可以利用拉曼晶体KGW的偏振选择性输出两个一级拉曼波长的光λ21、λ22。
基波波长仍为1064nm。拉曼腔全反镜M3镀基波高反膜，同时分别镀一级拉曼光λ21、λ22的高反膜和二级拉曼光增透膜，以抑制高阶拉曼光振荡；拉曼晶体仍为沿Np方向切割的KGW晶体，当泵浦基波的偏振方向沿Nm方向时，拉曼频频移宽度为901.5cm-1，输出的一 级拉曼波长λ21为1177nm；当泵浦基波的偏振方向沿Ng方向时，拉曼频频移宽度为767.5cm-1，输出的一级拉曼波长λ22为1159nm；波长分束片DM对1064nm波长高反，同时对1177nm和1159nm波长高透。
λ/2电光晶体213的作用就是改变基波泵浦光的偏振态，以控制拉曼腔的输出波长。
本实施例可控三波长拉曼激光器的工作原理和过程如下：
Q1加压工作时，透过偏振分束片P1的P光经Q1和M2变成S光，再经P1调出腔外，阻止基波谐振腔的运转；当Q2不工作、电光晶体213加压工作时，经偏振分束片P1反射的S光经电光晶体213变成P光。由于P光方向与Ng方向平行，这样基波泵浦光与KGW晶体的非线性作用产生λ22为1159nm的一级拉曼光；当Q2和电光晶体213都不工作时，经偏振分束片P1反射的S光经电光晶体213仍为S光。由于S光方向与Nm方向平行，这样基波泵浦光与KGW晶体的非线性作用产生λ21为1177nm的一级拉曼光。
当Q1和电光晶体213不工作，而Q2加压工作时，经偏振分束片P1反射的S光经Q2和M3变成P光，再经P1调出腔外，阻止基波泵浦腔的运转；此时，透过偏振分束片P1的P光在基波谐振腔中振荡输出基波波长λ20。
(1)所述三波长拉曼激光器分时或选择输出基波λ20，偏振元件的控制状态如表4所示。
表4
| 偏振控制元件 | Q1 | Q2 | SW |
| 控制端 | C0 | C1 | C3 |
| 逻辑状态 | 1→0 | 1 | 0 |
(2)所述三波长拉曼激光器分时或选择输出λ21，偏振元件的控制状态如表5所示。
表5
| 偏振控制元件 | Q1 | Q2 | SW |
| 控制端 | C0 | C1 | C3 |
| 逻辑状态 | 1 | 1→0 | 0 |
(3)所述三波长拉曼激光器分时或选择输出λ22，偏振元件的控制状态如表6所示。
表6
| 偏振控制元件 | Q1 | Q2 | SW |
| 控制端 | C0 | C1 | C3 |
| 逻辑状态 | 1 | 1→0 | 0→1 |
注：表5中，0→1表示偏振控制元件加压式工作
(4)所述三波长拉曼激光器同步输出双波长激光束，以λ20、λ22为例；偏振元件的控制状态如表7所示。
表7
| 偏振控制元件 | Q1 | Q2 | SW |
| 控制端 | C0 | C1 | C3 |
| 逻辑状态 | 1→0 | 1→0 | 0→1 |
实施例三
本发明实施例三为可控六波长拉曼激光器，如图3所示。
本实施例可控六波长拉曼激光器的主要元器件有：三个基波全反镜301(M1)、313(M3)、317(M4)、激光晶体302(LC1)、314(LC2)、316(LC3)、三波长分束棱镜315、LD泵浦源318、319、320及其它一些与图1实施例相同的器件。
本实施例采用三波长分束棱镜315将三个基波激光谐振腔有机的结合成一体，通过共用的三波长耦合输出镜输出可控的三基波波长激光束。从而实现各基波谐振腔之间、基波谐振腔与拉曼谐振腔之间的分时运转、可选择运转以及同步运转，在时域和波长域上对输出激光束实施有效控制。
其中，三波长分束棱镜315对一个波长λ30高透，而对另外两个波长λ31、λ32高反；三个谐振腔共用输出耦合镜M2，并以三波长分束棱镜315为中心配置成‘十’字型结构。输出耦合镜M2镀有优化了的三基波波长部分透过率膜。对于脉冲工作体制，一个Q开关位于 ‘十’字型腔的下部，为三个谐振腔共用。
波长为λ30的基波谐振腔由全反镜M1、激光晶体LC1、三波长分束棱镜315和耦合输出镜M2组成，配置成‘十’型腔中的‘|’字线型腔结构；波长为λ31的基波谐振腔由全反镜M3、激光晶体LC2、三波长分束棱镜315和耦合输出镜M2组成，配置成‘十’型腔中的 
字型折叠腔结构；波长为λ32的基波谐振腔由全反镜M4、激光晶体LC3、三波长分束棱镜315和耦合输出镜M2组成，配置成‘十’型腔中的
字型折叠腔结构。
控制驱动器按照控制逻辑驱动泵浦源和Q开关，实现各基波谐振腔之间、基波谐振腔与拉曼谐振腔之间的分时运转、可选择运转以及同步运转。
本实施例中可控三基波谐振腔的工作原理和过程如下：
各基波谐振腔之间的工作方式由控制驱动器312按照控制逻辑驱动LD泵浦源和Q开关的控制端子C0、C2、C3和C4实现。
当分时输出或选择输出波长λ30时，要求‘|’字线型谐振腔工作，而另外两个基波谐振腔不工作。此时，LD泵浦源319、320不加驱动电流，而LD泵浦源318的驱动端子C2加方波驱动电流，并以驱动端子C2上的信号延时触发Q开关304，使其闭合。‘|’字线型基波谐振腔振荡工作，输出基波波长为λ30的激光脉冲。当分时输出或选择输出波长λ31时，要求
字型折叠基波腔工作，而另外两个基波谐振腔不工作。此时，LD泵浦源318、320不加驱动电流，而LD泵浦源319的驱动端子C3加方波驱动电流，并以驱动端子C3上的信号延时触发Q开关304，使其闭合。
字型折叠基波腔振荡工作，输出波长为λ31的激光脉冲。
当分时输出或选择输出波长λ32时，要求
字型基波折叠腔工作，而另外两个基波谐振腔不工作。此时，LD泵浦源318、319不加驱动电流，而LD泵浦源320的驱动端子C4加方波驱动电流，并以驱动端子C4上的信号延时触发Q开关304，使其闭合。
字型折叠基波腔振荡工作，输出波长为λ32的激光脉冲。
基波泵浦腔与拉曼谐振腔的切换工作原理与过程与实施例一相同，此处不再加以赘述。
以上为本发明的最佳实施方式，依据本发明公开的内容，本领域的普通技术人员能够显而易见地想到一些雷同、替代方案，均应落入本发明保护的范围。
Claims (5)
1.一种可控多波长激光器，包括：m个激光晶体、实现光波频率转换的非线性介质、Q开关、偏振分束片和波长分束片，其特征在于，所述Q开关和偏振分束片在控制器作用下构成单刀双掷光路切换开关，在基波谐振腔之间、基波谐振腔与非线性谐振腔之间相互切换，分别控制各基波谐振腔和非线性振腔的运转，从而实现不少于n个激光波长的可控输出；
所述n个激光波长的可控输出，在可选择运转模式下，产生某个所需的单一波长；在分时运转模式下，产生多波长的分时调制输出；在同步运转模式下，同时产生多波长激光束，实现波长域调制输出；其中，m的取值为1或3，当m为1时，n为2或3；当m为3时，n为4。
2.如权利要求1所述的可控多波长激光器，其特征在于，所述的非线性谐振腔利用介质的非线性效应来产生多波长激光束，所述非线性效应包括倍频、光参量振荡或拉曼效应。
3.如权利要求1所述的可控多波长激光器，其特征在于，所述单刀双掷光路切换开关，可在基波谐振腔与非线性谐振腔之间切换，分别控制基波谐振腔和非线性谐振腔的运转；同时Q开关是电光调制器件或声光调制器件。
4.如权利要求1所述的可控多波长激光器，其特征在于，所述单刀双掷光路切换开关，将基波泵浦光路切换到非线性谐振腔，从而配置成折叠腔结构的基波泵浦腔，与非线性介质相互作用产生新的激光波长。
5.如权利要求1所述的可控多波长激光器，其特征在于，还包括多波长耦合输出装置，
所述基波谐振腔，由基波全反镜及基波耦合输出镜组成，用于输出基波光束；
所述非线性谐振腔，由非线性全反镜及非线性腔耦合输出镜组成，用于输出非线性光束；
所述基波全反镜、激光晶体及非线性介质、非线性全反镜形成折叠结构的基波泵浦腔，以激励所述非线性谐振腔产生非线性光束；
所述偏振分束片对S波高反而对P波高透；所述波长分束片对所述基波光束高反而对所述非线性光束高透；
所述Q开关，在所述控制器按照控制逻辑的驱动下，利用所述偏振分束片及波长分束片控制所述基波谐振腔及非线性谐振腔的运转；
所述多波长耦合输出装置，用于将所述基波光束和/或非线性光束共光路输出。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Wang Wei Inventor after: Gong Mali Inventor after: Yan Ping Inventor after: Zhang Haitao Inventor after: Huang Lei Inventor after: Liu Qiang Inventor after: Lei Ming Inventor before: Wang Wei Inventor before: Gong Mali Inventor before: Yan Ping Inventor before: Zhang Haitao Inventor before: Huang Lei Inventor before: Liu Qiang |
|
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20110330 |