CN101572380B - 2.12微米锁模激光器 - Google Patents
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Abstract
2.12微米锁模激光器，包括二极管泵浦源、耦合系统、激光增益晶体、对1.06微米激光高反射的腔镜和准位相匹配晶体，所述腔镜构成激光器的激光腔，作为激光器输出端的腔镜为二向色镜；通过准位相匹配晶体和二向色镜的非线性效应，产生1.06微米锁模激光振荡，输出2.12微米锁模激光。本发明没有复杂庞大的系统，具有体积小、造价低、效率高、稳定性高、简单易行的特点，激光的转换效率达到35％；它克服了以往锁模激光器件中存在的缺点和不足，是一种新型的激光器系统。
Description
技术领域
本发明涉及锁模激光器，尤其是一种2微米波段的锁模激光器，为一种波长2.12微米的锁模激光器。
背景技术
2微米波段的全固态激光器是激光测距机、相干多普勒测风雷达、水蒸气抛面差分吸收激光雷达系统的理想光源，在医疗上也是一种很好的外科手术光源。从20世纪60年代开始，特别是大功率半导体激光器的出现，促使人们在全固态、小型化和性能稳定的2微米波段激光器方面进行研究。
由于缺乏合适的激光增益晶体，一般采用调Q的1.064微米激光泵浦光参量振荡器获得2微米激光，但是获得的激光存在重复频率小、脉冲宽度大的问题；2004年，U.Keller组用半导体可饱和吸收镜(SESAM)对Nd:YVO4的1.064微米激光实现连续锁模，再用其做光源泵浦光参量振荡器，获得了2.1 2微米锁模激光(Electron.Lett.Vol.40，No.22，2004)，但是SESAM有一个显著的缺点，那就是损伤阈值太低，为了实现稳定的锁模脉冲，需要将SESAM上的光斑设计得很小，这样就导致SESAM表面承受极高的功率密度，特别是作为光学参量振荡器OPO的泵浦光源，需要的功率比较大，SESAM在长时间工作中很容易造成损伤。
目前商品化2.12微米锁模激光是采用克尔透镜锁模和主动锁模技术，用Ti:sapphire激光器作光源，泵浦光参量振荡器，一套设备的售价超过25万美元，虽然该设备已经商业化生产，但是整个系统由高功率连续绿光激光器、Ti:sapphire激光器和光参量振荡器三部分组成，系统庞大，造价高，而且2.12微米波长只在闲置信号波段中，系统效率明显降低。
主动锁模技术、主被动锁模技术、附加脉冲锁模技术，克尔透镜锁模技术，都可以获得锁模脉冲，但是，由于这些锁模技术都只对基频光形成振荡，要获得2微米波段的锁模激光，必须要用能辐射该波长的激光晶体，如：Tm，Ho:YLF、Tm:YAG、Tm，Ho:GdVO4等，但是稀土元素Tm，Ho属准三能级，激光阈值高，而且通常需要对晶体进行温度控制，激光的转换效率比较低。
发明内容
本发明要解决的问题是：目前获得2微米波段的锁模激光设备成本高，技术条件要求高，激光转换效率较低，需要一种成本低、激光转换效率高、易于实施的2微米波段锁模激光器。
本发明的技术方案为：2.12微米锁模激光器，包括二极管泵浦源、耦合系统、激光增益晶体、对1.06微米激光高反射的腔镜和准位相匹配晶体，所述腔镜包括平面镜和平凹镜，腔镜构成激光器的激光腔，作为激光器输出端的腔镜为二向色镜；二极管泵浦源产生的光源依次经过耦合系统、激光增益晶体、准位相匹配晶体和二向色镜，通过准位相匹配晶体和二向色镜的非线性效应，产生1.06微米锁模激光振荡，由二向色镜输出2.12微米锁模激光；其中，准位相匹配晶体为光栅周期31微米的LiNbO3，二向色镜对1.06微米激光高反射并对2.12微米激光有透过率，准位相匹配晶体和二向色镜之间的距离满足使两束光之间的单程位相差是π的整数倍。
激光增益晶体包括Nd:YVO4，Nd:YAG，Nd:GdVO4，以及其它能够辐射1.06微米波长的激光晶体。
进一步的，本发明在激光增益晶体与准位相匹配晶体间设置光开关，获得调Q锁模脉冲。
本发明中的锁模激光振荡包括连续锁模激光振荡和调Q锁模激光振荡。在这两种模式下，在激光增益晶体与准位相匹配晶体间设置相位补偿片、群速度色散补偿片，用于消除相位失配和群速度色散对脉冲的展宽和变形。
上述光开关、相位补偿片和群速度色散补偿片在激光腔中的具体位置可依据实际光路进行调整。
本发明的腔镜包括一输入平面镜、一对平凹镜和二向色镜，输入平面镜和二向色镜分别为激光腔的输入端和输出端，平凹镜设置在激光增益晶体与准位相匹配晶体之间，对振荡光束进行压缩，使准位相匹配晶体中的光斑足够小。
本发明利用准位相匹配晶体在激光频率变换中的优势，实现一种新型的2微米波段锁模激光器，选择准位相匹配晶体LiNbO3进行设计，在这种锁模激光器中，准位相匹配晶体LiNbO3即是锁模器件，又是产生2.12微米激光的光源。到目前，尚未看到用准位相匹配晶体实现2.12微米锁模激光的报道。
本发明2.12微米锁模激光器，使用的激光增益晶体为当前生长技术已成熟的掺稀土离子激光晶体，光栅周期31微米的准位相匹配晶体LiNbO3已经商品化生产，针对1.06微米和2.12微米的二向色镜镀膜也是可行的，本发明没有复杂庞大的系统，具有体积小、造价低、效率高、稳定性高、简单易行的特点，激光的转换效率达到35％；它克服了以往锁模激光器件中存在的缺点和不足。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明实施例2的结构示意图。
图3为本发明实施例1的激光平均输出功率随泵浦功率的变化曲线。
图4为本发明实施例1输出的2.12微米连续锁模激光的脉冲序列图。
具体实施方式
如图1，本发明包括二极管泵浦源1、耦合系统2、输入平面镜M1、激光增益晶体3、平凹镜M2、M3、准位相匹配晶体及晶体温控炉7和二向色镜M4，二极管泵浦源1产生的光源经过耦合系统2和输入平面镜M1，泵浦激光增益晶体3，平凹镜M2、M3对光束进行压缩，准位相匹配晶体及晶体加热炉7和二向色镜M4共同作用对1.06微米激光产生非线性吸收，通过准位相匹配晶体和二向色镜的非线性效应，产生1.06微米锁模激光振荡，并由二向色镜M4输出2.12微米锁模激光；其中准位相匹配晶体为光栅周期31微米的LiNbO3。其中输入平面镜M1：镀膜HT@808纳米且HR@1.06微米；平凹镜M2、M3：镀膜HR@1.06微米；二向色镜M4：：镀膜HR@1.06微米且对2.12微米有一定的透过率。激光增益晶体包括Nd：YVO4，Nd：YAG，Nd：GdVO4，以及其它能够辐射1.06微米波长的激光晶体。
在激光增益晶体和准位相匹配晶体之间还可以设置光开关4、相位补偿片5和群速度色散补偿片6，其中的光开关4用于获得调Q锁模脉冲，相位补偿片5消除相位失配对脉冲宽度和形状的影响，群速度失配补偿片6消除群速度色散对脉冲宽度和形状的影响。
通过对光开关的选择设置，本发明中的锁模激光振荡包括连续锁模激光振荡和调Q锁模激光振荡。
实施例1：
如图1制作一台2.12微米连续锁模激光器，激光增益晶体3为Nd：YVO4，各腔镜的参数为：输入平面镜M1为对1.06微米激光高反射的平面镜；平凹镜M2为曲率半径500毫米的平凹镜；平凹镜M3为曲率半径300毫米的平凹镜；二向色镜M4为对1.06微米激光高反射的平面镜，并且对2.12微米激光的透过率为3％。激光腔总长度约1.7米，其中输入平面镜M1与平凹镜M2距离约540毫米，平凹镜M2与平凹镜M3距离约950毫米，平凹镜M3与二向色镜M4距离约190毫米。准位相匹配晶体LiNbO3的长度为20毫米，准位相匹配晶体两个通光面镀膜HT@1.06微米&2.12微米。输出连续锁模的2.12微米激光，重复频率约为90兆赫兹。图3是激光平均输出功率随泵浦功率的变化曲线，可见功率的转换效率为35％，图4是输出的2.12微米连续锁模激光的脉冲序列，脉冲振幅的涨落小于3％，说明这种激光器输出的锁模脉冲非常稳定。
实施例2：
如图2制作一台2.12微米调Q锁模激光器，包括二极管泵浦源1、耦合系统2、输入平面镜M1、激光增益晶体3、光开关4、平凹镜M2、M3、相位补偿片5、群速度失配补偿片6、准位相匹配晶体及晶体温控炉7和二向色镜M4，二极管泵浦源1产生的光源经过耦合系统2和输入平面镜M1，泵浦激光增益晶体3，由光开关4获得调Q锁模脉冲，平凹镜M2、M3对振荡光束进行压缩，相位补偿片5消除相位失配对脉冲宽度和形状的影响，群速度失配补偿片6消除群速度色散对脉冲宽度和形状的影响，准位相匹配晶体及晶体加热炉7和二向色镜M4共同作用对1.06微米激光产生非线性吸收，由二向色镜M4输出2.12微米调Q锁模激光；其中准位相匹配晶体为光栅周期31微米的LiNbO3，激光增益晶体为Nd:YVO4，光开关4的重复频率为10千赫兹，各腔镜的参数为：输入平面镜M1为对1.06微米激光高反射的平面镜；平凹镜M2为曲率半径300毫米的平凹镜；平凹镜M3为曲率半径200毫米的平凹镜；二向色镜M4为对1.06微米激光高反射的平面镜，并且对2.12微米激光的透过率为3％。激光腔总长度约750毫米，其中输入平面镜M1与平凹镜M2距离约200毫米，平凹镜M2与平凹镜M3距离约400毫米，平凹镜M3与二向色镜M4距离约150毫米。准位相匹配晶体LiNbO3的长度为20毫米，准位相匹配晶体两个通光面镀膜HT@1.06微米&2.12微米。输出的2.12微米激光的调Q重复频率10千赫兹，调Q包络里的锁模脉冲的重复频率为200兆赫兹。
按照实施例1制作2.12微米连续锁模激光器，激光增益晶体还可以是Nd:YAG或Nd:GdVO4；二向色镜对2.12微米激光的透过率还可以是别的数值，可根据实际情况进行改变；各个腔镜的曲率和激光腔的总长度可以根据实际情况进行改变，输出的2.12微米激光的重复频率由激光腔的总长度决定；准位相匹配晶体LiNbO3的长度可根据实际情况确定。
按照实施例2制作2.12微米调Q锁模激光器，激光增益晶体还可以是Nd:YAG或Nd:GdVO4；二向色镜对2.12微米激光的透过率还可以是别的数值，可根据实际情况进行改变；光开关的重复频率可根据实际要求确定；各个腔镜的曲率和激光腔的总长度可以根据实际情况进行改变，输出的2.12微米激光的调Q脉冲的重复频率由光开关的重复频率确定，调Q包络里的锁模脉冲的重复频率由激光腔的总长度决定；准位相匹配晶体LiNbO3的长度可根据实际情况确定。
Claims (9)
1.2.12微米锁模激光器，其特征是包括二极管泵浦源、耦合系统、激光增益晶体、对1.06微米激光高反射的腔镜和准位相匹配晶体，所述腔镜包括平面镜和平凹镜，腔镜构成激光器的激光腔，作为激光器输出端的腔镜为二向色镜；二极管泵浦源产生的光源依次经过耦合系统、激光增益晶体、准位相匹配晶体和二向色镜，通过准位相匹配晶体和二向色镜的非线性效应，产生1.06微米锁模激光振荡，由二向色镜输出2.12微米锁模激光；其中，准位相匹配晶体为光栅周期31微米的LiNbO3，二向色镜对1.06微米激光高反射并对2.12微米激光有透过率，准位相匹配晶体和二向色镜之间的距离满足使两束光之间的单程位相差是π的整数倍。
2.根据权利要求1所述的2.12微米锁模激光器，其特征是激光增益晶体包括Nd∶YVO4，Nd∶YAG，Nd∶GdVO4，以及其它能够辐射1.06微米波长的激光晶体。
3.根据权利要求1或2所述的2.12微米锁模激光器，其特征是在激光增益晶体与准位相匹配晶体间设置光开关。
4.根据权利要求1或2所述的2.12微米锁模激光器，其特征是在激光增益晶体与准位相匹配晶体间设置相位补偿片和群速度色散补偿片。
5.根据权利要求3所述的2.12微米锁模激光器，其特征是在激光增益晶体与准位相匹配晶体间设置相位补偿片和群速度色散补偿片。
6.根据权利要求1或2所述的2.12微米锁模激光器，其特征是所述腔镜包括一输入平面镜、一对平凹镜和二向色镜，输入平面镜和二向色镜分别为激光腔的输入端和输出端，平凹镜设置在激光增益晶体与准位相匹配晶体之间，对振荡光束进行压缩。
7.根据权利要求3所述的2.12微米锁模激光器，其特征是所述腔镜包括一输入平面镜、一对平凹镜和二向色镜，输入平面镜和二向色镜分别为激光腔的输入端和输出端，平凹镜设置在激光增益晶体与准位相匹配晶体之间，对振荡光束进行压缩。
8.根据权利要求4所述的2.12微米锁模激光器，其特征是所述腔镜包括一输入平面镜、一对平凹镜和二向色镜，输入平面镜和二向色镜分别为激光腔的输入端和输出端，平凹镜设置在激光增益晶体与准位相匹配晶体之间，对振荡光束进行压缩。
9.根据权利要求5所述的2.12微米锁模激光器，其特征是所述腔镜包括一输入平面镜、一对平凹镜和二向色镜，输入平面镜和二向色镜分别为激光腔的输入端和输出端，平凹镜设置在激光增益晶体与准位相匹配晶体之间，对振荡光束进行压缩。
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