CN101794963A - 一种相干合成的扭转模单纵模激光器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种相干合成的扭转模单纵模激光器，全反射腔镜1、固体激光晶体3、50％分束镜和输出耦合镜组成第一支路振荡器，固体激光晶体3上设有泵浦源4；全反射腔镜1a、固体激光晶体3a、50％分束镜和输出耦合镜组成第二支路振荡器，固体激光晶体3a上设有泵浦源4a；其特征在于全反射腔镜1与固体激光晶体3之间设有四分之一波片2，固体激光晶体3与分束镜之间设有四分之一波片2a，全反射腔镜1a与固体激光晶体3a之间设有四分之一波片2b，分束镜5与固体激光晶体3a之间设有四分之一波片2c，分束镜与输出耦合镜之间设有偏振器。本发明能显著提高扭转模单纵模激光器的输出功率，能提高扭转模单纵模激光器的模式稳定性。

Description

一种相干合成的扭转模单纵模激光器

技术领域

本发明涉及一种相干合成激光装置，特别是一种相干合成的扭转模单纵模激光器。

背景技术

高光束质量单纵模全固态激光器广泛应用在激光雷达、单频光参量振荡器等领域，扭转模单纵模激光器具有结构紧凑、输出功率较高的特点，但是存在以下不足：(1)单纵模激光输出功率受到固体激光晶体内的热致双折射现象的限制。扭转模单纵模激光器所选取的激光晶体，要求在激光晶体与光束传播方向垂直的截面必须为各项同性，当泵浦功率密度较大时，激光晶体内较强的热致双折射效应会破坏激光晶体内振荡激光的偏振态，从而限制单纵模激光的输出功率；(2)固体激光晶体线宽较大，相邻纵模增益相差较小，模式稳定性较差，易出现跳模现象。相邻纵模增益相差较小的理论证明如下：

以最常用的Nd:YAG激光晶体为例，晶体的展宽线型函数可以表示为：

$\tilde{g}(v,v_0)=\frac{\frac{\mathrm{\Δv}}{2\mathrm{\π}}}{{(v-v_0)}^2+{\left(\frac{\mathrm{\Δv}}{2\mathrm{\π}}\right)}^2}---\left(1\right)$

式中，v₀为中心频率，Δv为发射谱线线宽，Nd:YAG晶体的发射谱线线宽为120GHz。根据(1)式，在Nd:YAG晶体的发射谱线上，大于0.99倍峰值增益的频率宽度为12GHz；对于腔长为10cm的短腔，相邻纵模频率间隔为1.5GHz，在大于0.99倍峰值增益的频率宽度内，纵模数量将为8个；对于谱线宽度为1200GHz的Yb:YAG激光晶体，这种现象更为严重，其大于0.9999倍峰值增益的增益宽度为12GHz，对于腔长为10cm的短腔，在大于0.9999倍峰值增益的增益宽度内，激光纵模数量将达到8个。

多光束相干合成基本原理为：控制N束激光的位相、频率和偏振方向，使N束高光束质量激光束成为相干光束，合成后可使激光功率提高N倍，亮度提高N²倍。维纳-迈克尔孙腔相干合成技术具有结构简单、单路激光输出、光斑无旁瓣、能改善激光光束质量以及能实现多路激光相干合成等优点。在文献Applied Physics B，2002，75，503中，D.Sabourdy等利用维纳-迈克尔孙腔相干合成技术实现双路Nd:YAG激光的相干合成，并获得93％的相干合成效率。

发明内容

本发明的目的就是提供一种输出功率高、纵模模式稳定性好的相干合成的扭转模单纵模激光器。

本发明可以通过如下方式实现：全反射腔镜1、固体激光晶体3、50％分束镜5和输出耦合镜7组成双路维纳-迈克耳孙腔相干合成激光器的第一支路振荡器，固体激光晶体3上设有泵浦源4；全反射腔镜1a、固体激光晶体3a、50％分束镜5和输出耦合镜7组成第二支路振荡器，固体激光晶体3a上设有泵浦源4a；所述的全反射腔镜1与固体激光晶体3之间设有四分之一波片2，固体激光晶体3与分束镜5之间设有四分之一波片2a，全反射腔镜1a与固体激光晶体3a之间设有四分之一波片2b，分束镜5与固体激光晶体3a之间设有四分之一波片2c，分束镜5与输出耦合镜7之间设有偏振器6。

所述的50％分束镜5与四分之一波片2c之间设有45°全反射镜8。

所述的偏振器6与输出耦合镜7之间设有Q开关9，Q开关9是被动调Q开关或声光调Q开关、电光调Q开关。

所述的固体激光晶体3、3a是Nd:YAG或Yb:YAG、Nd:GdVO₄、Nd:YLF、Tm:YAG。

所述的分束镜5一面镀45°增透膜，另一面镀45°、50％反射膜。

所述的偏振器6是薄膜偏振片或偏振分光棱镜。

所述的泵浦源4、4a发射的泵浦光从固体激光晶体3、3a侧面或端面耦合进入固体激光晶体3、3a。

本发明根据扭转模单纵模激光器与维纳-迈克尔孙腔各自的特点，将维纳-迈克尔孙腔相干合成技术与扭转模单纵模激光器技术有机的结合，优点主要体现在：

1、能显著提高扭转模单纵模激光器的输出功率。由于扭转模技术可以消除激光晶体内的空间烧空效应，在模式竞争效应下，维纳-迈克尔孙腔内各支路内，只有漏光损耗最小、净增益最大的单一激光纵模振荡并合成，与单路扭转模单纵模激光器相比较，两路单纵模激光相干合成，可使激光输出功率获得成倍的提高。

2、能提高扭转模单纵模激光器的模式稳定性。由于维纳-迈克尔孙腔能使不同纵模间的净增益差值，远远大于展宽线型函数所引起的纵模间的增益差值。因此，两者结合能显著提高单纵模激光的模式稳定性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为维纳-迈克尔孙腔激光器的原理图。

图3为双路维纳-迈克尔孙腔净增益GM随纵模频率变化的示意图。

图4为本发明的一个实施例。

图5为本发明相干合成的脉冲扭转模单纵模激光器的结构示意图。

在图中：全反射腔镜1，全反射腔镜1a；四分之一波片2，四分之一波片2a，四分之一波片2b，四分之一波片2c；固体激光晶体3，固体激光晶体3a；泵浦源4，泵浦源4a；分束镜5，偏振器6，输出耦合镜7，45°全反射镜8，Q开关9。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明作进一步的描述，但其不代表为本发明的唯一实施方式。

实施例一

请阅图1，全反射腔镜1、固体激光晶体3、50％分束镜5和输出耦合镜7组成双路维纳-迈克耳孙腔相干合成激光器的第一支路振荡器，固体激光晶体3上安装有泵浦源4；全反射腔镜1a、固体激光晶体3a、50％分束镜5和输出耦合镜7组成双路维纳-迈克耳孙腔相干合成激光器第二支路振荡器；分束镜5一面镀45°增透膜，另一面镀45°、50％反射膜，固体激光晶体3a上安装有泵浦源4a，泵浦源4、4a发射的泵浦光从固体激光晶体3、3a侧面或者端面耦合进入固体激光晶体3、3a；全反射腔镜1与固体激光晶体3之间安装有四分之一波片2，固体激光晶体3与分束镜5之间安装有四分之一波片2a，全反射腔镜1a与固体激光晶体3a之间安装有四分之一波片2b，分束镜5与固体激光晶体3a之间安装有四分之一波片2c，分束镜5与输出耦合镜7之间安装有偏振器6。偏振器6是薄膜偏振片或偏振分光棱镜。固体激光晶体3、3a是Nd:YAG或者是Yb:YAG、Nd:GdVO₄、Nd:YLF、Tm:YAG。

本发明的激光器运行时，激光谐振腔内安装的四片四分之一波片和偏振器6消除了激光晶体内的空间烧孔效应，在纵模模式竞争效应下，两支路内只有漏光损耗最小、净增益最大的单一纵模在腔内振荡，两支路内激光合成后，输出单纵模激光，激光输出功率为两支路激光功率之和，与单路扭转模单纵模激光相比，激光功率可以得到显著提高；同时由于维纳-迈克耳孙腔能使相邻激光纵模净增益差显著提高，该差值远大于展宽线型函数所引起的相邻纵模的增益差，从而激光器纵模模式稳定性也能得到显著提高。

维纳-迈克耳孙腔能使相邻激光纵模净增益差显著提高的理论依据：请阅图2，全反镜M1、50％分束镜BS、增益晶体G1以及输出耦合镜Mc组成双路维纳-迈克尔孙腔相干合成激光器的一支路振荡腔，其长度为L1+Lc；全反镜M2、50％分束镜BS、增益晶体G2以及输出耦合镜Mc组成另一支路振荡腔，其腔长为L2+Lc。利用两支路振荡腔内的光束在50％分束镜BS上发生的干涉作用，自发锁定腔内增益高、漏光损耗低的纵模振荡频率，实现两支路激光束的相干合成。根据文献Applied Physics B，2002，75，503的理论，当忽略激光晶体的展宽线型函数所引起的纵模间的增益差值时，维纳-迈克尔孙腔的分束片BS上的漏光损耗β_M和净增益G_M分别表示为：

式中，G₁和G₂表示两支路振荡腔内的激光晶体增益，E_i表示由输出镜入射到分束镜BS的光矢量，E_t为泄露到腔外的激光光矢量，E_r表示由BS射向输出镜Mc的激光光矢量，

为两支路振荡激光的位相差，其表达式为：

式中v为腔内激光纵模频率。从2、3、4式可以看出，增益和泄漏损耗都是激光纵模频率v的周期函数，周期大小为

图b为净增益G_M随纵模频率变化示意图；当纵模频率v₀为

的整数倍时，两支路内激光束的位相差为2π的整数倍，满足相干相长条件，这些频率的纵模在腔内净增益最大，而分束片的漏光损耗最低，它们分别为：

$G_{\mathrm{Max}}={\left(\frac{E_r}{E_i}\right)}^2=\frac{1}{4}{(\sqrt{G_1}+\sqrt{G_2})}^2---\left(5\right)$

${\mathrm{\β}}_{\mathrm{Min}}={\left(\frac{E_t}{E_i}\right)}^2=\frac{1}{4}{(\sqrt{G_1}-\sqrt{G_2})}^2---\left(6\right)$

当两支路内增益相等都为G时，β_Min＝0，而最大净增益为G_Max＝G。激光振荡时，漏光损耗低、净增益高的激光纵模将抑制其它纵模而优先振荡，从而实现多路激光的相干合成。

下面根据(2)式，讨论图3中，完全锁定的纵模频率v₀与相邻纵模频率v₁间的净增益的相对差值。设维纳-迈克尔孙腔两支路腔长L≈50cm、两支路腔长差为ΔL＝|L₂-L₁|＝2.5cm，两支路内的增益相同，都为G。完全锁定的纵模频率v₀应满足

k为正整数；相邻纵模频率

将以上v₀和v₁的表达式代入(2)式，可得两纵模净增益差的相对值为：

${\mathrm{\ΔG}}_M=\frac{G_M\left(v_0\right)-G_M\left(v_1\right)}{G_M\left(v_0\right)}=0.5\·(1-\cos (2\mathrm{\π}\·\frac{\mathrm{\ΔL}}{L})),---\left(7\right)$

代入数值计算可得，两纵模净增益相对差值为2.4％，该差值远远大于展宽线型函数在固体激光晶体内所引起的纵模间的增益差值。

实施例二

请阅图4，具体结构是在实施例一的基础上，50％分束镜5与四分之一波片2c之间设有45°全反射镜8。

本发明的激光器运行时，激光晶体3a发射的激光束经过45°全反射镜8反射后，与激光晶体3发射的激光束在分束镜5上发生干涉，以锁定腔内净增益最大的单一激光纵模。

实施例三

请阅图5，具体结构是在实施例二的基础上，偏振器6与输出耦合镜7之间安装有Q开关9，Q开关9是被动调Q晶体或者是声光调Q开关、电光调Q开关。激光器运转时，Q开关能使激光器输出脉冲单纵模激光。

Claims (8)

1.一种相干合成的扭转模单纵模激光器，全反射腔镜(1)、固体激光晶体(3)、50％分束镜(5)和输出耦合镜(7)组成双路维纳-迈克耳孙腔相干合成激光器的第一支路振荡器，固体激光晶体(3)上设有泵浦源(4)；全反射腔镜(1a)、固体激光晶体(3a)、50％分束镜(5)和输出耦合镜(7)组成第二支路振荡器，固体激光晶体(3a)上设有泵浦源(4a)；其特征在于全反射腔镜(1)与固体激光晶体(3)之间设有四分之一波片(2)，固体激光晶体(3)与分束镜(5)之间设有四分之一波片(2a)，全反射腔镜(1a)与固体激光晶体(3a)之间设有四分之一波片(2b)，分束镜(5)与固体激光晶体(3a)之间设有四分之一波片(2c)，分束镜(5)与输出耦合镜(7)之间设有偏振器(6)。

2.根据权利要求1所述的一种相干合成的扭转模单纵模激光器，其特征在于50％分束镜(5)与四分之一波片(2c)之间设有45°全反射镜(8)。

3.根据权利要求2所述的一种相干合成的扭转模单纵模激光器，其特征在于偏振器(6)与输出耦合镜(7)之间设有Q开关(9)。

4.根据权利要求1所述的一种相干合成的扭转模单纵模激光器，其特征在于固体激光晶体(3、3a)是Nd:YAG或Yb:YAG、Nd:GdVO₄、Nd:YLF、Tm:YAG。

5.根据权利要求1所述的一种相干合成的扭转模单纵模激光器，其特征在于分束镜(5)一面镀45°增透膜，另一面镀45°、50％反射膜。

6.根据权利要求1所述的一种相干合成的扭转模单纵模激光器，其特征在于偏振器(6)是薄膜偏振片或偏振分光棱镜。

7.根据权利要求1所述的一种相干合成的扭转模单纵模激光器，其特征在于泵浦源(4、4a)发射的泵浦光从固体激光晶体(3、3a)侧面或端面耦合进入固体激光晶体(3、3a)。

8.根据权利要求3所述的一种相干合成的扭转模单纵模激光器，其特征在于Q开关(9)是被动调Q开关或声光调Q开关、电光调Q开关。

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