CN102620915A - 全固态激光器腔内损耗的测量方法 - Google Patents

Abstract

一种全固态激光器腔内损耗的测量方法，先利用功率计测量全固态激光器的输出功率；再利用自零拍探测系统测量全固态激光器在该输出功率下的强度噪声，进而确定全固态激光器的弛豫振荡频率值；最后利用包含有激光器的输出功率和弛豫振荡频率值的腔内损耗表达式进行计算，即可得到激光器的腔内损耗值。本发明适合非注入锁定结构的全固态激光器腔内损耗的测量。

Description

全固态激光器腔内损耗的测量方法

技术领域

本发明涉及激光技术，具体是一种对激光器腔内损耗进行测量的方法，尤其适用于非注入锁定结构的全固态激光器腔内损耗的测量。

背景技术

全固态激光器因其结构紧凑，体积小巧，运转稳定等优点而被广泛应用于激光测距，激光显示，量子通讯，激光雷达等领域。而要想获得高效稳定的全固态激光器，我们必须知道激光器的腔内损耗，因为激光器的腔内损耗和激光器增益之间的关系是决定激光器运转状态的关键。

目前测量固体激光器腔内损耗最常用的方法是Findlay-Clay分析法。该方法首先测量不同输出耦合镜透射率下的泵浦阈值，再利用输出耦合镜透射率与泵浦阈值的关系，通过计算得到激光器的腔内损耗值。这种方法需要更换几组不同透射率的输出耦合镜，且需要输出耦合镜透射率的变化比较大，才能对激光器的腔内损耗进行准确测量。Findlay-Clay分析法在更换输出耦合镜透射率的时候，难免改变激光器的腔型结构，给腔内损耗的测量带来较大的误差，而且对已经调试和封装好的激光器无能为力。

另一种方法是在谐振腔内插入平板透明介质，通过调整反射损耗的方法来测算腔内损耗。这种方法为了达到调整反射损耗的目的，需要改变平板透明介质在激光谐振腔内的放置角度，这样不仅会引起激光在谐振腔内传输时的偏折，影响激光器的运转效率和运转状态，而且对于调试和封装好的激光器同样无能为力。

此外，还有一种方法是通过测量激光器输出功率和泵浦功率的关系，再利用速率方程进行数值拟合，进而确定激光器的腔内损耗。尽管这种方法可以测量调试和封装好的激光器腔内损耗，然而这种方法需要对增益介质在工作时的能级跃迁过程必须有一个全面的了解，否则测量结果的准确性和可靠性很难保证。

发明内容

为了克服现有技术存在的问题，本发明提供一种操作简单、结果准确、易于在研究和生产中实施的全固态激光器腔内损耗的测量方法。

本发明的发明原理为：激光器的腔内损耗作为激光器噪声来源的一种会激发弛豫振荡，而且腔内损耗的大小直接决定着激光器输出功率的大小，因此激光器的弛豫振荡频率和腔内损耗以及输出功率均有一定的关系。而在实验中，我们容易测量激光器的输出功率和弛豫振荡频率，利用实验测量到的激光器输出功率和弛豫振荡频率值即可计算出激光器的腔内损耗值。

自由运转的全固态激光器在稳定运转时，其输出光场均会存在一定的强度噪声起伏。激光器强度噪声的来源主要有输出耦合镜引入的真空起伏，泵浦源的强度噪声，自发辐射噪声，偶极起伏噪声以及由腔内损耗引起的噪声。这五种噪声源均会激发弛豫振荡，而引起弛豫振荡最主要的因素是真空起伏，偶极起伏和腔内损耗引起的噪声。而激光器的弛豫振荡频率可以表示为：

$f_{\mathrm{RRO}}=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{({\mathrm{\κ}}_m+{\mathrm{\κ}}_l)G}{{\mathrm{\κ}}_m\mathrm{Nhv}}}\sqrt{P_{\mathrm{out}}}---\left(1\right)$

2κ_m表示输出耦合镜引起的腔衰减速率，可以表示为：

2κ_l表示腔内损耗引起的腔衰减速率，可以表示为：

其中，T为输出耦合镜的透射率，δ_c为激光器谐振腔的腔内损耗，L为激光器谐振腔长度，c为光速。

G描述原子跃迁与激光腔模之间耦合的受激辐射速率，它正比于原子跃迁的受激辐射速率： $G=\frac{{\mathrm{\σ}}_s\mathrm{\ρc}}{n}---\left(4\right)$

其中，σ_s为受激辐射截面，ρ为离子浓度，n为增益晶体的折射率。

此外，N为增益介质中有效利用的原子个数；hv为激光光子能量。P_out为激光器的输出功率。

利用公式(1)，(2)和(3)，我们可以得到激光器腔内损耗的表达式：

${\mathrm{\δ}}_c=\frac{{8\mathrm{\π}}^2\mathrm{LNh}{\mathrm{v\κ}}_m{f}_{\mathrm{RRO}}^2}{{\mathrm{GcP}}_{\mathrm{out}}}-\frac{{2\mathrm{L\κ}}_m}{c}---\left(5\right)$

这样，除了输出功率和弛豫振荡频率的其他参数均由激光器本身的参数决定，在实验中，可以测量激光器的输出功率和弛豫振荡频率值。最后结合公式(5)，激光器的相关参数以及实验测量的激光器输出功率和弛豫振荡频率值，可以计算出激光器的腔内损耗。

本发明提供的一种全固态激光器腔内损耗的测量方法，包括以下步骤：

步骤1，利用功率计测量全固态激光器的输出功率，利用自零拍探测系统测量激光器在该输出功率下的强度噪声，进而确定激光器的弛豫振荡频率；

步骤2，将测量到的输出功率、弛豫振荡频率代入腔内损耗表达式计算出激光器的腔内损耗值。

所述的全固态激光器是非注入锁定结构的全固态激光器。

与现有技术相比本发明具有以下优点：

1.本发明在对腔内损耗进行测量时不需要更换不同透射率的输出耦合镜，可以实现对激光器腔内损耗的无干扰测量；

2.本发明在对腔内损耗进行测量时不需要在谐振腔内插入其它任何元件，也不需要改变激光器的谐振腔结构，可方便地对已调试和封装好的激光器腔内损耗进行测量，而且测量装置和过程简单，同时成本低廉，易于操作；

3.本发明在对腔内损耗进行测量时，不必分析增益介质的能级跃迁过程，而且测量结果准确；

总之，上述方法可以应用于任何非注入锁定结构的固体激光器的腔内损耗的测量。

附图说明

图1本发明对全固态激光器腔内损耗的测量示意图

图2用自零拍探测系统测量图1所示激光器的强度噪声分布图

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步说明，但是本发明不限于该实施例。

图1为本发明对全固态激光器腔内损耗测量的示意图，图中1为被测激光器、2为分束器、3为功率计、4为自零拍探测系统。

被测激光器为全固态连续单频可调谐钛宝石激光器，其钛离子浓度ρ为1.66386×10²⁵m^-3，在780nm处的受激发射截面σ_s为3.8×10^-19cm²，晶体折射率n为1.76，利用公式

获得描述原子跃迁与激光腔模之间耦合的受激辐射速率G为1.077×10¹¹s^-1；激光器晶体的有效原子个数N为8.19205×10¹⁶；激光器谐振腔的腔长L为874mm；输出耦合镜的透射率为2.95％，由其引起的腔衰减速率2κ_m为5.74758×10⁶s^-1；光速c为2.997×10⁸m/s；发射激光的波长为780nm，其光子能量hv为2.55×10^-19J，利用功率计测量的激光器的输出功率P_out为1.07W，用自零拍探测系统测量激光器在该输出功率下的强度噪声见图2，得到其弛豫振荡频率f_RRO为750KHz，利用公式

计算出激光器的腔内损耗为2.64％。

Claims (2)

1.一种全固态激光器腔内损耗的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，利用功率计测量全固态激光器的输出功率，利用自零拍探测系统测量激光器在该输出功率下的强度噪声，进而确定激光器的弛豫振荡频率；

步骤2，将测量到的输出功率、弛豫振荡频率代入腔内损耗表达式计算出激光器的腔内损耗值；

所述的腔内损耗表达式： ${\mathrm{\δ}}_c=\frac{{8\mathrm{\π}}^2\mathrm{LNh}{\mathrm{v\κ}}_m{f}_{\mathrm{RRO}}^2}{{\mathrm{GcP}}_{\mathrm{out}}}-\frac{{2\mathrm{L\κ}}_m}{c};$

其中：G描述原子跃迁与激光腔模之间耦合的受激辐射速率，表示为：

2κ_m表示输出耦合镜引起的腔衰减速率，表示为：

σ_s为受激辐射截面，ρ为离子浓度，n为增益晶体的折射率，T为输出耦合镜的透射率，L为激光器谐振腔长度，c为光速，N为增益介质中有效利用的原子个数，hv为激光光子能量，P_out为激光器的输出功率，f_RRO为弛豫振荡频率。

2.如权利要求1所述的一种全固态激光器腔内损耗的测量方法，其特征在于，所述的全固态激光器是非注入锁定结构的全固态激光器。

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