CN102684061A - 一种稳定脉冲能量的全固态角动量可调谐激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种稳定脉冲能量的全固态角动量可调谐激光器。包括泵浦源，光学耦合系统，谐振腔，固体激光介质、可饱和吸收体，泵浦源为半导体激光二极管，固体激光介质为掺杂型激光材料Nd:YAG或Nd:YVO4，可饱和吸收体为Cr:YAG或GaAs晶体，所述谐振腔由输入镜和输出镜组成，或由固体激光介质入射面的镀膜与可饱和吸收体出射面的镀膜组成。本发明的激光器输出激光为具有固定能量的脉冲激光且具有光学角动量，通过改变泵浦光的功率,可实现角动量的连续变化。本发明的激光器可用于光通讯、冷原子囚禁、动态光存储、量子计算等方面。该可调谐激光器成本低、体积小、调整灵活、能量稳定、峰值功率高、角动量可调谐。
Description
技术领域
本发明涉及一种稳定脉冲能量的全固态角动量可调谐激光器，属于激光技术领域。
背景技术
随着科技的发展，激光的应用越来越广泛，可以说激光已经并且正在改变着我们的生产和生活，提升了和正在提升着我们的国民经济。在激光的众多领域中，具有角动量的激光成为近几年研究的重点，因其单光子具有角动量，在光通讯、冷原子囚禁、动态光存储、量子计算以及光捏等光学领域特别是量子光学领域有着重要的需求和应用。脉冲激光由于具有单脉冲能量大、峰值功率高等优点，具有着连续激光所不具有的优势，也是一直以来激光发展的重要方向。而脉冲激光的产生方式有两种：调Q技术和锁模技术。锁模激光必须是单横模的情况下运行，这就限制了该类激光产生角动量的可能性。而调Q激光可以在多横模的情况下进行运转，也就是说，如果需要所产生的激光既是脉冲的又含有角动量，那只能是调Q激光。具有角动量的激光，其光斑分布为圆对称，这是常见的激光产生方式所不能满足的，目前产生只能是通过模式转换器之类的技术进行腔外调节，使得激光装置庞大，操作复杂，不适合简单易行的调节和广泛应用，且所产生的角动量固定，不能满足目前量子光学领域对于角动量可调谐的需求。
正是针对目前对具有角动量的脉冲激光器的重要需求和现状，我们提供一种具有固定单脉冲能量而单光子角动量可调谐的激光器。该类激光器具有结构简单、操作简便、脉冲能量稳定、峰值功率高、单光子角动量可调谐以及可进行产业化等优势，为激光器家族添加了一类新的成员。
发明内容
针对目前对具有角动量的脉冲激光器的重要需求和现状，本发明提供一种结构紧凑、操作简单、具有稳定单脉冲能量而单光子角动量可调谐的激光器。
本发明的技术方案是采用以下方式来实现的。
一种稳定脉冲能量的全固态角动量可调谐激光器，包括泵浦源、光学耦合系统、谐振腔、固体激光介质、可饱和吸收体；其特征在于：
泵浦源为半导体激光二极管（LD）；固体激光介质为掺杂型激光材料，优选Nd:YAG晶体或Nd:YVO4晶体；
可饱和吸收体为对振荡光具有可饱和吸收特性、初始透过率为40%～99%的被动调Q材料；
所述谐振腔由输入镜和输出镜组成，输入镜镀以对泵浦光透过率≥90%、对振荡光反射率≥99%的介质膜，输出镜镀以对振荡光部分透过的介质膜，固体激光介质和可饱和吸收体位于谐振腔中；或者，
所述谐振腔由固体激光介质入射面的镀膜与可饱和吸收体出射面的镀膜组成，其中，在固体激光介质入射面上镀以对泵浦光透过率≥90%、对振荡光反射率≥99%的介质膜；在可饱和吸收体出射面上镀以对振荡光部分透过的介质膜。
以上所述的在固体激光介质入射面上镀以对泵浦波光透过率大于90%、对振荡光反射率大于99%的介质膜以取代输入镜的作用；可饱和吸收体出射面上镀以对振荡光部分反射的介质膜以取代输出镜的作用。
根据本发明优选的，以上所述的输出镜所镀的对振荡光部分透过的介质膜，其中所述对振荡光部分透过是指对振荡光透过1~50%，优选透过10-30%。
根据本发明优选的，以上所述的在可饱和吸收体出射面上镀以对振荡光部分透过的介质膜，其中所述对振荡光部分透过是指对振荡光透过1~50%，优选光透过10-30%。
根据本发明优选的，以上所述的振荡光波长1064nm。
根据本发明优选的，上述的泵浦源为半导体激光二极管，其输出波长为针对激光晶体的吸收波长。优选泵浦源为输出波长为808nm的InGaAs的半导体激光二极管，其光斑分布为环状，泵浦方式是端面泵浦。此时泵浦光的光斑为圆对称与具有角动量的振荡光(模式为LG模)，重合较好，利用激光模式之间的竞争，产生LG模。由于泵浦功率的不同决定了振荡光斑大小的不同，也就是决定了不同LG模的阶次，使角动量具有调谐性。
所述的固体激光介质为掺杂型激光晶体Nd:YAG或Nd:YVO4，其中，Nd掺杂浓度为0.05at.％至20at.％，优选Nd掺杂浓度为0.1at.％至5at.％；
所述激光晶体Nd:YAG或Nd:YVO4为圆柱形或长方体,长度为1mm～50mm;优选长度为1~10mm;为了减小可调谐激光器的体积，所述激光晶体Nd:YAG或Nd:YVO4长度以4-8mm为最优。
当谐振腔由输入镜和输出镜组成时，所述激光晶体Nd:YAG或Nd:YVO4的两个通光端面可镀以对泵浦光和振荡光透过率≥99%的介质膜（高透膜），也可以不镀膜。
所述的可饱和吸收体优选为Cr:YAG或GaAs晶体。当谐振腔由输入镜和输出镜组成时，Cr:YAG或GaAs晶体的两个通光端面可镀以对振荡光透过率≥99%的介质膜（高透膜），也可以不镀膜。
进一步优选的，所述Cr:YAG或GaAs晶体为圆片状，直径9～10mm,厚度1～2mm。
所述的输入镜是平面镜或凹面镜；输出镜是平面镜或凹面镜。
根据本发明以上所述，更为优选技术方案分为两种形式，分别说明如下：
A、一种稳定脉冲能量的全固态角动量可调谐激光器（如图1所示），由泵浦源（1）、光学耦合系统（2）、输入镜（3）、固体激光介质（4）、可饱和吸收体（5）和输出镜（6）顺序排列而成，所述的泵浦源（1）是输出波长为808nm的InGaAs的半导体激光二极管，固体激光介质（4）是Nd:YAG晶体，Nd:YAG晶体的两个通光端面上镀以泵浦光和1064nm振荡光透过率大于99%的增透膜；可饱和吸收体（5）为被动调Q材料Cr:YAG晶体，Cr:YAG晶体的两通光端面上未镀膜。输入镜（3）镀以对泵浦光透过率≥90%，对振荡光反射率≥99%的介质膜；输出镜（6）表面镀以对振荡光部分透过的介质膜，所述对振荡光部分透过是指对振荡光透过1~50%，优选光透过10-30%。最优选光透过20%。
B、一种稳定脉冲能量的全固态角动量可调谐激光器（如图3所示），包括泵浦源、光学耦合系统、谐振腔、固体激光介质、可饱和吸收体；其中，所述的泵浦源（1）是输出波长为808nm的InGaAs的半导体激光二极管，所述谐振腔是由在固体激光介质（4）的入射面上镀以对泵浦光透过率≥90%、对振荡光反射率≥99%的介质膜与可饱和吸收体（5）的光出射面上镀以对振荡光部分透过的介质膜组成，所述对振荡光部分透过是指对振荡光透过1~50%，优选光透过10-30%。所述的固体激光介质（4）是Nd:YAG晶体，可饱和吸收体（5）为被动调Q材料Cr:YAG晶体。
本发明利用一个输入镜、一块固体激光介质、一个可饱和吸收体和一个输出镜即可获得稳定脉冲能量而单光子轨道角动量连续可调的激光输出。本发明可调谐激光器的输出激光为具有固定能量的脉冲激光，且具有光学角动量，通过改变泵浦光的功率，可实现角动量的连续变化。随着泵浦功率的增加，输出激光脉冲的平均功率和重复频率都会增加，这样使得脉冲激光的脉冲能量会稳定在一个范围。与此同时，随着泵浦功率的增加，使得振荡光光斑变大，此时的输出LG模式激光的介次会增加，即单光子轨道角动量连续可调。
本发明得到的脉冲能量较高而且基本稳定，而单光子的轨道角动量随着泵浦功率的增加连续可调谐。所以在光通讯、冷原子囚禁、动态光存储、量子计算以及光捏等量子光学方面具有重要的应用前景。
本发明的角动量可调谐激光器在应用时，具有以下优势：
1.结构紧凑。激光器的尺寸和结构很大程度上取决于激光晶体的尺寸，由于激光晶体优选6mm厚度左右，所以本发明的激光器尺寸在厘米量级，比目前常用的腔外模式转换器调节技术（米量级）少了2个数量级。
2.操作简单。本发明的能量稳定角动量可调谐激光器，只需通过增加泵浦光的功率就可以实现角动量连续可调，无需复杂操作。
3.应用广。本发明的角动量可调谐激光器，具有高的脉冲能量和角动量连续可调谐的特点，这就意味着在光通讯、非线性频率转换、动态光存储、量子计算、冷原子囚禁以及光捏等方面具有广泛的应用。
附图说明
图1为本发明实施例1的结构示意图。其中，1是泵浦源；2是光学耦合系统；3是输入镜，镀有对泵浦光高透过、振荡光高反射的介质膜；4是固体激光介质（Nd:YAG晶体），其表面镀以对泵浦光和振荡光高透过的介质膜；5为可饱和吸收体（Cr:YAG晶体），表面未镀膜；6是输出镜，镀有振荡光部分反射的介质膜。
图2为本发明实施例2的结构示意图。其中输入镜3是平镜。
图3为本发明实施例3的结构示意图。其中输入镜和输出镜分别被Nd:YAG晶体的镀膜、Cr:YAG晶体的镀膜取代。7、固体激光介质Nd:YAG晶体的入射面，8、被动调Q材料Cr:YAG晶体的光出射面。
图4为实施例1的可调谐激光器泵浦功率对应的脉冲能量曲线和角动量连续变化的光斑图。横坐标是泵浦功率（W）,纵坐标是脉冲能量（μJ）。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，但不限于此。
实施例1：稳定脉冲能量的全固态角动量可调谐激光器
如图1所示，由泵浦源1、光学耦合系统2、输入镜3、固体激光介质4、可饱和吸收体5和输出镜6顺序排列而成，该固体激光介质4是Nd:YAG晶体，它的两个通光端面上镀以泵浦光和1064nm（振荡光）光透过率大于99%的增透膜；可饱和吸收体5为Cr:YAG，其两通光端面上未镀膜。输入镜3镀以对泵浦光透过率大于90%、对1064nm反射率大于99%的介质膜；输出镜6表面镀以对1064nm（振荡光）透过率为20%的介质膜。
所述的Nd:YAG晶体钕的掺杂浓度为0.5at.％，Nd:YAG晶体为长方体，长度为6mm。
所述的Cr:YAG晶体为圆片状，其小信号透过率为91.6%,直径为9.5mm，厚度为1mm。
所述的输入镜3是曲率为200mm的凹面镜，输出镜6是平面镜。
所述的泵浦源1是输出波长为808nm的InGaAs的半导体激光二极管，其光斑分布为环状，泵浦方式是端面泵浦。
本实施例的能量稳定角动量可调谐激光器，结构紧凑，操作简单。图4为本实施例激光器泵浦功率对应的脉冲能量曲线和角动量连续变化的光斑图，根据该实验曲线可知，随着泵浦功率从4W增加到10W，脉冲能量基本稳定在60μJ，而输出的激光模式从LG00模变化到LG02模，即光子轨道角动量从n=0变化到n=2。
实施例2：稳定脉冲能量的全固态角动量可调谐激光器
结构如实施例1所述，与实施例1中不同的是输入镜3换成了平面镜，如图2所示，该平面镜表面的镀膜情况与实施例1输入镜镀膜相同。
所述的固体激光介质4是Nd:YAG晶体，钕的掺杂浓度为1at.％，Nd:YAG晶体为长方体，其长度为6mm。
可饱和吸收体5为Cr:YAG，其小信号透过率为87%,直径为9.5mm，厚度为2mm。
所述的输入镜3是平面镜，输出镜6是平面镜。
所述的泵浦源1是输出波长为808nm的InGaAs的半导体激光二极管，其光斑分布为环状，泵浦方式是端面泵浦。
实施例3：稳定脉冲能量的全固态角动量可调谐激光器
如实施例1所述，与实施例1的区别在于省掉输入镜和输出镜，结构如图3所示，取代输入镜和输出镜作用的是：在固体激光介质4的入射面7上镀以对泵浦波光透过率大于90%、对振荡光反射率大于99%的介质膜（该介质膜与输入镜的作用相同）；在可饱和吸收体5的出射表面8上镀以对振荡光30%透过的介质膜(该介质膜与输出镜的作用相同)。
Claims (10)
1.一种稳定脉冲能量的全固态角动量可调谐激光器，包括泵浦源、光学耦合系统、谐振腔、固体激光介质、可饱和吸收体；其特征在于，泵浦源为半导体激光二极管（LD）；固体激光介质为掺杂型激光晶体Nd:YAG或Nd:YVO4；可饱和吸收体为对振荡光具有可饱和吸收特性的、透过率为40%～99%的被动调Q材料；所述谐振腔由输入镜和输出镜组成，输入镜镀以对泵浦光透过率≥90%、对振荡光反射率≥99%的介质膜，输出镜镀以对振荡光部分透过的介质膜，固体激光介质和可饱和吸收体位于谐振腔中；或者，
所述谐振腔由固体激光介质入射面的镀膜与可饱和吸收体出射面的镀膜组成，其中，在固体激光介质入射面上镀以对泵浦光透过率≥90%、对振荡光反射率≥99%的介质膜；在可饱和吸收体出射面上镀以对振荡光部分透过的介质膜。
2.如权利要求1所述的稳定脉冲能量的全固态角动量可调谐激光器，其特征在于，输出镜所镀的对振荡光部分透过的介质膜中所述对振荡光部分透过是指对振荡光透过1~50%，优选透过10-30%；在可饱和吸收体出射面上镀以对振荡光部分透过的介质膜中所述对振荡光部分透过是指对振荡光透过1~50%，优选光透过10-30%。
3.如权利要求1所述的稳定脉冲能量的全固态角动量可调谐激光器，其特征在于，泵浦源为输出波长为808nm的InGaAs的半导体激光二极管，其光斑分布为环状，泵浦方式是端面泵浦。
4.如权利要求1所述的稳定脉冲能量的全固态角动量可调谐激光器，其特征在于，所述固体激光介质为掺杂型激光晶体Nd:YAG或Nd:YVO4,Nd掺杂浓度为0.05at.％至20at.％；优选Nd掺杂浓度为0.1at.％至5at.％。
5.如权利要求1所述的稳定脉冲能量的全固态角动量可调谐激光器，其特征在于，所述激光晶体Nd:YAG或Nd:YVO4为圆柱形或长方体形,长度为1mm～50mm;优选长度为1~10mm;进一步优选激光晶体Nd:YAG或Nd:YVO4长度为4-8mm。
6.如权利要求1所述的稳定脉冲能量的全固态角动量可调谐激光器，其特征在于，当谐振腔由输入镜和输出镜组成时，所述激光晶体Nd:YAG或Nd:YVO4的两个通光端面镀以对泵浦光和振荡光透过率≥99%的介质膜。
7.如权利要求1所述的稳定脉冲能量的全固态角动量可调谐激光器，其特征在于，所述的可饱和吸收体为Cr:YAG或GaAs晶体；当谐振腔由输入镜和输出镜组成时，Cr:YAG或GaAs晶体的两个通光端面镀以对振荡光透过率≥99%的介质膜。
8.如权利要求7所述的稳定脉冲能量的全固态角动量可调谐激光器，其特征在于，所述Cr:YAG或GaAs晶体尺寸为直径9～10mm、厚度1～2mm。
9.如权利要求1所述的稳定脉冲能量的全固态角动量可调谐激光器，其特征在于，所述的输入镜是平面镜或凹面镜；输出镜是平面镜或凹面镜。
10.如权利要求1所述的稳定脉冲能量的全固态角动量可调谐激光器，其特征在于，是下列方案之一：
A、激光器由泵浦源（1）、光学耦合系统（2）、输入镜（3）、固体激光介质（4）、可饱和吸收体（5）和输出镜（6）顺序排列而成，所述的泵浦源（1）是输出波长为808nm的InGaAs的半导体激光二极管，固体激光介质（4）是Nd:YAG晶体，Nd:YAG晶体的两个通光端面上镀以泵浦光和1064nm振荡光透过率大于99%的增透膜；可饱和吸收体（5）为被动调Q材料Cr:YAG晶体；输入镜（3）镀以对泵浦光透过率≥90%，对振荡光反射率≥99%的介质膜；输出镜（6）表面镀以对振荡光部分透过的介质膜，所述对振荡光部分透过是指对振荡光透过1~50%;或者，
B、激光器包括泵浦源、光学耦合系统、谐振腔、固体激光介质、可饱和吸收体；其中，所述的泵浦源（1）是输出波长为808nm的InGaAs的半导体激光二极管，所述谐振腔是由在固体激光介质（4）的入射面上镀以对泵浦光透过率≥90%、对振荡光反射率≥99%的介质膜与可饱和吸收体（5）的光出射面上镀以对振荡光部分透过的介质膜组成，所述对振荡光部分透过是指对振荡光透过1~50%,所述的固体激光介质（4）是Nd:YAG晶体,可饱和吸收体（5）为被动调Q材料Cr:YAG晶体。
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