CN102709800A - 电致变折射率晶体可调谐双频激光器 - Google Patents

Abstract

本设计涉及电致变折射率晶体可调谐双频激光器，属于全固态激光器技术领域，提出在激光谐振腔中设置电致变折射率晶体的新型可调谐双频激光器。其工作原理是：基于变折射率晶体中e光的折射率会随施加电场强度改变而改变的特性，在谐振腔内设置电致变折射率晶体，通过改变对变折射率晶体施加电压的大小，控制变折射率晶体内e光的折射率大小，使得激光通过变折射率晶体时，o光与e光产生光程差，改变了激光在谐振腔中的光学腔长，获得可调谐的双频激光输出。本发明变折射率晶体可调谐双频激光器结构简单，操作容易，易于实现可调谐的双频激光输出，可以应用到绝对距离干涉测量和速度测量等领域。

Description

电致变折射率晶体可调谐双频激光器

技术领域

本发明属于固体激光技术领域，涉及一种变折射率晶体可调谐双频激光器，具体涉及一种腔内设置电致变折射率晶体，通过对变折射率晶体施加电压，改变e光在晶体中的折射率，使得激光通过晶体时，o光与e光产生光程差，实现双频激光输出。通过调节晶体电压，实现可调谐双频激光的输出。

背景技术

目前的双频激光器主要分为双频He-Ne激光器，双频Nd:YAG激光器和双频半导体激光器。

最早由W.Holzapfel发现由应力双折射效应可以产生激光频率的分裂，通过应力双折射效应产生了可调谐He-Ne激光器，在单频激光谐振腔内放置应力双折射元件，对其施加横向作用力，产生应力双折射，原来的单频激光分裂为偏振方向正交的线偏振光，从而获得双频激光输出，应力双折射双频激光器的特点是能实现频差的可连续调谐，但是，对外部加载装置的设计合理性及其结构稳定性有较高的要求。在实验中，一般采用螺纹调谐加载应力，但是，采用这种方法容易导致激光增益管颈部被折断，且不能精细的调谐频差。

由于Ne的光谱线宽比较小，基于频率分裂原理，He-Ne双频激光器的最大频差不超过1GHz，Nd:YAG激光器的增益带宽比较大，针对Nd:YAG双频激光器，主要有空间分离型大频差可调谐双频Nd:YAG激光器，石英晶体双折射双频Nd:YAG激光器，应力双折射双频Nd:YAG激光器。法国Rennes大学F.Bretenakerr等采用两束相距约为1mm的正交线偏振钦宝石激光纵向抽运Nd:YAG晶体，激光晶体两侧各有一只四分之一波片以消除空间烧孔效应，通过改变两波片快轴(或慢轴)之间的夹角，并辅以融石英法布里-珀罗标准具调谐角度，频差可达26GHz。但是，该双频激光振荡输出，腔内元件较多，结构复杂，频差调谐过程繁琐。对于石英晶体双折射Nd:YAG激光器，在激光二极管(LD)泵浦Nd:YAG激光器谐振腔内，插入一只集纵模选择和纵模分裂于一体的多功能光学元件--石英晶体双折射法布里-珀罗标准具，可获得频差约为GHz的1064nm正交线偏振双纵模激光束同时振荡输出。该方案的优点是结构简单，频差大。但是对石英晶体双折射法布里-珀罗标准具的设计、加工和调整要求较高，并且频差不能连续调谐。对于应力双折射双频Nd:YAG激光器，在驻波腔单纵模Nd:YAG激光腔内造成应力双折射，使激光纵模产生分裂，获得正交线偏振双频激光输出，频差大小随外部所加压力的改变而变化。该方案的优点是频差大，并且可以连续调谐，但是频差的稳定性不够高，不能获得大功率双频激光输出。对于双频半导体激光器，S.Pajarola等使用脊型波导结构的InGaAsP/InP芯片作为激光器，利用偏振分光镜将TE模与TM模分离，达到各自的光栅反馈回来，分别形成不同的两个谐振腔，不同的腔长就会导致不同的谐振频率。但是，该种外腔式结构的激光器加剧了整个系统的复杂性和不稳定性。2000年，美国IIioist大学的A.Hsu等采用具有惆啾光栅和双调制器的分布反馈式双纵模双频半导体激光器，实现激光器双频运转，获得频差分别为63GHz和175GHz的双纵模双频激光。该方案的优点是可以获得几十GHz，乃至上百GHz的超大频差双频激光，而且频差可调谐(但不能连续调谐)，通过增大光栅的惆啾量及改变光栅的祸合系数，还可进一步扩大频差调谐范围。但是缺点是，由空间烧孔效应增加了模竞争和祸合腔反馈，随着激光器偏置电流的增大，引起两个纵模输出功率的波动。

双频激光技术是指在一个激光谐振腔中同时产生两个不同频率的激光，基本思想是利用技术手段微小改变激光腔中光学谐振腔长，微小变化的腔长对应微小变化的激光频率，实现双频激光输出。

应力改变频差的原理为：Δυ＝8υλF/LπDf₀，其中，L为谐振腔腔长，D为光学元件的直径，f₀为光学材料的条纹值，F为外力，λ为激光波长，通过改变外力F，就可实现频差的调节。

光程改变频差的原理为：Δυ＝υδ/L，其中δ为两束激光的光程差，δ＝(n₁-n₂)l，n₁和为变折射率晶体的两个折射率，l为变折射率晶体的厚度，υ为激光器的中心频率，L为激光器谐振腔长。通过改变n₁和n₂之间的距离，可以实现Δυ的连续调谐。比如，现在通过实现两互相正交的线偏振光，即n_o和n_e，根据公式δ＝(n_e-n_o)l，形成光程差，带入频差公式Δυ＝υδ/L，即可以得到频差Δυ。

双频激光器被广泛应用于激光干涉仪、位移、角度和准直等多种精密测量系统中。

发明内容

本发明的目的在于提供一种实现可调谐双频激光输出的新型结构，解决了现有的双频激光器结构复杂，操作繁琐的问题，为绝对距离干涉测量和速度测量系统提供了理想的光源。

本发明的技术方案是，抽运源LD通过光纤和聚焦耦合镜组将抽运光聚焦，注入Nd:YAG晶体中，Nd:YAG晶体的左端面镀808nm高透膜和1064nm高反膜，Nd:YAG晶体的左端面与输出镜构成激光谐振腔，其特征在于，在激光谐振腔内，Nd:YAG晶体的后面设置F-P标准具，实现单纵模激光输出，在F-P标准具后面设置变折射率LN晶体，通过调节LN晶体的电压，改变e光在LN晶体的折射率，使得LN晶体内，o光与e光产生光程差，实现双频激光输出。通过调节LN晶体电压，实现可调谐双频激光的输出。

本发明的特点在于：随着电致变折射率晶体电压的改变，e光的折射率也发生改变；激光通过变折射率晶体，o光与e光产生δ＝(n_e-n_o)l的光程差，实现双频激光输出；调节变折射率晶体的电压，e光的折射率改变幅度不同，使得o光与e光产生的光程差不同，实现可调谐双频激光的输出。

本发明的目的在于针对已有的双频激光器所采用结构较为复杂，整机成本较高，提供一种结构相对简单、整机成本较低、性能较好的新型电致变折射率晶体可调谐双频激光器。

本发明设有：

1064nm激光光路：

1064nm膜系全反镜；

抽运源LD；

耦合光纤；

聚焦透镜组位于耦合光纤与Nd:YAG晶体之间；

Nd:YAG晶体；

F-P标准具位于Nd:YAG晶体与电致变折射率晶体之间；

电致变折射率晶体位于F-P标准具与输出镜之间；

1064nm输出镜；

LD控制电源；

变折射率晶体电压控制电源；

在激光器设计过程中，本发明采用标准具来实现基膜输出，镀有T＞85％的1064nm增透膜，其成本较低、可行性较高。此外，本发明选用电致变折射率晶体，加电压改变变折射晶体内e光的折射率，使得o光与e光产生光程差，实现双频激光输出，通过调节晶体电压，实现可调谐双频激光的输出。使得结构更为简单，成本相对降低。

本发明的突出效果将在具体实施方式中加以进一步的说明。

附图说明

图1是本发明变折射率晶体双频激光器原理图。

图1中，1.抽运源LD，2.耦合光纤，3.聚焦透镜组，4.Nd:YAG晶体，5.F-P标准具，6.变折射率晶体，7.输出境，8.LD控制电源，9.变折射率晶体电压控制电源。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

由于双频激光器首先要求的是单纵模振荡，但是由于其他模式的竞争和空间烧孔效应的存在，激光器通常工作在多纵模状态，因此，在研究变折射率晶体双频激光器时，必须通过选模技术使激光器工作在单纵模状态，在众多的选模技术中，F-P标准具结构小，使用简单，容易实现单纵模运转，本发明采用F-P标准具实现单纵模运转，不仅使得发明达到单纵模运转，满足实现双频的要求，同时，也使得发明的结构简单，体积小，操作方便。

本发明采用腔内设置变折射率晶体，以LN晶体为例，描述实现双频激光输出的过程。

LN晶体属于三方晶体系3m点群，其自然光轴沿x₃方向，采用外电场沿x₂方向，将电光系数γ₁₂、γ₂₂、γ₄₂作为已知参量，代入畸变折射率椭球公式：

$\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\underset{j}{\mathrm{\Σ}}[\frac{1}{n_{\mathrm{ij}}^2}+\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{ij}},k{E}_k]x_i{x}_j=1$

得到： $(\frac{1}{n_o^2}-{\mathrm{\γ}}_{22}{E}_2)x_1^2+(\frac{1}{n_o^2}+{\mathrm{\γ}}_{22}{E}_2)x_2+\frac{x_3^2}{n_e^2}+2{\mathrm{\γ}}_{51}{E}_2{x}_2{x}_3=1$

采取线偏振光沿x₃方向，利用x₁和x₂方向的折射率差得到：

另外，Δn＝n_e(E)-n_o，即

可以得到，e光在LN晶体中的折射率随施加电压E的改变曲线。

施加于x₂方向的电压不同，e光的折射率不同，使得Δn发生改变。利用光程差公式：δ＝Δnl，l为变折射率LN晶体的厚度，计算出激光通过变折射率LN晶体后产生的光程差。然后通过双频计算公式Δυ＝υδ/L，计算得到输出激光的频差Δυ，其中υ为激光器的中心频率，L为激光器谐振腔长。

本发明腔内通过电源控制的电致变折射率晶体，通过对变折射率晶体施加电压，改变e光在晶体中的折射率，使得激光通过晶体时，o光与e光产生光程差，实现双频激光输出。通过调节晶体电压，实现可调谐双频激光的输出。

本发明可以实现可调谐频差激光输出，即通过改变电压，改变变折射率晶体内e光的折射率，利用

利用光程差公式计算出激光通过变折射率晶体产生的光程差。通过双频计算公式，得到输出激光的频差Δυ，实现可调谐双频激光的输出。

Claims (3)

1.电致变折射率晶体双频可调谐激光器至少包括抽运源LD(1)，LD控制电源(8)，光纤模块(2)，聚焦耦合镜组(3)，Nd:YAG晶体(4)，F-P标准具(5)，电致变折射率晶体(6)，变折射率晶体电压控制电源(9)，输出镜(7)。LD(1)通过光纤(2)和聚焦耦合镜组(3)将抽运光聚焦，注入Nd:YAG晶体(4)中，Nd:YAG晶体(4)的左端面镀808nm高透膜和1064nm高反膜，Nd:YAG晶体(4)的左端面与输出镜(7)构成激光谐振腔，其特征在于，在激光谐振腔内，Nd:YAG晶体(4)的后面设置F-P标准具，实现单纵模激光输出，在F-P标准具后面设置变折射率晶体(6)，通过电源控制变折射率晶体(6)内e光折射率的变化，当激光通过变折射率晶体时，o光与e光产生光程差，改变了激光在谐振腔中的光学腔长，获得双频激光输出。改变变折射率晶体电压控制电源(9)的输出电压，改变变折射率晶体(6)内e光的折射率变化幅度，使得激光通过变折射率晶体时，o光与e光的光程差改变，激光在谐振腔中的光学腔长改变，获得双频可调谐激光输出。

2.按照权利要求1所述的电致变折射率晶体双频可调谐激光器，其特征在于，e光在所述的变折射率晶体(6)的折射率随着施加电压的改变而改变。

3.按照权利要求1所述的电致变折射率晶体双频可调谐激光器，其特征在于，所述的变折射率晶体电压控制电源(9)的输出不同电压，对应变折射率晶体(6)内e光的折射率变化幅度不同，激光通过变折射率晶体时，o光与e光的光程差改变，激光在谐振腔中的光学腔长改变，获得双频可调谐激光输出。

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