CN103296570A - 基于非平面环形腔结构的单纵模变频全固态激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及的基于非平面环形腔结构的单纵模变频全固态激光器，其包括：泵浦源、泵浦光耦合装置、外加磁场装置、温度控制装置和由激光晶体和变频晶体键合组成的具有非平面环形腔结构的组合晶体；利用非平面环形腔结构及外加磁场条件下对不同本征偏振光具有不同的损耗，使环形腔内有且仅有损耗最小的本征偏振激光实现单向行波振荡，从而获得单纵模基频激光，基频光在非平面环形腔内多次通过变频晶体以产生高效非线性光学效应，从而实现更短波长的单纵模激光输出。该激光器解决了单频激光器腔外变频时效率不高、稳定性不好、系统复杂及体积大等问题，具有功率和频率稳定性好、可靠性高等诸多优点。
Description
技术领域
本发明属于激光器件领域，特别涉及一种基于非平面环形腔结构的单纵模变频全固态激光器。
背景技术
可见光波段的单纵模激光在激光干涉测量、激光显示、相干激光雷达、空间通信等领域具有重要应用。目前获得单纵模激光的技术方案主要包括短腔法(微片腔)、腔内插入色散元件法(腔内插入F-P标准具等色散元件)、扭转模腔法、单向环形腔法等，例如文献1(周炳坤、高以智等，《激光原理》第五版，国防工业出版社，2004，212-213页)。短腔法是最简单的获得单纵模激光输出的方法，其增益介质为非常薄的微片，在微片两端分别镀全反射和部分反射的介质膜形成谐振腔。由于微片激光器的腔长很短，在输出功率较高时容易振出高阶横模，单纵模激光的输出功率受到限制。腔内标准具法是利用标准具产生的多光束干涉效应，是谐振腔具有与频率有关的选择性损耗的一种单纵模选模方法。扭转模腔法是通过在谐振腔内加入两个快轴方向相对垂直的λ/4波片，消除空间烧孔效应，激光器最终振荡于某一模式来实现单纵模运转。腔内标准具法和扭转模腔法都需要在谐振腔内插入光学元器件，由于分立元件的存在，影响了激光器的频率和功率稳定性。
单向行波环形腔是另一种实现单纵模激光输出的有效方法。在各种单向行波环形腔中，单块结构的非平面环形腔激光器由于采用了一体化的单块结构，具有较高的频率和功率稳定性，同时由于谐振腔增益体积较大，可以获得高功率的单纵模基横模激光输出。斯坦福大学Byer研究小组最早研制出了LD抽运的1064nm Nd:YAG单块非平面单向行波环形腔单频固体激光器，参考文献2(Thomas J.Kane and RoberL.Byer，Monolithic，unidirectional single-mode Nd:YAG ring laser，OPTICSLETTERS，VOL.10，NO.2，February 1985)。
然而，前文所述的单纵模激光器无法直接得到可见光波段的激光，只能输出近红外单纵模激光，如波长为1064nm的激光和波长为1319nm的激光。要想获得波长更短的可见光波段激光还需要通过变频手段(包括倍频、和频、光参量等)。
在一份专利申请号为201010159919.7的专利中，中国科学院理化技术研究所与山东大学发明了一种单频可见光激光器；这种激光器将自变频晶体切割成非平面环形腔结构，其自身可以产生激光，还可以通过自身的非线性光学效应，对基频激光进行非线性频率变换获得倍频激光输出。但是由于自倍频晶体的低对称性和较强的复合功能性，大大增加了激光器的设计难度，并且只能获得有限的几种波长激光输出。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，而提供一种基于非平面环形腔结构的单纵模变频全固态激光器，该基于非平面环形腔结构的单纵模变频全固态激光器将激光晶体与变频晶体结合在一起来构成非平面环形腔结构，并外加磁场，利用光波在非平面环形腔内不同空间取向的全反射面上的相位延迟、外加磁场作用下激光晶体产生的法拉第旋光效应及输入输出耦合面对偏振光不同反射特性构成光学单向器，使得非平面环形腔内只有沿顺时针或逆时针的一个偏振态的基频光起振，并且该基频光多次通过变频晶体产生腔内变频效应，从而得到可见光波段的单纵模变频激光输出。
为达上述目的，本发明的技术解决方案为：
本发明提供的基于非平面环形腔结构的单纵模变频全固态激光器，其包括：泵浦源、泵浦光耦合装置、激光晶体、外加磁场装置和温度控制装置；所述激光晶体制成由BC、CD、DE和EF构成单块非平面环形腔结构，C是非平面环形腔的第一反射点，D是非平面环形腔的第二反射点，E是非平面环形腔的第三反射点；其特征在于，还包括变频晶体，所述变频晶体键合在所述激光晶体的一端面上，所述激光晶体与键合于其端面上的变频晶体构成的具有非平面环形腔结构的组合晶体；所述变频晶体的非键合面作为光的输入输出耦合面；所述温度控制装置用于固定并控制组合晶体温度；所述外加磁场装置放置于所述组合晶体的上下方、侧面或四周；泵浦源发出的泵浦光经泵浦光耦合装置后对准输入输出耦合面上的A点折射进入变频晶体并沿AB方向传输，在B点折射进入激光晶体而被吸收，在激光晶体的非平面环形腔内依次沿BC、CD、DE和EF传输，之后经过变频晶体沿FA方向发生变频效应得到单纵模运转的变频激光，然后由输入输出耦合面的A点输出；或者
泵浦源发出的泵浦光经泵浦光耦合装置后对准所述输入输出耦合面上的A点折射进入变频晶体并沿AF方向传输，在F点折射进入激光晶体而被吸收，在激光晶体非平面环形腔内依次沿FE、ED、DC和CB传输，之后经过变频晶体沿BA方向发生变频效应得到单纵模运转的变频激光，然后由输入输出耦合面的A点输出；
所述变频晶体的非键合面上镀有对泵浦光高透、对基频偏振光高反和对变频光高透的膜，以实现变频单纵模激光输出；
或者所述变频晶体的非键合面上镀有对变频光高透、对基频偏振光部分高反和对变频光高透的膜，以实现变频单纵模激光和基频单纵模激光同时输出。
所述激光晶体为掺钕钇铝石榴石(简称Nd:YAG)、掺钕氟化钇锂(简称Nd:YLF)、掺钕钒酸钇(简称Nd:YV04)、掺铒钇铝石榴石(简称Er:YAG)或掺钕铝酸钇(简称Nd:YAP)，所述变频晶体为磷酸氧钛钾(简称KTP)、三硼酸锂(简称LBO)、偏硼酸钡(简称BBO)、硼酸铯锂(简称CLBO)或周期性极化铌酸锂(简称PPLN)。
所述的泵浦源为半导体激光器、光纤激光器或可调谐钛宝石激光器；泵浦源输出激光波长与激光晶体中掺杂离子的吸收波长相匹配；泵浦源输出激光是连续输出或脉冲输出。
所述的外加磁场装置采用永久磁铁、通电导线圈或其他磁场产生装置。
所述的变频晶体中发生的非线性光学效应为倍频、和频或光参量振荡。
所述的温度控制装置控制组合晶体温度以满足基频光与变频光相位匹配。
本发明的基本原理是：利用光波在非平面环形腔内不同空间取向的全反射面上的相位延迟、由外加磁场引入的法拉第旋光效应及输出耦合面的偏振特性构成光学单向器，消除增益介质的空间烧孔现象，保证单向行波运转，实现单纵模基频激光起振。在本发明中，非平面环形腔结构中键合有一块变频晶体，基频单纵模激光多次通过该泵浦晶体实现腔内变频得到可见光波段的单纵模变频激光，所得到的变频激光具有频率和功率稳定性高的优点，并且整个系统效率较高、结构紧凑。
本激光器对于获取可将光波段的单纵模激光具有非常重要的意义，非平面环形腔结构能够获取频率和功率稳定性高的单纵模基频激光，通过键合一块变频晶体实现腔内变频，可以高效率的获取可见光波段的单纵模变频激光；本发明具有以下四大优势：
1、可以利用非平面环形腔结构获得较大功率、较高频率稳定性的基频激光。
2、基频激光在变频晶体中实现腔内变频，该腔内变频方式效率高、变频激光光束质量好。
3、激光晶体与变频晶体通过键合或光胶粘合的结合方式具有体积紧凑、系统稳定的优点。
4、可以利用的激光晶体与变频种类众多，配合使用能得到多种可见光波段的单纵模激光。
附图说明
图1a为本发明中组合晶体的结构示意图，图内虚线代表非平面环形腔结构，箭头代表光束传播方向。
图1b为图1a的俯视图。
图2和图3分别为本发明实施例的两种结构示意图。
具体实施方式
如图1a和图1b所示，外加磁场装置产生图中所示的H方向(沿组合晶体纵向方向)的磁场，激光晶体1-01制作成单块非平面环形腔形状，变频晶体1-02键合或光胶粘合在激光晶体端面上，激光晶体和变频晶体形成一体的非平面环形腔，变频晶体的非键合面作为输入输出耦合面，与图所示激光晶体上C、D、E所在的三个全内反射面，它们不在一个平面上，共同构成非平面环形腔结构，所述的激光晶体与变频晶体组成的组合晶体安置于温度控制装置中；泵浦源发出的泵浦光经泵浦光耦合装置后对准输入输出耦合面，由该输入输出耦合面上的A点入射，经过变频晶体后进入激光晶体起到泵浦作用，基频激光在此泵浦下将起振。
图所示的B、F两点所处的端面为变频晶体与激光晶体的键合面，基频光在B点所处端面折射从变频晶体进入激光晶体、在F点所处端面折射从激光晶体进入变频晶体；
图所示的C、D、E三点所处的端面经过精确切割，基频光在此三个端面发生全内反射，基频光沿着A、B、C、D、E、F、A振荡形成非平面环形腔结构。
利用组合晶体内的非平面环形腔内顺时针方向(或逆时针方向)振荡的s偏振光和p偏振光在非平面环形腔内不同空间取向的全反射面上的相位延迟、由外加磁场装置产生的外加磁场引入的法拉第旋光效应及输入输出耦合面的镀膜选择保证腔内只有沿某一方向的一个偏振态的激光起振，在泵浦光激励下实现基频激光的单纵模振荡。
基频激光在非平面环形腔中多次通过变频晶体部分将产生腔内变频效应，从而得到可将光波段的单纵模激光输出。
实施例1
参考图2，本实施例给出了基于非平面环形腔结构的单纵模变频全固态激光器，能够输出单纵模532nm绿光。
本实施例中，激光晶体1-01为0.6at％Nd:YAG，尺寸为20mm×10mm×3.6mm。自变频晶体1-02选用KTP-H倍频晶体，尺寸为10mm×5mm×3.6mm，按在20℃下第一类相位匹配条件计算得到的最佳相位匹配方向θ＝90°、φ＝25.9°切割，然后与Nd:YAG晶体键合；在图1b中的基频光沿A B C D E F A闭合回路形成振荡，FA为基频光倍频并输出的最佳方向；上述涉及到的几何光学知识和非线性光学知识，是本专业人员熟知和掌握的。
A点处所在端面为输入输出耦合面，镀膜参数为：对泵浦光波长(808nm)高透、对1064nm的p光高反95％s光高反99％、对532nm高透；B、F所在的端面为键合面，光在此面发生折射；1064nm基频光在CDE所在的端面发生全内反射。
本实施例中，泵浦源2采用发射波长808nm的连续输出激光二极管，泵浦光经泵浦光耦合装置3后以45°入射至输入输出面，然后经键合面折射后进入激光晶体1-01被充分吸收后实现泵浦过程；
本实施例中，采用的外加磁场装置为两块永久磁铁5，如图2所示放置于组合晶体的上下，使得自合晶体处于图1a所示磁场方向；
本实施例中键合好的KTP与Nd:YAG晶体放置于如图2所示温度控制装置6中，该装置由一个TEC制冷器和一个紫铜散热底座构成；TEC制冷器的制冷面紧贴晶体，其吸收的热量被传递给散热底座进行散热；该温度控制装置将倍频晶体与激光晶体温度精确控制在20℃。
当泵浦功率达到5W时，得到功率1.2W、波长为532nm的单频激光输出。
实施例2
本实施例给出了一种产生单纵模532nm绿光的变频非平面环形腔激光器。
该激光器的组成结构与实施例1基本相同，区别在于：
1、泵浦源采用单管半导体激光器；
2、泵浦激光波长为885nm；
3、自变频晶体选用倍频晶体LBO，按照20℃下第一类相位匹配条件计算的相位匹配方向θ＝90°、φ＝11.6°切割，然后与激光晶体键合。
4、A点所在的输入输出耦合面镀有对885nm泵浦光高透、1064nm基频光p光高反94％ s光高反98％、对532nm高透。
当泵浦功率达到5W时，得到功率1.3W、波长为532nm的单频激光输出。
实施例3
参考图3，本实施例给出一种基于非平面环形腔结构的单纵模变频固态全固态激光器，能够输出单纵模660nm激光。
本实施例中，激光晶体1-01为0.6at％Nd:YAG，尺寸为25mm×12mm×4mm。自变频晶体1-02选用LBO倍频晶体，尺寸为10mm×5mm×3.6mm，按照20℃下第一类相位匹配条件计算的相位匹配方向θ＝90°、φ＝44°切割，然后与激光晶体键合；在图1b中的基频光沿AFEDCBA闭合回路形成振荡，BA为基频光倍频并输出的最佳方向；上述涉及到的几何光学知识和非线性光学知识，是本专业人员熟知和掌握的。
A点所在的输入输出耦合面镀有对808nm泵浦光高透膜、1319nm基频光p光高反93％s光高反97％、对660nm倍频光高透膜，与此同时为防止1064nm激光的起振，将在输入输出耦合面镀有对1064nm激光的高反膜。
本实施例中，泵浦源2采用发射波长808nm的连续输出激光二极管，泵浦光经泵浦光耦合装置3后以45°入射至输入输出面，然后经键合面折射后进入激光晶体1-01被充分吸收后实现泵浦过程；
本实施例中，采用的外加磁场装置为两块永久磁铁5，如图2所示放置于组合晶体的上下，使得自合晶体处于图1a所示磁场方向；
本实施例中键合好的KTP与Nd:YAG晶体放置于如图2所示温度控制装置6中，该装置由一个TEC制冷器和一个紫铜散热底座构成；TEC制冷器的制冷面紧贴晶体，其吸收的热量被传递给散热底座进行散热；该温度控制装置将倍频晶体与激光晶体温度精确控制在20℃。
当泵浦功率达到5W时，得到功率0.8W、波长为660nm的单频激光输出。
实施例4
本实施例给出了一种变频非平面环形腔激光器，能够输出单纵模589nm黄光。其基本结构与实施例3相似，区别在于：
1、A点所在的输入输出耦合面镀有对808nm泵浦光高透膜、1319nm基频光p光高反93％s光高反97％、1064nm基频光p光高反94％s光高反98％、对589nm和频光高透膜，这种镀膜选择将实现1064nm与1319nm双波长运转。
2、变频晶体采用LBO进行和频晶体，按照20℃下第一类相位匹配条件计算的相位匹配方向θ＝90°、φ＝4.3°切割，然后与Nd:YAG晶体键合。1064nm和1319nm基频光将在LBO内和频产生单纵模589nm黄光。
当泵浦功率5W时，得到功率0.6W的单频589nm激光输出。
实施例5
本实施例给出了一种变频非平面环形腔激光器，能够输出单纵模2128nm激光。其基本结构与实施例1相似，区别在于：
1、该激光器采用参量振荡的方法，泵浦光为1064nm激光，信号光与闲频光均为2128nm激光。
2、A点所在的输入输出耦合面镀有对808nm泵浦光高透膜、1064nm基频光p光高反93％s光高反97％、对2128nm激光30％透过膜，
3、选择的变频晶体为KTP，按照20℃下第一类相位匹配条件计算的相位匹配方向θ＝48.5°、φ＝0°切割，然后与Nd:YAG晶体光胶粘合。1064nm基频光将在KTP晶体内发生参量振荡，得到2128nm激光。
当然，本发明还可以有其他多种实施例。在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员能够根据本发明做出各种相应的改变和变型，但这些改变和变型都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (6)
1.一种基于非平面环形腔结构的单纵模变频全固态激光器，其包括：泵浦源、泵浦光耦合装置、激光晶体、外加磁场装置和温度控制装置；所述激光晶体制成由BC、CD、DE和EF构成单块非平面环形腔结构，C是非平面环形腔的第一反射点，D是非平面环形腔的第二反射点，E是非平面环形腔的第三反射点；其特征在于，还包括变频晶体，所述变频晶体键合在所述激光晶体的一端面上，所述激光晶体与键合于其端面上的变频晶体构成的具有非平面环形腔结构的组合晶体；所述变频晶体的非键合面作为光的输入输出耦合面；所述温度控制装置用于固定并控制组合晶体温度；所述外加磁场装置放置于所述组合晶体的上下方、侧面或四周；泵浦源发出的泵浦光经泵浦光耦合装置后对准输入输出耦合面上的A点折射进入变频晶体并沿AB方向传输，在B点折射进入激光晶体而被吸收，在激光晶体的非平面环形腔内依次沿BC、CD、DE和EF传输，之后经过变频晶体沿FA方向发生变频效应得到单纵模运转的变频激光，然后由输入输出耦合面的A点输出；或者
泵浦源发出的泵浦光经泵浦光耦合装置后对准所述输入输出耦合面上的A点折射进入变频晶体并沿AF方向传输，在F点折射进入激光晶体而被吸收，在激光晶体非平面环形腔内依次沿FE、ED、DC和CB传输，之后经过变频晶体沿BA方向发生变频效应得到单纵模运转的变频激光，然后由输入输出耦合面的A点输出；
所述变频晶体的非键合面上镀有对泵浦光高透、对基频偏振光高反和对变频光高透的膜，以实现变频单纵模激光输出；
或者所述变频晶体的非键合面上镀有对变频光高透、对基频偏振光部分高反和对变频光高透的膜，以实现变频单纵模激光和基频单纵模激光同时输出。
2.如权利要求1所述的基于非平面环形腔结构的单纵模变频全固态激光器，其特征在于：所述激光晶体为掺钕钇铝石榴石、掺钕氟化钇锂、掺钕钒酸钇、掺铒钇铝石榴石或掺钕铝酸钇，所述变频晶体为磷酸氧钛钾、三硼酸锂、偏硼酸钡、硼酸铯锂或周期性极化铌酸锂。
3.如权利要求1所述的基于非平面环形腔结构的单纵模变频全固态激光器，其特征在于：泵浦源为半导体激光器、光纤激光器或可调谐钛宝石激光器；泵浦源输出激光波长与激光晶体中掺杂离子的吸收波长相匹配；泵浦源输出激光是连续输出或脉冲输出。
4.如权利要求1所述的基于非平面环形腔结构的单纵模变频全固态激光器，其特征在于：外加磁场装置采用永久磁铁、通电导线圈或其他磁场产生装置。
5.如权利要求1所述的基于非平面环形腔结构的单纵模变频全固态激光器，其特征在于：所述变频晶体中发生的非线性光学效应为倍频、和频或光参量振荡。
6.如权利要求1所述的基于非平面环形腔结构的单纵模变频全固态激光器器，其特征在于：所述的温度控制装置控制组合晶体温度以满足基频光与变频光相位匹配。
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