CN103414100A - 一种偏振功率比可调的正交偏振激光器 - Google Patents

Abstract

本发明属于激光器技术领域，具体涉及一种偏振功率比可调的正交偏振激光器，其特征在于，至少含有腔镜、激光增益介质、泵浦源。通过控制两个a轴切割、c轴正交的激光增益介质的泵浦功率，可方便的得到连续的偏振功率比可调的正交偏振激光器。通过对谐振腔内插入可旋转的二向色性偏振器件，可进一步调整输出激光的偏振功率比；通过在谐振腔内加入Q值调制元件，可以得到脉冲的偏振功率比可调的正交偏振激光；输出的正交偏振激光经过偏振放大器的放大，可进一步提高输出功率并控制偏振功率比。本发明与传统技术相比，具有偏振功率比连续可调、输出功率高、光束质量好、简单有效等优势。

Description

一种偏振功率比可调的正交偏振激光器

技术领域

本发明属于激光技术领域，具体涉及一种偏振功率比可调的正交偏振激光器。

背景技术

1960年，世界上第一台激光器—氙灯泵浦红宝石激光器问世。在世界上第一台激光器诞生之后的近半个世纪中，各种不同类型的激光器陆续出现；作为二十世纪最伟大的发明之一，激光器的应用遍及工业、通信、医学、军事、科学研究等诸多领域，对社会的发展和科学的进步起到了极大的推动作用。正交偏振激光器是指输出激光含有两个正交偏振态的激光器。正交偏振激光器被广泛的应用于精密计量领域，例如用于长度、角度、速度、振动、应力、重力、磁场等物理量的测量。此外正交偏振激光还被应用于科学研究领域，如激光冷却原子、激光全息、光谱成像、产生超短脉冲等方面。

传统的正交偏振激光器有两类，分别为塞曼(Zeeman)双频激光器和四频环形激光器。塞曼激光器(R.A.J.Keijser.Polarization properties of internal mirror he-ne lasers in a strongtransverse magnetic-field.Opt Commun.23(2)：194-198(1977))利用激光介质的塞曼效应，当磁场加在激光介质上时，激光介质的光谱分裂，不同偏振态的光谱线对应不同的增益，从而输出正交圆/线偏振激光。四频环形激光器(A.I.Shevtsova.A ring laser with orthogonally polarizedopposed waves.J.Appl.Spectrosc..35(3)：970-972(1981))则是利用旋光及磁光法拉第效应，在环形激光器中插入石英晶体及法拉第旋转器，输出正交圆偏振激光。近年来，清华大学张书练教授课题组发展了一种新型的基于双折射效应的正交偏振激光器。通过在激光器谐振腔中插入额外的双折射器件，这种双折射器件既可以是具有自然双折射特性的晶体，也可以是通过磁光、电光、应力致光学效应等可以产生双折射特性的其他器件。由于双折射，不同偏振态对应不同的环程光腔长度，于是便可以产生双频正交偏振激光。该小组实现了基于双折射效应的He-Ne激光器(Z.Zhao，S.L.Zhang，，Y.Tan and Y.Li，Cavity tuning characteristics oforthogonally polarized dual-frequency He-Ne laser at 1.15μm，Chin Phys Lett.，10(2)：021402(2012))、LD泵浦Nd:YAG激光器(Z.Ren，Y.D.Tan，X.J.Wan，and S.L.Zhang.Steady stateresponse of optical feedback in orthogonally polarized microchip Nd:YAG laser based on opticalfeedback rate equation.Appl Phys B-lasers O.99(3)：469-475(2010))，并对这类正交偏振激光器的光腔物理现象及其应用进行了系统研究，取得了一系列成果，发展和推广了基于腔内双折射效应的正交偏振激光(张书练，正交偏振激光原理，北京：清华大学出版社，2005；张书练，正交偏振双纵模激光器腔调谐物理效应，激光与光电子学进展，48：051401(2011)；张书练等，正交线偏振激光器原理与应用(I)—正交线偏振激光的产生机理和器件研究，自然科学进展，14(2)：145-154(2004a)；张书练等，正交线偏振激光器原理与应用(II)—物理现象研究，自然科学进展，14(3)：273-281(2004b)；张书练等，正交线偏振激光器原理与应用(III)—精密测量应用原理及技术基础研究，自然科学进展，14(4)：380-389(2004c)；美国专利005091913A；中国专利ZL197120293.1、ZL98117756.5、ZL200510086785.X、ZL200510011383.3、CN102589856A)。目前已经报道的上述所有这些正交偏振激光器均是在激光谐振腔内插入额外的双折射元件来得到正交偏振激光的。此外，中科院福建物构所基于激光增益介质的不同跃迁能级输出双波长正交偏振激光器(中国专利CN102468600A、CN102195229A、CN102468599A、CN103022882A)。最近还有基于复合腔结构的Y型腔输出正交偏振激光的报道(中国专利CN102507450A、CN102506728A、CN102507054A)。采用面发射的垂直腔半导体激光(Hurtado，I.D.Henning，and M.J.Adams.Different forms of wavelength polarizationswitching and bistability in a 1.55 mu m vertical-cavity surface-emitting laser under orthogonallypolarized optical injection.Opt Lett.34(3)：365-367(2009))以及激光相干合成技术(K.Regelskis，N.Gavrilinas，R.Trusovas，and G.Raciukaitis.Coherent addition of orthogonally polarized fibrelasers with high combining efficiency.Lith J Phys.50(2)：209-214(2010))也可以得到正交偏振激光。这些正交偏振激光器的结构一般都比较复杂，输出功率较低，光束质量较差，稳定性和经济性都较低。

掺Nd³⁺双轴双折射激光增益介质，如Nd:YVO₄、Nd:YAlO₃、Nd:GdVO₄、Nd:YLF等，具有能输出偏振激光的特性。以Nd:YVO₄为例，其具有优良的、类似于金红石(TiO2)的双折射值，在0.63nm-1.30nm范围内，其双折射值Δn≈0.24，在1.06μm处，n_o＝1.958，n_e＝2.161，透明区覆盖了从近紫外到中红外的光谱范围(0.45μm-4.8μm)。Nd:YVO₄在a轴切割时，激光E矢量为平行于晶体光轴方向的π偏振(E∥c)和σ偏振(E⊥c)的光谱，其最强吸收和最强辐射都发生在π偏振取向(受激发射截面)，因此常利用a轴切割掺Nd³⁺双轴双折射激光增益介质而得到线偏振的π偏振输出。

由于掺Nd³⁺双轴双折射激光增益介质的自然双折射特性可以输出线偏振光，如果将两块a轴切割的激光增益介质同时放置于谐振腔，并保证其c轴正交，当两块晶体同时被泵浦时，由于每块激光增益介质都能产生平行于自身c轴的π偏振振荡光，即可产生正交偏振激光。这种激光器利用了晶体的自然双折射特性，因此谐振腔内不需要插入额外的双折射元件，可以直接输出线偏振光，降低了系统的复杂性，提高了系统的稳定性。其次，采用半导体泵浦固体激光器的方式得到正交偏振激光，可以得到高功率、高效率和高光束质量的正交线偏振激光。特别是对各向异性掺Nd³⁺双轴双折射激光增益介质，其在泵浦时的各向异性散热造成的各向异性热畸变效应，在两c轴正交放置的掺Nd³⁺双轴双折射激光增益介质激光器中可以实现热畸变补偿，得到热稳定的高光束质量激光输出。对于此种正交偏振激光器，如果能在谐振腔内对相互正交的偏振光的增益或者损耗分别控制，还将可以得到偏振功率比可调的正交偏振激光；并可以对其进行腔内非偏振Q值调制，进一步得到脉冲的偏振功率比可调的正交偏振激光输出；若对输出正交偏振激光进行放大，当采用与谐振腔的增益模块类似的放大器放大时，在进行功率放大的同时还可进一步控制正交偏振激光的偏振功率比。

根据以上分析，本发明设计了一种偏振功率比可调的正交偏振激光器，并可进一步得到脉冲的、功率放大的偏振功率比可调的正交偏振激光输出，可以实现高功率、高性能、简单有效的正交偏振激光器。

发明内容

本发明的目的是提供一种偏振功率比可调的正交偏振激光器。关键技术在谐振腔内放置两块a轴切割的、且c轴正交的掺Nd³⁺双轴双折射激光增益介质，通过调节两正交偏振激光各自的增益或损耗，得到偏振功率比可调的正交偏振激光输出，同时利用腔内Q值调制及偏振放大技术，进一步得到脉冲的、功率可扩展的偏振功率比可调正交偏振激光器，具有偏振功率比连续可调、输出功率高、光束质量好、简单有效等特点。

本发明的特征在于，一种偏振功率比可调的正交偏振激光器，至少含有：腔镜、激光增益介质、泵浦源；所述腔镜至少包括一个后腔镜和一个输出镜，且后腔镜对激光高反射，输出镜对激光波长的透过率是设定的；所述激光增益介质是特定切割和放置的、产生激光输出的具有双折射特性的固体激光工作物质；泵浦源的发射谱与激光增益介质的吸收谱匹配；泵浦源发出的泵浦光直接，或通过耦合装置后入射激光增益介质；通过分别控制泵浦源的输出功率，即可控制正交偏振激光的偏振功率比；在所述激光器的谐振腔内可加入二向色性偏振器件调节两正交方向的偏折光的损耗，该二向色性偏振器件的透光轴垂直于谐振腔光轴并可以绕谐振腔光轴旋转，可进一步控制正交偏振激光的偏振功率比；在所述激光器的谐振腔内插入腔内Q值调制元件，可得到脉冲的偏振功率比可调的正交偏振激光输出；所述激光器的正交偏振输出光，可由偏振放大器进行功率放大，并通过控制放大器的泵浦源的输出功率，进一步控制偏振功率比。

所述激光增益介质为掺Nd³⁺双轴双折射激光增益介质，其c轴和a轴的受激发射截面有显著差别，且c轴的受激发射截面大于a轴的受激发射截面。

所述激光增益介质均为a轴切割，且放置于激光谐振腔中时，激光增益介质的a轴与光轴重合，激光增益介质的c轴保持正交，激光增益介质可以分离放置在谐振腔内，也可以通过光学胶合粘合在一起放置在光学谐振腔内。

所述泵浦源是半导体激光器，泵浦源的输出功率可同时或分别单独控制，且泵浦方式是端面泵浦、侧面泵浦、棱边泵浦和角泵浦中的任何一种。

所述二向色性偏振器件是具有二向色性的偏振晶体、偏振片、偏振薄膜。

所述腔内Q值调制元件可以是主动调Q元件，也可以是被动调Q元件；主动调Q元件为机械Q开关，非偏振声光Q开关，偏振轴正交的组合声光Q开关，腔倒空器件；被动调Q元件为非偏振吸收的可饱和吸收体。

所述腔镜中可以均为分立器件，也可以至少一个镀在激光增益介质、二向色性偏振器件、腔内Q值调制元件的通光面上。

所述的放大器可由一个及一个以上的偏振放大器进行功率放大，且每个偏振放大器中的泵浦源的泵浦功率均可单独控制。

本发明与现有正交偏振激光器相比，具有如下特点：

1、系统结构简单，输出的正交偏振激光的偏振功率比可调，二极管泵浦可得到高功率激光输出，c轴正交放置激光增益介质有利于补偿各向异性散热造成的热畸变，可实现高功率高光束质量的偏振功率比可调的正交偏振激光输出；

2、通过调制腔内Q值，可以得到脉冲输出的偏振功率比可调的正交偏振激光输出；

3、通过功率放大，可以得到功率扩展的偏振功率比可调的正交偏振激光输出。

附图说明

本发明“一种偏振功率比可调的正交偏振激光器”的附图有4个。

图1为本发明提供的一种偏振功率比可调的正交偏振激光器的第一个实施例的结构示意图。

图2为本发明提供的一种偏振功率比可调的正交偏振激光器的第二个实施例的结构示意图。

图3为本发明提供的一种偏振功率比可调的正交偏振激光器的第三个实施例的结构示意图。

图4为本发明提供的一种偏振功率比可调的正交偏振激光器的第四个实施例的结构示意图。

图1～图4中，(1)-后腔镜、(2)-激光增益介质、(3)-激光增益介质，(4)-输出镜、(5)-泵浦源、(6)-泵浦源、(7)-泵浦耦合系统、(8)-谐振腔光轴、(9)-正交偏振激光、(10)-二向色性偏振器件、(11)-腔内Q值调制元件、(12)-偏振放大器、(13)功率放大的正交偏振激光。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明“一种偏振功率比可调的正交偏振激光器”做进一步描述。

图1为本发明提供的一种偏振功率比可调的正交偏振激光器的第一个实施例，包括后腔镜(1)，激光增益介质(2)、(3)，输出镜(4)，泵浦源(5)、(6)，泵浦耦合系统(7)。

在该实施例中，由后腔镜(1)和输出镜(4)构成谐振腔，后腔镜对激光波长高反射，输出镜对激光波长部分反射，反射率是设定的。后腔镜(1)和(4)可为分立器件，也可将腔镜(1)或(4)中的至少一个镀在激光增益介质(2、3)的通光面形成谐振腔，本实施例中腔镜(1、4)均为分立器件。激光增益介质(2、3)形成激光器的增益物质，激光增益介质(2、3)为掺Nd³⁺双轴双折射激光增益介质，可以是Nd:YVO₄、Nd:YAlO₃、Nd:GdVO₄、Nd:YLF等，其c轴和a轴的受激发射截面有显著差别，且c轴的受激发射截面大于a轴的受激发射截面。激光增益介质(2、3)均为a轴切割，且放置于激光谐振腔中时，激光增益介质(2)和(3)的a轴与谐振腔光轴(8)重合，c轴保持正交，激光增益介质(2)和(3)可以分离放置在谐振腔内，也可以通过光学胶合粘合在一起放置在光学谐振腔内。本实施例中激光增益介质(2)和(3)为分离放置，激光增益介质(2)的c轴平行于纸面，激光增益介质(3)的c轴垂直于纸面。泵浦源(5、6)为半导体激光器，泵浦源的输出波长与激光增益介质(2、3)的吸收谱匹配，在泵浦激光增益介质(2、3)时以形成粒子数反转，并通过谐振腔形成激光振荡，得到正交偏振激光(9)输出；泵浦源(5)和(6)的输出功率可分别单独控制，输出的泵浦光可直接、或通过泵浦耦合系统(7)注入到激光增益介质(2、3)，且泵浦方式是下述端面泵浦、侧面泵浦、棱边泵浦和角泵浦中的任何一种。本实施例中泵浦源(5、6)通过泵浦耦合系统(7)分别注入到增益介质(2、3)，泵浦方式为侧面泵浦。本实施例中，正交偏振激光(9)输出由两偏振态s、p组成，分别为由激光增益介质(2)激射的偏振方向平行于其c轴的p偏振光和由激光增益介质(3)激射的偏振方向平行于其c轴的s偏振光。当同时或分别单独控制激光增益介质(2)和(3)对应的泵浦源(5)和(6)的输出功率时，即可控制正交偏振激光(9)的两正交偏振分量s和p的偏振功率比γ_s/p，例如保持泵浦源(5)不变，提高或降低泵浦源(6)的泵浦功率，则p偏振光的功率会对应的提高或降低，正交偏振激光输出(9)的偏振功率比γ_s/p会对应的提高或降低，实现偏振功率比γ_s/p的可调。通过同时或分别单独控制泵浦源(5)和(6)的输出功率，即可得到偏振功率比γ_s/p可调的正交偏振激光(9)输出。

图2为本发明提供的一种偏振功率比可调的正交偏振激光器的第二个实施例，其结构与第一个实施例类似，不同之处在于后腔镜(1)和输出镜(4)分别直接镀在激光增益介质(2)和激光增益介质(3)的通光面上，且谐振腔内插入二向色性偏振器件(10)。二向色性偏振器件(10)可以是偏振晶体、偏振片、偏振薄膜，其透光轴垂直于谐振腔光轴(8)并可以绕谐振腔光轴(8)旋转。令二向色性偏振器件(10)的透光轴与激光增益介质(2)的c轴的夹角为θ，且腔内正交偏振的s光和p光的功率分别为P_s和P_p，输出镜(4)的透过率为t，假设插入偏振片对腔内功率无影响，则根据马吕斯定律，此时输出的正交偏振激光的偏振功率比为：

${\mathrm{\γ}}_{s/p}=\left|\frac{t[P_s{\cos }^2(\mathrm{\π}/2-\mathrm{\θ})+t{P}_p{\cos }^2\mathrm{\θ}]\cos (\mathrm{\π}/2-\mathrm{\θ})}{t[P_s{\cos }^2(\mathrm{\π}/2-\mathrm{\θ})+t{P}_p{\cos }^2\left(\mathrm{\θ}\right)]\cos \mathrm{\θ}}\right|=\left|\tan \mathrm{\θ}\right|$

因此通过旋转二向色性偏振器件(10)绕腔内光轴(8)的角度θ，即可改变输出的正交偏振激光的偏振功率比。上述分析是基于理想状态，实际中，在谐振腔插入二向色性偏振器件(10)，腔内偏振正交的s光和p光将相应的引入不同的损耗，腔内功率P_s和P_p也将改变，实际的偏振功率比γ_s/p的变化形式将更为复杂。

图3为本发明提供的一种偏振功率比可调的正交偏振激光器的第三个实施例，其结构与第一个实施例类似，不同之处在于谐振腔内插入腔内Q值调制元件(11)。本实施例中的腔内Q值调制元件(11)为非偏振声光Q开关，但并不限于非偏振声光Q开关，腔内Q值调制元件可以是主动调Q元件，如机械Q开关，非偏振声光Q开关，由偏振轴正交的、且其中之一的偏振轴平行于增益介质(2)或(3)中任意一增益介质c轴的、两偏振声光Q开关组成的组合声光Q开关，腔倒空器件；腔内Q值调制元件还可以是被动调Q元件，如非偏振吸收的可饱和吸收体。腔内Q值调制元件(11)通过对谐振腔Q值进行调制，在Q值低时，激光增益介质(2、3)的反转粒子数积聚于激光上能级，谐振腔不能振荡；当Q值升高并达到阈值时，发生激光跃迁的雪崩效应，产生正交偏振激光脉冲；周期性的Q值调制则可以得到周期性脉冲输出的正交偏振激光(9)。通过类似于实施例1或实施例2的偏振功率比控制方法，最终可以得到脉冲输出的偏振功率比可调的正交偏振激光(9)。

图4为本发明提供的一种偏振功率比可调的正交偏振激光器的第四个实施例，其结构与第一个实施例相似，不同的是激光器输出的正交偏振激光(9)经过了偏振放大器(12)进一步放大，得到功率放大的偏振功率比可调的正交偏振激光(13)。偏振放大器(12)的激光增益介质(2)和(3)的a轴与正交偏振激光输出(9)的传播方向同轴，c轴保持正交，且其中任一激光增益介质(2)或(3)的c轴与要被放大的正交偏振激光(9)的其中任一偏振分量的偏振方向平行。偏振放大器(12)的泵浦源(5)和(6)的泵浦功率均可单独控制。通过同时或者分别控制偏振放大器(12)的泵浦源(5、6)的泵浦功率，可在实现功率放大的同时，进一步控制输出激光的偏振功率比，得到功率放大的偏振功率比可调的正交偏振激光(13)。偏振放大器的级数可以是一级或一级以上，本实施例中给出了一级放大的例子。本实施例中的信号正交偏振激光(9)由与实施例1相似的功率偏振比可调的正交偏振激光器提供，还可以由与实施例2或实施例3相似的功率偏振比可调的正交偏振激光器提供，可以是连续输出，也可以是脉冲输出。

Claims (8)

1.一种偏振功率比可调的正交偏振激光器，其特征在于，至少含有：腔镜(1、4)、激光增益介质(2、3)、泵浦源(5、6)；所述腔镜(1、4)至少包括一个后腔镜(1)和一个输出镜(4)，后腔镜(1)对激光高反射，输出镜(4)对激光波长的透过率是设定的；激光增益介质(2)和(3)是产生激光输出的具有双折射特性的固体激光工作物质；泵浦源(5)、(6)发出的泵浦光直接，或通过泵浦耦合系统(7)后分别单独入射激光增益介质(2)、(3)；通过控制泵浦源(5)和(6)的输出功率，得到与谐振腔光轴(8)同轴的偏振功率比可调的正交偏振激光(9)输出；在所述激光器的谐振腔内加入二向色性偏振器件(10)，可进一步调整正交偏振激光(9)的偏振功率比；在所述激光器的谐振腔内插入腔内Q值调制元件(11)，可得到脉冲正交偏振激光输出；所述激光器的正交偏振激光(9)，可由偏振放大器(12)进行功率放大，得到功率放大的正交偏振激光(13)输出，并进一步控制偏振功率比。

2.根据权利要求1所述的一种偏振功率比可调的正交偏振激光器，其特征在于，所述激光增益介质(2、3)为掺Nd³⁺双轴双折射激光增益介质，激光增益介质(2、3)的c轴和a轴的受激发射截面有显著差别，且c轴的受激发射截面大于a轴的受激发射截面。

3.根据权利要求1或2所述的一种偏振功率比可调的正交偏振激光器，其特征在于，所述激光增益介质(2、3)均为a轴切割，且放置于激光谐振腔中时，激光增益介质(2)和(3)的a轴与谐振腔光轴(8)重合，c轴保持正交；激光增益介质(2)和(3)可以分离放置在谐振腔内，也可以通过光学胶合方式粘合在一起放置在光学谐振腔内。

4.根据权利要求1所述的一种偏振功率比可调的正交偏振激光器，其特征在于，所述泵浦源(5、6)是半导体激光器，泵浦源(5、6)的输出波长与激光增益介质(2、3)的吸收谱匹配，泵浦源(5)和(6)的输出功率可同时或分别单独控制，且泵浦方式是端面泵浦、侧面泵浦、棱边泵浦和角泵浦中的任何一种。

5.根据权利要求1所述的一种偏振功率比可调的正交偏振激光器，其特征在于，加入腔内的二向色性偏振器件(10)是具有二向色性的偏振晶体、偏振片、偏振薄膜，其透光轴垂直于谐振腔光轴(8)并可以绕谐振腔光轴(8)旋转。

6.根据权利要求1所述的一种偏振功率比可调的正交偏振激光器，其特征在于，腔内Q值调制元件(11)可以是主动调Q元件，也可以是被动调Q元件；主动调Q元件为机械Q开关，非偏振声光Q开关，由偏振轴正交的、且其中任一偏振轴平行于增益介质(2)或(3)中任一增益介质c轴的两偏振声光Q开关所组成的组合声光Q开关，腔倒空器件；被动调Q元件为非偏振吸收的可饱和吸收体。

7.根据权利要求1所述的一种偏振功率比可调的正交偏振激光器，其特征在于，腔镜(1)和(4)可为分立器件，也可将腔镜(1)和(4)中的一个及以上镀在激光增益介质(2、3)、二向色性偏振器件(10)、腔内Q值调制元件(11)的通光面上。

8.根据权利要求1所述的一种偏振功率比可调的正交偏振激光器，其特征在于，输出的正交偏振激光(9)可以通过由一个及一个以上的偏振放大器(12)进行功率放大；每个偏振放大器(12)的激光增益介质(2)和(3)的c轴保持正交，a轴与正交偏振激光(9)的光轴重合，且其中任一激光增益介质(2)或(3)的c轴与要被放大的正交偏振激光(9)的其中任一个偏振分量的偏振方向平行；偏振放大器(12)的泵浦源(5)和(6)的泵浦功率均可单独控制。

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