CN103762489B - 波长连续可调谐激光装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种波长连续可调谐激光装置，涉及一种波长可调谐激光器。本发明包括泵浦源，在泵浦源输出的水平光路上顺序同轴放置泵浦光聚焦透镜，分色镜、掺Tm光纤、激光准直透镜和反射式体布拉格光栅；在反射式体布拉格光栅的反射光路上放置一平面介质膜反射镜，将反射式体布拉格光栅和平面介质膜反射镜固定在一旋转台上，在平面介质膜反射镜的反射光路上垂直放置宽带介质膜高反镜；面向第一分色镜的垂直光路上放置有输出端激光准直透镜；泵浦光聚焦透镜垂直放置，平面与掺Tm光纤增益介质相对；输出端激光准直透镜水平放置，平面与分色镜相对；分色镜的倾斜角度与水平正向成45°。优点：结构简单，操作方便，调谐范围宽，窄线宽，低损耗。
Description
技术领域
本发明涉及一种波长可调谐激光器，具体是一种波长连续可调谐激光装置，适用于固体、光纤及其它多种类型激光器可调谐运行。
背景技术
高功率窄线宽可调谐激光器在很多领域都有很重要的应用，比如在光谱探测、大气监测、激光雷达、非线性频率转换、激光医学等多个领域有着广泛的应用。
产生波长可调谐的方法很多，比如在光学谐振腔内插入滤波器、标准具或者棱镜进行波长选择，但由于标准具受自由光谱范围的限制，所以能达到的调谐范围很小，而且输出的波长容易出现多个峰值，光谱带宽比较宽；棱镜虽然能实现宽带调谐，但是需要使用多个棱镜才能得到窄线宽波长输出，这就增加了激光装置的复杂性。这些方法不但结构复杂，元件众多难于调节而且使得谐振腔损耗增大，输出效率降低。还有研究者利用光纤布拉格光栅（FBG）实现波长选择输出，该方法虽然可实现窄线宽可调谐运行，同时简化了谐振腔设计，但FBG在多模光纤中仍不能很好的实现波长的选择和窄化，另外就是不管是利用温度或应力等手段都无法进行宽范围波长调谐，而且由于FBG本身的特点它也不适用于高功率运行。现在很多研究者利用体布拉格光栅替代传统的光栅，即在光学谐振腔中利用衍射光栅与一个宽带介质膜高反镜组合形成反馈通道，衍射光栅在谐振腔中常作为端反镜（LaserPhysLett.2010(6):450-453）。这种装置虽然能实现性能优越的高功率窄线宽可调谐激光输出并也可以很好地解决系统体积庞大、结构复杂、插入损耗较大等问题，但是这种装置输出光束的方向会随着光栅转动而发生偏转，当调谐激光时都要重复调节谐振腔，直到形成反馈。因此这种方法特别难于调节，调节步骤繁琐、复杂。
总之，想要实现操作方便简洁的连续可调谐窄线宽激光输出，现有的技术已经很难实现。
发明内容
为了克服目前使用反射式体布拉格光栅实现波长连续可调谐的实验装置都很复杂，操作繁琐的问题，本发明提供一种波长连续可调谐激光装置，解决输出光束随光栅转动而转动的问题，结构简单，操作方便，调谐范围宽，窄线宽，低损耗，且适用于高功率运行。
本发明是以如下技术方案实现的：一种波长连续可调谐激光装置，包括泵浦源，在泵浦源输出的水平光路上顺序同轴放置泵浦光聚焦透镜，分色镜、掺Tm光纤、激光准直透镜和反射式体布拉格光栅；在反射式体布拉格光栅的反射光路上放置一平面介质膜反射镜，将反射式体布拉格光栅和平面介质膜反射镜固定在一旋转台上，在平面介质膜反射镜的反射光路上垂直放置宽带介质膜高反镜；面向分色镜的垂直光路上放置有输出端激光准直透镜；其中，泵浦光聚焦透镜垂直放置，平面与掺Tm光纤增益介质相对；所述的输出端激光准直透镜水平放置，平面与分色镜相对；分色镜的倾斜角度与水平正向成45°。
本发明的有益效果是：本发明所提出窄线宽可调谐激光装置在没有光束转向且保持腔的准直的情况下只要旋转该反光镜组合就可达到目的，无需过多的移动其他元件即可实现高功率连续可调谐窄线宽激光输出，其调谐范围的大小与反射式体布拉格光栅设计参数有关。结构简单、操作简单易行、调谐范围宽，光谱线宽窄、插入损耗小、效率高、适用于高功率运行。
附图说明
图1是本发明结构示意图。
图中：1、泵浦原；2、泵浦光聚焦透镜；3、分色镜；4、掺Tm光纤；5、反馈端激光准直透镜；6、反射式体布拉格光栅；7、平面介质膜反射镜；8、平面旋转台；9、宽带介质膜高反镜；10、输出端激光准直透镜。
具体实施方式
如图1所示，在泵浦源1输出的光路上放置泵浦光聚焦透镜2，在聚焦透镜2的后面放置分色镜3，分色镜3将激光器1输出的光束分为两束，反射光束透过输出端激光准直透镜10水平输出，在透射光束上按顺序同轴掺Tm光纤4、激光准直透镜5、倾斜放置反射式体布拉格光栅6，在反射式体布拉格光栅6的反射光路上放置一平面介质膜反射镜7，且要求放置的平面介质膜反射镜7要平行于反射式体布拉格光栅6放置，反射式体布拉格光栅6和平面介质膜反射镜7即组合成一个反光镜并将该组合固定在旋转台8上。在平面介质膜反射镜7的反射光路上垂直放置宽带介质膜高反镜9并固定，宽带介质膜高反镜9作为谐振腔的一个腔镜来帮助实现反馈回路。以互相平行的体布拉格光栅6和平面介质膜反射镜7组合成的反光镜任意一点为轴旋转组合成的反光镜，就可以实现窄线宽波长连续调谐输出。假设以旋转台8的中心A点（反射式体布拉格光栅和平面介质膜反射镜的中点）为轴旋转该反光镜组合(旋转时入射光束要保证在反射式体布拉格光栅的口径范围内)，由平面几何关系可知，只要保持反射式体布拉格光栅6和平面介质膜反射镜7始终是相互平行的且满足反射式体布拉格光栅选频条件，则入射到反射式体布拉格光栅6表面的光束就与由平面介质膜反射镜反射的光束平行，由装置6和7即反光镜组合得到的窄化的选频光被宽带介质膜高反镜9再次反射并按照原路返回，最终得到窄线宽的激光输出。
本发明采用图1中所示Z型谐振腔结构，当反射式体布拉格光栅处于正反馈状态时，它的反射波长为1999.7nm。反射式体布拉格光栅所反射的波长处于掺Tm光纤激光器的发射光谱范围内。反射式体布拉格光栅是由一种特殊组分的光热折射率玻璃制作而成，绝对衍射效率超过99%，温度稳定性高达400°C，且插入损耗小。脉宽为8ns的脉冲激光辐射下，其损伤阈值约为40J/cm2。这种体布拉格光栅提供窄光谱，最低达20pm，光谱选择性高为0.02nm，窄角度选择最小达100μrad。
所述的泵浦源1采用波长为792nm的半导体激光器。
泵浦光聚焦透镜2垂直放置，平面与掺Tm光纤增益介质4相对。
所述的分色镜3对780～803nm波长范围的光高透，对1850～2050nm波长范围的光高反；分色镜3的倾斜角度与水平正向成45°。
所述的输出端激光准直透镜10水平放置，平面与分色镜3相对。
所述的掺Tm光纤4的纤芯直径25μm，数值孔径为0.17，内包层直径为300μm，数值孔径为0.46，光纤长度为4.8m。
所述的反射式体布拉格光栅6反射中心波长1999.7nm，半波带宽（FWHM）为0.76nm，厚度为10.95mm，入射面尺寸为10×6mm2。
所述的平面介质膜反射镜7在2μm处反射率大于99%。
所述的宽带介质膜高反镜9为平面镜或者平凹镜，在2μm处反射率大于99%，始终使光按原光路返回。
功能原理：泵浦源1发出的泵浦光经泵浦光聚焦透镜2聚焦，透过第一分色3耦合入掺Tm光纤4增益介质中，从掺Tm光纤4另一端透过的光经激光准直透镜5准直后入射到反射式体布拉格光栅6,反射式体布拉格光栅6与平行光成倾斜角度放置,反射式体布拉格光栅6将平行光反射到平面介质膜反射镜7，从平面介质膜反射镜7发出的反射光入射到宽带介质膜高反镜9，宽带介质膜高反镜9将平面介质膜反射镜7反射到侧面的光按原光路返回，经反射式体布拉格光栅6反射入掺Tm光纤4中，从掺Tm光纤4的另一端经分色镜3反射，透过输出端激光准直透镜10后水平输出。
Claims (7)
1.一种波长连续可调谐激光装置，包括泵浦源（1），其特征在于：在泵浦源（1）输出的水平光路上顺序同轴放置泵浦光聚焦透镜（2），分色镜（3）、掺Tm光纤（4）、激光准直透镜（5）和反射式体布拉格光栅（6），反射式体布拉格光栅（6）倾斜放置，在反射式体布拉格光栅（6）的反射光路上平行放置一平面介质膜反射镜（7），将反射式体布拉格光栅（6）和平面介质膜反射镜（7）固定在一旋转台（8）上，在平面介质膜反射镜（7）的反射光路上垂直放置宽带介质膜高反镜（9）；面向分色镜（3）的垂直光路上放置有输出端激光准直透镜（10）；其中，泵浦光聚焦透镜（2）垂直放置，平面与掺Tm光纤(4)增益介质相对；所述的输出端激光准直透镜（10）水平放置，平面与分色镜（3）相对；分色镜（3）的倾斜角度与水平正向成45°。
2.根据权利要求1所述的波长连续可调谐激光装置，其特征在于：所述的泵浦源（1）采用波长为792nm的半导体激光器。
3.根据权利要求1所述的波长连续可调谐激光装置，其特征在于：所述的分色镜（3）对780～803nm波长范围的光高透，对1850～2050nm波长范围的光高反。
4.根据权利要求1所述的波长连续可调谐激光装置，其特征在于：所述的掺Tm光纤（4）的纤芯直径25μm，数值孔径为0.17，内包层直径为300μm，数值孔径为0.46，光纤长度为4.8m。
5.根据权利要求1所述的波长连续可调谐激光装置，其特征在于：所述的反射式体布拉格光栅（6）反射中心波长1999.7nm，半波带宽为0.76nm，厚度为10.95mm，入射面尺寸为10×6mm2。
6.根据权利要求1所述的波长连续可调谐激光装置，其特征在于：所述的平面介质膜反射镜（7）在2μm处反射率大于99%。
7.根据权利要求1所述的波长连续可调谐激光装置，其特征在于：所述的宽带介质膜高反镜（9）为平面镜或者平凹镜，在2μm处反射率大于99%，始终使光按原光路返回。
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