CN103872572A - 一种自调q、正交偏振双波长脉冲激光器 - Google Patents

Abstract

一种结构紧凑的自调Q、正交偏振双波长激光器，通过优化设计输出镜的倾斜角实现波长和偏振调节，并且利用Yb³⁺:Ca₃Gd₂(BO₃)₄晶体的非线性再吸收效应，实现自调Q、正交偏振双波长脉冲激光输出，两个输出波长的偏振方向彼此垂直，频率差在太赫兹波段。

Description

一种自调Q、正交偏振双波长脉冲激光器

技术领域

本发明涉及一种简便易用的实现自调Q、正交偏振双波长激光的技术，适用于不同波段的全固态激光设计，应用于需要高峰值功率、高偏振度、小型、低成本、正交偏振双波长激光的工业及研究领域。

背景技术

太赫兹辐射具有瞬态性、高信噪比、低能型、无损性、吸水性、透视性、指纹吸收谱等众多独特的性质，蕴含着丰富的物理和化学信息，在工业、军事和基础研究领域存在着巨大的发展空间。当前研究最广泛、效果最好的实现太赫兹辐射的技术之一是利用频差在太赫兹波段内的正交偏振双波长激光进行非线性差频或光子混频。另外，正交偏振双波长激光还具有优秀的时域和频域特征，在医学、全息技术、精细光谱学、精细测量学、差分雷达等领域具有重要的应用价值，受到了广泛的关注。因此正交偏振双波长激光技术是当前科学研究的重要热点。

迄今为止，正交偏振双波长激光的相关研究已经取得众多成果，其应用在气体激光、全固态激光、光纤激光中都得到了的优秀的性能指标。在当前报道的众多方案中，时间及空间同步性最好的方案是使用单一激光晶体同时输出强度相同的两个波长，并且不同波长位于不同的偏振方向。然而，其研制和使用中仍存在亟需解决的问题。（1）在自由运转情况下，不同波长和偏振态之间存在强烈的模式竞争，导致激光波长和偏振的不稳定。因此如果要实现稳定的双波长正交偏振激光，需要适当调控腔内损耗，让不同波长和偏振达到增益平衡，从而实现稳定的双偏振双波长输出。现在常用的调控方法主要有两种：一种是在激光腔内插入双折射滤光片[Opt.Lett.36,4818-4820(2011)]、标准具[Opt.Express20,5644(2012).]、光栅[Laser Phys.Lett.8,520-524(2011)]等选频元件，另一种是对激光腔进行专门设计，比如用两块激光晶体构成复合腔[Opt.Lett.37,4901-4903(2012)]、用两束泵浦光激励同一块晶体的不同区域分别产生不同波长[App.Phys.B98,401-406(2010)]。这两种方法均需要在自由运转激光腔上附加一种或多种元件，不可避免的具有系统复杂，成本高，对环境条件敏感，操作难度大等缺点。（2）在很多实际应用中，连续激光的功率难以达到要求，需要用调Q技术将峰值功率提高。现在常用的调Q元件，如可饱和吸收体、声光、电光调制器，均会产生损耗，降低了激光效率，同时也提高了成本、增大了激光器体积。所以有必要寻找一种简单易行的实现高峰值功率、低成本、高稳定性的正交偏振双波长激光的技术以满足工业及科研的迫切需求。

要实现自调Q、频率差在太赫兹波段、高偏振度的正交偏振双波长激光，对激光晶体的性能有较高要求。首先增益带宽要足够宽，能支持频差在0.3-3THz的两个波长同时振荡，其次在这两个波长的增益位于相互垂直的两个偏振方向上，更重要的两个发射波长具有相似的增益截面，这样才能通过调节损耗达到两个发射波长强度的平衡，实现稳定的激光输出。

本专利所用的激光晶体为Yb³⁺:Ca₃Gd₂(BO₃)₄(Yb:CGB)，属于单斜晶系，空间群是Pnma，晶胞参数为

V=963.2，Z=4。Yb:CGB激光晶体具有较好光学、物理性能，特别是当通光方向为a轴时，在E//b和E//c两个相互垂直方向上均有强度相当的激光增益，而且增益带宽可达到50nm。激发态²F_5/2的具有极长的能级寿命，经测量当Yb³⁺离子掺杂浓度为5%、10%和15%时，其能级寿命分别达到0.83ms、0.97ms和1.14ms。

发明内容

本发明的是一种新型的高稳定性、小型、低成本的自调Q、正交偏振双波长激光器，解决了目前正交偏振双波长激光器本身结构复杂的不足，实现起来简单易行且性能可靠。

本发明的技术解决方案如下：

本发明的基本原理为：

当Yb:CGB的通光方向沿a轴时，输出镜的倾斜对E//b和E//c偏振方向激光产生的菲涅尔损耗可表示为

L_b=R_b(n，θ)+[1-R_b(n，θ)]·R_b[1/n，arcsin(sinθ/n)]，       (I)

L_c＝R_c(n，θ)+[1-R_c(n，θ)]·R_c[1/n，arcsin(sinθ/n]，          (2)

其中，

$R_b(n,\mathrm{\θ})={\left|\frac{\cos \mathrm{\θ}-\sqrt{n^2-{\sin }^2\mathrm{\θ}}}{\cos \mathrm{\θ}+\sqrt{n^2-{\sin }^2\mathrm{\θ}}}\right|}^2,---\left(3\right)$

$R_c(n,\mathrm{\θ})={\left|\frac{n^2\cos \mathrm{\θ}-\sqrt{n^2-{\sin }^2\mathrm{\θ}}}{n^2\cos \mathrm{\θ}+\sqrt{n^2-{\sin }^2\mathrm{\θ}}}\right|}^2.---\left(4\right)$

式中，θ是入射角，等同于输出镜相对于竖直方向的倾斜角；n是输出镜相对于空气的折射率。根据这两个公式，可以计算出输出镜倾斜角与腔内损耗的定量关系，从而可通过将输出镜倾斜到一定角度，将不同偏振不同波长的净增益调节到相同状态，实现相互垂直偏振的两个波长稳定同步输出。

Yb:CGB的激光发射波长位于1.01-1.06μm波段，由于Yb:CGB晶体属于准三能级结构，其在发射波段具有明显的再吸收效应，也就是其发射的光子能量会被自己吸收，这体现为再吸收损耗。期间基态²F_7/2的较高stark子能级的电子被激发到激发态²F_5/2。特别是在低泵浦强度的小信号增益下，损耗很容易超过增益，阻止激光振荡。当大部分基态离子因再吸收效应被激发到激发态时，再吸收损耗会明显降低，表现为再吸收效应的漂白。由于Yb:CGB极长的激发态寿命能存储大量的反转粒子，当再吸收效应被漂白时，损耗低于增益，积累的大量的反转粒子雪崩式跃迁到基态，产生高峰值功率的自调Ｑ脉冲。这两种原因导致Yb:CGB同时具有激光晶体和可饱和吸收体的作用。所以自调Ｑ效应类似于被动调Ｑ，但是腔内不需要附加可饱和吸收体，简化了激光器结构，提高了抗外界环境扰动的能力，并且降低了成本。

与其他技术相比，本发明具有以下显著特点：

（1）本发明不需附加光学选频元件或复杂腔型设计，完全依靠轻微倾斜激光器输出镜调节菲涅尔反射，实现对两个波长及其偏振方向的损耗调控，产生长时间高稳定性的垂直偏振双波长激光，结构简单，实现容易、成本低廉。

（2）本发明将Yb:CGB激光晶体长激发态寿命的强储能能力与Yb³⁺离子准三能级结构的非线性再吸收效应结合，在无任何附加调Q元件的情况下，实现了脉宽百纳秒级的自调Q激光输出，将连续激光的峰值功率提高了百倍。

（3）可根据目标性能，如波长、频差、功率等，灵活方便的设计激光器。

（4）使用的Yb:CGB为成熟的激光晶体，生长简单，成本低廉。

（5）本发明可应用在其他晶体和波段上。

附图说明

图1本发明自调Q、正交偏振双波长Yb:CGB激光器实验装置图

图2本发明实例的所用Yb:CGB晶体的非线性可饱和透射谱

图3采用本发明实施例所获得的正交偏振双波长Yb:CGB激光光谱图

图4采用本发明实施例所获得的自调Q时域波形图

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。参阅图1为本发明自调Q、正交偏振双波长Yb:CGB激光器装置框图。由图可见本发明包括泵浦源(1)，泵浦光聚焦系统(2)，激光腔输入镜(3)，Yb:CGB激光增益晶体(4)，激光腔输出镜(5)。其特征在于轻微倾斜输出镜调节菲涅尔反射，实现对两种波长及其偏振方向的损耗调控，并将Yb:CGB激光晶体长激发态寿命的强储能能力与Yb³⁺离子准三能级结构的非线性再吸收效应结合，在无任何附加选频元件和调Q器件的情况下，实现自调Ｑ、垂直偏振双波长激光输出，频差在太赫兹波段，脉冲宽度可达到百纳秒级。

本实例所采用泵浦源(1)为光纤耦合的半导体激光器，波长位于976nm；泵浦光聚焦系统(2)为望远镜透镜组，光斑变换比为1:1；谐振腔输入镜(3)为平面镜，对976nm镀高透膜，对1010-1070nm的镀高反膜；激光增益材料(4)为a切的Yb:CGB晶体，尺寸为3x3x5mm³，掺杂浓度分别为5%、10%和15%的，晶体放置位置为b轴沿水平方向，c轴沿垂直方向，晶体用水冷控温到24℃；谐振腔输出镜(5)为平凹输入镜，曲率半径为75mm，对1010-1070nm透过率为3%。图2所示，Yb:CGB的透过率与光强度具有非线性关系。根据对数据的拟合，可以得到对5%、10%和15%的Yb:CGB，调制深度分别为9.8%、6.7%和3.9%，非饱和损耗分别为3.9%、6.7%和9.8%。通过将斜输出镜在垂直方向上倾斜0.19-0.31度角，对不同偏振不同波长产生适当的不同量的菲涅尔损耗，我们用三块晶体均实现了双偏振双波长激光，偏振方向分别为E//b和E//c。对于掺杂浓度为5%、10%和15%的Yb:CGB，激光输出波长和偏振分别为1050.9(E//b)和1056.9(E//c)nm、1052.6(E//b)和1057.7(E//c)nm、以及1053.4(E//b)和1059.2(E//c)nm。波长差为1.62、1.38和1.60THz，均位于太赫兹波段。如图3所示，以10%掺杂Yb:CGB为例，激光光谱位于1052.6nm（E//b）和1057.7nm（E//c）。图4为10%浓度Yb:CGB自调Q脉冲波形图，在泵浦功率2.9W时，得到了脉宽287ns的脉冲，相应重复频率为35kHz，平均输出功率为416mW。此时自调Q脉冲的峰值功率为41W，相比平均输出功率提高了100倍。

Claims (2)

1.一种实现自调Q、垂直偏振双波长激光脉冲输出的装置，其特征在于：至少包括半导体泵浦源，耦合系统，Yb³⁺:Ca₃Gd₂(BO₃)₄激光增益晶体，腔镜；所述的腔镜包括一个输入耦合镜和一个输出耦合镜。

2.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，通过倾斜输出镜产生适当的菲涅尔反射以调节谐振腔损耗实现垂直偏振双波长激光输出，波长差在太赫兹波段，同时利用Yb³⁺:Ca₃Gd₂(BO₃)₄的强储能能力和非线性再吸收效应产生自发调Q脉冲激光输出。

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