CN104201553A - 一种双波长可调谐固体激光器及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双波长可调谐固体激光器，包括泵浦源和谐振腔，所述谐振腔包括后腔镜、固体激光介质、偏振器、第一利特曼光栅结构和第二利特曼光栅结构；所述激光经偏振器后分为水平偏振方向和竖直偏振方向射出，在所述水平偏振方向设置有第一利特曼光栅结构；在所述垂直偏振方向设置有二分之一波片和第二利特曼光栅结构。该激光器两个波长可以独立的调谐，并且具有高功率、高能量、调谐范围大、激光输出方向不随波长改变等优点，性能稳定。

Description

一种双波长可调谐固体激光器及其应用

技术领域

本发明涉及一种双波长可调谐固体激光器及其应用，属于激光器的技术领域。

背景技术

近年来，由于在激光测距、全息干涉测量、激光医疗和非线性频率变换等领域受到越来越广泛的应用,双波长激光器的已成为研究的热点。另一方面，很多应用对双波长激光器的性能提出了特殊的要求。特别是光谱测量、光学传感和可调谐的太赫兹源等领域，要求双波长激光器的两个激光能够在一定波长范围内独立的进行调谐。例如，波长相近的两个激光进行差频是产生太赫兹波的有效方法。为了产生能覆盖0.3THz-3THz范围的可调谐太赫兹波，进行差频的两个激光必须分别在十几纳米的范围内连续可调谐。产生双波长的方法很多，比如通过对腔镜的镀膜来平衡不同波长的增益与损耗,从而实现双波长同时输出。光栅作为波长选择元件，在固体激光器、半导体激光器和光纤激光器中均有应用，且实现了运行波长在较大范围内的调谐。

有研究者提出了利用光栅来获得双波长激光输出的方法，也有文献报道了光栅应用于掺镱光纤激光器获得双波长可调谐输出的实验结果。该方法实现了可调谐双波长激光输出，但输出的激光为随机偏振光，大大限制了其应用。由于采用的光栅为利特罗结构，加上光纤本身的限制，该方法不适用于大能量激光运行。另外，利特罗光栅结构作为调谐元件有其固有的缺点，比如，如果作为激光谐振腔的输出端，则输出激光的方向会随调谐波长的不同而改变，应用极不方便；而如果作为激光器谐振腔的全反端使用，激光泵浦方式则受到限制。因此，人们需要一种结构简单、调谐方便、适用范围广泛且输出效果好的可调谐双波长激光器。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种双波长可调谐固体激光器。本发明利用两个利特曼光栅结构作为谐振腔端面反射器件，通过巧妙的腔型设计，可实现双波长激光同时输出，并且两路激光的波长能够分别独立地调谐。另外，由于加入偏振选择元件，输出的双路激光具有不同偏振方向，大大增加了其应用范围。该激光器结构简单、调谐方便且适用于高功率大能量运行。

本发明还提供一种上述双波长可调谐固体激光器的工作方法。

本发明的技术方案如下：

一种双波长可调谐固体激光器，包括泵浦源和谐振腔，所述谐振腔包括后腔镜、固体激光介质、偏振器、第一利特曼光栅结构和第二利特曼光栅结构；

发出激光的固体激光介质、沿激光射出方向依次设置的偏振器；所述激光经偏振器后分为水平偏振方向和竖直偏振方向射出，在所述水平偏振方向设置有第一利特曼光栅结构；在所述垂直偏振方向设置有第二利特曼光栅结构；

所述第一利特曼光栅结构包括第一闪耀光栅和第一调谐镜：经所述偏振器水平偏振射出的水平偏振光经第一闪耀光栅衍射，一级衍射光经第一调谐镜反射回谐振腔，形成振荡，零级衍射光输出；

在所述偏振器与第二利特曼光栅结构之间设置有二分之一波片；所述第二利特曼光栅结构包括第二闪耀光栅、第二调谐镜；经所述偏振器垂直偏振射出的垂直偏振光经二分之一波片改变偏振方向，经第二闪耀光栅衍射，一级衍射光经第二调谐镜反射回谐振腔，形成振荡，零级衍射光输出。

根据本发明优选的，所述水平偏振光在所述第一闪耀光栅上的入射角范围是60-89.9°；所述竖直偏振光在所述第二闪耀光栅上的入射角范围是60°—89.9°。

根据本发明优选的，所述第一闪耀光栅和第二闪耀光栅均为金属镀膜的锯齿形闪耀光栅，刻线范围均为900线/mm—1800线/mm，一级衍射效率均为10％—98％；

根据本发明优选的，所述第一调谐镜和第二调谐镜均为镀膜平面镜，所述的镀膜为对激光的反射率大于99％的增反膜。

根据本发明优选的，所述固体激光介质为宽谱激光增益介质，其荧光线宽，即半峰全宽≥5纳米；所述固体激光介质根据工作波长不同，两个通光面上都镀有对泵浦光和激光的透过率大于99％的增透膜。

根据本发明优选的，所述固体激光介质所掺杂的激活离子：钕(Nd)、镱(Yb)、铒(Er)、铥(Tm)、钬(Ho)、铬(Cr)、钴(Co)和钛(Ti)中的一种或几种；所述激活离子的掺杂浓度为0.05at.％—10at.％。

根据本发明优选的，所述泵浦源是半导体激光器或闪光灯泵浦系统；泵浦方式是端面泵浦或侧面泵浦。

根据本发明优选的，所述激光谐振腔后腔镜的光入射面镀以对泵浦光的高透膜，在光出射面镀以激光的高反膜，反射率大于99％；所述后腔镜为平平镜、平凹镜或平凸镜；

所述偏振器为体偏振器或偏振片，所述偏振器对水平偏振光高透，垂直偏振光高反；

所述二分之一波片两面均镀有对激光的透过率大于99％的增透膜。

根据本发明优选的，所述后腔镜和固体激光介质之间还设置有调Q装置；所述调Q装置为电光调Q装置、声光调Q装置或可饱和吸收体被动调Q装置。所述声光调Q装置由射频输入装置和调Q晶体组成，调Q晶体的两端面均镀有透过率大于99％的增透膜；调制频率为1Hz－100KHz，通过输入射频波改变调Q晶体的密度，来实现周期性改变激光谐振腔阈值的目的，起到调Q开关作用；电光调Q装置由电光晶体和驱动电源组成，利用晶体的电光效应，对通过其中的激光的相位产生调制，进而改变偏振态，完成开、关门过程，调制频率为1Hz－100kHz；可饱和吸收体是利用材料的激发、跃迁特性，受激吸收时关门、向下跃迁时开门，以此完成对激光的开、关门控制，调制频率为1Hz－100kHz。

根据本发明优选的，在所述后腔镜的前部设置有激光二级管LD和光纤耦合系统。

一种上述双波长可调谐固体激光器的工作方法：

该激光器利用偏振器将一个固体激光介质产生的激光分为互相独立振荡的水平偏振光和垂直偏振光两束激光；

再分别由第一利特曼光栅结构和第二利特曼光栅结构分别进行调谐输出；由于采用的固体激光介质具有宽光谱特性，因此两路激光分别能够在波长范围10—100nm的波长范围内连续地进行调谐；

所述第一闪耀光栅对p偏振态，即，对水平偏振的激光一级衍射效率最高，而对s偏振态，即，对竖直偏振的激光一级衍射效率最低；其它偏振介于最高与最低中间；

在竖直偏振态的光路的第二利特曼光栅结构与偏振器之间加入一片二分之一波片：通过转动二分之一波片，改变这一路激光的偏振方向，平衡两路激光的输出能量和时间同步性。

本发明的优势在于：

本发明设计了一种新的双光栅结构，实现了双波长可调谐激光器。该激光器两个波长可以独立的调谐，并且具有高功率、高能量、调谐范围大、激光输出方向不随波长改变等优点，性能稳定。

附图说明

图1为闪光灯泵浦Nd:Glass自由运转双波长可调谐激光器光路结构示意图；

图2为闪光灯泵浦Nd:Glass电光调Q双波长可调谐激光器光路结构示意图；

图3为实施例1的输出光谱图；

图4为实施例1两路激光的脉冲能量和对应波长；

图5为实施例1的两路激光的脉冲的时间同步性；

图6为二极管端面泵浦Nd:Glass连续双波长可调谐激光器的光路结构示意图；

在图1-6中：1.激光谐振腔后腔镜；2.闪光灯泵浦系统；3.固体激光介质；4.偏振器；5.第一闪耀光栅；6.第一调谐镜；7.第二闪耀光栅；8.第二调谐镜；9.二分之一波片；10、电光调Q晶体；11、激光二级管LD；12、光纤耦合系统。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，但不限于此。

实施例1、

如图6所示。

一种双波长可调谐固体激光器，包括泵浦源和谐振腔，所述谐振腔包括后腔镜1、固体激光介质3、偏振器4、第一利特曼光栅结构和第二利特曼光栅结构；

发出激光的固体激光介质3、沿激光射出方向依次设置的偏振器4；所述激光经偏振器4后分为水平偏振方向和竖直偏振方向射出，在所述水平偏振方向设置有第一利特曼光栅结构；在所述垂直偏振方向设置有第二利特曼光栅结构；

所述第一利特曼光栅结构包括第一闪耀光栅5和第一调谐镜6：经所述偏振器4水平偏振射出的水平偏振光经第一闪耀光栅5衍射，一级衍射光经第一调谐镜6反射回谐振腔，形成振荡，零级衍射光输出；

在所述偏振器4与第二利特曼光栅结构之间设置有二分之一波片；所述第二利特曼光栅结构包括第二闪耀光栅7、第二调谐镜8；经所述偏振器4垂直偏振射出的垂直偏振光经二分之一波片改变偏振方向，经第二闪耀光栅7衍射，一级衍射光经第二调谐镜8反射回谐振腔，形成振荡，零级衍射光输出。

所述水平偏振光在所述第一闪耀光栅5上的入射角范围是60°—89.9°；所述竖直偏振光在所述第二闪耀光栅7上的入射角范围是60°—89.9°。

所述第一闪耀光栅5和第二闪耀光栅7均为金属镀膜的锯齿形闪耀光栅，刻线范围均为900线/mm—1800线/mm，一级衍射效率均为10％—98％；

所述第一调谐镜6和第二调谐镜8均为镀膜平面镜，所述的镀膜为对激光的反射率大于99％的增反膜。

所述固体激光介质3为宽谱激光增益介质，其荧光线宽，即半峰全宽≥5纳米；所述固体激光介质3根据工作波长不同，两个通光面上都镀有对泵浦光和激光的透过率大于99％的增透膜。

所述固体激光介质3所掺杂的激活离子：钕(Nd)、镱(Yb)、铒(Er)、铥(Tm)、钬(Ho)、铬(Cr)、钴(Co)和钛(Ti)中的一种或几种；所述激活离子的掺杂浓度为0.05at.％—10at.％。

在所述后腔镜1的前部设置有激光二级管LD和光纤耦合系统。

所述激光谐振腔后腔镜1的光入射面镀以对泵浦光的高透膜，在光出射面镀以激光的高反膜，反射率大于99％；所述后腔镜为平平镜、平凹镜或平凸镜；

所述偏振器4为体偏振器或偏振片，所述偏振器对水平偏振光高透，垂直偏振光高反；

所述二分之一波片两面均镀有对激光的透过率大于99％的增透膜。

在本实施例中，所述的固体激光介质4为Nd:Glass，尺寸为φ4mm×25mm，其掺杂浓度为3.5-at.％，两个端面均镀有808nm及1000nm－1100nm波长的增透膜(透过率大于99.8％)。

所述第一闪耀光栅5和第二闪耀光栅7为金属镀膜的锯齿形闪耀光栅，刻线为1050线/mm，激光入射角为66度。

所述第一调谐镜6和第二调谐镜8为平面镜，镀有对1000-1300nm波长的高反膜(反射率大于99.8％)。

所述偏振器4是体偏振器，镀有1000nm－1100nm波段的高透膜(透过率大于99.8％)，对水平偏振光高透，竖直偏振光高反。

所述λ/2片10镀有1000nm－1100nm波段的高透膜(透过率大于99.8％)。

所述的激光谐振腔后腔镜1为平镜，镀有对808nm的高透膜，透过率大于99％，和1000nm－1100nm波段的高反膜，反射率大于99％。

所述的激光二极管LD1端面泵系统是由波长为808nm附近的LD端面泵浦源(最高功率25W)及相应的光纤耦合系统12(纤芯直径600微米，数值孔径0.22，1:1.5成像)组成。

工作流程：LD1发出808nm的泵浦光经光纤耦合系统12进入固体激光介质Nd:Glass 3，所产生的激光经过偏振器4分为水平偏振光和竖直偏振光两路。第一和第二利特曼光栅结构分别作为两路激光的调谐和输出。经偏振器4后产生的水平偏振光经第一闪耀光栅5衍射，一级衍射光经第一调谐镜6反射回谐振腔形成振荡，零级衍射光输出；经偏振器4后产生的竖直偏振光经λ/2片9改变偏振方向，经第二闪耀光栅7衍射，一级衍射光经第二调谐镜8反射回谐振腔形成振荡，零级衍射光输出。分别转动第一调谐镜6和第二调谐镜8，可以使两路激光同时独立的实现波长调谐输出。

实施例2、

如图1所示。

如实施例1所述的一种双波长可调谐固体激光器，其区别在于，所述泵浦源是闪光灯泵浦系统；泵浦方式是侧面泵浦。

实施例3、

如图2所示。

如实施例2所述的一种双波长可调谐固体激光器，其区别在于，所述后腔镜1和固体激光介质3之间还设置有调Q装置；所述调Q装置为电光调Q装置、声光调Q装置或可饱和吸收体被动调Q装置。所述声光调Q装置由射频输入装置和调Q晶体组成，调Q晶体的两端面均镀有透过率大于99％的增透膜；调制频率为1Hz－100KHz，通过输入射频波改变调Q晶体的密度，来实现周期性改变激光谐振腔阈值的目的，起到调Q开关作用；电光调Q装置由电光晶体和驱动电源组成，利用晶体的电光效应，对通过其中的激光的相位产生调制，进而改变偏振态，完成开、关门过程，调制频率为1Hz－100kHz；可饱和吸收体是利用材料的激发、跃迁特性，受激吸收时关门、向下跃迁时开门，以此完成对激光的开、关门控制，调制频率为1Hz－100kHz。

所述的固体激光介质4为Nd:Glass，尺寸为φ6mm×13mm，其掺杂浓度为3.5-at.％，两个端面均镀有1000nm－1100nm波长的增透膜(透过率大于99.8％)。

所述第一闪耀光栅5和第二闪耀光栅7为金属镀膜的锯齿形闪耀光栅，刻线为1050线/mm，激光入射角为66度。

所述第一调谐镜6和第二调谐镜8为平面镜，镀有对1000-1300nm波长的高反膜(反射率大于99.8％)。

所述激光谐振腔后腔镜1为平镜，镀有1000nm－1100nm波段的高反膜(反射率大于99.8％)。

所述偏振器4是体偏振器，镀有1000nm－1100nm波段的高透膜(透过率大于99.8％)，对水平偏振光高透，竖直偏振光高反。

所述λ/2片9镀有1000nm－1100nm波段的高透膜(透过率大于99.8％)。

所述的电光调Q装置10由高压电源和调Q晶体组成，调Q晶体的长度为40mm，两端面均镀有对1000nm－1100nm波长的增透膜(透过率大于99.8％)；调制频率为1Hz。

在调Q状态下，每一路激光的波长都可以独立的进行调谐。对于水平偏振光这一路，通过转动第一调谐镜6，可以得到调谐波长范围是1050.1-1061.6nm；对于竖直偏振光这一路，当λ/2片9的快轴竖直时，通过转动第二调谐镜8，可以得到调谐波长范围是1050.5-1060.2nm。两路激光同时振荡时，可以输出双波长可调谐的两路激光。调谐光谱图如图3所示，将水平偏振这一路激光的波长固定在1059.7nm，得到竖直偏振光在1051.5-1057.5nm范围内的调谐。在竖直偏振光调谐过程中，通过转动λ/2片9，可以改变这一路激光的偏振方向，从而调节这一路谐振腔的损耗，从而平衡两路激光的输出能量和时间同步性。图4所示为调谐范围及对应的波长的能量。可以发现，在波长调谐过程中，水平偏振光和竖直偏振光的能量都维持在3mJ到4mJ之间，并且能量变化比较平稳。这在实际应用中可以充分发挥各波长的作用，不会出现某个波长因能量过低不能使用的问题。图5所示为两路激光脉冲在时间上同步。

实施例4、

一种如实施例1-3所述双波长可调谐固体激光器的工作方法：

该激光器利用偏振器4将一个固体激光介质3产生的激光分为互相独立振荡的水平偏振光和垂直偏振光两束激光；

再分别由第一利特曼光栅结构和第二利特曼光栅结构分别进行调谐输出；由于采用的固体激光介质3具有宽光谱特性，因此两路激光分别能够在波长范围10—100nm的波长范围内连续地进行调谐；

所述第一闪耀光栅5对p偏振态，即，对水平偏振的激光一级衍射效率最高，而对s偏振态，即，对竖直偏振的激光一级衍射效率最低；其它偏振介于最高与最低中间；

在竖直偏振态的光路的第二利特曼光栅结构与偏振器之间加入一片二分之一波片9：通过转动二分之一波片9，改变这一路激光的偏振方向，平衡两路激光的输出能量和时间同步性。

Claims (10)

1.一种双波长可调谐固体激光器，其特征在于，该激光器包括泵浦源和谐振腔，所述谐振腔包括后腔镜、固体激光介质、偏振器、第一利特曼光栅结构和第二利特曼光栅结构； 

发出激光的固体激光介质、沿激光射出方向依次设置的偏振器；所述激光经偏振器后分为水平偏振方向和竖直偏振方向射出，在所述水平偏振方向设置有第一利特曼光栅结构；在所述垂直偏振方向设置有第二利特曼光栅结构； 

所述第一利特曼光栅结构包括第一闪耀光栅和第一调谐镜：经所述偏振器水平偏振射出的水平偏振光经第一闪耀光栅衍射，一级衍射光经第一调谐镜反射回谐振腔，形成振荡，零级衍射光输出； 

在所述偏振器与第二利特曼光栅结构之间设置有二分之一波片；所述第二利特曼光栅结构包括第二闪耀光栅、第二调谐镜；经所述偏振器垂直偏振射出的垂直偏振光经二分之一波片改变偏振方向，经第二闪耀光栅衍射，一级衍射光经第二调谐镜反射回谐振腔，形成振荡，零级衍射光输出。 

2.根据权利要求1所述的一种双波长可调谐固体激光器，其特征在于，所述水平偏振光在所述第一闪耀光栅上的入射角范围是60-89.9°；所述竖直偏振光在所述第二闪耀光栅上的入射角范围是60°—89.9°。 

3.根据权利要求1或2所述的一种双波长可调谐固体激光器，其特征在于，所述第一闪耀光栅和第二闪耀光栅均为金属镀膜的锯齿形闪耀光栅，刻线范围均为900线/mm—1800线/mm，一级衍射效率均为10％—98％。 

4.根据权利要求1所述的一种双波长可调谐固体激光器，其特征在于，所述第一调谐镜和第二调谐镜均为镀膜平面镜，所述的镀膜为对激光的反射率大于99％的增反膜。 

5.根据权利要求1所述的一种双波长可调谐固体激光器，其特征在于，所述固体激光介质为宽谱激光增益介质，其荧光线宽，即半峰全宽≥5纳米；所述固体激光介质根据工作波长不同，两个通光面上都镀有对泵浦光和激光的透过率大于99％的增透膜。 

6.根据权利要求1所述的一种双波长可调谐固体激光器，其特征在于，所述固体激光介质所掺杂的激活离子：钕、镱、铒、铥、钬、铬、钴和钛中的一种或几种；所述激活离子的掺杂浓度为0.05at.％—10at.％。 

7.根据权利要求1所述的一种双波长可调谐固体激光器，其特征在于，所述泵浦源是半导体激光器或闪光灯泵浦系统；泵浦方式是端面泵浦或侧面泵浦。 

8.根据权利要求1所述的一种双波长可调谐固体激光器，其特征在于，所述激光谐振腔后腔镜的光入射面镀以对泵浦光的高透膜，在光出射面镀以激光的高反膜，反射率大于99％；所述后腔镜为平平镜、平凹镜或平凸镜；所述偏振器为体偏振器或偏振片，所述偏振器对水平偏振光高透，垂直偏振光高反；所述二分之一波片两面均镀有对激光的透过率大于99％的增透膜。 

9.根据权利要求1所述的一种双波长可调谐固体激光器，其特征在于，所述后腔镜和固体激光介质之间还设置有调Q装置；所述调Q装置为电光调Q装置、声光调Q装置或可饱和吸收体被动调Q装置；在所述后腔镜的前部设置有激光二级管LD和光纤耦合系统。 

10.一种如权利要求1-9任意一项所述双波长可调谐固体激光器的工作方法： 

该激光器利用偏振器将一个固体激光介质产生的激光分为互相独立振荡的水平偏振光和垂直偏振光两束激光； 

再分别由第一利特曼光栅结构和第二利特曼光栅结构分别进行调谐输出；由于采用的固体激光介质具有宽光谱特性，因此两路激光分别能够在波长范围10—100nm的波长范围内连续地进行调谐； 

所述第一闪耀光栅对p偏振态，即，对水平偏振的激光一级衍射效率最高，而对s偏振态，即，对竖直偏振的激光一级衍射效率最低；其它偏振介于最高与最低中间； 

在竖直偏振态的光路的第二利特曼光栅结构与偏振器之间加入一片二分之一波片：通过转动二分之一波片，改变这一路激光的偏振方向，平衡两路激光的输出能量和时间同步性。