CN104201556A - 一种高功率单纵模紫外全固态激光器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高功率单纵模紫外全固态激光器。该激光器包括振荡级系统、放大级系统、腔外倍频系统和电学总控系统；采用连续输出的单频激光器作为种子光源，采用改进的谐波探测方法，控制压电陶瓷改变谐振腔长，以两次从反射出腔的干涉种子光作为信号，在信号峰值处打开调Q开关，使谐振腔输出接近衍射极限的与种子激光相同频率的单纵模基频脉冲激光；再将基频光通过放大级泵浦模块进行双程放大，大幅提高功率；最后将放大后的基频光导入倍频系统，经二倍频晶体倍频和三倍频晶体和频，获得355nm的紫外脉冲激光。该激光器具有输出能量高，功率和频率稳定性好，紫外转换效率高，光束质量好，工作稳定，结构紧凑等优点。

Description

一种高功率单纵模紫外全固态激光器

技术领域

本发明属于全固态激光器领域，特别是一种高功率单纵模紫外全固态激光器，通过1064nm波长激光放大并三倍频得到355nm单纵模紫外激光。

背景技术

多普勒测风激光雷达在天气预报、环境监测、机场和靶场风速测量等领域显示了广阔的应用前景，该雷达系统对激光发射源的要求非常高，即要求激光器能输出一定功率的单纵模调Q脉冲，同时还要求单纵模激光器有良好的频率稳定性。单纵模窄线宽的调Q脉冲激光器作为激光雷达的发射源，其性能直接决定了整个激光雷达系统的测量精度和探测能力，具有傅里叶极限转换线宽的窄线宽脉冲激光器已成为目前多普勒激光雷达领域的研究重点和热点。就当前的国际技术发展现状来看，常见的测风激光雷达的激光源是二倍频或者三倍频的种子注入1064nm波长调Q激光器。目前，国内窄线宽激光发射源主要是采用进口国外的低重频单纵模激光器，较高重频的高功率种子注入单纵模全固态激光器技术研究开展有限，技术成熟度较低，制约了国内测风激光雷达技术的发展。

中国发明专利号ZL200910084323.2，名称为“三波段脉冲激光器”的发明专利中公开了一种使用主振荡级与功率放大器(MOPA)系统结合倍频装置产生高功率倍频激光的技术方案。首先由脉冲激光种子源(主振荡器)产生具有高光束质量且输出功率较小的1064nm基频种子光，然后经过激光放大装置(功率放大器)实现对种子光的高功率放大，然后采用腔外倍频系统获得二倍频532nm和四倍频266nm激光。但该技术方案未产生三倍频激光，也无法通过有序的调Q控制实现高重频的单纵模脉冲激光输出；申请号201210097219.9，名称为“种子光注入的腔内倍频532nm单纵模激光器”的发明专利公开了种子注入调Q结合腔内倍频的技术方案。采用1064nm种子注入，使用改进的谐波探测方法调Q获得了种子注入1064nm单纵模脉冲激光，再经腔内倍频输出较高功率单纵模532nm激光。该技术方案腔内倍频方式易影响基频光入射，且进行三倍频时不便同时获得基频光和二倍频光，而输出的二倍频光虽然功率较高，但如用于三倍频转换，功率仍然偏低。

开展高脉冲能量的种子注入单纵模全固态激光技术研究，突破其关键技术，研制高可靠性的工程样机，对提升我国激光测风雷达和高光谱激光雷的研制水平具体有现实意义，需求迫切。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种高功率单纵模紫外全固态激光器，该激光器工作频率高，工作稳定，可同时提供基频1064nm、倍频532nm、三倍频355nm激光输出，输出单脉冲能量高、窄线宽、频率稳定性好、光束质量高。

本发明基本工作原理如下：

一种高功率单纵模紫外全固态激光器，在其振荡级种子注入单频连续激光，在谐振腔内采用改进的谐振探测方法，由时序总控系统在光电二极管接收的谐振反馈信号极大值处打开调Q开关，获得种子注入1064nm基频单纵模脉冲激光，基频激光经放大级系统放大后，再二倍频和三倍频，获得单纵模绿光和单纵模紫外激光。时序总控系统同时对振荡级泵浦源、放大级泵浦源驱动进行精确时序控制，确保振荡级输出脉冲激光的功率和频率稳定性。

本发明具体技术方案如下：

一种高功率单纵模紫外全固态激光器，包括振荡级系统、放大级系统、腔外倍频系统和电学总控系统，振荡级系统输出的信号光依次进入放大级系统和腔外倍频系统。

所述振荡级系统包括种子注入光路和从动谐振腔；

所述种子注入光路主要包括种子激光器；

所述从动谐振腔包括后腔镜、调Q晶体、1/4波片、偏振片、振荡级泵浦源、激光晶体和输出镜；所述种子注入光路输出的种子光经所述后腔镜进入从动谐振腔，经过1/4波片后以布儒斯特角入射至所述偏振片，此时种子光的s光被反射出谐振腔外，而p光透过偏振片后经过谐振腔内一个完整的来回，在偏振片前变成了s光入射，再次以布儒斯特角入射后也被反射出腔外，两次反射出的s光相干涉，其干涉信号包含了腔长信息；所述调Q晶体与1/4波片一起组成升压式电光调Q开关，调Q晶体上加电压则谐振腔就能出光，断掉电压则不能出光；

所述放大级系统主要包括放大级泵浦模块；

所述电学总控系统由光电二极管、紧固于后腔镜的第一压电陶瓷、紧固于输出镜的第二压电陶瓷、压电陶瓷驱动电源和时序控制系统组成；所述的压电陶瓷驱动电源的输出端分别与第一压电陶瓷和第二压电陶瓷的输入端连接；在压电陶瓷上加电压可以引起位移从而改变谐振腔腔长；所述光电二极管检测由所述偏振片反射出腔外的种子光形成的干涉信号；所述时序控制系统输入端与所述光电二极管输出端相连，其输出端分别与压电陶瓷驱动电源的输入端、所述调Q晶体的控制端、所述振荡级泵浦源、放大级泵浦模块的控制端相连接；

所述时序控制系统在每个工作周期的起始点给振荡级泵浦源触发信号，振荡级泵浦源发出泵浦光照射到所述激光晶体上，通过压电陶瓷驱动电源在每个泵浦周期内在第二压电陶瓷上施加一斜坡电压以改变从动谐振腔腔长；时序控制系统通过判断光电二极管的反馈信号来完成谐振探测触发，使谐振腔输出与种子激光相同频率的单纵模激光。当时序控制系统通过检测光电二极管上的种子光干涉信号达到峰值时，给调Q晶体加压使调Q开关打开，随即输出单纵模激光。

所述腔外倍频系统主要包括二倍频晶体和三倍频晶体。

优选的，所述种子注入光路中包括耦合负透镜和耦合正透镜组成耦合透镜组，用来对种子光束整形，使其与腔内激光模式匹配；所述种子注入光路依次为种子激光器、耦合负透镜、隔离器、耦合正透镜、半波片、1/4波片、第一45度全反射镜、光束角度微调装置、第二45度全反射镜；所述半波片与1/4波片用来调节种子激光的偏振方向。

优选的，所述从动谐振腔中的振荡级泵浦源为波长808nm、以脉冲方式工作的半导体泵浦源，泵浦方式可采用单端泵浦或双端泵浦。

优选的，所述从动谐振腔中的后腔镜和所述调Q晶体之间设置光束角度微调装置，所述偏振片至激光晶体一端依次设置1/4波片和第一信号光反射镜，所述激光晶体另一端至输出镜依次设置第二信号光反射镜、1/4波片、光束角度微调装置和补偿负透镜；其中，所述第一信号光反射镜和第二信号光反射镜对808nm高透、1064nm高反，在所述激光晶体两端与光路分别成45度，使所述从动从动谐振腔形成“U”形谐振腔；上述两个增加的1/4波片可防止谐振腔内的烧孔效。该谐振腔采用单端泵浦，由泵浦耦合透镜将半导体泵浦源泵浦光透过所述第一信号光反射镜耦合入谐振腔光路；所述泵浦耦合透镜镀有808nm高透、1064nm高反膜，防止谐振腔内激光溢出造成泵浦激光损坏。

优选的，所述放大级系统采用双程放大光路结构，可更有效的放大功率；包括依次设置的隔离器、扩束镜、光束角度微调装置、半波片、偏振分光棱镜、放大级泵浦模块、热补偿透镜、1/4波片、光束角度微调装置和0度全反射镜；所述放大级泵浦模块采用激光二极管(LD)侧泵板条结构；所述热补偿透镜为两片柱面镜，同光轴分别竖直和水平放置，分别用来补偿竖直和水平方向的热效应。

优选的，所述腔外倍频系统包括依次设置的45度全反射镜、缩束镜、半波片、二倍频晶体、复合波片、三倍频晶体和2个分色镜；其中，所述复合波片对1064nm是全波片、对532nm是半波片；所述分色镜对355nm高反、1064nm和532nm高透；透过分色镜的基频1064nm和二倍频532nm激光可以选择输出或在激光器内部吸收。

优选的，所述腔外倍频系统的二倍频晶体使用一类相位匹配的三硼酸锂晶体(LBO)，所述三倍频晶体使用二类相位匹配的三硼酸锂晶体(LBO)。

优选的，种子注入的所述种子激光器选用连续输出的单频激光器，线宽为kHz量级，具有良好的频率稳定性和光束质量。

优选的，所述振荡级泵浦源、激光晶体和放大级泵浦模块均由半导体致冷器(TEC)进行温度控制，并由热敏电阻进行监控；当温度超出预设范围时，电学总控系统控制激光器停止工作。

优选的，使用的所述光束角度微调装置为光楔对；光楔对由2片光楔配对组合使用，可有效的提高光楔的调节角度范围和精度，锁紧后在振动环境中保持稳定，与传统的弹簧锁紧调节装置相比，可避免在使用过程中出现机械失调而不利于结构稳定的情况。

本发明技术方案具有以下优点：

1.放大级系统采用双程放大结构，有效提高能量提取效率，经补偿后放大级输出激光保持良好的光束质量；

2.倍频前加有缩束镜来增加激光的功率密度，提高了倍频和三倍频LBO晶体的转换效率；

3.激光系统采用TEC控温和水冷散热，提高了激光器的环境适应能力，可满足车载和机载要求；

4.光束角度微调采用了光楔对，提高调整结构的稳定性，避免振动环境中的失调，成为保证激光器长期稳定工作的关键；

5.激光器结构紧凑稳定，能量稳定性和频率稳定性好。

附图说明

图1为本发明的高功率单纵模紫外全固态激光器光学系统原理示意图；

图2为图1激光器光学系统结构示意图；

图3为图1激光器电学总控系统连接示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明技术方案做进一步说明：

图1是本发明单纵模紫外激光器的光学系统原理示意图。由图1可知，本发明高能量输出的单纵模紫外全固态激光器，其光学系统包括振荡级系统1、放大级系统2和腔外倍频系统3三部分，振荡级系统1输出的信号光依次进入放大级系统2和腔外倍频系统3，进入腔外倍频系统3的是经过放大的1064nm基频光，在腔外倍频系统3中先经过二倍频晶体，部分基频光转为532nm的二倍频光，再和剩余基频光一起，通过三倍频晶体，得到355nm的紫外激光。

图2是激光器光学系统结构示意图，图中所示为光学系统的元件设置。如图，振荡级系统1由两部分构成：种子注入光路10和从动谐振腔11。种子注入光路10依次由种子激光10-1、耦合负透镜10-2、隔离器10-3、耦合正透镜10-4、半波片10-5、1/4波片10-6、第一45度全反射镜10-7、光楔对10-8和第二45度全反射镜全反射镜10-9组成；从动谐振腔11依次由后腔镜11-1、光楔对11-2、调Q晶体11-3、1/4波片11-4、偏振片11-5、1/4波片11-6、第一信号光反射镜激光晶体11-7、激光晶体11-8、第二信号光反射镜11-9、1/4波片11-10、光楔对11-11、补偿负透镜11-12、输出镜11-13、半导体泵浦源11-14、泵浦耦合透镜11-15和11-16组成；调Q晶体11-3与1/4波片11-4一起组成升压式电光调Q开关，具体过程如下：调Q晶体11-3通电时相当于1/4波片，偏振片11-5只允许特定偏振方向的线偏光通过，该线偏振光经过所述调Q开关后其偏振方向旋转90度，旋转后的线偏光经反射镜返回后再次经过调Q开关，其偏振方向再次旋转90度，偏振方向经180度旋转未改变，仍可通过偏振片11-5；当调Q开关断电时，调Q晶体11-3相当于普通介质，调整角度使线偏振光经过调Q开关的1/4波片11-4变为圆偏光，经反射镜返回后再经过调Q开关变为线偏光，但偏振方向旋转90度，与偏振片11-5允许通过的偏振方向垂直，此时谐振腔就被关死，无激光输出。基频1064nm激光由输出镜11-13输出振荡级系统1。

放大级系统2依次由隔离器2-1、扩束镜2-2、光楔对2-3、半波片2-4、偏振分光棱镜2-5、放大级泵浦模块2-6、热补偿负透镜2-7和2-8、1/4波片2-9、光楔对2-10和0度全反射镜2-11组成；入射的线偏振1064nm基频光由隔离器2-1进入放大级系统2，偏振分光棱镜2-5与半波片2-4配合使用，半波片2-4将入射偏振光调整为竖直方向，入射光全部被偏振分光棱镜2-5反射至放大级泵浦模块2-6所在光路；放大级泵浦模块2-6基于LD侧泵板条结构，采用双程放大光路有效提取光能量；单程放大后的基频偏振光经1/4波片2-9后，由0度全反射镜2-11反射，再次通过1/4波片2-9时，偏振方向偏转90度，基频光第二次经过放大后透过偏振分光棱镜2-5进入腔外倍频系统3；

腔外倍频系统3依次由45度全反射镜3-1、缩束镜3-2、半波片3-3、二倍频晶体3-4、复合波片3-5、三倍频晶体3-6、分色镜3-7和3-8组成；二倍频晶体3-4为采用一类相位匹配的三硼酸锂晶体(LBO)，三倍频晶体3-6为采用二类相位匹配的三硼酸锂晶体(LBO)；晶体温度由温控炉控制，晶体角度由三维可调支架控制；复合波片3-5对1064nm是全波片、对532nm是半波片，用于调整两偏振态角度；对532nm二倍频激光来说是半波片，即旋转波片可以改变其偏振态；对1064nm基频激光来说是全波片，即旋转波片不能改变其偏振态；通过复合波片3-5改变二倍频激光的偏振方向，使二倍频光和基频光偏振交角满足通过三倍频晶体3-6和频时的要求；三倍频后，分色镜3-7和3-8对355nm高反、对1064nm&532nm高透，经2片分色镜反射后基频光和二倍频光被过滤掉，可以仅输出紫外激光；分色镜3-7透过基频光和二倍频光既可以输出，也可以在激光器内部吸收掉。

图3为电学总控系统4连接示意图，如图3所示，电学总控系统4由光电二极管4-1、紧固于后腔镜11-1的第一压电陶瓷4-2、紧固于输出镜11-13的第二压电陶瓷4-3、压电陶瓷驱动电源4-4和时序控制系统4-5组成；所述的压电陶瓷驱动电源4-4的输出端分别与第一压电陶瓷4-2和第二压电陶瓷4-3的输入端连接；在压电陶瓷上加电压可以引起位移从而改变谐振腔腔长；所述光电二极管4-1检测由所述偏振片11-5反射出腔外的种子光形成的干涉信号；所述时序控制系统4-5输入端与所述光电二极管4-1输出端相连，其输出端分别与压电陶瓷驱动电源4-4的输入端、所述调Q晶体11-3的控制端、所述半导体泵浦源11-14、放大级泵浦模块2-6的控制端相连接；

以上实施例中，谐振腔采用单端泵浦，半导体泵浦源11-14为脉冲工作方式，波长808nm，采用TEC和水冷控制其工作温度在25℃；TEC起到抽运热能量的作用，它分上下两个面，一个面制冷，一个面发热。冷面贴到半导体泵浦源上，发热面贴到水冷板上，使其工作在最佳状态；另外，激光晶体11-8和放大级泵浦模块2-6也均由TEC进行温度控制。

以上实施例中，使用了光楔对10-8、11-2、11-11、2-3和2-10来微调光束角度。

下面是本发明的一个实施例的具体参数：

种子激光器采用采用Innolight公司的Mephisto OEM产品，由单片激光晶体构成单向运转的非平面环型腔(NPRO)，输出1064nm单频线偏振的激光的瞬时光谱线宽为KHz量级，每分钟频率漂移小于1MHz，长期频率漂移<45MHz/3小时。

泵浦源峰值功率200W，中心波长807.5nm，采用光纤耦合输出单端泵浦，频率100Hz，占空比1％。激光介质为掺钕钇铝石榴石(Nd：YAG)Φ4*20键合晶体，中间掺杂长度10mm，掺杂浓度1at.％，两端各5mm不掺杂。

放大级泵浦模块(32)采用Bounce抽运结构的zigzag板条放大器，激光晶体为Nd：YAG，掺杂浓度1at.％，尺寸为110mm×6mm×6mm，端面切割为40度角，泵浦光为LD阵列。

从动谐振腔两腔镜均为平镜，后腔镜透过率T＝5％1064nm，输出镜透过率T＝60％1064nm，腔长500nm。在泵浦平均功率2.25W(峰值125W)时，振荡级输出功率0.43W(能量4.3mJ)，经双程放大后能量为85mJ，最后经频率转换后紫外激光最高输出达到35mJ，三倍频转换效率可达41％。紫外激光在2小时内的能量不稳定度小于1.5％。单频紫外激光有着接近极限的频谱宽度和良好的频率稳定性，输出紫外激光脉宽10ns，线宽57.6MHz。

实验结果表明，本发明激光器具有输出能量高，功率、频率稳定性好，紫外转换效率高，光束质量好，工作十分稳定，结构紧凑的特点。

应理解，上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于供本领域技术人员了解本发明的内容并据以实施，并非具体实施方式的穷举，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种高功率单纵模紫外全固态激光器，包括振荡级系统(1)、放大级系统(2)和腔外倍频系统(3)，所述振荡级系统(1)输出的信号光依次进入放大级系统(2)和腔外倍频系统(3)，其特征在于还包括电学总控系统(4)，其中： 

所述振荡级系统(1)包括种子注入光路(10)和从动谐振腔(11)； 

所述种子注入光路(10)包括种子激光器(10-1)； 

所述从动谐振腔(11)包括后腔镜(11-1)、调Q晶体(11-3)、1/4波片(11-4)、偏振片(11-5)、振荡级泵浦源、激光晶体(11-8)和输出镜(11-13)；所述调Q晶体(11-3)与1/4波片(11-4)一起组成升压式电光调Q开关； 

所述放大级系统(2)包括放大级泵浦模块(2-6)； 

所述电学总控系统(4)由光电二极管(4-1)、紧固于后腔镜(11-1)的第一压电陶瓷(4-2)、紧固于输出镜(11-3)的第二压电陶瓷(4-3)、压电陶瓷驱动电源(4-4)和时序控制系统(4-5)组成；所述的压电陶瓷驱动电源(4-4)的输出端分别与第一压电陶瓷(4-2)和第二压电陶瓷(4-3)的输入端连接；所述光电二极管(4-1)检测由所述偏振片(11-5)反射出腔外的种子光形成的干涉信号；所述时序控制系统(4-5)输入端与所述光电二极管(4-1)输出端相连，其输出端分别与压电陶瓷驱动电源(4-4)的输入端、所述调Q晶体(11-3)的控制端、所述振荡级泵浦源、放大级泵浦模块(2-6)的控制端相连接；所述时序控制系统(4-5)在每个工作周期的起始点给振荡级泵浦源触发信号，振荡级泵浦源发出泵浦光照射到所述激光晶体(11-8)上，通过压电陶瓷驱动电源(4-4)在每个泵浦周期内在第二压电陶瓷(4-3)上施加一斜坡电压以改变从动谐振腔(11)腔长，当时序控制系统(4-4)检测到光电二极管(4-1)上的所述干涉信号峰值时，给调Q晶体(11-3)加压打开调Q开关，随即输出单纵模激光，在每次出光后所述的压电陶瓷驱动电源(4-4)给第一压电陶瓷(4-2)施加一直流电压，保持出光时间的稳定。 

所述腔外倍频系统(3)包括二倍频晶体(3-4)和三倍频晶体(3-6)。 

2.根据权利要求1所述的高功率单纵模紫外全固态激光器，其特征在于：所述种子注入光路(10)依次为所述种子激光器(10-1)、耦合负透镜(10-2)、隔离器(10-3)、耦合正透镜(10-4)、半波片(10-5)、1/4波片(10-6)、第一45度全反射镜(10-7)、光束角度微调装置、第二45度全反射镜(10-9)。 

3.根据权利要求1所述的高功率单纵模紫外全固态激光器，其特征在于： 所述从动谐振腔(11)的振荡级泵浦源为波长808nm、以脉冲方式工作的半导体泵浦源(11-14)，泵浦方式可采用单端泵浦或双端泵浦。 

4.根据权利要求3所述的高功率单纵模紫外全固态激光器，其特征在于：所述后腔镜(11-1)和所述调Q晶体(11-3)之间设置光束角度微调装置，所述偏振片(11-5)至激光晶体(11-8)一端依次设置1/4波片(11-6)和第一信号光反射镜(11-7)，所述激光晶体(11-8)另一端至输出镜(11-13)依次设置第二信号光反射镜(11-9)、1/4波片(11-10)、光束角度微调装置和补偿负透镜(11-12)；其中，所述第一信号光反射镜(11-7)和第二信号光反射镜(11-9)对808nm高透、1064nm高反，在所述激光晶体(11-8)两端与光路分别成45度，使所述从动从动谐振腔(11)形成“U”形；该谐振腔采用单端泵浦，由泵浦耦合透镜(11-15；11-16)将半导体泵浦源(11-14)泵浦光透过所述第一信号光反射镜(11-7)耦合入谐振腔光路；所述泵浦耦合透镜(11-15；11-16)镀有808nm高透、1064nm高反膜。 

5.根据权利要求1所述的高功率单纵模紫外全固态激光器，其特征在于：所述放大级系统(2)采用双程放大结构，包括依次设置的隔离器(2-1)、扩束镜(2-2)、光束角度微调装置、半波片(2-4)、偏振分光棱镜(1-5)、放大级泵浦模块(2-6)、热补偿透镜(2-7；2-8)、1/4波片(2-9)、光束角度微调装置和0度全反射镜(2-11)；所述放大级泵浦模块(2-6)采用激光二极管(LD)侧泵板条结构；所述热补偿透镜(2-7；2-8)为两片柱面镜，分别同光轴竖直和水平放置。 

6.根据权利要求1至5所述的高功率单纵模紫外全固态激光器，其特征在于：所述腔外倍频系统(3)包括依次设置的45度全反射镜(3-1)、缩束镜(3-2)、半波片(3-3)、二倍频晶体(3-4)、复合波片(3-5)、三倍频晶体(3-6)和分色镜(3-7；3-8)；其中，所述复合波片(3-5)对1064nm是全波片、对532nm是半波片；所述分色镜(3-7；3-8)对355nm高反、1064nm和532nm高透；透过分色镜(3-7)的基频1064nm和二倍频532nm激光可以选择输出或在激光器内部吸收。 

7.根据权利要求6所述的高功率单纵模紫外全固态激光器，其特征在于：所述二倍频晶体(3-4)为一类相位匹配的三硼酸锂晶体(LBO)，所述三倍频晶体(3-6)为二类相位匹配的三硼酸锂晶体(LBO)。 

8.根据权利要求1至5所述的高功率单纵模紫外全固态激光器，其特征在于：所述种子激光器(10-1)为连续输出的单频激光器，线宽为kHz量级。 

9.根据权利要求1至5所述的高功率单纵模紫外全固态激光器，其特征在于：所述振荡级泵浦源、激光晶体(11-8)和放大级泵浦模块(2-6)均由半导体致冷器(TEC)进行温度控制，并由热敏电阻进行监控。 

10.根据权利要求1至5所述的高功率单纵模紫外全固态激光器，其特征在于：所述光束角度微调装置为光楔对(10-8；11-2；11-11；2-3；2-10)。