CN104218444B - 连续可调谐单频钛宝石激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种连续可调谐单频钛宝石激光器，包括泵浦源(3)、钛宝石晶体(2)、激光谐振腔、单向器、双折射滤波片(4)、标准具(5)以及压电陶瓷(14)；在构成激光谐振腔的第三平凹镜(11)和第四平凹镜(12)之间插入非线性晶体(1)，所述的非线性晶体(1)是加工成两通光面不平行的光学晶体或者是以布儒斯特角放置在光路中的光学晶体；而且所述的非线性晶体(1)是以临界位相匹配或非临界位相匹配方式实现激光器基频光的二次谐波产生。本发明使基频光主振荡模所经受的非线性损耗是非振荡模的一半，有效抑制基频光非振荡模起振，使激光器在有效的增益带宽内实现频率的连续可调谐。该激光器结构紧凑，操作方便。
Description
技术领域
本发明涉及钛宝石激光器，具体属于一种能在较宽范围内实现频率连续调谐的高稳定性单频钛宝石激光器。
背景技术
掺钛蓝宝石激光器的输出激光光谱覆盖了700-1000nm的红光和近红外波段，是迄今为止调谐范围最宽的固体激光器。作为原子冷却与原子俘获的优质光源，连续单频可调谐钛宝石激光器在冷原子物理以及量子光学等领域发挥着越来越重要的作用。其中780nm和795nm激光波长对应于铷原子跃迁线，可以用来俘获铷原子并将之冷却；同时，利用波长为780nm的激光作为泵浦光，通过OPO技术还可获得1560nm纠缠源，它位于光通信的第三个窗口，与当前的通信网络系统匹配兼容，可用于量子保密通信的研究。
1988年，Schulz利用氩离子激光器作为泵浦源获得了钛宝石激光器的连续单频运转，其波长调谐范围为：750-850nm。1991年，Harrison等利用腔内倍频的Nd:YAG激光器作为泵浦源获得了150mW的钛宝石激光输出，首次实现了全固化的钛宝石激光器。随后，随着泵浦源的功率不断提高，连续单频钛宝石激光器主要向高功率，高稳定性，宽调谐范围等方向发展。这些早期对钛宝石激光器的研究很少关注激光器的连续调谐特性。随着冷原子物理的兴起和发展，钛宝石激光器的连续调谐能力开始受到了人们的关注。到目前为止，市面上已经有几种连续单频可调谐钛宝石激光器供科技工作者选择。最具代表性的是美国相干公司生产的MBR系列钛宝石激光器和光谱物理公司生产的Matisse系列可调谐钛宝石激光器。还有俄罗斯Tekhnoscan推出的TiS-SF-007以及英国M Square Lasers公司生产的SolsTiS系列钛宝石激光器。这些钛宝石激光器为了实现频率连续调谐，均需要将谐振腔内标准具的透射峰锁定在激光器的工作频率上，使得激光器在进行频率连续扫描的时候，腔内标准具的透射峰始终与激光器的工作频率相对应而不发生跳模现象。标准具锁定环路的存在不仅增加了激光器的成本，而且使激光器在调试和使用过程中有相当难度。
发明内容
本发明目的在于克服现有连续可调谐钛宝石激光器存在的缺点，提供一种调试和操作简单，便于实现而且能满足实验室需求的具有一定调谐范围的高稳定性全固态连续可调谐单频钛宝石激光器。该激光器在保证激光器单频运转和有一定的频率连续调谐范围的基础上，设计和使用更加方便简单。
本发明所提供的一种连续可调谐单频钛宝石激光器，包括泵浦源、钛宝石晶体、由四个平凹镜和两个平面镜组成的激光谐振腔、单向器、粗调谐元件双折射滤波片、细调谐元件标准具以及精调谐元件腔镜上的压电陶瓷，在构成激光谐振腔的第三平凹镜和第四平凹镜之间插入非线性晶体，所述的非线性晶体是加工成两通光面不平行的光学晶体或者是以布儒斯特角放置在光路中的光学晶体；而且所述的非线性晶体是以临界位相匹配或非临界位相匹配方式实现激光器基频光的二次谐波产生。
本发明利用在谐振腔内插入非线性晶体，使得激光器的振荡模所经受的非线性损耗是非振荡模的一半而使激光器在非线性晶体的光谱接受带宽内实现激光器的频率连续调谐；取代了之前通过标准具锁定实现激光器的连续调谐，从而实现高调谐精度、高稳定性的连续可调谐钛宝石激光器。以BIBO晶体为例，当连续钛宝石激光器的工作波长为795nm时，BIBO晶体采用I类临界相位匹配方式切割(θ＝90°，)，便可将795nm的基频光变换到倍频光397.5nm。假如谐振腔内有两个模λi、λj同时起振,强度分别为I(λi)和I(λj)。二者在增益谱内相距很近，基频光经过非线性晶体作用后，模λi、λj所经受的非线性损耗分别为:Loss(li)＝kI(li)2+2kI(li)I(lj)和Loss(lj)＝kI(lj)2+2kI(li)I(lj)，这样，我们就可以知道模λi、λj所经受的相对非线性损耗分别为：loss(li)＝kI(li)+2kI(lj)和loss(lj)＝kI(lj)+2kI(li)。当I(λi)>>I(λj)时，可以得到：2loss(li)＝loss(lj)。也就是说，主振荡模所经受的非线性损耗是次模的一半，从而使得次模难以起振，进而激光器可以实现稳定的单纵模运转。这个结果适合于激光器有效增益带宽内的所有振荡模，因此，在激光器的有效增益带宽内可以实现激光器的频率连续调谐。
所述的钛宝石晶体是加工成两通光面不平行的光学晶体或者是以布儒斯特角放置在光路中的光学晶体。
所述的泵浦源的输出波长为400-600nm，优选532nm。
所述的泵浦源的泵浦方式是端面泵浦。
所述的单向器是由外加磁场的磁致旋光晶体和自然旋光晶体组成的宽带光学单向器。
所述的非线性晶体的材料是BIBO、BBO、LBO或PPKTP。
所述的粗调谐元件双折射滤波片是由厚度成一定比例的石英晶体片组成。双折射滤波片的存在不仅能实现激光器的频率粗调谐，而且能压窄激光器的线宽。双折射滤波片的自由光谱区由最薄一片的厚度决定，而双折射滤波片的透射峰宽度则由最厚一片决定。
所述的细调谐元件标准具是加工成通光面相互平行的光学晶体薄片。通过改变其在光路中放置的角度或改变其工作温度可以实现激光器的频率细调谐。
所述的压电陶瓷与谐振腔腔镜粘接在一起，通过扫描压电陶瓷的电压可以实现激光器谐振腔腔长的改变,最终实现激光器的频率连续精确调谐。
本发明所设计的连续可调谐钛宝石激光器与已报道的同类激光器相比较有以下优点：
1、利用在谐振腔内引入非线性晶体的方法实现了激光器的稳定单频运转，有效克服了多模和跳模现象的发生。
2、非线性晶体的存在使得激光器不需要腔内标准具锁定就可以实现激光器的频率连续调谐。
3、非线性晶体的引入可以有效抑制激光器的弛豫振荡频率处及其以下频率段的强度噪声。
4、不需要在谐振腔内插入额外的光学元件，只是通过扫描腔镜上的压电陶瓷实现激光器的频率连续调谐，降低了激光器的腔内损耗，提高了激光器的转化效率。
总之，本发明通过引入非线性晶体的方法获得了能单频运转的可调谐钛宝石激光器。该激光器具有频率连续可调，稳定单频运转以及低强度噪声等特点，因而在实际使用中具有极高的应用价值。
附图说明
图1本发明的一种连续可调谐单频钛宝石激光器光路图，图中：1-非线性晶体，2-钛宝石晶体，3-泵浦源，4-双折射滤波片，5-标准具，6-磁致旋光晶体，7-自然旋光晶体，8-第一平凹镜，9-第二平凹镜，11-第三平凹镜，12-第四平凹镜，10-第一平面镜，13-第二平面镜，14-压电陶瓷。
图2双折射滤波片的调谐实验结果
图3标准具的调谐实验结果
图4压电陶瓷的调谐实验结果
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步说明：
图1为本发明所设计的一种连续可调谐单频钛宝石激光器。泵浦源3发出的激光经耦合系统整形聚焦后入射到放置在六镜环形谐振腔中的增益介质钛宝石晶体2上。泵浦源3的发射光的中心波长为532nm，而且泵浦源3发射激光的线偏振方向是水平偏振，满足了增益介质钛宝石晶体2对泵浦光偏振吸收的需求。谐振腔采用六镜环行谐振腔结构，由四个平凹镜(第一平凹镜8、第二平凹镜9、第三平凹镜11、第四平凹镜12)和两个平面镜(第一平面镜10、第二平面镜13)构成。第一平凹镜8镀有对泵浦光增透，对振荡光高反膜；第二平凹镜9和第一平面镜10镀有对振荡光高反膜；第三平凹镜11和第四平凹镜12镀有对振荡光高反膜和倍频光增透膜；第二平面镜13对振荡光的透射率为2.95％。所述的增益介质钛宝石晶体2放置在第一平凹镜8和第二平凹镜9之间，其两端面均布儒斯特角(60.4°)切割，c轴垂直于晶体中的通光方向，以使π偏振泵浦光和振荡光几乎无损耗地透射，同时自动抑制σ偏振。所述的非线性晶体1是BIBO晶体，两端面同样以布儒斯特角切割。BIBO晶体采用I类临界相位匹配方式切割(θ＝90°，)，将795nm的基频光变换为倍频光397.5nm。激光谐振腔内的由外加磁场的磁致旋光晶体6和自然旋光晶体7组成的宽带光学单向器迫使激光器单向运转。非线性晶体BIBO引入了非线性损耗，从而有效地抑制了非振荡模起振，进而获得稳定运转的连续单频钛宝石激光器。
钛宝石激光器的频率调谐装置由粗调谐元件双折射滤波片4、细调谐元件标准具5和精调谐元件压电陶瓷14组成。双折射滤波片4由三片光轴平行、厚度比例为1︰2︰4的石英晶体材料制成。
在激光器正常工作后，通过调整粗调谐元件双折射滤波片4的光轴与入射光偏振方向之间的角度实现激光器频率的粗略调谐，调谐结果见图2。在此基础上，通过旋转细调谐元件标准具5与入射光之间的角度实现激光器的频率细调谐，调谐结果见图3；最后，通过扫描与腔镜相连的压电陶瓷14进而连续改变谐振腔腔长，最终实现激光器的频率精调谐及连续调谐，调谐结果见图4。在粗调谐元件双折射滤波片4、细调谐元件标准具5和精调谐元件压电陶瓷14的共同作用下，钛宝石激光器实现了频率的精确连续调谐。
Claims (1)
1.一种连续可调谐单频钛宝石激光器，包括泵浦源(3)、钛宝石晶体(2)、六镜环形激光谐振腔、单向器、双折射滤波片(4)、标准具(5)以及压电陶瓷(14)，所述六镜环形激光谐振腔由第一平凹镜(8)、第二平凹镜(9)、第三平凹镜(11)、第四平凹镜(12)、第一平面镜(10)和第二平面镜(13)构成；
所述的钛宝石晶体(2)放置在所述第一平凹镜(8)和所述第二平凹镜(9)之间，所述泵浦源(3)发出的中心波长为532nm的激光经耦合系统整形聚焦后入射到所述钛宝石晶体(2)上，该泵浦源(3)发射激光的线偏振方向为水平偏振，所述钛宝石晶体(2)两端面均以布儒斯特角60.4°切割，c轴垂直于晶体的通光方向，以使π偏振泵浦光和振荡光几乎无损耗地透射，同时自动抑制σ偏振；
所述第二平凹镜(9)和所述第一平面镜(10)之间设置所述双折射滤波片(4)，所述双折射滤波片(4)由三片光轴平行、厚度比例为1︰2︰4的石英晶体材料制成；
所述第一平凹镜(8)和所述第二平面镜(13)之间设置所述单向器，所述单向器为由外加磁场的磁致旋光晶体(6)和自然旋光晶体(7)组成的宽带光学单向器；
所述第一平面镜(10)和所述第三平凹镜(11)之间设置所述标准具(5)；
所述第一平凹镜(8)镀有对泵浦光增透、对振荡光高反膜，所述第二平凹镜(9)和所述第一平面镜(10)镀有对振荡光高反膜，所述第三平凹镜(11)和所述第四平凹镜(12)镀有对振荡光高反膜和倍频光增透膜，所述第二平面镜(13)对振荡光的透射率为2.95％；
在所述第三平凹镜(11)和所述第四平凹镜(12)之间插入非线性晶体(1)，所述的非线性晶体(1)是采用I类临界相位匹配方式、且两端面以布儒斯特角切割的BIBO晶体，切割角为θ＝90°、φ＝157°，θ为相位匹配角中的方向角，φ为相位匹配角中的方位角，该非线性晶体(1)用来将激光器795nm的基频光变换为397.5nm的倍频光，该非线性晶体(1)使得激光器的振荡模所经受的非线性损耗是非振荡模的一半，从而使激光器在非线性晶体(1)的光谱接受带宽内实现激光器的频率连续调谐；
所述双折射滤波片(4)、所述标准具(5)和所述压电陶瓷(14)组成所述钛宝石激光器的频率调谐装置，激光器正常工作后，通过调整所述双折射滤波片(4)的光轴与入射光偏振方向之间的角度实现激光器频率的粗略调谐，在此基础上，通过旋转所述标准具(5)与入射光之间的角度实现激光器的频率细调谐，最后，通过扫描与所述第一平面镜(10)相连的所述压电陶瓷(14)进而连续改变谐振腔腔长，最终实现激光器的频率精调谐及连续调谐，从而，在所述双折射滤波片(4)、所述标准具(5)和所述压电陶瓷(14)的共同作用下，钛宝石激光器实现了频率的精确连续调谐。
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