CN104242044A - 电光双折射双腔双频Nd:YAG激光器及频差调谐方法 - Google Patents
电光双折射双腔双频Nd:YAG激光器及频差调谐方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开的电光双折射双腔双频Nd:YAG激光器及其频差调谐方法，包括半导体激光器LD，自聚焦透镜，Nd:YAG激光晶体，第一偏振分光棱镜，第一电光双折射输出耦合镜，第二电光双折射输出耦合镜，第一反射镜，第二反射镜，第二偏振分光棱镜，电压源Ⅰ，电压源Ⅱ。其中第一电光双折射输出耦合镜通过导线与电压源Ⅰ连接，第二电光双折射输出耦合镜通过导线与电压源Ⅱ连接。通过调节电压源Ⅰ和电压源Ⅱ的电压，即可实现1064nm双频激光频差的调谐，频差调谐范围为0～150GHz，调谐方法简单，容易控制。另外，本发明的大频差调谐双频激光器结构简单，所需元器件少。
Description
技术领域
本发明属于激光器技术领域，具体涉及一种电光双折射双腔双频Nd:YAG激光器，本发明还涉及采用上述激光器进行频差调谐的方法。
背景技术
目前，国内外双频激光器的研究重点和发展主流是在保证激光器以单纵模运转的条件下，利用一些物理效应，如塞曼效应、光弹效应、电光和热光效应等使单纵模激光产生分裂，从而获得正交偏振双频激光同时振荡输出。这种单轴的双折射双频激光器具有体积小、结构简单、调谐方便、易于集成等优点，但存在以下问题：最大频差调谐范围为1个纵模间隔，即调谐范围较小，且调谐方法复杂。
例如国内清华大学精密测试技术及仪器国家重点实验室开展了基于应力双折射效应的LD泵浦双频Nd:YAG激光技术研究(黄春宁，李岩，郭辉，朱钧，新型大频差可调谐双频激光器，光电子·激光，2002，13(3):229-231)，在单块Nd:YAG晶体两面蒸镀介质膜，直接形成封闭的平-凹型谐振腔，通过设计的加压装置将液体压力沿垂直于激光腔轴方向作用到Nd:YAG晶体上，由于应力双折射效应的缘故，激光纵模分裂为两个正交线偏振的o模和e模，从而产生1064nm正交线偏振双频Nd:YAG激光输出，其频差大小可随外加压力的改变而调谐，实验得到的最大频差为3.4GHz。这种LD泵浦应力双折射双频Nd:YAG激光器频差可调谐，缺点是频差调谐范围小，仅为几GHz。北京理工大学赵长明教授(卢葱葱，赵长明，吴克瑛，利用微失调扭转模腔产生双频激光器，北京理工大学学报，1999，19(3):343-347)等利用扭转模腔技术使得LD泵浦Nd:YAG激光器输出单纵模，通过微调双波片之间的夹角产生单纵模分裂，输出连续可调谐双频激光，采用琼斯矩阵得出双频激光的偏振态为线性正交，并且推导出频差与两波片快轴之间夹角的关系。之后，他们设计了激光二极管抽运频差可调谐双频固体激光器(李磊，赵长明，张鹏，杨苏辉，激光二极管抽运频差可调谐双频固体激光器的研究，物理学报，2007，56(5):2663-2669)即用标准具实现单频运转，在谐振腔中插入两个λ/4波片产生双频激光输出，通过调节两个波片的夹角大小连续改变双频激光频差，实验获得了频差在50MHz～1.3GHz连续可调谐的双频激光。此后，他们采用耦合腔法(吴霞，杨苏辉，陈颖，赵长明，刘志杰，耦合腔结构可调谐双频固体激光器的研究，光学学报，2012，32(3)：0314003)实现单频运转，双λ/4波片使单纵模激光频率分裂，通过改变两个λ/4波片快轴之间的夹角来实现频差调谐。但是这种双频激光器始终存在无法获得频差更大的双频激光输出的缺点，最大为一个纵模间隔。
当然在微片激光器中，由于纵模间隔较大，也可以获得较大的调谐范围，最大调谐范围可达几十GHz～上百GHz。但是，微片激光器的性能及光束质量往往较差。例如，法国Rennes大学M.Brunel等人(M.Brunel，A.Amon，and M.Vallet.Dual-polarizationmicrochip laser at 1.53μm.Optics Letter，2005，30(18):2418-2420)将厚度为190μm的铒镱玻璃介质和厚度为130μm的LiTaO3晶体胶合在一起构成微片激光器，激光谐振腔长度小于0.5mm，保证激光器以单纵模振荡，再采用腔内LiTaO3晶体的热光双折射效应使单纵模激光产生分裂现象，从而实现了1.53μm正交线偏振双频激光同时振荡输出，通过调节LiTaO3晶体的温度实现频差连续调谐，调谐范围为0～60GHz。
综上所述，这种单轴的双折射双频激光器通过改变施加在双折射晶体上的应力、光学元件之间的夹角或腔长来实现频差调谐，调谐范围较小，调谐机构往往较复杂。
发明内容
本发明的目的是提供一种电光双折射双腔双频Nd:YAG激光器，解决了现有技术中存在的频差调谐范围小、调谐方法复杂的技术问题。
本发明的另一目的是提供上述双频激光器的频差调谐的方法。
本发明所采用的第一技术方案是，电光双折射双腔双频Nd:YAG激光器包括用于发射808nm的光波的半导体激光器LD，在所述光波的光轴上依次设置有自聚焦透镜，Nd:YAG激光晶体，第一偏振分光棱镜；Nd:YAG激光晶体的一端为球面，球面端朝向自聚焦透镜，所述球面上镀有对1064nm振荡激光高反、同时对808nm泵浦光增透的双色介质膜，用于将半导体激光器LD发射的808nm的光波转换为1064nm振荡激光，1064nm振荡激光通过第一偏振分光棱镜后分成两束相互垂直的线偏振光p偏振光和s偏振光，p偏振光的光轴上依次设置有第一电光双折射输出耦合镜，第一反射镜，s偏振光的光轴上依次设置有第二电光双折射输出耦合镜，第二反射镜，第一反射镜和第二反射镜反射光光轴交界处之间设置有第二偏振分光棱镜，且第一电光双折射输出耦合镜在自聚焦透镜的光轴方向上，第二电光双折射输出耦合镜在垂直于自聚焦透镜光轴的方向上，第一电光双折射输出耦合镜通过导线与电压源Ⅰ连接，第二电光双折射输出耦合镜通过导线与电压源Ⅱ连接；其中，第一电光双折射输出耦合镜和第二电光双折射输出耦合镜的材质均为LN晶体。
本发明第一技术方案的特点还在于，
第一电光双折射输出耦合镜靠近第一偏振分光棱镜的腔内端面上镀有对1064nm增透的第一介质膜，与之相对另一端的腔内端面上镀有对1064nm透过率为2.3％第二介质膜；第二电光双折射输出耦合镜靠近第一偏振分光棱镜的腔内端面上镀有对1064nm增透的第三介质膜，与之相对另一端的腔内端面上镀有对1064nm透过率为2.3％第四介质膜。
本发明的另一技术方案是，上述电光双折射双腔双频Nd:YAG激光器的频差调谐方法的步骤如下：
步骤1：半导体激光器LD尾纤发射出808nm光波经自聚焦透镜汇聚到Nd:YAG激光晶体的球面端而转换为1064nm振荡激光，1064nm的振荡激光射向第一偏振分光棱镜，其通过第一偏振分光棱镜后分成两束垂直的线偏振光p偏振光和s偏振光；p偏振光透过第一电光双折射输出耦合镜后，由第一反射镜反射，s偏振光透过第二电光双折射输出耦合镜后，由第二反射镜反射，反射后的反射光均入射至第二偏振分光棱镜处，且入射方向呈90度的夹角，之后p偏振光和s偏振光从第二偏振分光棱镜同轴射出；
步骤2：分别调节电压源Ⅰ和电压源Ⅱ的输出电压，改变从第二偏振分光棱镜同轴射出的p偏振光和s偏振光的频率，实现1064nm正交线偏振双频激光p偏振光和s偏振光的频差在0～150GHz范围内非连续调谐，具体过程如下：
a.第一偏振分光棱镜和第一电光双折射输出耦合镜组成直线腔的双折射滤光片，由于电光效应，p偏振光经第一电光双折射输出耦合镜分成o光和e光，在0～2000v范围内从小到大调节电压源Ⅰ的输出电压，改变施加在第一电光双折射输出耦合镜的电压，从而o光和e光的相位差发生改变，相位差的改变使双折射滤光片的透射峰在频率轴上移动，选择不同的激光纵模，从第二偏振分光棱镜射出的p偏振光振频率随之发生改变；
b.第一偏振分光棱镜和第二电光双折射输出耦合镜组成直角腔的双折射滤光片，由于电光效应，s偏振光经第二电光双折射输出耦合镜分成o光和e光，在2000～0v范围内从大到小调节电压源Ⅱ的输出电压，改变施加在第二电光双折射输出耦合镜的电压，从而o光和e光的相位差发生改变，相位差的改变使双折射滤光片的透射峰在频率轴上移动，选择不同的激光纵模，从第二偏振分光棱镜射出的s偏振光的频率随之发生改变。
本发明的有益效果是，本发明的电光双折射双腔双频Nd:YAG激光器频差调谐范围大，为0～150GHz，调谐方法简单，容易控制，通过调谐电压源的输出电压，就能实现1064nm双频激光频差的调谐。另外，本发明的大频差调谐双频Nd:YAG激光器结构简单，所需元器件少。
附图说明
图1是本发明电光双折射双腔双频Nd:YAG激光器的结构示意图；
图2为本发明的两个外界电源输出电压差与频差之间的关系图；
图3为本发明的几个典型的双频光谱图，其中(a)～(d)分别为直角腔与直线腔输出的激光的波长差分别为0.03nm、0.166nm、0.380nm、0.440nm时的双频光谱图，较短波长的光波为直线腔输出激光，较长波长的光波为直角腔输出的激光。
图中，1.半导体激光器LD，2.自聚焦透镜，3.Nd:YAG激光晶体，4.第一偏振分光棱镜，5.第一电光双折射输出耦合镜，6.第二电光双折射输出耦合镜，7.第一反射镜，8.第二反射镜，9.第二偏振分光棱镜，10.电压源Ⅰ，11.电压源Ⅱ，12.第一介质膜，13.第二介质膜，14.第三介质膜，15.第四介质膜。
具体实施方式
本发明电光双折射双腔双频Nd:YAG激光器的结构，如图1所示，包括半导体激光器LD1，自聚焦透镜2，Nd:YAG激光晶体3，第一偏振分光棱镜4，第一电光双折射输出耦合镜5，第二电光双折射输出耦合镜6，第一反射镜7，第二反射镜8，第二偏振分光棱镜9，电压源Ⅰ10和电压源Ⅱ11。半导体激光器LD1用于发射808nm的光波，自聚焦透镜2、Nd:YAG激光晶体3、第一偏振分光棱镜4依次设置在该光波的光轴上，自聚焦透镜2和第一偏振分光棱镜4分别位于Nd:YAG激光晶体3的两侧，Nd:YAG激光晶体3的球面端朝向自聚焦透镜2，且自聚焦透镜2位于半导体激光器LD1与Nd:YAG激光晶体3之间。
Nd:YAG激光晶体3的一端为球面，该球面上镀有对1064nm振荡激光高反、同时对808nm泵浦光增透的双色介质膜，用于将半导体激光器LD1发射的808nm的光波转换为1064nm振荡激光，1064nm振荡激光通过第一偏振分光棱镜4后分成两束垂直的线偏振光p偏振光和s偏振光，p偏振光的光轴上依次设置有第一电光双折射输出耦合镜5，第一反射镜7，s偏振光的光轴上依次设置有第二电光双折射输出耦合镜6，第二反射镜8，第一反射镜8和第二反射镜9反射光光轴交界处之间设置有第二偏振分光棱镜9。其中，第一电光双折射输出耦合镜5和第二电光双折射输出耦合镜6在第一偏振分光棱镜4相邻的两侧，第一电光双折射输出耦合镜5在自聚焦透镜2的光轴方向上，第二电光双折射输出耦合镜6在垂直于自聚焦透镜2光轴的方向上。第一电光双折射输出耦合镜5和第二电光双折射输出耦合镜6的材质均为LN晶体。
Nd:YAG激光晶体3球面端与第一电光双折射输出耦合镜5构成直线型驻波谐振腔，Nd:YAG激光晶体3球面端与第二电光双折射输出耦合镜6构成直角型驻波谐振腔。第一电光双折射输出耦合镜5靠近第一偏振分光棱镜4的腔内端面上镀有第一介质膜12，第一介质膜12为1064nm增透介质膜，与之相对另一端的腔内端面上镀有第二介质膜13，第二介质膜13为对1064nm透过率为2.3％的介质膜；第二电光双折射输出耦合镜6靠近第一偏振分光棱镜4的腔内端面上镀有第三介质膜14，第三介质膜14为1064nm增透介质膜，与之相对另一端的腔内端面上镀有第四介质膜15，第四介质膜15为对1064nm透过率为2.3％的介质膜。第一介质膜12和第三介质膜14采用1064nm增透介质膜是为了让1064nm激光尽可能透过相应的内腔端面；第二介质膜13和第四介质膜15采用对1064nm透过率为2.3％的介质膜，可以让一部分激光透过耦合镜，以便于激光输出。第一电光双折射输出耦合镜5通过导线与电压源Ⅰ10连接，第二电光双折射输出耦合镜6通过导线与电压源Ⅱ11连接；电压源Ⅰ10和电压源Ⅱ11分别对第一电光双折射输出耦合镜5和第二电光双折射输出耦合镜6施加电压。
本发明的Nd:YAG激光器实现双频激光频差调谐的方法为：半导体激光器LD1尾纤发射出808nm光波经自聚焦透镜2汇聚到Nd:YAG激光晶体3的球面端被转换为1064nm振荡激光，1064nm振荡激光射向第一偏振分光棱镜4，第一偏振分光棱镜4将入射的1064nm振荡激光光波分成两束垂直的线偏振光p偏振光和s偏振光，p偏振光完全通过第一偏振分光棱镜4，s偏振光的出射方向与p振偏光的出射方向成90度。p偏振光透过第一电光双折射输出耦合镜5后，由第一反射镜7反射，s偏振光透过第二电光双折射输出耦合镜6后，由第二反射镜8反射，反射后的反射光均入射至第二偏振分光棱镜9处，且入射方向呈90度的夹角，之后1064nm光波的p偏振光和s偏振光从第二偏振分光棱镜9同轴射出。
分别调节电压源Ⅰ10和电压源Ⅱ11的输出电压，具体过程如下：
a.第一偏振分光棱镜4和第一电光双折射输出耦合镜5组成直线腔的双折射滤光片，由于电光效应，p偏振光经第一电光双折射输出耦合镜5分成o光和e光，在0～2000v范围内从小到大调节电压源Ⅰ10的输出电压，改变施加在第一电光双折射输出耦合镜5的电压，从而o光和e光的相位差发生改变，相位差的改变使双折射滤光片的透射峰在频率轴上移动，选择不同的激光纵模，从第二偏振分光棱镜9射出的p偏振光振频率随之发生改变；
b.第一偏振分光棱镜4和第二电光双折射输出耦合镜6组成直角腔的双折射滤光片，由于电光效应，s偏振光经第二电光双折射输出耦合镜6分成o光和e光，在2000～0v范围内从大到小调节电压源Ⅱ11的输出电压，改变施加在第二电光双折射输出耦合镜6的电压，从而o光和e光的相位差发生改变，相位差的改变使双折射滤光片的透射峰在频率轴上移动，选择不同的激光纵模，从第二偏振分光棱镜9射出的p偏振光振频率随之发生改变。
通过上述过程实现了1064nm正交线偏振双频激光的频差可在0～150GHz范围内非连续调谐。
输出电压与频差之间的关系如图2所示，二者基本上成线性变化关系。为了测量1064nm双频激光的频差调谐量，将从第二偏振分光棱镜9输出的双频激光耦合进AQ6317C型光谱分析仪测量其振荡光谱，获得波长差，如图3所示。由波长差调谐量计算出频差调谐量，计算公式为：其中，c为光速，λ为激光振荡波长，这里λ＝1064nm，Δλ为光谱分析仪上测量到的波长差。受光谱仪分辨率的限制，实验观察到的最小和最大波长差分别为0.030nm和0.440nm，对应的频差分别为9GHz和132GHZ。最小频差受到光谱仪分别率的限制，最大频差已经非常接近于Nd:YAG晶体的荧光线宽。
本发明的基于电光效应的大频差调谐双频激光器频差调谐范围大，为0～150GHz，调谐方法简单，容易控制，通过调谐电压源的输出电压，就能实现1064nm双频激光频差的调谐。另外，本发明的大频差调谐双频Nd:YAG激光器结构简单，所需元器件少。
Claims (4)
1.一种电光双折射双腔双频Nd:YAG激光器，其特征在于：包括用于发射808nm的光波的半导体激光器LD(1)，在所述光波的光轴上依次设置有自聚焦透镜(2)，Nd:YAG激光晶体(3)，第一偏振分光棱镜(4)；Nd:YAG激光晶体(3)的一端为球面，球面端朝向自聚焦透镜(2)，所述球面上镀有对1064nm振荡激光高反、同时对808nm泵浦光增透的双色介质膜，用于将半导体激光器LD(1)发射的808nm的光波转换为1064nm振荡激光，1064nm振荡激光通过第一偏振分光棱镜(4)后分成两束相互垂直的线偏振光p偏振光和s偏振光，p偏振光的光轴上依次设置有第一电光双折射输出耦合镜(5)，第一反射镜(7)，s偏振光的光轴上依次设置有第二电光双折射输出耦合镜(6)，第二反射镜(8)，第一反射镜(7)和第二反射镜(8)反射光光轴交界处之间设置有第二偏振分光棱镜(9)，且第一电光双折射输出耦合镜(5)在自聚焦透镜(2)的光轴方向上，第二电光双折射输出耦合镜(6)在垂直于自聚焦透镜(2)光轴的方向上，第一电光双折射输出耦合镜(5)通过导线与电压源Ⅰ(10)连接，第二电光双折射输出耦合镜(6)通过导线与电压源Ⅱ(11)连接；其中，第一电光双折射输出耦合镜(5)和第二电光双折射输出耦合镜(6)的材质均为LN晶体。
2.根据权利要求1所述的一种电光双折射双腔双频Nd:YAG激光器，其特征在于：所述第一电光双折射输出耦合镜(5)靠近第一偏振分光棱镜(4)的腔内端面上镀有对1064nm增透的第一介质膜(12)，与之相对另一端的腔内端面上镀有对1064nm透过率为2.3％第二介质膜(13)；所述第二电光双折射输出耦合镜(6)靠近第一偏振分光棱镜(4)的腔内端面上镀有对1064nm增透的第三介质膜(14)，与之相对另一端的腔内端面上镀有对1064nm透过率为2.3％第四介质膜(15)。
3.电光双折射双腔双频Nd:YAG激光器的频差调谐方法，其特征在于，采用电光双折射双腔双频Nd:YAG激光器，其结构为：包括用于发射808nm的光波的半导体激光器LD(1)，在所述光波的光轴上依次设置有自聚焦透镜(2)，Nd:YAG激光晶体(3)，第一偏振分光棱镜(4)；Nd:YAG激光晶体(3)的一端为球面，球面端朝向自聚焦透镜(2)，所述球面上镀有对1064nm振荡激光高反、同时对808nm泵浦光增透的双色介质膜，用于将半导体激光器LD(1)发射的808nm的光波转换为1064nm振荡激光，1064nm振荡激光通过第一偏振分光棱镜(4)后分成两束相互垂直的线偏振光p偏振光和s偏振光，p偏振光的光轴上依次设置有第一电光双折射输出耦合镜(5)，第一反射镜(7)，s偏振光的光轴上依次设置有第二电光双折射输出耦合镜(6)，第二反射镜(8)，第一反射镜(7)和第二反射镜(8)反射光光轴交界处之间设置有第二偏振分光棱镜(9)，且第一电光双折射输出耦合镜(5)在自聚焦透镜(2)的光轴方向上，第二电光双折射输出耦合镜(6)在垂直于自聚焦透镜(2)光轴的方向上，第一电光双折射输出耦合镜(5)通过导线与电压源Ⅰ(10)连接，第二电光双折射输出耦合镜(6)通过导线与电压源Ⅱ(11)连接；其中，第一电光双折射输出耦合镜(5)和第二电光双折射输出耦合镜(6)的材质均为LN晶体；
频差调谐方法的步骤具体按照以下步骤实施：
步骤1：半导体激光器LD(1)尾纤发射出808nm光波经自聚焦透镜(2)汇聚到Nd:YAG激光晶体(3)的球面端而转换为1064nm振荡激光，1064nm的振荡激光射向第一偏振分光棱镜(4)，其通过第一偏振分光棱镜(4)后分成两束垂直的线偏振光p偏振光和s偏振光；p偏振光透过第一电光双折射输出耦合镜(5)后，由第一反射镜(7)反射，s偏振光透过第二电光双折射输出耦合镜(6)后，由第二反射镜(8)反射，反射后的反射光均入射至第二偏振分光棱镜(9)处，且入射方向呈90度的夹角，之后p偏振光和s偏振光从第二偏振分光棱镜(9)同轴射出；
步骤2：分别调节电压源Ⅰ(10)和电压源Ⅱ(11)的输出电压，改变从第二偏振分光棱镜(9)同轴射出的p偏振光和s偏振光的频率，实现1064nm正交线偏振双频激光p偏振光和s偏振光的频差在0～150GHz范围内非连续调谐，具体过程如下：
a.第一偏振分光棱镜(4)和第一电光双折射输出耦合镜(5)组成直线腔的双折射滤光片，由于电光效应，p偏振光经第一电光双折射输出耦合镜(5)分成o光和e光，在0～2000v范围内从小到大调节电压源Ⅰ(10)的输出电压，改变施加在第一电光双折射输出耦合镜(5)的电压，从而o光和e光的相位差发生改变，相位差的改变使双折射滤光片的透射峰在频率轴上移动，选择不同的激光纵模，从第二偏振分光棱镜(9)射出的p偏振光振频率随之发生改变；
b.第一偏振分光棱镜(4)和第二电光双折射输出耦合镜(6)组成直角腔的双折射滤光片，由于电光效应，s偏振光经第二电光双折射输出耦合镜(6)分成o光和e光，在2000～0v范围内从大到小调节电压源Ⅱ(11)的输出电压，改变施加在第二电光双折射输出耦合镜(6)的电压，从而o光和e光的相位差发生改变，相位差的改变使双折射滤光片的透射峰在频率轴上移动，选择不同的激光纵模，从第二偏振分光棱镜(9)射出的s偏振光的频率随之发生改变。
4.根据权利要求3所述的电光双折射双腔双频Nd:YAG激光器的频差调谐方法，其特征在于：所述第一电光双折射输出耦合镜(5)靠近第一偏振分光棱镜(4)的腔内端面上镀有对1064nm增透的第一介质膜(12)，与之相对另一端的腔内端面上镀有对1064nm透过率为2.3％第二介质膜(13)；所述第二电光双折射输出耦合镜(6)靠近第一偏振分光棱镜(4)的腔内端面上镀有对1064nm增透的第三介质膜(14)，与之相对另一端的腔内端面上镀有对1064nm透过率为2.3％第四介质膜(15)。
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