CN104577695A - 高功率内腔倍频单频激光器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高功率内腔倍频单频激光器，包括泵浦源(5)、增益晶体(6)、环形谐振腔、单向器以及倍频晶体(9)；其中，构成环形谐振腔的第一平凹镜(1)镀有对基频光有一定透射率而对倍频光高透的膜，所述的第一平凹镜(1)一方面组成了激光器的谐振腔，另一方面通过镀膜可以调控激光器的腔内功率密度进而调控组成单向器的TGG晶体(7)的热透镜效应，实现激光器高效高功率的单频运转。发明使激光器在不影响激光器输出功率的基础上减小了TGG晶体(7)热透镜效应对激光器的影响，使得激光器能获得高输出功率的基础上，运转更加稳定。

Description

高功率内腔倍频单频激光器

技术领域

本发明涉及单频激光器，具体属于一种能实现高功率输出的内腔倍频单频激光器。

背景技术

全固态内腔倍频单频激光器因其能获得较高的输出功率、较好的光束质量、较低的强度噪声等优点而被广泛应用于量子光学、量子通讯、全息摄影、超精细光谱和冷原子物理等领域。目前已有多种方法可实现激光器的单频运转，例如扭转模腔、短谐振腔、标准具选模及双折射滤光片选模。但是要想获得高输出功率的全固态连续内腔倍频单频激光器，通常采用包含有光学单向器的环形谐振腔，通过消除空间烧孔效应进行选模，最终使激光器稳定地单频运转。光学单向器包含有法拉第旋转器和半波片，而法拉第旋转器则由永磁体和置于其通光孔径内的磁光介质组成。很多光学玻璃可以用作磁光介质，如Tb-10、Tb-12、Tb-15等。但相对于其他的磁光介质，单晶TGG(Terbium Gallium Garnet)因在可见光到近红外波段具有较高的Verdet常数、良好的导热性、较低的透射损耗以及较高的抗激光损伤阈值等优点，从而成为制作法拉第旋转器和隔离器的最佳磁光材料。

TGG晶体因其对腔内激光的吸收系数远小于激光晶体对泵浦光的吸收系数，所以它的热透镜效应对激光器的影响并未得到充分重视。然而在高功率内腔倍频的单频激光器的研制中，为了使谐振腔内基频光的功率密度最大，谐振腔腔镜均需要镀有对基频光高反的膜。从而使得腔内基频光的功率高达数百瓦甚至上千瓦，并且基模光束在TGG晶体中的束腰又很小，约为0.5mm，即使TGG晶体对基频光的吸收系数较小，但产生的热效应同样是不可忽略的。TGG晶体对腔内激光的吸收导致其横截面上出现不均匀的温度分布，从而产生三种对激光器性能有影响的物理效应：热透镜，热致双折射和Verdet常数随温度变化导致的偏振旋转角度的不均匀。前者会导致腔模光束畸变，后两者会导致法拉第旋转角度的变化进而影响隔离比，从而使得激光器不能单向运转，最终影响了激光器的单频运转特性。

发明内容

本发明目的在于克服TGG晶体的热效应对单频内腔倍频激光器的不利影响，提供一种调试和操作简单，便于实现而且能获得高功率输出的全固态连续单频内腔倍频激光器。该激光器在保证高输出功率的基础上，运转更加稳定。

本发明所提供的一种高功率内腔倍频单频激光器，包括泵浦源、增益晶体、环形谐振腔、单向器以及倍频晶体；所述的环形谐振腔的第一平凹镜镀有对基频光有一定透射率而对倍频光高透的膜，以在保证倍频光功率的前提下，拓宽稳区从而获得平滑的输出功率曲线。所述的第一平凹镜一方面组成了激光器的谐振腔，另一方面通过镀膜可以调控激光器的腔内功率密度进而调控组成单向器的TGG晶体的热透镜效应，实现激光器的高效高功率的单频运转。

所述的光学单向器是由外加磁场的磁致旋光晶体和半波片组成；所述的磁致旋光晶体是TGG晶体。所述的环形谐振腔是单向运行的行波腔。

所述的泵浦源的泵浦方式是端面泵浦。

所述的泵浦源的数量为1个或1个以上。

所述的泵浦源的泵浦功率大于50W。

本发明利用对基频光镀有一定透射率膜的平凹腔镜，可以有效操控单频高功率激光器的腔内功率密度，进而调控组成单向器的TGG晶体因吸收腔内基频光而导致的热透镜效应，最终扩大激光器的工作稳区，使激光器工作在较宽的热不灵敏区域，从而获得高稳定度的高效高功率单频腔内倍频激光器。例如，在通常情况下，第一平凹镜镀有对基频光高反而对倍频光高透的膜，在泵浦功率为80W时，激光器谐振腔腔内的功率密度在TGG晶体处可达567W/mm²，TGG晶体对1064nm激光的吸收系数为0.002/cm，这样导致的TGG晶体的热透镜焦距为408mm；而当输出耦合镜对基频光的透射率为2％时，激光器谐振腔腔内的功率密度在TGG晶体处只有505W/mm²，这样导致的TGG晶体的热透镜焦距为458mm。也就是说，通过操控输出耦合镜的透射率可有效操控激光器谐振腔的腔内功率密度进而改善TGG晶体因吸收腔内基频光而导致的热透镜效应，最终改善激光器的单频运转特性，从而获得高效高功率单频腔内倍频激光器。

本发明所设计的高功率内腔倍频单频激光器与已报道的同类激光器相比较有以下优点：

1、通过在输出耦合镜上镀有对基频光有一定透射率的膜，可以实现对激光器谐振腔内的功率密度进行操控，进而减小TGG晶体的热透镜效应，最终实现激光器高效稳定的单频运转。

2、通过在输出耦合镜上镀有对基频光有一定透射率的膜，可以获得一种单频运转的双波长激光器，满足不同用户的需求。

3、在输出耦合镜上镀有对基频光有一定透射率的膜，可以增加激光器的线性损耗，在线性损耗和非线性损耗的共同作用下，激光器更容易获得单频运转。

总之，本发明通过采用对基频光镀有一定透射率膜的输出耦合镜获得了能单频运转的高功率内腔倍频激光器。该激光器具有输出功率高，单频运转稳定以及双波长输出等特点，因而在实际使用中具有极高的应用价值。

附图说明

图1本发明的一种高功率内腔倍频单频激光器光路图，图中：1-第一平凹镜，2-第二平凹镜，3-平凸镜，4-凹凸镜，5-泵浦源，6-增益晶体，7-TGG晶体，8-半波片，9-倍频晶体。

图2不同透射率下TGG晶体的热透镜焦距。

图3不同透射率下激光器的输出功率曲线，图中：(1)-第一平凹镜1对基频光镀有透射率为2％膜时，激光器的输出功率，(2)-第一平凹镜1对基频光镀有高反膜时，激光器的输出功率。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步详细说明：

图1为本发明所设计的一种高功率内腔倍频单频激光器，包括泵浦源5、增益晶体6、环形谐振腔、单向器以及倍频晶体9。泵浦源5发射的激光中心波长为888nm，光纤芯径为400μm，数值孔径为0.22，最大输出功率为80W。采用888nm的泵浦光，一方面可以降低量子亏损产生的热，另一方面增益晶体6对其非偏振吸收的特性可以改善激光器工作的稳定性。谐振腔采用四镜环形谐振腔结构，由一个凹凸镜4，一个平凸镜3，两个平凹镜组成(第一平凹镜1和第二平凹镜2)构成。凹凸镜4的曲率半径为1500mm，镀有对泵浦光减反和对振荡光高反膜；平凸镜3凸面的曲率半径也为1500nm，镀有对振荡光高反膜；和第二平凹镜2的凹面曲率半径均为-100mm。其中第二平凹镜2镀有对振荡光高反膜。第一平凹镜1所镀的膜对基频振荡光的透射率为2％，而对倍频光高透。第一平凹镜1所镀的膜对基频振荡光的透射率为2％，一方面便于确定激光器的腔内功率密度，另一方面可有效缓解TGG晶体7的热效应。增益晶体6为α切割的3mm×3mm×(3+20)mm的YVO₄+Nd:YVO₄复合晶体，前段3mm为非掺杂的YVO₄基质，后段20mm为掺杂浓度为0.8％的Nd:YVO₄，采用复合晶体是为了缓解增益晶体6的端面热效应。增益晶体6的后端面切成1.5°的楔角，可以起到偏振分束器的作用，在不同偏振方向的模式竞争中，保证π偏振光优先于σ偏振光在腔内起振，以保证基模偏振状态的稳定。增益晶体6的c轴水平放置，可以使增益晶体6的热像散和激光谐振腔由于腔镜离轴放置而导致的像散实现相互补偿。增益晶体6由铟箔包裹置于紫铜控温炉中，控温精度为0.01℃。为保持激光器的单向运转，腔内插入由永磁体包裹的TGG晶体7和半波片8组成的单向器。倍频晶体9为3mm×3mm×20mm的LBO，采用Ⅰ类非临界相位匹配，相位匹配温度为148℃，置于紫铜控温炉中，控温精度为0.1℃。倍频晶体9位于第一平凹镜1和第二平凹镜2之间的基模束腰处，以保证较高的倍频效率。

图2给出了不同透射率下，TGG晶体7的热透镜焦距曲线。在泵浦源5的泵浦功率为80W时，当第一平凹镜1镀有对基频光高反膜时，TGG晶体7的热透镜焦距为408mm，而当第一平凹镜1镀有对基频光的透射率为2％时，TGG晶体7的热透镜焦距为458mm。可以看出，通过采用对基频光镀有一定透射率的第一平凹镜1，可有效缓解TGG晶体7的热透镜效应。

图3给出了第一平凹镜1对基频光分别镀有高反膜和透射率为2％膜时的激光器输出功率曲线。其中：(1)为第一平凹镜1对基频光镀有透射率为2％膜时，激光器的输出功率；(2)为第一平凹镜1对基频光镀有高反膜时，激光器的输出功率。可以看出，当第一平凹镜1对基频光镀有透射率为2％膜时，激光器的输出功率随泵浦源5的泵浦功率的变化而缓慢变化；而当第一平凹镜1对基频光镀有高反膜时，激光器的输出功率在泵浦源5的泵浦功率变化到某个值时会有突然的跳跃，这主要是TGG晶体7的热透镜效应对激光器稳区的影响较大而导致的。在激光器达到最佳工作状态时，激光器的输出功率并没有太大区别。也就是说，通过对采用对基频光镀有一定透射率的第一平凹镜1，可有效控制TGG晶体7的热透镜效应，进而减小TGG晶体7的热透镜效应对激光器输出性能的影响，最终获得高效高功率的连续单频腔内倍频激光器。

Claims (6)

1.一种高功率内腔倍频单频激光器，包括泵浦源(5)、增益晶体(6)、环形谐振腔、单向器和倍频晶体(9)；其特征在于，所述的环形谐振腔的第一平凹镜(1)镀有对基频光有一定透射率而对倍频光高透的膜，以在保证倍频光功率的前提下，拓宽稳区从而获得平滑的输出功率曲线。

2.根据权利要求1所述的高功率内腔倍频单频激光器，其特征在于所述的单向器是由外加磁场的磁致旋光晶体(7)和半波片(8)组成。

3.根据权利要求2所述的高功率内腔倍频单频激光器，其特征在所述的磁致旋光晶体(7)是TGG晶体。

4.根据权利要求1所述的高功率内腔倍频单频激光器，其特征在于所述的泵浦源(5)的泵浦方式是端面泵浦。

5.根据权利要求1所述的高功率内腔倍频单频激光器，其特征在于所述的泵浦源(5)的数量为1个或1个以上。

6.根据权利要求1所述的高功率内腔倍频单频激光器，其特征在于所述的泵浦源(5)的泵浦功率大于50W。