CN104638507A - 一种基于体布拉格光栅选模的互易式增益光栅自适应激光器 - Google Patents

一种基于体布拉格光栅选模的互易式增益光栅自适应激光器 Download PDF

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李强
程秋桐
于灏洋
惠勇凌
姜梦华
雷訇
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一种基于体布拉格光栅选模的互易式增益光栅自适应激光器，利用干涉产生的增益光栅进行激光光束时间空间特性的动态控制，并通过体布拉格光栅对腔内振荡光角度和线宽进行选择，并属于激光领域。由泵浦源、泵浦耦合系统、激光增益介质、柱面镜、全反镜-Ⅰ、全反镜组-Ⅱ、体布拉格光栅组成。本发明具有以下优点：结构紧凑简单；提高了系统的频谱选择特性，控制模体积；可获得高光束质量激光输出。

Description

一种基于体布拉格光栅选模的互易式增益光栅自适应激光器
技术领域
本发明涉及一种使用体布拉格光栅改善光束质量的增益光栅互易式自适应激光器，通过采用体布拉格光栅对腔内振荡光方向和线宽进行选择，并利用干涉产生的增益光栅进行激光光束时间空间特性的控制，属于激光器技术领域。
背景技术
近些年来，高光束质量、短脉冲、高能量激光器备受关注。在高功率激光系统中，热畸变是影响光束质量的重要因素。非线性光学相位共轭技术能够修正相位畸变，维持高质量光束。近些年来，在激光谐振腔内，通过光波之间的相互作用形成干涉场，产生空间烧孔效应，形成增益光栅，并产生相位共轭激光输出，成为一个非常具有吸引力的研究领域。
目前，基于增益光栅的自适应激光器具有两个主要的研究方向：一个是非互易自适应激光谐振腔，另一个是互易式自适应激光谐振腔。
在非互易式自适应激光谐振腔的研究方面，采用了在腔内加入非互易透射元件的方法，对顺时针和逆时针方向的透射系数进行控制，同时调节衍射效率并补偿π的相移，使产生的光栅具有较深的调制度。目前非互易式自适应激光器可获得脉冲能量100mJ、重复频率100Hz、脉宽20ns、光光效率5.3％的近衍射极限单纵模激光输出(文献1，R.Soulard,A.Brignon,S.Raby,E.Durand,R.Moncorgé,Diode-pumped Nd:YAG self-adaptive resonator with ahigh-gain amplifier operating at 100Hz[J],2012,Appl.Phys.B,106:295-300)，虽然非互易式自适应激光器已实现高光束质量、单纵模、自调Q激光输出，但仍存在结构复杂、效率低的缺点。
在互易式自适应激光谐振腔的研究方面，互易式激光谐振腔采用自相交环形结构，由光束相干产生干涉场，进一步形成动态增益光栅，由于系统中没有非互易元件，因此该结构与非互易式自适应激光器相比具有高效率、结构紧凑的优势。开环互易式自适应激光器结构可产生脉冲能量10mJ，光-光转换效率15％的激光输出(文献2，Oleg N.Eremeykin and Oleg L.Antipov.Efficient continuous-wave generation in a self-organizing diode-pumpedNd:YVO4laser with a reciprocal dynamic holographic cavity[J].Opt.Lett.,2004,29(20):2390-2392)，闭环互易式自适应激光器结构已实现脉冲能量250mJ，重复频率25Hz，光光转换效率30％的激光输出(文献3，W.Zendzian,J.K.Jabczynski,M.Kaskow.250mJ,self-adaptive,diode-side-pumped Nd:YAG slablaser[J].Opt.Lett.,2012,37(13):2598-2600)，虽然国外研究人员在自交叉结构环形自适应激光谐振腔的实验研究方面取得了极大的进展，但是仍未获得类似于非互易自适应激光器的单纵模、自调Q的激光输出。
我们提出的基于体布拉格光栅的增益光栅互易式自适应激光器，进一步提高了该结构激光器的频谱选择特性，其角度选择特性亦可控制振荡光的模体积，在保持互易式结构高效率特性的同时，获得高光束质量、单纵模、自调Q激光输出。
发明内容
本发明的目的是补偿热畸变效应，提高抗干扰能力，实现高光束质量、单纵模、自调Q激光的输出。本发明关键是通过采用体布拉格光栅对腔内振荡光方向和线宽进行选择，对互易式激光器选模方式进行优化。
本发明具体方案如下：
该装置由泵浦源1、泵浦耦合系统2、激光增益介质3、左侧柱面镜4-1、右侧柱面镜4-2、全反镜-Ⅰ5、全反镜组-Ⅱ6和体布拉格光栅7组成。
泵浦源1、泵浦耦合系统2、激光增益介质3、左侧柱面镜4-1、右侧柱面镜4-2、全反镜-Ⅰ5、全反镜组-Ⅱ6、体布拉格光栅7的中心位于同一高度，泵浦耦合系统2位于激光增益介质3和泵浦源1中间，其焦距满足使得由泵浦源1发出的泵浦光能够通过泵浦耦合系统2射入激光增益介质3，并聚焦在激光增益介质3下表面某处。
当泵浦光通过泵浦耦合系统2进入激光增益介质3，并在激光增益介质3下表面聚焦，自发辐射产生的光在激光增益介质3中传输。自发辐射产生的光从激光增益介质3的右侧通过右侧柱面镜4-2，光束经全反镜组-Ⅱ6中的下侧全反镜反射到上侧全反镜后，再次通过右侧柱面镜4-2后被聚焦到激光增益介质3下表面，与上述泵浦光在激光增益介质3的聚焦处相交并发生全反射。光束从激光增益介质3的左侧经过左侧柱面镜4-1准直后经体布拉格光栅7反射。入射到体布拉格光栅7的光线到全反镜-Ⅰ5并发生全反射，全反镜-Ⅰ5反射的光通过体布拉格光栅7反射后经左侧柱面镜4-1被压缩，进入激光增益介质3，交于上述泵浦光在激光增益介质3的聚焦处并反射。反射光经过右侧柱面镜4-2准直后经全反镜组-Ⅱ6中的上侧全反镜反射到下侧全反镜，再经过右侧柱面镜4-2压缩后交于上述泵浦光在激光增益介质3的聚焦处；最后经过左侧柱面镜4-1出射。
进一步，所述的泵浦源为单个半导体巴条或多个半导体堆栈；
进一步，所述的泵浦耦合系统2为柱透镜；
进一步，所述的激光增益介质3是Nd:YVO4或Nd:YAG板条。
上述光束两两相交产生干涉场，在激光增益介质3下表面产生增益光栅，对激光光束时间空间特性进行动态控制，体布拉格光栅7提高了系统的频谱选择性，实现了对输出光束模式的选择，从而获得了高光束质量、单纵模、自调Q相位共轭激光输出。
本发明用全新的思路实现了增益光栅互易式自适应激光器的优化，相较于目前出现过的互易式自适应激光器具有以下优点：提高了系统的频谱选择特性，控制模体积；可获得高光束质量、单纵模、自调Q激光输出；结构紧凑简单。
附图说明
图1是本发明系统俯视图；
图2是不含体布拉格光栅的系统俯视图；
图3是不含体布拉格光栅的互易式增益光栅自适应激光器输出光谱图；
图4是基于体布拉格光栅的互易式增益光栅自适应激光器输出光谱图。
具体实施方式
如图1所示，本实施例由泵浦源1、泵浦耦合系统2、激光增益介质3、左侧柱面镜4-1、右侧柱面镜4-2、全反镜-Ⅰ5、全反镜组-Ⅱ6、体布拉格光栅7组成。泵浦源1、泵浦耦合系统2、激光增益介质3、左侧柱面镜4-1、右侧柱面镜4-2、全反镜-Ⅰ5、全反镜组-Ⅱ6、体布拉格光栅7的中心位于同一高度，泵浦耦合系统2位于激光增益介质3和泵浦源1中间，其焦距满足使得由泵浦源1发出的泵浦光能够通过泵浦耦合系统2射入激光增益介质3，并聚焦在激光增益介质3表面某处，左侧柱面镜4-1、右侧柱面镜4-2分别位于激光增益介质3的两侧，保证光束能够从全反镜组-Ⅱ6或体布拉格光栅7上通过左侧柱面镜4-1和右侧柱面镜4-2聚焦进入激光增益介质3的下表面，且光束能入射到上述泵浦光在激光增益介质3中聚焦处。由激光增益介质3出射的光线经过体布拉格光栅7反射到全反镜-Ⅰ5上，体布拉格光栅7为反射式体布拉格光栅，入射光和出射光间形成的夹角和频谱由体布拉格光栅7指定，其它角度和频谱的光被滤掉；全反镜组-Ⅱ6由两片45度全反镜构成，两片全反镜的夹角略小于90°(70°～90°)，保证经右侧柱面镜4-2的光线能够通过全反镜组-Ⅱ6反射后，再经右侧柱面镜4-2返回到上述泵浦光在激光增益介质3所聚焦的位置上。
在基于体布拉格光栅的互易式增益光栅自适应激光器中，由于体布拉格光栅7的特性，反射以满足布拉格角度入射体布拉格光栅7的光线到全反镜-Ⅰ5，实现了对输出光束模式的选择，从而获得了高光束质量、单纵模、自调Q的激光输出。
不含体布拉格光栅的互易式增益光栅自适应激光器输出激光的纵模如图3所示，在同一条件下，对基于体布拉格光栅的互易式增益光栅自适应激光器在远场同一位置的输出进行测量，结果如图4所示。可以看出，基于体布拉格光栅的互易式增益光栅激光谐振腔具有模式选择特性，具有一定的调制深度，明显减小了纵模数量。

Claims (4)

1.一种基于体布拉格光栅选模的互易式增益光栅自适应激光器，其特征在于：
该装置由泵浦源、泵浦耦合系统、激光增益介质、左侧柱面镜、右侧柱面镜、全反镜-Ⅰ、全反镜组-Ⅱ和体布拉格光栅组成；
泵浦源、泵浦耦合系统、激光增益介质、左侧柱面镜、右侧柱面镜、全反镜-Ⅰ、全反镜组-Ⅱ和体布拉格光栅的中心位于同一高度，泵浦耦合系统位于激光增益介质和泵浦源中间，其焦距满足使得由泵浦源1发出的泵浦光能够通过泵浦耦合系统射入激光增益介质，并聚焦在激光增益介质下表面某处；
当泵浦光通过泵浦耦合系统进入激光增益介质，并在激光增益介质下表面聚焦，自发辐射产生的光在激光增益介质中传输；自发辐射产生的光从激光增益介质的右侧通过右侧柱面镜，光束经全反镜组-Ⅱ中的下侧全反镜反射到上侧全反镜后，再次通过右侧柱面镜后被聚焦到激光增益介质下表面，与上述泵浦光在激光增益介质的聚焦处相交并发生全反射；光束从激光增益介质的左侧经过左侧柱面镜准直后经体布拉格光栅反射；入射到体布拉格光栅的光线到全反镜-Ⅰ并发生全反射，全反镜-Ⅰ反射的光通过体布拉格光栅反射后经左侧柱面镜被压缩，进入激光增益介质，交于上述泵浦光在激光增益介质的聚焦处并反射；反射光经过右侧柱面镜准直后经全反镜组-Ⅱ中的上侧全反镜反射到下侧全反镜，再经过右侧柱面镜压缩后交于上述泵浦光在激光增益介质的聚焦处；最后经过左侧柱面镜出射。
2.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于：所述的泵浦源为单个半导体巴条或多个半导体堆栈。
3.根据权利要求1所述的激光器，所述的泵浦耦合系统为柱透镜。
4.根据权利要求1所述的激光器，所述的激光增益介质是Nd:YVO4或Nd:YAG板条。
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