CN104767115A - 一种正交偏振双波长激光器 - Google Patents

Abstract

本发明设计了一种Littrow构型激光器，以各向异性的光学材料制作Littrow棱镜，将该棱镜置于激光谐振腔作为激光色散元件，获得正交偏振双波长激光的输出。

Description

一种正交偏振双波长激光器

技术领域

本发明涉及激光器领域，特别涉及一种正交偏振双波长激光器。

背景技术

双波长激光器独有的双频运转特性使其在一些领域的应用中具有相对优势，如激光医疗、太赫兹光源、光学分析测试等等。本发明设计了一种Littrow构型激光器，以各向异性的光学材料制作Littrow棱镜，将该棱镜置于激光谐振腔作为激光色散元件，获得正交偏振双波长激光的输出。

Littrow棱镜是按照Littrow构型设计的光学器件，为一种典型的自准直结构，在激光器中常利用其色散特性来选择激光振荡频率。由于各向异性的光学材料具有双折射，其制作的Littrow棱镜以一定角度置于光路上时，在正交的两个偏振方向上能够满足自准直条件的光所对应的频率是不同的，因此根据激光器的设计要求，确定激光振荡。

Littrow棱镜是按照Littrow构型设计的光学器件，为一种典型的自准直结构，在激光器中常利用其色散特性来选择激光振荡频率。由于各向异性的光学材料具有双折射，其制作的Littrow棱镜以一定角度置于光路上时，在正交的两个偏振方向上能够满足自准直条件的光所对应的频率是不同的，因此根据激光器的设计要求，确定激光振荡的两个波长及其对应的偏振态，就能够选择合适的各向异性光学材料，设计出同时使这两波长满足自准直条件的Littrow棱镜，以此实现正交偏振双波长激光在谐振腔内的同时振荡。

由正交偏振双波长激光的设计要求，确定振荡激光的波长（λ）、偏振态（P）等参数指标。偏振方向正交的激光λ₁和λ₂要在同一谐振腔中形成同时振荡，那么两者必须同时满足高增益条件。根据激光振荡条件，激光λ₁和λ₂在谐振腔中的增益过程需要尽可能沿损耗最小的光路行进，在Littrow构型的激光谐振腔中，光沿自准直方向行进时损耗最小，这意味着激光λ₁和λ₂需要同时满足自准直条件，在谐振腔中沿着同一光路传播。Littrow棱镜的自准直条件可以由折射率公式表示为：

                                                          

其中：α——光在Littrow棱镜上的入射角；θ——光的折射角，满足Littrow棱镜的自准直条件时，其与Littrow棱镜的顶角相等；n——光对应的折射率。由于各向异性光学材料的各向异性和色散特性，在某些光学材料中，激光λ₁和λ₂沿同一方向l传播时对应的折射率n ₁ 和n ₂ 相等，所以以方向l为Littrow棱镜反射面的法线，Littrow棱镜的顶角为θ，激光λ₁和λ₂以α角入射该棱镜时能够同时满足自准直条件。该Littrow棱镜按照Littrow构型置于激光谐振腔中，调整激光器中各部件的技术参数，使激光λ₁和λ₂的增益系数保持相对的平衡，就能够根据设计要求输出偏振方向正交的双波长激光。

发明内容

本发明的目的在于利用Littrow棱镜的色散能力来选择激光的振荡频率，以各向异性的光学材料制作的Littrow棱镜能够使偏振态正交的两个不同波长激光在谐振腔内同时满足振荡条件，从而输出正交偏振双波长激光。

本激光器中激光工作介质为激光晶体、激光陶瓷、激光玻璃或者染料，能够采用激光或者闪光灯进行泵浦；Littrow棱镜所使用的材料为各向异性的光学材料。

本发明的具体技术路线为：

其结构如说明书附图1所示，该正交偏振双波长激光器采用常规Littrow构型，其谐振腔的基本构成包括腔镜a、激光工作介质b、根据设计要求插入的其它光学元器件c、Littrow棱镜d，其中：输出镜a可以为平面镜或者曲面镜，其表面根据设计要求镀上相应的介质膜；激光工作介质b可以为激光晶体、激光陶瓷、激光玻璃或者染料，能够以激光或者其它光源进行泵浦，泵浦注入方式为侧面泵浦或者端面泵浦，l3为激光工作介质b的对称轴线，其与腔镜a相垂直；光学元器件c为根据激光器需要插入的各种光学元器件，包括光阑、波片、旋光器件、球面镜等；Littrow棱镜d由各向异性的光学材料加工而成，该棱镜主要由入射面f1和反射面f2构成，它们对应的法线方向分别为l1和l2，l1与l2之间的夹角为θ，f1和f2面均镀有合适的介质膜，棱镜以一定角度置于谐振腔中，使法线l1与对称轴线l3之间的夹角等于α。

本激光器的工作过程为：

在说明书附图1中标示了该激光器的谐振腔中损耗最小的光学通道：1→2→3（3’）→4→1’（1），该通道满足Littrow结构的自准直条件，1→2→3和3’→4→1’是平行但方向相反的传播过程，1→2表示光波沿激光工作介质的对称轴线l3传播，2→3表示光波垂直入射Littrow棱镜的反射面f2，其与该面的法线l2重合，光波只有沿该闭合线路才能获得最大的增益系数；5和5’分别表示激光从腔镜a或Littrow棱镜d的反射面f2输出。当激光工作介质b受到泵浦源激发时，向四面八方产生大量的跃迁辐射，方向与1→2不一致的光信号很快就由于各种损耗而消失；光信号沿1→2方向到达Littrow棱镜d时，入射角度为α，根据折射率公式，只有波长为λ₁和λ₂的这两个偏振光对应的折射角为θ，在Littrow棱镜d中沿2→3方向传播，其它光信号将偏离2→3方向而被损耗，通过以上过程，完成激光振荡波长的选择；光信号λ₁和λ₂将沿1→2→3（3’）→4→1’（1）进行循环，多次通过激光工作介质b而获得增益，从而达到激光振荡条件。考虑到不同波长的光信号对应的光谱特性不同，其通过激光工作介质b的增益系数不同，因而在腔镜a及Littrow棱镜的反射面f2上镀有相应的介质膜，以平衡双波长在谐振腔中的增益，同时也可以在c位置使用波片、旋光器件等光学元器件来平衡光信号λ₁和λ₂的腔内振荡。最终谐振腔内的正交偏振双波长激光由5或5’方向输出。

附图说明

图1、一种正交偏振双波长激光器示意图。

具体实施方式

1、946nm和1064nm正交偏振双波长Nd:YAG激光器

    以KTP晶体加工Littrow棱镜，Nd:YAG晶体作为激光工作介质，激光器构造如图1所示，根据KTP晶体的光学参数，确定棱镜的各项加工参数，按照设定角度将Littrow棱镜置于激光谐振腔，在该激光器上获得了946nm和1064nm正交偏振双波长输出。

2、1064nm和1338nm正交偏振双波长Nd:YAG激光器

    以KTP晶体加工Littrow棱镜，Nd:YAG陶瓷作为激光工作介质，激光器构造如图1所示，根据KTP晶体的光学参数，确定棱镜的各项加工参数，按照设定角度将Littrow棱镜置于激光谐振腔，在该激光器上获得了1064nm和1338nm正交偏振双波长输出。

3、946nm和1064nm正交偏振双波长Nd:YVO₄激光器

以LBO晶体加工Littrow棱镜，Nd:YVO₄晶体作为激光工作介质，激光器构造如图1所示，根据LBO晶体的光学参数，确定棱镜的各项加工参数，按照设定角度将Littrow棱镜置于激光谐振腔，在该激光器上获得了946nm和1064nm正交偏振双波长输出。

4、1.08μm和1.3μm正交偏振双波长Nd:YAP激光器

以KTP晶体加工Littrow棱镜，Nd:YAP晶体作为激光工作介质，激光器构造如图1所示，根据KTP晶体的光学参数，确定棱镜的各项加工参数，按照设定角度将Littrow棱镜置于激光谐振腔，在该激光器上获得了1.08μm和1.3μm正交偏振双波长输出。

Claims (3)

1.一种正交偏振双波长激光器，其特征在于：所述正交偏振双波长激光器采用常规Littrow构型设计，由各向异性光学材料制作的Littrow棱镜（d）以一定角度放置于激光谐振腔中，使得只有沿激光工作介质（b）对称轴线（l3）入射该棱镜（d）且偏振方向正交的光信号λ₁和λ₂能够满足自准直条件而在谐振腔内形成激光振荡，从而输出正交偏振的双波长激光。

2.根据权利要求1所述的一种正交偏振双波长激光器，其特征在于所述Littrow棱镜（d）由各向异性的光学材料加工而成，主要包括入射面（f1）和反射面（f2），其中：入射面（f1）的法线（l1）与激光工作介质（b）的对称轴线（l3）之间的夹角为（α）；（l1）与反射面（f2）的法线（l2）之间的夹角为（θ），同Littrow棱镜（d）的顶角相等；偏振光信号λ₁和λ₂在Littrow棱镜（d）中（l2）方向上对应的折射率相等，入射面（f1）和反射面（f2）均根据要求镀上相应的介质膜。

3.根据权利要求1所述的一种正交偏振双波长激光器，其特征在于激光器使用的激光工作介质（b）为激光晶体、激光陶瓷、激光玻璃、气体或者染料。