CN104810713A - 单向运转环形腔腔内双程非线性变频激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单向运转环形腔腔内双程非线性变频激光器，涉及全固态激光器技术领域，所述激光器包括：第一激光谐振腔腔镜、激光增益介质、第二激光谐振腔腔镜、单向运转控制器件、第一变频光腔镜、非线性晶体和第三激光谐振腔腔镜，第一激光谐振腔腔镜、激光增益介质、第二激光谐振腔腔镜和单向运转控制器件依次设置且首尾相连，所述非线性晶体设于所述第一变频光腔镜和第三激光谐振腔腔镜之间。本发明通过结构设计，使得第一泵浦光先后两次通过非线性晶体，发生双程非线性频率变换，极大地提高了第一泵浦光的利用率和非线性频率变换的效率，解决了现有技术存在的泵浦光能量利用率不足的问题。
Description
技术领域
本发明涉及全固态激光器技术领域，特别涉及一种单向运转环形腔腔内双程非线性变频激光器。
背景技术
单向运转环形腔结构是获得高功率、高光束质量、窄线宽激光器的重要手段，基于该结构的非线性频率变换包括腔外频率变换和腔内频率变换两种方式，腔外频率变换方式操作方便，但可利用的泵浦光能量有限。腔内频率变换方式利用了腔内功率密度高的特点，提高了可利用的泵浦光能量，而不足在于腔内泵浦光仅单次发生非线性效应，未能充分利用腔内功率。
发明内容
鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种单向运转环形腔腔内双程非线性变频激光器。
本发明提供了一种单向运转环形腔腔内双程非线性变频激光器，所述激光器包括：第一激光谐振腔腔镜、激光增益介质、第二激光谐振腔腔镜、单向运转控制器件、第一变频光腔镜、非线性晶体和第三激光谐振腔腔镜，第一激光谐振腔腔镜、激光增益介质、第二激光谐振腔腔镜和单向运转控制器件依次设置且首尾相连，所述非线性晶体设于所述第一变频光腔镜和第三激光谐振腔腔镜之间；
所述激光增益介质，用于在泵浦条件下辐射第一泵浦光；
所述第一激光谐振腔腔镜和第二激光谐振腔腔镜，均用于对所述第一泵浦光进行正反馈；
所述单向运转控制器件，用于控制所述第一泵浦光沿预设方向运转，并将产生的第一泵浦光传输至所述第一变频光腔镜；
所述第一变频光腔镜，用于透射所述第一泵浦光，并反射变频激光；
所述非线性晶体，用于接收所述第一泵浦光，并产生变频激光；
所述第三激光谐振腔腔镜，用于对所述第一泵浦光进行正反馈，并透射所述变频激光，以实现所述变频激光的输出。
可选地，所述单向运转控制器件包括：第一偏振控制器件、第二偏振控制器件和第三偏振控制器件；
所述第一偏振控制器件，用于将沿所述预设方向运转的第一泵浦光的偏振态调节第一预设角度，将沿其他方向运转的第一泵浦光的偏振态调节第二预设角度；
所述第二偏振控制器件，用于将任意方向第一泵浦光的偏振态旋转第三预设角度；
所述第三偏振控制器件，用于使所述沿其它方向运转的第一泵浦光的增益小于损耗，并使所述沿预设方向运转的第一泵浦光的增益大于损耗，从而实现所述第一泵浦光沿预设方向运转，并将所述沿预设方向运转的第一泵浦光传输至所述第一变频光腔镜。
可选地，所述单向运转控制器件还包括：第四偏振控制器件，所述第四偏振控制器件设于所述第三偏振控制器件和所述第三激光谐振腔腔镜之间；
所述第四偏振控制器件，用于将从所述第三偏振控制器件传输来的第一泵浦光的偏振态调节至所述非线性晶体所需的偏振态，将被第三激光谐振腔腔镜正反馈的第一泵浦光的偏振态调节至能进入所述激光增益介质内的偏振态。
可选地，所述第三激光谐振腔腔镜，进一步用于全部或部分透射所述变频激光。
可选地，所述激光增益介质具有两个，所述激光增益介质之间设有旋光晶体和/或法布里-波罗标准具。
可选地，所述第四偏振控制器件和第一变频光腔镜之间设有45度的高透高反镜；
所述高透高反镜，用于反射第二泵浦光，透射所述第一泵浦光；
相应地，所述第一变频光腔镜，还用于透射所述第二泵浦光；
所述非线性晶体，还用于接收所述第二泵浦光；
所述第三激光谐振腔腔镜，还用于反射所述第二泵浦光。
可选地，所述激光器还包括：第二泵浦光产生器件，所述第二泵浦光产生器件的输出端与所述高透高反镜相对设置；
可选地，所述第二泵浦光产生器件和高透高反镜之间还设有光隔离器。
本发明通过结构设计，使得第一泵浦光先后两次通过非线性晶体，发生双程非线性频率变换，极大地提高了第一泵浦光的利用率和非线性频率变换的效率，解决了现有技术存在的泵浦光能量利用率不足的问题。
附图说明
图1是本发明一种实施方式的单向运转环形腔腔内双程非线性变频激光器的结构框图；
图2是本发明一种实施方式的单向运转环形腔腔内双程非线性变频激光器的结构框图；
图3是本发明一种实施方式的单向运转环形腔腔内双程非线性变频激光器的结构框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
图1是本发明一种实施方式的单向运转环形腔腔内双程非线性变频激光器的结构框图；参照图1，所述激光器包括：第一激光谐振腔腔镜1-1-1、激光增益介质1-2、第二激光谐振腔腔镜1-1-2、单向运转控制器件、第一变频光腔镜1-8-1、非线性晶体1-7和第三激光谐振腔腔镜1-1-3，第一激光谐振腔腔镜1-1-1、激光增益介质1-2、第二激光谐振腔腔镜1-1-2和单向运转控制器件依次设置且首尾相连，所述非线性晶体1-7设于所述第一变频光腔镜1-8-1和第三激光谐振腔腔镜之间1-1-3；
所述激光增益介质1-2，用于在泵浦条件下辐射第一泵浦光；
所述第一激光谐振腔腔镜1-1-1和第二激光谐振腔腔镜1-1-2，均用于对所述第一泵浦光进行正反馈；
所述单向运转控制器件，用于控制所述第一泵浦光沿预设方向运转，并将产生的第一泵浦光传输至所述第一变频光腔镜1-8-1；
所述第一变频光腔镜1-8-1，用于透射所述第一泵浦光，并反射变频激光；
所述非线性晶体1-7，用于接收所述第一泵浦光，并产生变频激光；
所述第三激光谐振腔腔镜1-1-3，用于对所述第一泵浦光进行正反馈，并透射所述变频激光，以实现所述变频激光的输出(即图中的虚线O，另外，图中的实线代表光路)。
本实施方式的激光器的工作原理为：所述激光增益介质1-2在泵浦条件下辐射第一泵浦光；所述第一激光谐振腔腔镜1-1-1和第二激光谐振腔腔镜1-1-2对所述第一泵浦光进行正反馈；所述单向运转控制器件控制所述第一泵浦光沿预设方向运转，并将产生的第一泵浦光传输至所述第一变频光腔镜1-8-1；产生的第一泵浦光透过所述第一变频光腔镜1-8-1到达所述非线性晶体1-7，所述第一泵浦光由所述非线性晶体1-7进行非线性频率变换，以产生变频激光，该变频激光透过所述第三激光谐振腔腔镜1-1-3实现输出，未进行线性频率变化的第一泵浦光由所述第三激光谐振腔腔镜1-1-3正反馈至所述非线性晶体1-7，由所述非线性晶体1-7对正反馈的第一泵浦光进行非线性频率变换，以获得变频激光，该变频激光由所述第一变频光腔镜1-8-1反射至所述非线性晶体1-7，再依次透过所述非线性晶体1-7(由于非线性晶体不会对变频激光进行非线性频率变换，故而变频激光会直接透过所述非线性晶体)和所述第三激光谐振腔腔镜1-1-3实现输出。
根据上述工作原理可知，本实施方式通过结构设计，使得第一泵浦光先后两次通过非线性晶体，发生双程非线性频率变换，极大地提高了泵浦光的利用率和非线性频率变换的效率，解决了现有技术存在的泵浦光能量利用率不足的问题。
为便于控制所述激光振荡沿预设方向运转，可选地，所述单向运转控制器件包括：第一偏振控制器件1-3、第二偏振控制器件1-4和第三偏振控制器件1-5；
所述第一偏振控制器件1-3，用于将沿所述预设方向运转的第一泵浦光的偏振态调节第一预设角度，将沿其他方向运转的第一泵浦光的偏振态调节第二预设角度；
所述第二偏振控制器件1-4，用于将任意方向第一泵浦光的偏振态旋转第三预设角度；
所述第三偏振控制器件1-5，用于使所述沿其它方向运转的第一泵浦光的增益小于损耗，并使所述沿预设方向运转的第一泵浦光的增益大于损耗，从而实现所述第一泵浦光沿预设方向运转，并将所述沿预设方向运转的第一泵浦光传输至所述第一变频光腔镜1-8-1。
为实现第一泵浦光的环形运转，可选地，所述单向运转控制器件还包括：第四偏振控制器件1-6，所述第四偏振控制器件1-6设于所述第三偏振控制器件1-5和所述第三激光谐振腔腔镜1-1-3之间；
所述第四偏振控制器件1-6，用于将从所述第三偏振控制器件1-5传输来的第一泵浦光的偏振态调节至所述非线性晶体1-7所需的偏振态，将被第三激光谐振腔腔镜1-1-3正反馈的第一泵浦光的偏振态调节至能进入所述激光增益介质1-2内的偏振态，从而使得所述第一泵浦光能够重新进入所述光增益介质1-2，并沿原振荡方向继续振荡。
可理解的是，所述非线性频率变换过程可以是不注入其它泵浦光的非线性效应，也可以是注入其它泵浦光的非线性效应。
需要说明的是，本实施方式中，所述第一偏振控制器件1-3可以是波片，第二偏振控制器件1-4可以是法拉第旋光器，第三偏振控制器件1-5可以是偏振片，第四偏振控制器件1-6可以是法拉第旋光器或波片，当然，还可选用其他器件来实现，本实施方式对此不加以限制。
为便于实现变频激光的直接输出或振荡后输出，可选地，所述第三激光谐振腔腔镜，进一步用于全部或部分透射所述变频激光。
可选地，第三激光谐振腔腔镜1-1-3对变频激光部分透射时，实现了变频激光在第一变频光腔镜1-8-1和第三激光谐振腔腔镜1-1-3之间的振荡后输出。
需要说明的是，所述激光器根据不同结构的设计，还可以包括第四激光谐振腔腔镜、第五激光谐振腔腔镜等，本实施方式对此不加以限制。
为补充热效应，以提高激光器的光束质量和输出功率，参照图2，所述激光增益介质具有两个(即分别为图中的“1-2-1”和“1-2-2”)，所述激光增益介质之间设有旋光晶体1-2-3。
为进一步增加在基频激光的线宽，可选地，所述激光增益介质之间还设有法布里-波罗标准具1-2-4。
为了引入第二泵浦光，使得第二泵浦光与第一泵浦光在经过非线性晶体时能够产生变频效应，参照图3，所述第四偏振控制器件1-6和第一变频光腔镜1-8-1之间设有45度的高透高反镜1-9；
所述高透高反镜1-9，用于反射第二泵浦光(即图中的“I”)，透射所述第一泵浦光；
相应地，所述第一变频光腔镜1-8-1，还用于透射所述第二泵浦光；
所述非线性晶体1-7，还用于接收所述第二泵浦光；
所述第三激光谐振腔腔镜1-1-3，还用于反射所述第二泵浦光。
由于引入了第二泵浦光，故而激光器的工作原理会发生相应变化，变化后的工作原理为：产生的第一泵浦光先后透过所述高透高反镜1-9和第一变频光腔镜1-8-1到达所述非线性晶体1-7，所述第二泵浦光由高透高反镜1-9反射至所述第一变频光腔镜1-8-1，在透过所述第一变频光腔镜1-8-1后到达所述非线性晶体1-7，所述第一泵浦光和第二泵浦光经过所述非线性晶体1-7发生变频效应，以产生变频激光，该变频激光透过所述第三激光谐振腔腔镜1-1-3实现输出，未进行变频效应的第一泵浦光和第二泵浦光由所述第三激光谐振腔腔镜1-1-3正反馈至所述非线性晶体1-7，反射的第一泵浦光和第二泵浦光经过所述非线性晶体1-7发生变频效应，以产生变频激光，仍未进行变频效应的第一泵浦光依次透过所述第一变频光腔镜1-8-1和高透高反镜1-9返回激光增益介质内继续振荡，仍未进行变频效应的第二泵浦光透过所述第一变频光腔镜1-8-1，再由高透高反镜1-9反射，使得该第二泵浦光沿光路返回，该变频激光由所述第一变频光腔镜1-8-1反射至所述非线性晶体1-7，再依次透过所述非线性晶体1-7和所述第三激光谐振腔腔镜1-1-3实现输出。
为便于产生第二泵浦光，可选地，所述激光器还包括：第二泵浦光产生器件，所述第二泵浦光产生器件的输出端与所述高透高反镜1-9相对设置；
为防止未进行和频效应的第二泵浦光沿光路返回至所述第二泵浦光产生器件，导致器件损伤，可选地，所述第二泵浦光产生器件和高透高反镜1-9之间还设有光隔离器(未示出)。
实施例1
下面以一个具体的实施例来说明本发明，但不限定本发明的保护范围。本实施例为一种1064nm单向运转环形腔的腔内倍频激光器，通过腔内倍频结构的设计，利用三硼酸锂(LiB3O5，LBO)非线性晶体，1064nm泵浦光发生腔内双程倍频效应，从而获得高光束质量、窄线宽、高效率的532nm激光输出。
参照图2，所述第一激光谐振腔腔镜1-1-1和第二激光谐振腔腔镜1-1-2均为22.5°1064nm高反镜，所述激光增益介质1-2-1和1-2-2均采用侧面泵浦方式，所述旋光晶体1-2-3为90°旋光晶体，用于补偿热效应，提高激光器的光束质量和输出功率；所述法布里-波罗标准具1-2-4，实现1064nm激光的超低损耗，用来进一步压窄1064nm的激光线宽；所述第一偏振控制器件1-3为半波片，第二偏振控制器件1-4为45°法拉第旋光器，第三偏振控制器件1-5为45°1064nm偏振片，第四偏振控制器件1-6为45°法拉第旋光器；所述非线性晶体1-7为LBO非线性晶体，用于1064nm第一泵浦光倍频效应；第一变频光腔镜1-8-1为0°1064nm高透、532nm高反镜，所述第三激光谐振腔腔镜1-1-3为0°1064nm高反、532nm高透镜。
在泵浦源的泵浦条件下，激光增益介质1-2-1和1-2-2产生激光辐射，通过调节第一偏振控制器件1-3(即半波片)的主轴与水平方向的夹度，使顺时针方向运转的激光辐射损耗小于增益，可以获得激光振荡，逆时针方向运转的激光辐射损耗大于增益，难以获得激光振荡，从而实现1064nm第一泵浦光的顺时针方向运转；第三偏振控制器件1-5(即偏振片)反射激光的S偏振光(即S方向分量)作为非线性过程的第一泵浦光，该第一泵浦光先后经过第四偏振控制器件1-6(即45°法拉第旋光器)和第一变频光腔镜1-8-1(即0°1064nm高透、532nm高反镜)后，入射到非线性晶体1-7(即LBO非线性晶体)，发生倍频效应(即非线性频率变换)，产生的532nm倍频光O(即变频激光)从第三激光谐振腔腔镜1-1-3(即0°1064nm高反、532nm高透镜)输出，未被利用的1064nm第一泵浦光被返回到非线性晶体1-7，又一次发生倍频效应，产生新的532nm倍频光被第一变频光腔镜1-8-1返回后输出；而被返回的剩余1064nm第一泵浦光再次经过第四偏振控制器件1-6，最初的S偏振光进行偏振态改变后变成P偏振光(即P方向分量)，偏振态改变后的1064nm第一泵浦光透过第三偏振控制器件1-5，沿原振荡方向继续振荡。
本实施例的激光器通过腔内倍频结构的设计，1064nm泵浦光先后两次通过非线性晶体，实现双程非线性倍频过程，极大提高了泵浦光的利用率和非线性频率变换的效率，从而获得高光束质量、窄线宽、高效率532nm激光输出。
实施例2
下面以一个具体的实施例来说明本发明，但不限定本发明的保护范围。本实施例为一种1064nm单向运转环形腔腔内和频激光器，通过腔内和频结构的设计，利用LBO非线性晶体，1064nm第一泵浦光和注入的1319nm第二泵浦光发生腔内双程和频效应，从而获得高光束质量、窄线宽、高效率的589nm激光输出。
参照图3，本实施例的结构与实施例1的结构类似，不同之处在于：所述第一变频光腔镜1-8-1改为0°1064nm&1319nm高透、589nm高反镜，所述第三激光谐振腔腔镜1-1-3改为0°1064nm&1319nm高反、589nm高透镜，在第四偏振控制器件1-6和第一变频光腔镜1-8-1之间设置高透高反镜1-9(即45°1064nm高透、1319nm高反镜)，该高透高反镜1-9作为1064nm基频激光和1319nm泵浦光的合束镜；所述激光增益介质等部件与实施例1中相同，此处不再赘述。
1064nm第一泵浦光和1319nm第二泵浦光通过第一变频光腔镜1-8-1后，入射到非线性晶体1-7中，发生非线性和频效应，产生的589nm和频光O(即变频激光)从第三激光谐振腔腔镜1-1-3输出，未被利用的1064nm第一泵浦光和1319nm第二泵浦光被返回到非线性晶体1-7，又一次发生和频效应，产生新的589nm和频光被第一变频光腔镜1-8-1返回后输出；而被返回的剩余1064nm第一泵浦光再次经过第四偏振控制器件1-6和第三偏振控制器件1-5，沿原振荡方向继续振荡。为防止1319nm第二泵浦光返回原光路损伤器件，可在1319nm第二泵浦光注入前加一个光隔离器。
本发明的激光器通过腔内和频结构的设计，1064nm第一泵浦光和1319nm第二泵浦光先后两次通过非线性晶体，实现腔内双程非线性和频过程，极大提高了泵浦光的利用率和非线性频率变换的效率，从而获得高光束质量、窄线宽、高效率589nm激光输出。
实施例3
下面以一个具体的实施例来说明本发明，但不限定本发明的保护范围。本实施例为一种1064nm单向运转环形腔腔内参量振荡激光器，通过腔内非线性变频结构的设计，利用LBO非线性晶体，发生腔内参量振荡效应，从而获得高光束质量、窄线宽、高效率的1.7um激光输出。
参照图2，本实施例的激光器的结构与实施例1的结构基本相同，不同之处在于：所述第一变频光腔镜1-8-1改为0°1064nm高透、3um&1.7um高反镜，所述第三激光谐振腔腔镜1-1-3改为0°1064nm&3um高反且对1.7um部分透过；其它器件没有任何变化。
1064nm第一泵浦光先后通过第四偏振控制器件1-6和第一变频光腔镜1-8-1后，入射到非线性晶体1-7中，发生非线性效应，产生3um空闲光和1.7um信号光，1.7um信号光在第一变频光腔镜1-8-1和第三激光谐振腔腔镜1-1-3间形成参量振荡；被返回的剩余1064nm第一泵浦光再次经过第四偏振控制器件1-6和第三偏振控制器件1-5，沿原振荡方向继续振荡。
本发明的激光器通过腔内双程非线性变频结构的设计，产生的1.7um信号光可以在腔内形成参量振荡，极大提高了泵浦光的利用率和非线性频率变换的效率，从而获得高光束质量、窄线宽、高效率1.7um激光输出。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。
Claims (8)
1.一种单向运转环形腔腔内双程非线性变频激光器，其特征在于，所述激光器包括：第一激光谐振腔腔镜、激光增益介质、第二激光谐振腔腔镜、单向运转控制器件、第一变频光腔镜、非线性晶体和第三激光谐振腔腔镜，第一激光谐振腔腔镜、激光增益介质、第二激光谐振腔腔镜和单向运转控制器件依次设置且首尾相连，所述非线性晶体设于所述第一变频光腔镜和第三激光谐振腔腔镜之间；
所述激光增益介质，用于在泵浦条件下辐射第一泵浦光；
所述第一激光谐振腔腔镜和第二激光谐振腔腔镜，均用于对所述第一泵浦光进行正反馈；
所述单向运转控制器件，用于控制所述第一泵浦光沿预设方向运转，并将产生的第一泵浦光传输至所述第一变频光腔镜；
所述第一变频光腔镜，用于透射所述第一泵浦光，并反射变频激光；
所述非线性晶体，用于接收所述第一泵浦光，并产生变频激光；
所述第三激光谐振腔腔镜，用于对所述第一泵浦光进行正反馈，并透射所述变频激光，以实现所述变频激光的输出。
2.如权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述单向运转控制器件包括：第一偏振控制器件、第二偏振控制器件和第三偏振控制器件；
所述第一偏振控制器件，用于将沿所述预设方向运转的第一泵浦光的偏振态调节第一预设角度，将沿其他方向运转的第一泵浦光的偏振态调节第二预设角度；
所述第二偏振控制器件，用于将任意方向第一泵浦光的偏振态旋转第三预设角度；
所述第三偏振控制器件，用于使所述沿其它方向运转的第一泵浦光的增益小于损耗，并使所述沿预设方向运转的第一泵浦光的增益大 于损耗，从而实现所述第一泵浦光沿预设方向运转，并将所述沿预设方向运转的第一泵浦光传输至所述第一变频光腔镜。
3.如权利要求2所述的激光器，其特征在于，所述单向运转控制器件还包括：第四偏振控制器件，所述第四偏振控制器件设于所述第三偏振控制器件和所述第三激光谐振腔腔镜之间；
所述第四偏振控制器件，用于将从所述第三偏振控制器件传输来的第一泵浦光的偏振态调节至所述非线性晶体所需的偏振态，将被第三激光谐振腔腔镜正反馈的第一泵浦光的偏振态调节至能进入所述激光增益介质内的偏振态。
4.如权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述第三激光谐振腔腔镜，进一步用于全部或部分透射所述变频激光。
5.如权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述激光增益介质具有两个，所述激光增益介质之间设有旋光晶体和/或法布里-波罗标准具。
6.如权利要求1～5中任一项所述的激光器，其特征在于，所述第四偏振控制器件和第一变频光腔镜之间设有45度的高透高反镜；
所述高透高反镜，用于反射第二泵浦光，透射所述第一泵浦光；
相应地，所述第一变频光腔镜，还用于透射所述第二泵浦光；
所述非线性晶体，还用于接收所述第二泵浦光；
所述第三激光谐振腔腔镜，还用于反射所述第二泵浦光。
7.如权利要求6所述的激光器，其特征在于，所述激光器还包括：第二泵浦光产生器件，所述第二泵浦光产生器件的输出端与所述高透高反镜相对设置。
8.如权利要求7所述的激光器，其特征在于，所述第二泵浦光产生器件和高透高反镜之间还设有光隔离器。
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