CN104934847B - 一种Littrow构型电光调Q激光器 - Google Patents
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Abstract
设计一种Littrow构型的电光调Q激光器来实现不同频率激光的电光调Q输出，本设计的特点在于以各向异性的光学晶体制作合适的Littrow棱镜置于激光谐振腔中，利用该棱镜的光色散能力和Littrow构型的自准直特性来选择激光器的振荡频率和光偏振态，并通过电光Q开关对光信号偏振态的调制来实现光的关断和输出，从而在该激光器上实现若干频率激光的电光调Q输出。
Description
技术领域
本发明涉及光学领域，具体涉及到一种Littrow构型电光调Q激光器。
背景技术
电光调Q激光是获得高峰值功率激光输出的一种有效方式。电光调Q激光一般由泵浦源、激光工作介质、起偏器、检偏器、电光Q开关等构成。本发明设计了一种Littrow构型电光调Q激光器，以Littrow棱镜作为频率选择元件和偏振器，配合电光Q开关对选定频率和偏振态的激光进行调制。
发明内容
本发明的目的在于利用Littrow棱镜对激光进行选频和偏振化，再配合电光Q开关对激光的脉冲宽度进行调制，使激光实现高峰值功率输出。
电光调Q激光器借助电光开关将激光介质中积蓄的能量压缩到极短的瞬间释放出来，从而实现激光的高峰值功率运转，提高激光的能量密度。电光开关过程是依靠电光调制器来改变光的偏振状态，使之在达到偏振器时完全透过或者隔断，因此要求光在谐振腔内传播时要保持高度偏振，以获得高的光开关效率。
一种Littrow构型电光调Q激光器，包括从左至右依次排列的输出镜、激光工作介质、光学元器件、Littrow棱镜、电光Q开关和全反射镜，所述的Littrow棱镜由各向异性的光学晶体加工而成，包括第一光学平面和第二光学平面，其第一光学平面的法线与激光工作介质的轴线之间形成夹角α，所述夹角α大小可调节；沿激光工作介质的轴线方向入射Littrow棱镜的单一频率和偏振态的光信号获得足够增益形成激光振荡，最终得到电光调Q激光的输出。
作为优选地，所述第一光学平面和第二光学平面表面镀有介质膜。
作为优选地，所述的激光工作介质为激光晶体、激光陶瓷、激光玻璃、气体或者染料。
作为优选地，所述输出镜和所述全反射镜为平面镜或者曲面镜，其表面镀有介质膜。
作为优选地，使用的电光Q开关为纵向调制电光Q开关或横向调制电光Q开关。
作为优选地，电光Q开关所使用的电光晶体镀有增透介质膜。
本发明的设计原则为：
以各向异性光学晶体制作Littrow棱镜，由该晶体的光谱参数、折射率色散方程等确定Littrow棱镜的加工参数，包括晶体切向、棱镜夹角、光学加工指标等，使棱镜具备一定的色散能力，能够将不同频率的光分离，由于Littrow棱镜具有自准直特性，有利于减少谐振腔损耗和降低激光器调校难度。根据输出激光ν+对工作频率ν和偏振状态P+的要求，Littrow棱镜以一定姿态置于激光谐振腔中，Littrow棱镜第一光学平面的法线与激光工作介质的轴线成一定角度，而激光工作介质的轴线与激光器的输出镜相垂直；Littrow棱镜第二光学平面的法线与电光Q开关的轴线重合，与激光器的全反射镜相垂直。当激光工作介质受到泵浦源激发产生能级跃迁时，只有垂直入射或出射输出镜的光有可能保持在谐振腔内传播而不会逸出，即光沿着激光工作介质的轴线行进；而光入射Littrow棱镜后，只有选定的ν+光能够满足自准直条件，从Littrow棱镜出射后将垂直入射全反射镜，之后再沿原光路返回，通过在谐振腔内的多次往返在激光工作介质中获得足够的增益来形成有效的激光振荡，其余频率或偏振态的光在通过Littrow棱镜后，传播路线将偏离电光Q开关的轴线而斜入射全反射镜，无法形成激光振荡；ν+光通过Littrow棱镜后依次通过电光Q开关、全反射镜、电光Q开关，再返回Littrow棱镜，当电光Q开关处于关断状态时，ν+光两次通过电光调Q开关后偏振方向将转过90°，获得ν-光，其在Littrow棱镜中不满足自准直条件，通过棱镜后，其传播方向偏离激光工作介质的轴线，无法形成有效的激光振荡，而电光Q开关处于开通状态时，ν+光两次通过电光Q开关后偏振方向不发生改变，再次通过Littrow棱镜后，传播方向仍将保持在激光工作介质的轴线上，能够形成有效的激光振荡。
附图说明
图1为一种Littrow构型电光调Q激光器示意图；
其中，a为输出镜，b为激光工作介质，c为光学元器件，d为Littrow棱镜，e为电光Q开关，f为全反射镜，f1为第一光学平面，f2为第二光学平面，l1为第一光学平面的法线，l2为第二光学平面的法线，l3为激光工作介质的轴线。
具体实施方式
如图1所示，该Littrow构型电光调Q激光器谐振腔的基本构成包括输出镜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、电光Q开关e和全反射镜f，其中：输出镜a和全反射镜f可以为平面镜或者曲面镜，它们的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，激光工作介质b的对称轴线为激光工作介质的轴线l3，其与输出镜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，包括棱镜、波片、旋光器件、球面镜等；Littrow棱镜d由各向异性的光学晶体加工而成，激光在谐振腔内传播时将通过第一光学平面f1和第二光学平面f2，它们对应的法线方向分别为第一光学平面的法线l1和第二光学平面的法线l2，第一光学平面的法线l1与激光工作介质的轴线l3之间形成夹角α，第一光学平面的法线l1与第二光学平面的法线l2之间的夹角为θ，亦即为第一光学平面f1和第二光学平面f2之间的夹角，第二光学平面的法线l2与全反射镜f相垂直，第一光学平面f1和第二光学平面f2上均镀有合适的介质膜；电光Q开关e的轴线与第二光学平面的法线l2重合，所使用的电光晶体镀有增透介质膜。
本电光调Q激光器的工作过程为：
选择合适的各向异性光学晶体加工Littrow棱镜d，由该晶体的Sellmeier方程得到相应的折射率数据，结合其对称特性来确定棱镜的加工参数。将选定的输出镜a、激光工作介质b、Littrow棱镜d、电光Q开关e和全反射镜f按照说明书附图1所示构建激光器谐振腔。选定输出激光ν+的工作频率ν和偏振状态P+，计算出激光ν+在该棱镜上满足自准直条件时的入射角α和折射角θ，折射角θ等于棱镜第一光学平面f1和第二光学平面f2之间的夹角，入射角α由折射率公式来确定，该公式为：
在图中以1→2→3→3’→4→1’→1（5）标示了ν+光在该激光器的谐振腔中离轴损耗最小的传播过程：1→2表示ν+光沿激光工作介质的轴线l3以α角入射到Littrow棱镜d的第一光学平面f1，进入棱镜后折射到第二光学平面的法线l2方向；ν+光在2→3过程中，由于第二光学平面的法线l2方向与Littrow棱镜d的第二光学平面f2、电光Q开关e的通光面、全反射镜f相垂直，所以其传播方向始终保持不变；3→3’表示ν+光传播方向的改变，其垂直入射全反射镜f后反向行进；3’→4与2→3是完全重合的，只是ν+光的传播方向相反；当ν+光再次到达Littrow棱镜d的第一光学平面f1时，又发生折射，使光传播方向又与激光工作介质的轴线l3相重合，4→1’即为1→2的反向过程；ν+光垂直入射输出镜a时，其中一部分由于反射而反向传播，为1’→1过程，另一部分则直接透射出谐振腔，形成激光输出1’→5。
当激光工作介质b受到泵浦源激发时，将会产生多个不同的能级跃迁过程，辐射不同频率的光子，它们的传播方向是随机的，此时，在谐振腔内只有沿1→2传播的光才可能具有最小的离轴损耗。当它们到达Littrow棱镜d的第一光学平面f1时，由于Littrow棱镜第一光学平面的法线l1与激光工作介质的的轴线l3之间有一夹角α，根据自准直条件，唯有选定的ν+光能折射到2→3上行进，而其它频率或偏振态的光由于离轴损耗增大而无法形成激光振荡，这表明光信号在通过Littrow棱镜d的第一光学平面f1后，只有单一频率的偏振光信号能形成激光振荡。ν+光垂直通过Littrow棱镜d的第二光学平面f2沿2→3继续传播到达电光Q开关e，当电光Q开关e处于关断状态时，其相当于一个1/4波片，ν+光通过该开关后偏振方向将转过45°，同样，由全反射镜反射后沿原光路反向通过电光Q开关后，光的偏振方向将再次转过45°，使得光信号的偏振方向与ν+光的偏振态相垂直，即ν-光，其在沿3’→4方向通过Littrow棱镜d的第二光学平面f2后到达第一光学平面f1，在该光学平面发生折射，由于ν-光对应的折射率与ν+光不同，那么通过Littrow棱镜d之后，ν-光的传播方向将不会与激光工作介质的轴线l3方向重合，无法完成激光的振荡过程；当电光Q开关e处于打开状态时，ν+光的偏振方向并不会因为在往、返过程中通过电光Q开关而受到影响，因此能够始终保持在2→3→3’→4→1’方向上行进，也就是说ν+光能够在谐振腔内多次往返而从受到激发的激光工作介质中获得能量增益，最终形成激光输出1’→5。
在该激光器中要实现激光输出频率ν或者偏振态P的改变，需要由自准直条件计算出其在Littrow棱镜d上对应的入射角α，据此改变Littrow棱镜d在谐振腔内的姿态，而电光Q开关e和全反射镜f相对Littrow棱镜d的姿态保持不变。选定频率后，激光的工作过程与之前所述相同。
具体实施方式1
Littrow构型电光调Q-Nd:YAG激光器
以YVO4晶体加工Littrow棱镜，Nd:YAG晶体作为激光工作介质，采用KD*P电光Q开关，激光器构造如图1所示，通过改变Littrow棱镜在谐振腔内的角度，改变激光器输出激光的频率。在该激光器上分别获得了1.052µm、1.064µm等波长的单一偏振调Q激光输出，激光脉冲宽度小于20ns。
具体实施方式2
Littrow构型电光调Q-Nd:YAP激光器
以YVO4晶体加工Littrow棱镜，Nd:YAP晶体作为激光工作介质，采用BBO电光Q开关，激光器构造如图1所示，通过改变Littrow棱镜在谐振腔内的角度，改变激光器输出激光的频率。在该激光器上分别获得了1.079nµm、1.13µm等波长的单一偏振调Q激光输出，激光脉冲宽度小于20ns。
具体实施方式3
Littrow构型电光调Q-Nd:YLF激光器
以YVO4晶体加工Littrow棱镜，Nd:YLF晶体作为激光工作介质，采用KD*P电光Q开关，激光器构造如图1所示，通过改变Littrow棱镜在谐振腔内的角度，改变激光器输出激光的频率。在该激光器上分别获得了1.047µm、1.053µm等波长的单一偏振调Q激光输出，激光脉冲宽度小于20ns。
具体实施方式4
Littrow构型电光调Q-Nd:YVO4激光器
以YVO4晶体加工Littrow棱镜，Nd:YVO4晶体作为激光工作介质，采用KD*P电光Q开关，激光器构造如图1所示，通过改变Littrow棱镜在谐振腔内的角度，改变激光器输出激光的频率。在该激光器上分别获得了1.064µm、1.073µm等波长的单一偏振调Q激光输出，激光脉冲宽度小于20ns。
Claims (1)
1.一种Littrow构型电光调Q激光器，以Littrow构型的谐振腔来实现多个频率激光的调Q输出，其特征在于：包括依次设置的输出镜、激光工作介质、光学元器件、Littrow棱镜、电光Q开关和全反射镜；输出镜和全反射镜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；激光工作介质的对称轴线与输出镜相垂直；Littrow棱镜由各向异性的光学晶体加工而成，激光在谐振腔内传播时将通过Littrow棱镜的第一光学平面和第二光学平面，第一光学平面的法线方向与激光工作介质的轴线形成一第一夹角；第二光学平面的法线方向与激光工作介质的轴线形成一第二夹角，亦即为第一光学平面和第二光学平面之间的夹角；根据选定输出激光的工作频率和偏振状态，计算出激光在Littrow棱镜上满足自准直条件时的入射角和折射角，折射角等于棱镜第一光学平面和第二光学平面之间的夹角；第二光学平面的法线与全反射镜垂直，第一光学平面和第二光学平面上均镀有介质膜；电光Q开关的轴线与第二光学平面的法线重合。
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