CN105048271A - 一种高稳定性的全固态激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高稳定性的全固态激光器，包括全固态激光器、λ/2波片、偏振分光器、光电探测器、PID控制器及温度控制器。在全固态激光器谐振腔内插入非线性倍频晶体，全固态激光器的输出光束依次通过λ/2波片和偏振分光器；偏振分光器的反射光进入光电探测器，光电探测器的输出端连接PID控制器，PID控制器的输出端连接温度控制器的温度设定端，通过温度控制器控制全固态激光腔内非线性倍频晶体的工作温度；所述偏振分光器的透射光作为系统输出光。本发明一种高稳定的全固态激光器，通过控制非线性倍频晶体的工作温度改变激光腔内非线性损耗的大小，补偿激光器功率的波动，获得高稳定性的激光输出。

Description

一种高稳定性的全固态激光器

技术领域

本发明涉及全固态激光器技术领域，具体是一种高稳定性的全固态激光器。

背景技术

全固态激光器已广泛应用于相干通讯、激光雷达、引力波探测和科学研究等领域，近年来人们对激光器的输出光功率及其稳定性提出了更高的要求，即高功率高稳定性激光输出。为了稳定激光器输出功率，可以通过提高机械稳定性、控制泵浦功率或者在谐振腔内或腔外引入损耗来实现。目前，稳定激光功率的方法有以下几种：

1.通过合理的设计，提高激光器系统的机械稳定性，从而提高激光器输出功率的稳定性；

2.采用光电负反馈法控制泵浦激光二极管驱动电流，控制泵浦功率，进而稳定激光器功率；

3.采用光电负反馈法控制置于输出光束中的功率控制器实现。功率控制器通常为电光调制晶体或声光调制晶体，电光调制晶体是利用其泡克尔斯效应调制激光束的投射功率，声光调制晶体是基于声光调制原理，通过改变其射频驱动电压来改变激光通过调制器的衍射效率。控制系统将反馈信号反馈给调制晶体，补偿功率的变化，达到稳定激光功率的目的；

4.采用光电负反馈法控制磁控式镜片平移装置带动激光器的全反射镜前后移动改变腔长，进而改变谐振腔的损耗，实现对激光输出功率的改变。

上述稳定激光功率的方法中，提高激光器机械稳定性的方式，具有一定的局限性，激光功率仍然会随外界环境的改变而变化；控制泵浦激光二极管驱动电流或利用磁控式镜片平移装置的方式，在稳定激光功率的同时会影响输出光波长的稳定性，不太适用于对激光功率和频率稳定性都有较高要求的情况；控制置于输出光束中的功率控制器的方式，装置设计复杂，成本高，对输出光功率有一定的损耗，另外，由于电光调制晶体的光损伤阈值较低，不适用于高功率激光器系统。

发明内容

本发明的目的在于为实现在高功率激光器系统中稳定激光输出功率且减小对激光频率稳定性的影响，提供一种设计简单、成本低廉的高稳定性的全固态激光器。

本发明提供的一种高稳定性的全固态激光器，包括全固态激光器、λ/2波片、偏振分光器、光电探测器、PID控制器及温度控制器；所述的全固态激光器，在其谐振腔内插入了非线性倍频晶体；全固态激光器的输出光束依次通过λ/2波片和偏振分光器；偏振分光器的透射光束作为系统的输出光；偏振分光器的反射光束进入光电探测器，光电探测器的输出端连接PID控制器，PID控制器的输出端连接温度控制器，温度控制器用于控制激光器内非线性倍频晶体的温度，所述的PID控制器内部含有锁定点设定电路，其设定的参考电压值与系统设定的输出功率值对应。

所述的非线性倍频晶体优选为三硼酸锂晶体。

所述的全固态激光器可以是行波腔或驻波腔全固态激光器。

所述的全固态激光器的泵浦方式可以是端面泵浦或侧面泵浦。

所述的λ/2波片和偏振分光器能够使大部分激光透过偏振分束器作为光功率稳定后的输出，只有小部分激光反射进入探测器用于反馈控制。

所述的温度控制器应具有较大的温度控制范围和较高的控温稳定性。

本发明所述的全固态激光器，在其谐振腔内插入的非线性倍频晶体，可以实现Ⅰ类非临界相位匹配，部分基频光转化为倍频光。在此过程中，倍频晶体的倍频转化效率随其工作温度的变化而变化。由单频激光器起振条件可知，倍频晶体的倍频转化效率发生改变时，谐振腔内基频光光强会发生相应改变，从而使得激光器的输出功率也会随倍频晶体工作温度的变化而变化，其变化关系如图2所示。从图中可以看出，在Ⅰ类非临界相位匹配条件下，倍频晶体的工作温度高于或低于最佳匹配温度的区间内，激光器输出功率随倍频晶体的工作温度均单调变化，因此，可以选取其中一个区间作为功率稳定范围。

本发明所述的一种高稳定性的全固态激光器，其稳定性的实现过程：全固态激光器的输出光束依次经过λ/2波片和偏振分光器后，被分成偏振方向相互垂直的两束光；透射光作为系统的输出光束；反射光经光电探测器转换为相应的电信号后作为实测信号输入PID控制器；PID控制器将实测信号与设定的输出功率对应的参考电压信号比较后产生误差信号，该误差信号经模拟PID电路后产生控制信号；将PID控制器产生的控制信号输入至温度控制器的温度设定端，改变温度控制器的温度设定值，控制激光谐振腔内非线性倍频晶体的工作温度，使输出光功率保持稳定。

与现有技术相比，本发明的优点和有益效果：

(1)本发明提供的一种高稳定性的全固态激光器，在谐振腔内插入了非线性倍频晶体，通过控制非线性倍频晶体的非线性转化损耗，减小激光器输出功率的波动，提高了激光器输出功率的稳定性。

(2)本发明提供的一种高稳定性的全固态激光器，不需要在激光器外增加额外的光学稳定装置即可实现激光器功率的稳定输出，本发明设计简单，成本低廉。

(3)本发明提供的一种高稳定性的全固态激光器适宜于任何腔型结构的固体激光器。

附图说明

图1为本发明所述的一种高稳定性的全固态激光器的结构示意图。图中：1-全固态激光器，2-λ/2波片，3-偏振分光器，4-光电探测器，5-PID控制器，6-温度控制器，18-非线性倍频晶体。

图2为激光器输出功率随非线性倍频晶体工作温度的变化曲线。

图3为本发明激光二极管端面泵浦的“8”字四镜环形腔全固态连续单频激光器。

图4为本发明激光二极管双端泵浦的“8”字四镜环形腔全固态连续单频激光器。

图5为本发明激光二极管侧面泵浦的六镜环形腔全固态连续单频激光器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步说明：

如图1所示的一种高稳定性的全固态激光器，包括全固态激光器1、λ/2波片2、偏振分光器3、光电探测器4、PID控制器5及温度控制器6；所述的全固态激光器，在其谐振腔内插入了非线性倍频晶体18；全固态激光器1的输出光束依次通过λ/2波片2和偏振分光器3；偏振分光器3的透射光束作为系统的输出光；偏振分光器3的反射光束进入光电探测器4，光电探测器4的输出端连接PID控制器5，PID控制器5的输出端连接温度控制器6，温度控制器6用于控制激光器内非线性倍频晶体18的温度。

旋转λ/2波片使约百分之九十九的激光透过偏振分光器作为系统的输出光束，而只有约百分之一的激光经偏振分光器反射进入光电探测器用于反馈控制。

所述的PID控制器中含有锁定点设定电路。根据激光器系统选取合适的设定功率值，通过调整锁定点设定电路中的可调电阻，使设定的参考电压值与设定功率值对应，从而控制使激光器功率稳定在设定功率处。

所述的温度控制器能够将被控对象的温度控制在140～160℃，且4小时内其控温稳定度为±0.02℃。

所述的全固态激光器谐振腔内插入的非线性倍频晶体为三硼酸锂(LBO)晶体，如图2所示的为激光器输出功率随LBO晶体工作温度的变化关系。从图中可看出，在Ⅰ类非临界相位匹配条件(区间T)下，LBO晶体的工作温度高于或低于最佳匹配温度(约为149.15℃)的区间(T1或T2)内，激光器输出功率随LBO晶体的工作温度单调变化。选取LBO晶体的工作温度低于最佳匹配温度的区间T1作为稳定功率范围，取其对应功率的中心点(约为29.91W)作为系统设定功率，将LBO晶体的初始温度控制在148℃左右。从图中可看出，当激光器功率高于设定功率时，需升高LBO晶体的工作温度，使激光器功率降低；反之，则需降低LBO晶体的工作温度，使激光器功率升高。

图3所示的为本发明所设计的一种激光二极管端面泵浦的四镜环形腔全固态连续单频激光器，包括由泵浦源10、四镜(11、12、13、14)环形谐振腔、增益晶体15、置于永磁体内的磁光介质16、第一λ/2波片17、倍频晶体18组成的全固态激光器1以及第二λ/2波片2、偏振分光器3、光电探测器4、PID控制器5、温度控制器6。888nm的泵浦光经耦合系统聚焦到增益晶体15的中心；激光器采用由凹凸镜11、平凸镜12、平凹镜13、平凹镜14组成的“8”字四镜环形腔结构；增益晶体15为a轴切割的YVO4+Nd:YVO4复合晶体；磁光介质16为TGG晶体，由永磁体包裹的TGG晶体16和第一λ/2波片17组成的光学单向器，保证激光器的单频运转；LBO晶体18位于腔镜13和腔镜14之间的基模束腰处，置于紫铜控温炉中，采用热电制冷器(TEC)进行温度控制。全固态激光器1的输出光束经第二λ/2波片2及偏振分光器3分成偏振方向互相垂直的两束光；偏振分光器3的透射光作为系统输出光；偏振分光器3的反射光经光电探测器4转换为电信号后进入PID控制器5，PID控制器5输出的控制信号输入温度控制器6的温度设定端，改变温度设定值；温度控制器6驱动TEC控制LBO晶体的工作温度。

图4所示的为一种激光二极管双端泵浦的四镜环形腔全固态连续单频激光器，包括由泵浦源10、四镜(11、12、13、14)环形谐振腔、增益晶体15、置于永磁体内的磁光介质16、第一λ/2波片17、倍频晶体18组成的全固态激光器1以及第二λ/2波片2、偏振分光器3、光电探测器4、PID控制器5、温度控制器6。与图3所示实施方式相比，其主要区别在于激光器的泵浦方式由端面泵浦变为双端泵浦。

图5所示的为一种激光二极管侧面泵浦的六镜环形腔全固态连续单频激光器，包括由泵浦源10、增益晶体11、六镜(12、13、14、15、16、17)环形谐振腔、倍频晶体18、置于永磁体内的磁光介质19、第一λ/2波片110组成的全固态激光器1以及第二λ/2波片2、偏振分光器3、光电探测器4、PID控制器5、温度控制器6。泵浦源10输出光束经整形聚焦后投射到增益晶体11上；增益晶体11为各向异性的晶体，如Nd:YVO₄，Nd:YAP，Nd:YLF等；激光器采用四个平面镜(12、13、14、15)和两个平凹镜(16、17)组成的六镜环形谐振腔结构；腔内插入由永磁体包裹的TGG晶体19和第一λ/2波片110组成的光学单向器，保证激光器的单频运转；LBO晶体位于腔镜16和腔镜17之间的基模束腰处。其余部分与图3和图4所示实施方式相同。

本发明的核心是利用腔内倍频晶体的倍频转化效率随其工作温度的变化关系，通过光电负反馈控制倍频晶体的工作温度，补偿激光器功率的波动，获得高稳定性的激光输出，凡是利用控制激光器谐振腔内倍频晶体的温度获得高稳定性激光输出的任何激光器系统都属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种高稳定性的全固态激光器，包括全固态激光器(1)、λ/2波片(2)、偏振分光器(3)、光电探测器(4)、PID控制器(5)及温度控制器(6)；其特征在于，所述的全固态激光器，在其谐振腔内插入了非线性倍频晶体(18)；激光器(1)的输出光束依次通过λ/2波片(2)和偏振分光器(3)；偏振分光器(3)的透射光束作为系统的输出光；偏振分光器(3)的反射光束进入光电探测器(4)，光电探测器(4)的输出端连接PID控制器(5)，PID控制器(5)的输出端连接温度控制器(6)，温度控制器(6)用于控制激光器(1)内非线性倍频晶体(18)的温度；所述的PID控制器(5)内部含有锁定点设定电路，其设定的参考电压值与系统设定的输出功率值对应。

2.根据权利要求1所述的一种高稳定性的全固态激光器，其特征在于，所述的非线性倍频晶体(18)为三硼酸锂晶体。

3.根据权利要求1所述的一种高稳定性的全固态激光器，其特征在于，所述的全固态激光器(1)是行波腔全固态激光器或驻波腔全固态激光器。

4.根据权利要求1所述的一种高稳定性的全固态激光器，其特征在于，所述的全固态激光器(1)的泵浦方式是端面泵浦或侧面泵浦。