CN105071211A - 一种基于外腔结构的双波长可调谐激光装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于外腔结构的双波长可调谐激光装置，包括输出腔镜、反射腔镜和增益介质，在输出腔镜的输出光路上设置有色散元件，在所述色散元件两个不同衍射波长的光路上设置有第一转镜和第二转镜，所述的第一转镜和第二转镜均对激光输出波段半透射半反射，其中反射光经色散元件反馈至所述的增益介质，并在谐振腔内形成双波长激光振荡后分别沿第一转镜和第二转镜透射，所述的第一转镜和第二转镜通过角度旋转，实现输出波长的调谐。本发明的激光器的两个起振波长均可实现调谐，激光器具有结构简单，成本低，调谐范围大等优点。

Description

一种基于外腔结构的双波长可调谐激光装置

技术领域

本发明涉及一种基于外腔结构的双波长激光的实现方法和激光器，色散元件置于与主腔隔离的外腔中。

背景技术

双波长激光器是在一个激光器中同时实现两个波长的激光输出的激光器，在差频THz源，精细激光光谱、差分吸收激光雷达等领域有着广阔的应用前景。

传统的双波长激光器是通过谐振腔的镀膜设计进行选频，实现两个波长的同时振荡，这样的方法难以实现对谐振波长的调谐。或者将色散元件，如棱镜,置于谐振腔内，将两个波长的光路分开。但是色散元件具有一定的插入损耗,影响了激光器的效率和调谐范围。于是一些双波长激光器采用了外腔结构,将色散元件置于与主腔隔离的外腔中以降低调谐元件插入损耗的影响。2010年46卷的《IEEEJournalofQuantumElectronics》“Dual-WavelengthCr³⁺:LiCaAlF₆solid-statelaserwithtunableTHzfrequencydifference”中公开了一种外腔结构的双波长激光器，可以实现双波长的调谐,两个波长的调谐范围均为786±6nm。激光器的结构较为复杂：其主谐振腔结构为V型腔,比线型腔多一个折叠臂,光路调节复杂；同时其对两个波长的激光都要进行整形扩束，因而有两组整形扩束装置，增加了系统应用的难度，

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于外腔调谐结构的双波长激光器结构，主谐振腔为线型腔，可以实现双波长激光的同时振荡和可调谐。具有结构紧凑，成本低，调谐范围大等优点。

为实现上述目标，本发明的基本构思是：

一种基于外腔结构的双波长可调谐激光装置，包括输出腔镜、反射腔镜和设置在输出腔镜和反射腔镜之间的增益介质，所述的输出腔镜对激光输出波段半透射半反射，所述的反射腔镜对激光全反射，在输出腔镜的输出光路上设置有色散元件，在所述色散元件两个不同衍射波长的光路上设置有第一转镜和第二转镜，所述的第一转镜和第二转镜均对激光输出波段半透射半反射，其中反射光经色散元件反馈至所述的增益介质，并在谐振腔内形成双波长激光振荡后分别沿第一转镜和第二转镜透射，所述的第一转镜和第二转镜通过角度旋转，实现输出波长的调谐。

上述基于外腔结构的双波长可调谐激光装置中，输出腔镜和色散元件之间设置有光束整形单元，对入射至色散元件的光束进行扩束准直。

上述基于外腔结构的双波长可调谐激光装置中，光束整形单元包括沿光束依次设置的准直透镜和变形棱镜组。

上述基于外腔结构的双波长可调谐激光装置中，色散元件为光栅或棱镜，增益介质为激光晶体，反射腔镜为镀制在增益介质端面的反射膜；输出腔镜、第一转镜和第二转镜对激光输出波段的透射反射比分别为5:95、10:90和10:90。

上述基于外腔结构的双波长可调谐激光装置中，增益介质为Cr:LiSAF晶体，调谐范围为800-1000nm。

一种基于外腔结构的双波长可调谐激光装置，包括输出腔镜、反馈腔镜和设置在输出腔镜和反馈腔镜之间的增益介质，所述的输出腔镜和反馈腔镜对激光波段半透射半反射，在反馈腔镜的输出光路上设置有色散元件，在所述色散元件两个不同衍射波长的光路上设置有第一转镜和第二转镜，所述的第一转镜和第二转镜均对激光波段全反射，反射光经色散元件反馈至所述的增益介质，并在谐振腔内形成双波长激光振荡后沿输出腔镜输出；所述的第一转镜和第二转镜通过角度旋转，实现输出波长的调谐。

上述基于外腔结构的双波长可调谐激光装置中，反馈腔镜和色散元件之间设置有光束整形单元，对入射至色散元件的光束进行扩束准直。

上述基于外腔结构的双波长可调谐激光装置中，光束整形单元包括沿光束依次设置的准直透镜和变形棱镜组。

上述基于外腔结构的双波长可调谐激光装置中，色散元件为光栅或棱镜，所述的输出腔镜对激光波段的透射反射比分别为5:95，所述的反馈腔镜对激光波段全反射。

上述基于外腔结构的双波长可调谐激光装置中，增益介质为Cr:LiSAF晶体，调谐范围为800-1000nm。

本发明具有的有益技术效果如下：

1、本发明在线性主谐振腔的基础上增加了外腔调谐单元，实现了波长激光的同时振荡和调谐，具有结构紧凑，成本低，调谐范围大等优点。

2、本发明利用光栅或棱镜等色散元件实现对主谐振腔的反馈，并通过合理的腔镜组合和膜系设计，实现了谐振腔对双波长的振荡和激光输出，简化了整体结构。

3、本发明提出两种结构的双波长可调谐激光装置，一种为双波长分束输出，另一种为双波长合束而出，满足了不同的应用要求。

4、本发明通过改变转镜的反射角度改变了色散单元的反馈光角度，进而改变了反馈至增益介质的波长参数，实现了激光的调谐，同时采用双转镜分别调谐，降低了调谐的难度。

附图说明

图1为本发明基于棱镜的双光束输出、双波长可调谐激光装置的基本原理及组成；

图2为本发明基于光栅的双光束输出、双波长可调谐激光装置的基本原理及组成；

图3为本发明基于棱镜的双光束输出、双波长可调谐激光装置的第二种实施例；

图4为本发明基于棱镜的双光束输出、双波长可调谐激光装置的第三种实施例；

图5为本发明基于棱镜的单光束输出、双波长可调谐激光装置的基本原理及组成；

图6为光束整形单元的原理示意图。

其中：1—反射腔镜；2—增益介质；3—输出腔镜；4—光束整形单元；5—色散元件；6—第一转镜；7—第二转镜；9—反馈腔镜；11—准直透镜，12—变形棱镜组，21—泵浦光束；22—输出光束。

具体实施方式

本发明给出了两种形式的基于外腔结构的双波长可调谐激光装置，一种是双光束输出，另一种是单光束输出。

如图1所示，双光束输出的双波长可调谐激光装置包括输出腔镜3、反射腔镜1和设置在输出腔镜3和反射腔镜1之间的增益介质2，输出腔镜3对激光波段半透射半反射，反射腔镜1对激光全反射,形成线性激光谐振腔。在输出腔镜3的输出光路上设置有色散元件5，在色散元件5两个不同衍射波长的光路上设置有第一转镜6和第二转镜7，第一转镜6和第二转镜7均对激光波段半透射半反射，其中反射光经色散元件5沿入射光路原路返回至激光谐振腔,实现对振荡波长的调控，输出光再沿第一转镜6和第二转镜7透射而出,形成双波长双光束输出。通过对第一转镜6和第二转镜7的角度旋转，实现不同波长的反馈，从而实现输出波长的调谐。其中色散元件5为棱镜，21为泵浦光束，22为输出光束。

图2至图4是图1的几种变形方式。图2中色散元件5改为光栅，第一转镜6和第二转镜7则布置在最大级衍射光束上并错开一定的角度。图3中在激光晶体的左端面进行镀膜代替图1和图2中的左腔镜，从而形成激光谐振腔。图4与图1至图3的主要区别在于泵浦方式上，图1至图3采用的是左端面泵浦，图4采用的是右端面泵浦，这些均是泵浦方式的常规选择。

图5为单光束输出的双波长可调谐激光器，主要包括输出腔镜1、反馈腔镜9和设置在输出腔镜1和反馈腔镜9之间的增益介质2，输出腔镜3和反馈腔镜9对激光波段半透射半反射，在反馈腔镜9的输出光路上设置有色散元件5，在色散元件5两个不同衍射波长的光路上设置有第一转镜6和第二转镜7，第一转镜6和第二转镜7均对激光波段全反射，反射光经色散元件5反馈至所述的增益介质2，并在谐振腔内形成双波长激光振荡后沿输出腔镜1输出；第一转镜6和第二转镜7通过角度旋转,实现输出波长的调谐。图5中泵浦采用侧面泵浦方式，也可采用类似图1和图4中的端面泵浦方式。

在图1至图4所示的波长可调谐激光装置中，外腔部分由色散元件5、第一转镜6和第二转镜7构成，使得激光器的谐振波长受外腔控制。外腔将从腔镜3透过的光经过选频后反馈回主腔，以此决定谐振波长。调谐效果取决于反馈光，反馈光强度越高、与原光路重合的越好，则调谐效果越好。若要使外腔反馈光回到主腔并沿原光路聚焦到晶体中，则需要对激光整形为准平行光。

如图6所示，光束整形单元4用于对入射至色散元件5的光束进行扩束准直。尤其针对光栅结构，光束的横截面越大，则色散元件的角色散越强、分光能量越强。因而从增强角色散的角度考虑，需对激光扩束。光束整形单元4可以是凸面镜和扩束镜的组合，其中扩束镜为两个直角棱镜组成的变形棱镜组，在平行于纸面的方向上对激光扩束。

在图1所示的波长可调谐激光装置中，色散元件5将两束波长不同的光分开，图1中色散元件为棱镜，可以用单个棱镜，也可以用多个棱镜，也可以用一个或者多个光栅，能起到色散分光作用即可。经过分光后，两路光分别被镜片6和镜片7反射。外腔对主腔的反馈光等价于提升了主腔镜3在反馈波长处的有效反射率。设3在激光波长处的反射率为R₃，6和7的反射光波长分别为λ₁和λ₂，反射率分别为R₆和R₇，不考虑扩束系统和棱镜造成的损耗，则对于激光器来说，输出镜的在两个波长处的有效反射率分别为：

$R_{eff1}={\left(\frac{r_3+r_6}{1+r_3\·r_6}\right)}^2$

$R_{eff2}={\left(\frac{r_3+r_7}{1+r_3\·r_7}\right)}^2$

式中，可见，R_eff1和R_eff2均大于R₃。这说明，在有了外腔反馈后，输出镜有效反射率增大，则实现激光振荡的泵浦阈值降低，激光器振荡波长受外腔反馈调控。转动6和7，则反馈回主谐振腔的激光波长会发生变化，则实现了对波长的调谐。激光器要实现双波长振荡，需要两个振荡波长的起振阈值接近。通过调节6，7的反馈比率可以调节两个波长的起振阈值，使两个波长的起振阈值接近以实现双波长同时振荡。

下面给出理论模拟和初步实验的具体实施例。

激光器采用图1所示激光器结构。选用671nm的泵浦，沿晶体左端面入射；凹面镜1曲率半径为50mm，镀膜对671nm高透，对800-1000nm高反；增益介质2选用Cr:LiSAF晶体。Cr:LiSAF晶体材料能实现780-1110nm的调谐；输出腔镜3选用曲率半径为50mm的凹面镜；在800-1000nm波段的透过率为5％；4选用图6的结构，准直镜焦距为50mm，扩束镜将激光在平行于纸面方向扩束3倍；色散元件5选用刻线密度为1800线/mm的闪耀光栅，在850nm处闪耀角为49.9°；第一转镜6为平面镜，在800-1000nm反射率为90％；第二转镜7为平面镜，在800-1000nm反射率为90％。

结果表明：双波长的调谐范围为800-1000nm，6后输出的激光波长要大于7后输出的波长，在泵浦功率为500mW的条件下，获得20mW的激光功率输出。

Claims (10)

1.一种基于外腔结构的双波长可调谐激光装置，包括输出腔镜(3)、反射腔镜(1)和设置在输出腔镜(3)和反射腔镜(1)之间的增益介质(2)，所述的输出腔镜(3)对激光波段半透射半反射，所述的反射腔镜(1)对激光全反射，其特征在于：在输出腔镜(3)的输出光路上设置有色散元件(5)，在所述色散元件(5)两个不同衍射波长的光路上设置有第一转镜(6)和第二转镜(7)，所述的第一转镜(6)和第二转镜(7)均对激光波段半透射半反射，其中反射光经色散元件(5)反馈至所述的增益介质(2)，并在谐振腔内形成双波长激光振荡后分别沿第一转镜(6)和第二转镜(7)透射，所述的第一转镜(6)和第二转镜(7)通过角度旋转，实现输出波长的调谐。

2.根据权利要求1所述的基于外腔结构的双波长可调谐激光装置，其特征在于：在所述的输出腔镜(3)和色散元件(5)之间设置有光束整形单元(4)，对入射至色散元件(5)的光束进行扩束准直。

3.根据权利要求2所述的基于外腔结构的双波长可调谐激光装置，其特征在于：所述的光束整形单元(4)包括沿光束依次设置的准直透镜(11)和变形棱镜组(12)。

4.根据权利要求1所述的基于外腔结构的双波长可调谐激光装置，其特征在于：所述的色散元件(5)为光栅或棱镜，所述的增益介质(2)为激光晶体或密封的增益介质气体，所述的反射腔镜(1)为镀制在增益介质(2)端面的反射膜；所述的输出腔镜(3)、第一转镜(6)和第二转镜(7)对激光输出波段的透射反射比分别为5:95、10:90和10:90。

5.根据权利要求1所述的基于外腔结构的双波长可调谐激光装置，其特征在于：所述的增益介质(2)为Cr:LiSAF晶体，调谐范围为800-1000nm。

6.一种基于外腔结构的双波长可调谐激光装置，其特征在于：包括输出腔镜(1)、反馈腔镜(9)和设置在输出腔镜(1)和反馈腔镜(9)之间的增益介质(2)，所述的输出腔镜(3)和反馈腔镜(9)对激光波段半透射半反射，在反馈腔镜(9)的输出光路上设置有色散元件(5)，在所述色散元件(5)两个不同衍射波长的光路上设置有第一转镜(6)和第二转镜(7)，所述的第一转镜(6)和第二转镜(7)均对激光波段全反射，反射光经色散元件(5)反馈至所述的增益介质(2)，并在谐振腔内形成双波长激光振荡后沿输出腔镜(1)输出；所述的第一转镜(6)和第二转镜(7)通过角度旋转，实现输出波长的调谐。

7.根据权利要求6所述的基于外腔结构的双波长可调谐激光装置，其特征在于：在所述的反馈腔镜(9)和色散元件(5)之间设置有光束整形单元(4)，对入射至色散元件(5)的光束进行扩束准直。

8.根据权利要求7所述的基于外腔结构的双波长可调谐激光装置，其特征在于：所述的光束整形单元(4)包括沿光束依次设置的准直透镜(11)和变形棱镜组(12)。

9.根据权利要求6所述的基于外腔结构的双波长可调谐激光装置，其特征在于：所述的色散元件(5)为光栅或棱镜，所述的输出腔镜(3)对激光波段的透射反射比分别为5:95，所述的反馈腔镜(9)对激光波段全反射。

10.根据权利要求6所述的基于外腔结构的双波长可调谐激光装置，其特征在于：所述的增益介质(2)为Cr:LiSAF晶体，调谐范围为800-1000nm。