CN105071213B - 基于三角锥反射器的单频固体激光器 - Google Patents
基于三角锥反射器的单频固体激光器 Download PDFInfo
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Abstract
一种基于三角锥反射器的单频固体激光器，由三角锥反射器，梯形增益介质和永磁体构成。所述的三角锥反射器由具有旋光性质的光学材料制作，梯形增益介质通过半导体泵浦源的激励，提供激光器的输出。本发明具有很好的稳定性。激光器可以得到稳定输出的单频激光，在三角锥反射器与梯形增益介质之间的光路插入调Q光学元件，可实现脉冲单频激光输出。
Description
技术领域
本发明涉及固体激光器，特别是一种基于三角锥反射器的单频固体激光器。
背景技术
产生频率稳定的单频或者多频相干激光辐射的固体激光器一直是光电子技术领域的研究重点之一。1985年美国的Kane和Byer发明了单块非平面环形腔单频固体激光器(文献1：T.J.Kane,R.L.Byer,"Monolithic,unidirectional single-mode Nd:YAG ringlaser",Opt.Lett.,Vol.10,No.2,P65-67,1985)，该激光器仅由一块激光晶体构成，通过半导体激光器泵浦。相比较其他分立光学元件的激光器，这种结构可以得到稳定性极好的单频激光，世界各国争相效仿。但其不足是：整个激光谐振腔是单块晶体的结构，要实现频率调谐只能采用(1)温度调谐，或者(2)依靠压电陶瓷使晶体发生形变调谐，难以实现线性可调。2001年吴克瑛等人发明了角锥棱镜非平面单向行波环形腔单频固体激光器(文献2：K.Y.Wu,S.H.Yang,G.H.Wei,"The non-planar single-frequency ring laser withvariable output coupling",Opt.Commu.Vol.203,P323-326,2002)，由角锥棱镜和对称式直角棱镜或倾斜式直角棱镜组成，巧妙地利用四面体光学棱镜的特点，成功实现了单频激光输出，但是缺点是：所用直角棱镜结构参数特殊，不同泵浦位置处振荡激光的光程不一样，激光器很难得到频率特性优良的单频激光；磁场施加在增益介质直角棱镜上，导致激光器难以实现线偏振光输出。
发明内容
本发明的目的是一种基于三角锥反射器的单频固体激光器，
(1)将增益介质的结构设计成梯形，使整个激光器环形光路的总光程保持不变，大大提高了单频激光的频率特性；
(2)使用旋光玻璃或旋光晶体制作三角锥反射器，并在三角锥反射器空间施加，使激光器可以输出线偏振光。
本发明目的由以下技术方案实现：
一种基于三角锥反射器的单频固体激光器，其特点在于：由三角锥反射器、直角梯形增益介质和永磁体构成，所述的三角锥反射器的对称面和直角梯形增益介质(2)的对场对称面共面，所述的直角梯形增益介质的斜边与长底边的夹角为α，α大于激光在增益介质的全内反射临界角，所述的三角锥反射器的底边与直角梯形增益介质的斜边平行，所述的三角锥反射器的底边长度大于所述的直角梯形增益介质的斜边长度，所述的三角锥反射器的底边和所述的直角梯形增益介质的斜边镀有振荡激光的增透膜，所述的三角锥反射器的非底面包裹在所述的永磁体内，所述的直角梯形增益介质的直角边面镀有对泵浦光增透和振荡激光p光和s光反射率不同的偏振耦合光学膜，泵浦光由所述的直角梯形增益介质的直角边面输入，所述的振荡激光由所述的泵浦光入射点输出。
在三角锥反射器与梯形增益介质之间的光路插入调Q光学元件，可实现脉冲单频激光输出。
所述的三角锥反射器由具有旋光性质的光学材料制成。
所述的三角锥反射器的底面键合一层0.5mm厚的铋置换稀土类铁石榴石法拉第旋转片。
本发明的优点是：
1.本发明基于三角锥反射器的单频固体激光器可以输出线偏振单频激光。
2.本发明三角锥反射器和直角梯形棱镜容易加工，光路容易调整。
附图说明
图1是本发明基于三角锥反射器的单频固体激光器一个实施例的结构图。
图2是三角锥反射器中非平面环形激光的轨迹图。
图3是本发明基于三角锥反射器的单频固体激光器实施例1的光路图。
图4是逆时针方向和顺时针方向s光和p光的本征损耗计算结果。
图5是逆时针方向s光与顺时针方向s光的本征损耗差的计算结果。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
先请参阅图1，图1是本发明基于三角锥反射器的单频固体激光器一个实施例的结构图。由图可见，本发明基于三角锥反射器的单频固体激光器，由三角锥反射器1、直角梯形增益介质2和永磁体5构成，所述的三角锥反射器1的对场面和直角梯形增益介质2的对场面共面，所述的直角梯形增益介质的斜边3与长底边的夹角为α，α大于激光在增益介质的全内反射临界角，所述的三角锥反射器1的底边与直角梯形增益介质2的斜边平行，所述的三角锥反射器1的底边长度大于所述的直角梯形增益介质2的斜边长度，所述的三角锥反射器1的底边和所述的直角梯形增益介质2的斜边镀有振荡激光的增透膜，所述的三角锥反射器1的非底面包裹在是的永磁体5内，所述的直角梯形增益介质2的直角边面4镀有对泵浦光增透和振荡激光p光和s光反射率不同的偏振耦合光学膜，泵浦光由所述的直角梯形增益介质2的直角边面4输入，所述的振荡激光由所述的泵浦光入射点输出。
在三角锥反射器与梯形增益介质之间的光路插入调Q光学元件，可实现脉冲单频激光输出。
所述的三角锥反射器1由具有旋光性能的光学材料制成，例如旋光玻璃或者旋光晶体。所述的三角锥反射器1是典型的四面体光学棱镜，如图2所示,A点是三角锥反射器1的顶点，它的3个空间反射平面互相垂直，即图中的ABC、ABD和ACD是三个等腰直角三角形平面。光线入射或者射出的等边三角形BCD所在的平面定义为三角锥的底面，O点是三角锥底面的中心点，沿着OA方向施加磁场，可以证明直线OA垂直于底面BCD。设光线在三角锥反射器1底面上的入射点为W0，入射到空间反射面ACD上，入射点为W1，然后反射到ADB面上，入射点为W2，再反射到ABC面上，入射点为W3，然后反射到三角锥的底面出射，出射点为W4。设光线W0W1的方向平行于OA，可以证明，W3W4平行于W0W1，并且W0W1与W1W2与W2W3与W3W4不在同一个平面内。直角梯形增益介质2的对称面EFGH形状如图3所示，GF和HE是上下两个底边，直角边4为EF，斜边3为GH。直角梯形的几何尺寸需要配合三角锥反射器的大小，它的斜边3的长度应不小于三角锥1的底面三角形的边长。直角梯形斜边GH与长底边HE形成的锐角α应该大于振荡激光在增益介质内的全内反射角。
通过计算可以证明，如果将磁场施加在增益介质2上，激光器难以输出线偏振光，在本发明中将磁场施加到三角锥反射器1上面。因为旋光材料的旋光系数随着激光波长的改变会有所不同，因此对于不同波长输出的激光器，需要施加的磁感应强度也不相同。如果旋光材料所对应波长的旋光系数较小，势必需要增加三角锥反射器的沿磁场方向的长度，不利于激光器的小型化。通过在三角锥反射器的底面键合一层铋置换稀土类铁石榴石法拉第旋转片(厚度一般不大于0.5mm)，并蒸镀高抗反射膜，可以有效减小整个激光器的几何尺寸大小。
三角锥反射器1与直角梯形增益介质2的位置关系按照如下原则放置。A是三角锥反射器1的顶点，E是直角梯形2直角边EF与较长底边HE的顶点，连接AE，使AE垂直于三角锥反射器1的底边BC和直角梯形的斜边GH。光路设计时，保证使环形光路从直角梯形增益介质2到三角锥反射器1以及从三角锥反射器1返回直角梯形增益介质2时都平行于AE，激光从直角梯形直角面EF输出，EF面上蒸镀振荡激光的偏振耦合输出膜。设偏振耦合膜系对s光的反射率为Rs，对p光的反射率为Rp，要求Rs≠Rp，例如Rs>Rp，这样p光具有较大的损耗，只能是s光起振，p光不能起振，反之亦然。
对直角梯形增益介质2施加泵浦以后，激光器内有两个方向的环形光路，即逆时针方向和顺时针方向振荡激光。逆时针光路由J点出发，通过直角梯形增益介质2进入三角锥反射器1，在三角锥反射器1内进行反射后，从三角锥反射器1出射并再次进入直角梯形增益介质2，然后在增益介质内I点处发生全内反射，到达输出面EF并出射形成闭环；顺时针方向光路与逆时针的光路重合，但是方向逆转。通过设计激光器参数，使一个方向(比如逆时针方向)的s偏振光的损耗小于另一个方向(比如顺时针方向)的s偏振光，形成单频激光振荡。
本发明工作时，可以根据需要将直角梯形增益介质和三角锥反射器振荡光路不可能经过的部分去除掉，使整个激光器结构更加紧凑，如将图3中虚线部分去除。
本发明实施例1是一个输出1.5μm激光波长的基于三角锥反射器和直角梯形增益介质的非平面环形腔单频固体激光器，但本发明不限于这些实施例。实施例中包括：三角锥反射器1由TG20旋光玻璃制成，其在1064nm处的折射率为1.6721，在1.5μm激光波长处的旋光系数为0.0175min/Oe〃cm。三角锥反射器1的高度为2.5cm。直角梯形增益介质2由铒玻璃EAT14制成，其在1064nm处的折射率为1.532，在1.5μm激光波长处的发射截面为0.8×10- 20cm2。TG20的旋光系数在1.5μm波长处较小，解决办法有两个，一是可以增加三角锥反射器沿磁场方向圆柱体部分的长度，从而使参数设计符合要求，但是带来的缺点是光路很长，增加了调整的难度。另一种方法是在三角锥反射器底面键合一层0.5mm厚的铋置换稀土类铁石榴石法拉第旋转片，它在1.5μm激光波长处的旋光系数约为8.7min/Oe〃cm，0.5mm厚旋转片的旋光效果与24cm长度的TG20旋光玻璃相当。计算逆时针方向和顺时针方向s光与p光的本征损耗与损耗差，得到的结果如图4和图5所示，其中横坐标的单位特斯拉。图4中“*”表示的是逆时针方向s光和p光的本征损耗值，“·”是顺时针方向对应的s光和p光的本征损耗值；图5中“+”表示逆时针方向s光与顺时针方向s光的本征损耗的差值，用百分数表示。由计算结果可见，当磁感应强度为0.57特斯拉左右时，两个s光的损耗差达到最大值，符合最佳参数设计要求。
Claims (4)
1.一种基于三角锥反射器的单频固体激光器，其特征在于：由三角锥反射器(1)、直角梯形增益介质(2)和永磁体(5)构成，所述的三角锥反射器(1)的对场面和直角梯形增益介质(2)的对场面共面，所述的直角梯形增益介质的斜边(3)与长底边的夹角为α，α大于激光在增益介质的全内反射临界角，所述的三角锥反射器(1)的底边与直角梯形增益介质(2)的斜边平行，所述的三角锥反射器(1)的底边长度大于所述的直角梯形增益介质(2)的斜边长度，所述的三角锥反射器(1)的底边和所述的直角梯形增益介质(2)的斜边镀有振荡激光的增透膜，所述的三角锥反射器(1)的非底面包裹在所述的永磁体(5)内，所述的直角梯形增益介质(2)的直角边面(4)镀有对泵浦光增透和振荡激光p光和s光反射率不同的偏振耦合光学膜，泵浦光由所述的直角梯形增益介质(2)的直角边面(4)输入，所述的振荡激光由泵浦光入射点输出。
2.如权利要求1所述的基于三角锥反射器的单频固体激光器，其特征在于所述的三角锥反射器(1)与梯形增益介质(2)之间振荡光路上放置调Q元件(6)，可实现脉冲单频激光输出。
3.如权利要求1所述的基于三角锥反射器的单频固体激光器，其特征在于所述的三角锥反射器(1)由具有旋光性质的光学材料制成。
4.如权利要求1至3任一项所述的基于三角锥反射器的单频固体激光器，其特征在于所述的三角锥反射器底面键合一层0.5mm厚的铋置换稀土类铁石榴石法拉第旋转片。
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