CN105119139B - 基于双角锥谐振腔可调谐单纵模2μm固体激光器 - Google Patents

Abstract

基于双角锥谐振腔可调谐单纵模2μm固体激光器，属于光学领域，本发明为解决现有单纵模2μm固体激光器频率稳定性差，抗干扰能力差，易受振动、温度变化、气流扰动等环境条件影响，进而导致激光器光束质量劣化、输出功率下降问题。本发明的泵浦光通过泵浦光注入镜入射至Ho：YAG晶体，产生左向和右向传播振荡光；右向传播振荡光经过偏振片、第一角锥棱镜、双F‑P标准具、第二角锥棱镜、四分之一波片、泵浦光注入镜、Ho：YAG晶体和偏振片，s光由偏振片输出；左向传播振荡光经过四分之一波片、第二角锥棱镜、双F‑P标准具、第一角锥棱镜和偏振片，s光由偏振片输出；实现2μm激光在偏振片上双向输出。本发明用于激光技术。

Description

基于双角锥谐振腔可调谐单纵模2μm固体激光器

技术领域

本发明涉及一种固体激光器，属于固体激光技术领域。

背景技术

由于单纵模输出的固体激光器具有相干性好、谱线宽度窄、光束质量好等特点，使其在激光遥感、相干雷达、非线性转换等方面有着非常重要的应用，是激光技术重要的研究和发展方向。特别是其相干长度较长，能够达到激光雷达的光源要求。单纵模2μm固体激光器输出波长处于人眼安全波段和大气的弱吸收带，具有优异的大气传输特性，非常适用于大气中的中远距离探测，基于2μm波段的特有性质，单纵模2μm固体激光器成为激光成像雷达、多普勒相干测风雷达和测量地球大气浓度和温度变化的差分吸收雷达的首选光源。然而目前的单纵模2μm固体激光器，存在着频率稳定性不高和抗干扰能力差等问题，还易受到振动，温度变化，气流扰动等环境条件影响，导致光束质量劣化，输出功率急剧下降，使得单纵模2μm固体激光器难以有效地运用在上面所提到的各项应用中。因此，提高单纵模2μm固体激光器的频率稳定性，增加其抗干扰能力，并获得更窄的激光线宽，就成为单纵模2μm固体激光器研究的重点。

发明内容

本发明目的是为了解决现有单纵模2μm固体激光器存在频率稳定性差，抗干扰能力差，易受振动、温度变化、气流扰动等环境条件影响，进而导致激光器光束质量劣化、输出功率下降的问题，提供了一种基于双角锥谐振腔可调谐单纵模2μm固体激光器。

本发明所述基于双角锥谐振腔可调谐单纵模2μm固体激光器，它包括泵浦光注入镜、Ho：YAG晶体、偏振片、第一角锥棱镜、双F-P标准具、第二角锥棱镜和四分之一波片；

1.9μm泵浦光通过泵浦光注入镜入射到Ho：YAG晶体中，Ho：YAG晶体在1.9μm泵浦光的抽运下产生左向传播振荡光和右向传播振荡光；

右向传播振荡光通过偏振片的透射后入射至第一角锥棱镜，右向传播振荡光在第一角锥棱镜内经过三次全内反射，第一角锥棱镜出射的右向传播振荡光入射至双F-P标准具，右向传播振荡光经过双F-P标准具成为右向传播单纵模振荡光，右向传播单纵模振荡光入射至第二角锥棱镜，右向传播单纵模振荡光在第二角锥棱镜内经过三次全内反射，第二角锥棱镜出射的右向传播单纵模振荡光入射至四分之一波片，经过四分之一波片透射后入射至泵浦光注入镜，泵浦光注入镜出射的右向传播单纵模振荡光入射至Ho：YAG晶体，Ho：YAG晶体出射的右向传播单纵模振荡光入射至偏振片，右向传播单纵模2μm振荡光的s光a由偏振片输出；

左向传播振荡光经过四分之一波片的透射后入射至第二角锥棱镜，左向传播振荡光在第二角锥棱镜内经过三次全内反射，第二角锥棱镜出射的左向传播振荡光入射至双F-P标准具，左向传播振荡光经过双F-P标准具成为左向传播单纵模振荡光，左向传播单纵模振荡光入射至第一角锥棱镜，左向传播单纵模振荡光在第一角锥棱镜内经过三次全内反射，第一角锥棱镜出射的左向传播单纵模振荡光入射至偏振片，左向传播单纵模2μm振荡光的s光b由偏振片输出；实现单纵模2μm振荡光在偏振片上双向输出。

本发明的优点：本发明采用双角锥环形谐振腔，并加入双F-P标准具，双F-P标准具以布鲁斯特角放置，加工成为一体化，以补偿由F-P标准具厚度引起的光路偏折，保证激光器工作在单纵模运转状态上，增加了激光器谐振腔腔长，以助于获得更窄的激光线宽输出，同时通过调节双F-P的角度实现激光器调谐输出。由于角锥棱镜具有空间定向反射特性，以任意方向入射的空间光线经过理想角锥棱镜的三个反射面相继反射后，仍以入射光线严格平行的方向返回，使得双角锥棱镜谐振腔易于调节，该激光器的谐振腔在强烈振动和大幅度温度变化环境下，谐振腔始终保持准直，激光输出单纵模稳定性好，提高了抗干扰能力，和普通直腔相比，可以在相同腔长情况下，缩小激光器体积。

附图说明

图1是本发明所述基于双角锥谐振腔可调谐单纵模2μm固体激光器的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述基于双角锥谐振腔可调谐单纵模2μm固体激光器，它包括泵浦光注入镜1、Ho：YAG晶体2、偏振片3、第一角锥棱镜4、双F-P标准具5、第二角锥棱镜6和四分之一波片7；

1.9μm泵浦光通过泵浦光注入镜1入射到Ho：YAG晶体2中，Ho：YAG晶体2在1.9μm泵浦光的抽运下产生左向传播振荡光和右向传播振荡光；

右向传播振荡光通过偏振片3的透射后入射至第一角锥棱镜4，右向传播振荡光在第一角锥棱镜4内经过三次全内反射，第一角锥棱镜4出射的右向传播振荡光入射至双F-P标准具5，右向传播振荡光经过双F-P标准具5成为右向传播单纵模振荡光，右向传播单纵模振荡光入射至第二角锥棱镜6，右向传播单纵模振荡光在第二角锥棱镜6内经过三次全内反射，第二角锥棱镜6出射的右向传播单纵模振荡光入射至四分之一波片7，经过四分之一波片7透射后入射至泵浦光注入镜1，泵浦光注入镜1出射的右向传播单纵模振荡光入射至Ho：YAG晶体2，Ho：YAG晶体2出射的右向传播单纵模振荡光入射至偏振片3，右向传播单纵模2μm振荡光的s光a由偏振片3输出；

左向传播振荡光经过四分之一波片7的透射后入射至第二角锥棱镜6，左向传播振荡光在第二角锥棱镜6内经过三次全内反射，第二角锥棱镜6出射的左向传播振荡光入射至双F-P标准具5，左向传播振荡光经过双F-P标准具5成为左向传播单纵模振荡光，左向传播单纵模振荡光入射至第一角锥棱镜4，左向传播单纵模振荡光在第一角锥棱镜4内经过三次全内反射，第一角锥棱镜4出射的左向传播单纵模振荡光入射至偏振片3，左向传播单纵模2μm振荡光的s光b由偏振片3输出；实现单纵模2μm振荡光在偏振片3上双向输出。

本实施方式中，将四分之一波片7和偏振片3配合使用，偏振片3作为激光器输出镜，获得单向输出的单纵模2μm激光输出。此结构提高了单纵模2μm固体激光器的抗干扰能力与单纵模稳定性，和普通直腔相比，可以在相同腔长情况下，缩小激光器体积。

具体实施方式二：本实施方式对实施方式一作进一步说明，第一角锥棱镜4和第二角锥棱镜6构成双角锥环形谐振腔，第一角锥棱镜4和第二角锥棱镜6的结构相同，入射面直径为10mm-100mm，入射面镀有1.9μm-2.1μm高透膜，反射面曲率为0-1000mm。

具体实施方式三：本实施方式对实施方式一作进一步说明，双F-P标准具5以布鲁斯特角放置，双F-P标准具5对2.1μm振荡光的透过率为70％-100％，厚度为0.01mm-15mm。

本实施方式中，采用双角锥环形谐振腔，并加入以布鲁斯特角放置的双F-P标准具，以获得更窄的激光线输出。双角锥环形谐振腔和双F-P标准具5加工成一体。

具体实施方式四：本实施方式对实施方式三作进一步说明，泵浦光注入镜1和偏振片3构成布鲁斯特角，泵浦光注入镜1和偏振片3的基质均为红外石英，泵浦光注入镜1和偏振片3之间夹角为110.367°。

具体实施方式五：本实施方式对实施方式一作进一步说明，泵浦光注入镜1表面镀有对1.9μm泵浦光高反膜、对2.1μm振荡光高透膜。

具体实施方式六：本实施方式对实施方式一作进一步说明，偏振片3表面镀有对1.9μm泵浦光高透膜、对2.1μm振荡光中的s光高反p光高透膜。

具体实施方式七：本实施方式对实施方式一作进一步说明，四分之一波片7表面镀有1.9μm-2.1μm高透膜。

具体实施方式八：本实施方式对实施方式一作进一步说明，Ho：YAG晶体2采用单掺钬晶体，晶体长度范围10mm-100mm，晶体掺杂浓度范围0.1％-6％。

本发明中，激光晶体除了Ho：YAG晶体2外，还可以采用其他种类单掺钬的激光晶体；对应的泵浦光也要采用适合不同晶体的中心波长的泵浦源，泵浦可采用侧面或端面泵浦方式；角锥棱镜尺寸也可根据使用晶体尺寸或镜片面元大小做相应改变，角锥棱镜三个反射面间夹角为90°，可加工为曲面并且可以镀金属膜。

本发明中，采用第一角锥棱镜4和第二角锥棱镜6构成的双角锥环形谐振腔，并加入以布鲁斯特角放置的双F-P标准具5，以助于获得窄线宽的可调谐激光输出。将四分之一波片7和偏振片3配合使用，偏振片3作为激光器输出镜，获得2μm单纵模激光输出。此结构提高了单纵模2μm固体激光器的抗干扰能力与单纵模稳定性，和普通直腔相比，可以在相同腔长情况下，缩小激光器体积。

本发明的工作原理：第一角锥棱镜4和第二角锥棱镜6构成双角锥环形谐振腔，两个角锥棱镜入射面均镀有1.9μm-2.1μm高透膜。1.9μm泵浦光通过泵浦光注入镜1入射到Ho：YAG晶体2中，Ho：YAG晶体2在1.9μm泵浦光的抽运下产生向左传播和向右传播的振荡光。向右传播的振荡光通过偏振片3后入射到第一角锥棱镜4中，振荡光在第一角锥棱镜4内经过三次全内反射，入射的振荡光与出射的振荡光平行但偏振态不同。出射的振荡光经过双F-P标准具5后振荡光成为单纵模振荡光。单纵模振荡光随后入射到第二角锥棱镜6，单纵模振荡光在第二角锥棱镜6内经过三次全内反射后，入射的单纵模振荡光与出射的单纵模振荡光偏振态再次发生变化。通过旋转四分之一波片7，补偿振荡光经过第一角锥棱镜4和第二角锥棱镜6产生的偏振态的改变。振荡光通过四分之一波片7后入射泵浦光注入镜1、Ho：YAG晶体2和偏振片3，偏振片3镀有对1.9μm泵浦光高透膜，对2.1μm激光的s光高反p光高透。单纵模2μm振荡光的s光由偏振片3输出，输出方向如图1所示激光a方向。向左传播的振荡光透过泵浦光注入镜1后，经过四分之一波片7，入射到第二角锥棱镜6中，振荡光在第二角锥棱镜6内经过三次全内反射，入射的振荡光与出射的振荡光平行但偏振态不同。出射的振荡光经过双F-P标准具5后振荡光成为单纵模振荡光。单纵模振荡光随后入射到第一角锥棱镜4中，单纵模振荡光在第一角锥棱镜4内经过三次全内反射后，入射的单纵模振荡光与出射的单纵模振荡光偏振态再次发生变化。四分之一波片7补偿了振荡光经过第一角锥棱镜4和第二角锥棱镜6产生的偏振态的改变。单纵模2μm振荡光的s光由偏振片3输出，输出方向如图1所示激光b方向。同时通过调节双F-P标准具5的角度可以实现激光器调谐输出。综上，单纵模2μm激光在偏振片3上实现双向输出。

Claims (8)

1.基于双角锥谐振腔可调谐单纵模2μm固体激光器，其特征在于，它包括泵浦光注入镜(1)、Ho：YAG晶体(2)、偏振片(3)、第一角锥棱镜(4)、双F-P标准具(5)、第二角锥棱镜(6)和四分之一波片(7)；

1.9μm泵浦光通过泵浦光注入镜(1)入射到Ho：YAG晶体(2)中，Ho：YAG晶体(2)在1.9μm泵浦光的抽运下产生左向传播振荡光和右向传播振荡光；

右向传播振荡光通过偏振片(3)的透射后入射至第一角锥棱镜(4)，右向传播振荡光在第一角锥棱镜(4)内经过三次全内反射，第一角锥棱镜(4)出射的右向传播振荡光入射至双F-P标准具(5)，右向传播振荡光经过双F-P标准具(5)成为右向传播单纵模振荡光，右向传播单纵模振荡光入射至第二角锥棱镜(6)，右向传播单纵模振荡光在第二角锥棱镜(6)内经过三次全内反射，第二角锥棱镜(6)出射的右向传播单纵模振荡光入射至四分之一波片(7)，经过四分之一波片(7)透射后入射至泵浦光注入镜(1)，泵浦光注入镜(1)出射的右向传播单纵模振荡光入射至Ho：YAG晶体(2)，Ho：YAG晶体(2)出射的右向传播单纵模振荡光入射至偏振片(3)，右向传播单纵模2μm振荡光的s光a由偏振片(3)输出；

左向传播振荡光经过四分之一波片(7)的透射后入射至第二角锥棱镜(6)，左向传播振荡光在第二角锥棱镜(6)内经过三次全内反射，第二角锥棱镜(6)出射的左向传播振荡光入射至双F-P标准具(5)，左向传播振荡光经过双F-P标准具(5)成为左向传播单纵模振荡光，左向传播单纵模振荡光入射至第一角锥棱镜(4)，左向传播单纵模振荡光在第一角锥棱镜(4)内经过三次全内反射，第一角锥棱镜(4)出射的左向传播单纵模振荡光入射至偏振片(3)，左向传播单纵模2μm振荡光的s光b由偏振片(3)输出；实现单纵模2μm振荡光在偏振片(3)上双向输出。

2.根据权利要求1所述基于双角锥谐振腔可调谐单纵模2μm固体激光器，其特征在于，第一角锥棱镜(4)和第二角锥棱镜(6)构成双角锥环形谐振腔，第一角锥棱镜(4)和第二角锥棱镜(6)的结构相同，入射面直径为10mm-100mm，入射面镀有1.9μm-2.1μm高透膜，反射面曲率为0-1000mm^-1。

3.根据权利要求1所述基于双角锥谐振腔可调谐单纵模2μm固体激光器，其特征在于，双F-P标准具(5)以布鲁斯特角放置，双F-P标准具(5)对2.1μm振荡光的透过率为70％-100％，厚度为0.01mm-15mm。

4.根据权利要求3所述基于双角锥谐振腔可调谐单纵模2μm固体激光器，其特征在于，泵浦光注入镜(1)和偏振片(3)构成布鲁斯特角，泵浦光注入镜(1)和偏振片(3)的基质均为红外石英，泵浦光注入镜(1)和偏振片(3)之间夹角为110.367°。

5.根据权利要求1所述基于双角锥谐振腔可调谐单纵模2μm固体激光器，其特征在于，泵浦光注入镜(1)表面镀有对1.9μm泵浦光高反膜、对2.1μm振荡光高透膜。

6.根据权利要求1所述基于双角锥谐振腔可调谐单纵模2μm固体激光器，其特征在于，偏振片(3)表面镀有对1.9μm泵浦光高透膜、对2.1μm振荡光中的s光高反p光高透膜。

7.根据权利要求1所述基于双角锥谐振腔可调谐单纵模2μm固体激光器，其特征在于，四分之一波片(7)表面镀有1.9μm-2.1μm高透膜。

8.根据权利要求1所述基于双角锥谐振腔可调谐单纵模2μm固体激光器，其特征在于，Ho：YAG晶体(2)采用单掺钬晶体，晶体长度范围10mm-100mm，晶体掺杂浓度范围0.1％-6％。