CN105470799A - 一种利用双f-p标准具调谐固体激光器输出波长的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用双F-P标准具调谐固体激光器输出波长的方法，包括厚标准具A及薄标准具B；选择两F-P标准具镜片的材质，确定折射率；根据谐振腔腔长L得出各纵模间隔；对厚标准具A的表面镀膜，确定出厚标准具A的厚度d1；将厚标准具A插入到谐振腔中靠近输出镜的一侧，对输出激光波长进行粗选；再将表面镀膜的薄标准具B插入谐振腔中靠近厚标准具A的位置处，确定薄标准具B的厚度d2；对输出波长进行细选；分别得到厚标准具A及薄标准具B与光轴的夹角的β1及β2。本发明采用双F-P标准具结构，通过改变两个F-P标准具的厚度、材料、角度，达到固体激光器输出波长可调谐的目的，并能提高调节精度和输出波长的稳定性。

Description

一种利用双F-P标准具调谐固体激光器输出波长的方法

技术领域

本发明涉及激光器领域，特别涉及一种利用双F-P标准具调谐固体激光器输出波长的方法。

背景技术

在特殊固体激光器中，输出波长可调谐是很有必要的。比如：在气体检测中某气体对激光的吸收峰谱线非常窄，对激光器输出波长要求很严格，因此需要在一定范围内调谐输出波长，使其稳定在某气体的吸收峰谱线处；另外，有的固体激光器输出波长附近有很多水吸收峰波段，如果波长漂移到水吸收峰处便会造成激光器的损坏，所以需要将输出波长稳定地控制在一个安全波段处。然而，由于固体激光器荧光线宽很宽，目前常用的单个标准具形式难以实现单纵模输出，不能将输出波长很好地稳定；同时，单个标准具调节波长精细度较低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种采用双F-P标准具结构，通过改变两个F-P标准具的厚度、材料、角度，达到固体激光器输出波长可调谐的目的，并能提高调节精度和输出波长的稳定性的一种利用双F-P标准具调谐固体激光器输出波长的方法。

本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种利用双F-P标准具调谐固体激光器输出波长的方法，包括两F-P标准具：厚标准具A及薄标准具B；

具体包括以下步骤：

1)、根据固定激光器的输出波段，选择两F-P标准具镜片的材质，并选定其折射率；

2)、根据上述固定激光器谐振腔腔长L，得出各纵模间隔Δυ_k＝c/2nL，其中c为光在真空中的速度，n为标准具的折射率；

3)、对厚标准具A的表面镀膜，使得其对输出激光波长的反射率达到92％-98％，并根据上述纵模间隔Δυ_k选定厚标准具A的带宽Vd-a，并根据Δν_m＝F*Vd-a得到自由光谱区宽度Δν_m-a的值，且根据公式，选定出厚标准具A的厚度d1，其中为标准具的精细度；R为标准具对激光波长λ的反射率；

4)、将厚标准具A插入到谐振腔中靠近输出镜的一侧，通过缓慢旋转该镜片，并依据公式 $T\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{1}{1+{\mathrm{Fsin}}^2\left(\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}ndcos\mathrm{\α}\right)},$ 对输出激光波长进行粗选；

5)、再将一个表面镀膜的薄标准具B插入谐振腔中，并置于靠近厚标准具A的位置处，新插入的薄标准具B的Vd-b满足1.5*Δν_m-a≤Vd-b≤2*Δν_m-a，薄标准具B的反射率范围控制在45％-56％，并可根据Δν_m-b＝F*Vd-b得到薄标准具B的Δν_m-b，再根据公式 ${\mathrm{\Δ\ν}}_{m-b}=\frac{c}{2{\mathrm{nd}}_{2}cos\mathrm{\α}}\≈\frac{c}{2{\mathrm{nd}}_2}$ 选定薄标准具B的厚度d2；

6)、根据公式 $T\left(\mathrm{\λ}\right)=T_1\left(\mathrm{\λ}\right)\·T_2\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{1}{1+F_1{\sin }^2\left(\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{n}_1{d}_1{\mathrm{cos\α}}_1\right)}\·\frac{1}{1+F_2{\sin }^2\left(\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{n}_2{d}_2{\mathrm{cos\α}}_2\right)}$ 来对输出波长进行细选；其中R₁、n₁、α₁分别为厚标准具A对激光波长λ的反射率、折射率、激光入射到厚的标准具后的折射角；R₂、n₂、α₂为薄标准具B对激光波长λ的反射率、折射率、激光入射到薄的标准具后的折射角；

7)调谐实际标准具与光轴的夹角β与折射角α的关系如下：sinβ/sinα＝n，其中n为标准具的折射率，从而分别得到厚标准具A及薄标准具B与光轴的夹角的β1及β2。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明采用双F-P标准具结构通过改变两个F-P标准具的厚度、材料、角度，达到固体激光器输出波长可调谐的目的，并能提高调节精度和输出波长的稳定性。在谐振腔内分别插入厚标准具A及薄标准具B，来达到调谐和稳定输出波长的目的，使得输出波长在一个安全波段，提高激光器使用寿命。插入双F-P后，需要精确调整它们与光轴的夹角，同时检测激光器输出波长，直至输出波长达到预计需求，并保持稳定运转。

附图说明

图1为本发明利用双F-P标准具调谐固体激光器输出波长的方法的结构示意图。

图2为双F-P标准具组的透过率与角度的三维关系示意图。

图3为双F-P标准具组的透过率与波长的关系图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作进一步描述。

如图1所示，一种利用双F-P标准具调谐固体激光器输出波长的方法，包括两个半导体激光器作为泵浦源入射到激光晶体Tm:YAP中心并与腔镜M1、M2、M3、M4构成波长为λ为1.94μm的Tm:YAP固体激光器及厚标准具A及薄标准具B；

具体包括以下步骤：

1)、根据上述固定激光器的输出波段λ为1.94μm，并选择两F-P标准具镜片的材质为石英玻璃，选定其折射率1.55；

2)、根据上述固定激光器谐振腔腔长L为100mm，得出各纵模间隔Δυ_k＝c/2nL＝1.5×10⁹Hz，其中c为光在真空中的速度，n为标准具的折射率；

3)、对厚标准具A的表面镀膜，使得其对输出激光波长的反射率达到95％，并根据上述纵模间隔Δυ_k选定厚标准具A的带宽Vd-a为3×10⁹Hz(将要插入的标准具的带宽为纵模间隔的2倍，那么将只有2个相邻的纵模的波长可以起振)，并根据Δν_m-a＝F*Vd-a得到自由光谱区宽度Δν_m-a为1.84×10¹¹Hz，(精细度F等于61.24)，且根据公式选定出厚标准具A的厚度d1为0.4mm；

4)、将厚标准具A插入到谐振腔中靠近输出镜M4一侧，通过缓慢旋转该镜片，并依据公式 $T\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{1}{1+{\mathrm{Fsin}}^2\left(\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}ndcos\mathrm{\α}\right)},$ 对输出激光波长进行粗选；

5)、再将一个表面镀膜的薄标准具B插入谐振腔中，并置于靠近厚标准具A的位置处。根据关系自由光谱区和带宽的关系Δν_m-b＝F*Vd-b，新插入的薄标准具的自由光谱区必须大于激光器工作物质的荧光光谱，(标准具相邻两极大值透过率间隔约为9.65×10¹¹Hz，间隔需大于激光器的荧光光谱)；而此时新插入的薄标准具B带宽Vd-b必须满足不等式，1.5*Δν_m-a≤Vd-b≤2*Δν_m-a，这里Δν_m-a就是厚标准具A的自由光谱区，因此可以得到F值的范围：2.6≤F≤5.2，由于F值跟反射率有关，选定薄标准具B的反射率为56％，薄标准具B自由光谱区Δν_m-b刚好等于激光器工作物质的荧光光谱，便能输出单纵模，满足单一输出波长条件，即对于薄的标准具，再根据公式选定薄标准具B的厚度d2为0.1mm；

6)、根据公式 $T\left(\mathrm{\λ}\right)=T_1\left(\mathrm{\λ}\right)\·T_2\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{1}{1+{\mathrm{Fsin}}^2\left(\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{n}_1{d}_1{\mathrm{cos\α}}_1\right)}\·\frac{1}{1+F_2{\sin }^2\left(\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{n}_2{d}_2{\mathrm{cos\α}}_2\right)}$ 来对固定激光器的输出波长进行细选；

7)、调谐实际标准具与光轴的夹角β与折射角α的关系如下：sinβ/sinα＝n，其中n为标准具的折射率，从而分别得到：所述Tm：YAP固体激光器所用的厚标准具A、薄标准具B与光轴的夹角分别为50°和43°。

根据公式 $T\left(\mathrm{\λ}\right)=T_1\left(\mathrm{\λ}\right)\·T_2\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{1}{1+F_1{\sin }^2\left(\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{n}_1{d}_1{\mathrm{cos\α}}_1\right)}\·\frac{1}{1+F_2{\sin }^2\left(\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{n}_2{d}_2{\mathrm{cos\α}}_2\right)},$ 采用matlab编程模拟对于波长为1938.5nm，在不同夹角β₁、β₂的组合下，双F-P标准具组的透过率。如图2所示，从结果中可以选取无数对β₁、β₂的组合，使得双F-P标准具组透过率存在极大值。在众多极大值中，可以找出一个最大极大值，即公式 $T\left(\mathrm{\λ}\right)=T_1\left(\mathrm{\λ}\right)\·T_2\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{1}{1+F_1{\sin }^2\left(\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{n}_1{d}_1{\mathrm{cos\α}}_1\right)}\·\frac{1}{1+F_2{\sin }^2\left(\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{n}_2{d}_2{\mathrm{cos\α}}_2\right)}$ 的最优解β₁、β₂。

更加直观点，根据图2结果选择一对组合β₁、β₂，根据matlab编程得到不同波长范围内双F-P组合的透过率，如图3所示。虚线为单个厚F-P的透过率曲线，点划线为单个薄F-P的透过率曲线，实线为双F-P组合的透过率曲线。虚线在多个波长下透过率皆为最大，实际操作过程中表现为，波长计显示激光器输出波长在几个间隔的波长上来回跳动。虚线虽然只有一个透过率最大值，但是其对应的波长带宽较宽，半峰值宽度达到4nm，实际操作过程中表现为，波长计显示激光器输出带宽较宽，在一定的小范围内容易产生波长漂移。实线也只存在一个最大值，但是其对应带宽窄，可达≤1nm，附近波长的透过率大大降低，实际操作中表现为波长计显示激光器输出波长稳定在1938.5nm。所以通过比较很明显，实线曲线对应的双F-P组合的选波长效果最为理想，此时β₁和β₂分别为50°和43°。

以上仅就本发明的最佳实施例作了说明，但不能理解为是对权利要求的限制。本发明不仅局限于以上实施例，其具体结构允许有变化。凡在本发明独立权利要求的保护范围内所作的各种变化均在本发明保护范围内。

Claims (2)

1.一种利用双F-P标准具调谐固体激光器输出波长的方法，其特征在于：包括两F-P标准具：厚标准具A及薄标准具B；

具体包括以下步骤：

1)、根据固定激光器的输出波段，选择两F-P标准具镜片的材质，并选定其折射率；

2)、根据上述固定激光器谐振腔腔长L，得出各纵模间隔Δυ_k＝c/2nL，其中c为光在真空中的速度，n为标准具的折射率；

3)、对厚标准具A的表面镀膜，使得其对输出激光波长的反射率达到92％-98％，并根据上述纵模间隔Δυ_k选定厚标准具A的带宽Vd-a，并根据Δν_m＝F*Vd-a得到自由光谱区宽度Δν_m-a的值，且根据公式，选定出厚标准具A的厚度d1，其中为标准具的精细度；R为标准具对激光波长λ的反射率；

4)、将厚标准具A插入到谐振腔中靠近输出镜的一侧，通过缓慢旋转该镜片，并依据公式 $T\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{1}{1+{\mathrm{Fsin}}^2\left(\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}ndcos\mathrm{\α}\right)},$ 对输出激光波长进行粗选；

5)、再将一个表面镀膜的薄标准具B插入谐振腔中，并置于靠近厚标准具A的位置处，新插入的薄标准具B的Vd-b满足1.5*Δν_m-a≤Vd-b≤2*Δν_m-a，薄标准具B的反射率范围控制在45％-56％，并可根据Δν_m-b＝F*Vd-b得到薄标准具B的Δν_m-b，再根据公式 ${\mathrm{\Δv}}_{m-b}=\frac{c}{2{\mathrm{nd}}_{2}cos\mathrm{\α}}\≈\frac{c}{2{\mathrm{nd}}_2}$ 选定薄标准具B的厚度d2；

6)、根据公式 $T\left(\mathrm{\λ}\right)=T_1\left(\mathrm{\λ}\right)\·T_2\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{1}{1+F_1{\sin }^2\left(\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{n}_1{d}_1{\mathrm{cos\α}}_1\right)}\·\frac{1}{1+F_2{\sin }^2\left(\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{n}_2{d}_2{\mathrm{cos\α}}_2\right)}$ 来对输出波长进行细选；其中R₁、n₁、α₁分别为厚标准具A对激光波长λ的反射率、折射率、激光入射到厚的标准具后的折射角；R₂、n₂、α₂为薄标准具B对激光波长λ的反射率、折射率、激光入射到薄的标准具后的折射角；

7)调谐实际标准具与光轴的夹角β与折射角α的关系如下：sinβ/sinα＝n，其中n为标准具的折射率，从而分别得到厚标准具A及薄标准具B与光轴的夹角的β1及β2。

2.根据权利要求1所述的一种利用双F-P标准具调谐固体激光器输出波长的方法，其特征在于：包括两个半导体激光器作为泵浦源入射到激光晶体Tm:YAP中心并与腔镜M1、M2、M3、M4构成波长为λ为1.94μm的Tm:YAP固体激光器及厚标准具A及薄标准具B；

具体包括以下步骤：

1)、根据上述固定激光器的输出波段λ为1.94μm，并选择两F-P标准具镜片的材质为石英玻璃，选定其折射率1.55；

2)、根据上述固定激光器谐振腔腔长L为100mm，得出各纵模间隔Δυ_k＝c/2nL＝1.5×10⁹Hz，其中c为光在真空中的速度，n为标准具的折射率；

3)、对厚标准具A的表面镀膜，使得其对输出激光波长的反射率达到95％，并根据上述纵模间隔Δυ_k选定厚标准具A的带宽Vd-a为3×10⁹Hz，并根据Δν_m-a＝F*Vd-a得到自由光谱区宽度Δν_m-a为1.84×10¹¹Hz，且根据公式选定出厚标准具A的厚度d1为0.4mm；其中为标准具的精细度，标准具A的精细度F等于61.24；

4)、将厚标准具A插入到谐振腔中靠近输出镜M4一侧，通过缓慢旋转该镜片，并依据公式对输出激光波长进行粗选；

5)、再将一个表面镀膜的薄标准具B插入谐振腔中，并置于靠近厚标准具A的位置处，新插入的薄标准具B的Vd-b满足1.5*Δν_m-a≤Vd-b≤2*Δν_m-a，薄标准具B的反射率范围控制在56％，并可根据Δν_m-b＝F*Vd-b得到薄标准具B的Δν_m-b，再根据公式 ${\mathrm{\Δv}}_{m-b}=\frac{c}{2{\mathrm{nd}}_{2}cos\mathrm{\α}}\≈\frac{c}{2{\mathrm{nd}}_2}$ 选定薄标准具B的厚度d2为0.1mm；

6)、根据公式 $T\left(\mathrm{\λ}\right)=T_1\left(\mathrm{\λ}\right)\·T_2\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{1}{1+F_1{\sin }^2\left(\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{n}_1{d}_1{\mathrm{cos\α}}_1\right)}\·\frac{1}{1+F_2{\sin }^2\left(\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{n}_2{d}_2{\mathrm{cos\α}}_2\right)}$ 来对固定激光器的输出波长进行细选；

7)、调谐实际标准具与光轴的夹角β与折射角α的关系如下：sinβ/sinα＝n，其中n为标准具的折射率，从而分别得到：所述Tm：YAP固体激光器所用的厚标准具A、薄标准具B与光轴的夹角分别为50°和43°。