CN105633785A - 一种锁模紫外激光器的光路系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种锁模紫外激光器的光路系统，包括泵浦光源、谐振腔单元，分束器、倍频单元和输出单元。该装置中泵浦光源输入至谐振腔单元后，产生的1064nm锁模激光射入倍频单元，经过三硼酸锂晶体二倍频与三倍频的参量转换后得到355nm激光，最后由输出单元进行光束质量的调制，得到高质量的锁模紫外激光。本发明采用掺钕钒酸钇晶体为工作物质性能优良，对泵浦光有较高的吸收系数和更大的受激发射截面，与三硼酸锂晶体配合使用，能够达到较好的倍频转换效率；同时应用半导体可饱和吸收镜提供锁模的自启动机制，可以制成紫外锁模激光器，此激光在经BBO晶体后自发参量下转换得到轨道角动量纠缠态，可应用于量子通信领域在轨道角动量纠缠的制备。

Description

一种锁模紫外激光器的光路系统
技术领域
本发明涉及激光通信与量子通信领域，具体涉及一种锁模紫外激光器的光路系统。
背景技术
由于量子纠缠态在基本量子物理研究和量子信息技术研究中的重要意义，量子纠缠态成为近年来量子通信的一个热点研究领域。基于纠缠光子的量子密钥分配方案首先由Ekert于1991年提出，它可以回避用极弱光脉冲模拟单光子光源的困难，且避免了由分光窃听引起的安全隐患。另外，纠缠光子的关联性可以长距离保持，这种方案的保密性更加突出。因此量子纠缠态的制备是量子信息、量子计算等领域研究的关键环节。
目前，在激光泵浦非线性光学晶体的参量下转换过程中，产生的孪生双光量子辐射场是良好的双粒子纠缠态源，特别是制备具有高维特性的轨道角动量纠缠态已在理论和实验上得到广泛关注。量子通信领域的物理学家利用这一优势，做了大量理论和实验工作，希望可以得到光束质量更好、转换效率高以及锁模稳定的轨道角动量纠缠态。
发明内容
本发明目的是克服现有技术的不足，提供一种倍频转换效率好，可形成锁模激光时激光器的输出能量得到充分利用的，产生激光频率稳定的锁模紫外激光器的光路系统。
本发明的技术方案是：一种锁模紫外激光器的光路系统，包括泵浦光源、分束器、谐振腔单元、倍频单元和输出单元，其中：
所述谐振腔单元用于产生1064nm锁模激光，其包括第一反射镜、耦合透镜、第一平凹镜、第二平凹镜、正钒酸钇晶体及半导体可饱和吸收镜；
所述倍频单元用于产生355nm激光，其包括第二反射镜、二倍频模块、三倍频模块、第三反射镜和吸收板；
所述输出单元用于调整光束质量，其包括第四反射镜、柱面镜、第五反射镜、第六反射镜、球面镜和窗口片；
所述泵浦光源产生激光脉冲并输入至谐振腔单元，所述激光脉冲经第一反射镜与耦合透镜后进入到由所述第一平凹镜与第二平凹镜构成的谐振腔、并与工作物质钒酸钇晶体及半导体可饱和吸收镜作用产生1064nm激光，1064nm激光再由第二平凹镜反射至所述分束器；
所述激光脉冲通过分束器进入到倍频单元后，再依次经过第二反射镜、二倍频模块、三倍频模块、第三反射镜和吸收板进入到输出单元，在输出单元中依次经过所述第四反射镜、柱面镜、第五反射镜、第六反射镜和球面镜后，最后从所述窗口片输出紫外锁模激光。
优选地，所述泵浦光源为激光二极管，其在室温下中心波长为808nm。
优选地，所述第一反射镜为1064nm反射镜。
优选地，所述第一平凹镜为内侧凹面镀808nm高反膜的反射镜，可透射1064nm；所述第二平凹镜为全反射镜，反射808nm与1064nm的光束。
优选地，所述半导体可饱和吸收镜以非线性效应作为锁模机制。
优选地，所述二倍频模块和三倍频模块均包括凸透镜和三硼酸锂晶体。
优选地，所述第三反射镜、第四反射镜、第五反射镜和第六反射镜均为355nm反射镜，用于改变光路方向。
优选地，所述柱面镜采用非球面透镜。
优选地，所述球面镜包括第一透镜和第二透镜，且所述第一透镜和第二透镜均采用光学镀膜玻璃透镜。
优选地，所述第二透镜采用双胶合消像差透镜。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1.本发明采用了掺钕钒酸钇晶体，掺钕钒酸钇晶体性能优良，对泵浦光有较高的吸收系数和更大的受激发射截面，其与三硼酸锂(LBO)晶体配合使用，能够达到较好的倍频转换效率；
2.应用半导体可饱和吸收镜(SESAM)提供锁模的自启动机制，可在腔内制成锁模激光；
3.选用三硼酸锂(LBO)这一新型非线性光学晶体，有宽透光波段范围、宽的允许角和小的走离角；且I类及II类非临界相位匹配范围宽，I类相位匹配，产生的532nm二次谐波与1064nm基波具有相互垂直的偏振态，恰好满足三硼酸锂(LBO)晶体三倍频II类相位匹配条件，可克服走离效应来获得高的倍频效率使激光器的输出能量得到充分利用；
4.本发明结构紧凑，设计简单，所产生激光频率稳定，波长范围窄；
5.本发明在经BBO晶体后自发参量下转换得到轨道角动量纠缠态，可应用于量子通信领域在轨道角动量纠缠的制备。
附图说明
图1是本发明一种锁模紫外激光器的光路系统示意图；
图2是本发明中准连续输出的锁模工作模式及重复频率(100MHz)检测样图；
图3是本发明光斑直径检测样图；
图4是本发明发散角与光斑圆度检测样图。
图中各部件对应的名称：泵浦光源-01、分束器-02；谐振腔单元-10、第一反射镜-11、耦合透镜-12、第一平凹镜-13、第二平凹镜-14、正钒酸钇晶体-15、半导体可饱和吸收镜-16；倍频单元-20、第二反射镜-21、二倍频模块-22、三倍频模块-23、第三反射镜-24、吸收板-25；输出单元-30、第四反射镜-31、柱面镜-32、第五反射镜-33、第六反射镜-34、球面镜-35、窗口片-36。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。
参照附图1所示，一种锁模紫外激光器的光路系统，包括泵浦光源01、分束器02、谐振腔单元10、倍频单元20和输出单元30，其中：
所述谐振腔单元10用于产生1064nm锁模激光，其包括第一反射镜11、耦合透镜12、第一平凹镜13、第二平凹镜14、正钒酸钇晶体(Nd:YVO4)15及半导体可饱和吸收镜(SESAM)16；
所述倍频单元用于产生355nm激光，其包括第二反射镜21、二倍频模块22、三倍频模块23、第三反射镜24和吸收板25；
所述输出单元用于调整光束质量30，其包括第四反射镜31、柱面镜32、第五反射镜33、第六反射镜34、球面镜35和窗口片36；
本发明工作时，所述泵浦光源01产生激光脉冲并输入至谐振腔单元10，所述激光脉冲经第一反射镜11与耦合透镜12后进入到由所述第一平凹镜13与第二平凹镜14构成的谐振腔内、并与工作物质钒酸钇晶体(Nd:YVO4)15及半导体可饱和吸收镜(SESAM)16作用产生1064nm激光然后输出所述谐振腔，1064nm激光输出谐振腔时由所述第二平凹镜14反射至所述分束器02；
所述激光脉冲通过分束器02进入到倍频单元20后，再依次经过第二反射镜21、二倍频模块22、三倍频模块23、第三反射镜24和吸收板25进入到输出单元30，在输出单元30中依次经过所述第四反射镜31、柱面镜32、第五反射镜33、第六反射镜34和球面镜35后，最后从所述窗口片36输出紫外锁模激光。
所述第一平凹镜13、第二平凹镜14、掺钕离子的正钒酸钇(Nd:YVO4)晶体15和半导体可饱和吸收镜(SESAM)16构成谐振腔。其中泵浦光源01为激光二极管，其在室温下中心波长为808nm；第一反射镜11为1064nm反射镜；第一平凹镜13为内侧凹面镀808nm高反膜的反射镜，可透射1064nm；第二平凹镜14为全反射镜，反射808nm与1064nm的光束。谐振腔内受激辐射光子多次往返以形成相干的持续振荡，且往返振荡光束的方向和频率受谐振腔限制，保证了输出激光的定向性和单色性。
工作物质正钒酸钇(Nd:YVO4)晶体15在泵浦光源01作用下受激辐射实现粒子数反转，且能持续下去。正钒酸钇(Nd:YVO4)晶体15对泵浦光有较高的吸收系数和更大的受激发射截面，且吸收峰值也很高，所以特别有利于LD泵浦，同时正钒酸钇(Nd:YVO4)晶体15是一种高双折射率晶体，易产生偏振光输出，可避免热双折射现象。
谐振腔内的半导体可饱和吸收镜(SESAM)16提供了激光锁模的自启动机制，产生的光子在半导体可饱和吸收镜(SESAM)16非线性效应作用下实现锁模，谐振腔内无需任何主动器件，即可实现自启动，且结构简单、性能稳定、响应时间小、插入损耗小。
所述二倍频模块22和三倍频模块23均包括凸透镜和三硼酸锂(LBO)晶体。而所述第三反射镜24、第四反射镜31、第五反射镜33和第六反射镜34均为355nm反射镜，用于改变光路方向。
所述柱面镜32采用非球面透镜，可以有效减小球差和色差，具有一维放大功能，用于调整光斑圆度。所述球面镜35包括第一透镜和第二透镜，且所述第一透镜和第二透镜均采用光学镀膜玻璃透镜。所述第二透镜采用双胶合消像差透镜，以便获得截面大的光束，用于控制激光的扩束准直。
谐振腔内输出的1064nm锁模激光经1064nm反射镜11后至分束器02。分束器02将光强按1:99比例分束，实现强光透射弱光反射，反射的弱光用于对光束特性的检测，可光电转换后输出至示波器检测，透射部分的强光则输入至倍频单元20用于倍频(倍频，又称光学二次谐波，是指由于光与非线性媒质相互作用，使频率为ω的基频光转变为2ω的倍频光的现象)产生355nm激光。
进入倍频单元20的1064nm激光先由第二反射镜21反射至二倍频模块22和三倍频模块23【光学倍频来源于媒质在基频光波电场作用下产生的二阶非线性极化，即极化强度中与光波电场二次方成比例的部分。这一部分极化强度相当于存在一种频率为2ω的振荡电偶极矩。基频光波在媒质中传播的同时激励起一系列这样的振荡电偶极矩。它们在空间中的分布就好比一个按一定规则排列的偶极矩阵列，偶极矩之间有一定的相对位相。由于阵列中每个电偶极矩都要辐射频率为2ω的光波，故偶极矩阵列的辐射应是这些光波互相干涉的结果。无疑，只当干涉是相互加强时才会有效地产生倍频光输出。为此，阵列中各振荡电偶极矩间要保持恰当的位相关系。从此便产生了所谓位相匹配条件k(2ω)＝2k(ω)，它是产生光学倍频的重要条件，其中k(ω)和k(2ω)分别为基频和倍频光在媒质中的波矢。当这两个光波沿同一方向传播时，此条件转化为要求媒质中倍频光的折射率n(2ω)等于基频光的折射率n(ω)】。1064nm激光经透镜注入二倍频模块22的三硼酸锂(LBO)晶体实现1064nm激光二倍频得到532nm闲频光，然后1064nm和532nm进入三倍频模块23和频(和频是指两束或两束以上不同频率的单色强光同时入射到非线性介质后，通过介质的两次或更高次非线性电极化系数的耦合，产生的光学现象，这一非线性光学效应和光学倍频效应产生的机理完全相同)得到355nm激光。
根据相位匹配原理，为实现最佳频率转换二倍频和三倍频晶体的放置要符合光波的偏振匹配条件。采用二倍频模块22和三倍频模块23的三硼酸锂(LBO)作为倍频晶体，I类相位匹配，产生的二次谐波与基波具有相互垂直的偏振态，这恰好满足三硼酸锂(LBO)晶体三倍频II类相位匹配条件，三倍频模块23的三硼酸锂(LBO)晶体对二倍频模块22的三硼酸锂(LBO)晶体产生的倍频光和剩余的基波进行和频，实现三倍频355nm紫外激光输出，使激光器的输出能量得到充分利用。
频率转换过程中光波偏振匹配三硼酸锂(LBO)晶体作为波长1064nm的倍频晶体具有较高的损伤阈值，非常适合高峰值功率激光运转，同时它还具有宽的允许角(实现相位匹配时它对应的允许范围角度较宽)和小的走离角。更为重要的是作为倍频晶体它可通过采用非临界相位匹配克服走离效应(在二线次谐波产生过程中，当晶体内光传播方向与光轴夹角相等时，普通光波的法线方向与光线方向一致，而对于非寻常光其光波法线方向与光线方向不一致。在整个晶体长度中，使得不同偏振态的基波与二次谐波的光线方向逐渐分离，从而使转换效率下降，这就是走离效应)来获得高的倍频效率。因此采用两块三硼酸锂(LBO)晶体来实现高效355nm紫外激光输出是一种有效、可行的方案。
倍频后得到波长为1064nm、532nm和355nm的混合光束在第三反射镜24处分束，355nm激光被反射至输出单元30，1064nm和532nm光束则透射至吸收板25被吸收。
输入在输出单元30的355nm激光先经由第四反射镜31反射至一组柱面镜系统32，该组柱面镜是非球面透镜，可以有效减小球差和色差，具有一维放大功能，主要用于调整355nm激光的光斑圆度。
下一阶段，355nm激光经第五反射镜33和第六反射镜34反射进入一组球面镜系统35。最终由窗口片36控制输出波长为355nm的紫外锁模激光。
附图2-4为设定参数后得到的测试结果，其中图2为本发明准连续输出的锁模工作模式及重复频率(100MHz)检测样图；图3为本发明光斑直径检测样图；图4为发散角与光斑圆度检测样图。
紫外锁模激光器参数测定：设定输出波长355nm，模式为TEM00的高斯光，重复频率100MHz，激光器平均功率150mW，工作温度在15—35℃时，对应激光参数有：
输出偏振：水平偏振，偏振率：>100:1；脉冲宽度：>10ps；稳定性：<±1％RMS；出口光斑尺寸：～0.9mm±15％；远场发散角：～1mrad；椭圆度：>85％远场；光束指向稳定性：<50urad；光束指向漂移：<20urad/℃。其中在检测范围内的具体检测特性有：准连续输出的锁模工作模式下重复频率为100MHz；光斑直径为0.977；0.899；发散角＝0.425×2＝0.85与光斑圆度0.855。可见，所得紫外锁模激光具有实现泵浦BBO晶体产生轨道角动量纠缠的条件。
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (10)

1.一种锁模紫外激光器的光路系统，其特征在于，包括泵浦光源、谐振腔单元、分束器、倍频单元和输出单元，其中：
所述谐振腔单元用于产生1064nm锁模激光，其包括第一反射镜、耦合透镜、第一平凹镜、第二平凹镜、正钒酸钇晶体及半导体可饱和吸收镜；
所述倍频单元用于产生355nm激光，其包括第二反射镜、二倍频模块、三倍频模块、第三反射镜和吸收板；
所述输出单元用于调整光束质量，其包括第四反射镜、柱面镜、第五反射镜、第六反射镜、球面镜和窗口片；
所述泵浦光源产生激光脉冲并输入至所述谐振腔单元，所述激光脉冲经第一反射镜与耦合透镜后进入到由所述第一平凹镜与第二平凹镜构成的谐振腔内、并与工作物质钒酸钇晶体及半导体可饱和吸收镜作用产生1064nm激光，1064nm激光再由所述第二平凹镜反射至所述分束器；
所述激光脉冲通过分束器进入到倍频单元后，再依次经过所述第二反射镜、二倍频模块、三倍频模块、第三反射镜和吸收板进入到输出单元，在输出单元中依次经过所述第四反射镜、柱面镜、第五反射镜、第六反射镜和球面镜后，最后从所述窗口片输出紫外锁模激光。
2.如权利要求1所述的一种锁模紫外激光器的光路系统，其特征在于，所述泵浦光源为激光二极管，其在室温下中心波长为808nm。
3.如权利要求1所述的一种锁模紫外激光器的光路系统，其特征在于，所述第一反射镜为1064nm反射镜。
4.如权利要求1所述的一种锁模紫外激光器的光路系统，其特征在于，所述第一平凹镜为内侧凹面镀808nm高反膜的反射镜，可透射1064nm；所述第二平凹镜为全反射镜，反射808nm与1064nm的光束。
5.如权利要求1所述的一种锁模紫外激光器的光路系统，其特征在于，所述半导体可饱和吸收镜以非线性效应作为锁模机制。
6.如权利要求1所述的一种锁模紫外激光器的光路系统，其特征在于，所述二倍频模块和三倍频模块均包括凸透镜和三硼酸锂晶体。
7.如权利要求1所述的一种锁模紫外激光器的光路系统，其特征在于，所述第三反射镜、第四反射镜、第五反射镜和第六反射镜均为355nm反射镜，用于改变光路方向。
8.如权利要求1所述的一种锁模紫外激光器的光路系统，其特征在于，所述柱面镜采用非球面透镜。
9.如权利要求1所述的一种锁模紫外激光器的光路系统，其特征在于，所述球面镜包括第一透镜和第二透镜，且所述第一透镜和第二透镜均采用光学镀膜玻璃透镜。
10.如权利要求9所述的一种锁模紫外激光器的光路系统，其特征在于，所述第二透镜采用双胶合消像差透镜。
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