CN105720469B - 基于光偏振扭转提高弱泵浦激光效率的激光器 - Google Patents

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Abstract

基于光偏振扭转提高弱泵浦激光效率的激光器，涉及激光器领域，解决了现有激光器存在的激光转化效率低的问题。该激光器包括：两个全反镜、1/4波片、激光增益介质、偏振片、输出镜和泵浦源。本发明利用光偏振特性，实现激光器谐振腔往返时间内振荡光四次通过激光增益介质，此时4gl＞L‑lnR，g为激光增益介质增益，l为激光增益介质长度，L为激光器固有损耗，R为输出镜反射率，激光实现振荡输出；当激光器谐振腔损耗不变时，激光增益只需要原来激光增益的一半，激光器谐振腔泵浦阈值降低为原来的一半，在降低激光器谐振腔泵浦阈值的同时提高了激光转化效率，激光器谐振腔泵浦阈值降幅最低达到50％，更容易实现激光输出，从而极大地改善低功率泵浦激光转化效率。

Description

基于光偏振扭转提高弱泵浦激光效率的激光器
技术领域
本发明涉及激光器技术领域，具体涉及一种基于光偏振扭转提高弱泵浦激光效率的激光器。
背景技术
激光器实现输出的两个关键因素是实现粒子数反转和激光器谐振腔，其中激光器谐振腔用来实现正反馈。激光器谐振腔的形式分为驻波腔和环形腔，驻波腔由高反镜和输出镜组成，而环行腔由多个全反镜和输出镜组成。这两种谐振腔在往返时间内，振荡光双次经过激光增益介质，单次经过输出镜。当激光增益大于谐振腔损耗时，激光实现振荡输出，即2gl＞L-lnR，式中g为激光增益介质的增益，l为激光增益介质的长度，L为激光器固有损耗，R为输出镜的反射率。
随着激光器应用领域不断推广，低阈值、高转换效率成为固体激光器发展的一个重要方向。为实现这一目标，目前主要通过从泵浦源、激光增益介质选择方面来实现，从以前的闪光灯泵浦到现在的半导体泵浦以及优良激光晶体材料的选择。虽然通过这些途径能够降低激光器谐振腔泵浦阈值来提高泵浦激光转化效率，但是激光器泵浦激光转化效率的发展严重受泵浦源发展水平、激光晶体材料开发的制约。因此，如何改善低功率泵浦激光转化效率成为激光器发展的关键。
发明内容
为了解决现有激光器存在的激光转化效率低的问题，本发明提供一种基于光偏振扭转提高弱泵浦激光效率的激光器。
本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：
本发明的基于光偏振扭转提高弱泵浦激光效率的激光器，包括：全反镜一、1/4波片、激光增益介质、偏振片、全反镜二、输出镜和泵浦源，所述全反镜一、1/4波片、激光增益介质、偏振片和输出镜组成激光器谐振腔；
所述泵浦源发出的泵浦光照射至激光增益介质，当激光增益介质的增益达到激光器谐振腔泵浦阈值时，谐振腔内激光开始振荡，由于谐振腔内偏振片的作用，通过偏振片靠近输出镜端的偏振方向为水平P偏振，水平P偏振光依次经偏振片高透、激光增益介质放大、1/4波片作用后变成圆偏振光，依次经全反镜一反射、1/4波片作用后变成垂直S偏振光，依次经激光增益介质放大、偏振片高反射作用后入射至激光器谐振腔外的全反镜二，经全反镜二反射回激光器谐振腔内，垂直S偏振光经偏振片高反射作用后入射至激光增益介质、1/4波片、全反镜一组成的支路中；
垂直S偏振光依次经激光增益介质放大、1/4波片作用后变成圆偏振光，依次经全反镜一反射、1/4波片作用后变成水平P偏振光，依次经激光增益介质放大、偏振片高透过作用后入射至输出镜，经输出镜反射再次进入偏振片，按照上述过程完成一次完整振荡，最终通过输出镜输出激光。
进一步的，在一次完整的振荡时间内，振荡光在偏振片与输出镜之间往返两次，在偏振片、激光增益介质、1/4波片和全反镜一之间往返四次，此时4gl＞L-lnR，式中：g为激光增益介质的增益，l为激光增益介质的长度，L为激光器固有损耗，R为输出镜的反射率，激光实现振荡输出；当激光器谐振腔损耗不变时，此时激光增益只需要原来激光增益的一半，激光器谐振腔泵浦阈值降低为原来的一半，达到改善低功率泵浦激光转化效率的目的。
进一步的，所述全反镜一和全反镜二表面均镀有1064nm激光输出波长完全反射膜或946nm激光输出波长完全反射膜。
进一步的，将1/4波片替换为45度法拉第旋转器，所述1/4波片和45度法拉第旋转器均用于激光往返通过时将线偏光偏振方向90度旋转。
进一步的，所述激光增益介质采用各向同性晶体，具体采用Nd:YAG晶体。
进一步的，所述偏振片的作用是对水平P偏振光高透、对垂直S偏振光高反，采用格兰棱镜、布儒斯特片和PBS偏振分光棱镜。
进一步的，所述输出镜表面镀有1064nm部分反射膜。
进一步的，所述泵浦源采用闪光灯或半导体侧面泵浦。
本发明的有益效果是：本发明利用光偏振特性，实现激光器谐振腔往返时间内振荡光四次通过激光增益介质，与普通谐振腔两次经过激光介质相比，泵浦阈值降幅最低达到50％，更容易实现激光输出，从而极大地改善低功率泵浦激光转化效率。
本发明的激光器结构简单，容易实现，与通过泵浦源、开发新激光晶体提高效率相比，具有成本低，效果好的特点，是未来极具推广价值的一种高激光转化效率激光器。
附图说明
图1为现有技术的原理示意图。
图2为本发明的基于光偏振扭转提高弱泵浦激光效率的激光器的结构示意图。
图中：1、全反镜一，2、1/4波片，3、激光增益介质，4、偏振片，5、全反镜二，6、输出镜，7、泵浦源。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图2所示，本发明的基于光偏振扭转提高弱泵浦激光效率的激光器，主要包括：全反镜一1、1/4波片2、激光增益介质3、偏振片4、全反镜二5、输出镜6和泵浦源7。全反镜一1、1/4波片2、激光增益介质3、偏振片4和输出镜6依次排列，通过偏振片4的作用形成一条支路，全反镜二5位于此支路中。全反镜一1、1/4波片2、激光增益介质3、偏振片4和输出镜6组成激光器谐振腔。
泵浦源7发出的泵浦光照射至激光增益介质3，当激光增益介质3的增益达到激光器谐振腔泵浦阈值时，谐振腔内激光开始振荡，由于偏振片4对水平P偏振光具有高透过作用、对垂直S偏振光具有高反射作用，使靠近输出镜6附近的偏振为水平P偏振(平行于参考平面)，水平P偏振光依次经过偏振片4高透、激光增益介质3放大、1/4波片2作用后变成圆偏振光，圆偏振光依次经过全反镜一1反射、1/4波片2作用后变成垂直S偏振光(垂直于参考平面)，垂直S偏振光依次经过激光增益介质3放大、偏振片4高反射作用后入射至激光器谐振腔外的全反镜二5，垂直S偏振光经全反镜二5反射回激光器谐振腔内，由于偏振片4对水平P偏振光具有高透过作用、对垂直S偏振光具有高反射作用，因此，垂直S偏振光经过偏振片4高反射作用后入射至由激光增益介质3、1/4波片2、全反镜一1组成的支路中。
垂直S偏振光依次经过激光增益介质3放大、1/4波片2作用后变成圆偏振光，圆偏振光依次经过全反镜一1反射、1/4波片2作用后变成水平P偏振光，水平P偏振光依次经过激光增益介质3放大、偏振片4高透过作用后入射至由偏振片4与输出镜6组成的支路中，水平P偏振光经过输出镜6反射再次进入偏振片4，按照上述过程完成依次往返一周的循环，形成一次完整振荡过程，最终通过输出镜6输出激光。
激光器谐振腔内插入偏振片4，使只有水平P偏振光振荡，1/4波片2的作用是将水平P偏振光经过全反镜一1反射回来后转换为垂直S偏振光，即实现将线偏光偏振方向90度旋转，由于偏振片4只对水平P偏振光高透、对垂直S偏振光高反，垂直S偏振光经腔外全反镜二5反射、偏振片4反射后，回到激光器谐振腔内，再次经过激光增益介质3放大、1/4波片2作用后转换为水平P偏振光振荡。
在一次完整的振荡时间内，振荡光在偏振片4与输出镜6之间往返两次，在偏振片4、激光增益介质3、1/4波片2和全反镜一1之间往返四次，此时4gl＞L-lnR，式中：g为激光增益介质3的增益，l为激光增益介质3的长度，L为激光器固有损耗，R为输出镜6的反射率，激光实现振荡输出。当激光器谐振腔损耗不变时，此时激光增益只需要原来激光增益的一半。理论上激光器谐振腔泵浦阈值降低为原来的一半，从而极大地改善低功率泵浦激光转化效率。
本实施方式中，全反镜一1表面镀有1064nm或946nm等激光输出波长完全反射膜；全反镜二5表面镀有1064nm或946nm等激光输出波长完全反射膜。
本实施方式中，1/4波片2用于激光往返通过时将线偏光偏振方向90度旋转，可以将1/4波片2替换为45度法拉第旋转器，起到与1/4波片2相同的作用。
本实施方式中，激光增益介质3可以采用Nd:YAG等各向同性晶体，价格低廉。
本实施方式中，偏振片4的作用是对水平P偏振光高透、对垂直S偏振光高反，可以采用格兰棱镜、布儒斯特片和PBS偏振分光棱镜等。
本实施方式中，输出镜6表面镀有1064nm等激光输出波长的部分反射膜，参数可变。
本实施方式中，泵浦源7可以采用闪光灯或半导体侧面泵浦，可以是连续泵浦或者脉冲泵浦。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.基于光偏振扭转提高弱泵浦激光效率的激光器，其特征在于，包括：全反镜一(1)、1/4波片(2)、激光增益介质(3)、偏振片(4)、全反镜二(5)、输出镜(6)和泵浦源(7)，全反镜一(1)、1/4波片(2)、激光增益介质(3)、偏振片(4)和输出镜(6)依次排列，通过偏振片(4)的作用形成一条支路，全反镜二(5)位于此支路中，所述全反镜一(1)、1/4波片(2)、激光增益介质(3)、偏振片(4)和输出镜(6)组成激光器谐振腔；
所述泵浦源(7)发出的泵浦光照射至激光增益介质(3)，当激光增益介质(3)的增益达到激光器谐振腔泵浦阈值时，谐振腔内激光开始振荡，由于谐振腔内偏振片(4)的作用，通过偏振片(4)靠近输出镜(6)端的偏振方向为水平P偏振，水平P偏振光依次经偏振片(4)高透、激光增益介质(3)放大、1/4波片(2)作用后变成圆偏振光，依次经全反镜一(1)反射、1/4波片(2)作用后变成垂直S偏振光，依次经激光增益介质(3)放大、偏振片(4)高反射作用后入射至激光器谐振腔外的全反镜二(5)，经全反镜二(5)反射回激光器谐振腔内，垂直S偏振光经偏振片(4)高反射作用后入射至激光增益介质(3)、1/4波片(2)、全反镜一(1)组成的支路中；
垂直S偏振光依次经激光增益介质(3)放大、1/4波片(2)作用后变成圆偏振光，依次经全反镜一(1)反射、1/4波片(2)作用后变成水平P偏振光，依次经激光增益介质(3)放大、偏振片(4)高透过作用后入射至输出镜(6)，经输出镜(6)反射再次进入偏振片(4)，按照上述过程完成一次完整振荡，最终通过输出镜(6)输出激光；
在一次完整的振荡时间内，振荡光在偏振片(4)与输出镜(6)之间往返两次，在偏振片(4)、激光增益介质(3)、1/4波片(2)和全反镜一(1)之间往返四次，此时4gl＞L-lnR，式中：g为激光增益介质(3)的增益，l为激光增益介质(3)的长度，L为激光器固有损耗，R为输出镜(6)的反射率，激光实现振荡输出；当激光器谐振腔损耗不变时，此时激光增益只需要原来激光增益的一半，激光器谐振腔泵浦阈值降低为原来的一半，达到改善低功率泵浦激光转化效率的目的。
2.根据权利要求1所述的基于光偏振扭转提高弱泵浦激光效率的激光器，其特征在于，所述全反镜一(1)和全反镜二(5)表面均镀有1064nm激光输出波长完全反射膜或946nm激光输出波长完全反射膜。
3.根据权利要求1所述的基于光偏振扭转提高弱泵浦激光效率的激光器，其特征在于，将1/4波片(2)替换为45度法拉第旋转器，所述1/4波片(2)和45度法拉第旋转器均用于激光往返通过时将线偏光偏振方向90度旋转。
4.根据权利要求1所述的基于光偏振扭转提高弱泵浦激光效率的激光器，其特征在于，所述激光增益介质(3)采用Nd:YAG晶体。
5.根据权利要求1所述的基于光偏振扭转提高弱泵浦激光效率的激光器，其特征在于，所述偏振片(4)的作用是对水平P偏振光高透、对垂直S偏振光高反，采用格兰棱镜、布儒斯特片和PBS偏振分光棱镜。
6.根据权利要求1所述的基于光偏振扭转提高弱泵浦激光效率的激光器，其特征在于，所述输出镜(6)表面镀有1064nm部分反射膜。
7.根据权利要求1所述的基于光偏振扭转提高弱泵浦激光效率的激光器，其特征在于，所述泵浦源(7)采用闪光灯或半导体侧面泵浦。
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