CN105973573B - 全固态激光器腔内线性损耗的测量方法 - Google Patents

Abstract

一种全固态激光器腔内线性损耗的测量方法,包括泵浦源（1）、增益晶体（2）、环形谐振腔、由置于永磁体内的磁光介质（3）和半波片（4）组成的单向器、分光镜（6）以及第一功率计（7）和第二功率计（8）。其特征在于，通过在谐振腔内引入一种具有非线性效应的倍频晶体（5），该倍频晶体（5）的相位匹配方式可以是Ⅰ类或Ⅱ类非临界相位匹配。通过扫描倍频晶体（5）的温度，在单频区域内测量在倍频晶体（5）的任意两个工作温度点对应的基波和二次谐波输出功率值；再将该两组数值代入包含有倍频晶体（5）的非线性转化系数、基波输出功率、二次谐波输出功率和泵浦因子的腔内线性损耗表达式进行计算即可得到激光器的腔内线性损耗值，同时也得到了泵浦因子的数值。

Description

全固态激光器腔内线性损耗的测量方法

技术领域

本发明涉及激光技术领域，具体是一种对全固态激光器腔内线性损耗进行测量的方法，尤其适用于稳定运转的全固态单频激光器腔内线性损耗的测量。

背景技术

全固态单频激光器因其结构紧凑，体积小巧，光束质量好，长期功率稳定性高，噪声低等优点而被广泛应运于量子信息，量子通讯，引力波探测等多个领域。在全固态激光器的生产、研发及维护中，腔内线性损耗也是一个重要指标，要想获得高效稳定的全固态激光器，必须知道激光器的腔内线性损耗，因为激光器的腔内线性损耗和净增益的关系是决定激光器运转状态的重要因素。

目前测量固体激光器腔内线性损耗最常用的方法是Findlay-Clay分析法。该方法首先测量不同输出耦合镜透射率下的泵浦阈值功率，再利用输出耦合镜透射率与泵浦阈值的关系，通过数值拟合得到激光器的腔内线性损耗值。该种方法需要更换几组不同透射率的输出耦合镜，且需要输出耦合镜透射率的变化范围较大，才能对腔内线性损耗进行准确测量。并且Findlay-Clay分析法在更换输出耦合透射率的时候，难免改变激光器的腔型结构，给腔内线性损耗的测量带来一定的误差，对于已经调试和封装好的激光器更是无能为力。

测量激光器腔内线性损耗的另一种方法是通过测量激光器的输出功率与泵浦功率的关系，将测量结果带入速率方程进行数值拟合，进而得到腔内线性损耗值。尽管该种方法无需更换不同透射率的输出耦合镜，同样适于测量调试和封装好的激光器腔内线性损耗，然而该种方法需要对激光介质在工作时的能级跃迁过程必须有一个全面的分析，并且该种方法尤其适用于低增益微片固体激光器中，对于高增益固体激光器该方法的可靠性难以保证。

此外，在2012年发明人所在科研小组提出了一种测量全固态激光器腔内线性损耗的方法。该方法先利用功率计测量全固态激光器的输出功率；再利用自零拍探测系统测量全固态激光器在该输出功率下的强度噪声，进而确定全固态激光器的弛豫振荡频率值；最后利用包含有激光器的输出功率和弛豫振荡频率值的腔内线性损耗表达式进行计算，即可得到激光器的腔内线性损耗值。该种方法虽然无需更换不同透射率的输出耦合镜，同样也适于测量调试和封装好的激光器腔内线性损耗，但是对于高增益单频激光器，由于其腔内较为严重的热效应会改变激光器的弛豫振荡频率，进而限制了该方法在全固态高增益单频激光器腔内线性损耗测量中的应用。

发明内容

为了解决现有技术存在的问题，提出一种操作简单、结果准确、易于在研究和生产中实施的全固态激光器腔内线性损耗的测量方法。

本发明的原理为：在谐振腔内插入具有非线性效应的倍频晶体时会给谐振腔引入一定的非线性损耗，全固态激光器的腔内线性损耗和倍频晶体引入的非线性损耗共同决定着激光器的运转状态。全固态单频激光器处于稳定运转状态时，腔内线性损耗为一定值，而且倍频晶体的非线性转化系数以及基波和二次谐波的输出功率和腔内线性损耗均有一定的关系，在单频区域内扫描倍频晶体的相位匹配温度将引起倍频晶体非线性转化系数改变，进而改变引入腔内的非线性损耗，最终影响激光器基波和二次谐波输出功率。利用两组对应的非线性转化系数和测量得到的基波和二次谐波的输出功率代入腔内线性损耗表达式，可得到关于单频激光器腔内线性损耗和泵浦因子的二元一次方程组，求解方程组即可得到单频激光器的腔内线性损耗值，同时也得到了泵浦因子的数值。

在谐振腔内插入倍频晶体是获得高输出功率高稳定运转单频激光器的有效方法，激光器腔内线性损耗和倍频晶体引入的非线性损耗可有效抑制激光器多模振荡使其处于单频稳定运转状态。对于稳定运转的单频激光器，腔内基频光强度可以表示为：

其中,I₀为增益晶体的饱和参量，t为输出耦合镜的透射率，L为腔内线性损耗。η为非临界相位匹配倍频晶体的非线性转化系数，表示为：

其中，d_eff为倍频晶体的有效极化系数，l为倍频晶体的长度，n为倍频晶体的折射率，ε₀为真空介电常数，c为光速，ω₁为增益晶体处的束腰半径，ω₂为倍频晶体处的腰斑半径，λ_f为基波波长，λ_sh为二次谐波波长，ΔT为倍频晶体的温度与最佳相位匹配温度之间的失配量。当非临界相位匹配倍频晶体的长度l一定时，其非线性转化系数η是以ΔT为变量的函数。g₀为小信号增益系数，l为非线性晶体的长度，g₀l＝KP_in (2)

其中，K为泵浦因子，P_in为泵浦功率。

基波的输出功率可以表示为：P_f＝AtI (3)

二次谐波的输出率可以表示为：P_sh＝ηAI² (4)

其中,P_f为基波输出功率，P_sh为二次谐波输出功率，A为增益晶体中激光束的横截面积。

利用公式(1),(2),(3)和(4)，可以得到激光器腔内线性损耗的表达式：

上式中，η值与倍频晶体的工作温度一一对应，除了基波输出功率、二次谐波输出功率和泵浦因子外，其他参数均由激光器本身决定。结合公式(5)，单频激光器的相关参数以及测量得到的几组基波输出功率和二次谐波输出功率值，可以得到关于单频激光器腔内线性损耗和泵浦因子的二元一次方程组，解方程组即可得到单频激光器腔内线性损耗值，同时也得到了泵浦因子的数值。

本发明提供的一种全固态激光器腔内线性损耗的测量方法，包括以下步骤：

1.通过在谐振腔内引入一种具有非线性效应的倍频晶体，该倍频晶体的相位匹配方式可以是I类或II类非临界相位匹配；

2.在单频区域内测量倍频晶体的两个工作温度点对应的基波和二次谐波输出功率；

3.将两个工作温度点对应的非线性转化系数以及测量得到对应的基波和二次谐波输出功率值代入激光器腔内线性损耗的表达式，计算得到关于单频激光器腔内线性损耗和泵浦因子的二元一次方程组，解方程组即可得到单频激光器的腔内线性损耗值。

所述的具有非线性效应的倍频晶体的材料是LBO或PPKTP。

与现有技术相比本发明具有以下优点：

1.本发明在对全固态激光器腔内线性损耗进行测量时,不需要更换不同透射率的输出耦合镜，可以实现对固体激光器腔内线性损耗的无干扰测量。

2.本发明在对全固态激光器腔内线性损耗进行测量时,不必分析增益介质的能级跃迁过程，只需在激光器单频区域内选取倍频晶体的两个工作温度点，测量结果准确，且适用于全固态高增益单频激光器腔内线性损耗的测量。

3.本发明适合于I类或II类非临界相位匹配的单频激光器腔内线性损耗的测量。

4.本发明在对全固态单频激光器腔内线性损耗进行测量时，无需改变谐振腔的腔形结构，可简便地对已调试和封装好的全固态单频内腔倍频非临界相位匹配的激光器腔内线性损耗进行测量。

5.本发明在对全固态单频激光器腔内线性损耗进行测量的同时也准确地测量了其泵浦因子。

6.本发明测量的实验装置和过程简单，无需其他系统，本发明成本低廉，易于实际操作。

总之，以上方法可以用于I类或II类非临界相位匹配的全固态单频激光器腔内线性损耗的测量。

附图说明

图1为本发明实施方案一：对激光二激管端面泵浦的“8”字四镜环形腔连续单频激光器腔内线性损耗测量的装置结构示意图。

图2为本发明实施方案二：对激光二激管侧面泵浦的六镜环形腔连续单频激光器腔内线性损耗测量的装置结构示意图。

图3为本发明实施方案三：对激光二激管双端面泵浦的六镜环形腔连续单频激光器腔内线性损耗测量的装置结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步说明，但是本发明不限于这些实施案例。

实施方式一：图1所示为本发明对高功率四镜环形谐振腔内线性损耗的测量装置，包括泵浦源1、增益晶体2、由腔镜(9、10、11、12)组成的环形谐振腔、由置于永磁体内的磁光介质3和半波片4组成的单向器、倍频晶体5、分光镜6、第一功率计7和第二功率计8。泵浦光经耦合系统聚焦到增益晶体2的中心。激光器采用四镜环形谐振腔结构，由腔镜(9、10、11、12)组成。腔镜9为凹凸镜，凹面镀有泵浦光高透膜，凸面镀有泵浦光高透和基频光高反膜；腔镜10为平凸镜，凸面镀有基频光高反膜；腔镜11为平凹镜，凹面镀有基频光高反膜；腔镜12为平凹镜，凹面镀膜对基频光高反或有一定的透射率，凹面镀膜对倍频光高透，平面镀有倍频光高透膜。增益晶体2的通光面切割成一定的楔角，起到偏振分束器的作用，便于维持激光器偏振态的稳定。增益晶体2由铟薄包覆并通过真空铟焊置于紫铜控温炉中，采用热电制冷器(TEC)进行温度控制，热沉为通有冷却循环水的紫铜块。腔内插入的由永磁体包裹的TGG晶体(磁光介质)3和半波片4组成的光学单向器使腔内激光单向运行，消除空间烧孔效应进而保证激光器的单频运转。倍频晶体5位于腔镜11和腔镜12之间的基模束腰处，以保证较高的非线性转化效率。倍频晶体5置于紫铜控温炉中，控温精度为0.1℃，其相位匹配方式为I类或II类非临界相位匹配。平面镜6为45°入射镀有基频光高反和倍频光高透膜，对基频光和倍频光起分光作用。第一功率计7用来测基波输出功率，第二功率计8用来测二次谐波输出功率。

实施方式二：图2所示为本发明对激光二极管侧面泵浦的六镜环形腔腔内线性损耗的测量装置，包括泵浦源1、增益晶体2、由腔镜(13、14、15、16、17、18)组成的环形谐振腔、由置于永磁体内的磁光介质3和半波片4组成的单向器、倍频晶体5、分光镜6、第一功率计7和第二功率计8。泵浦源1发出的光经整形聚焦后投射到增益晶体2上，泵浦光的波长位于增益晶体2的吸收峰值处。增益晶体2的通光面切割成一定的楔角，起到偏振分束器的作用，便于维持激光器偏振态的稳定。谐振腔由四个平面镜(13、14、15、16)和两个平凹镜(17、18)组成。其中腔镜(13、14、15、16、17)镀有基频光高反膜，腔镜18作为输出耦合镜，凹面镀膜对基频光高反或有一定的透射率，凹面镀膜对倍频光高透，平面镀有倍频光高透膜。为保持腔内激光的单向运行，消除空间烧孔效应进而保证激光器的单频运转，腔内插入由永磁体包裹的TGG晶体(磁光介质)3和半波片4组成的光学单向器。倍频晶体5位于腔镜17和腔镜18之间的基模束腰处，以保证较高的非线性转化效率。倍频晶体5置于紫铜控温炉中，控温精度为0.1℃，其相位匹配方式为I类或II类非临界相位匹配。分光镜6为45°入射镀有基频光高反和倍频光高透膜，对基频光和倍频光起分光作用。功率计7用来测基波输出功率，第二功率计8用来测二次谐波输出功率。

实施方式三：图3所示为本发明对激光二极管双端泵浦的六镜环形腔连续单频激光器腔内线性损耗的测量装置，包括泵浦源1、增益晶体2、由腔镜(19、20、21、22、23、24)组成的环形谐振腔、由置于永磁体内的磁光介质3和半波片4组成的单向器、倍频晶体5。和实施方式二相比，主要的区别在于泵浦方式由侧面泵浦改为双端泵浦。增益晶体2的两个端面和腔镜19、20都镀有泵浦光高透膜。倍频晶体5位于腔镜23和腔镜24之间的基模束腰处，以保证较高的非线性转化效率。倍频晶体5置于紫铜控温炉中，控温精度为0.1℃，其相位匹配方式为I类或II类非临界相位匹配。分光镜6为45°入射镀有基频光高反和倍频光高透膜，对基频光和倍频光起分光作用。第一功率计7用来测基波输出功率，第二功率计8用来测二次谐波输出功率。其中腔镜19、20、21、22为平面镜，23、24为平凹镜。

被测激光器为“8”字四镜环形腔结构的全固态连续单频1064和532nm双波长激光器。该激光器所用的增益晶体2为a轴切割的YVO₄+Nd:YVO₄复合晶体，尺寸为3mm×3mm×(3+20)mm，前端面3mm为非掺杂的YVO₄晶体，后面20mm为掺杂浓度为0.8％的Nd:YVO₄晶体。采用复合晶体，是为了减缓增益晶体的端面热效应，增益晶体2的后端面有一个1.5°的楔角作为偏振分束器，在不同方向的偏振模式竞争中，可以保证π偏振光优先于σ偏振光在腔内起振，从而获得稳定的线偏振光输出。增益晶体2的c轴水平放置，可使增益晶体的热像散和离轴放置的腔镜所引入的像散实现相互补偿，从而拓宽激光的稳区。倍频晶体5的尺寸为3mm×3mm×18mm的三硼酸锂(LBO)，其相位匹配方式为I类非临界相位匹配，倍频晶体LBO的非线性转化系数η具体表示为：

ΔT为倍频晶体的温度与最佳相位匹配温度之间的失配量，增益晶体处的束腰半径ω₁为390μm，倍频晶体处的腰斑半径ω₂为84μm，倍频晶体的长度l为18mm，倍频晶体的有效极化系数d_eff为1.16pm/V,真空介电常数ε₀为8.85×10^-12F/m，光速c为3×10⁸m/s，倍频性晶体折射率n为1.56，增益晶体的饱和参量I₀为8.30827×10⁶W/m²，泵浦功率P_in为74W，输出耦合镜透射率t为19％，基波波长λ_f为1064nm，二次谐波波长λ_sh为532nm；当倍频晶体的温度处于最佳相位匹配温度时ΔT为0，此时的非线性转化系数η为6.5×10^-11m²/W，利用功率计测量得到基波输出功率P_f为22.32W，二次谐波输出功率P_sh为1.239W；当扫描倍频晶体的温度使其与最佳相位匹配温度之间的失配量ΔT为2℃时，对应的非线性转化系数η为1.37894055×10^-11m²/W，此时激光器仍单频运转，利用功率计测量得到基波输出功率为P_f为23.53W，二次谐波输出功率P_sh为0.287W。利用公式：

可以得到关于腔内线性损耗和泵浦因子的二元一次方程组解方程得到L＝0.04972119，

K＝0.06943311，即全固态单频激光器的腔内线性损耗为4.972119％，泵浦因子为6.943311％。

Claims (2)

1.一种全固态激光器腔内线性损耗的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)通过在谐振腔内引入一种具有非线性效应的倍频晶体(5)，该倍频晶体(5)的相位匹配方式是I类或Ⅱ类非临界相位匹配；

(2)在单频区域内测量倍频晶体(5)的两个工作温度点对应的基波和二次谐波的输出功率；

(3)将两个工作温度点对应的非线性转化系数和在两个工作温度点测量得到的两组基波和二次谐波的输出功率值分别代入单频激光器腔内线性损耗表达式：

得到一个关于激光器腔内线性损耗和泵浦因子的二元一次方程组，求解该方程组即可得到激光器腔内线性损耗值；

上述单频激光器腔内线性损耗的表达式中，I₀为增益晶体的饱和参量，K为泵浦因子，P_in为泵浦功率，P_f为基波输出功率，P_sh为二次谐波输出功率,t为输出耦合镜的透射率；非临界相位匹配的倍频晶体非线性转化系数η表示为：

<mrow> <mi>&amp;eta;</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mn>8</mn> <msup> <mi>&amp;pi;</mi> <mn>2</mn> </msup> <msubsup> <mi>d</mi> <mrow> <mi>e</mi> <mi>f</mi> <mi>f</mi> </mrow> <mn>2</mn> </msubsup> <msup> <mi>l</mi> <mn>2</mn> </msup> <msubsup> <mi>&amp;omega;</mi> <mn>1</mn> <mn>2</mn> </msubsup> </mrow> <mrow> <msub> <mi>&amp;epsiv;</mi> <mn>0</mn> </msub> <msup> <msub> <mi>c&amp;lambda;</mi> <mi>f</mi> </msub> <mn>2</mn> </msup> <msup> <mi>n</mi> <mn>3</mn> </msup> <msubsup> <mi>&amp;omega;</mi> <mn>2</mn> <mn>2</mn> </msubsup> </mrow> </mfrac> <mi>sin</mi> <mi> </mi> <msup> <mi>c</mi> <mn>2</mn> </msup> <mrow> <mo>(</mo> <mo>&amp;lsqb;</mo> <mfrac> <mrow> <mn>2</mn> <mi>&amp;pi;</mi> </mrow> <msub> <mi>&amp;lambda;</mi> <mi>f</mi> </msub> </mfrac> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>dn</mi> <mi>z</mi> </msub> </mrow> <mrow> <mi>d</mi> <mi>T</mi> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mfrac> <mi>&amp;pi;</mi> <msub> <mi>&amp;lambda;</mi> <mrow> <mi>s</mi> <mi>h</mi> </mrow> </msub> </mfrac> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>dn</mi> <mi>y</mi> </msub> </mrow> <mrow> <mi>d</mi> <mi>T</mi> </mrow> </mfrac> <mo>&amp;rsqb;</mo> <mi>l</mi> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>T</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>,</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>dn</mi> <mi>z</mi> </msub> </mrow> <mrow> <mi>d</mi> <mi>T</mi> </mrow> </mfrac> <mo>=</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mo>-</mo> <mn>6.3</mn> <mo>+</mo> <mn>2.1</mn> <msub> <mi>&amp;lambda;</mi> <mi>f</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&amp;times;</mo> <msup> <mn>10</mn> <mrow> <mo>-</mo> <mn>6</mn> </mrow> </msup> <mo>,</mo> </mrow>

d_eff为倍频晶体(5)的有效极化系数，l为倍频晶体(5)的长度，n为倍频晶体(5)的折射率，ε₀为真空介电常数，c为光速，ω₁为增益晶体处的束腰半径，ω₂为倍频晶体(5)处的腰斑半径，λ_f为基波波长，λ_sh为二次谐波波长，ΔT为倍频晶体(5)的温度与最佳相位匹配温度之间的失配量。

2.根据权利要求1所述的全固态激光器腔内线性损耗的测量方法，其特征在于，所述的具有非线性效应的倍频晶体(5)的材料是LBO或PPKTP。