CN106785847B - 一种双复合谐振腔结构的波长可调谐固体激光器 - Google Patents

一种双复合谐振腔结构的波长可调谐固体激光器 Download PDF

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Abstract

本公开揭示了一种双复合谐振腔结构的波长可调谐固体激光器，所述激光器将Nd:YAG晶体产生的非偏振1064.2nm受激辐射荧光通过第一谐振腔和第二谐振腔分别实现s‑偏振1064.2nm泵浦激光和p‑偏振1064.2nm基频光振荡。s‑偏振1064.2nm泵浦激光泵浦第三谐振腔产生波长皆可调谐的s‑偏振信号光和中红外波段s‑偏振闲频光，波长可调谐的s‑偏振信号光与p‑偏振1064.2nm基频光和频形成橙红波段波长可调谐的s‑偏振和频激光。本公开的激光器能够在橙红波段和中红外波段同时实现波长可调谐、高功率的激光输出，结构紧凑、能量转换效率高，可广泛应用于生物医学、激光测量、污染监测、光谱分析等领域。

Description

一种双复合谐振腔结构的波长可调谐固体激光器
技术领域
本公开涉及激光技术领域，具体涉及双复合谐振腔结构的波长可调谐固体激光器。
背景技术
600nm-650nm橙红波段激光在生物医学、激光测量、激光显示、激光打印、污染监测、光谱分析等领域有着广泛的应用。
早期的橙红波段激光器多为气体和液体染料激光器，因输出功率低、使用寿命短、含有剧毒物质等因素限制了其实际应用。
随着半导体激光器技术的发展，近年来拉曼频移、蓝色激光泵浦掺Pb3+晶体、半导体激光泵浦掺Nd3+晶体腔内和频、半导体激光泵浦Nd3+晶体腔内倍频等获得橙红波段激光的技术成为了研究热点。但是采用上述技术获得的橙红波段激光波长固定，不能实现波长可调谐输出。
随着周期极化晶体技术的迅速发展，利用光参量振荡技术和腔内和频技术来产生波长可调谐的橙红波段激光成为最新研究方向。然而在此类研究中，光参量振荡器的泵浦激光由于同时承担了泵浦光参量振荡器、参与腔内和频过程的两个角色，分散了其功率，从而降低了腔内信号光功率密度，导致波长可调谐橙红波段激光输出功率较低，波长调谐范围也受到限制。
发明内容
针对上述部分问题，一方面，本公开提供一种基于双复合谐振腔结构、连续输出功率较高的波长可调谐固体激光器，另一方面，本公开提供一种在橙红波段和中红外波段同时产生波长可调谐、高功率激光的方法。
一种基于双复合谐振腔结构的固体激光器，所述激光器包括：
第一平凹反射镜(1)、第一偏振元件(4)、第一输出镜(5)、第二偏振元件(7)、第一平面反射镜(9)、会聚透镜(10)、第二平凹反射镜(11)、第二平面反射镜(16)、第二输出镜(17)、第三平凹反射镜(19)，其中：
所述第一平凹反射镜(1)、第一偏振元件(4)、第一输出镜(5)形成第一谐振腔；
所述第一平凹反射镜(1)、第二输出镜(17)、第三平凹反射镜(19)形成第二谐振腔；
所述第二平凹反射镜(11)、第二平面反射镜(16)、第二输出镜(17)、第三平凹反射镜(1)形成第三谐振腔；
在所述第一平凹反射镜(1)、第一偏振元件(4)之间有受激辐射光源，受激辐射光源产生非偏振的1064.2nm受激荧光，经第一偏振元件(4)分解成为s-偏振1064.2nm受激荧光和p-偏振1064.2nm受激荧光；
所述s-偏振1064.2nm受激荧光经第一谐振腔振荡放大后输出稳定的s-偏振1064.2nm泵浦激光，所述p-偏振1064.2nm受激荧光在第二谐振腔内振荡放大后形成稳定的p-偏振1064.2nm基频光；
在第二平凹反射镜(11)和第二平面反射镜(16)之间有第一非线性光学频率变换晶体，在第二输出镜(17)和第三平凹反射镜(19)之间有第二非线性光学频率变换晶体；
所述第一偏振元件(4)、第二平面反射镜(16)位于第一平凹反射镜(1)与第二输出镜(17)之间，四者的光心位于一条直线上，与受激辐射光源产生的p-偏振1064.2nm基频光重合；
所述s-偏振1064.2nm泵浦激光依次经第二偏振元件(7)、第一平面反射镜(9)反射后，再经过会聚透镜(10)会聚和第二平凹反射镜(11)的透射聚焦在第一非线性光学频率变换晶体上，被第一非线性光学频率变换晶体基于非线性差频效应分解为近红外波段的s-偏振信号光和中红外波段的s-偏振闲频光，所述s-偏振闲频光经第二平面反射镜(16)输出；
所述s-偏振信号光在第二谐振腔内振荡放大后，与p-偏振1064.2nm基频光在第二非线性光学频率变换晶体内通过和频过程，形成橙红波段内的s-偏振和频激光，并通过第二输出镜(17)输出。
进一步地，所述第一非线性光学频率变换晶体为周期极化晶体MgO：PPLN(12)，所述周期极化晶体MgO：PPLN具有29.0μm，29.8μm和30.8μm三个极化周期，MgO的掺杂浓度为5mol％，两通光面均镀制1064.2nm波长、1400-1700nm波段和2900-4000nm波段的三色增透膜；
所述第二非线性光学频率变换晶体为II类角度匹配和频晶体KTP(18)，所述II类角度匹配KTP和频晶体的两个通光面均镀制600-670nm波段、1400-1700nm波段和1064.2nm波长的三色增透膜。
进一步地，所述周期极化晶体MgO：PPLN(12)位于温控炉(13)中，所述温控炉(13)位于电动平移台(14)上；
所述电动平移台(14)位于第二平凹反射镜(11)与第二平面反射镜(16)之间，能够沿着垂直于周期极化晶体MgO：PPLN(12)的端面法线方向移动，用于改变周期极化晶体MgO：PPLN(12)的极化周期。
进一步地，所述第一平凹反射镜(1)为熔石英平凹反射镜，其凹面曲率半径为1000mm，其凹面镀制0°入射1064.2nm波长的增透膜，其平面不镀膜；
所述第二平凹反射镜(11)为熔石英平凹反射镜，其凹面曲率半径为1200mm，其平面镀制0°入射1064.2nm波长的增透模，其凹面镀制0°入射1064.2nm波长的增透膜和1400-1700nm波段、2900-4000nm波段的双色高反膜；
所述第三平凹反射镜(19)为熔石英平凹反射镜，凹面曲率半径为80mm，其凹面镀制0°入射600-670nm波段、1400-1700nm波段和1064.2nm波长的三色高反膜，其平面不镀膜。
所述第一偏振元件(4)和第二偏振元件(7)均为熔石英布儒斯特镜，对56.7°角入射的s-偏振全反射、对56.7°角入射的p-偏振全透射；
所述第一输出镜(5)为熔石英平面镜，其靠近第一偏振元件(4)的平面镀制0°入射增透膜并对1064.2nm波长的透射率为15％，其另一平面镀制0°入射1064.2nm波长的高透膜；
所述第二输出镜(17)为熔石英平凹反射镜，其平面法线方向与水平方向成15°角，其凹面曲率半径为150mm，其凹面镀制15°入射1064.2nm波长、1400-1700nm波段的双色高反膜和15°入射600-670nm波段的增透膜；
所述第一平面反射镜(9)为熔石英平面镜，其平面法线方向与水平方向成45°角，其靠近会聚透镜(10)的平面镀制45°入射1400-1700nm波段的高反膜和45°入射2900-4000μm波段、1064.2nm波长的双色增透膜；其另一平面不镀膜；
所述第二平面反射镜(16)为CaF2平面镜，其平面法线方向与水平方向成45°角，其靠近第二平凹输出镜(17)的平面镀制45°入射1400-1700nm波段的高反膜和45°入射2900-4000μm波段、1064.2nm波长的双色增透膜；其另一面镀制45°入射2900-4000nm、1064.2nm波长的双色增透膜。
进一步地，在所述第二平凹反射镜(11)与第二平面反射镜(16)之间有谐波镜(15)；
所述谐波镜(15)用于反射通过第一非线性光学频率变换晶体的s-偏振1064.2nm泵浦激光，将其反射回第一非线性光学频率变换晶体；
所述谐波镜(15)靠近第二平凹反射镜(11)的平面镀制0°入射1064.2nm波长的高反膜和1400-1700nm波段、2900-4000nm的双色增透膜，其另一平面镀制1400-1700nm波段、2900-4000nm的双色增透膜。
进一步地，在所述第一谐振腔和第三谐振腔之间设置光隔离器(8)，用于吸收经谐波镜(15)反射的且被第二反射镜(11)透射的s-偏振1064.2nm泵浦激光。
进一步地，所述受激辐射光源包括半导体激光侧泵模块(2)、透明激光陶瓷棒Nd：YAG(3)，其中：
所述透明激光陶瓷棒Nd：YAG(3)为激光增益介质，在吸收半导体激光侧泵模块(2)的半导体激光能量后，产生非偏振的1064.2nm受激辐射荧光。
进一步地，控制第二平凹反射镜(11)与第二平面反射镜(16)之间的电动平移台(14)沿垂直于周期极化晶体MgO：PPLN(12)的端面法线方向移动，确保实现更换周期极化晶体MgO：PPLN(12)的三个极化周期。
进一步地，在第一平凹反射镜(1)与第二输出镜(17)之间有第二1/2波片(20)，用于微调从第一偏振元件(4)透射的p-偏振1064.2nm基频光，使p-偏振1064.2nm基频光处于p-偏振状态；
在第一输出镜(5)与第二偏振元件(7)之间有第一1/2波片(6)，用于微调从第一输出镜(5)输出的s-偏振1064.2nm泵浦激光，使s-偏振1064.2nm泵浦激光处于s-偏振状态。
与现有技术相比，本公开的激光器具有下述特点：
1)由于s-偏振1064.2nm泵浦激光和p-偏振1064.2nm基频光是在各自的谐振腔内振荡放大形成的，s-偏振1064.2nm泵浦激光只负责在第一非线性光学频率变换晶体中分解产生s-偏振信号光，而p-偏振1064.2nm基频光只负责与s-偏振信号光实施腔内双通和频过程，从而避免了s-偏振1064.2nm泵浦激光同时承担泵浦第三谐振腔产生光参量振荡、参与和频过程的两项非线性光学任务所导致的功率分散；
2)第一非线性光学频率变换晶体采用周期极化晶体MgO：PPLN，通过对周期极化晶体MgO：PPLN实施30-200℃的温度调谐和/或29.0μm、29.8μm、30.8μm三个极化周期的周期调谐，可以获得1452-1668nm近红外波段波长可调谐的s-偏振信号光腔内振荡、3981-2941nm中红外波段波长可调谐的s-偏振闲频光连续输出；
3)第三谐振腔与第二谐振腔的部分重叠，波长可调谐的s-偏振信号光和p-偏振1064.2nm基频光的光斑尺寸基本一致，因此，折叠谐振腔的像散问题获得了较好的补偿，波长可调谐的s-偏振信号光和p-偏振1064.2nm基频光在第二非线性光学频率变换晶体中可以进行良好的模体积匹配，从而有利于降低和频阈值，提高和频光的能量转换效率、连续输出功率和光束质量；
4)第二非线性光学频率变换晶体采用II类角度匹配和频晶体KTP，1452-1668nm波段波长可调谐的s-偏振信号光与p-偏振1064.2nm基频光在II类角度匹配KTP晶体中完成腔内双通和频过程，获得614-650nm橙红波段波长可调谐的s-偏振和频激光连续输出。
一种用于产生可调谐的中红外波段闲频光与橙红波段和频激光的方法，所述方法包括下述步骤：
S100、将非偏振的1064.2nm受激荧光分解为s-偏振1064.2nm受激荧光和p-偏振1064.2nm受激荧光；
所述s-偏振1064.2nm受激荧光和p-偏振1064.2nm受激荧光在振荡放大后，形成稳定的s-偏振1064.2nm泵浦激光连续输出和p-偏振1064.2nm基频光腔内振荡；
S200、所述s-偏振1064.2nm泵浦激光经过差频过程分解出连续的s-偏振信号光和中红外波段的s-偏振闲频光；
S300、将振荡放大后的连续s-偏振信号光与连续p-偏振1064.2nm连续基频光进行双通和频，产生橙红波段波长的连续的s-偏振和频激光。
优选地，所述s-偏振1064.2nm泵浦激光使用周期极化晶体MgO：PPLN实现差频过程，分解出s-偏振信号光s-偏振闲频光，并通过对所述周期极化晶体MgO：PPLN的极化周期状态进行改变和/或温度进行调节，以实现s-偏振信号光在1452-1668nm范围内波长可调谐，s-偏振闲频光在3981-2941nm范围内波长可调谐，进而实现s-偏振和频光在614-650nm范围内波长可调谐。所述周期极化晶体MgO：PPLN具有29.0μm、29.8μm和30.8μm三个极化周期，其可调节的温度范围为30-200℃。
分解后剩余的s-偏振1064.2nm泵浦光被反射回周期极化晶体MgO：PPLN以进行二次差频。
与现有技术相比，本公开提供的生成橙红波段波长激光的方法具有下述优点：
1)由于s-偏振1064.2nm泵浦激光只负责通过差频过程分解产生s-偏振信号光与s-偏振闲频光，而p-偏振1064.2nm基频光只负责与s-偏振信号光实施双通和频过程，从而避免避免了s-偏振1064.2nm泵浦激光因参与和频过程而导致的功率损耗；
2)通过对周期极化晶体MgO：PPLN实施温度调谐和/或周期调谐，获得在1452-1668nm范围内可调谐的近红外波段波长的s-偏振信号，从而获得614-650nm橙红波段波长可调谐的s-偏振和频激光；
3)在获得614-650nm橙红波段波长可调谐的s-偏振和频激光的同时，还获得了在3981-2941nm范围内波长可调谐的中红外波段闲频光。
附图说明
图1为本公开一个实施例中关于双复合谐振腔结构的波长可调谐固体激光器结构示意图；
其中：1、第一平凹反射镜；2、半导体激光侧泵模块；3、透明激光陶瓷棒Nd：YAG；4、第一偏振元件；5、第一输出镜；6、第一1/2波片；7、第二偏振元件；8、光隔离器；9、第一平面反射镜；10、会聚透镜；11、第二平凹反射镜；12、周期极化晶体Mg0：PPLN；13、温控炉；14、电动平移台；15、谐波镜；16、第二平面反射镜；17、第二输出镜；18、II类角度匹配和频晶体KTP；19、第三平凹反射镜；20、第二1/2波片。
具体实施方式
在一个实施例中，结合图1阐述基于双复合谐振腔结构的激光器，所述激光器具有三个谐振腔，能够产生较大功率的橙红波波段的s-偏振和频激光，同时也能输出中红外波段闲频光。
所述激光器包括第一平凹反射镜(1)、半导体激光侧泵模块(2)、透明激光陶瓷棒Nd：YAG(3)、第一偏振元件(4)、第一输出镜(5)、第一1/2波片(6)、第二偏振元件(7)、光隔离器(8)、第一平面反射镜(9)、会聚透镜(10)、第二平凹反射镜(11)、周期极化晶体MgO：PPLN(12)、温控炉(13)、电动平移台(14)、谐波镜(15)、第二平面反射镜(16)、第二输出镜(17)、II类角度匹配和频晶体KTP(18)、第三平凹反射镜(19)、第二1/2波片(20)，其中：
所述第一平凹反射镜(1)、第一偏振元件(4)、第一输出镜(5)形成第一谐振腔；所述第一平凹反射镜(1)、第二输出镜(17)、第三平凹反射镜(19)形成第二谐振腔；所述第二平凹反射镜(11)、第二平面反射镜(16)、第二输出镜(17)、第三平凹反射镜(19)形成第三谐振腔。其中，所述第一偏振元件(4)、第二平面反射镜(16)位于第一平凹反射镜(1)与第二输出镜(17)之间，四者的光心位于一条直线上。并且，在第二平凹反射镜(11)与第二平面反射镜(16)之间有第一非线性光学频率变换晶体，在第二输出镜(17)与第三反射镜(19)之间有非线性光学频率变换晶体。
由此可以看出，第一谐振腔和第二谐振腔部分重叠，重叠部分为第一平凹反射镜(1)与第一偏振元件(4)之间的腔体，该部分构成了激光器的第一复合谐振腔，可以在其中放置受激辐射光源，受激辐射光源发出的激光光束轴线与第一平凹反射镜(1)与第二输出镜(17)光心的连线重合；第二谐振腔和第三谐振腔部分重叠，重叠部分为第二平面反射镜(16)、第二输出镜(17)、第三平凹反射镜(19)的腔体，该部分构成第二复合谐振腔，在第二输出镜(17)与第三平凹反射镜(19)之间可以放置用于和频的第二非线性光学频率变换晶体。双复合谐振腔使得激光器结构紧凑，第一复合谐振腔可以充分利用激光能量，第二复合谐振腔补偿了折叠谐振腔的像散问题，使s-偏振信号光和p-偏振1064.2nm基频光的光斑尺寸基本一致，以使在用于和频的第二非线性光学频率变换晶体中可以进行良好的模体积匹配，从而有利于降低和频阈值，提高和频光的能量转换效率、连续输出功率和光束质量。
半导体激光侧泵模块(2)、以及作为激光增益介质的透明激光陶瓷棒Nd：YAG(3)为受激辐射光源，用于产生非偏振的1064.2nm受激辐射荧光，它们可以被其它能够产生非偏振的1064.2nm受激辐射荧光的元件替换。在一个实施例中，所述半导体激光侧泵模块(2)优选为808nm半导体激光侧泵模块，透明激光陶瓷棒Nd：YA6(3)在吸收808nm半导体激光能量后，会产生非偏振的1064.2nm受激辐射荧光。非偏振的1064.2nm受激辐射荧光通过第一偏振元件(4)时，被第一偏振元件(4)分解为s-偏振1064.2nm受激荧光和p-偏振1064.2nm受激荧光。
p-偏振1064.2nm受激荧光被第一偏振元件(4)以56.7°的入射角透射，在第二谐振腔内连续振荡放大形成稳定的p-偏振1064.2nm基频光，但不输出至腔外。
s-偏振1064.2nm受激荧光被第一偏振元件(4)以56.7°的入射角反射，在第一谐振腔内振荡放大后形成稳定的s-偏振1064.2nm泵浦激光，经第一输出镜(5)连续输出。
输出的s-偏振1064.2nm泵浦激光依次经第二偏振元件(7)、光隔离器(8)、第一平面反射镜(9)反射后，再经过会聚透镜(10)的会聚和第二平凹反射镜(11)的透射聚焦在第一非线性光学频率变换晶体中，被第一非线性光学频率变换晶体通过差频过程分解出近红外波段的s-偏振信号光和中红外波段的s-偏振闲频光。s-偏振闲频光可以经第二平面反射镜(16)输出，而s-偏振信号光在第三谐振腔内振荡放大后，与p-偏振1064.2nm基频光在第二非线性光学频率变换晶体内和频，形成橙红波段内的s-偏振和频激光，并通过第二输出镜(17)输出。
为使激光器结构紧凑，各元件方便布局，在本实施例中，第二偏振元件(7)优选将入射的s-偏振1064.2nm泵浦激光反射至水平，因此第二偏振元件(7)以56.7°反射。在这种情况下，第一平面反射镜(9)的角度和第二平面反射镜(16)角度均与水平呈45°，会聚透镜(10)的焦距为70mm，从而所述的s-偏振1064.2nm泵浦激光、p-偏振1064.2nm基频光、s-偏振信号光和s-偏振闲频光的光路均在同一平面内，该平面与第一平凹反射镜(1)的平面法线平行。
为对橙红波段内的s-偏振和频激光进行波长调谐，第一非线性光学频率变换晶体为周期极化晶体MgO：PPLN(12)，所述周期极化晶体MgO：PPLN具有29.0μm、29.8μm和30.8μm三个极化周期。波长调谐指的是当周期极化晶体MgO：PPLN(12)处于在一个固定的极化周期，比如29.0μm，通过30-200℃的温度调谐，实现s-偏振信号光波长和s-偏振闲频光在一定范围内的波长精确调谐。改变周期极化晶体MgO：PPLN(12)的极化周期，比如极化周期变为29.8μm，再通过30-200℃的温度调谐，实现s-偏振信号光和s-偏振闲频光在另一个范围内的波长精确调谐。通过这样的方式，在温度调谐和周期调谐双重作用下，可以实现在1452-1668nm近红外波段s-偏振信号光波长大范围精密调谐的同时，还可以实现在3981-2941nm范围内中红外波段s一偏振闲频光波长大范围精密调谐。在1452-1668nm近红外波段实施对s-偏振信号光波长调谐时，可以得到614-650nm橙红波段波长可调谐的s-偏振和频激光。
将周期极化晶体MgO：PPLN(12)放置在温控炉(13)中，可以实现对温度实施精确控制，温度可以在30-200℃的范围内达到0.1℃的控制精度。
将温控炉(13)置于电动平移台(14)上，可以改变周期极化晶体MgO：PPLN(12)的极化周期。通过将电动平移台(14)沿垂直于周期极化晶体MgO：PPLN(12)的端面法线方向移动，可以实现周期极化晶体MgO：PPLN(12)在29.0μm、29.8μm和30.8μm三个不同极化周期的周期调谐。在一个实施例中，电动平移台的水平移动量为30mm，定位精度5μm。
周期极化晶体MgO：PPLN(12)中MgO的掺杂浓度为5mol％，长45mm，宽9mm，厚1.0mm，两通光面均镀制1064.2nm波长、1400-1700nm波段和2900-4000nm波段的三色增透膜。被会聚透镜(10)聚焦后的s-偏振1064.2nm泵浦激光在经过第二平凹反射镜(11)之后，其焦点位于周期极化晶体MgO：PPLN(12)内的中心位置附近；当功率密度达到周期极化晶体MgO：PPLN(12)的非线性差频阈值时，根据下式的差频原理，s-偏振1064.2nm泵浦激光迅速分解为一束近红外波段的s-偏振信号光和一束中红外波段的s-偏振闲频光：
第二非线性光学频率变换晶体用于和频，可以采用II类角度匹配和频晶体KTP(18)，具体大小可以为3×3×7mm3，并且两个通光面均镀制600-670nm波段、1400-1700nm波段和1064.2nm波长的三色增透膜。
在II类角度匹配和频晶体KTP(18)内，s-偏振信号光和p-偏振1064.2nm基频光通过腔内双通和频过程如下：
为有利于s-偏振1064.2nm泵浦激光的泵浦，以及s-偏振信号光的振荡放大，并将s-偏振闲频光过滤掉，所述第二平凹反射镜(11)为圆形熔石英平凹反射镜，其凹面曲率半径为1200mm，其平面镀制0°入射1064.2nm波长的增透模，其凹面镀制0°入射1064.2nm波长的增透膜和1400-1700nm波段、2900-4000nm波段的双色高反膜；；所述第二平面反射镜(16)为圆形CaF2平面镜，其平面法线方向与水平方向成45°角，其靠近第二平凹输出镜(17)的平面镀制45°入射1400-1700nm波段的高反膜和45°入射2900-4000μm波段、1064.2nm波长的双色增透膜；其另一面镀制45°入射2900-4000nm、1064.2nm波长的双色增透膜。
为不使s-偏振信号光和p-偏振1064.2nm连续基频光输出，并确保橙红波段内的s-偏振和频激光输出，所述第二输出镜(17)为圆形熔石英平凹反射镜，其平面法线方向与水平方向成15°角，其凹面曲率半径为150mm，其凹面镀制15°入射1064.2nm波长、1400-1700nm波段的双色高反膜和15°入射600-670nm波段的增透膜；所述第三反射镜(19)为圆形熔石英平凹反射镜，凹面曲率半径为80mm，凹面指向腔内；其凹面镀制0°入射600-670nm波段、1400-1700nm波段和1064.2nm波长的三色高反膜，其平面不镀膜。
s-偏振1064.2nm泵浦激光在被周期极化晶体MgO：PPLN(12)分解为一束近红外波段的s-偏振信号光和一束中红外波段的s-偏振闲频光后，还会有剩余的s-偏振1064.2nm泵浦激光，这时可以在所述第二平凹反射镜(11)、第二平面反射镜(16)之间设置谐波镜(15)，以将剩余的s-偏振1064.2nm泵浦激光反射回周期极化晶体MgO：PPLN(12)实施二次差频过程，从而提高单谐振光参量振荡器对s-偏振1064.2nm泵浦激光的利用率和s-偏振信号光的光光转换效率及s-偏振闲频光的光光转换效率。
所述谐波镜可以是圆形CaF2平面镜，其靠近周期极化晶体MgO：PPLN(12)的通光面镀制0°入射1064.2nm波长的高反射膜和1400-1700nm、2900-4000μm波段的双色增透膜，另一通光面镀制1400-1700nm、2900-4000μm波段的双色增透膜。
谐波镜(15)反射回来的剩余s-偏振泵浦激光，也可能会从第二平凹反射镜(11)透射，再经第一平面反射镜(9)、第二偏振元件(7)反射回第一谐振腔中，从而损伤808nm半导体激光侧泵模块(2)和透明激光陶瓷棒Nd：YAG(3)。因此，可以在第一谐振腔和第三谐振腔之间设置光隔离器(8)，对s-偏振1064.2nm泵浦激光实施s-偏振单向透射，用于吸收这部分s-偏振泵浦激光。这样，可以将光隔离器(8)置于第二偏振元件(7)、第一平面反射镜(9)之间，当然也可以置于s-偏振泵浦激光通过谐波镜(15)反射路径的其它位置。
在第一输出镜(5)与第二偏振元件(7)之间可以微调第一1/2波片(6)，确保从第一输出镜(5)输出的1064.2nm泵浦激光处于精确的s-偏振状态。第一1/2波片(6)对s-偏振1064.2nm泵浦激光实施0°入射角s-偏振透射。同理，在第一平凹反射镜(1)与第二输出镜(17)之间可以微调第二1/2波片(20)，确保从第一偏振元件(4)透射的1064.2nm基频光处于精确的p-偏振状态。第二1/2波片(20)对p-偏振1064.2nm基频光实施0°入射角p-偏振透射。
在一个实施例中，表1-3给出了周期极化晶体MgO：PPLN(12)分别处于29.0μm、29.8μm、30.8μm三个极化周期状态，其温度从30℃升至200℃的温度调谐过程中，每隔10℃，橙红波段s-偏振和频激光的波长和最大连续输出功率的测量值、对应的中红外波段s-偏振闲频光的波长和最大连续输出功率的测量值。
表1：
表2：
表3：
从表1至表3可以看出，在相同的p-偏振1064.2nm基频光波长条件下，随着极化周期数值的增大或调谐温度的升高，由s-偏振信号光和p-偏振1064.2nm基频光通过双通和频过程产生的橙红波段s-偏振和频激光的波长产生红移，而中红外波段s-偏振闲频光的波长产生蓝移。
由此，本公开提出的一种基于双复合谐振腔结构的橙红波段波长可调谐腔内和频固体激光器，与目前常规的基于拉曼频移、蓝色激光泵浦掺Pb3+晶体、半导体激光泵浦掺Nd3+晶体腔内和频、半导体激光泵浦Nd3+晶体腔内倍频等技术获得固定波长橙红色激光的激光器比较，具有双复合谐振腔的结构特点，结构紧凑、能量转换效率高、便于调整，特别是可同时输出橙红波段波长可调谐的和频激光和中红外波段波长可调谐的闲频光，因此具有很强的实用性。
在一个实施例中，提供了一种用于产生可调谐的中红外波段闲频光与橙红波段和频激光的方法，所述方法包括下述步骤：
S100、将非偏振的1064.2nm受激荧光分解为s-偏振1064.2nm受激荧光和p-偏振1064.2nm受激荧光；所述s-偏振1064.2nm受激荧光和p-偏振1064.2nm受激荧光在振荡放大后，形成稳定的s-偏振1064.2nm泵浦激光和p-偏振1064.2nm基频光。
S200、所述s-偏振1064.2nm泵浦激光经过差频过程分解出连续的s-偏振信号光和中红外波段的s-偏振闲频光；
S300、将振荡放大后的连续s-偏振信号光与连续p-偏振1064.2nm连续基频光进行双通和频，产生橙红波段波长的连续的s-偏振和频激光。
由于s-偏振1064.2nm泵浦激光只负责分解产生s-偏振信号光与s-偏振闲频光，而p-偏振1064.2nm基频光只负责与s-偏振信号光实施双通和频过程，从而避免避免了s-偏振1064.2nm泵浦激光因参与和频过程而导致的功率损耗。
优选地，所述s-偏振1064.2nm泵浦激光使用周期极化晶体MgO：PPLN实现差频过程，分解出s-偏振信号光s-偏振闲频光，并通过对所述周期极化晶体MgO：PPLN的极化周期状态进行改变和/或温度进行调节，以实现s-偏振信号光在1452-1668nm范围内波长可调谐，s-偏振闲频光在3981-2941nm范围内波长可调谐，进而实现s-偏振和频光在614-650nm范围内波长可调谐。所述周期极化晶体MgO：PPLN具有29.0μm、29.8μm和30.8μm三个极化周期，其可调节的温度范围为30-200℃。
通过对周期极化晶体MgO：PPLN实施温度调谐和/或周期调谐，获得在1452-1668nm范围内可调谐的近红外波段波长的s-偏振信号，从而获得614-650nm橙红波段波长可调谐的s-偏振和频激光。
上述方法可以获得在3981-2941nm中红外波段实现调谐的中红外波段s-偏振闲频光，同时还可以获得较大功率的614-650nm橙红波段波长可调谐的s-偏振和频激光，提高了s-偏振1064.2nm泵浦激光的利用率。
以上对本公开进行了详细介绍，文本中应用了具体个例对本公开的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本公开的方法及其核心思想；同时，对于本领域技术人员，依据本公开的思量，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本公开的限制。

Claims (10)

1.一种双复合谐振腔结构的波长可调谐固体激光器，其特征在于，所述激光器包括：
第一平凹反射镜(1)、第一偏振元件(4)、第一输出镜(5)、第二偏振元件(7)、第一平面反射镜(9)、会聚透镜(10)、第二平凹反射镜(11)、第二平面反射镜(16)、第二输出镜(17)、第三平凹反射镜(19)，其中：
所述第一平凹反射镜(1)、第一偏振元件(4)、第一输出镜(5)形成第一谐振腔；
所述第一平凹反射镜(1)、第二输出镜(17)、第三平凹反射镜(19)形成第二谐振腔；
所述第二平凹反射镜(11)、第二平面反射镜(16)、第二输出镜(17)、第三平凹反射镜(19)形成第三谐振腔；
在所述第一平凹反射镜(1)、第一偏振元件(4)之间有受激辐射光源，受激辐射光源产生非偏振的1064.2nm受激荧光，经第一偏振元件(4)分解成为s-偏振1064.2nm受激荧光和p-偏振1064.2nm受激荧光；
所述s-偏振1064.2nm受激荧光经第一谐振腔振荡放大后输出稳定的s-偏振1064.2nm泵浦激光，所述p-偏振1064.2nm受激荧光在第二谐振腔内振荡放大后形成稳定的p-偏振1064.2nm基频光；
在第二平凹反射镜(11)和第二平面反射镜(16)之间有第一非线性光学频率变换晶体，在第二输出镜(17)和第三平凹反射镜(19)之间有第二非线性光学频率变换晶体；
所述第一偏振元件(4)、第二平面反射镜(16)位于第一平凹反射镜(1)与第二输出镜(17)之间，四者的光心位于一条直线上，与受激辐射光源产生的p-偏振1064.2nm基频光重合；
所述s-偏振1064.2nm泵浦激光依次经第二偏振元件(7)、第一平面反射镜(9)反射后，再经过会聚透镜(10)会聚和第二平凹反射镜(11)的透射聚焦在第一非线性光学频率变换晶体上，被第一非线性光学频率变换晶体基于非线性差频效应分解为近红外波段的s-偏振信号光和中红外波段的s-偏振闲频光，所述s-偏振闲频光经第二平面反射镜(16)输出；
所述s-偏振信号光在第二谐振腔内振荡放大后，与p-偏振1064.2nm基频光在第二非线性光学频率变换晶体内通过和频过程，形成橙红波段内的s-偏振和频激光，并通过第二输出镜(17)输出。
2.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，
所述第一非线性光学频率变换晶体为周期极化晶体MgO：PPLN(12)，所述周期极化晶体Mg0：PPLN具有29.0μm、29.8μm和30.8μm三个极化周期，MgO的掺杂浓度为5mol％，两通光面均镀制1064.2nm波长、1400-1700nm波段和2900-4000nm波段的三色增透膜；
所述第二非线性光学频率变换晶体为II类角度匹配和频晶体KTP(18)，所述II类角度匹配KTP和频晶体的两个通光面均镀制600-670nm波段、1400-1700nm波段和1064.2nm波长的三色增透膜。
3.根据权利要求2所述的激光器，其特征在于：
所述周期极化晶体MgO：PPLN(12)位于温控炉(13)中，所述温控炉(13)位于电动平移台(14)上；
所述电动平移台(14)位于第二平凹反射镜(11)、第二平面反射镜(16)之间，能够沿着垂直于周期极化晶体MgO：PPLN(12)的端面法线方向移动，用于改变周期极化晶体MgO：PPLN(12)的极化周期。
4.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于：
所述第一平凹反射镜(1)为熔石英平凹反射镜，凹面朝向腔内，凹面曲率半径为1000mm，其凹面镀制0°入射1064.2nm波长的增透膜，其平面不镀膜；
所述第二平凹反射镜(11)为熔石英平凹反射镜，凹面朝向腔内，凹面曲率半径为1200mm，其平面镀制0°入射1064.2nm波长的增透模，其凹面镀制0°入射1064.2nm波长的增透膜和1400-1700nm波段、2900-4000nm波段的双色高反膜；
所述第三平凹反射镜(19)为熔石英平凹反射镜，凹面朝向腔内，凹面曲率半径为80mm，其凹面镀制0°入射600-670nm波段、1400-1700nm波段和1064.2nm波长的三色高反膜，其平面不镀膜；
所述第一偏振元件(4)和第二偏振元件(7)均为熔石英布儒斯特镜，对56.7°角入射的s-偏振全反射、对56.7°角入射的p-偏振全透射；
所述第一输出镜(5)为熔石英平面镜，其靠近第一偏振元件(4)的平面镀制0°入射增透膜并对1064.2nm波长的透射率为15％，其另一平面镀制0°入射1064.2nm波长的高透膜；
所述第二输出镜(17)为熔石英平凹反射镜，凹面朝向腔内，其平面法线方向与水平方向成15°角，其凹面曲率半径为150mm，其凹面镀制15°入射1064.2nm波长、1400-1700nm波段的双色高反膜和15°入射600-670nm波段的增透膜；
所述第一平面反射镜(9)为熔石英平面镜，其平面法线方向与水平方向成45°角，其靠近会聚透镜(10)的平面镀制45°入射1400-1700nm波段的高反膜和45°入射2900-4000μm波段、1064.2nm波长的双色增透膜；其另一平面不镀膜；
所述第二平面反射镜(16)为CaF2平面镜，其平面法线方向与水平方向成45°角，其靠近第二平凹输出镜(17)的平面镀制45°入射1400-1700nm波段的高反膜和45°入射2900-4000μm波段、1064.2nm波长的双色增透膜；其另一面镀制45°入射2900-4000nm、1064.2nm波长的双色增透膜。
5.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于：
在所述第二平凹反射镜(11)与第二平面反射镜(16)之间有谐波镜(15)；
所述谐波镜(15)用于反射通过第一非线性光学频率变换晶体的s-偏振1064.2nm泵浦激光，将其反射回第一非线性光学频率变换晶体；
所述谐波镜(15)靠近第二平凹反射镜(11)的平面镀制0°入射1064.2nm波长的高反膜和1400-1700nm波段、2900-4000nm的双色增透膜，其另一平面镀制1400-1700nm波段、2900-4000nm的双色增透膜。
6.根据权利要求5所述的激光器，其特征在于：
在所述第一谐振腔和第三谐振腔之间有光隔离器(8)，用于吸收经谐波镜(15)反射的且被第二平凹反射镜(11)透射的s-偏振1064.2nm泵浦激光。
7.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于：
所述受激辐射光源包括半导体激光侧泵模块(2)、透明激光陶瓷棒Nd：YAG(3)，其中：
所述透明激光陶瓷棒Nd：YAG(3)为激光增益介质，在吸收半导体激光侧泵模块(2)的半导体激光能量后，产生非偏振的1064.2nm受激荧光辐射。
8.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于：
在第一平凹反射镜(1)与第二输出镜(17)之间有第二1/2波片(20)，用于微调从第一偏振元件(4)透射的p-偏振1064.2nm基频光，使p-偏振1064.2nm基频光处于p-偏振状态；
在第一输出镜(5)与第二偏振元件(7)之间有第一1/2波片(6)，用于微调从第一输出镜(5)输出的s-偏振1064.2nm泵浦激光，使s-偏振1064.2nm泵浦激光处于s-偏振状态。
9.一种用于产生可调谐的中红外波段闲频光与橙红波段和频激光的方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：
S100、将非偏振的1064.2nm受激荧光分解为s-偏振1064.2nm受激荧光和p-偏振1064.2nm受激荧光；
所述s-偏振1064.2nm受激荧光和p-偏振1064.2nm受激荧光在振荡放大后，形成稳定的s-偏振1064.2nm泵浦激光连续输出和p-偏振1064.2nm基频光腔内振荡；
S200、所述s-偏振1064.2nm泵浦激光经过差频过程分解出连续的s-偏振信号光和中红外波段的s-偏振闲频光；
S300、将振荡放大后的s-偏振信号光与p-偏振1064.2nm基频光进行双通和频，产生橙红波段波长的连续的s-偏振和频激光。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：
所述s-偏振1064.2nm泵浦激光使用周期极化晶体MgO：PPLN实现差频过程，分解出s-偏振信号光s-偏振闲频光，并通过对所述周期极化晶体MgO：PPLN的极化周期状态进行改变和/或温度进行调节，以实现s-偏振信号光在1452-1668nm范围内波长可调谐，s-偏振闲频光在3981-2941nm范围内波长可调谐，进而实现s-偏振和频光在614-650nm范围内波长可调谐；
分解后剩余的s-偏振1064.2nm泵浦光被反射回周期极化晶体MgO：PPLN以进行二次差频。
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