CN106877128A - 一种易于集成的波长可调谐固体激光器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种易于集成的波长可调谐固体激光器。该激光器依次包括泵浦源、光学耦合系统、输入镜、增益介质、输出镜，其中，所述输出镜是有不同透过率区域的透过率可变输出镜，一驱动装置带动所述输出镜运动至所述不同透过率区域，实现输出镜透过率的调整，所述输出镜透过率是输出镜对输出激光波长的透过率，通过调整输出镜透过率实现激光波长可调谐输出。本发明利用激光振荡过程中的再吸收效应，结合增益材料的宽增益谱通过改变输出镜的透过率实现激光波长的调谐输出，无需利用其它波长调制光学元件，具有结构简单、操作方便、激光效率高、便于集成等特点。

Description

一种易于集成的波长可调谐固体激光器

技术领域

本发明涉及一种易于集成的波长可调谐固体激光器，属于激光技术领域。

背景技术

波长可调谐激光器是光通信网络与系统的关键器件。可调谐激光器可以实现通信设备小型化、多功能、集成化、低功耗，并有扩展网络灵活性、控制流量、减少备用激光器数量、降低成本等优点。在提供精确光波长标准、充分利用全部光纤带宽、提高网络容量和效率、提高系统功能性等方面有着重要应用价值。

目前波长可调谐激光器主要分为两大类：

第一类是通过在激光腔内加入选纵膜的光学元件，通过对光学元件的调制来实现不同纵模激光的输出。比较常用的光学元件有衍射光栅、体布拉格光栅、标准具、棱镜等机械调整式，以及电光器件、磁光器件、声光器件等物理学方式。例如，CN104201553A通过了一种双波长可调谐固体激光器，包括泵浦源和谐振腔，所述谐振腔包括后腔镜、固体激光介质、偏振器、第一利特曼光栅结构和第二利特曼光栅结构；所述激光经偏振器后分为水平偏振方向和竖直偏振方向射出，在所述水平偏振方向设置有第一利特曼光栅结构；在所述垂直偏振方向设置有二分之一波片和第二利特曼光栅结构。该激光器两个波长可以独立的调谐。再如，CN105470799A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，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。该类波长调谐激光器因为需要额外加设光学选模元件，会增加器件成本，同时插入的光学元件不可避免的会引入插入损耗，降低激光效率。不利于集成。

第二类波长可调谐激光器是通过改变激光器外界环境，例如温度、压强等来改变激光增益介质激活离子的玻尔兹曼能级分布活着改变光栅的发射特性，从而实现输出激光波长的变化。例如CN102668419A提供了一种用于调整光网络元件的可调谐激光器的方法和装置，其中通过相对于环境温度改变可调谐激光器或者其至少一部分的温度调整可调谐激光器的波长。该类激光器对外界环境依赖性比较大，控制难度大、成本较高且稳定性也有待提高。

发明内容

针对现有技术波长可调谐激光器的不足及技术缺陷，本发明提供了一种易于集成的波长可调谐固体激光器；尤其是一种基于输出镜透过率调节实现波长可调谐输出的激光器。该激光器通过调整输出镜透过率实现激光波长可调谐输出，具有调谐速度快、稳定性高等特点。

术语说明：

透过率，简写通用表示为T。

透过率之差，简写通用表示为ΔT。

透过率变化范围，是指在一个输出镜上，最小透过率区域的透过率和最大透过率区域的透过率的数值范围，例如最小透过率为1％，最大透过率为50％，中间还有若干不同的透过率区域，则该输出镜上全部区域的透过率变化范围为1％-50％。该透过率变化范围也即可调谐范围。

Ho:LuAG：Ho:Lu₃Al₅O₁₂的通用简写；

Tm:LuYAG：Tm:(Lu_xY_1-x)₃Al₅O₁₂的通用简写，其中x＝0.1-0.9。

本发明的技术方案如下：

一种波长可调谐固体激光器，依次包括泵浦源、光学耦合系统、输入镜、增益介质、输出镜，其中，所述输出镜是有不同透过率区域的透过率可变输出镜，一驱动装置带动所述输出镜运动至所述不同透过率区域，实现输出镜透过率的调整，所述输出镜透过率是输出镜对输出激光波长的透过率，通过调整输出镜透过率实现激光波长可调谐输出。

根据本发明优选的，所述输出镜为平面镜。

根据本发明优选的，所述输出镜不同透过率区域的透过率变化范围为1％-50％；进一步优选为1％-20％。

根据本发明优选的，所述的输出镜不同透过率区域数n≥2，进一步优选的，所述的输出镜不同透过率区域数n＝3-10。

根据本发明优选的，所述输出镜为圆形，所述的输出镜不同透过率区域围绕输出镜中心等角度分布在输出镜镜面上。此时形成的不同透过率区域是扇形区域。进一步优选，所述输出镜不同透过率区域的两相邻区域的透过率之差为ΔT＝0.5％-10％，特别优选为ΔT＝3％或5％。

根据本发明优选的，所述输出镜为圆形时，所述的驱动装置为可360°旋转的旋转器，旋转间隔角度为360°/n，其中n为输出镜不同透过率区域数目。所述的输出镜不同透过率区域的分布角度与旋转器的旋转间隔角度相适配。一个优选的方案是，所述旋转器为光学马达。

根据本发明优选的，所述输出镜为圆形，所述输出镜靠近中心的位置设有2-4个孔，以使输出镜固定到驱动装置上。所述输出镜与驱动装置接触区域的面积与输出镜的面积相差越大越好，尽量减小输出镜被遮挡的区域。一种优选的方案是，所述输出镜直径为Ф60～90mm，所述输出镜与驱动装置接触区域的直径为20～40mm。

根据本发明，另一种实施方案为，所述输出镜为方形，所述的输出镜不同透过率区域等间距平行分布在输出镜镜面上。此时形成的不同透过率区域是条形区域。相应地，此时所述的驱动装置为使输出镜上下移动的机构。例如，将方形输出镜上下边固定于拉动杆上。

根据本发明优选的，所述输出镜是通过不同透过率的镜片粘合而成，或者在镜面上分区域镀以不同透过率的膜。所述输出镜直径为Ф60～90mm。

根据本发明优选的，所述的增益介质为具有宽带发射谱的掺杂型激光材料。优选为增益带宽≥10nm的掺杂型激光材料；所述增益材料中激活离子的能级结构为二能级激光系统或准三能级系统，且掺杂离子具有宽带(≥10nm)增益发射特性，其可以是Yb³⁺、Er³⁺、Tm^{3 +}、Ho³⁺中的一种，或者是过渡金属离子Ti³⁺、Cr²⁺、Fe²⁺中的一种。进一步优选Tm³⁺离子的³F₄→³H₆能级掺杂型激光材料，Ho³⁺离子的⁵I₇→⁵I₈能级掺杂型激光材料。优选的方案为：1-3at.％Ho³⁺掺杂的Ho:LuAG陶瓷作为增益介质，或者3-5at.％Tm³⁺掺杂的Tm:LuYAG晶体作为增益介质。

所述增益介质两通光端面只抛光或镀以对泵浦光和输出光的增透膜，透过率≥90％，优选透过率为99.5％。

根据本发明，所述增益介质为圆柱体或长方体，长度方向为通光方向，通光方向长度为1-50mm；为减小谐振腔长度及可调谐激光器整体体积，增益介质的通光方向长度优选为10-20mm。

根据本发明优选的，所述泵浦源为半导体激光二极管(LD)、全固态激光器(SSL)或光纤激光器(FL)。所述泵浦源波长优选为增益介质的吸收峰波长。

根据本发明优选的，所述的光学耦合系统包括两个构成开普勒望远镜系统的透镜，双透镜对泵浦光实现缩束或扩束以便使泵浦光与激光达到模式匹配。进一步优选的，以上所述的光学耦合系统所用的双透镜镀以对泵浦光的增透膜，透过率≥90％，优选99％。

本发明中，所述的输入镜与输出镜构成光学谐振腔。优选的，所述的输入镜是平面镜或者凹面镜，在泵浦光入射面镀以对泵浦光高透的介质膜，透过率≥90％，优选≥95％；同时在输入镜另一侧镀以对输出激光波长≥99％的反射膜，特别优选反射膜对输出激光波长的反射率为99.5％。

本发明的技术特点及优良效果：

本发明的技术特点主要在于，用一个输入镜、一个增益介质、一个透过率可调节的输出镜和一个旋转器实现波长可调谐的激光输出。其原理是在不同透过率下，激光腔内的激光功率密度不同，则在二能级激光系统或准三能级激光系统的增益材料中对应的再吸收效应不同。在低透过率情况下，腔内功率密度大，再吸收效应严重，则发射的激光被吸收后转化为长波长激光输出；相反的，当旋转装置带动输出镜旋转到大透过率时，再吸收效应减弱导致激光波长发生“蓝移”，从而实现短波长激光输出。实际应用时，根据需要设置不同的透过率，可实现了波长的可调谐输出。与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.结构简单，易于集成。本发明的波长可调谐固体激光器采用简单两镜腔，长度尺寸在厘米量级，比目前通过外加光学元件实现波长调谐的商用激光器少了2个数量级，易于集成到其他应用器件。

2.本发明的波长可调谐固体激光器具有激光效率高、成本低、操作简单、调谐速度快、高稳定性等优势。因为本发明的激光器无需额外插入其它波长调节光学元件，激光转化效率高且省去外加光学元件的成本。只需要通过旋转装置转动输出镜便可获得不同的激光波长输出，调谐速度快，为激光器领域提供了一类新产品。

3.应用范围广。本发明的新型波长可调谐固体激光器只需通过旋转输出镜便可实现不同激光波长选择输出，波长调谐范围可覆盖整个增益谱宽，本发明的激光器操作极为方便，无需依赖操作人员的个人专业经验便可实现，可以应用到光通讯、光化学、同位素分离、远距离诊断、光生物学以及光谱学等众多领域，具有重要的应用前景及极高的商用价值。

附图说明

图1为本发明激光器的结构示意图。其中：1-泵浦源，2-光学耦合系统，3-输入镜，4-激光介质，5-输出镜，6-旋转器。

图2为实施例1中不同透过率输出镜的俯视示意图，图中，T＝5％，T＝10％和T＝20％表示三种不同透过率，每个区域为夹角120°的扇形。

图3为实施例1中不同透过率输出镜的侧向视图，图中，镜面厚度为3mm，镜面直径为80mm。

图4为实施例1中可调谐激光器的输出波长图，旋转输出镜到三种不同透过率T＝5％、T＝10％、T＝20％区域，实现了2100.7nm,2110nm和2124.5nm三种波长的调谐输出。

图5为实施例2中不同透过率输出镜的示意图，输出镜是由8片夹角为45°的扇形镜片粘合而成，相邻两扇形镜片对激光波长的透过率差ΔT为3％，整体透过率范围为T＝2％-23％。

图6为实施例2中可调谐激光器的输出波长图，旋转输出镜到不同的透过率，实现了八种波长的调谐输出。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，但不限于此。

本发明的波长可调谐激光器，如图1所示，包括泵浦源1，泵浦源1顺序连接有光学耦合系统2、输入镜3、激光增益介质4，输出镜5以及旋转器6。所述泵浦源1可以是半导体激光二极管(LD)、光纤激光器(FL)或固体激光器(SSL)，其输出波长对应激光介质材料的吸收波长。所述光学耦合系统2包括两个构成开普勒望远镜系统的透镜，所述两个透镜对泵浦光斑进行缩束或扩束。所述输入镜3是平面镜或者凹面镜，在泵浦光入射面镀以对泵浦光高透的介质膜，透过率优选≥95％；并同时在输入镜3另外一侧镀以对输出激光波长反射率≥99.5％的介质膜，泵浦方式是端面泵浦。所述激光介质4为二能级激光系统或准三能级系统的离子掺杂激光增益材料，优选Ho:LuAG或Tm:LuYAG。所述的输出镜5是有不同透过率区域的透过率可变输出镜，透过率变化范围为1％-20％，也即透过率可调谐范围为1％-20％。其中输入镜3和输出镜5组成激光谐振腔，通过旋转输出镜5来改变激光谐振腔的透过率，当旋转至某一透过率区域时，即由此透过率区域的镜面与输出镜3组成激光谐振腔。所述的旋转器6是光学马达，主要用于协助输出镜5运动至所述不同透过率区域，实现透过率的调谐。根据激光振荡过程中，二能级或三能级系统掺杂离子的再吸收效应，当调节不同的透过率时，同一泵浦强度下激光谐振腔内光子密度不同，则吸收强弱不同，致使输出激光波长改变，从而实现不同激光波长谐振，实现调谐输出。

实施例1：一种三波长可调谐Ho:LuAG陶瓷固体激光器

激光器结构如图1所示。其中，采用的泵浦源1为Tm光纤激光器，输出波长为1.91μm对应于Ho:LuAG陶瓷的吸收波长；光学耦合系统2是对1.91μm泵浦光透过率≥99.5％透镜组，可以达到对泵浦光束腰缩束扩束的作用。增益介质4是Ho:LuAG长方体陶瓷，其通光端面均镀以对泵浦光和输出光透过率≥99％的增透膜；输入镜3两镜面均镀以对泵浦光透过率≥99％的介质膜，同时其靠近激光介质的一端镀以对输出光反射率≥99.5％的介质膜；输出镜5是对输出激光有三种不同透过率区域(n＝3)的透过率可调变光学平面镜片。

所述的增益介质4是1at.％Ho³⁺掺杂的Ho:LuAG陶瓷，尺寸为3×3×20mm³，通光端面镀增透膜膜波段为1850-2250nm。所述的输入镜3为平面镜，双面增透膜的镀膜波段为1550-1950nm，高反膜的波段范围是1950-2250nm。

所述的输出镜5等角度分布有三种不同透过率区域，其分布图如图2所示，三种不同透过率区域的面积相等，透过率分别为5％、10％、20％，三种透过率区域均匀占据整个输出镜，整个输出镜的尺寸为Ф80mm×3mm。整个输出镜由三块不同透过率的镜片通过光胶粘合而成，每块透过率镜片为夹角120°的扇形镜片。围绕输出镜中心工艺孔均匀分布有3个Ф4mm的工艺孔用于将输出镜5固定到旋转器6上。所述的与输出镜5连接的旋转器6为光学马达，可实现角度为120°的旋转间隔，以便带动输出镜5旋转至不同的透过率区域。旋转器6遮挡输出镜5部分的直径为36mm。

所述输出镜在旋转到不同透过率区域时对应的三种输出波长分别为2100.7nm，2110nm，2124.5nm，如图4所示，。当输出镜5旋转至透过率5％区域时，激光谐振腔内光子密度大，Ho:LuAG的再吸收效应强，此时Ho³⁺⁵I₈基态离子吸收腔内激光光子跃迁到⁵I₇激发态，当激发态离子再次跃迁会基态时，发射较长波长的激光，从而激光波长产生红移输出2124.5nm的激光。当输出镜5旋转至透过率20％的区域时，再吸收效应弱，激光红移不明显，实现2100.7nm较短波长激光输出。而当输出镜5旋转至透过率10％的区域时，实现2110nm中等波长激光输出。由此实现三波长可调谐激光输出。

实施例2：八种波长可调谐Tm:LuYAG固体激光器

该实施例所采用的激光腔装置示意图同样如图1所示。所述的泵浦源1是输出波长为785nm的半导体激光二极管LD；光学耦合系统2是对785nm泵浦光透过率≥99.5％透镜组，可以达到对泵浦光束腰缩束扩束的作用。增益介质4是Tm:LuYAG柱状晶体，其通光端面均镀以对泵浦光和输出光透过率≥99％的增透膜；输入镜3两面均镀以对泵浦光透过率≥99％，称为双面增透膜，同时输入镜3靠近增益介质4的一端镀以对输出光反射率≥99.5％的介质膜，称为高反膜；输出镜5是对输出激光透过有八种不同透过率区域(n＝8)的可调节变化的光学镜片。

所述的增益介质4是4at.％Tm³⁺掺杂的Tm:LuYAG晶体，尺寸为Ф3mm×12mm，通光端面增透膜镀膜为两个波段，分别为700-900nm、1850-2150nm。其中700-900nm镀膜是为了实现泵浦光增透，而1850-2150nm是为了保证输出光增透。

所述的输入镜3为平镜，双面增透膜的镀膜波段为700-900nm，高反膜的波段范围是1850-2150nm。

所述的输出镜5为圆形平面镜，其上均匀分布八种不同透过率区域，如图5所示，八种透过率范围T＝2％～23％，相邻两区域的透过率之差ΔT为3％；八种不同透过率区域的面积相等，均为夹角45°的扇形，透过率分别为2％、5％、8％、11％、14％、17％、20％、23％，所述输出镜5是由8片上述八种不同透过率的夹角为45°的扇形镜片粘合而成。整个输出镜5的尺寸及工艺孔如实施例1所述。所述的与输出镜5连接的旋转器6为光学马达，可实现角度为45°的旋转，以便带动输出镜5旋转至八种不同透过率区域。

该实施例2旋转输出镜至不同透过率区域所对应的八种调谐输出波长如图6所示，按透过率由小到大的区域激光输出波长依次为2020.3nm,2020nm,2019.3nm,2018.4nm,2017.5nm,2017.1nm,2016.5nm,2015.8nm。与实施例1中的原理相同，当输出镜5的透过率旋转至较低时，激光谐振腔内光子密度较大，Tm:LuYAG中从基态³H₆到激发态³F₄的再吸收效应强，此时激光器发射较长波长的激光。而当输出镜5旋转至透过率较高时，Tm³⁺的再吸收效应弱，输出较短的激光波长。由此实现了八种波长的调谐输出，激光器操作简单，效果明显。

Claims (10)

1.一种波长可调谐固体激光器，依次包括泵浦源、光学耦合系统、输入镜、增益介质、输出镜，其中，所述输出镜是有不同透过率区域的透过率可变输出镜，一驱动装置带动所述输出镜运动至所述不同透过率区域，实现输出镜透过率的调整，所述输出镜透过率是输出镜对输出激光波长的透过率，通过调整输出镜透过率实现激光波长可调谐输出。

2.如权利要求1所述的波长可调谐固体激光器，其特征在于所述输出镜不同透过率区域的透过率变化范围为1％-50％；优选为1％-20％。

3.如权利要求1所述的波长可调谐固体激光器，其特征在于所述的输出镜不同透过率区域数n≥2，进一步优选的，所述的输出镜不同透过率区域数n＝3-10。

4.如权利要求1所述的波长可调谐固体激光器，其特征在于所述激光介质是具有二能级系统或准三能级系统离子掺杂的激光增益介质，其增益发射谱谱宽≥10nm；优选的，掺杂离子选自稀土离子Yb³⁺、Er³⁺、Tm³⁺、Ho³⁺中的一种，或者是过渡金属离子Ti³⁺、Cr²⁺、Fe²⁺中的一种；进一步优选的，所述激光介质是Tm³⁺离子的³F₄→³H₆能级掺杂型激光材料或Ho³⁺离子的⁵I₇→⁵I₈能级掺杂型激光材料。

5.如权利要求1所述的波长可调谐固体激光器，其特征在于，所述激光介质为圆柱体或长方体，通光方向长度为10-20mm；优选的，所述激光介质为1-3at.％掺杂的Ho:LuAG陶瓷，或者3-5at.％掺杂的Tm:LuYAG晶体。

6.如权利要求1所述的波长可调谐固体激光器，其特征在于，所述输出镜为圆形，所述的输出镜不同透过率区域围绕输出镜中心等角度分布在输出镜镜面上；优选所述输出镜为平面镜。

7.如权利要求1所述的波长可调谐固体激光器，其特征在于，所述输出镜不同透过率区域的两相邻区域的透过率之差为ΔT＝0.5％-10％；优选为ΔT＝3％或5％。

8.如权利要求1所述的波长可调谐固体激光器，其特征在于，所述输出镜为圆形时，所述的驱动装置为可360°旋转的旋转器，旋转间隔角度为360°/n，其中n为输出镜不同透过率区域数目。

9.如权利要求1所述的波长可调谐固体激光器，其特征在于，所述输出镜为圆形，所述输出镜直径为Ф60～90mm；所述输出镜是通过不同透过率的镜片粘合而成，或者在镜面上分区域镀以不同透过率的膜。

10.如权利要求1所述的波长可调谐固体激光器，其特征在于，所述泵浦源为半导体激光二极管(LD)、全固态激光器(SSL)或光纤激光器(FL)；泵浦源输出波长与激光增益介质的吸收波长对应；

所述的输入镜与输出镜构成光学谐振腔；所述的输入镜是平面镜或者凹面镜，在泵浦光入射面镀以对泵浦光高透的介质膜，同时在输入镜另一侧镀以对输出激光波长≥99％的反射膜。