CN108199251A - 一种基于旋光效应的高功率可调谐2μm单频双角锥腔激光器 - Google Patents

一种基于旋光效应的高功率可调谐2μm单频双角锥腔激光器 Download PDF

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Abstract

一种基于旋光效应的高功率可调谐2μm单频双角锥腔激光器，涉及固体激光器领域。本发明是为了解决高功率单纵模2μm固体激光器容易受到干扰而导致腔镜失谐的问题。本发明一号角锥棱镜和二号角锥棱镜共同构成环形谐振腔，泵浦光通过二号偏振片入射至激光晶体中，被激光晶体吸收的泵浦光在激光晶体内产生偏振光，偏振光经一号偏振片透射至一号角锥棱镜中，并在一号角锥棱镜中形成椭圆偏振态的一号出射光，一号出射光经旋光器后入射至波片，经波片形成椭圆偏振态的二号出射光，二号出射光通过F‑P标准具透射至二号角锥棱镜中，并在二号角锥棱镜中形成三号出射光，三号出射光中的垂直分量通过二号偏振片反射至环形谐振腔外，作为激光器的输出激光。

Description

一种基于旋光效应的高功率可调谐2μm单频双角锥腔激光器
技术领域
本发明属于固体激光器技术领域，尤其涉及2μm固体激光器。
背景技术
2μm固体激光器其输出波长处于人眼安全波段，涵盖了水分子和二氧化碳的吸收峰，并且具有大气传输损耗小的特点，单频输出的2μm固体激光器具有相干性好、谱线宽度窄、光束质量好等特点，应用需求广泛，如多普勒相干测风激光雷达、激光成像雷达和差分吸收激光雷达。
高功率单纵模2μm激光器目前的实现方式主要是利用非平面环形腔技术，激光晶体限制为各向同性晶体，不适合于各向异性激光晶体，并且对激光晶体切割角度与加工精度要求极高，激光器波长的调谐范围也十分有限。环形腔单向的方式是获得高功率单纵模激光输出的另一种方式，在2μm波段激光器，主要是依靠腔内加入声光Q和波片来实现单向输出，消除腔内驻波效应及空间烧孔效应，从而获得单纵模。但是声光Q和波片的调节需要十分精细，并且很难实现波长的调谐功能。激光器采用普通的腔镜，极易由于振动、环境温度变化、气流的扰动等而产生腔镜失谐，腔镜失谐角只要达到角秒量级，就会导致激光器输出模式不稳，输出功率下降，使得单纵模2μm固体激光器很难有效地运用在各项应用中。因此，如何提高单纵模2μm固体激光器的抗干扰能力，就成为单纵模2μm固体激光器实现工程化应用的研究重点。
发明内容
本发明是为了解决高功率单纵模2μm固体激光器容易受到干扰而导致腔镜失谐的问题，现提供一种基于旋光效应的高功率可调谐2μm单频双角锥腔激光器。
一种基于旋光效应的高功率可调谐2μm单频双角锥腔激光器，其特征在于，包括：激光晶体1、一号偏振片2、一号角锥棱镜3、旋光器4、波片5、F-P标准具6、二号角锥棱镜7和二号偏振片8；
一号角锥棱镜3和二号角锥棱镜7的入射面相对呈旋转对称设置，一号角锥棱镜3和二号角锥棱镜7共同构成环形谐振腔，激光晶体1、一号偏振片2、旋光器4、波片5、F-P标准具6和二号偏振片8均位于环形谐振腔内；
泵浦光以45°入射角入射至二号偏振片8，二号偏振片8将泵浦光反射至激光晶体1中，未被激光晶体1吸收的泵浦光通过一号偏振片2输出至环形谐振腔外，被激光晶体1吸收的泵浦光在激光晶体1的抽运下产生偏振光，偏振光经一号偏振片2透射至一号角锥棱镜3中，并在一号角锥棱镜3中经过三次全内反射形成椭圆偏振态的一号出射光，一号出射光经旋光器4将偏振方向左旋45°后入射至波片5，经波片5形成椭圆偏振态的二号出射光，二号出射光通过F-P标准具6改变波长后透射至二号角锥棱镜7中，并在二号角锥棱镜7中经过三次内全反射形成三号出射光，三号出射光中的垂直分量通过二号偏振片8反射至环形谐振腔外，作为激光器的输出激光。
本发明采用双角锥环形谐振腔，考虑到角锥棱镜的退偏效应，两个角锥旋转对称放置，腔内加入旋光器和波片，利用旋光器的非互易性，二号偏振片作为激光器输出镜，实现单向输出线偏振高功率单纵模激光。腔内加入F-P标准具可以实现激光器波长的宽范围调谐，调谐范围即为F-P标准具的自由光谱区，此结构提高了高功率可调谐单纵模2μm固体激光器的抗干扰能力与单纵模的稳定性，双角锥谐振腔抗失谐角可以提高至度量级，而普通非角锥腔腔镜失谐角只有秒量级。由于入射角锥棱镜的光和出射角锥棱镜的光始终反向平行，因此角锥谐振腔具有自准直功能，既可以实现激光输出对腔镜失谐的不敏感，甚至在角锥棱镜失谐十几度的情况下，激光器仍然能够稳定工作并且输出功率变化很小，激光输出单纵模稳定性好，提高了抗干扰能力，和普通直腔相比，可以在相同腔长情况下，缩小激光器体积。
附图说明
图1为光在角锥棱镜内经过三次全反射的示意图；
图2为一号角锥棱镜和二号角锥棱镜设置的示意图，(a)为主视图，(b)为侧视图；
图3为本发明所述的一种基于旋光效应的高功率可调谐2μm单频双角锥腔激光器的示意图。
具体实施方式
本实施方式所述的一种基于旋光效应的高功率可调谐2μm单频双角锥腔激光器，如图3所示，一号角锥棱镜3和二号角锥棱镜7的入射面相对呈旋转对称设置，一号角锥棱镜3和二号角锥棱镜7共同构成环形谐振腔，增加了激光器谐振腔腔长，提高了激光器稳定性，腔内加入旋光器和波片，保证激光器工作在单纵模运转状态，以助于获得更窄的光谱线宽输出。激光晶体1、一号偏振片2、旋光器4、波片5、F-P标准具6和二号偏振片8均位于环形谐振腔内。
上述激光晶体1采用增益较高的单掺钬晶体以保证获得较高功率的2μm激光输出，具体为Ho:YLF晶体(掺钬氟化钇锂晶体)，掺杂浓度为0.5％，尺寸为4×4×20mm3，表面镀有透光波长为1.9μm-2.1μm的高透膜；波片5为二分之一波片；一号偏振片2和二号偏振片8表面镀有1.9μm泵浦光、2.1μms光高反膜和p光高透膜；一号角锥棱镜3和二号角锥棱镜7材料为JGS3或康宁7979玻璃等类似的对1.9μm-2.1μm波段透过率高、吸收小的材料；
1.9μm泵浦光以45°入射角入射至二号偏振片8，二号偏振片8将泵浦光反射至Ho:YLF晶体中，未被激光晶体1吸收的泵浦光通过一号偏振片2输出至环形谐振腔外，被激光晶体1吸收的泵浦光在激光晶体1的抽运下产生两束方向相反的偏振光。
一束偏振光经一号偏振片2透射至一号角锥棱镜3中，并在一号角锥棱镜3中经过三次全内反射形成椭圆偏振态的一号出射光，一号角锥棱镜3的入射光和出射光平行，如图1和2所示，O1为角锥棱镜的顶点，O1A1、O1B1和O1C1分别为角锥的三条棱边，X、Y和Z分别为三次反射的反射点。
一号出射光经旋光器4将偏振方向左旋45°后入射至波片5，经波片5形成椭圆偏振态的二号出射光，旋光器4和波片5，来保证腔内两个相反方向传输的振荡光具有最大的损耗差，来实现稳定的单纵模激光输出。
二号出射光通过F-P标准具6改变波长后透射至二号角锥棱镜7中，并在二号角锥棱镜7中经过三次内全反射形成三号出射光。三号出射光为水平分量很大的椭圆偏振光，通过偏振片8后，大部分水平偏振光继续在环形谐振腔内振荡，三号出射光中的垂直分量通过二号偏振片8反射至环形谐振腔外，作为激光器的输出激光。实际操作时通过改变F-P标准具6的角度，可以实现波长的调谐，调谐范围大约是标准具的自由光谱范围。双角锥棱镜谐振腔还可做成一体，形成具有极稳定的高功率可调谐单纵模输出2μm固体激光器。
激光晶体1输出的另一束偏振光经二号偏振片8透射至二号角锥棱镜7中，并在二号角锥棱镜7中经过三次内全反射形成椭圆偏振态的四号出射光，四号出射光依次经过F-P标准具6、二分之一波片5和旋光器4形成偏振方向垂直于四号出射光的五号出射光，五号出射光在一号角锥棱镜3中经过三次全内反射形成六号出射光，六号出射光为垂直分量很大的椭圆偏振光，偏振片2镀有对2μm水平光高透垂直光高反膜，因此，垂直分量很大的椭圆偏振光中的垂直分量光由偏振片2反射出谐振腔。六号出射光中的垂直分量通过一号偏振片2反射至环形谐振腔外，偏振片2相当于一个透过率很大的输出镜，仅有少量水平偏振光能透过偏振片2，此部分水平偏振光达不到谐振腔阈值，因此，沿着顺时针方向传输的偏振光在谐振腔内无法起振，形成不了激光输出。综上，在环形谐振腔中可实现单向运转，单向输出单纵模激光。
本发明采用双角锥环形谐振腔，腔内加入旋光器和波片，来实现激光器单纵模输出。整个激光器加工成为一体化，保证激光器工作在单纵模运转状态上，增加了激光器谐振腔腔长，以助于获得更窄的激光线宽输出，腔内加入一个F-P标准具可以实现激光器宽范围的调谐输出。
本发明中的激光晶体除了采用Ho:YLF晶体外，还可以采用其他基质的单掺钬各向异性激光晶体和不同基质的各向同性单掺钬激光晶体，采用不同基质的各向异性或各向同性激光晶体所对应的泵浦光，也要采用适合不同晶体的中心波长的泵浦源，泵浦可采用侧面或端面泵浦方式；角锥棱镜尺寸也可根据使用晶体尺寸或镜片面元大小做相应改变，角锥棱镜三个反射面间夹角为90°，可加工为曲面并且可以镀金属膜。由于角锥棱镜具有退偏效应，入射光偏振态一般与出射光偏振态不相同，双角锥棱镜构成激光谐振腔时，两个角锥旋转对称放置，从晶体发出的沿两个方向传输的振荡光，分别通过两个角锥，再从旋光器4和波片5的不同侧进入，通过选择波片的角度，使得只有一个方向传输的振荡光可以在腔内振荡，激光通过偏振片实现偏振单向输出。另一个方向传输的振荡光偏振方向发生偏转，达不到谐振腔阈值，在谐振腔内无法起振，形成不了激光输出，从而实现单向单纵模输出，单向输出功率为原来双向输出功率之和。

Claims (8)

1.一种基于旋光效应的高功率可调谐2μm单频双角锥腔激光器，其特征在于，包括：激光晶体(1)、一号偏振片(2)、一号角锥棱镜(3)、旋光器(4)、波片(5)、F-P标准具(6)、二号角锥棱镜(7)和二号偏振片(8)；
一号角锥棱镜(3)和二号角锥棱镜(7)的入射面相对呈旋转对称设置，一号角锥棱镜(3)和二号角锥棱镜(7)共同构成环形谐振腔，激光晶体(1)、一号偏振片(2)、旋光器(4)、波片(5)、F-P标准具(6)和二号偏振片(8)均位于环形谐振腔内；
泵浦光以45°入射角入射至二号偏振片(8)，二号偏振片(8)将泵浦光反射至激光晶体(1)中，未被激光晶体(1)吸收的泵浦光通过一号偏振片(2)输出至环形谐振腔外，被激光晶体(1)吸收的泵浦光在激光晶体(1)的抽运下产生偏振光，偏振光经一号偏振片(2)透射至一号角锥棱镜(3)中，并在一号角锥棱镜(3)中经过三次全内反射形成椭圆偏振态的一号出射光，一号出射光经旋光器(4)将偏振方向左旋45°后入射至波片(5)，经波片(5)形成椭圆偏振态的二号出射光，二号出射光通过F-P标准具(6)改变波长后透射至二号角锥棱镜(7)中，并在二号角锥棱镜(7)中经过三次内全反射形成三号出射光，三号出射光中的垂直分量通过二号偏振片(8)反射至环形谐振腔外，作为激光器的输出激光。
2.根据权利要求1所述的一种基于旋光效应的高功率可调谐2μm单频双角锥腔激光器，其特征在于，激光晶体(1)为Ho:YLF晶体，该晶体长度为5mm-150mm，掺杂浓度为0.1％-10％，表面镀有1.9μm～2.1μm高透膜。
3.根据权利要求1所述的一种基于旋光效应的高功率可调谐2μm单频双角锥腔激光器，其特征在于，泵浦光为1.9μm泵浦光。
4.根据权利要求1所述的一种基于旋光效应的高功率可调谐2μm单频双角锥腔激光器，其特征在于，一号角锥棱镜(3)和二号角锥棱镜(7)的入射面直径均为10mm-100mm，并镀有1.9μm～2.1μm高透膜，反射面曲率半径均为0-1000mm。
5.根据权利要求1所述的一种基于旋光效应的高功率可调谐2μm单频双角锥腔激光器，其特征在于，一号偏振片(2)和二号偏振片(8)的反射面均镀有1.9μm泵浦光、2.1μms光高反膜和p光高透。
6.根据权利要求1所述的一种基于旋光效应的高功率可调谐2μm单频双角锥腔激光器，其特征在于，旋光器(4)为2μm波段的旋光器，且对2μm光的透过率为95％-100％。
7.根据权利要求1所述的一种基于旋光效应的高功率可调谐2μm单频双角锥腔激光器，其特征在于，波片(5)为四分之一波片或二分之一波片，波片(5)的表面镀有1.9μm-2.1μm高透膜。
8.根据权利要求1所述的一种基于旋光效应的高功率可调谐2μm单频双角锥腔激光器，其特征在于，F-P标准具(6)的厚度为0.01mm-15mm，F-P标准具(6)对2μm光的反射率为0％-50％。
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