CN108711729A - 基于单向环形腔的2μm单频可调谐固体激光器 - Google Patents

Abstract

基于单向环形腔的2μm单频可调谐固体激光器，它涉及一种单频固体激光器，属于光学领域，解决现有2μm单频固体激光器输出功率下降、光束质量劣化和频率稳定性不高的问题。本发明入射至耦合系统的泵浦光依次经过泵浦光输入镜、F‑P标准具及晶体，晶体在泵浦光的抽运下产生顺时针和逆时针方向传播的振荡光，然后泵浦光经过二色镜后透射出去；顺时针方向传播的振荡光依次经过二色镜、第三平凸透镜及输出镜，部分振荡光经输出镜透射出去，剩余部分经输出镜、光隔离器、二分之一波片、反射镜及泵浦光输入镜，经泵浦光输入镜反射后继续经过F‑P标准具、晶体、二色镜、第三平凸透镜及输出镜，最后形成增益从输出镜透射出去成为2μm单频激光。

Description

基于单向环形腔的2μm单频可调谐固体激光器

技术领域

本发明涉及一种单频固体激光器，属于光学领域。

背景技术

2μm单频激光覆盖了水分子和CO₂分子等分子的吸收带，具有大气吸收较弱，对雨雾的穿透能力强和对人眼安全的优点，使得其在激光测距、各种用途的激光雷达以及医疗诊断等多方面发挥着重要作用。2μm单频激光器在大气遥感、高分辨率光谱、光学频率标定和光学参量振荡器等领域有着重要作用。另外2μm单频激光可以作为多普勒相干测风雷达、高精度的光学干涉仪、测量地球大气温度和浓度变化的差分吸收雷达的首选光源。

目前的2μm单频固体激光器存在输出功率下降、光束质量劣化以及频率稳定性不高的问题。在采用全固态固体激光器实现2μm单频激光的研究上，目前研究重心在环形腔和腔内插入轴模选择元件两种方法上。

发明内容

本发明目的是为了解决现有2μm单频固体激光器存在输出功率下降、光束质量劣化以及频率稳定性不高的问题，提供了基于单向环形腔的2μm单频可调谐固体激光器。

基于单向环形腔的2μm单频可调谐固体激光器包括第一平凸透镜、第二平凸透镜、第三平凸透镜、泵浦光输入镜、F-P标准具、Ho:YAG晶体、二色镜、输出镜、光隔离器、二分之一波片及反射镜；

所述的第一平凸透镜和第二平凸透镜的凸面相对，构成耦合系统；

入射至耦合系统的1.9μm泵浦光经耦合系统耦合后以45°入射至泵浦光输入镜；泵浦光输入镜透过的1.9μm泵浦光入射至F-P标准具，经F-P标准具透过的1.9μm泵浦光入射至Ho:YAG晶体中，Ho:YAG晶体在1.9μm泵浦光的抽运下产生顺时针方向传播的振荡光和逆时针方向传播的振荡光，然后1.9μm泵浦光经过二色镜后透射出去；

顺时针方向传播的振荡光以45°入射至二色镜，并由二色镜反射至第三平凸透镜的平面，穿过第三平凸透镜的顺时针方向传播的振荡光以45°入射至输出镜上，部分顺时针方向传播的振荡光经输出镜透射出去，剩余部分的顺时针方向传播的振荡光经输出镜反射后继续顺时针方向传播，经过光隔离器和二分之一波片后成为顺时针方向传播的单频振荡光；

顺时针方向传播的单频振荡光以45°入射至反射镜上，并由反射镜以45°反射至泵浦光输入镜上，经泵浦光输入镜反射后继续经过F-P标准具、Ho:YAG晶体、二色镜、第三平凸透镜及输出镜，最后形成增益从输出镜透射出去成为2μm单频激光；

逆时针方向传播的振荡光入射至F-P标准具，经F-P标准具透过的逆时针方向传播的振荡光以45°入射至泵浦光输入镜，经泵浦光输入镜反射的逆时针方向传播的振荡光以45°入射至反射镜，经反射镜反射的逆时针方向传播的振荡光经二分之一波片和光隔离器，最后由光隔离器左端的格兰棱镜中折射出来。

本发明的优点：本发明提供了针对2μm单频固体激光器的新的设计方案。采用光隔离器与二分之一波片结合的方法实现单向传输，可以实现高稳定性和高功率的2μm单频激光输出；同时作为种子光输出进行下一级放大时，光隔离器与二分之一波片的使用可以避免种子源的反馈问题；第三平凸透镜可以平衡腔内热效应，使输出功率和模式更加稳定；F-P标准具可以使输出波长在2μm附近可调谐输出；

本发明所使用晶体除了Ho:YAG晶体外，还可以采用其他类单掺Ho的激光晶体，比如Ho:YAP、Ho:YLF、Ho:LuVO₄等，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。

基于单向环形腔制造2μm单频固体激光器，其用于泵浦掺Ho³⁺的固体激光器的激励源可以采用商业上非常成熟的1.9μm的光纤激光器。采用四腔镜环形结构，避免了泵浦反馈的不良问题。整体具有成本低、插入损耗低、输出功率高，转换效率高和结构简单等优点。

本发明提供的2μm单频可调谐固体激光器输出波长范围调谐在2090.5nm～2097.5nm；最大单频输出功率为1W；对应的光学质量M²范围在1.1～1.3之间。利用该2μm单频可调谐固体激光器作为种子源进行后续放大可输出更高功率的2μm单频激光。

附图说明

图1是本发明所述的基于单向环形腔的2μm单频可调谐固体激光器的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式基于单向环形腔的2μm单频可调谐固体激光器包括第一平凸透镜1-1、第二平凸透镜1-2、第三平凸透镜1-3、泵浦光输入镜2、F-P标准具3、Ho:YAG晶体4、二色镜5、输出镜6、光隔离器7、二分之一波片8及反射镜9；

所述的第一平凸透镜1-1和第二平凸透镜1-2的凸面相对，构成耦合系统；

入射至耦合系统的1.9μm泵浦光经耦合系统耦合后以45°入射至泵浦光输入镜2；泵浦光输入镜2透过的1.9μm泵浦光入射至F-P标准具3，经F-P标准具3透过的1.9μm泵浦光入射至Ho:YAG晶体4中，Ho:YAG晶体4在1.9μm泵浦光的抽运下产生顺时针方向传播的振荡光和逆时针方向传播的振荡光，然后1.9μm泵浦光经过二色镜5后透射出去；

顺时针方向传播的振荡光以45°入射至二色镜5，并由二色镜5反射至第三平凸透镜1-3的平面，穿过第三平凸透镜1-3的顺时针方向传播的振荡光以45°入射至输出镜6上，部分顺时针方向传播的振荡光经输出镜6透射出去，剩余部分的顺时针方向传播的振荡光经输出镜6反射后继续顺时针方向传播，经过光隔离器7和二分之一波片8后成为顺时针方向传播的单频振荡光；

顺时针方向传播的单频振荡光以45°入射至反射镜9上，并由反射镜9以45°反射至泵浦光输入镜2上，经泵浦光输入镜2反射后继续经过F-P标准具3、Ho:YAG晶体4、二色镜5、第三平凸透镜1-3及输出镜6，最后形成增益从输出镜6透射出去成为2μm单频激光；

逆时针方向传播的振荡光入射至F-P标准具3，经F-P标准具3透过的逆时针方向传播的振荡光以45°入射至泵浦光输入镜2，经泵浦光输入镜2反射的逆时针方向传播的振荡光以45°入射至反射镜9，经反射镜9反射的逆时针方向传播的振荡光经二分之一波片8和光隔离器7，最后由光隔离器7左端的格兰棱镜中折射出来。

工作原理总结如下：Ho:YAG晶体4在1.9um泵浦光的抽运下产生顺时针方向和逆时针方向传播的振荡光。逆时针方向传播的振荡光经过F-P标准具3后入射至泵浦光输入镜2，然后反射传播至反射镜9上，被反射镜9反射后传播经过二分之一波片8和光隔离器7，由于二分之一波片8和光隔离器7组合的特性使得逆时针方向传播的振荡光无法继续传播，最后从光隔离器7左端的格兰棱镜中折射出来。顺时针方向传播的振荡光经过二色镜5反射后入射至输出镜6上，部分振荡光从输出镜6上透射出去，剩余部分的顺时针方向传播的振荡光经由输出镜6反射后继续顺时针方向传播，经过光隔离器7和二分之一波片8后成为顺时针方向传播的单频振荡光。顺时针方向传播的单频振荡光继续顺时针传播至反射镜9上，然后反射至泵浦光输入镜2上，再经过泵浦光输入镜2反射后继续传播最后从输出镜6透射出去。因为单向环形行波可以抑制消除空间烧孔效应，因此单向传输的振荡光增益输出成为2μm单频激光。

本具体实施方式的有益效果是：本具体实施方式提供了针对2μm单频固体激光器的新的设计方案。采用光隔离器7与二分之一波片8结合的方法实现单向传输，可以实现高稳定性、高功率的2μm单频激光输出；同时作为种子光输出进行下一级放大时，光隔离器7与二分之一波片8的使用可以避免种子源的反馈问题；第三平凸透镜1-3可以平衡腔内热效应，使输出功率和模式更加稳定；F-P标准具3可以使输出波长在2μm附近可调谐输出；

本具体实施方式所使用晶体除了Ho:YAG晶体外，还可以采用其他类单掺Ho的激光晶体，比如Ho:YAP、Ho:YLF、Ho:LuVO₄等，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。

基于单向环形腔制造2μm单频固体激光器，其用于泵浦掺Ho³⁺的固体激光器的激励源可以采用商业上非常成熟的1.9μm的光纤激光器。采用四腔镜环形结构，避免了泵浦反馈的不良问题。整体具有成本低、插入损耗低、输出功率高，转换效率高和结构简单等优点。

本具体实施方式提供的2μm单频可调谐固体激光器输出波长范围调谐在2090.5nm～2097.5nm；最大单频输出功率为1W；对应的光学质量M²范围在1.1～1.3之间。利用该2μm单频可调谐固体激光器作为种子源进行后续放大可输出更高功率的2μm单频激光。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述的第一平凸透镜1-1、第二平凸透镜1-2及第三平凸透镜1-3表面均镀有1.9μm～2.1μm高透膜，焦距为5mm～200mm，直径为1mm～50mm。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同的是：所述的泵浦光输入镜2一面同时镀有对1.9μm泵浦光高透膜和对2μm振荡光高反膜。其它与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述的F-P标准具3对1.9μm～2.1μm振荡光的透过率为90％～100％，厚度为0.01mm～15mm。其它与具体实施方式一至三相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述的Ho:YAG晶体4采用单掺钬晶体，晶体长度为10mm～100mm，且所述的Ho:YAG晶体4中Ho离子掺杂的原子百分数为0.1％～6％，所述的Ho:YAG晶体4表面镀有对1.9μm～2.1μm高透膜。其它与具体实施方式一至四相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：所述的二色镜5一面同时镀有对1.9μm泵浦光高透膜和对2μm振荡光高反膜。其它与具体实施方式一至五相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：所述的输出镜6一面镀有对垂直偏振的2μm振荡光透过率为10％～80％的膜。其它与具体实施方式一至六相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：所述的二分之一波片8表面镀有1.9μm～2.1μm高透膜。其它与具体实施方式一至七相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：所述的反射镜9一面镀有对2μm高反膜。其它与具体实施方式一至八相同。

采用以下实施例验证本发明的有益效果：

实施例一：

基于单向环形腔的2μm单频可调谐固体激光器包括第一平凸透镜1-1、第二平凸透镜1-2、第三平凸透镜1-3、泵浦光输入镜2、F-P标准具3、Ho:YAG晶体4、二色镜5、输出镜6、光隔离器7、二分之一波片8及反射镜9；

所述的第一平凸透镜1-1和第二平凸透镜1-2的凸面相对，构成耦合系统；

入射至耦合系统的1.9μm泵浦光经耦合系统耦合后以45°入射至泵浦光输入镜2；泵浦光输入镜2透过的1.9μm泵浦光入射至F-P标准具3，经F-P标准具3透过的1.9μm泵浦光入射至Ho:YAG晶体4中，Ho:YAG晶体4在1.9μm泵浦光的抽运下产生顺时针方向传播的振荡光和逆时针方向传播的振荡光，然后1.9μm泵浦光经过二色镜5后透射出去；

顺时针方向传播的振荡光以45°入射至二色镜5，并由二色镜5反射至第三平凸透镜1-3的平面，穿过第三平凸透镜1-3的顺时针方向传播的振荡光以45°入射至输出镜6上，部分顺时针方向传播的振荡光经输出镜6透射出去，剩余部分的顺时针方向传播的振荡光经输出镜6反射后继续顺时针方向传播，经过光隔离器7和二分之一波片8后成为顺时针方向传播的单频振荡光；

顺时针方向传播的单频振荡光以45°入射至反射镜9上，并由反射镜9以45°反射至泵浦光输入镜2上，经泵浦光输入镜2反射后继续经过F-P标准具3、Ho:YAG晶体4、二色镜5、第三平凸透镜1-3及输出镜6，最后形成增益从输出镜6透射出去成为2μm单频激光；

逆时针方向传播的振荡光入射至F-P标准具3，经F-P标准具3透过的逆时针方向传播的振荡光以45°入射至泵浦光输入镜2，经泵浦光输入镜2反射的逆时针方向传播的振荡光以45°入射至反射镜9，经反射镜9反射的逆时针方向传播的振荡光经二分之一波片8和光隔离器7，最后由光隔离器7左端的格兰棱镜中折射出来。

所述的第一平凸透镜1-1、第二平凸透镜1-2及第三平凸透镜1-3表面均镀有1.9μm～2.1μm高透膜，焦距分别为7.8mm、150mm及150mm，直径分别为4mm、10mm及10mm。

所述的泵浦光输入镜2一面同时镀有对1.9μm泵浦光高透膜和对2μm振荡光高反膜。

所述的F-P标准具3对1.9μm～2.1μm振荡光的透过率为90％～100％，厚度为0.1mm。

所述的Ho:YAG晶体4采用单掺钬晶体，晶体长度为80mm，且所述的Ho:YAG晶体4中Ho离子掺杂的原子百分数为0.3％，所述的Ho:YAG晶体4表面镀有对1.9μm～2.1μm高透膜。

所述的二色镜5一面同时镀有对1.9μm泵浦光高透膜和对2μm振荡光高反膜。

所述的输出镜6一面镀有对垂直偏振的2μm振荡光透过率为50％的膜。

所述的二分之一波片8表面镀有1.9μm～2.1μm高透膜。

所述的反射镜9一面镀有对2μm高反膜。

在环境温度为20℃和湿度为54％RH的环境下，控制Ho:YAG晶体4温度为15℃，本实施例提供的2μm单频可调谐固体激光器输出波长范围调谐在2090.5nm～2097.5nm；最大单频输出功率为1W；对应的光学质量M²范围在1.1～1.3之间。利用该2μm单频可调谐固体激光器作为种子源进行后续放大可输出更高功率的2μm单频激光。

Claims (9)

1.基于单向环形腔的2μm单频可调谐固体激光器，其特征在于基于单向环形腔的2μm单频可调谐固体激光器包括第一平凸透镜(1-1)、第二平凸透镜(1-2)、第三平凸透镜(1-3)、泵浦光输入镜(2)、F-P标准具(3)、Ho:YAG晶体(4)、二色镜(5)、输出镜(6)、光隔离器(7)、二分之一波片(8)及反射镜(9)；

所述的第一平凸透镜(1-1)和第二平凸透镜(1-2)的凸面相对，构成耦合系统；

入射至耦合系统的1.9μm泵浦光经耦合系统耦合后以45°入射至泵浦光输入镜(2)；泵浦光输入镜(2)透过的1.9μm泵浦光入射至F-P标准具(3)，经F-P标准具(3)透过的1.9μm泵浦光入射至Ho:YAG晶体(4)中，Ho:YAG晶体(4)在1.9μm泵浦光的抽运下产生顺时针方向传播的振荡光和逆时针方向传播的振荡光，然后1.9μm泵浦光经过二色镜(5)后透射出去；

顺时针方向传播的振荡光以45°入射至二色镜(5)，并由二色镜(5)反射至第三平凸透镜(1-3)的平面，穿过第三平凸透镜(1-3)的顺时针方向传播的振荡光以45°入射至输出镜(6)上，部分顺时针方向传播的振荡光经输出镜(6)透射出去，剩余部分的顺时针方向传播的振荡光经输出镜(6)反射后继续顺时针方向传播，经过光隔离器(7)和二分之一波片(8)后成为顺时针方向传播的单频振荡光；

顺时针方向传播的单频振荡光以45°入射至反射镜(9)上，并由反射镜(9)以45°反射至泵浦光输入镜(2)上，经泵浦光输入镜(2)反射后继续经过F-P标准具(3)、Ho:YAG晶体(4)、二色镜(5)、第三平凸透镜(1-3)及输出镜(6)，最后形成增益从输出镜(6)透射出去成为2μm单频激光；

逆时针方向传播的振荡光入射至F-P标准具(3)，经F-P标准具(3)透过的逆时针方向传播的振荡光以45°入射至泵浦光输入镜(2)，经泵浦光输入镜(2)反射的逆时针方向传播的振荡光以45°入射至反射镜(9)，经反射镜(9)反射的逆时针方向传播的振荡光经二分之一波片(8)和光隔离器(7)，最后由光隔离器(7)左端的格兰棱镜中折射出来。

2.根据权利要求1所述的基于单向环形腔的2μm单频可调谐固体激光器，其特征在于所述的第一平凸透镜(1-1)、第二平凸透镜(1-2)及第三平凸透镜(1-3)表面均镀有1.9μm～2.1μm高透膜，焦距为5mm～200mm，直径为1mm～50mm。

3.根据权利要求1所述的基于单向环形腔的2μm单频可调谐固体激光器，其特征在于所述的泵浦光输入镜(2)一面同时镀有对1.9μm泵浦光高透膜和对2μm振荡光高反膜。

4.根据权利要求1所述的基于单向环形腔的2μm单频可调谐固体激光器，其特征在于所述的F-P标准具(3)对1.9μm～2.1μm振荡光的透过率为90％～100％，厚度为0.01mm～15mm。

5.根据权利要求1所述的基于单向环形腔的2μm单频可调谐固体激光器，其特征在于所述的Ho:YAG晶体(4)采用单掺钬晶体，晶体长度为10mm～100mm，且所述的Ho:YAG晶体(4)中Ho离子掺杂的原子百分数为0.1％～6％，所述的Ho:YAG晶体(4)表面镀有对1.9μm～2.1μm高透膜。

6.根据权利要求1所述的基于单向环形腔的2μm单频可调谐固体激光器，其特征在于所述的二色镜(5)一面同时镀有对1.9μm泵浦光高透膜和对2μm振荡光高反膜。

7.根据权利要求1所述的基于单向环形腔的2μm单频可调谐固体激光器，其特征在于所述的输出镜(6)一面镀有对垂直偏振的2μm振荡光透过率为10％～80％的膜。

8.根据权利要求1所述的基于单向环形腔的2μm单频可调谐固体激光器，其特征在于所述的二分之一波片(8)表面镀有1.9μm～2.1μm高透膜。

9.根据权利要求1所述的基于单向环形腔的2μm单频可调谐固体激光器，其特征在于所述的反射镜(9)一面镀有对2μm高反膜。