CN109217077B - 一种自混频可调谐空心激光器 - Google Patents

一种自混频可调谐空心激光器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种自混频可调谐空心激光器,包括从左至右依次设置的泵浦源(1)、耦合光学系统(2)、环形平凹面镜(3)、平面反射镜(4)、激光增益介质(5)、晶体圆锥镜(6)、玻璃圆锥镜(7)和平面输出耦合镜(8)；所述环形平凹镜(3)的焦点F1经玻璃圆锥镜(7)所成的像与晶体圆锥镜(6)凹面的焦平面重合，环形平凹镜(3)、晶体圆锥镜(6)和玻璃圆锥镜(7)构成望远系统。本发明能够产生中心光强为零的空心激光束，并且通过旋转调节激光增益介质的方式改变不同波长的位相匹配角，从而选择混频波长；通过旋转调节晶体圆锥镜的方式，能够使腔内某一波长可达到阈值条件实现振荡，进而实现激光波长调谐，具有广泛的应用场景。

Description

一种自混频可调谐空心激光器
技术领域
本发明涉及激光技术领域，特别是涉及一种自混频可调谐空心激光器。
背景技术
利用非线性光学混频技术实现可见光波段激光已经非常成熟，被广泛应用于激光显示、生物医学、激光打印、光纤通讯、光纤传感和化学等领域。然而目前的可见光均为近红外高斯激光束经过非线性倍频或者和频获得的，因此输出的可见光的强度仍为高斯光束分布，其特征是光束横截面的中心光强最强，沿径向光强按照高斯函数分布逐渐下降到零。
事实上，在实际应用中需要各种不同强度分布的可见光波段激光束，如可见光波段的空心激光束，由于该类光束的中心光强为零，不会使照射物体的表面温度，因此在生物学和医学等领域有广泛的应用前景。由于空心光束的光强度呈圆筒形分布以及传播不变性，这些性质使其在光信息处理、微粒波导、同位素分离、以及原子学和分子学等领域中有着广泛的应用前景。而较大区域光强为零的空心激光束对于研究玻色-爱因斯坦凝聚等自身的统计物理性质和动力学行为非常重要。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种自混频可调谐空心激光器，能够产生中心光强为零的空心激光束，具有广泛的应用场景。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种自混频可调谐空心激光器，包括从左至右依次设置的泵浦源、耦合光学系统、环形平凹面镜、平面反射镜、激光增益介质、晶体圆锥镜、玻璃圆锥镜和平面输出耦合镜；所述环形平凹镜的焦点F1经玻璃圆锥镜反射面(母线所在的旋转面)所成的像与晶体圆锥镜凹面的焦平面(F2所在的平面)重合，环形平凹镜、晶体圆锥镜和玻璃圆锥镜构成望远系统。
进一步地，玻璃圆锥镜放置在环形平凹面镜的焦点F1左侧，然后调节晶体圆锥镜位置使得环形平凹镜的焦点F1经玻璃圆锥镜反射面所成的像位于晶体圆锥镜凹面的焦平面上。根据折射球面成像原理，平行光经凹面折射后发散光束的反向延长线汇聚在焦平面上一点，由于玻璃圆锥有无数条母线，实际上在晶体圆锥镜的焦平面上是一个圆。对于晶体圆锥镜与玻璃圆锥镜所构成的成像系统，晶体圆锥镜凹面的焦平面上的圆与环形平凹镜的焦点F1是共轭的，因此环形平凹镜的焦点F1经玻璃圆锥镜反射面所成的像与晶体圆锥镜凹面的焦平面重合时，环形平凹镜、晶体圆锥镜和玻璃圆锥镜构成望远系统。
泵浦源发出的泵浦光束采用端面泵浦方式通过耦合光学系统把能量注入到激光增益介质内，激光增益介质选为自混频非线性晶体。平面反射镜和平面输出耦合镜分别为激光谐振腔的输入镜和输出镜。当腔内激光达到阈值时，腔内激光束经过晶体圆锥镜折射后变成反向延长线交点为一个圆的发散的空心光束，在经过玻璃圆锥镜反射后，腔内光束变为反向延长线交点为一个点发散空心光束，在经过环形平凹面镜的反射后变为平行激光束，由平面输出耦合镜将空心自混频激光束输出到腔外。
进一步地，所述泵浦源、耦合光学系统、环形平凹面镜、平面反射镜、激光增益介质、晶体圆锥镜、玻璃圆锥镜和平面输出耦合镜的中心位于同一中心轴线上；所述平面反射镜与平面输出耦合器之间构成激光器的谐振腔。
进一步地，所述晶体圆锥镜的右侧面为凹面，晶体圆锥镜的母线与所述的中心轴线之间形成90-θB的夹角，确保腔内激光以布儒斯特角θB入射到晶体圆锥镜的母线上。
进一步地，所述环形平凹镜的凹面对激光波长镀高反射膜；所述平面反射镜对激光波长镀高反射膜，同时对泵浦光波长镀增透膜；所述激光增益介质对泵浦波长和激光波长镀增透膜；所述晶体圆锥镜和玻璃圆锥镜对激光波长镀增透膜；所述平面输出耦合镜对激光波长镀透过率为5％的介质膜。
进一步地，所述激光增益介质自混频的非线性晶体，所述激光器通过旋转激光增益介质来调节激光增益介质的方位角以改变不同波长λ的位相匹配角选择混频波长；并通过旋转晶体圆锥镜来实现激光波长λ的调谐。
本发明的有益效果是：本发明能够产生中心光强为零的空心激光束，并且通过旋转调节激光增益介质的方式，能够改变不同波长的位相匹配角，从而通过旋转激光增益介质可以选择混频波长；通过旋转调节晶体圆锥镜的方式，能够使腔内某一波长可达到阈值条件实现振荡，进而实现激光波长调谐，具有广泛的应用场景。
附图说明
图1为本发明激光器的结构示意图；
图2为晶体圆锥镜沿轴线截面示意图；
图3为玻璃圆锥镜沿轴线截面示意图；
图4激光增益介质选择混频波长原理图；
图5为Yb:GdCOB晶体的吸收和发射光谱图；
图6为混频波长λ与激光增益介质的旋转角ω之间的关系曲线；
图7晶体圆锥镜旋转角β与混频波长λ的透过率之间关系的曲线；
图中，1-泵浦源，2-耦合光学系统，3-环形平凹面镜，4-平面反射镜，5-激光增益介质，6-晶体圆锥镜，7-玻璃圆锥镜，8-平面输出耦合镜。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
如图1～3所示，一种自混频可调谐空心激光器，包括从左至右依次设置的泵浦源1、耦合光学系统2、环形平凹面镜3、平面反射镜4、激光增益介质5、晶体圆锥镜6、玻璃圆锥镜7和平面输出耦合镜8；所述环形平凹镜3的焦点F1经玻璃圆锥镜7所成的像与晶体圆锥镜6凹面的焦平面重合，环形平凹镜3、晶体圆锥镜6和玻璃圆锥镜7构成望远系统；环形平凹镜3的焦距为f1，焦点为F1；晶体圆锥镜6的锥角为α，底面加工成凹面，圆锥顶点向左，光轴与底面平行，凹面的焦距为f2，焦点为F2；玻璃圆锥镜8的顶点向左，锥角为γ；环形平凹镜3的焦点F1经玻璃圆锥镜7所成的像与晶体圆锥镜6凹面的焦平面重合，此时，环形平凹镜3、晶体圆锥镜6和玻璃圆锥镜7构成望远系统；平面反射镜4与平面输出耦合镜8构成激光谐振腔，使腔内光束在输出端变换为空心激光；
所述泵浦源1、耦合光学系统2、环形平凹面镜3、平面反射镜4、激光增益介质5、晶体圆锥镜6、玻璃圆锥镜7和平面输出耦合镜8的中心位于同一中心轴线上。
如图4所示，激光增益介质5可选择自混频非线性晶体，非线性晶体的混频效率由位相匹配角决定的，θ为光束的传播方向与增益介质光轴(c轴)之间的夹角，为方位角即光束的传播方向在aob平面上的投影与a轴的夹角。经计算可得，当沿着光束方向作为旋转轴时，当方位角增益介质的旋转角(定义：从a轴开始旋转角为零)。因此，当旋转角ω变化时，方位角将改变。但是，沿着旋转轴旋转增益介质时，θ的值并不改变。由于对于不同波长λ位相匹配角不同，当θ角不变时，波长λ的位相匹配角只与方位角有关，因此可以通过调节方位角来改变不同波长λ的位相匹配角从而通过旋转激光增益介质可以选择混频波长。
当光束以布儒斯特角θB入射到圆锥晶体的母线时，由于晶体的双折射滤光效应，当旋转角β改变时，对不同的波长有不同的透过率，即对腔内波长有不同的损耗，因此当旋转角β调节到适当的值时，可使腔内某一波长可达到阈值条件实现振荡，即可实现激光波长调谐。
在本申请的实施例中，泵浦波长(即泵浦源的输出光波长)为902nm，激光波长(即整个激光器的输出光波长)为500-525nm，具体地，泵浦源1采用输出波长为902nm；耦合光学系统2采用焦距100mm的凸透镜，镀902nm的增透膜，采用端面泵浦的方式将能量注入到激光增益介质内；激光增益介质5采用Yb:GdCOB晶体，激光增益介质5采用Φ6mm×5mm、3.0at.％镱离子(Yb3+)掺杂浓度的晶体，对Yb:GdCOB晶体进行TEC致冷，温度控制在15°±0.5°范围，激光增益介质5通光面对902nm镀增透膜，切割角度θ＝90°；环形平凹镜3的凹面对500-525nm镀高反射膜；平面反射镜4对500-525nm镀高反射膜，同时对902nm镀增透膜；晶体圆锥镜6由石英制成，其锥角为α＝30°，长度d1＝15mm，对500-525nm镀增透膜；玻璃圆锥镜7由k9玻璃制成，其锥角为γ＝120°，长度d2＝5mm，对500-525nm镀增透膜；平面输出耦合镜8对500-525nm镀透过率约为5％的介质膜。
图5为Yb:GdCOB晶体的吸收和发射光谱图，由图5可以看出Yb:GdCOB晶体在850-1100nm波段的主要发射中心波长有3个分别是976nm、1000nm和1030nm，但在1000-1050nm有很宽的发射光谱。因此，当旋转激光增益介质5，即改变ω角时可满足不同波长的位相匹配，计算可得在500-525nm范围内的波长λ与激光增益介质5的旋转角ω之间的关系曲线如图6所示，
图6可以看出，当旋转激光增益介质5的旋转角在39.7°-43.8°范围，满足1000-1050nm范围内混频(倍频与和频)的位相匹配，可获得500-525nm范围内的二次谐波。上述计算了在500-525nm范围内的波长λ与激光增益介质5的旋转角ω之间的关系，但实际上每条跃迁谱线在非线性倍频或者每两条谱线非线性和频时，由于基频波的发射截面不同，会不可避免地产生增益竞争，因此需要调节这些谱线的损耗。由晶体双折射滤光效应可以计算出旋转晶体圆锥镜6与腔内激光波长的透过率之间关系的曲线，如图7所示，不同的旋转角β对不同的波长λ透过率不同。因此，当旋转激光增益介质的同时，再通过旋转晶体圆锥镜可实现500-525nm范围内可调谐波长输出。
需要说明的是，以上所述是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应该看作是对其他实施例的排除，而可用于其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种自混频可调谐空心激光器，其特征在于：包括从左至右依次设置的泵浦源(1)、耦合光学系统(2)、环形平凹面镜(3)、平面反射镜(4)、激光增益介质(5)、晶体圆锥镜(6)、玻璃圆锥镜(7)和平面输出耦合镜(8)；所述环形平凹镜(3)的焦点F1经玻璃圆锥镜(7)所成的像与晶体圆锥镜(6)凹面的焦平面重合，环形平凹镜(3)、晶体圆锥镜(6)和玻璃圆锥镜(7)构成望远系统；
所述泵浦源(1)、耦合光学系统(2)、环形平凹面镜(3)、平面反射镜(4)、激光增益介质(5)、晶体圆锥镜(6)、玻璃圆锥镜(7)和平面输出耦合镜(8)的中心位于同一中心轴线上；所述平面反射镜(4)与平面输出耦合器(8)之间构成激光器的谐振腔；
所述晶体圆锥镜(6)的右侧面为凹面，晶体圆锥镜(6)的母线与所述的中心轴线之间形成90-θB的夹角，确保腔内激光以布儒斯特角θB入射到晶体圆锥镜(6)的母线上；
所述激光增益介质(5)自混频的非线性晶体，所述激光器通过旋转激光增益介质(5)来调节激光增益介质的方位角以改变不同波长λ的位相匹配角选择混频波长；并通过旋转晶体圆锥镜(6)来实现激光波长λ的调谐；所述晶体圆锥镜(6)采用双折射晶体。
2.根据权利要求1所述的一种自混频可调谐空心激光器，其特征在于：所述环形平凹镜(3)的凹面对激光波长镀高反射膜。
3.根据权利要求1所述的一种自混频可调谐空心激光器，其特征在于：所述平面反射镜(4)对激光波长镀高反射膜，同时对泵浦光波长镀增透膜。
4.根据权利要求1所述的一种自混频可调谐空心激光器，其特征在于：所述激光增益介质(5)对泵浦波长和激光波长镀增透膜。
5.根据权利要求1所述的一种自混频可调谐空心激光器，其特征在于：所述晶体圆锥镜(6)和玻璃圆锥镜(7)对激光波长镀增透膜。
6.根据权利要求1所述的一种自混频可调谐空心激光器，其特征在于：所述平面输出耦合镜(8)对激光波长镀透过率为5％的介质膜。
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