CN109586150B - 一种单谐振腔实现百瓦级连续单频全固态激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单谐振腔实现百瓦级连续单频全固态激光器，在单环形谐振腔实现百瓦级全固态连续单频激光器时，不需采用注入锁定放大技术，相对成本较低；克服了腔内插有单块晶体的单谐振腔在高功率泵浦时由热效应导致激光器稳区变窄的现象以及和单块晶体损伤阈值对输出功率的限制，激光器的输出功率提升空间大；单谐振腔实现高光束质量高功率全固态连续单频激光器时，激光器的腔型结构紧凑，易于集成化，易于实现商业化生产；可用于端面泵浦以及侧面泵浦的高光‑光转换效率高光束质量高功率全固态连续单频激光器的实现。

Description

一种单谐振腔实现百瓦级连续单频全固态激光器

技术领域

本发明属于激光技术领域，涉及一种单谐振腔实现百瓦级连续单频全固态激光器。

背景技术

全固态单频激光器因其结构紧凑，体积小巧，光束质量好，长期功率稳定性高，在高输出功率的条件下仍然具有较低的强度噪声低等优点而被广泛应运于量子信息，量子通讯，引力波探测等多个领域。随着科学技术的发展，人们对全固态激光器的输出功率提出了更高的要求，因为在以引力波探测为代表的微弱信号的精密测量中，高输出功率的全固态激光器可提高测量装置的信噪比，进而提高测量精度。

目前在单谐振腔实现高功率全固态激光器的方法是通过利用直接泵浦的方式来降低由泵浦过程中的量子损耗引入的热，利用适当掺杂浓度的长棒晶体来提高对泵浦光的吸收效率，通过对腔型结构设计实现谐振腔像散与增益晶体的热透镜像散进行有效补偿，利用在环形谐振腔中插入单向器来迫使激光器单向运转，通过插入非线性晶体引入非线性损耗实现激光器的单频无跳模运转。受限于单谐振腔中增益晶体的热效应以及增益晶体热损伤阈值的限制，单谐振腔的连续单频输出功率限制于百瓦级以下。

百瓦级连续单频全固态激光器的一种实现方法采用行波放大装置。行波放大由于无谐振腔，放大方式简单，通过增加激光放大的级数去实现高功率激光输出增加了光路的复杂性，放大器的输出光束受增益晶体热效应的逐级累积出现退化，进一步限制了高功率高光束质量激光器的实现。行波放大器的输出功率的提升对种子光功率的饱和程度依赖性大，种子光功率限制了行波放大器功率的进一步提升。

百瓦级连续单频全固态激光器的另一种实现方式时采用注入锁定放大技术。被锁定的高功率谐振腔具有滤波作用，注入锁定放大器在实现较高输出功率的同时仍能实现较好的光束质量。在注入锁定放大器中，百瓦级连续单频激光输出的实现依赖于采用锁定环路来将高功率谐振腔的振荡频率精确锁定到种子源激光器的振荡频率，采用多套稳频系统来提高种子源激光器和高功率激光器的频率稳定性。多套锁定环路和稳频系统的使用，使得到的百瓦级全固态连续单频激光系统对外界的干扰更加灵敏。注入锁定放大器的锁定带宽，输出功率对种子光的功率饱和程度依赖性大，实际百瓦级注入锁定放大系统中需要采用多套前置激光放大器来提高低功率种子源激光器的输出功率，这进一步增加了系统的复杂程度，不利于实现结构紧凑的可商业化的百瓦级全固态连续单频激光器。

目前，现有报道中采用侧面泵浦的环形谐振腔，腔内插有两块增益晶体，由于两块增益晶体之间未能实现较好的模式匹配，激光器的工作稳区无法主动操控，产生激光中的次模未能有效抑制，导致获得的器连续单频激光器输出功率处于百瓦级以下，光-光转换效率低，长期单频稳定运转特性差。另外的报道中采用端面泵浦四块增益晶体的条件下实现了213W单横模激光输出，该激光器单频运转特性的实现依赖于注入锁定放大技术，光-光转换效率低，进一步的功率提升空间小。注入锁定放大技术的采用增加了系统的复杂性，多路锁定环路的使用增加了百瓦级系统对于外界环境的干扰尤的敏感性，庞大的光路系统，复杂的锁定环路，不利于集成化和商业化的实现。

发明内容

本发明的目的在于避免现有技术的不足之处而提供一种单谐振腔实现百瓦级连续单频全固态激光器。

本发明的目的可以通过采用如下的技术措施来实现，设计一种单谐振腔实现百瓦级连续单频全固态激光器，包括：由第一腔镜1、第二腔镜2、第三腔镜3和n个腔镜S₁-S_n组成环形谐振腔，其中n≥2；设置各腔镜的位置，使腔镜S₁-S_n-1的入射光线和出射光线相互垂直；

在环形谐振腔内插入n块增益晶体LC₁-LC_n，每一增益晶体对应的设置于靠近与之编号下标相同的腔镜的射出光路上；还包括n个泵浦源PL₁-PL_n，每一增益晶体单独由一个泵浦源对应进行泵浦；

环形谐振腔内的增益晶体LC_n-1和LC_n之间的光路上设置由透镜fn-1和fn组成的n组成像系统(fn-1，fn)，实现腔模与泵浦模式在n块增益晶体LC₁-LC_n处的良好模式匹配以及操控激光器的工作稳区，通过控制激光器的腔模在增益晶体的大小以保证高功率输出的模式为TEM00模；

环形谐振腔内插入的单向器4迫使激光器实现稳定的单向运转；其中，所述单向器4设置于第一腔镜1和腔镜S₁之间的光路上；

环形谐振腔内插入的非线性晶体5引入的非线性损耗抑制激光器的多模振荡以及跳模现象，实现激光器的单频稳定运转；其中，所述非线性晶体5设置于第二腔镜2和第三腔镜3之间的光路上；

环形谐振腔中的第二腔镜2和第三腔镜3为平凹镜，确保将非线性晶体5插入第二腔镜2和第三腔镜3的聚焦束腰处时，非线性晶体5能够在谐振腔内引入足够的非线性损耗抑制激光器的多模振荡与跳模现象。

区别于现有技术，本发明在单环形谐振腔实现百瓦级全固态连续单频激光器时，不需采用注入锁定放大技术，相对成本较低；克服了腔内插有单块晶体的单谐振腔在高功率泵浦时由热效应导致激光器稳区变窄的现象以及和单块晶体损伤阈值对输出功率的限制，激光器的输出功率提升空间大；单谐振腔实现高光束质量高功率全固态连续单频激光器时，激光器的腔型结构紧凑，易于集成化，易于实现商业化生产；可用于端面泵浦以及侧面泵浦的高光-光转换效率高光束质量高功率全固态连续单频激光器的实现。

附图说明

图1是本发明提供的一种单谐振腔实现百瓦级连续单频全固态激光器中端面泵浦对应的结构示意图。

图2是本发明提供的一种单谐振腔实现百瓦级连续单频全固态激光器中侧面泵浦对应的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步更详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

参阅图1，图1是本发明提供的一种单谐振腔实现百瓦级连续单频全固态激光器中端面泵浦对应的结构示意图。包括：

由腔镜S_1-S_n、第一腔镜1、第二腔镜2及第三腔镜3组成的环形谐振腔、n块增益晶体LC₁-LC_n，与n块增益晶体LC₁-LC_n对应的n个泵浦源PL₁-PL_n、单向器4、与n块增益晶体LC₁-LC_n对应的成像系统(f1，f2)-(fn-1，fn)、非线性晶体5，其中n≥2。通过在谐振腔内插入n块增益晶体体LC₁-LC_n，每块增益晶体单独由一个泵浦源进行泵浦PL₁-PL_n，克服了腔内插有单块晶体的单谐振腔在高功率泵浦时由热效应导致激光器稳区变窄的现象以及和单块晶体损伤阈值对输出功率的限制，使激光器的输出功率提升空间大；谐振腔中插入的单向器4迫使激光器实现稳定的单向运转；由透镜fn-1和fn组成的多组成像系统(f1，f2)-(fn-1，fn)使激光器实现谐振腔模与泵浦腰斑在n块增益晶体处能够实现较好的模式匹配，通过操控各个成像系统两透镜之间的距离控制激光器的工作稳区和腔模在增益晶体的大小以保证高功率输出的模式为TEM00模；非线性晶体5引入的非线性损耗抑制激光器的多模振荡以及跳模现象，实现激光器的单频稳定运转。

在单环形谐振腔内插入n块增益晶体LC₁-LC_n，每块增益晶体单独由一个泵浦源进行泵浦PL₁-PL_n，克服了腔内插有单块晶体的单谐振腔在高功率泵浦时由热效应导致激光器稳区变窄的现象以及和单块晶体损伤阈值对输出功率的限制，激光器的输出功率提升空间大。

环形谐振腔内插入的单向器4有效消除激光器的空间烧孔效应，谐振腔内第二腔镜2和第三腔镜3确保非线性晶体5放置于二者的聚焦束腰处有足够的非线性损耗引入谐振腔内。利用插有单向器4和非线性晶体5的环形激光器实现激光器的连续单频激光输出。

上述一种单谐振腔实现百瓦级连续单频全固态激光器，高功率全固态激光器稳定、无跳模运转的实现是在环形谐振腔中插入单向器4迫使环形激光器实现稳定的单向运转和非线性晶体5引入的非线性损耗抑制激光器的多模振荡以及跳模现象共同作用的结果。

各个成像系统(f1，f2)-(fn-1，fn)中的透镜到对应增益晶体LC₁-LC_n主平面的距离均为透镜的聚焦长度。在激光器腔型结构的设计过程中，在考虑增益晶体热效应的条件下，需要利用ABCD传输矩阵模拟激光器的工作稳区随各个成像系统中透镜之间距离的变化，进而可获得在特定泵浦功率注入的条件下可适应增益晶体热效应的高功率环形激光器的腔结构参数。通过操控各个成像透镜之间的距离不仅可以实现腔模与泵浦模式在各个增益晶体处的良好模式匹配以及对激光器的稳区以及输出功率的操控，并且可以控制激光器的腔模在增益晶体的大小以保证高功率输出的模式为TEM00模。所设计激光器的激光腔模在增益晶体处的束腰半径需满足小于dA/4.6的条件，以避免由于激光腔模在增益晶体出的束腰过大引起衍射现象，其中dA为增益晶体的横向直径。

激光器输出耦合镜透射率的选取同时满足激光器高功率输出和单频运转的条件。在单频运转条件下，谐振腔内的线性损耗与非线性损耗满足

其中，

I₀为增益晶体的饱和参量，η为非线性晶体的非线性转化系数，具体可根据非线性晶体的相位匹配方式以及非线性晶体的参数计算得到；

g₀为小信号增益系数，l为非线性晶体的长度，

g₀l＝KPin (2)

其中，K为泵浦因子，Pin为泵浦功率；

△λ_g为增益带宽，l为非线性晶体的长度，cons表示倍频晶体的非线性接收带宽与倍频晶体的长度的乘积对应的常数；α0为归一化的线性损耗，表示为：

其中，L为腔内的线性损耗，t为输出耦合镜的透射率。α₀为包含有输出耦合镜透射率t的函数。在特定腔型结构下，腔内损耗是定值，非线性晶体的非线性转化系数也是可以实际操控可确定的值，利用公式(1)-(3)，可以计算得到在特定注入功率下，满足激光器输出尽可能高的激光功率的同时还可以实现单频运转特性所对应的激光器的输出耦合镜的最佳透射率t。

腔内插有n块增益晶体LC₁-LC_n的激光器输出功率可用稳态条件理论模型下激光器的理论模型进行预测。处于稳定运转状态的全固态连续单频激光器，激光器总的小增益系数为n块增益晶体LC₁-LC_n产生的小增益系数的总和，在稳态条件下腔内基频光的强度可以表示为：

其中，t为输出耦合镜的透射率，L为腔内线性损耗，η为非线性晶体5的非线性转化系数，具体可根据非线性晶体的相位匹配方式以及非线性晶体的参数计算得到。

基波的输出功率可以表示为：

Pf＝AtI (5)

二次谐波的输出功率可以表示为：

Psh＝ηAI2 (6)

其中，Pf为基波输出功率，Psh为二次谐波输出功率，A为增益晶体中激光束的横截面积。当激光器的腔型结构确定后，非线性晶体的非线性转化系数η为确定值。高功率激光器的腔内损耗为确定值。进而利用公式(4)-(6)可以预测得到高功率激光器腔的最终输出功率。

实施方式一：图1所示为端面泵浦高光束质量高功率全固态连续单频环形激光器的装置结构示意图，激光器采用环形谐振腔结构，由腔镜S1-Sn、第一腔镜1、第二腔镜2、第三腔镜3组成，采用端面泵浦的泵浦方式，泵浦源为光纤耦合输出的激光二极管PL₁-PL_n。腔镜S1-Sn为45°平面镜，泵浦入射端面镀有泵浦光高透膜，另一端面镀有泵浦光高透和基频光高反膜；第一腔镜1为55°入射的平面镜，端面镀有基频光高反膜；第二腔镜2、第三腔镜3为10°入射的平凹镜，第二腔镜2凹面镀膜对基频光高反膜；第三腔镜3凹面镀膜对倍频光高透对基频光有一定的透射率，该激光器中输出耦合镜透射率的选取结合本发明中公式(1)-(3)，满足在特定泵浦功率能够输出较高连续单频激光输出。通过在单个环形谐振腔内插入n块单独泵浦(泵浦源PL₁-PL_n)增益晶体LC₁-LC_n可克服内插有单块晶体的单谐振腔在高功率泵浦时由热效应导致激光器稳区变窄的现象以及和单块晶体损伤阈值对输出功率的限制，该激光器的功率提升无上限，激光器的输出功率提升空间大。环形谐振腔n块增益晶体LC₁-LC_n之间插入成像系统(f1，f2)-(fn-1，fn)实现腔模与泵浦模式在n块增益晶体处良好模式匹配，通过操控各个成像系统两透镜之间的距离实现对激光器的稳区以及输出功率的操控，控制激光器的腔模在增益晶体的大小以保证高功率输出的模式为TEM00模；增益晶体的通光面切割成一定的楔角，起到偏振分束器的作用，便于维持激光器偏振态的稳定。增益晶体由铟薄包覆并通过真空铟焊置于紫铜控温炉中，采用热电制冷器(TEC)进行温度控制，热沉为通有冷却循环水的紫铜块。增益晶体也可以采用直接水冷的方式。环形谐振腔内插入光学单向器4通过消除空间烧孔效应进而保证激光器的稳定单向运转，激光器稳定的单向运转是实现高功率输出的基本条件之一。非线性晶体5位于第二腔镜2和第三腔镜3之间的基模束腰处，以保证较高的非线性转化效率，从而保证有足够的非线性损耗引入谐振腔内抑制激光器的跳模与多模振荡现象，这是实现高稳定性激光器的必要条件之一。非线性晶体5可以是温度相位匹配也可以是角度相位匹配，并且非线性晶体的材质不受限制。

实施方式二：图2所示为侧面泵浦高光束质量高功率全固态连续单频环形激光器的装置结构示意图，激光器采用环形谐振腔结构，由腔镜6、7、第二腔镜2、第三腔镜3组成，采用侧面泵浦的泵浦方式。腔镜6和7为有一定角度入射和一定曲率半径的凹凸镜，凹面镀有泵浦光高透膜，凸面镀有泵浦光高透和基频光高反膜；第二腔镜2、第三腔镜3为一定角度入射的平凹镜，第二腔镜2凹面镀膜对基频光高反膜；第三腔镜3凹面镀膜对倍频光高透对基频光有一定的透射率，激光器中输出耦合镜透射率的选取结合本发明中公式(1)-(3)，满足在特定泵浦功率能够输出较高连续单频激光输出。通过在单个环形谐振腔内插入n块单独泵浦(泵浦源PL1-PLn)增益晶体LC1-LCn可克服内插有单块晶体的单谐振腔在高功率泵浦时由热效应导致激光器稳区变窄的现象以及和单块晶体损伤阈值对输出功率的限制，该激光器的功率提升无上限，激光器的输出功率提升空间大。环形谐振腔n块增益晶体LC1-LCn之间插入成像系统(f1，f2)-(fn-1，fn)实现腔模与泵浦模式在n块增益晶体处良好模式匹配，通过操控各个成像系统两透镜之间的距离实现对激光器的稳区以及输出功率的操控，控制激光器的腔模在增益晶体的大小以保证高功率输出的模式为TEM00模。增益晶体可以由铟薄包覆并通过真空铟焊置于紫铜控温炉中，采用热电制冷器(TEC)进行温度控制，热沉为通有冷却循环水的紫铜块，增益晶体也可以采用直接水冷的方式。环形谐振腔内插入光学单向器4通过消除空间烧孔效应进而保证激光器的稳定单向运转，激光器稳定的单向运转是实现高功率输出的基本条件之一。非线性晶体5位于第二腔镜2和第三腔镜3之间的基模束腰处，以保证较高的非线性转化效率，从而保证有足够的非线性损耗引入谐振腔内抑制激光器的跳模与多模振荡现象，这是实现高稳定性激光器的必要条件之一。非线性晶体5可以是温度相位匹配也可以是角度相位匹配，并且非线性晶体的材质不受限制。

区别于现有技术，本发明在单环形谐振腔实现百瓦级全固态连续单频激光器时，不需采用注入锁定放大技术，相对成本较低；克服了腔内插有单块晶体的单谐振腔在高功率泵浦时由热效应导致激光器稳区变窄的现象以及和单块晶体损伤阈值对输出功率的限制，激光器的输出功率提升空间大；单谐振腔实现高光束质量高功率全固态连续单频激光器时，激光器的腔型结构紧凑，易于集成化，易于实现商业化生产；可用于端面泵浦以及侧面泵浦的高光-光转换效率高光束质量高功率全固态连续单频激光器的实现。

以上仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (4)

1.一种单谐振腔实现百瓦级连续单频全固态激光器，其特征在于，包括：

由第一腔镜(1)、第二腔镜(2)、第三腔镜(3)和n个腔镜S₁-S_n组成环形谐振腔，其中n为大于等于2的偶数；设置各腔镜的位置，使腔镜S₁-S_n-1的入射光线和出射光线相互垂直；

在环形谐振腔内插入n块增益晶体LC₁-LC_n，每一增益晶体对应的设置于靠近与之编号下标相同的腔镜的射出光路上；还包括n个泵浦源PL₁-PL_n，每一增益晶体单独由一个泵浦源对应进行泵浦；

环形谐振腔内的增益晶体LC_n-1和LC_n之间的光路上设置由透镜fn-1和fn组成的成像系统(fn-1，fn)，实现腔模与泵浦模式在n块增益晶体LC₁-LC_n处的良好模式匹配以及操控激光器的工作稳区，通过控制激光器的腔模在增益晶体的大小以保证高功率输出的模式为TEM00模；

环形谐振腔内插入的单向器(4)迫使激光器实现稳定的单向运转；其中，所述单向器(4)设置于第一腔镜(1)和腔镜S₁之间的光路上；

环形谐振腔内插入的非线性晶体(5)引入的非线性损耗抑制激光器的多模振荡以及跳模现象，实现激光器的单频稳定运转；其中，所述非线性晶体(5)设置于第二腔镜(2)和第三腔镜(3)之间的光路上；

环形谐振腔中的第二腔镜(2)和第三腔镜(3)为平凹镜，确保将非线性晶体(5)插入第二腔镜(2)和第三腔镜(3)的聚焦束腰处时，非线性晶体(5)能够在谐振腔内引入足够的非线性损耗抑制激光器的多模振荡与跳模现象；

在单频运转条件下，谐振腔内的线性损耗与非线性损耗满足

其中，

I₀为增益晶体的饱和参量，η为非线性晶体的非线性转化系数，具体可根据非线性晶体的相位匹配方式以及非线性晶体的参数计算得到；

g₀为小信号增益系数，l为非线性晶体的长度，

g₀l＝KPin (2)

其中，K为泵浦因子，Pin为泵浦功率；

△λ_g为增益带宽，所述非线性晶体为倍频晶体；cons表示倍频晶体的非线性接收带宽与倍频晶体的长度的乘积对应的常数；α₀为归一化的线性损耗，表示为：

其中，L为腔内的线性损耗，t为输出耦合镜的透射率；α₀为包含有输出耦合镜透射率t的函数；在特定腔型结构下，利用公式(1)-(3)，计算得到在特定注入功率下，满足激光器输出尽可能高的激光功率的同时还可以实现单频运转特性所对应的激光器的输出耦合镜的最佳透射率t。

2.根据权利要求1所述的一种单谐振腔实现百瓦级连续单频全固态激光器，其特征在于，环形谐振腔中增益晶体的个数没有上限，激光器的输出功率提升空间大。

3.根据权利要求1所述的一种单谐振腔实现百瓦级连续单频全固态激光器，其特征在于，所用的增益晶体是固态的增益介质，是板条状增益介质、棒状增益介质、单晶光纤中的一种或几种。

4.根据权利要求1所述的一种单谐振腔实现百瓦级连续单频全固态激光器，其特征在于，非线性晶体是产生非线性效应的非线性介质，相位匹配方式是角度相位匹配和/或温度相位匹配。

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