CN109904720B - 一种注入锁频1342nm环形固体激光器及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种注入锁频1342nm环形固体激光器及控制方法，注入锁频1342nm环形固体激光器包括主激光器、从激光器和注入锁频系统；所述的从激光器包括LD泵浦激光器，激光晶体，以及由种子光输入端面镜、LD泵浦光端面输入镜、凹面腔镜和凹面腔镜构成的“8”字四镜环形谐振腔；所述的主激光器是外腔式可调谐半导体激光器，所述的种子激光激经过隔离器和整形系统整形后，注入到从激光器的谐振腔内；具有良好的空间特性和光谱特性的主激光器去控制一台具有较高能量的从激光器，这样可以保证输出激光具有单纵模、窄线宽、频率可调谐、高能量和高光束质量等特点。通过种子光进入环形功率腔进行放大实现，功率可达10W级。
Description
技术领域
本发明属于激光器技术领域，具体涉及一种注入锁频1342nm环形固体激光器及控制方法。
背景技术
一般固体激光器要产生单模光束必须在腔内插入双折射片、标准具等光学元件进行模式选择。插入光学元件增加了噪声、增加了损耗、提高了阈值、降低了斜效率。但是注入锁定技术可以克服这些缺点，注入锁定技术是将微弱的种子激光注入到大功率的激光器中，产生窄线宽、单模、高功率的激光输出。由于不需要加入额外的选频元件，因此提高了激光系统的输出性能。注入锁定激光器已在激光雷达、干涉仪、激光测量等应用领域有着重要的应用。目前，注入锁定激光器大多是脉冲激光器，能产生连续、窄线宽的激光器较少；注入锁定用低功率的种子激光器(波长为λ1)，注入锁定激光晶体，在泵浦光的作用下(波长为λ2)，产生波长为λ1的窄线宽、单模、高功率的激光输出。
倍频一般有两种方式，腔内倍频和腔外倍频，两种方式各有优缺点，腔外倍频技术稳定性较好，但是倍频效率较低，腔内倍频与之相反。而且目前市场上，单纯的固体激光器出射连续可调谐1342nm激光都有着能量较低的缺点,市场上连续可调谐单频的1342nm激光器是毫瓦级，实现高能量都需要进行对种子光放大，放大的方式有很多种特殊结构，比如直接一次通过放大晶体，或者光纤拉曼放大，结构比较复杂或者可调谐性差等缺点，而且能量也仅在毫瓦级。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种注入锁频1342nm环形固体激光器，具有单纵模、窄线宽、频率可调谐、高能量和高光束质量等特点。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种注入锁频1342nm环形固体激光器，包括主激光器、从激光器和注入锁频系统；所述的从激光器包括LD泵浦激光器，激光晶体，以及由种子光输入端面镜、LD泵浦光端面输入镜、凹面腔镜和凹面腔镜构成的“8”字四镜环形谐振腔；所述的主激光器是外腔式可调谐半导体激光器，所述的种子激光激经过隔离器和整形系统整形后，注入到从激光器的谐振腔内；
注入锁频系统包括光电探测器、激光锁频装置、示波器、压电驱动器和压电陶瓷PZT；所述的压电陶瓷设置在所述的凹面腔镜的背部，所述的光电探测器置于所述的凹面腔镜后方以探测谐振腔的透射光谱并获得反射信号，所述的压电陶瓷与压电驱动器连接，所述的压电驱动器和光电探测器分别连接至激光锁频机构。
在上述技术方案中，主激光器出射1342nm种子激光，所述的种子激光为单频连续光，线宽小于500KHZ。
在上述技术方案中，LD泵浦激光器为光纤耦合激光二极管，输出中心波长为880nm，光纤直径为400um，数值孔径N.A.为0.22，光纤输出的抽运光经耦合系统后纵向注入到激光晶体中，聚焦光斑大小为600um。
在上述技术方案中，LD泵浦光端面输入镜靠近泵浦光的一侧面镀880nm减反膜，另一侧面镀1342nm高反膜和880nm增透膜。
在上述技术方案中，所述的种子光输入端面镜的两面设置有反射膜，反射膜对1342nm的透过率T＝2％、4％、7％、10％或20％。
在上述技术方案中，凹面腔镜曲率半径为100mm，镀1342nm高反膜，从激光器四个腔镜对1064nm总透过率大于95％以抑制1064nm激光起振。
在上述技术方案中，激光晶体采用YVO4-Nd:YVO4键合晶体、Nd：YAP或Nd：YAG晶体为增益介质，晶体的两端面分别镀880nm、1342nm减反膜以及1064nm减反膜，激光束在从激光谐振腔内形成振荡并出射。
在上述技术方案中，所述的整形系统为聚焦透镜
一种如所述注入锁频1342nm环形固体激光器的控制方法，包括以下步骤，
1)主激光器1出射1342nm种子激光，此激光为单频连续光，线宽小于500KHZ，光束质量好，M2<1.2，频率可连续调节，经过隔离器和整形系统整形后，从种子光输入端面镜注入到从激光器的谐振腔内；
2)从激光器的泵浦激光器出射泵浦光激励激光晶体而激发荧光，荧光经由谐振腔振荡后产生1342nm红外光；
3)锁定系统完成对激光谐振腔的锁频；
4)种子光注入到从激光器谐振腔内，从激光器处于谐振出射宽带自然模的状态，种子光的种子模与从激光器自然模竞争，当注入种子模功率大于自然模时，使得从激光功率腔内的与种子光模式相同的纵模极快增长，迅速超过其他所有模式，形成与种子模一致的激光输出。
在上述技术方案中，所述的激光谐振腔的锁频工作过程为：
第一步，开启种子光激光器，将其耦合进入环形腔内；
第二步：压电驱动器连接至激光锁频装置，由锁频装置给出扫描信号，以此反馈到压电陶瓷PZT上来改变环形腔的频率，开始扫描腔长，
第三步：将光电探测器置于环形腔的凹面腔镜后，探测谐振腔的透射光谱以获得光谱信号，通过光谱信号可以实时获取扫描腔长时腔内的光功率信息，光电探测器将探测到的光信号转化为电信号输入到锁频装置内，此时从示波器上透射峰大小可判断基频光在环形腔内达到谐振的情况，并由激光锁频装置开启锁定功能；
第四步：当透射峰光谱受到外部扰动偏离锁定点，由锁频装置反馈给压电陶瓷PZT，将腔长拉回锁定点，达到重新锁定的状态。
在上述技术方案中，所述的激光谐振腔的锁频模式为PDH锁频。
本发明的优点和有益效果为：
本发明以具有良好的空间特性和光谱特性的主激光器去控制一台具有较高能量的从激光器，这样可以保证输出激光具有单纵模、窄线宽、频率可调谐、高能量和高光束质量等特点。激光锁频的基础上，使得从激光器谐振腔锁定，进而将种子光注入到从激光器谐振腔内，种子光的种子模与从激光器自然模竞争，当注入种子模功率大于自然模时，使得从激光功率腔内的与种子光模式相同的纵模极快增长，迅速超过其他所有模式，形成与种子模一致的激光输出，此时激光能量大幅增加，实现了单频、频率可调谐、高能量的1342nm激光，解决了单频可调谐1342nm激光能量低的问题。通过种子光进入环形功率腔进行放大实现，功率可达10W级。
附图说明
图1是本发明注入锁频1342nm环形固体激光器的结构示意图。
其中：
1.种子激光器 2.隔离器 3.整形系统 4.种子光输入端面镜 5.LD泵浦光端面输入镜 6.凹面腔镜 7.凹面腔镜 8.LD泵浦激光器 9.激光晶体 10.光电探测器 11.激光锁频装置 12.示波器 13.压电驱动器 14.压电陶瓷PZT。
对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据以上附图获得其他的相关附图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
本发明的一种注入锁频1342nm环形固体激光器，包括主激光器(种子激光器)、从激光器和注入锁频系统，所述的从激光器包括LD泵浦激光器8，激光晶体9，以及构成“8”字四镜环形谐振腔的种子光输入端面镜4、LD泵浦光端面输入镜5、凹面腔镜6和凹面腔镜7；所述的主激光器是外腔式可调谐半导体激光器，出射激光为单频，频率可由光栅粗调、温度细调的两种连续可调谐方式，所述的种子激光激经过隔离器2和整形系统3整形后，注入到从激光器的谐振腔内；
注入锁频系统包括隔离器2、整形系统3、光电探测器10、激光锁频装置11、示波器12、压电驱动器13和压电陶瓷PZT14；所述的压电陶瓷设置在所述的凹面腔镜7的背部，所述的光电探测器置于所述的凹面腔镜6后方以探测谐振腔的透射光谱并获得反射信号，所述的压电陶瓷与压电驱动器连接，所述的压电驱动器和光电探测器分别连接至激光锁频机构。
具体地，主激光器出射1342nm种子激光，此激光为单频连续光，线宽小于500KHZ，光束质量好，M2<1.2，频率可连续调节，频率稳定性高，它经过隔离器2和整形系统3整形后，注入到从激光器的谐振腔内。
从激光器采用“8”字四镜环形谐振腔结构，泵浦源采用光纤耦合激光二极管，输出中心波长为880nm，光纤直径为400um，数值孔径N.A.为0.22。光纤输出的抽运光经耦合系统后纵向注入到复合晶体工作物质中，聚焦光斑大小为600um。。
平面腔镜靠近泵浦光的一端镀880nm减反膜(T>95％)，另一端镀1342nm高反(R>99.8％)和880nm增透膜(T>95％)；种子光输入耦合镜，对于种子光耦合进入到腔内的多少起到了关键性作用，其中，合适的透过率，锁频的好坏，种子光聚焦到腔内的光斑大小，还有种子光的参数比如线宽模式等对结果都有影响，优选地它的表面镀一定透过率的1342nm反射膜，如可采用T＝2％、4％、7％、10％或20％。
凹面腔镜曲率半径为100mm，镀1342nm高反膜(R>99.8％)。另外，为了抑制1064nm激光起振，从激光器四个腔镜对1O64nm总透过率大于95％。
激光晶体采用YVO4-Nd:YVO4键合晶体为增益介质，晶体的两端面除了镀880nm、1342nm减反膜外，还镀1064nm减反膜用于防止1064nm光在激光晶体内起振，激光束在从激光谐振腔内形成振荡并出射。
所述注入锁频1342nm环形固体激光器的控制方法，包括以下步骤，
1)主激光器1出射1342nm种子激光，此激光为单频连续光，线宽小于500KHZ，光束质量好，M2<1.2，频率可连续调节，频率稳定性高。它经过隔离器2和整形系统3整形后，从种子光输入端面镜4注入到从激光器的谐振腔内。
2)从激光器的泵浦激光器8出射泵浦光激励激光晶体9而激发荧光，荧光经谐振腔振荡后产生1342nm红外光。
具体地，从激光器谐振腔经过细致调节，在泵浦激光器8的泵浦下谐振出射宽带的自然模；当从激光谐振腔被激光锁频系统锁频时，种子光才被成功锁定在从激光器谐振腔内；在激光谐振腔成功锁频的基础上，种子光经模式耦合后注入到从激光谐振腔内；在初始阶段，腔内所有可能起振的纵模频率均从自发辐射噪声中开始建立振荡，此时即为宽带的自然模，如果没有种子注入，自然模开始振荡并形成激光输出；在有种子注入的条件下，腔内与种子光模式相同的纵模增长极快，迅速超过其他所有模式，形成与种子模一致的激光输出。而其中从激光器和谐振腔的锁频是获得高能量的必要条件，
从激光器工作过程是：LD泵浦激光器8出射的泵浦光纵向泵浦到激光晶体9上，LD泵浦激光器8的中心波长与激光晶体9的吸收带重合，激光晶体9被激发出红外波段的荧光。荧光经由4、种子光输入端面镜5、LD泵浦光端面输入镜6和凹面腔镜7组成的谐振腔振荡后产生1342nm红外光。在谐振腔成功锁定和从激光器谐振输出自然模的基础上，注入种子光进入从激光谐振腔内，避免出现自然模增益超过种子模增益，只有当注入种子模功率大于自然模时，才能实现种子光与功率腔的频率锁定，提高激光输出的单色性。
3)锁定系统完成对激光谐振腔的锁频；
具体地，锁定系统中的压电驱动器13连接至激光锁频装置11，由锁频装置11给出扫描信号，以此反馈到压电陶瓷PZT 14上来改变环形腔的频率，开始扫描腔长；将光电探测器10置于环形腔的凹面腔镜6后，探测谐振腔的透射光谱以获得光谱信号，通过光谱信号可以实时获取扫描腔长时腔内的光功率信息，光电探测器10将探测到的光信号转化为电信号输入到锁频装置11内，由激光锁频装置11开启锁定功能。激光谐振腔的锁频工作过程为：首先开启种子光激光器1，将其耦合进入环形腔内；第二步：压电驱动器13连接至激光锁频装置11，由锁频装置11给出扫描信号，以此反馈到压电陶瓷PZT 14上来改变环形腔的频率，开始扫描腔长，第三步：将光电探测器10置于环形腔的凹面腔镜6后，探测谐振腔的透射光谱以获得光谱信号，通过光谱信号可以实时获取扫描腔长时腔内的光功率信息，光电探测器10将探测到的光信号转化为电信号输入到锁频装置11内，此时从示波器12上透射峰大小可判断基频光在环形腔内达到谐振的情况，并由激光锁频装置11开启锁定功能。第四步：当透射峰光谱受到外部扰动偏离锁定点，由锁频装置11反馈给压电陶瓷PZT14，将腔长拉回锁定点，达到重新锁定的状态。
4)在激光成功锁定的基础上，种子光注入到从激光器谐振腔内，从激光器此时处于谐振出射宽带自然模的状态，种子光的种子模与从激光器自然模竞争，当注入种子模功率大于自然模时，使得从激光功率腔内的与种子光模式相同的纵模极快增长，迅速超过其他所有模式，形成与种子模一致的激光输出。
为了易于说明，实施例中使用了诸如“上”、“下”、“左”、“右”等空间相对术语，用于说明图中示出的一个元件或特征相对于另一个元件或特征的关系。应该理解的是，除了图中示出的方位之外，空间术语意在于包括装置在使用或操作中的不同方位。例如，如果图中的装置被倒置，被叙述为位于其他元件或特征“下”的元件将定位在其他元件或特征“上”。因此，示例性术语“下”可以包含上和下方位两者。装置可以以其他方式定位(旋转90度或位于其他方位)，这里所用的空间相对说明可相应地解释。
而且，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个与另一个具有相同名称的部件区分开来，而不一定要求或者暗示这些部件之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种注入锁频1342nm环形固体激光器，其特征在于：包括主激光器、从激光器和注入锁频系统；所述的从激光器包括LD泵浦激光器，激光晶体，以及由种子光输入端面镜、 LD泵浦光端面输入镜、第一凹面腔镜和第二凹面腔镜构成的 “8”字四镜环形谐振腔；所述的主激光器是外腔式可调谐半导体激光器，种子光经过隔离器和整形系统整形后，注入到从激光器的谐振腔内以具有良好的空间特性和光谱特性的主激光器去控制一台具有较高能量的从激光器；主激光器出射1342nm种子光，LD泵浦光端面输入镜靠近泵浦光的一侧面镀880nm减反膜，另一侧面镀 1342nm高反膜和880nm增透膜；激光晶体采用YVO4-Nd:YVO4键合晶体、Nd：YAP或Nd：YAG晶体为增益介质，晶体的两端面分别镀880nm、1342nm减反膜以及1064nm减反膜，激光束在从激光谐振腔内形成振荡并出射；
注入锁频系统包括光电探测器 、激光锁频装置、示波器、压电驱动器和压电陶瓷 PZT；所述的压电陶瓷设置在所述的第一凹面腔镜的背部，所述的光电探测器置于所述的第二凹面腔镜后方以探测谐振腔的透射光谱并获得反射信号，所述的压电陶瓷与压电驱动器连接，所述的压电驱动器和光电探测器分别连接至激光锁频机构。
2.根据权利要求1所述的一种注入锁频1342nm环形固体激光器，其特征在于：所述的种子光为单频连续光，线宽小于500KHZ。
3.根据权利要求1所述的一种注入锁频1342nm环形固体激光器，其特征在于：LD泵浦激光器为光纤耦合激光二极管，输出中心波长为880nm，光纤直径为400um，数值孔径N.A.为0.22，光纤输出的抽运光经耦合系统后纵向注入到激光晶体中，聚焦光斑大小为600um。
4.根据权利要求1所述的一种注入锁频1342nm环形固体激光器，其特征在于：所述的种子光输入端面镜的两面设置有反射膜， 反射膜对1342nm的透过率T=2%、4%、7%、10%或20%。
5.根据权利要求1所述的一种注入锁频1342nm环形固体激光器，其特征在于：第一凹面腔镜和第二凹面腔镜的曲率半径为100mm，镀1342nm高反膜，从激光器四个腔镜对1064nm总透过率大于95%以抑制1064nm激光起振。
6.根据权利要求1所述的一种注入锁频1342nm环形固体激光器，其特征在于：所述的整形系统为聚焦透镜。
7.一种如权利要求1-6任一项所述注入锁频1342nm环形固体激光器的控制方法，其特征在于： 包括以下步骤，
1）主激光器出射1342nm种子光，此激光为单频连续光，线宽小于500KHZ，光束质量好，M2<1.2，频率可连续调节，经过隔离器和整形系统整形后，从种子光输入端面镜注入到从激光器的谐振腔内；
2）从激光器的泵浦激光器出射泵浦光激励激光晶体而激发荧光，荧光经由谐振腔振荡后产生1342nm红外光；
3）注入锁频系统完成对激光谐振腔的锁频；
4）种子光注入到从激光器谐振腔内，从激光器处于谐振出射宽带自然模的状态，种子光的种子模与从激光器自然模竞争，当注入种子模功率大于自然模时，使得从激光功率腔内的与种子光模式相同的纵模极快增长，迅速超过其他所有模式，形成与种子模一致的激光输出。
8.如权利要求7所述的控制方法，其特征在于：所述的激光谐振腔的锁频工作过程为：
第一步，开启主激光器，将其出射的种子光耦合进入环形腔内；
第二步：压电驱动器连接至激光锁频装置，由锁频装置给出扫描信号，以此反馈到压电陶瓷PZT 上来改变环形腔的频率，开始扫描腔长，
第三步：将光电探测器置于环形腔的第二凹面腔镜后，探测谐振腔的透射光谱以获得光谱信号，通过光谱信号可以实时获取扫描腔长时腔内的光功率信息，光电探测器将探测到的光信号转化为电信号输入到锁频装置内，此时从示波器上透射峰大小可判断基频光在环形腔内达到谐振的情况，并由激光锁频装置开启锁定功能；
第四步：当透射峰光谱受到外部扰动偏离锁定点，由锁频装置反馈给压电陶瓷 PZT，将腔长拉回锁定点，达到重新锁定的状态。
9.如权利要求7所述的控制方法，其特征在于：所述的激光谐振腔的锁频模式为PDH锁频。
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