CN110061412B - 一种适用于光通信的紫外固体激光装置 - Google Patents

一种适用于光通信的紫外固体激光装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种适用于光通信的紫外固体激光装置，包括：泵浦源(1)提供泵浦光；准直透镜(2)和聚焦透镜(3)作为泵浦源(1)的耦合装置，提高泵浦源耦合效率；第一高反镜(5)、第二高反镜(6)与耦合镜(4)组成激光谐振腔，以产生谐振激光；晶体(7)设置在泵浦光的行进方向上，经泵浦光激励后产生基频光；非线性光学晶体(8)设置在基频光的行进方向上，以产生紫外倍频光；电光调制器(9)设置在晶体(7)后方的基频光的行进方向上，以对基频光进行强度调制。可实现快速调谐紫外倍频光的高效输出。本发明结构紧凑，体积小、能耗低；光束质量、稳定性好、光斑尺寸小；调制性能好的紫外光输出，满足紫外光通信中对激光的要求。

Description

一种适用于光通信的紫外固体激光装置
技术领域
本发明涉及全固体激光器技术领域，特别涉及一种紫外固体激光装置。
背景技术
在光通信出现之前，人们的通信主要是电通信，与电通信相比较，光通信具有频带宽、传输容量大、损耗小、抗电磁干扰性好、保密性好等优点，比电通信有着更加广阔的发展空间。激光是光通信的理想光源，它的出现是光通信发展的重要一步。
激光在通信技术领域的应用目前主要体现在两个方面：一个是有线的激光通信即光纤通信，另一个是无线激光通信即空间激光通信。无线激光通信既具有微波通信灵活机动的特点,又具有光纤通信误码率高的优点,其误码率相对于微波通信要低。其中，日盲紫外光通信系统是一种新型的通信手段，与常规的通信系统相比，有很多优势：灵活、难以截获、波长短、天线口径小，抗干扰性强，信号在传输过程中很少受到大气背景噪声干扰。
目前紫外光通信应用在近地面、短距离(2km以内)的常规通信。因为紫外光波长短，大气散射作用很强，为避免大气散射的影响，实现高空远距离空间通信，则对紫外光源提出要求：光源光束质量好；光斑尺寸小；可应用与机载、星载，稳定性高；调制性能好；体积小、重量轻；低能耗。
目前应用于紫外光通信系统中的紫外光源主要有：紫外气体、紫外激光器和紫外LED。但是，在现有技术上的紫外光源，很难满足紫外光通信对光源的需求。
总体而言，紫外激光通信具有的突出优势，但目前仅应用于近地面、短距离的通信，对于远距离空间通信，虽然具有可避开大气层内散射强的劣势，但是由于缺乏体积小、重量轻、瓦级功率高光束质量、易快速调制的光源，无法满足星载、机载要求，因此尚无此类应用。
2014年，高效的蓝光发光二极管(LED)获得诺贝尔物理奖，同时也推动以GaN、InGaN为基底的蓝光激光二极管(LD)的发展达到高潮。随着蓝光LD技术的多年发展，蓝光LD逐渐成熟并开始商业应用，目前商用单管输出功率可达3.5W以上。蓝光波段(440nm～455nm)正是Pr3+、Tb3+、Ho3+、Dy3+、Sm3+及Er3+等稀土离子的吸收波段，并且这些稀土离子均存在多种可见波段发射波长。目前，Pr3+是可直接产生可见光的最稳定的稀土离子，且蓝光LD泵浦掺Pr3+晶体输出功率最高、应用最多。
在光通信领域，现有的调制器，多采用外调制方式，对低功率激光进行调制，再进行放大，主要用于光纤通信。若高功率水平的激光直接通过调制器时，可能会造成光损伤。激光束通过晶体时，可能引起的损伤有两种，一种是在强度不太高的情况下出现折射率不均匀性，另一种是特强脉冲激光束的多次照射在晶体表面或内部留下伤痕，实施较困难。
发明内容
(一)发明目的
本发明的目的是提供一种适用于光通信的紫外固体激光装置，将基频光在谐振腔内通过非线性光学晶体倍频直接产生紫外倍频光，实现了倍频激光的高效输出；同时利用低功率的电光调制器对高功率激光进行快速调制。实现紧凑型、可快速调制的紫外光通信光源。
(二)技术方案
为解决上述问题,本发明提供了一种适用于光通信的紫外固体激光装置，包括：泵浦源，用于提供泵浦光；耦合装置，包括：准直透镜和聚焦透镜，用于提高泵浦源耦合效率；激光谐振腔，包括：第一高反镜、第二高反镜与耦合镜，用于产生谐振激光；晶体设置在泵浦光的行进方向上，泵浦光对晶体进行激励，以此产生基频光；非线性光学晶体，设置在基频光的行进方向上，基频光透过非线性光学晶体，以产生紫外倍频光；电光调制器，设置在晶体后方的基频光的行进方向上，用于对基频光进行强度调制。
进一步的，耦合镜相对于晶体倾斜设置在泵浦光的行进方向上,镀有对于泵浦光的透射膜，对于基频光45度反射膜和对于倍频光的45度透射膜；耦合镜用于通过泵浦光进入晶体，耦合镜还用于将基频光反射进非线性晶体以及用于将倍频光输出；第一高反镜设置在晶体后方的基频光的行进方向上，其镀有对于基频光的反射膜，用于将基频光反射至耦合镜；第二高反镜设置在非线性光学晶体后方的紫外倍频光的行进方向上，其镀有对于基频光和紫外倍频光的反射膜，用于将紫外倍频光反射至耦合镜。
进一步的，还包括：部分反射镜，部分反射镜设置在谐振腔内的晶体和电光调制器之间的基频光的行进方向上，用于将部分基频光透射至电光调制器。
进一步的，部分反射镜的透过率取值使得包含电光调制器的激光谐振腔的周期增益大于1，而不包含电光调制器的激光谐振腔的周期增益小于1。
进一步的，部分反射镜镀有对于基频光透过率为T的膜；
透过率T的计算公式为：
G·R·(1-η)<1，且G·(1-η)·(R+T2)>1；
其中，R为部分反射镜对于基频光的反射率，R＝1-T；G为晶体的双程增益；η为非线性光学晶体的转换效率。
本发明的目的是提供一种适用于光通信的紫外固体激光装置，包括泵浦源，用于提供泵浦光；耦合装置，包括：准直透镜和聚焦透镜，用于提高泵浦源耦合效率；激光谐振腔，包括：第一高反镜、第二高反镜与耦合镜，用于产生谐振激光；晶体设置在泵浦光的行进方向上，泵浦光对晶体进行激励，以此产生基频光；非线性光学晶体，设置在基频光的行进方向上，基频光透过非线性光学晶体，以产生紫外倍频光；电光调制器，设置在晶体后方的基频光的行进方向上，用于对基频光进行强度调制。部分反射镜的加入可实现利用调制功率低的电光调制器实现对腔内高功率激光的调制，实现可快速调制的高功率紫外倍频光的高效输出，满足紫外光通信对于光源的需求。
(三)有益效果
本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
本发明提供的适用于光通信的紫外激光器装置，其产生的紫外光作为紫外光通信的光源，具有光束质量好、光斑尺寸小；可应用于机载、星载，稳定性高；易于快速调制；体积小、重量轻；低能耗等优点。紫外光波长短，可使得紫外光通信系统中接收和发射口径得以减小，从而满足体积小、重量轻的要求，增加了整体结构的稳定性。
同时本发明的适用于光通信的紫外激光器装置中的部分反射镜和电光调制器组合可实现利低调制功率的电光调制器对腔内强功率基频光进行调制，实现快速调制的高功率激光输出。利用非线性晶体使基频光经过一次腔内倍频直接产生紫外波段的激光，真正实现了倍频激光的高效输出，为实现小型化、高效化、产业化的紫外激光器打下基础。
附图说明
图1是本发明的适用于光通信的紫外固体激光装置的实施例一示意图；
图2是本发明的适用于光通信的紫外固体激光装置的实施例二示意图。
附图标记：
1-泵浦源；2-准直镜；3-聚焦镜；4-耦合镜；5-第一高反镜；6-第二高反镜；7-晶体；8-非线性光学晶体；9-电光调制器；10-部分反射镜。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
在一实施例中，本发明提供的一种适用于光通信的紫外固体激光装置，包括：泵浦源1，用于提供泵浦光；耦合装置包括：准直透镜2和聚焦透镜3，用于提高泵浦源1耦合效率；激光谐振腔包括：第一高反镜5、第二高反镜6与耦合镜4，用于产生谐振激光；晶体7设置在泵浦光的行进方向上，泵浦光对晶体7进行激励，以此产生基频光；非线性光学晶体8，设置在基频光的行进方向上，基频光透过非线性光学晶体8，以产生紫外倍频光；电光调制器9，设置在晶体7后方的基频光的行进方向上，用于对基频光进行强度调制。
可选的，泵浦源1采用蓝光半导体激光器；其中蓝光半导体激光器的中心波长与晶体7的吸收带相对应，利用蓝光半导体激光器1对晶体7激励。
具体地，准直透镜2和聚焦透镜3依次顺序放置在泵浦源1后方的泵浦光的行进方向上。泵浦光具有一定发散角，采用准直透镜2能够将发散光准直为平行光，再通过聚焦透镜3将平行光聚焦，聚焦光与耦合镜4匹配，可实现将泵浦光全部耦合进谐振腔内部，提高耦合效率。
具体地，晶体7作为增益介质。
可选的，晶体7采用掺镨氟化钇锂晶体。
具体地，电光调制器9在谐振腔内直接对基频光的强度进行调制，一方面可以提高调制速率，另一方面可以有效地缩小紫外固体激光装置的体积。
在一实施例中，耦合镜4相对于晶体7倾斜设置在所述泵浦光的行进方向上,其镀有对于泵浦光的透射膜，对于基频光45度反射膜和对于倍频光的45度透射膜；耦合镜4用于透过泵浦光进入晶体对其进行激励，将基频光反射进非线性晶体8以及用于将倍频光输出；第一高反镜5设置在晶体7后方的基频光的行进方向上，其镀有对于基频光的反射膜，用于将基频光反射至耦合镜4；第二高反镜6设置在非线性光学晶体8后方的紫外倍频光的行进方向上，镀有对于基频光和紫外倍频光的反射膜，用于将紫外倍频光反射至耦合镜4。
具体地，耦合镜4、晶体7、电光调制器9和第一高反镜5依次顺序设置在光线的行进方向上，泵浦光通过耦合镜4进入谐振腔；泵浦光穿过耦合镜4后投射至晶体7，对晶体7进行激励而产生基频光。基频光进入电光调制器9，经调制后的基频光投射到第一高反镜5上，经调制的基频光被第一高反镜5反射回耦合镜4，耦合镜4将基频光进行反射，反射后的基频光透过非线性光学晶体8，以产生紫外倍频光；紫外倍频光被第二高反镜6反射回耦合镜4，并通过耦合镜4输出。
在二实施例中，适用于光通信的紫外固体激光装置还包括：部分反射镜10，部分反射镜10设置晶体7和电光调制器9之间的基频光的行进方向上，用于将部分基频光透射至电光调制器9。
具体地，电光调制器9存在损伤阈值，基频光的功率太高会损坏电光调制器9，此时就需要一个装置能够控制进入电光调制器9中的基频光的功率，使得电光调制器9能够正常工作而不损坏。而部分高反镜10只能透过部分基频光，因此降低了受调制的基频光功率，使得电光调制器9只对透过的部分基频光进行调制。
部分反射镜的透过率取值使得包含所述电光调制器的腔的周期增益大于1，而不包含电光调制器的腔的周期增益小于1。该腔型相对于未加部分反射镜所述腔型的优势在于，可利用调制功率低的调制器实现对腔内强功率的调制。
在二实施例中，部分反射镜10镀有对于基频光透过率为T的膜；
透过率T的计算公式为：
G·R·(1-η)<1，且G·(1-η)·(R+T2)>1；
其中，R为部分反射镜10对于基频光的反射率，R＝1-T；G为晶体7的双程增益；η为非线性光学晶体8的转换效率。
实施例一：
图1是本发明的适用于光通信的紫外固体激光装置的实施例一示意图。
本实施例的装置包括泵浦源1、准直透镜2、聚焦透镜3、耦合镜4、第一高反镜5、第二高反镜6、晶体7、非线性晶体8和电光调制器9。
晶体7采用掺镨氟化钇锂晶体(Pr:YLF)作为增益介质；
泵浦源1采用蓝光半导体激光器，其中心波长444nm是与晶体7受激吸收谱相对应，激发晶体7低能级的粒子进入相应高能级，实现粒子数反转。
准直透镜2和聚焦透镜3共同组成耦合装置，以提高泵浦光的耦合效率。
耦合镜4、第一高反镜5和第二高反镜6组成谐振腔，用于产生谐振光。
如图1所示，耦合镜4相对于晶体7和第一高反镜5倾斜45度放置。
耦合镜4镀有对于泵浦光的透射膜，对于基频光的45度反射膜和对于倍频光的45度透射膜。
第一高反镜5镀有对于基频光的反射膜；第二高反镜6镀有对于基频光和倍频光的反射膜。
电光调制器9设置于晶体7之后，作为基频光强度的调节工具。
泵浦源1蓝光半导体激光器经耦合装置将泵浦光入射到谐振腔内，对晶体7Pr:YLF进行泵浦，产生640nm基频光。电光调制器9对640nm基频光的强度进行调制，调制后的基频光经耦合镜4反射至非线性晶体8，倍频产生320nm紫外倍频光。第二高反镜6将320nm紫外倍频光反射至耦合镜4，通过耦合镜4输出。
本发明第一实施方式提供的适用于光通信的紫外固体激光装置，实现了可快速调制的紫外倍频光的输出。
实施例二：
图2是本发明的适用于光通信的紫外固体激光装置的实施例二示意图。
本实施例的装置包括泵浦源1、准直透镜2、聚焦透镜3、耦合镜4、第一高反镜5、第二高反镜6、晶体7、非线性晶体8、电光调制器9、部分反射镜10。
晶体7采用掺镨氟化钇锂晶体(Pr:YLF)作为增益介质；
泵浦源1采用蓝光半导体激光器，其中心波长444nm是与晶体7受激吸收谱相对应，激发晶体7低能级的粒子进入相应高能级，实现粒子数反转。
准直透镜2和聚焦透镜3共同组成耦合装置，以提高泵浦光的耦合效率。
耦合镜4、第一高反镜5和第二高反镜6组成谐振腔，用于产生谐振光；
如图2所示，耦合镜4相对于晶体7和第一高反镜5倾斜45度放置。
耦合镜4镀有对于泵浦光的透射膜、对于基频光的45度反射膜和对于倍频光的45度透射膜。
第一高反镜5镀有对于基频光的反射膜；第二高反镜6镀有对于基频光和倍频光的反射膜。
电光调制器9设置于晶体7之后，作为基频光强度的调节元件。
部分反射镜10放置于晶体7与电光调制器9之间，透过部分基频光进入电光调制器内进行调制。部分反射镜10的透过率取值使得包含电光调制器9的腔的周期增益大于1，而不包含电光调制器9的腔的周期增益小于1.该腔型相对于实施例1所述腔型的优势在于，可利用调制功率低的调制器实现对腔内强功率的调制。
部分反射镜10对于基频光的透过率为T，计算如下：
假设晶体7的双程增益为G，非线性光学晶体8的转换效率为η；部分高反镜11的反射率为R，R＝1-T；则需满足
G·R·(1-η)<1,且G·(1-η)·(R+T2)>1。
泵浦源1蓝光半导体激光器经耦合装置将泵浦光入射到谐振腔内，对晶体7Pr:YLF进行泵浦而产生基频光；部分反射镜10将一部分基频光透射至电光调制器9，电光调制器9对透过的640nm基频光的强度进行调制，经调制的基频光加载到未经调制的基频光中，实现了利用低功率的电光调制器9调制高功率的激光，总的基频光通过耦合镜4反射进入非线性晶体8倍频产生320nm紫外倍频光，之后经第二高反镜6反射至耦合镜4，通过耦合镜4输出。
本发明第二实施方式提供的适用于光通信的紫外固体激光装置，实现了可快速调制的高功率紫外倍频光的输出。利用调制功率低的调制器实现对腔内强功率的调制，结构紧凑，可作为紫外光通信所需的光源。
本发明旨在保护一种适用于光通信的紫外固体激光装置，包括：泵浦源1，用于提供泵浦光；耦合装置包括：准直透镜2和聚焦透镜3，用于提高泵浦源1耦合效率；激光谐振腔包括：第一高反镜5、第二高反镜6与耦合镜4，用于产生谐振激光；晶体7设置在泵浦光的行进方向上，泵浦光对晶体7进行激励，以此产生基频光；非线性光学晶体8，设置在基频光的行进方向上，基频光透过非线性光学晶体8，以产生紫外倍频光；电光调制器9，设置在晶体7后方的基频光的行进方向上，用于对基频光进行强度调制。将基频光在谐振腔内通过非线性光学晶体8倍频直接产生紫外倍频光，实现了可快速调制的倍频激光的高效输出；添加部分反射镜，实现了利用低功率的电光调制器9对高功率激光进行快速调制，为实现小型化、高效化、产业化的紫外激光器打下基础。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (2)

1.一种适用于光通信的紫外固体激光装置，其特征在于，包括：
泵浦源(1)，用于提供泵浦光；
耦合装置，包括：准直透镜(2)和聚焦透镜(3)，用于提高所述泵浦源(1)耦合效率；
激光谐振腔，包括：第一高反镜(5)、第二高反镜(6)与耦合镜(4)，用于产生谐振激光；
晶体(7)设置在所述泵浦光的行进方向上，所述泵浦光对所述晶体(7)进行激励，以此产生基频光；
非线性光学晶体(8)，设置在所述基频光的行进方向上，所述基频光透过所述非线性光学晶体(8)，以产生紫外倍频光；
所述耦合镜(4)相对于所述晶体(7)倾斜设置在所述泵浦光的行进方向上，所述耦合镜(4)用于输入所述泵浦光进入所述晶体(7)，用于将所述基频光反射进所述非线性光学晶体(8)以及用于将所述倍频光输出；
电光调制器(9)，设置在所述晶体(7)后方的所述基频光的行进方向上，用于对所述基频光进行强度调制；
部分反射镜(10)，设置在所述晶体(7)和所述电光调制器(9)之间的基频光的行进方向上，用于将部分基频光透射至所述电光调制器(9)；
所述部分反射镜(10)镀有对于所述基频光透过率为T的膜，透过率T的取值使得包含所述电光调制器(9)的所述激光谐振腔的周期增益大于1，不包含所述电光调制器(9)的所述激光谐振腔的周期增益小于1；
其中，所述透过率T的计算公式为：
G·R·(1-η)<1，且G·(1-η)·(R+T2)>1；
其中，R为所述部分反射镜(10)对于基频光的反射率，R＝1-T；G为所述晶体(7)的双程增益；η为所述非线性光学晶体(8)的转换效率。
2.根据权利要求1所述的适用于光通信的紫外固体激光装置，其特征在于，
所述耦合镜(4)上镀有对于所述泵浦光的透射膜、镀有对于基频光45度反射膜和对于倍频光的45度透射膜；
所述第一高反镜(5)设置在所述晶体(7)后方的所述基频光的行进方向上，其镀有对于所述基频光的反射膜，用于将所述基频光反射至所述耦合镜(4)；
所述第二高反镜(6)设置在所述非线性光学晶体(8)后方的所述紫外倍频光的行进方向上，镀有对于所述基频光和所述紫外倍频光的反射膜，用于将所述紫外倍频光反射至所述耦合镜(4)。
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