CN110289542A - 一种基于角锥环形腔的2μm高重频注入锁频激光器 - Google Patents

一种基于角锥环形腔的2μm高重频注入锁频激光器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于角锥环形腔的2μm高重频注入锁频激光器，其中，角锥棱镜、四个反射镜、泵浦光注入镜以及输出镜构成环形谐振腔。当声光Q开关加重频的射频信号后，调Q从激光器沿着c向和b的相反向输出调Q激光。种子激光器发出的单频激光沿b向经输出镜注入调Q从激光器，压电陶瓷工作，其厚度随着施加的电压发生周期性变化，控制从激光器谐振腔腔长，种子光的频率和激光器谐振腔的频率相同时，种子光在谐振腔内发生干涉，探测器测得种子光的干涉信号后反馈至电学伺服系统，电学伺服系统控制声光Q开关工作，实现高重频的注入锁频激光输出，锁频激光沿着c向输出谐振腔外。本发明可获得重复频率更高的注入锁频激光输出，缩小激光器体积。

Description

一种基于角锥环形腔的2μm高重频注入锁频激光器
技术领域
本发明属于固体激光技术领域，涉及一种2μm高重频注入锁频激光器，尤其是涉及一种基于角锥环形腔的2μm高重频注入锁频激光器。
背景技术
2μm激光处在人眼安全波段，有着大气透过率高的特性，同时对水分子和二氧化碳分子存在吸收峰，因此可以广泛应用在激光雷达、激光遥感、激光通信、激光医疗和诊断等方面。尤其是2μm波段的单频脉冲激光光源，可以作为多普勒测风雷达和差分吸收雷达的激光源，因此2μm单频脉冲激光光源的研制已成为世界各国的研究热点之一。
针对2μm单频脉冲激光器的研究主要是基于注入锁频技术，然而目前的2μm注入锁频激光器运转的重复频率处于百赫兹量级，难以提高。主要是由于在注入锁频过程中，需要单频种子激光器和调Q从激光器实现纵模匹配，通常是在调Q从激光器的某个腔镜上加上压电陶瓷，然后通过电压驱动压电陶瓷伸缩，从而改变谐振腔腔长，获得种子光谐振信号，最后时序电路控制Q开关工作。因此，2μm波段注入锁频激光器的重频受限于从激光器腔镜上压电陶瓷的阶越响应时间，若压电陶瓷在高重频下工作，其阶越响应时间会更长，自身使用寿命及运动腔镜的指向可靠性将降低。
因此，提高2μm注入锁频激光器运转的重复频率，从而提高激光雷达的测量精度，就成为2μm注入锁频激光器的研究重点。
发明内容
本发明的目的在于提出一种可获得更高重复频率的锁频激光输出的激光器。
本发明所采用的技术方案为：
一种基于角锥环形腔的2μm高重频注入锁频激光器，包括调Q从激光器、压电陶瓷、探测器、电学伺服系统、种子激光器、隔离器、二分之一波片和第三透镜；
所述调Q从激光器包括第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜、输出镜、泵浦光注入镜、第一透镜、第二透镜、Ho:YLF晶体、声光Q开关、F-P标准具和角锥棱镜；
所述角锥棱镜、所述第一反射镜、所述第二反射镜、所述第三反射镜、所述第四反射镜、所述输出镜和所述泵浦光注入镜共同构成一环形谐振腔，所述第一透镜、所述第二透镜、所述Ho:YLF晶体、所述声光Q开关和所述F-P标准具均位于所述环形谐振腔内；
1.94μm泵浦光沿a方向以45°入射角透射过所述泵浦光注入镜并注入所述Ho:YLF晶体中，所述Ho:YLF晶体在1.94μm泵浦光抽运下产生d向和e向的2.05μm振荡光；
所述泵浦光注入镜的表面镀有对1.94μm泵浦光高透膜，对2.05μm振荡光高反膜；所述第一反射镜、所述第二反射镜、所述第三反射镜和所述第四反射镜的表面均镀有对1.94μm泵浦光高透膜，对2.05μm振荡光高反膜；所述输出镜表面镀有对1.94μm泵浦光高透膜，对2.05μm振荡光的透过率为5％-70％；
d向振荡光依次通过所述声光Q开关和所述F-P标准具后，入射所述角锥棱镜的1区域，经所述角锥棱镜三次全内反射后从所述角锥棱镜的1’区域输出第一出射光，所述第一出射光入射所述第三反射镜，经所述第三反射镜反射后入射所述第四反射镜，由所述第四反射镜反射后，所述第一出射光透过所述第二透镜，入射所述角锥棱镜的3区域，经所述角锥棱镜三次全内反射后从所述角锥棱镜的3’区域输出第二出射光；所述第二出射光透过所述第一透镜入射所述第一反射镜，经所述第一反射镜反射后入射所述第二反射镜，所述第二出射光由所述第二反射镜反射后，入射所述角锥棱镜的2’区域，经所述角锥棱镜三次全内反射后从所述角锥棱镜的2区域输出第三出射光；所述第三出射光以45°角射至所述输出镜，所述第三出射光部分透过所述输出镜并沿着c向输出至所述环形谐振腔外；
e向振荡光以45°角入射所述泵浦光注入镜，经所述泵浦光注入镜反射后，入射所述输出镜，部分振荡光透过所述输出镜输出谐振腔外，另一部分振荡光由所述输出镜反射后，入射所述角锥棱镜的2区域，所述角锥棱镜的2’区域输出第四出射光；所述第四出射光射至所述第二反射镜，经所述第二反射镜反射后，入射所述第一反射镜，由所述第一反射镜反射后，所述第四出射光透过所述第一透镜入射所述角锥棱镜的3’区域，所述角锥棱镜的3区域输出第五出射光；所述第五出射光透过所述第二透镜，入射所述第四反射镜，经所述第四反射镜反射后，入射所述第三反射镜，所述第五出射光由所述第三反射镜反射后，入射所述角锥棱镜的1’区域，所述角锥棱镜的1区域输出第六出射光；所述第六出射光依次通过所述F-P标准具、所述声光Q开关和所述Ho:YLF晶体后，以45°角入射所述泵浦光注入镜，经所述泵浦光注入镜反射后，入射所述输出镜；所述第六出射光部分透过所述输出镜并沿着b向的反方向输出至谐振腔外；
当所述声光Q开关施加重频的射频信号后，调Q激光沿着c向和b向的反方向输出至谐振腔外；
所述压电陶瓷加在所述角锥棱镜上，所述种子激光器发出的单频激光依次通过所述隔离器、所述二分之一波片和所述第三透镜后，沿着b向以45°角经所述输出镜注入所述调Q从激光器中，所述压电陶瓷工作，所述压电陶瓷的厚度随着施加的锯齿波电压而发生周期性变化，实现对从激光器谐振腔腔长的控制，种子光的频率和激光器谐振腔的频率相同时，种子光在谐振腔内发生干涉，所述探测器测得种子光的干涉信号后反馈至所述电学伺服系统，所述电学伺服系统控制所述声光Q开关工作，实现高重频的注入锁频激光输出，锁频激光沿着c向输出至谐振腔外。
进一步地，所述角锥棱镜的入射面直径为10mm-100mm，入射面镀有1.9μm-2.1μm高透膜，反射面曲率半径为0-1000mm，材料为JGS3。
进一步地，所述Ho:YLF晶体采用单掺钬晶体，晶体长度范围为10-200mm，表面镀有1.9μm-2.1μm高透膜，晶体掺杂浓度范围为0.1％-8％。
进一步地，所述Ho:YLF晶体的掺杂浓度为0.5％，尺寸为4×4×50mm3。
进一步地，所述第一透镜和所述第二透镜表面均镀有2.05μm振荡光高透膜，曲率半径为10mm-1000mm，基质均为红外石英。
进一步地，所述F-P标准具对2.05μm振荡光的透过率为70％-100％，厚度0.01mm-10mm，基质为YAG。
进一步地，所述声光Q开关的工作频率40.68MHz，材料为熔融石英。
进一步地，所述输出镜的基质为红外石英。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明提出了一种获得高重频2μm注入锁频激光的新方式，即采用单角锥棱镜、四个反射镜、泵浦光注入镜以及输出镜构成环形谐振腔，利用角锥棱镜的准相位共轭特性，实现腔内光路间的交叉互连，实现角锥棱镜每个部分的光路互通，解决注入锁频激光器的重频受限于压电陶瓷阶越响应时间的问题。压电陶瓷加在角锥棱镜上，该环形谐振腔与普通环形腔在进行相同长度的光程调节时，压电陶瓷的伸缩距离能够减少约3倍，从而降低了施加在压电陶瓷上的电压，进而提高了压电陶瓷的扫描频率，即加快了压电陶瓷的扫描时间，从而该腔有利于获得重复频率更高的注入锁频激光输出。同时，该谐振腔相比于普通环形腔，在相同体积下，谐振腔腔长约为普通腔的3倍，有利于实现长脉宽的脉冲激光输出。
附图说明
图1为本发明的基于角锥环形腔的2μm高重频注入锁频激光器的示意图；
图2为振荡光在角锥棱镜内经过三次全内反射的示意图；
图3为沿角锥棱镜入射面方向观察结果；
附图标记：1，第一反射镜；2，第二反射镜；3，第三反射镜；4，第四反射镜；5，输出镜；6，泵浦光注入镜；7，第一透镜；8，第二透镜；9，Ho:YLF晶体；10，声光Q开关；11，F-P标准具；12，角锥棱镜；13，压电陶瓷；14，探测器；15，电学伺服系统；16，种子激光器；17，隔离器；18，二分之一波片；19，第三透镜。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施方式对本发明的基于角锥环形腔的2μm高重频注入锁频激光器加以详细说明。
如图1所示，本发明的基于角锥环形腔的2μm高重频注入锁频激光器，包括调Q从激光器、压电陶瓷13、探测器14、电学伺服系统15、种子激光器16、隔离器17、二分之一波片18和第三透镜19。
调Q从激光器包括第一反射镜1、第二反射镜2、第三反射镜3、第四反射镜4、输出镜5、泵浦光注入镜6、第一透镜7、第二透镜8、Ho:YLF晶体9、声光Q开关10、F-P标准具11和角锥棱镜12。
角锥棱镜12、第一反射镜1、第二反射镜2、第三反射镜3、第四反射镜4、输出镜5和泵浦光注入镜6共同构成一环形谐振腔。第一透镜7、第二透镜8、Ho:YLF晶体9、声光Q开关10和F-P标准具11均位于该环形谐振腔内。
角锥棱镜12的结构如图2所示，O为角锥棱镜12的顶点，AOB、BOC、AOC分别为角锥棱镜12的三个反射面，OA、OB、OC分别为角锥棱镜12的三条棱边。角锥棱镜12的三个反射面和三条棱边将激光腔分割成空间上对称分离的6个区域，以角锥棱镜12为中心对称的每两个区域的光路有着相互共轭的特性，参见图3，即1和1’两个区域的光路相互共轭，2和2’两个区域的光路相互共轭，3和3’两个区域的光路相互共轭。当振荡光进入角锥棱镜12后，在其三个面发生全内反射，出射光与入射光保持平行。
参见图1，中心波长为1.94μm泵浦光沿a方向以45°入射角透射过泵浦光注入镜6并注入Ho:YLF晶体9中，Ho:YLF晶体9在1.94μm泵浦光抽运下产生d向和e向的2.05μm振荡光。
泵浦光注入镜6的表面镀有对1.94μm泵浦光高透膜，对2.05μm振荡光高反膜。第一反射镜1、第二反射镜2、第三反射镜3和第四反射镜4的表面均镀有对1.94μm泵浦光高透膜，对2.05μm振荡光高反膜。输出镜5表面镀有对1.94μm泵浦光高透膜，对2.05μm振荡光的透过率为5％-70％。
d向振荡光依次通过声光Q开关10和F-P标准具11后，入射角锥棱镜12的1区域，经角锥棱镜12三次全内反射后从角锥棱镜12的1’区域输出第一出射光，第一出射光入射第三反射镜3，经第三反射镜3反射后入射第四反射镜4，由第四反射镜4反射后，第一出射光透过第二透镜8，入射角锥棱镜12的3区域，经角锥棱镜12三次全内反射后从角锥棱镜12的3’区域输出第二出射光，第二出射光透过第一透镜7入射第一反射镜1，经第一反射镜1反射后入射第二反射镜2，第二出射光由第二反射镜2反射后，入射角锥棱镜12的2’区域，经角锥棱镜12三次全内反射后从角锥棱镜12的2区域输出第三出射光，第三出射光以45°角射至输出镜5，第三出射光部分透过输出镜5并沿着c向输出至环形谐振腔外。另一部分第三出射光经输出镜5反射后，继续入射至泵浦光注入镜6，即振荡光在腔内振荡一周后回到泵浦光注入镜6，再经过Ho:YLF晶体9、声光Q开关10和F-P标准具11后继续在谐振腔内振荡。从而，沿着d方向传输的振荡光就实现了腔内光路间的交叉互连，实现了角锥棱镜12每个区域的光路互通，当声光Q开关10加一定重频的射频信号后，调Q激光沿着c方向输出腔外。
e向振荡光以45°角入射泵浦光注入镜6，经泵浦光注入镜6反射后，入射输出镜5，振荡光部分透过输出镜5输出谐振腔外，另一部分振荡光由输出镜5反射后，入射角锥棱镜12的2区域，角锥棱镜12的2’区域输出第四出射光，第四出射光射至第二反射镜2，经第二反射镜2反射后，入射第一反射镜1，由第一反射镜1反射后，第四出射光透过第一透镜7入射角锥棱镜12的3’区域，角锥棱镜12的3区域输出第五出射光，第五出射光透过第二透镜8，入射第四反射镜4，经第四反射镜4反射后，入射第三反射镜3，第五出射光由第三反射镜3反射后，入射角锥棱镜12的1’区域，角锥棱镜12的1区域输出第六出射光，第六出射光依次通过F-P标准具11、声光Q开关10和Ho:YLF晶体9后，以45°角入射泵浦光注入镜6，经泵浦光注入镜6反射后，入射输出镜5，第六出射光部分透过输出镜5并沿着b向的反方向输出至谐振腔外，另一部分第六出射光被输出镜5反射，并继续在谐振腔内振荡。从而，沿着e方向传输的振荡光，就实现了腔内光路间的交叉互连，且实现了角锥棱镜12每个区域的光路互通，当声光Q开关10加一定重频的射频信号后，调Q激光沿着b向的相反方向输出腔外。
从而，当声光Q开关10加一定重频的射频信号后，调Q从激光器会沿着c方向和b的相反方向输出调Q激光。
角锥棱镜12为一体化定位设计，压电陶瓷13加在角锥棱镜12的金属外壳上。种子激光器16发出的单频激光依次通过隔离器17、二分之一波片18和第三透镜19后，沿着图1中的b向以45°角经输出镜5注入调Q从激光器，压电陶瓷13工作，压电陶瓷13的厚度随着施加的锯齿波电压而发生周期性变化，实现对从激光器谐振腔腔长的控制，种子光的频率和激光器谐振腔的频率相同时，种子光在谐振腔内发生干涉，探测器14测得种子光的干涉信号后反馈至电学伺服系统15，电学伺服系统15控制声光Q开关10工作，实现高重频的注入锁频激光输出，锁频激光沿着c向输出谐振腔外。
本实施例中，泵浦光注入镜6、第一反射镜1、第二反射镜2、第三反射镜3、第四反射镜4和输出镜5的基质均为红外石英。
角锥棱镜12的入射面直径为10mm-100mm，入射面镀有1.9μm-2.1μm高透膜，反射面曲率半径为0-1000mm，材料为JGS3。
Ho:YLF晶体9采用单掺钬晶体，晶体长度范围为10-200mm，表面镀有1.9μm-2.1μm高透膜，晶体掺杂浓度范围为0.1％-8％。优选地，Ho:YLF晶体9的掺杂浓度为0.5％，尺寸为4×4×50mm3。
第一透镜7和第二透镜8表面均镀有2.05μm振荡光高透膜，曲率半径为10mm-1000mm，基质均为红外石英。第一透镜7和第二透镜8用于补偿Ho:YLF晶体9的负透镜效应，使得激光谐振腔始终处于稳区范围。
F-P标准具11对2.05μm振荡光的透过率为70％-100％，厚度0.01mm-10mm，基质为YAG。F-P标准具11用于激光波长的调谐。
声光Q开关10的工作频率40.68MHz，材料为熔融石英。声光Q开关10用于获得调Q激光输出。
输出镜5的基质为红外石英。
需要指出的是，本发明不仅适用于2μm波段的注入锁频激光器，也适用于其它波段的注入锁频激光器，同时激光晶体应采用其他种类的掺杂晶体，可以为各向异性或各向同性激光晶体，同时应采用适合不同激光晶体，中心波长不同的泵浦源。角锥棱镜的尺寸也可根据使用晶体尺寸或镜片面元的大小做相应改变，角锥棱镜三个反射面可加工为曲面并且可以镀金属膜；输出镜和反射镜也可以加工为曲面。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于角锥环形腔的2μm高重频注入锁频激光器，其特征在于，包括调Q从激光器、压电陶瓷(13)、探测器(14)、电学伺服系统(15)、种子激光器(16)、隔离器(17)、二分之一波片(18)和第三透镜(19)；
所述调Q从激光器包括第一反射镜(1)、第二反射镜(2)、第三反射镜(3)、第四反射镜(4)、输出镜(5)、泵浦光注入镜(6)、第一透镜(7)、第二透镜(8)、Ho:YLF晶体(9)、声光Q开关(10)、F-P标准具(11)和角锥棱镜(12)；
角锥棱镜(12)、第一反射镜(1)、第二反射镜(2)、第三反射镜(3)、第四反射镜(4)、输出镜(5)和泵浦光注入镜(6)共同构成一环形谐振腔，第一透镜(7)、第二透镜(8)、Ho:YLF晶体(9)、声光Q开关(10)和F-P标准具(11)均位于所述环形谐振腔内；
1.94μm泵浦光沿a方向以45°入射角透射过泵浦光注入镜(6)后，注入Ho:YLF晶体(9)中，Ho:YLF晶体(9)在1.94μm泵浦光抽运下产生d向和e向的2.05μm振荡光；
泵浦光注入镜(6)的表面镀有对1.94μm泵浦光高透膜，对2.05μm振荡光高反膜；第一反射镜(1)、第二反射镜(2)、第三反射镜(3)和第四反射镜(4)的表面均镀有对1.94μm泵浦光高透膜，对2.05μm振荡光高反膜；输出镜(5)表面镀有对1.94μm泵浦光高透膜，对2.05μm振荡光的透过率为5％-70％；
d向振荡光依次通过声光Q开关(10)和F-P标准具(11)后，入射角锥棱镜(12)的1区域，经角锥棱镜(12)三次全内反射后从角锥棱镜(12)的1’区域输出第一出射光，所述第一出射光入射第三反射镜(3)，经第三反射镜(3)反射后入射第四反射镜(4)，由第四反射镜(4)反射后，所述第一出射光透过第二透镜(8)，入射角锥棱镜(12)的3区域，经角锥棱镜(12)三次全内反射后从角锥棱镜(12)的3’区域输出第二出射光；所述第二出射光透过第一透镜(7)入射第一反射镜(1)，经第一反射镜(1)反射后入射第二反射镜(2)，所述第二出射光由第二反射镜(2)反射后，入射角锥棱镜(12)的2’区域，经角锥棱镜(12)三次全内反射后从角锥棱镜(12)的2区域输出第三出射光；所述第三出射光以45°角射至输出镜(5)，所述第三出射光部分透过输出镜(5)并沿着c向输出至所述环形谐振腔外；
e向振荡光以45°角入射泵浦光注入镜(6)，经泵浦光注入镜(6)反射后，入射输出镜(5)，部分振荡光透过输出镜(5)输出谐振腔外，另一部分振荡光由输出镜(5)反射后，入射角锥棱镜(12)的2区域，角锥棱镜(12)的2’区域输出第四出射光；所述第四出射光射至第二反射镜(2)，经第二反射镜(2)反射后，入射第一反射镜(1)，由第一反射镜(1)反射后，所述第四出射光透过第一透镜(7)入射角锥棱镜(12)的3’区域，角锥棱镜(12)的3区域输出第五出射光；所述第五出射光透过第二透镜(8)，入射第四反射镜(4)，经第四反射镜(4)反射后，入射第三反射镜(3)，所述第五出射光由第三反射镜(3)反射后，入射角锥棱镜(12)的1’区域，角锥棱镜(12)的1区域输出第六出射光；所述第六出射光依次通过F-P标准具(11)、声光Q开关(10)和Ho:YLF晶体(9)后，以45°角入射泵浦光注入镜(6)，经泵浦光注入镜(6)反射后，入射输出镜(5)；所述第六出射光部分透过输出镜(5)并沿着b向的反方向输出至谐振腔外；
当声光Q开关(10)施加重频的射频信号后，调Q激光沿着c向和b向的反方向输出至谐振腔外；
压电陶瓷(13)加在角锥棱镜(12)上，种子激光器(16)发出的单频激光依次通过隔离器(17)、二分之一波片(18)和第三透镜(19)后，沿着b向以45°角经输出镜(5)注入所述调Q从激光器中，压电陶瓷(13)工作，压电陶瓷(13)的厚度随着施加的锯齿波电压而发生周期性变化，实现对从激光器谐振腔腔长的控制，种子光的频率和激光器谐振腔的频率相同时，种子光在谐振腔内发生干涉，探测器(14)测得种子光的干涉信号后反馈至电学伺服系统(15)，电学伺服系统(15)控制声光Q开关(10)工作，实现高重频的注入锁频激光输出，锁频激光沿着c向输出至谐振腔外。
2.根据权利要求1所述的基于角锥环形腔的2μm高重频注入锁频激光器，其特征在于，角锥棱镜(12)的入射面直径为10mm-100mm，入射面镀有1.9μm-2.1μm高透膜，反射面曲率半径为0-1000mm，材料为JGS3。
3.根据权利要求1所述的基于角锥环形腔的2μm高重频注入锁频激光器，其特征在于，Ho:YLF晶体(9)采用单掺钬晶体，晶体长度范围为10-200mm，表面镀有1.9μm-2.1μm高透膜，晶体掺杂浓度范围为0.1％-8％。
4.根据权利要求3所述的基于角锥环形腔的2μm高重频注入锁频激光器，其特征在于，Ho:YLF晶体(9)的掺杂浓度为0.5％，尺寸为4×4×50mm3。
5.根据权利要求1所述的基于角锥环形腔的2μm高重频注入锁频激光器，其特征在于，第一透镜(7)和第二透镜(8)表面均镀有2.05μm振荡光高透膜，曲率半径为10mm-1000mm，基质均为红外石英。
6.根据权利要求1所述的基于角锥环形腔的2μm高重频注入锁频激光器，其特征在于，F-P标准具(11)对2.05μm振荡光的透过率为70％-100％，厚度0.01mm-10mm，基质为YAG。
7.根据权利要求1所述的基于角锥环形腔的2μm高重频注入锁频激光器，其特征在于，声光Q开关(10)的工作频率40.68MHz，材料为熔融石英。
8.根据权利要求1所述的基于角锥环形腔的2μm高重频注入锁频激光器，其特征在于，输出镜(5)的基质为红外石英。
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