CN111262124A - 一种布里渊激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种布里渊激光器，所述激光器包括：泵浦源发出第一频率的泵浦光，经望远镜器件的光束口径调整和准直后，依次通过光隔离器、采样镜片、第一二分之一波片和聚焦透镜后，进入由凹面反射镜、布里渊晶体、凸透镜器件和体布拉格光栅组成的布里渊振荡器；泵浦光在布里渊晶体中激发出第二频率的斯托克斯光，体布拉格光栅置于压电陶瓷位移平台上，通过锁频控制器控制压电陶瓷位移平台的位移，实现布里渊振荡器腔长的调节。本发明有效抑制级联斯托克斯光光的产生，大幅提高布里渊激光的输出功率，可工作的波长根据所选择材料的不同覆盖紫外、可见光到红外波段。
Description
技术领域
本发明涉及激光器领域，尤其涉及一种高功率的布里渊激光器。
背景技术
具有窄线宽的激光器在激光雷达、干涉测量传感器、计量学、量子物理和微波光子学等领域有着广阔的应用前景。尤其是高功率、低噪声、高光束质量的极窄线宽激光光源已成为前沿科学研究中无可替代的有力工具，随着人们对空间探索的日益加剧，高功率、低噪声、高光束质量的窄线宽激光有望大幅提高空间通信距离和探测精度，因此对满足该特性光源的研究具有重要的实际意义。目前获得窄线宽激光器的方法包括利用半导体直接辐射、分布反馈型(DFB)光纤激光器和法布里-珀罗(FP)纵模选择固体激光器。尽管部分窄线宽半导体激光器和DFB光纤激光器的输出线宽已经可以达到kHz量级且稳定性和光束质量也能实现较好的指标，但是输出功率较低。除上述的方法以外，基于受激布里渊散射(SBS)效应的布里渊激光器被视为获得极窄线宽、低噪声激光的潜在技术途径，目前已实现亚Hz的极窄线宽激光输出，比其他技术手段窄103-106倍。
虽然波导型结构的布里渊激光器已经获得了低阈值且窄线宽的输出，但仍然面临着一些难以攻克的问题，如制作工艺复杂、级联斯托克斯光(Stokes)很难抑制、输出功率过低、以及可工作的波长十分单一(通常仅限于特定的几个近红外波长)等问题。
发明内容
本发明提供了一种高功率的布里渊激光器，本发明目的在于克服上述波导型结构的布里渊激光器的技术缺点，可以有效抑制级联Stokes光的产生，大幅提高布里渊激光的输出功率，可工作的波长根据所选择材料的不同覆盖紫外、可见光到红外波段，详见下文描述：
一种布里渊激光器，所述激光器包括：
泵浦源发出第一频率的泵浦光，经望远镜器件后，通过光隔离器、采样镜片、第一二分之一波片和聚焦透镜，进入由凹面反射镜、布里渊晶体、凸透镜器件和体布拉格光栅组成的布里渊振荡器；
泵浦光在布里渊晶体中激发出第二频率的斯托克斯光，体布拉格光栅置于压电陶瓷位移平台上，通过锁频控制器控制压电陶瓷位移平台的位移，实现布里渊振荡器腔长的调节。
其中，锁频控制器用于实现谐振腔偏振信号的测量，将光信号转成电信号并进行减法运算后发送至压电陶瓷位移平台，压电陶瓷位移平台根据锁频控制器输出的电信号进行移动，所述锁频控制器由衰减片、四分之一波片、偏振分光棱镜、第一光电探测器、第二光电探测器和减法器组成。
其中，所述泵浦源为连续或准连续工作的固体激光器、半导体激光器或光纤激光器，出射的激光为线偏振光。
进一步地，所述望远镜器件由两个凸透镜组成，所述聚焦透镜由一个凸透镜组成，所述凸透镜器件由一个凸透镜组成，凸透镜的通光面均镀有对泵浦光增透的介质膜；所述采样镜片由一个平面光学玻璃组成，对泵浦光部分反射。
进一步地，所述光隔离器用于泵浦光的单向通过，所述光隔离器由第二二分之一波片、第一偏振器、法拉第旋光器、第三二分之一波片和第二偏振器组成。
其中，所述凹面反射镜为平-凹镜，平面镀有对泵浦光增透的介质膜，凹面镀有对泵浦光高反射的介质膜。
进一步地，所述体布拉格光栅的两个端面均镀泵浦光的增透膜，体布拉格光栅为反射型，中心频率等于所述第一频率。
本发明提供的技术方案的有益效果是：
1、该激光器通过锁频控制器在自由空间直接实现泵浦光与Stokes光的双谐振，通过腔增强提高腔内泵浦光的功率、降低布里渊激光阈值，可有效提升激光器的量子转换效率并降低晶体热负载；
2、本发明通过凹面反射镜、布里渊晶体、凸透镜器件、体布拉格光栅组成的布里渊激光系统形成了自由的空间运转方式，相比于波导型结构的布里渊激光器无需复杂的制造工艺和流程，且能够有效提升光束的截面积和模体积，增加了布里渊激光器的设计自由度、提高了能量提取效率、可附加温控能力，此外可工作的波长范围比波导型布里渊激光器更广；
3、该激光器通过选用金刚石、TeO2等块状晶体作为布里渊晶体，可实现不同波长、输出线宽和功率的输出；
4、该激光器利用体布拉格光栅能够有效抑制级联Stokes光的产生，实现纯净的高功率、窄线宽的布里渊激光输出。
附图说明
图1为一种高功率布里渊激光器的结构示意图；
图2为光隔离器的结构示意图；
图3为锁频控制器的结构示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1：泵浦源； 2：望远镜器件；
3：光隔离器； 4：采样镜片
5：第一二分之一波片； 6：聚焦透镜；
7：凹面反射镜； 8：布里渊晶体；
9：凸透镜器件； 10：体布拉格光栅；
11：压电陶瓷位移平台； 12：锁频控制器；
13：第二二分之一波片； 14：第一偏振器；
15：法拉第旋光器； 16：第三二分之一波片；
17：第二偏振器； 18：衰减片；
19：四分之一波片； 20：偏振分光棱镜；
21：第一光电探测器； 22：第二光电探测器；
23：减法器。
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，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。
通过对背景技术中存在的问题进行研究发现，自由空间运转布里渊激光成为突破波导型结构布里渊激光器的瓶颈，实现高功率窄线宽激光输出的潜在途径。在自由空间运转的结构中，为了实现高功率的布里渊激光运转输出，需要材料具有高布里渊增益系数和高热导率；此外，为了满足不同工作波长的需求并获得高转换效率，也需要材料具有较宽的透过光谱和更少的负面非线性效应。以金刚石为代表的晶体材料具有极宽的光谱透过范围和极高的热导率，是可以实现几乎不受热影响的高功率且高光束质量布里渊激光输出的光学晶体，是实现高功率自由空间运转布里渊激光输出的有效材料。
综上所述，本发明提出以具有高增益系数和极高的热导率的晶体材料作为布里渊增益介质，通过直接泵浦布里渊振荡腔，结合体布拉格光栅(VBG)实现频率控制的方式获得高功率布里渊激光的自由空间运转。
为了解决现有布里渊激光器输出功率低等问题，本发明实施例提出了一种基于晶体材料的自由空间运转的高功率布里渊激光器，参见图1，一种高功率的布里渊激光器包括：泵浦源1、望远镜器件2、光隔离器3、采样镜片4、第一二分之一波片5、聚焦透镜6、凹面反射镜7、布里渊晶体8、凸透镜器件9、体布拉格光栅10、压电陶瓷位移平台11，以及锁频控制器12。
其中，泵浦源1发出第一频率(为νp)的连续或准连续线偏振泵浦光，经过望远镜器件2的光束口径调整和准直后，通过光隔离器3、采样镜片4、第一二分之一波片一和聚焦透镜6，进入由凹面反射镜7、布里渊晶体8、凸透镜器件9和体布拉格光栅10组成的布里渊振荡器；体布拉格光栅10置于压电陶瓷位移平台11上；后向反射的泵浦光经过采样镜片4反射后进入锁频控制器12，锁频控制器12通过监控入射光的偏振态变化后将信号反馈至压电陶瓷位移平台11，压电陶瓷位移平台11根据反馈的信号进行实时移动。
其中，上述望远镜器件2的光束口径调整和准直为本领域技术人员所公知的技术，本发明实施例对此不做赘述。
具体实现时，第一二分之一波片5用于实现射泵浦光的偏振调节，使得其偏振态与布里渊晶体8的最大增益偏振角度相匹配。凹面反射镜7为平-凹镜，平面镀有对泵浦光增透的介质膜，凹面镀有对泵浦光高反射的介质膜，从泵浦源出射的泵浦光由凹面反射的平面入射。
参见图2，光隔离器3由第二二分之一波片13、第一偏振器14、法拉第旋光器15、第三二分之一波片16和第二偏振器17组成；一方面使入射的泵浦光单向通过光隔离器3，反向传输的光因偏振态的改变通过第一偏振器14或第二偏振器17偏转出射，因此无法通过光隔离器3，进而起到保护泵浦源1的作用，同时通过调节第二二分之一波片13可以使在不改变泵浦光光束质量和光斑尺寸的条件下，实现入射到布里渊晶体8中泵浦光功率的连续可调。
即，光隔离器3用于实现入射泵浦光的单向通过，反向传输的光无法通过，起到入射泵浦光功率调节和保护泵浦源的作用。
参见图3，锁频控制器12用于实现谐振腔偏振信号的测量，将光信号转成电信号并进行减法运算后发送至压电陶瓷位移平台，压电陶瓷位移平台11根据锁频控制器12输出的电信号进行移动，所述锁频控制器由衰减片18、四分之一波片19、偏振分光棱镜20、第一光电探测器21、第二光电探测器22和减法器23组成。
泵浦源1出射的激光线宽为δν，布里渊晶体8的布里渊增益线宽为ΓB，满足δν≤2ΓB；泵浦源1发出频率为νp的泵浦光经过布里渊晶体8的受激布里渊散射作用，产生的Stokes光的频率为νS。
其中，体布拉格光栅10的两个端面均镀频率为νp的泵浦光的增透膜；体布拉格光栅10为反射型，其中心频率等于泵浦源1出射的频率νp，其针对频率为νp的泵浦光的反射率为Rp，对频率为νS的Stokes光的反射率为RS，RS<Rp。
锁频控制器12控制压电陶瓷位移平台11，使得由凹面反射镜7、布里渊晶体8、凸透镜9和体布拉格光栅10组成的布里渊振荡器的物理长度L等于正整数倍的c/(νp-νS)，其中c为真空中的光速，进而实现泵浦光与Stokes光在布里渊振荡器中进行双谐振，以获得高效率的Stokes光放大输出。
实际应用时，布里渊晶体8为金刚石晶体、或TeO2晶体、或石英晶体、或硫族化合物或棒状光纤，布里渊晶体8的布里渊增益线宽为ΓB；布里渊晶体8的两端切割角度是平-平、或者布儒斯特角，且布里渊晶体8两端镀有频率为νp的泵浦光增透膜。
当布里渊晶体8的两端面切割角度是平-平时，泵浦光与布里渊晶体8入射面的夹角为0°；当布里渊晶体8的两端面按照布儒斯特角切割时，泵浦光与布里渊晶体8入射面的夹角等于布儒斯特角。
本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种布里渊激光器，其特征在于，所述激光器包括：
泵浦源发出第一频率的泵浦光，经望远镜器件的光束口径调整和准直后，依次通过光隔离器、采样镜片、第一二分之一波片和聚焦透镜后，进入由凹面反射镜、布里渊晶体、凸透镜器件和体布拉格光栅组成的布里渊振荡器；
泵浦光在布里渊晶体中激发出第二频率的斯托克斯光，体布拉格光栅置于压电陶瓷位移平台上，通过锁频控制器控制压电陶瓷位移平台的位移，实现布里渊振荡器腔长的调节。
2.根据权利要求1所述的一种布里渊激光器，其特征在于，所述泵浦源为连续或准连续工作的固体激光器、半导体激光器或光纤激光器，出射的激光为线偏振光。
3.根据权利要求1所述的一种布里渊激光器，其特征在于，
所述望远镜器件由两个凸透镜组成，所述聚焦透镜由一个凸透镜组成，所述凸透镜器件由一个凸透镜组成，凸透镜的通光面均镀有对泵浦光增透的介质膜；
所述采样镜片由一个平面光学玻璃组成，对泵浦光部分反射。
4.根据权利要求1所述的一种布里渊激光器，其特征在于，所述光隔离器用于泵浦光的单向通过，所述光隔离器由第二二分之一波片、第一偏振器、法拉第旋光器、第三二分之一波片和第二偏振器组成。
5.根据权利要求1所述的一种布里渊激光器，其特征在于，所述凹面反射镜为平-凹镜，平面镀对泵浦光增透的介质膜，凹面镀对泵浦光高反射的介质膜。
6.根据权利要求1所述的一种布里渊激光器，其特征在于，所述体布拉格光栅的两个端面均镀泵浦光的增透膜，所述体布拉格光栅为反射型，中心频率等于所述第一频率。
7.根据权利要求1所述的一种布里渊激光器，其特征在于，所述锁频控制器用于实现谐振腔偏振信号的测量，将光信号转成电信号并进行减法运算后发送至压电陶瓷位移平台，压电陶瓷位移平台根据锁频控制器输出的电信号进行移动，所述锁频控制器由衰减片、四分之一波片、偏振分光棱镜、第一光电探测器、第二光电探测器和减法器组成。
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