CN111262129A - 一种功率可调、可检偏的452nm倍频系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种功率可调、可检偏的452nm倍频系统，该倍频系统包括MOPA、准直系统、倍频器和锁频系统。其中，MOPA包括外腔二极管激光器、锥形放大器、光隔离器和反射镜；准直系统包括模式匹配透镜和反射镜；倍频器包括环形腔、准相位匹配的KTP晶体、偏振片和光电探测器；锁频系统包括λ/2波片、λ/4波片、偏振分光棱镜、光电探测器、减法器、压电陶瓷和反射镜。MOPA用于提供基本激光，准直系统可以使基本光有效地耦合到倍频器中，倍频器用于实现基频光倍频，同时具有功率调节和检偏的功能，锁频系统可以实现对基频光的锁定。系统具有可调谐、窄线宽、高功率和长期锁定稳定性，可用于冷原子物理和量子精密测量。

Description

一种功率可调、可检偏的452nm倍频系统
技术领域
本发明属于激光倍频技术领域，尤其涉及一种功率可调、可检偏的452nm倍频系统。
背景技术
冷原子在原子干涉仪、原子钟、量子通信、量子计算等领域具有广阔的应用前景，利用短波光捕获和操纵原子在物理学中发挥着越来越重要的作用。在近几十年的发展中，半导体激光器的输出波长主要位于近红外以及中远红外波段，在短波长方面还存在运转寿命、输出功率和光束质量等方面一些制约因素。虽然商用的400nm激光二极管可用于外腔二极管激光器，但低功率和较差的横膜形状限制了它们在冷原子实验中的应用。二次谐波产生(Second harmonic generation，SHG)是一种典型的非线性光学过程，它源自介质对光场的二阶非线性响应或极化，从中可以获得250nm至550nm的激光，利用非线性晶体倍频是获得高功率高质量蓝光的重要手段。二次谐波产生效应为更好的激光器性能提供了解决方案。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种功率可调、可检偏的452nm倍频系统。本发明利用二次谐波产生(SHG)效应获得452nm的激光，具有可调谐、窄线宽、高功率和长期锁定稳定性。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种功率可调、可检偏的452nm倍频系统，该系统由主振荡器功率放大器、准直系统、倍频器和锁频系统组成；其中，主振荡器功率放大器包括外腔二极管激光器、第一光隔离器、第一反射镜、第二反射镜、锥形放大器、第二光隔离器和第三反射镜；准直系统包括第四反射镜、圆形模式匹配透镜和柱形模式匹配透镜；倍频器包括环形腔、周期极化KTP晶体、偏振片、第一光电探测器；锁频系统包括第五反射镜、λ/2波片、λ/4波片、偏振分光棱镜、第二光电探测器、第三光电探测器、减法器和压电陶瓷；所述环形腔由M1平面镜、M2平面镜、M3凹面镜、M4凹面镜构成；所述压电陶瓷附在M2平面镜上；
所述主振荡器功率放大器产生904nm基频光，基频光通过准直系统，之后一部分基频光进入倍频器产生倍频光，另一部分基频光由M1平面镜反射进入锁频系统，通过对压电陶瓷施加控制信号，实现倍频器对基频光的锁定；
所述功率可调通过旋转偏振片实现，具体为：旋转偏振片改变激光的通过率，实现输出光功率从0到最大功率连续可调，使系统具有不同功率的工作状态；
所述可检偏通过旋转偏振片实现，具体为：旋转偏振片使透过激光光强最大，查看偏振片的标度，得到激光的偏振方向。
进一步地，所述主振荡器功率放大器产生904nm基频光，具体为：外腔二极管激光器输出的激光依次经过第一光隔离器、第一反射镜、第二反射镜、锥形放大器、第二光隔离器、第三反射镜后得到基频光。
进一步地，所述基频光通过准直系统，具体为：基频光依次经过第四反射镜、圆形模式匹配透镜、柱形模式匹配透镜进行准直，使其基模腰斑的位置位于环形腔上臂的腔模束腰处，且基频光的腰斑半径小于环形腔的基模半径。
进一步地，所述一部分基频光进入倍频器产生倍频光，具体为：准直后的一部分基频光通过M1平面镜耦合进入环形腔在腔内单向循环，由M1平面镜经过偏振片、M2平面镜到达M3凹面镜后分为两路，一路经过周期极化KTP晶体产生倍频光后，从M4凹面镜出射；另一路到达第一光电探测器。
进一步地，锁频系统采用
Figure BDA0002375123250000021
锁定方法。
进一步地，所述另一部分基频光由M1平面镜反射进入锁频系统，具体为：准直后的另一部分基频光由M1平面镜反射后经过第五反射镜、λ/2波片、λ/4波片入射到偏振分光棱镜产生透射光和反射光，第一光电检测器检测透射光功率，第二光电探测器检测反射光功率，第一光电检测器和第二光电探测器的输出信号经过减法器将控制信号反馈给压电陶瓷。
进一步地，所述第一光电检测器和第二光电探测器型号相同。
进一步地，所述外腔二极管激光器为Littrow结构的光栅反馈激光器。
进一步地，所述第一光隔离器、第二光隔离器的隔离度均为60dB。
进一步地，所述M1平面镜为耦合镜；所述M2平面镜、M3凹面镜、M4凹面镜的反射率均不小于99.99％；所述M4凹面镜对倍频光的透过率不小于99.99％。
本发明有益效果是：本发明利用二次谐波产生SHG效应获得452nm的激光，可以根据需求调节功率大小，同时可检测激光的偏振态；具有可调谐、窄线宽、高功率和长期锁定稳定性。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施例作进一步详细的说明。
图1为本发明一种功率可调、可检偏的452nm倍频系统的控制框图；
图2为图1中主振荡器功率放大器(MOPA)、准直系统、倍频器和锁频系统的结构框图；
图3为倍频器的结构框图。
图中，主振荡器功率放大器1、外腔二极管激光器1-1、第一光隔离器1-2、第一反射镜1-3、第二反射镜1-4、锥形放大器1-5、第二光隔离器1-6、第三反射镜1-7；准直系统2、第四反射镜2-1、圆形模式匹配透镜2-2、柱形模式匹配透镜2-3；倍频器3、M1平面镜3-1、M2平面镜3-2、M3凹面镜3-3、M4凹面镜3-4、周期极化KTP晶体3-5、偏振片3-6、第一光电探测器3-7；锁频系统4、第五反射镜4-1、λ/2波片4-2、λ/4波片4-3、偏振分光棱镜4-4、第二光电探测器4-5、第三光电探测器4-6、减法器4-7、压电陶瓷4-8。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
本发明一种功率可调、可检偏的452nm倍频系统，如图1所示，主要由主振荡器功率放大器(Master Oscillator Power Amplifier，MOPA)1、准直系统2、倍频器3和锁频系统4组成。
如图2所示，MOPA 1包括利特罗Littrow结构的光栅反馈型外腔二极管激光器(external-cavity diode laser，ECDL)1-1、第一光隔离器1-2、第一反射镜1-3、第二反射镜1-4、锥形放大器(Tapered amplifier)1-5、第二光隔离器1-6和第三反射镜1-7。ECDL 1-1输出的激光经过第一光隔离器1-2、第一反射镜1-3、第二反射镜1-4被TA 1-5放大，再经过第二光隔离器1-6、第三反射镜1-7产生稳定的904nm基频光；其中，ECDL 1-1和TA 1-5之间使用60dB第一光隔离器1-2，以保证ECDL 1-1的基频模式免受光反馈的影响，在TA 1-5之后放置60dB第二光隔离器1-6，以防止随机反射回来的光破环TA 1-5，第一反射镜1-3、第二反射镜1-4、第三反射镜1-7用来调节激光的传播路径。
准直系统2包括第四反射镜2-1、圆形模式匹配透镜2-2和柱形模式匹配透镜2-3；所述圆形模式匹配透镜2-2和柱形模式匹配透镜2-3对基频光进行光束变换，调节模式匹配透镜安放的位置可以调节变换后光束的束腰半径大小和位置。从MOPA 1出射的激光依次经过第四反射镜2-1、圆形模式匹配透镜2-2和柱形模式匹配透镜2-3准直后，使得基频光的基模腰斑的位置位于环形腔上臂的腔模束腰处，基频光的腰斑半径小于倍频腔的基模半径，从而实现较好的模式匹配。
倍频器3包括平面镜M1 3-1、平面镜M2 3-2、凹面镜M3 3-3、凹面镜M4 3-4组成的环形腔，准相位匹配的周期极化KTP晶体(periodically poled KTP，PPKTP)3-5，偏振片3-6和第一光电探测器3-7；所述平面镜M1 3-1为耦合镜，以实现“阻抗匹配”；所述平面镜M2 3-2、凹面镜M3 3-3、凹面镜M4 3-4对于基频光具有高反射率(99.99％以上)；所述凹面镜M43-4对倍频光具有高透过率(99.99％以上)，以便实现倍频光的有效提取。一部分准直后的基频光通过平面镜M1 3-1耦合进入倍频腔，基频光在腔内单向循环，由M1平面镜3-1经过偏振片3-6、M2平面镜3-2到达凹面镜M3 3-3时分为两路，一路经过反射后通过倍频晶体PPKTP产生蓝光，倍频蓝光从凹面镜M4 3-4出射，另一路到达第一光电探测器3-7，用来检测腔模式；所述腔模式通过调节激光器控制器的电流源和温控模块检测。激光为线偏振光，通过旋转偏振片3-6可以改变激光的通过率，从而实现输出光功率从0到最大功率连续可调，可以使倍频系统具有低功率、高功率等不同的工作状态，相应的，腔内激光的偏振态是未知的，通过旋转偏振片3-6，当透过激光光强最大时，通过查看偏振片3-6的标度，即可得知激光的偏振方向，从而实现功率调节和检偏的功能。
锁频系统4包括第五反射镜4-1、λ/2波片4-2、λ/4波片4-3、偏振分光棱镜(Polarizing Beam Splitter，PBS)4-4、第二光电探测器4-5、第三光电探测器4-6、减法器4-7和压电陶瓷(PZT)4-8，使用
Figure BDA0002375123250000045
(Hansch-Couillaud)锁定方法。另一部分准直后的基频光由平面镜M1 3-1反射后进入锁频系统4，反射光先到达第五反射镜4-1再反射到λ/2波片4-2和λ/4波片4-3进行调相，然后入射到偏振分光棱镜(PBS)4-4上。经过分光镜后的透射光和反射光的功率会分别被同型号的第一光电检测器4-5和第二光电探测器4-6检测。其信号经过一个减法器4-7后反馈到环形腔，作为平面镜M2 3-2的受控压电陶瓷(PZT)4-8的控制信号，实现环形腔对于基频光的锁定。
图3为倍频器3的结构框图。倍频器包括平面镜M1 3-1、平面镜M2 3-2、凹面镜M33-3、凹面镜M4 3-4组成的环形腔，准相位匹配的KTP晶体(PPKTP)3-5，偏振片3-6和第一光电探测器3-7。基频光从平面镜M1 3-1进来，倍频蓝光从凹面镜M4 3-4出射，凹面镜M3 3-3和凹面镜M4 3-4中间放置倍频晶体，θ角为入射角。环形腔的腔膜可以用q参数来表征，为了使腔稳定，腔内任意一点qz经过一周传播之后回到原点，仍然为qz，即
Figure BDA0002375123250000041
解得
Figure BDA0002375123250000042
以PPKTP晶体中心为参考点，弧矢方向(x方向)总的传播矩阵为Dss＝Dcr/2*D3*Ds*D2*D1*D2*Ds*D3*Dcr/2，子午方向(y方向)总的传播矩阵为Dmm＝Dcr/2*D3*Dm*D2*D1*D2*Dm*D3*Dcr/2。用
Figure BDA0002375123250000043
表示光学系统对傍轴光线的传播矩阵Dss、Dmm(弧矢方向和子午方向分开计算)。
Figure BDA0002375123250000044
为平面镜M1 3-1、平面镜M2 3-2之间传播矩阵，d1为平面镜M1 3-1、平面镜M2 3-2之间距离。
Figure BDA0002375123250000051
为平面镜M1 3-1到凹面镜M4 3-4(或平面镜M2 3-2到凹面镜M3 3-3)传播矩阵，d2为平面镜M1 3-1到凹面镜M4 3-4(或平面镜M2 3-2到凹面镜M3 3-3)斜边长度。
Figure BDA0002375123250000052
为准相位匹配的KTP晶体端面到凹面镜M4 3-4(或凹面镜M3 3-3)之间传播矩阵，d3为准相位匹配的KTP晶体端面到凹面镜M4 3-4(或凹面镜M3 3-3)距离。
Figure BDA0002375123250000053
为准相位匹配的KTP晶体上的传播矩阵；其中，L为晶体长度，n为晶体折射率。
Figure BDA0002375123250000054
为凹面镜M4 3-4(或凹面镜M3 3-3)子午方向(也就是切向，Y方向)的矩阵。
Figure BDA0002375123250000055
为凹面镜M4 3-4(或凹面镜M3 3-3)弧矢方向(也就是径向，X方向)的矩阵。焦距f＝R/2；R为球面镜曲率半径。
qz是由光场在z点的曲率半径Rz和这个场点光斑半径ωz构成的，所以有
Figure BDA0002375123250000056
Figure BDA0002375123250000057
其中，Re{·}表示取复数的实部，Im{·}表示取复数的虚部。
将出发点选在晶体中心，则ωz是晶体中心的光腰ω0：
Figure BDA0002375123250000058
其中，由于环形腔必须是稳定的，所以光腰ω0必须是实数，根据该稳定条件，有
Figure BDA0002375123250000059
即
Figure BDA0002375123250000061
赋予A、D不同的值，可以得出光腰的大小。
本发明功率可调、可检偏的452nm蓝光倍频系统的控制框图如图1所述，整个装置的工作过程为：主振荡器功率放大器(MOPA)1产生稳定的904nm基频光，基频光通过准直系统2后使得基频光的基模腰斑的位置位于环形腔上臂的腔模束腰处，同时，基频光的腰斑半径小于倍频腔的基模半径，以实现较好的模式匹配，保证系统的转化效率。通过准直系统2后的基频光一部分进入倍频器3，一部分被平面镜M1反射进入锁频系统4，通过对压电陶瓷(piezoelectric ceramics，PZT)施加控制信号，实现倍频器对基频光的锁定。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种功率可调、可检偏的452nm倍频系统，其特征在于，该系统由主振荡器功率放大器(1)、准直系统(2)、倍频器(3)和锁频系统(4)等组成；其中，主振荡器功率放大器(1)包括外腔二极管激光器(1-1)、第一光隔离器(1-2)、第一反射镜(1-3)、第二反射镜(1-4)、锥形放大器(1-5)、第二光隔离器(1-6)和第三反射镜(1-7)；准直系统(2)包括第四反射镜(2-1)、圆形模式匹配透镜(2-2)和柱形模式匹配透镜(2-3)；倍频器(3)包括环形腔、周期极化KTP晶体(3-5)、偏振片(3-6)、第一光电探测器(3-7)；锁频系统(4)包括第五反射镜(4-1)、λ/2波片(4-2)、λ/4波片(4-3)、偏振分光棱镜(4-4)、第二光电探测器(4-5)、第三光电探测器(4-6)、减法器(4-7)和压电陶瓷(4-8)；所述环形腔由M1平面镜(3-1)、M2平面镜(3-2)、M3凹面镜(3-3)、M4凹面镜(3-4)构成；所述压电陶瓷(4-8)附在M2平面镜(3-2)上。
所述主振荡器功率放大器(1)产生904nm基频光，基频光通过准直系统(2)，之后一部分基频光进入倍频器(3)产生倍频光，另一部分基频光由M1平面镜(3-1)反射进入锁频系统(4)，通过对压电陶瓷(4-8)施加控制信号，实现倍频器(3)对基频光的锁定。
旋转偏振片(3-6)改变基频光的通过率，可实现输出光功率从0到最大功率连续可调；旋转偏振片(3-6)使透过基频光光强最大，查看偏振片(3-6)的标度，可得到基频光的偏振方向。
2.根据权利要求1所述功率可调、可检偏的452nm倍频系统，其特征在于，所述主振荡器功率放大器(1)产生904nm基频光，具体为：外腔二极管激光器(1-1)输出的激光依次经过第一光隔离器(1-2)、第一反射镜(1-3)、第二反射镜(1-4)、锥形放大器(1-5)、第二光隔离器(1-6)、第三反射镜(1-7)后得到基频光。
3.根据权利要求1所述功率可调、可检偏的452nm倍频系统，其特征在于，所述基频光通过准直系统(2)，具体为：基频光依次经过第四反射镜(2-1)、圆形模式匹配透镜(2-2)、柱形模式匹配透镜(2-3)进行准直，使其基模腰斑的位置位于环形腔上臂的腔模束腰处，且基频光的腰斑半径小于环形腔的基模半径。
4.根据权利要求1所述功率可调、可检偏的452nm倍频系统，其特征在于，所述一部分基频光进入倍频器(3)产生倍频光，具体为：准直后的一部分基频光通过M1平面镜(3-1)耦合进入环形腔在腔内单向循环，由M1平面镜(3-1)经过偏振片(3-6)、M2平面镜(3-2)到达M3凹面镜(3-3)后分为两路，一路经过周期极化KTP晶体(3-5)产生倍频光后，从M4凹面镜(3-4)出射；另一路到达第一光电探测器(3-7)。
5.根据权利要求1所述功率可调、可检偏的452nm倍频系统，其特征在于，锁频系统(4)采用
Figure FDA0002375123240000021
锁定方法。
6.根据权利要求1所述功率可调、可检偏的452nm倍频系统，其特征在于，所述另一部分基频光由M1平面镜(3-1)反射进入锁频系统(4)，具体为：准直后的另一部分基频光由M1平面镜(3-1)反射后经过第五反射镜(4-1)、λ/2波片(4-2)、λ/4波片(4-3)入射到偏振分光棱镜(4-4)产生透射光和反射光，第一光电检测器(4-5)检测透射光功率，第二光电探测器(4-6)检测反射光功率，第一光电检测器(4-5)和第二光电探测器(4-6)的输出信号经过减法器(4-7)将控制信号反馈给压电陶瓷(4-8)。
7.根据权利要求1所述功率可调、可检偏的452nm倍频系统，其特征在于，所述第一光电检测器(4-5)和第二光电探测器(4-6)型号相同。
8.根据权利要求1所述功率可调、可检偏的452nm倍频系统，其特征在于，所述外腔二极管激光器(1-1)为Littrow结构的光栅反馈激光器。
9.根据权利要求1所述功率可调、可检偏的452nm倍频系统，其特征在于，所述第一光隔离器(1-2)、第二光隔离器(1-6)的隔离度均为60dB。
10.根据权利要求1所述功率可调、可检偏的452nm倍频系统，其特征在于，所述M1平面镜(3-1)为耦合镜；所述M2平面镜(3-2)、M3凹面镜(3-3)、M4凹面镜(3-4)的反射率均不小于99.99％；所述M4凹面镜(3-4)对倍频光的透过率不小于99.99％。
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