CN113078541A - 一种基于Nd:MgO:LN的正交偏振双波长同步加压调Q激光器及方法 - Google Patents

一种基于Nd:MgO:LN的正交偏振双波长同步加压调Q激光器及方法 Download PDF

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Abstract

本公开公开了一种基于Nd:MgO:LN的正交偏振双波长同步加压调Q激光器及方法，所述激光器中：输出镜、第一腔镜、第二腔镜、第三腔镜、第四腔镜、第五腔镜组成呈折线型的激光谐振腔；所述第一腔镜与第二腔镜之间设置有Nd:MgO:LN晶体；所述第二腔镜与第三腔镜之间设置有第一凸透镜；所述第三腔镜与第四腔镜之间设置有偏振分光棱镜、偏振片、RTP Q开关和光阑；所述第四腔镜与第五腔镜之间设置有第二凸透镜和λ/2波片；所述第五腔镜处于所述偏振分光棱镜的正上方；所述第一腔镜的外侧依次设置有第二耦合镜组和第二泵浦模块，所述第二腔镜的外侧依次设置有第一耦合镜组和第一泵浦模块。

Description

一种基于Nd:MgO:LN的正交偏振双波长同步加压调Q激光器及 方法
技术领域
本发明涉及固体激光器领域，尤其涉及一种基于Nd:MgO:LN的正交偏振双波长同步加压调Q激光器及方法。
背景技术
差分吸收激光雷达(Differential Absorption Lidar,DIAL)具有空间分辨率与探测灵敏度高、响应速度快、探测距离远的突出特点，在雾霾污染精准监测方面应用潜力巨大，是近年来光电子领域前沿研究热点之一。监测雾霾污染物需要针对大气中多组分进行同步实时定标、种类甄别以及浓度的精准标定，这就要求其核心部件中红外激光器应具备多波长同步辐射、时域与频域主动控制等能力。
为制造出符合差分吸收激光雷达需求的中红外差分激光，常采用的技术手段是利用多周期极化的变频晶体将波长相近的近红外正交偏振双波长转换为波长间隔较小的中红外差分激光。Nd:MgO:LN晶体具有正交偏振双波长特性，因其后续极化可实现中红外激光自变频，具有结构简单、紧凑突出特点，因此是获得中红外激光波长差分的理想基频介质。当813nm抽运Nd:MgO:LN晶体时，可获得正交偏振的1084nm和1093nm激光输出，参见文献“Y.H.Wang,Y.J.Yu,et al.Study on the regulation mechanism of orthogonallypolarised dual-wavelength laser based on Nd3+doped MgO:LiNbO3,Optics&LaserTechnology,119(2019)105570”。受制于输出波长的复杂偏振状态，基于Nd:MgO:LN的双波长激光器常利用Cr:YAG晶体实现脉冲机制下运转，参见文献“M.Q.Fan,T.Li,S.Z.Zhao,etal.,Dual-wavelength laser operation in a-cut Nd:MgO:LiNbO3,Opt.Mater.53(2016)209–213”。但其被动调Q机制决定了输出激光的脉冲宽度、重复频率波动较大，无法保证其时域、频域稳定且可控。主动电光调Q技术因开关速度快、重复频率可控等优点，可用于Nd:MgO:LN的双波长激光器以满足上述技术需求。电光调Q技术是利用晶体的电光效应，通过调节加载电压改变激光偏振态，再配合偏振片或波片，实现激光“开门”与“关门”状态。因电光调Q技术只针对单一偏振态的激光有效，而Nd:MgO:LN双波长激光器输出的1084nm和1093nm处于正交偏振状态，不能直接利用电光调Q技术，进而无法获得时域与频域稳定、可控的双波长激光输出，最终限制了其在差分吸收激光雷达领域的应用。
发明内容
为了获得窄脉宽、可调重频、高峰值功率正交偏振的双波长激光输出，本发明提供了一种基于Nd:MgO:LN的正交偏振双波长同步加压调Q激光器。
根据本发明的一方面，提供一种基于Nd:MgO:LN的正交偏振双波长同步加压调Q激光器，所述激光器包括第一泵浦模块、第一耦合镜组、第二泵浦模块、第二耦合镜组、Nd:MgO:LN晶体、输出镜、第一腔镜、第二腔镜、第一凸透镜、第三腔镜、偏振分光棱镜、偏振片、RTP Q开关、光阑、第四腔镜、第二凸透镜、λ/2波片、第五腔镜，其中：
所述输出镜、第一腔镜、第二腔镜、第三腔镜、第四腔镜、第五腔镜组成呈折线型的激光谐振腔；
所述第一腔镜与第二腔镜之间设置有Nd:MgO:LN晶体；
所述第二腔镜与第三腔镜之间设置有第一凸透镜；
所述第三腔镜与第四腔镜之间设置有偏振分光棱镜、偏振片、RTP Q开关和光阑；
所述第四腔镜与第五腔镜之间设置有第二凸透镜和λ/2波片；
所述第五腔镜处于所述偏振分光棱镜的正上方；
所述第一腔镜的外侧依次设置有第二耦合镜组和第二泵浦模块，所述第二腔镜的外侧依次设置有第一耦合镜组和第一泵浦模块。
可选地，所述偏振分光棱镜的入射面朝向所述第三腔镜，垂直偏振出射面朝向所述第五腔镜，水平偏振出射面朝向所述偏振片。
可选地，所述偏振片的偏振方向为水平方向。
可选地，所述λ/2波片的快轴与水平方向呈45°角。
可选地，所述第一泵浦模块和第二泵浦模块的输出波长为813nm。
可选地，所述输出镜、第三腔镜、第五腔镜为平面镜。
可选地，所述第一腔镜、第二腔镜、第四腔镜为平凹镜。
可选地，所述输出镜镀1083nm和1094nm半透膜。
可选地，所述第一腔镜、第二腔镜镀813nm增透膜，1083nm和1094nm全反膜；所述第三腔镜、第四腔镜、第五腔镜镀1083nm和1094nm全反膜。
根据本发明的另一方面，还提供一种利用上述任一所述激光器输出激光的方法，所述方法包括：
步骤S1，第一泵浦模块与第二泵浦模块发射813nm抽运光，813nm抽运光分别经第一耦合镜组、第二腔镜和第二耦合镜组、第一腔镜从Nd:MgO:LN晶体两个端面聚焦到晶体中心；
步骤S2，Nd:MgO:LN晶体吸收813nm抽运光形成粒子束反转，发生受激辐射现象，生成水平偏振的1084nm激光和垂直偏振的1093nm激光；
步骤S3，所述水平偏振的1084nm激光和垂直偏振的1093nm激光经第二腔镜反射，射入第一凸透镜，经第三腔镜反射入偏振分光棱镜后，垂直偏振的1093nm激光射向第五腔镜，水平偏振的1084nm激光射向偏振片；
步骤S4，垂直偏振的1093nm激光经第五腔镜反射进入λ/2波片后，偏振态转为水平偏振，再经第二凸透镜、第四腔镜、光阑、射入RTP Q开关；
步骤S5，当不需要出射激光时，控制RTP Q开关加载λ/2电压，水平偏振的1093nm激光偏振态转为垂直偏振，无法通过水平偏振的偏振片；水平偏振的1084nm激光通过偏振片后，偏振态变为垂直偏振，依次经过光阑、第四腔镜、第二凸透镜，再经过λ/2波片后，垂直偏振的1084nm激光偏振态变为水平偏振，再经第五腔镜，水平偏振的1084nm激光直接通过偏振分光棱镜从谐振腔内射出；
步骤S6，当需要出射激光时，控制RTP Q开关不加载电压，水平偏振的1093nm激光偏振态不改变，通过水平偏振的偏振片，经过偏振分光棱镜、第三腔镜、第一凸透镜、第二腔镜，再次射入Nd:MgO:LN晶体，之后经第一腔镜反射，由输出镜射出腔外；水平偏振的1084nm激光偏振态不改变，依次经过光阑、第四腔镜、第二凸透镜，经过λ/2波片后，水平偏振的1084nm激光偏振态变为垂直偏振，再经第五腔镜后，垂直偏振的1084nm激光经偏振分光棱镜反射，射向第三腔镜，经第一凸透镜、第二腔镜，射入Nd:MgO:LN晶体，之后经第一腔镜反射，由输出镜射出腔外
本发明的有益效果是：偏振分光棱镜、偏振片、RTP Q开关、光阑、第四腔镜、第二凸透镜、λ/2波片、第五腔镜组成环形子腔。入射光从偏振分光棱镜入射面射入。垂直偏振的光在环形子腔内沿逆时针传播；水平偏振的光在环形子腔内沿顺时针方向传播。当RTP Q开关加载λ/2电压时，传播一周后，水平偏振的1084nm激光由偏振分光棱镜射出谐振腔，垂直偏振的1093nm激光无法通过偏振片，实现对1084nm和1093nm的“关门”。当RTP Q开关不加载电压时，在环形腔内传播一周后，1083nm和1094nm激光偏振态实现了交换，双波长激光再次射入激光谐振腔，即实现了“开门”状态。即通过改变RTP Q开关加载电压，对正交偏振的1084nm和1093nm激光同步实现主动电光调Q作用，获得窄脉宽、可调重频、高峰值功率正交偏振的双波长激光输出。这种基于Nd:MgO:LN的正交偏振双波长同步加压调Q激光器具备结构精巧、转换效率、双波长运转等突出特点。
附图说明
图1为根据本发明一实施例的一种基于Nd:MgO:LN的正交偏振双波长同步加压调Q激光器的结构示意图。
图2为根据本发明一实施例的在RTP Q开关加载λ/2电压下，环形子腔内1093nm激光偏振态转换情况示意图。
图3为根据本发明一实施例的在RTP Q开关未加载电压下，环形子腔内1093nm激光偏振态转换情况示意图。
图4为根据本发明一实施例的在RTP Q开关加载λ/2电压下，环形子腔内1084nm激光偏振态转换情况示意图。
图5为根据本发明一实施例的在RTP Q开关未加载电压下，环形子腔内1084nm激光偏振态转换情况示意图。
图中：101.第一泵浦模块、201.第一耦合镜组、102.第二泵浦模块、202.第二耦合镜组、3.Nd:MgO:LN晶体、4.输出镜、5.第一腔镜、6.第二腔镜、7.第一凸透镜、8.第三腔镜、9.偏振分光棱镜、10.偏振片、11.RTP Q开关、12.光阑、13.第四腔镜、14.第二凸透镜、15.λ/2波片、16.第五腔镜。
具体实施方式
下文中，将参考附图详细描述本公开实施例的示例性实施方式，以使本领域技术人员可容易地实现它们。此外，为了清楚起见，在附图中省略了与描述示例性实施方式无关的部分。
在本公开实施例中，应理解，诸如“包括”或“具有”等的术语旨在指示本说明书中所公开的特征、数字、步骤、行为、部件、部分或其组合的存在，并且不欲排除一个或多个其他特征、数字、步骤、行为、部件、部分或其组合存在或被添加的可能性。
另外还需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本公开实施例。
如图1所示，本发明的一种基于Nd:MgO:LN的正交偏振双波长同步加压调Q激光器，包括第一泵浦模块101、第一耦合镜组201、第二泵浦模块102、第二耦合镜组202、Nd:MgO:LN晶体3、输出镜4、第一腔镜5、第二腔镜6、第一凸透镜7、第三腔镜8、偏振分光棱镜9、偏振片10、RTP Q开关11、光阑12、第四腔镜13、第二凸透镜14、λ/2波片15、第五腔镜16，其中：
所述输出镜4、第一腔镜5、第二腔镜6、第三腔镜8、第四腔镜13、第五腔镜16组成呈折线型的激光谐振腔；
所述第一腔镜5与第二腔镜6之间设置有Nd:MgO:LN晶体3；
所述第二腔镜6与第三腔镜8之间设置有第一凸透镜7；
所述第三腔镜8与第四腔镜13之间设置有偏振分光棱镜9、偏振片10、RTP Q开关11和光阑12；
所述第四腔镜13与第五腔镜16之间设置有第二凸透镜14和λ/2波片15；
所述第五腔镜16处于所述偏振分光棱镜9的正上方；
所述第一腔镜5的外侧，即远离所述Nd:MgO:LN晶体3的一侧依次设置有第二耦合镜组202和第二泵浦模块102；所述第二腔镜6的外侧，即远离所述Nd:MgO:LN晶体3的一侧依次设置有第一耦合镜组201和第一泵浦模块101。
其中，所述偏振分光棱镜9的入射面朝向所述第三腔镜8，垂直偏振出射面朝向所述第五腔镜16，水平偏振出射面朝向所述偏振片10，即所述偏振分光棱镜9将入射光依据偏振态分为两束，垂直偏振的光射向所述第五腔镜16，水平偏振的光射向所述偏振片10。
所述偏振片10的偏振方向为水平方向。
所述λ/2波片15的快轴与水平方向呈45°角。
进一步地，所述第一泵浦模块101和第二泵浦模块102的输出波长为813nm。
所述输出镜4、第三腔镜8、第五腔镜16为平面镜，所述第一腔镜5、第二腔镜6、第四腔镜13为平凹镜。
所述输出镜4镀1083nm和1094nm半透膜。所述第一腔镜5、第二腔镜6镀813nm增透膜，1083nm和1094nm全反膜。所述第三腔镜8、第四腔镜13、第五腔镜16镀1083nm和1094nm全反膜。
本发明的一种基于Nd:MgO:LN的正交偏振双波长同步加压调Q激光器的具体实现过程如下：
如图1所示，第一泵浦模块101与第二泵浦模块102发射的813nm抽运光分别经第一耦合镜组201、第二腔镜6和第二耦合镜组202、第一腔镜5从Nd:MgO:LN晶体3两个端面聚焦到晶体中心。Nd:MgO:LN晶体3吸收813nm抽运光形成粒子束反转，发生受激辐射现象，生成水平偏振的1084nm激光和垂直偏振的1093nm激光。所述水平偏振的1084nm激光和垂直偏振的1093nm激光经第二腔镜6反射，射入第一凸透镜7，经第三腔镜8反射，再射入偏振分光棱镜9后，垂直偏振的1093nm激光射向第五腔镜16，水平偏振的1084nm激光射向偏振片10。垂直偏振的1093nm激光经第五腔镜16反射，进入λ/2波片15，偏振态转为水平偏振，经第二凸透镜14、第四腔镜13、光阑12、射入RTP Q开关11。图中，点代表垂直偏振，双向箭头代表水平偏振。如图2所示，当RTP Q开关11加载λ/2电压时，水平偏振的1093nm激光偏振态转为垂直偏振，无法通过水平偏振的偏振片10，1093nm激光处于中断，即“关门”状态。此时，1093nm激光不能在激光谐振腔振荡放大，也就无法获得1093nm激光输出。当RTP Q开关11不加载电压时，如图3所示，水平偏振的1093nm激光偏振态不改变，顺利通过水平偏振的偏振片10，经过偏振分光棱镜9、第三腔镜8、第一凸透镜7、第二腔镜6，再次射入Nd:MgO:LN晶体3，之后经第一腔镜5反射，由输出镜4射出腔外，此时1093nm激光处于通过，即“开门”状态。另外，水平偏振的1084nm激光通过偏振片10，如图4所示，当RTP Q开关11开关加载λ/2电压时，水平偏振的1084nm激光偏振态变为垂直偏振，依次经过光阑12、第四腔镜13、第二凸透镜14，再经过λ/2波片15后，垂直偏振的1084nm激光偏振态变为水平偏振，再经第五腔镜16，水平偏振的1084nm激光直接通过偏振分光棱镜9从谐振腔内射出，1084nm激光在谐振腔内也未形成振荡，处于“关门”状态。如图5所示，当RTP Q开关11开关不加载电压时，水平偏振的1084nm激光偏振态不改变，依次经过光阑12、第四腔镜13、第二凸透镜14，经过λ/2波片15后，水平偏振的1084nm激光偏振态变为垂直偏振，再经第五腔镜16后，垂直偏振的1084nm激光经偏振分光棱镜9反射，射向第三腔镜8，经第一凸透镜7、第二腔镜6，射入Nd:MgO:LN晶体3，之后经第一腔镜5反射，由输出镜4射出腔外。
由上，当RTP Q开关11开关加载λ/2电压时，1084nm和1093nm激光同步处于“关门”状态，不能形成振荡，获得激光输出。当RTP Q开关11开关未加载电压时，1084nm和1093nm激光偏振态同步处于“开门”状态，谐振腔内形成振荡，获得正交偏振的1084nm和1093nm激光输出。因此，通过改变RTP Q开关11加载电压，可控制1084nm和1093nm激光的关断，实现主动电光调Q，获得窄脉宽、可调重频、高峰值功率正交偏振的1084nm、1093nm双波长激光输出。
本发明还提供一种利用所述基于Nd:MgO:LN的正交偏振双波长同步加压调Q激光器输出激光的方法，所述方法包括以下步骤：
步骤S1，第一泵浦模块101与第二泵浦模块102发射813nm抽运光，813nm抽运光分别经第一耦合镜组201、第二腔镜6和第二耦合镜组202、第一腔镜5从Nd:MgO:LN晶体3两个端面聚焦到晶体中心；
步骤S2，Nd:MgO:LN晶体3吸收813nm抽运光形成粒子束反转，发生受激辐射现象，生成水平偏振的1084nm激光和垂直偏振的1093nm激光；
步骤S3，所述水平偏振的1084nm激光和垂直偏振的1093nm激光经第二腔镜6反射，射入第一凸透镜7，经第三腔镜8反射入偏振分光棱镜9后，垂直偏振的1093nm激光射向第五腔镜16，水平偏振的1084nm激光射向偏振片10；
步骤S4，垂直偏振的1093nm激光经第五腔镜16反射进入λ/2波片15后，偏振态转为水平偏振，再经第二凸透镜14、第四腔镜13、光阑12、射入RTP Q开关11；
步骤S5，当不需要出射激光时，控制RTP Q开关11加载λ/2电压，水平偏振的1093nm激光偏振态转为垂直偏振，无法通过水平偏振的偏振片10；水平偏振的1084nm激光通过偏振片10后，偏振态变为垂直偏振，依次经过光阑12、第四腔镜13、第二凸透镜14，再经过λ/2波片15后，垂直偏振的1084nm激光偏振态变为水平偏振，再经第五腔镜16，水平偏振的1084nm激光直接通过偏振分光棱镜9从谐振腔内射出；
步骤S6，当需要出射激光时，控制RTP Q开关11不加载电压，水平偏振的1093nm激光偏振态不改变，顺利通过水平偏振的偏振片10，经过偏振分光棱镜9、第三腔镜8、第一凸透镜7、第二腔镜6，再次射入Nd:MgO:LN晶体3，之后经第一腔镜5反射，由输出镜4射出腔外；水平偏振的1084nm激光偏振态不改变，依次经过光阑12、第四腔镜13、第二凸透镜14，经过λ/2波片15后，水平偏振的1084nm激光偏振态变为垂直偏振，再经第五腔镜16后，垂直偏振的1084nm激光经偏振分光棱镜9反射，射向第三腔镜8，经第一凸透镜7、第二腔镜6，射入Nd:MgO:LN晶体3，之后经第一腔镜5反射，由输出镜4射出腔外。
其中，所述利用所述基于Nd:MgO:LN的正交偏振双波长光路交错退压调Q激光器输出激光的方法中的技术特征的含义与解释与上文激光器中技术特征的含义与解释相同，此处不再赘述。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于Nd:MgO:LN的正交偏振双波长同步加压调Q激光器，其特征在于，所述激光器包括第一泵浦模块、第一耦合镜组、第二泵浦模块、第二耦合镜组、Nd:MgO:LN晶体、输出镜、第一腔镜、第二腔镜、第一凸透镜、第三腔镜、偏振分光棱镜、偏振片、RTP Q开关、光阑、第四腔镜、第二凸透镜、λ/2波片、第五腔镜，其中：
所述输出镜、第一腔镜、第二腔镜、第三腔镜、第四腔镜、第五腔镜组成呈折线型的激光谐振腔；
所述第一腔镜与第二腔镜之间设置有Nd:MgO:LN晶体；
所述第二腔镜与第三腔镜之间设置有第一凸透镜；
所述第三腔镜与第四腔镜之间设置有偏振分光棱镜、偏振片、RTP Q开关和光阑；
所述第四腔镜与第五腔镜之间设置有第二凸透镜和λ/2波片；
所述第五腔镜处于所述偏振分光棱镜的正上方；
所述第一腔镜的外侧依次设置有第二耦合镜组和第二泵浦模块，所述第二腔镜的外侧依次设置有第一耦合镜组和第一泵浦模块。
2.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述偏振分光棱镜的入射面朝向所述第三腔镜，垂直偏振出射面朝向所述第五腔镜，水平偏振出射面朝向所述偏振片。
3.根据权利要求1或2所述的激光器，其特征在于，所述偏振片的偏振方向为水平方向。
4.根据权利要求1-3任一所述的激光器，其特征在于，所述λ/2波片的快轴与水平方向呈45°角。
5.根据权利要求1-4任一所述的激光器，其特征在于，所述第一泵浦模块和第二泵浦模块的输出波长为813nm。
6.根据权利要求1-5任一所述的激光器，其特征在于，所述输出镜、第三腔镜、第五腔镜为平面镜。
7.根据权利要求1-6任一所述的激光器，其特征在于，所述第一腔镜、第二腔镜、第四腔镜为平凹镜。
8.根据权利要求1-7任一所述的激光器，其特征在于，所述输出镜镀1083nm和1094nm半透膜。
9.根据权利要求1-8任一所述的激光器，其特征在于，所述第一腔镜、第二腔镜镀813nm增透膜，1083nm和1094nm全反膜；所述第三腔镜、第四腔镜、第五腔镜镀1083nm和1094nm全反膜。
10.一种利用权利要求1-9任一所述激光器输出激光的方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤S1，第一泵浦模块与第二泵浦模块发射813nm抽运光，813nm抽运光分别经第一耦合镜组、第二腔镜和第二耦合镜组、第一腔镜从Nd:MgO:LN晶体两个端面聚焦到晶体中心；
步骤S2，Nd:MgO:LN晶体吸收813nm抽运光形成粒子束反转，发生受激辐射现象，生成水平偏振的1084nm激光和垂直偏振的1093nm激光；
步骤S3，所述水平偏振的1084nm激光和垂直偏振的1093nm激光经第二腔镜反射，射入第一凸透镜，经第三腔镜反射入偏振分光棱镜后，垂直偏振的1093nm激光射向第五腔镜，水平偏振的1084nm激光射向偏振片；
步骤S4，垂直偏振的1093nm激光经第五腔镜反射进入λ/2波片后，偏振态转为水平偏振，再经第二凸透镜、第四腔镜、光阑、射入RTP Q开关；
步骤S5，当不需要出射激光时，控制RTP Q开关加载λ/2电压，水平偏振的1093nm激光偏振态转为垂直偏振，无法通过水平偏振的偏振片；水平偏振的1084nm激光通过偏振片后，偏振态变为垂直偏振，依次经过光阑、第四腔镜、第二凸透镜，再经过λ/2波片后，垂直偏振的1084nm激光偏振态变为水平偏振，再经第五腔镜，水平偏振的1084nm激光直接通过偏振分光棱镜从谐振腔内射出；
步骤S6，当需要出射激光时，控制RTP Q开关不加载电压，水平偏振的1093nm激光偏振态不改变，通过水平偏振的偏振片，经过偏振分光棱镜、第三腔镜、第一凸透镜、第二腔镜，再次射入Nd:MgO:LN晶体，之后经第一腔镜反射，由输出镜射出腔外；水平偏振的1084nm激光偏振态不改变，依次经过光阑、第四腔镜、第二凸透镜，经过λ/2波片后，水平偏振的1084nm激光偏振态变为垂直偏振，再经第五腔镜后，垂直偏振的1084nm激光经偏振分光棱镜反射，射向第三腔镜，经第一凸透镜、第二腔镜，射入Nd:MgO:LN晶体，之后经第一腔镜反射，由输出镜射出腔外。
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