CN113258424B - 双波长脉冲同步Tm,Ho:LLF被动调Q固体激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种Tm,Ho:LLF正交线偏振双波长被动调Q固体激光器，属于光学领域。本发明采用对可饱和吸收子自注入激光脉冲的方法，有效解决了双波长激光脉冲不同步的问题。还可以通过调节泵浦光腰在晶体内的轴向位置，控制不同偏振方向脉冲激光的功率比。利用两块增益晶体，有效解决两个偏振方向激光的模式竞争问题，使得每个偏振方向激光的输出功率更加稳定。本发明包括：泵浦源(1)、第一消色差凸透镜(2‑1)、第二消色差凸透镜(2‑2)、第一Tm,Ho:LLF晶体(3‑1)、第二Tm,Ho:LLF晶体(3‑2)、Cr:ZnS晶体(4)、F‑P标准具(5)、第一2μm激光λ/4波片(6‑1)、第二2μm激光λ/4波片(6‑2)、平凹镜(7)、分光片(8)、第一反射平面镜(9‑1)、第二反射平面镜(9‑2)、反射球面镜(10)。
Description
技术领域
本发明涉及一种双波长脉冲同步Tm,Ho:LLF被动调Q固体激光器，属于光学领域。
背景技术
2μm激光具有对人眼安全的优点，适于人口密集地区；且具有非常好的大气穿透性，与CO2激光器的10.6μm波长相比，它对雨雾有更高的穿透能力，因此是激光测距机、激光成像雷达、多普勒测风雷达以及测量地球大气浓度和温度变化的差分吸收激光雷达系统等的理想光源。特别是大气中的CO2和水蒸气在2μm处具有很好的吸收峰，因此2μm差分吸收雷达特别适合测量大气中CO2和水蒸气的浓度。
一般的差分吸收雷达要求其激光光源的在线和离线激光波长能够实现快速切换，然而在测量大气中某种气体浓度时，大气环境常有急剧变化的情况，激光波长切换时间严重影响了差分吸收雷达对气体的探测精度。双波长脉冲同步Tm,Ho:LLF被动调Q固体激光器的两个垂直偏振方向激光脉冲的同步输出可以有效解决由于波长切换而影响差分吸收雷达测量精度的问题。目前的差分吸收雷达的光源为双波长脉冲激光交替切换输出，若两个波长的激光脉冲同步输出，则两个波长脉冲激光会经过相同的路径，因此会极大地提高差分吸收雷达的测量精度。
本发明中a轴切割的Tm,Ho:LLF激光晶体具有很强的自然双折射特性，其输出激光的偏振方向一般不会因为泵浦功率的变化而发生偏转；另外，每个偏振方向的激光分别利用不同晶体的上能级粒子，因此也就避免了两个偏振方向激光的模式竞争问题，使得两个偏振方向的激光输出更加稳定，并且通过调节泵浦光腰在晶体内的轴向位置，还可以有效控制两个偏振方向激光输出功率的比值。本发明采用了对Cr:ZnS可饱和吸收体自注入激光脉冲的方法，实现了偏振方向互相垂直的在线波长和离线波长激光脉冲同步输出。
发明内容
本发明的目的是为了解决2μm波段正交线偏振双波长脉冲激光的脉冲不同步及能量不均衡问题，提供了一种双波长脉冲同步Tm,Ho:LLF被动调Q固体激光器。
一种双波长脉冲同步Tm,Ho:LLF被动调Q固体激光器，包括：泵浦源(1)、第一消色差凸透镜(2-1)、第二消色差凸透镜(2-2)、第一Tm,Ho:LLF晶体(3-1)、第二Tm,Ho:LLF晶体(3-2)、Cr:ZnS晶体(4)、F-P标准具(5)、第一2μm激光λ/4波片(6-1)、第二2μm激光λ/4波片(6-2)、平凹镜(7)、分光片(8)、第一反射平面镜(9-1)、第二反射平面镜(9-2)、反射球面镜(10)；
所述的泵浦源是纤芯为100μm的光纤耦合输出激光二极管，其输出的792nm泵浦光经过两个消色差凸透镜(2-1、2-2)整形后聚焦于Tm,Ho:LLF激光晶体(3-1、3-2)内，当增益晶体实现粒子数反转后产生2μm波段的激光，该激光为偏振方向沿两块晶体c轴方向的正交线偏振光。通过优化腔参数，使其有较高的输出和接近衍射极限的光束质量。腔内加入Cr:ZnS晶体(4)，获得正交线偏振被动调Q脉冲激光，然后腔内加入珐布里-珀罗(F-P)固体标准具(5)，实现正交线偏振脉冲激光的单纵模输出。通过调节腔内的两个λ/4波片的主轴夹角，实现Tm,Ho:LLF激光器垂直偏振双波长激光的频差调节。经分光片(8)将输出激光的一部分经反射平面镜(9-1、9-2)，再经反射球面镜(10)汇聚到Cr:ZnS(4)晶体内实现脉冲激光的自注入，另一部分激光透过分光镜(8)实现双波长激光脉冲的同步稳定输出。
本发明提供的双波长脉冲同步Tm,Ho:LLF被动调Q固体激光器，采用对Cr:ZnS可饱和吸收体脉冲激光自注入的方法获得了脉冲同步的正交线偏振双波长脉冲激光，并使用针对2μm激光的λ/4波片实现了正交线偏振双波长激光的频差调节。本发明使用串联放置的两块激光晶体使得不同偏振方向的脉冲激光分别利用不同晶体的上能级粒子，避免了两个偏振方向激光的模式竞争问题，使得两个偏振方向的激光输出更加稳定，并且可以通过调节泵浦光腰在晶体内的轴向位置，控制不同偏振方向脉冲激光的功率比。本发明提供的激光器整体具有损耗低、输出功率和转换效率高以及结构简单等优点。本发明输出的偏振方向正交的双波长脉冲同步2μm激光可应用于差分吸收雷达，提高雷达测量精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明两块a轴切割Tm,Ho:LLF激光晶体的光轴定位示意图。
图2为本发明脉冲同步的Tm,Ho:LLF正交线偏振双波长被动调Q固体激光器示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。
如图2所示，本发明提供的一种Tm,Ho:LLF正交线偏振双波长被动调Q固体激光器，包括：
泵浦源(1)、第一消色差凸透镜(2-1)、第二消色差凸透镜(2-2)、第一Tm,Ho:LLF晶体(3-1)、第二Tm,Ho:LLF晶体(3-2)、Cr:ZnS晶体(4)、F-P标准具(5)、第一2μm激光λ/4波片(6-1)、第2μm激光λ/4波片(6-2)、平凹镜(7)、分光片(8)、第一反射平面镜(9-1)、第二反射平面镜(9-2)、反射球面镜(10)；
泵浦源是纤芯为100μm的光纤耦合输出激光二极管，可输出波长为792nm的泵浦光。其发射谱与激光晶体的吸收谱相匹配。激光二极管输出的792nm泵浦光由两个消色差凸透镜(2-1、2-2)整形后聚焦于Tm,Ho:LLF激光晶体(3-1、3-2)内。本发明涉及的双波长脉冲同步Tm,Ho:LLF被动调Q固体激光器采用热电制冷的方法，激光晶体由铟箔片紧密包裹后放置在铜制热沉的通光孔处，且激光晶体要尽量与热沉保证良好的接触，以保证激光晶体与热沉之间良好的热量传递。随后将热沉与热电制冷片相连并连接水循环冷却系统将泵浦产生的热量带走，制冷片与热沉之间涂抹导热硅脂以加强传热。最后通过外部的温度控制系统对热沉以及激光晶体的温度进行精确控制。谐振腔采用简单的平凹腔结构，由镀有2μm波段全反膜的Tm,Ho:LLF激光晶体的前端面和特定曲率半径的平凹输出镜构成，平凹输出镜镀有针对2μm波长激光的部分透射膜。经过输出镜后输出偏振方向为沿两块晶体c轴方向的正交线偏振2μm激光。
图2所示为简单平凹腔激光器，在腔内靠近激光晶体端加入Cr:ZnS(4)可饱和吸收体作为调Q器件。Cr:ZnS(4)晶体为各项同性介质，具有吸收和发射光谱较宽的优点。其中心吸收截面比常见的Tm、Ho等稀土离子的发射截面大两个数量级。在工作物质处于贮能状态时，腔内自发辐射光较弱，产生的光子数较少，而此时Cr:ZnS(4)晶体处于基态吸收阶段，其初始吸收系数很大，导致谐振腔内光子数较少而不能形成激光振荡。随着泵浦光的持续作用，腔内反转粒子数不断积累，荧光逐渐增强，Cr:ZnS(4)晶体的吸收系数逐渐减小，透过率逐渐增大，当激光晶体上能级的反转粒子数密度达到最大时，此时Cr:ZnS(4)晶体的吸收也接近饱和，即达到“漂白”状态，激光振荡的阈值反转粒子数密度下降，谐振腔瞬间释放光子形成并输出一个巨脉冲，谐振腔内的光场立即减弱，即获得调Q激光脉冲输出。然后在激光谐振腔加入厚度为d＝0.25mm的F-P标准具，通过精细地调节F-P标准具在激光谐振腔中的倾斜角度，从而实现了Tm,Ho:LLF被动调Q固体激光器的单一偏振单纵模激光输出。当激光器稳定运转时，在谐振腔中再插入两个λ/4波片(6-1、6-2)，通过调节这两个λ/4波片主轴之间的夹角，即可实现Tm,Ho:LLF激光器可调频差的双波长输出，频差大小由两个λ/4波片主轴之间的夹角决定。为了实现垂直偏振方向的激光脉冲的同步稳定输出，我们采用了对Cr:ZnS可饱和吸收子自注入激光脉冲的方法。用分光片(8)将输出的一部分激光经反射平面镜(9-1、9-2)，再经反射球面镜(10)汇聚到Cr:ZnS晶体(4)内，并使其与腔内振荡激光几乎重合，实现激光脉冲反馈自注入；另一部分激光透过分光片(8)实现正交线偏振双波长激光脉冲的同步稳定输出。
如图1所示，本发明提供的一种激光晶体。此晶体为a轴切割的Tm,Ho:LLF双折射激光晶体。LLF晶体具有较高的热导率，低声子能量、良好的机械性能、化学性质稳定、不易潮解等诸多优点。LLF晶体属于各向异性的单轴激光体，由两个等价的a轴和一个c轴构成，因此LLF晶体的吸收光谱与发射光谱具有偏振特性，可以直接输出线偏振光。本发明中的激光晶体采用a切割方式，其输出的2μm激光一般是沿c轴偏振的线偏振光。为了实现正交线偏振激光输出，本发明采用了两块a轴切割的相同长度的Tm,Ho:LLF激光晶体串联放置，并且这两块晶体的c轴互相垂直，这样就可以实现Tm,Ho:LLF激光器输出的激光为沿两块晶体c轴方向的正交线偏振光，并且可以通过调节泵浦光腰在晶体内的轴向位置，控制不同偏振方向脉冲激光的功率比。
采用上述晶体串联方式有以下两个明显的优点：首先，Tm,Ho:LLF激光晶体具有很强的自然双折射特性，其输出激光的偏振方向不会因为泵浦功率的变化而发生偏转；另外，每个偏振方向的激光分别利用不同晶体的上能级粒子，因此也就避免了两个偏振方向激光的模式竞争问题，使得两个偏振方向的激光输出更加稳定。
晶体的光轴定位与尺寸如图1所示，3-1和3-2为两块长度相同的a轴切割Tm,Ho:LLF激光晶体，端面尺寸都为3mm×3mm，第一Tm,Ho:LLF激光晶体(3-1)前端面镀792nm的增透膜和2μm波段全反膜，另一面镀有792nm和2μm增透膜；而第二Tm,Ho:LLF晶体(3-2)两端面分别镀有792nm和2μm增透膜。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (5)
1.一种双波长脉冲同步Tm,Ho:LLF被动调Q固体激光器，其特征在于，所述激光器包括：泵浦源(1)、第一消色差凸透镜(2-1)、第二消色差凸透镜(2-2)、第一Tm,Ho:LLF晶体(3-1)、第二Tm,Ho:LLF晶体(3-2)、Cr:ZnS晶体(4)、F-P标准具(5)、第一2μm激光λ/4波片(6-1)、第二2μm激光λ/4波片(6-2)、平凹镜(7)、分光片(8)、第一反射平面镜(9-1)、第二反射平面镜(9-2)、反射球面镜(10)；
所述的泵浦源是纤芯为100μm的光纤耦合输出激光二极管，由其输出的792nm泵浦光经过两个消色差凸透镜(2-1、2-2)整形后聚焦于Tm,Ho:LLF激光晶体(3-1、3-2)内，当增益晶体实现粒子数反转后产生2μm波段的激光，该激光为沿两块晶体c轴方向的正交线偏振光，腔内加入Cr:ZnS晶体(4)，获得垂直偏振被动调Q脉冲激光，然后腔内加入珐布里-珀罗(F-P)固体标准具(5)，实现正交线偏振脉冲激光的单纵模输出，通过调节腔内的两个λ/4波片的主轴夹角，实现Tm,Ho:LLF激光器垂直偏振双波长激光的频差调节，经分光片(8)将输出激光的一部分经反射平面镜(9-1、9-2)，再经反射球面镜(10)后聚焦到Cr:ZnS(4)晶体内实现脉冲激光的自注入，一部分激光透过分光镜(8)实现双波长激光脉冲的同步稳定输出；
所述晶体3-1和3-2是两块长度相同的a轴切割Tm,Ho:LLF激光晶体，两块激光晶体串联放置，并且这两块晶体的c轴互相垂直，可通过调节泵浦光腰在晶体(3-1、3-2)内的轴向位置控制两个偏振方向激光输出功率的比值。
2.根据权利要求1所述的一种双波长脉冲同步Tm,Ho:LLF被动调Q固体激光器，其特征在于，所述的两个λ/4波片(6-1、6-2)表面镀有2μm高透膜。
3.根据权利要求1所述的一种双波长脉冲同步Tm,Ho:LLF被动调Q固体激光器，其特征在于，所述的F-P标准具对2μm振荡光的透过率为90％，厚度为0.25mm。
4.根据权利要求1所述的一种双波长脉冲同步Tm,Ho:LLF被动调Q固体激光器，其特征在于，第一反射平面镜(9-1)、第二反射平面镜(9-2)、反射球面镜(10)镀有2μm全反膜。
5.根据权利要求1所述的一种双波长脉冲同步Tm,Ho:LLF被动调Q固体激光器，其特征在于，第一Tm,Ho:LLF晶体(3-1)前端面镀有792nm增透膜和2μm全反膜，另一面镀有792nm和2μm增透膜；而第二Tm,Ho:LLF晶体(3-2)两端面分别镀有792nm和2μm增透膜。
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