CN113314934B - 一种输出耦合率连续可调的激光装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种输出耦合率连续可调的激光装置，该装置包括依次光学共轴放置的第一高反镜、至少两个激光增益模块、相位调制器、偏振片和第二高反镜。通过至少一个激光增益模块与相位调制器共同作用，实现对增益激光相位的调节，进而可以连续调节输出耦合率，实现腔内p光和s光增益损耗的匹配控制，获得高功率(大于瓦级)偏振激光运转。

Description

一种输出耦合率连续可调的激光装置
技术领域
本发明涉及高功率固体激光器领域，特别涉及一种输出耦合率连续可调的激光装置。
背景技术
2μm激光波段为人眼安全波段，在气象监测、激光测距、激光雷达、遥感、医疗和生命科学领域等方面具有广泛应用，美国国家宇航局、美空军实验室、诺格公司、斯坦福大学、哈佛大学、剑桥大学、俄科学院和欧空局等研究人员对此都开展技术攻关。Tm:YAG晶体凭借高硬度、高热导率、优良的机械性能、热性能和光学性能等优势，是高功率2μm激光最具发展潜力的晶体之一。美空军实验室、诺格公司、斯坦福大学、哈佛大学、剑桥大学、俄科学院等以及国内十多家，都在以多种技术方案攻关。现有技术问题为：
1.基于Tm:YAG晶体的高功率2μm激光均为自由运转，研究人员认为该介质难以实现高功率(瓦级)偏振激光运转。
2.基于Tm:YAG晶体的高功率2μm激光谐振腔输出耦合率固定不可调节，难以实现增益损耗控制。
发明内容
为了解决上述至少一个技术问题，本发明提供了一种输出耦合率连续可调的激光装置，该装置包括：依次光学共轴放置的第一高反镜、至少两个激光增益模块、相位调制器、偏振片和第二高反镜；
激光增益模块用于在泵浦条件下产生辐射激光；
第一高反镜和第二高反镜用于构成激光谐振腔实现激光往返振荡，第一高反镜和第二高反镜的腔内均镀有对于预设波长的p光和预设波长的s光高反射率的膜层；
偏振片镀有对于预设波长的s光高反射率且对于预设波长的p光均高透过率的膜层，用于分离p光和s光并实现激光输出；
其中，至少两个激光增益模块中的至少一个激光增益模块通过控制温度场实现对经过其的激光进行旋光量调节，以用作相位调制功能，与相位调制器调节激光谐振腔内p光和s光的相位延迟量，实现输出耦合率调控。
可选地，相位调制器为具有旋光效应的晶体。
可选地，相位调制器对于经过其的激光的相位调制范围为[0,2π]。
可选地，至少两个激光增益模块中的任意一个激光增益模块(1)用于为其他的一个或多个所述激光增益模块相位调制。
可选地，激光增益模块的增益介质为Tm:YAG晶体。
可选地，预设波长的激光为2μm波段的激光。
可选地，激光装置的工作过程为：
至少两个激光增益模块在泵浦条件下产生辐射激光，其中至少一个激光增益模块通过控制温度场实现旋光调节；辐射激光在第一高反镜和第二高反镜构成的谐振腔内往返传输，实现增益激光振荡；增益激光经过至少两个激光增益模块、相位调制器时，分别产生旋光，其中具有相位调制功能的激光增益模块的旋光量与激光装置的工作参数相关；累积旋光后的增益激光通过偏振片在p光和s光两个方向分解，沿不同方向传输；p光继续在高反镜构成的激光谐振腔内往返传输；s光折返传输至激光谐振腔外，形成损耗或者有效激光输出；
有效激光输出的过程为：
低电流工作状态下，调节至少一个激光增益模块的旋光量，实现激光输出；调节相位调制器的旋光量，至激光输出最大值位置；等步长增加电流，每个电流条件下重复上述调节过程，至预先设定的工作条件。
可选地，至少一个激光增益模块的旋光量调节范围在初始值的±15％。
可选地，低电流取值高于激光装置自由运转时等效腔激光阈值电流。
可选地，10％～20％高输出耦合率条件下，实现2.02μm强增益谱线激光输出，3％～8％低输出耦合率条件下，实现2.07μm处弱增益谱线增强及1.95μm、2.02μm强增益谱线抑制。
本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
本发明实施方式提供的一种输出耦合率连续可调的激光装置，通过至少一个激光增益模块与相位调制器共同作用，实现对增益激光相位的调节，进而可以连续输出耦合率，实现腔内p光和s光增益损耗的匹配控制，获得高功率(大于瓦级)偏振激光运转。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种输出耦合率连续可调的激光装置的结构示意图；
图2为本发明实施例1和实施例2提供的一种输出耦合率连续可调的激光装置的结构示意图。
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明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
显然，所描述的实施例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他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
本发明实施例提供一种输出耦合率连续可调的激光装置，请参阅图1所示，图1为本发明实施例提供的一种输出耦合率连续可调的激光装置的结构示意图。本发明实施例的输出耦合率连续可调的激光装置包括：
依次光学共轴放置的第一高反镜2-1、至少两个激光增益模块1相位调制器3、偏振片4和第二高反镜2-2；
激光增益模块1用于在泵浦条件下产生激光；
第一高反镜2-1和第二高反镜2-2用于构成激光谐振腔实现激光往返振荡，第一高反镜2-1和第二高反镜2-2的腔内均镀有对于预设波长的p光和预设波长的s光高反射率的膜层；
偏振片4镀有对于预设波长的s光高反射率且对于预设波长的p光均高透过率的膜层，用于分离p光和s光并实现激光输出；
其中，至少两个激光增益模块1中的至少一个激光增益模块1通过控制温度场实现对经过其的激光进行旋光量调节，以用作相位调制功能，与相位调制器3调节激光谐振腔内p光和s光的相位延迟量，实现增益损耗比精密调控，进而实现输出耦合率调控。
本实施例的输出耦合率连续可调的激光装置，通过至少一个激光增益模块1与相位调制器3共同作用，实现对增益激光相位的调节，进而可以连续输出耦合率，实现腔内p光和s光增益损耗的匹配控制，获得高功率(大于瓦级)偏振激光运转。
需要说明的是，本申请中的高反是指反射率大于90％，高透是指透过率大于90％。
下面以几个具体实施例对本发明的激光器腔内目标偏振态增益比测定装置进行详细说明。
实施例1
图2为本实施例1提供的一种输出耦合率连续可调激光装置。可以连续输出耦合率，实现腔内p光和s光增益损耗的匹配控制，获得高功率(大于瓦级)偏振激光运转。
本实施例的一种输出耦合率连续可调激光装置包括依次光学共轴放置的第一高反镜2-1、第一个激光增益模块1、旋光晶体5、第二个激光增益模块1、相位调制器3、偏振片4和第二高反镜2-2；
本实施例中，第一高反镜2-1朝向第一激光增益模块1的一侧镀有反射率>90％的对预设波长的p光和预设波长的s光高反射率的膜；该预设波长激光为2μm波段激光，例如，可以为波长在1.9μm～2.1μm范围内，本实施例中，为2.07μm；激光增益模块1包括激光增益介质1-1和Tm:YAG泵浦源1-2，泵浦源1-2的泵浦光波长为780nm～790nm，例如可以为783nm；相位调制器3为旋光效应的晶体，其对于经过其的激光的相位调制范围为[0,2π]；偏振片4为45°偏振片，对p偏振激光高透，s偏振激光高反；第二高反镜2-2朝向偏振片4的一侧镀有反射率>90％的对2.07μm波长p偏振激光高反的膜。
本实施例中，其中一个激光增益模块1具有相位调制功能，可以通过调节其本身温度场的温度实现对经过其的激光进行旋光量调节，该旋光量调节范围在初始值的±15％。该温度场例如可以为冷却液循环系统，通过冷却液系统来调控激光增益介质1-1和Tm:YAG泵浦源1-2的温度。
本实施例的一种输出耦合率连续可调激光装置，其工作过程为：
所述两个激光增益模块1在泵浦条件下产生辐射激光，其中第一个激光增益模块1通过控制温度场实现旋光调节；辐射激光在所述第一高反镜2-1和所述第二高反镜2-2构成的谐振腔内往返传输，实现增益激光振荡；增益激光经过两个激光增益模块1、相位调制器3时，分别产生旋光，其中具有相位调制功能的第一个激光增益模块1的旋光量与激光装置的工作参数相关；该工作参数可以包括泵浦源的温度、功率以及增益介质尺寸。累积旋光后的增益激光通过偏振片3在p偏振激光和s偏振激光两个方向分解，沿不同方向传输；p偏振激光继续在第一高反镜2-1和第二高反镜2-2构成的激光谐振腔内往返传输；s偏振激光被偏振片4反射传输至激光谐振腔外，形成有效激光输出。常规条件下，该激光装置增益损耗不匹配，不能有效激光输出。
本实施例为3％～8％低输出耦合率条件下有效激光输出，其过程为：
低电流工作状态下，调节第一个激光增益模块1的旋光量，实现激光输出；调节相位调制器3的旋光量，至激光输出最大值位置；等步长增加电流，每个电流条件下重复上述调节过程，至3％～8％低输出耦合率条件，实现2.07μm处弱增益谱线增强及1.95μm、2.02μm强增益谱线抑制。上述低电流取值高于所述激光装置自由运转时等效腔激光阈值电流，以使激光装置在低功率出光状态下完成输出耦合率的连续调节。
实施例2
参阅图2所示，两个激光增益模块1中的任意一个激光增益模块1可以用于为另一个激光增益模块1相位调制，且可以通过多轮调节，以提高输出耦合精度。
图2为本实施例2提供的一种输出耦合率连续可调激光装置。可以连续输出耦合率，实现腔内增益损耗的匹配控制，获得高功率(大于瓦级)偏振激光运转。
本实施例的一种输出耦合率连续可调激光装置包括依次光学共轴放置的第一高反镜2-1、第一个激光增益模块1、旋光晶体5、第二个激光增益模块1、相位调制器3、偏振片4和第二高反镜2-2；
本实施例中，第一高反镜2-1朝向第一激光增益模块1的一侧镀有反射率>90％的对预设波长的p光和预设波长的s光高反射率的膜；该预设波长激光为2μm波段激光，本实施例中的2μm波段是可以具体为2.02μm；激光增益模块1包括激光增益介质1-1和Tm:YAG泵浦源1-2，泵浦源1-2的泵浦光波长为790nm～795nm，例如可以为793nm；相位调制器3为旋光效应的晶体，其对于经过其的激光的相位调制范围为[0,2π]；偏振片4为45°偏振片，对p偏振激光高透，s偏振激光高反；第二高反镜2-2朝向偏振片4的一侧镀有反射率>90％的对2.02μm波长p偏振激光高反的膜。
本实施例中，两个个激光增益模块1互相对另一个具有相位调制功能，可以通过调节其本身温度场的温度实现对经过其的激光进行旋光量调节，该旋光量调节范围在初始值的±15％。该温度场例如可以为冷却液循环系统，通过冷却液系统来调控激光增益介质1-1和Tm:YAG泵浦源1-2的温度。
本实施例的一种输出耦合率连续可调激光装置，其工作过程为：
所述两个激光增益模块1在泵浦条件下产生辐射激光，并通过施加的温度场实现互相旋光调节；辐射激光在所述第一高反镜2-1和所述第二高反镜2-2构成的谐振腔内往返传输，实现增益激光振荡；增益激光经过两个激光增益模块1、相位调制器3时，分别产生旋光，其中具有相位调制功能的两个激光增益模块1的旋光量与激光装置的工作参数相关；该工作参数可以包括泵浦源的温度、功率以及增益介质尺寸。累积旋光后的增益激光通过偏振片3在p偏振激光和s偏振激光两个方向分解，沿不同方向传输；p偏振激光继续在第一高反镜2-1和第二高反镜2-2构成的激光谐振腔内往返传输；s偏振激光被偏振片4反射传输至激光谐振腔外，形成有效激光输出。常规条件下，该激光装置增益损耗不匹配，不能有效激光输出。
本实施例为10％～20％高输出耦合率条件下有效激光输出，其过程为：
低电流工作状态下，调节两个激光增益模块1的旋光量，实现激光输出；调节相位调制器3的旋光量，至激光输出最大值位置；等步长增加电流，每个电流条件下重复上述调节过程，至10％～20％高输出耦合率条件，实现2.02μm强增益谱线激光输出。上述低电流取值高于所述激光装置自由运转时等效腔激光阈值电流，以使激光装置在低功率出光状态下完成输出耦合率的调节。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (8)

1.一种输出耦合率连续可调的激光装置，其特征在于，包括：
依次光学共轴放置的第一高反镜(2-1)、至少两个激光增益模块(1)、相位调制器(3)、偏振片(4)和第二高反镜(2-2)；
所述激光增益模块(1)用于在泵浦条件下产生辐射激光，所述激光增益模块(1)包括激光增益介质(1-1)和Tm:YAG泵浦源(1-2)，所述激光增益介质(1-1)为Tm:YAG晶体，所述Tm:YAG泵浦源(1-2)设置于所述激光增益介质(1-1)的侧面并对其进行泵浦；
所述第一高反镜(2-1)和所述第二高反镜(2-2)用于构成激光谐振腔实现激光往返振荡，所述第一高反镜(2-1)和所述第二高反镜(2-2)的腔内均镀有对于预设波长的p光和预设波长的s光高反射率的膜层；
所述偏振片(4)镀有对于预设波长的s光高反射率且对于预设波长的p光均高透过率的膜层，用于分离p光和s光并实现激光输出；
其中，所述至少两个激光增益模块(1)中的至少一个激光增益模块(1)通过控制温度场实现对经过其的激光进行旋光量调节，以用作相位调制功能，与所述相位调制器(3)调节所述激光谐振腔内p光和s光的相位延迟量，实现输出耦合率调控；
所述激光装置在10％～20％高输出耦合率条件下有效激光输出，实现2.02μm强增益谱线激光输出；
所述激光装置在3％～8％低输出耦合率条件下有效激光输出，实现2.07μm处弱增益谱线增强及1.95μm、2.02μm强增益谱线抑制。
2.根据权利要求1所述的输出耦合率连续可调的激光装置，其特征在于，所述相位调制器(3)为具有旋光效应的晶体。
3.根据权利要求1所述的输出耦合率连续可调的激光装置，其特征在于，所述相位调制器(3)对于经过其的激光的相位调制范围为[0,2π]。
4.根据权利要求1所述的输出耦合率连续可调的激光装置，其特征在于，所述至少两个激光增益模块(1)中的任意一个激光增益模块(1)用于为其他的一个或多个所述激光增益模块(1)相位调制。
5.根据权利要求1所述的输出耦合率连续可调的激光装置，其特征在于，所述预设波长的激光为2μm波段的激光。
6.根据权利要求1所述的输出耦合率连续可调的激光装置，其特征在于，所述激光装置的工作过程为：
所述至少两个激光增益模块(1)在泵浦条件下产生辐射激光，其中至少一个所述激光增益模块(1)通过控制温度场实现旋光调节；所述辐射激光在所述第一高反镜(2-1)和所述第二高反镜(2-2)构成的谐振腔内往返传输，实现增益激光振荡；增益激光经过所述至少两个激光增益模块(1)、相位调制器(3)时，分别产生旋光，其中具有相位调制功能的激光增益模块(1)的旋光量与所述激光装置的工作参数相关；累积旋光后的增益激光通过偏振片(4)在p光和s光两个方向分解，沿不同方向传输；所述p光继续在高反镜(2)构成的激光谐振腔内往返传输；所述s光折返传输至激光谐振腔外，形成损耗或者有效激光输出；
所述有效激光输出的过程为：
低电流工作状态下，调节至少一个激光增益模块(1)的旋光量，实现激光输出；调节相位调制器(3)的旋光量，至激光输出最大值位置；等步长增加电流，每个电流条件下重复上述调节过程，至预先设定的工作条件。
7.根据权利要求6所述的输出耦合率连续可调的激光装置，其特征在于，至少一个所述激光增益模块(1)的旋光量调节范围在初始值的±15％。
8.根据权利要求6所述的输出耦合率连续可调的激光装置，其特征在于，所述低电流取值高于所述激光装置自由运转时等效腔激光阈值电流。
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