CN113346347B - 一种用于Nd:YVO4激光器的激光强度噪声抑制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于激光器技术领域，涉及激光强度噪声抑制技术，具体提供一种用于Nd:YVO4激光器的激光强度噪声抑制装置；所述装置提供反馈信号施加到Nd:YVO4激光器的电光晶体两端，有效调节施加在电光晶体上的电压，进而调节电光晶体的透射率，再进一步调节激光谐振腔的损耗，实现调节激光器输出激光的强度；通过该电光调制，实现对激光器输出激光的强度调制，从而对激光强度噪声的进行抑制，有效克服了现有技术调节增益受LD泵浦激光器带宽限制的问题。综上，本发明电光调制的响应速度快，能够形成宽带反馈控制，能够提升激光强度噪声的抑制效果，并且显著提高了调制带宽。

Description

一种用于Nd:YVO4激光器的激光强度噪声抑制装置
技术领域
本发明属于激光器技术领域，涉及激光强度噪声抑制技术，具体提供一种用于Nd:YVO4激光器的腔内调制的激光强度噪声抑制装置。
背景技术
半导体激光器具有可调谐、结构紧凑、相干性好等优点，具有广泛的应用场景；但是半导体激光器的强度噪声比较强，导致激光器输出功率不稳定。强度噪声表示输出激光光强波动的情况，具体可用单位面积的光功率表示。目前，有很多方法可以抑制强度噪声，主要包括注入锁定、光电反馈、模清洁器等；如文献“BelfiJ,Galli I,Giusfredi G,etal.Intensity noise of an injection-locked Ti:sapphire laser:analysis of thephase-noise-to-amplitude-noise conversion[J].Journal of the Optical Societyof America B,2006,23(7):1571-1572”中公开了利用注入锁定的方法实现对钛宝石激光器的强度噪声抑制，文献“S.Taccheo,P.Laporta.Intensity noise reduction in asingle-frequency ytterbium-codeped erbium laser[J].Opt Lett,1966,21(21):1747-1749”中公开了利用光电反馈法抑制半导体激光器的强度噪声，文献“陈艳丽,张靖等. 利用模清洁器降低单频Nd:YVO4激光器的强度噪声[J].中国激光,2001,28(3):197-200”中公开了通过模清洁器方法实现对单频Nd:YVO4激光器的强度噪声抑制；其中,光电反馈技术结构简单、抗干扰能力强、易于实现，是目前最常采用的方法。
光电反馈法是将输出激光的一部分利用光电二极管转换为电流，然后通过一个驱动电路输入到半导体激光器(泵浦源)的输入电流上，使反馈信号的交流部分耦合到半导体激光器上而不影响半导体激光器的直流驱动电流，通过反馈调制半导体激光器的驱动电流的大小从而抑制激光强度噪声；但是，整个反馈环路需要有比较大的增益，需要在弛豫振荡峰至高频区域附近实现合适的相位超前补偿来防止反馈环路产生自激振荡，并且这种负反馈调制的增益受泵浦激光器带宽的限制、难以获得较宽范围内的强度噪声抑制。因此，提高调制带宽，研究一种激光器强度噪声抑制的光电负反馈装置是很有必要的。
发明内容
本发明的目的在于针对Nd:YVO4激光器提供一种腔内调制的激光强度噪声抑制装置，该装置提供反馈信号施加到Nd:YVO4激光器的电光晶体两端，有效调节施加在电光晶体上的电压，进而调节电光晶体的透射率，再进一步调节激光谐振腔的损耗，实现调节激光器输出激光的强度；通过该电光调制，实现对激光器输出激光的强度调制，从而对激光强度噪声的进行抑制，有效克服了现有技术调节增益受LD泵浦激光器带宽限制的问题；并且，电光调制的响应速度快，能够形成宽带反馈控制，显著提升激光强度噪声的抑制效果。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种用于Nd:YVO4激光器的激光强度噪声抑制装置，包括：第一1/2波片13、第一偏振分光镜14、第二1/2波片15、第二偏振分光镜16、第一聚焦透镜17、第一光电探测器18及信号处理模块19；其特征在于，Nd:YVO4激光器输出的激光经过第一1/2波片13后入射到第一偏振分光镜14，经过第一偏振分光镜14的分束后一路作为激光器的输出，一路经过第二1/2波片15后，被第二偏振分光镜16反射到第一聚焦透镜17，反射激光经过第一聚焦透镜17聚焦后入射到第一光电探测器18，由第一光电探测器18进行光电转换输出电信号到信号处理模块19，信号处理模块19对电信号进行相位超前和放大后输出反馈信号到激光器的电光晶体的两端。
进一步的，所述电光晶体10采用LiTaO3晶体，所述反馈信号控制电光晶体两端的施加电压，进而调节电光晶体的透射率实现激光强度噪声抑制。
进一步的，所述信号处理模块19由一阶相位超前电路与放大电路构成，所述一阶相位超前电路为电信号提供相位超前、抑制反馈电路的自激振荡，再由所述放大电路对电信号提供增益，最后输出反馈信号。
进一步的，所述激光强度噪声抑制装置还包括：第二偏振分光镜16、第二聚焦透镜20、第二光电探测器21、放大器22及频谱仪23，所述第一偏振分光镜14的反射激光经过第二1 /2波片15后被第二偏振分光镜16分成两束激光，分别输入到第一聚焦透镜17与第二聚焦透镜20，激光经过第二聚焦透镜20聚焦后输入到第二光电探测器21，由第二光电探测器21进行光电转换输出电信号，电信号经过放大器22进行放大后输入频谱仪23，通过频谱仪23监测噪声。
进一步的，所述Nd:YVO4激光器包括：泵浦源1、耦合光纤2、耦合透镜4、后腔镜6、Nd:YVO4激光晶体8、电光晶体10；其中，所述后腔镜6的泵浦光入射通光面设置有光学薄膜5，凹侧通光面设置有光学薄膜7，所述电光晶体10两个通光面分别设置有反射率为50％的反射膜9，共同形成输出镜11，后腔镜6与输出镜11共同形成激光谐振腔；所述泵浦源1 产生的泵浦光3通过耦合光纤2入射到耦合透镜4，经耦合透镜4聚焦后入射到Nd:YVO4激光晶体8，在激光谐振腔内产生单纵模激光振荡。
更进一步的，所述的泵浦源1采用半导体激光器，半导体激光器输出激光的频率谱与 Nd:YVO4激光晶体8的吸收频率谱相匹配。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明提供一种用于Nd:YVO4激光器的激光强度噪声抑制装置，采用电光调制，将反馈电压信号直接施加在电光晶体两端，实现电光晶体两端施加电压的调制，使得电光晶体透射率的随之改变，进而改变激光谐振腔的损耗，最终实现激光器的输出激光光强的调制，形成了闭合的宽带反馈控制；并通过改变调制电压的方向，形成负反馈控制，实现激光强度噪声抑制。综上，本发明中，电光调制的响应速度快，激光强度噪声的抑制效果好，而且显著提高了调制带宽。
附图说明
图1为本发明提供的用于Nd:YVO4激光器的激光噪声抑制装置的结构示意图；其中，1 为泵浦源，2为耦合光纤，3为泵浦光，4为耦合透镜，5为光学透射薄膜，6为后腔镜，7为光学反射薄膜，8为Nd:YVO4激光晶体，9为光学反射薄膜，10为电光晶体，11为输出镜， 12为输出激光，13为第一1/2波片，14为第一偏振分光镜，15为第二1/2波片，16为第二偏振分光镜，17为第一聚焦透镜，18为第一光电探测器，19为相位超前与放大电路，20为第二聚焦透镜，21为第二光电探测器，22为放大器，23为频谱仪。
图2为本发明中电光晶体两端调制电压和电光晶体的透射率关系图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
本实施例提供一种用于Nd:YVO4激光器的腔内调制的激光强度噪声抑制装置，整体结构如图1所示，包括：泵浦源1、耦合光纤2、耦合透镜4、后腔镜6、Nd:YVO4激光晶体8、电光晶体10、第一1/2波片13、第一偏振分光镜14、第二1/2波片15、第二偏振分光镜16、第一聚焦透镜17、第一光电探测器18、信号处理模块19、第二聚焦透镜20、第二光电探测器21、放大器22、频谱仪23；
其中，泵浦源1、耦合光纤2、耦合透镜4、后腔镜6、Nd:YVO4激光晶体8、电光晶体 10共同构成Nd:YVO4激光器；第一1/2波片13、第一偏振分光镜14、第二1/2波片15、第二偏振分光镜16、第一聚焦透镜17、第一光电探测器18、信号处理模块19、第二聚焦透镜 20、第二光电探测器21、放大器22、频谱仪23共同构成激光强度噪声抑制装置；更为具体的讲：
所述后腔镜6朝向泵浦源1的端面上设置(镀)有光学薄膜5，该光学薄膜对泵浦光3具有增透作用，凹侧通光面设置有光学薄膜7，该光学薄膜对激光为高反射；所述Nd:YVO4激光晶体8作为激光增益介质，是产生激光输出的固体激光工作物质，其吸收系数高、吸收带宽、吸收峰约808nm，适用于激光二极管泵浦的激光器；所述电光晶体10两个通光面分别设置有反射率为50％的反射膜9，形成FP(法布里-珀罗)腔，作为激光器的输出镜11，所述电光晶体10采用LiNbO3晶体，其晶体折射率随着外加电场而发生变化，即：通过对电光晶体两端施加电压能够调节电光晶体的透射率；所述后腔镜6与输出镜11共同形成激光谐振腔；
所述泵浦源1产生的泵浦光3通过耦合光纤2入射到耦合透镜4，经耦合透镜4聚焦后入射到Nd:YVO4激光晶体8，在激光谐振腔内产生单纵模激光振荡；
所述Nd:YVO4激光器输出的激光12经过第一1/2波片13后入射到第一偏振分光镜14，经过第一偏振分光镜14的分束后一路作为激光器的输出，另一路经过第二1/2波片15后入射到第二偏振分光镜16，经第二偏振分光镜16分成两束激光、分别输入到反馈支路与监测支路；
所述反馈支路包括：第一聚焦透镜17、第一光电探测器18、信号处理模块19，激光经过第一聚焦透镜17聚焦后输入到第一光电探测器18，由第一光电探测器18进行光电转换输出电信号到信号处理模块19，信号处理模块19对电信号进行相位超前和放大后输出反馈信号到电光晶体10的两端，通过反馈信号控制电光晶体10两端的电压实现对激光器的强度噪声的抑制；所述信号处理模块19由一阶相位超前电路和放大电路构成，一阶相位超前电路提供相位超前、抑制反馈电路的自激振荡，放大电路对反馈信号提供增益；
所述监测支路包括：第二聚焦透镜20、第二光电探测器21、放大器22及频谱仪23，激光经过第二聚焦透镜20聚焦后输入到第二光电探测器21，由第二光电探测器21进行光电转换输出电信号，电信号经过放大器22进行放大后输入频谱仪23，通过频谱仪23监测噪声信号。
本实施例中，所述泵浦源采用半导体激光器；第一聚焦透镜17与第二聚焦透镜20采用 K9平凸透镜，对经偏振分光镜分出的输出激光12进行聚焦、准直。
从工作原理上讲：电光晶体的电光调制具体原理如下：
Figure BDA0003051863960000041
其中，I为输入电光晶体的光强，IO为电光晶体输出的光强，I/IO为光强透射率，δ为电光晶体的电光延迟；电光晶体的电光延迟可表示为：
Figure BDA0003051863960000051
其中，V为电光晶体两端施加电压，Vπ为半波电压；而本发明中，施加电压V由两部分组成、表示为V0+ΔV，V0为基准电压、ΔV为反馈回路的反馈电压，则有：
Figure BDA0003051863960000052
由上式可知，调节电光晶体两端的电压，从而改变电光晶体的透射率，进一步改变激光谐振腔的损耗，进而调节输出激光光强，形成了闭合宽带反馈控制。当激光谐振腔内的寄生损耗很小时，激光输出功率随着输出透过率的增大而减小。
具体原理如图2所示，图2反映了电光晶体的调制电压与电光晶体的透射率的关系。假设调制电压分别工作在V1和V2附近两种情况，前者斜率为正，表示电光晶体的透过率随着调制电压增大；后者斜率为负，表示电光晶体的透过率随着调制电压减小。
考虑调制电压在V1附近时的情况，当输出激光强度变大时，光电探测电压增大，使得调制电压增大，此时电光晶体的透过率增大，激光谐振腔的损耗变大，从而使得输出激光强度变小，环路处于负反馈状态。同理，调制电压在V2附近时的情况，环路处于正反馈状态，通过改变调制电压的方向，使环路处于负反馈状态。当环路处于负反馈状态时，可实现对激光器强度噪声的抑制。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (6)

1.一种用于Nd:YVO4激光器的激光强度噪声抑制装置，包括：第一1/2波片(13)、第一偏振分光镜(14)、第二1/2波片(15)、第二偏振分光镜(16)、第一聚焦透镜(17)、第一光电探测器(18)及信号处理模块(19)；其特征在于，Nd:YVO4激光器输出的激光经过第一1/2波片后入射到第一偏振分光镜，经过第一偏振分光镜的分束后一路作为激光器的输出，另一路经过第二1/2波片后入射到第二偏振分光镜、被反射到第一聚焦透镜，反射激光经过第一聚焦透镜聚焦后入射到第一光电探测器，由第一光电探测器进行光电转换输出电信号到信号处理模块，信号处理模块对电信号进行相位超前和放大后输出反馈信号到激光器的电光晶体的两端。
2.按权利要求1所述用于Nd:YVO4激光器的激光强度噪声抑制装置，其特征在于，所述电光晶体采用LiTaO3晶体，所述反馈信号控制电光晶体两端的施加电压，进而调节电光晶体的透射率实现激光强度噪声抑制。
3.按权利要求1所述用于Nd:YVO4激光器的激光强度噪声抑制装置，其特征在于，所述信号处理模块由一阶相位超前电路与放大电路构成，所述一阶相位超前电路为电信号提供相位超前、抑制反馈电路的自激振荡，再由所述放大电路对电信号提供增益，最后输出反馈信号。
4.按权利要求1所述用于Nd:YVO4激光器的激光强度噪声抑制装置，其特征在于，所述激光强度噪声抑制装置还包括：第二聚焦透镜(20)、第二光电探测器(21)、放大器(22)及频谱仪(23)，所述第二偏振分光镜的另一路激光输入到第二聚焦透镜，激光经过第二聚焦透镜聚焦后输入到第二光电探测器，由第二光电探测器进行光电转换输出电信号，电信号经过放大器进行放大后输入频谱仪，通过频谱仪观测噪声。
5.按权利要求1所述用于Nd:YVO4激光器的激光强度噪声抑制装置，其特征在于，所述Nd:YVO4激光器包括：泵浦源(1)、耦合光纤(2)、耦合透镜(4)、后腔镜(6)、Nd:YVO4激光晶体(8)、电光晶体(10)；其中，所述后腔镜的泵浦光入射通光面设置有对泵浦光增透的光学透射薄膜(5)、凹侧通光面设置有对激光高反的光学反射薄膜(7)，所述电光晶体10两个通光面分别设置有反射率为50％的反射膜(9)、形成输出镜(11)，后腔镜与输出镜共同形成激光谐振腔；所述泵浦源产生的泵浦光(3)通过耦合光纤入射到耦合透镜，经耦合透镜聚焦后入射到Nd:YVO4激光晶体，在激光谐振腔内产生单纵模激光振荡。
6.按权利要求5所述用于Nd:YVO4激光器的激光强度噪声抑制装置，其特征在于，所述泵浦源采用半导体激光器，半导体激光器输出激光的频率谱与Nd:YVO4激光晶体(8)的吸收频谱相匹配。
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