CN113394649A - 1342nm单频连续光直腔放大器、放大系统及其光放大方法 - Google Patents

1342nm单频连续光直腔放大器、放大系统及其光放大方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种1342nm单频连续光直腔放大器，主要包括两个泵浦耦合器、增益介质和两个透反镜。泵浦耦合器夹持底座可四维调节以使得经泵浦耦合器整形汇聚后的泵浦光与经透反镜反射的种子光在增益介质内纵向重合以放大种子光的能量。种子光经透反镜注入增益介质，两侧的泵浦耦合器将正反两方向的泵浦光整形汇聚后注入增益介质，种子光与两束泵浦光在增益介质中重合，种子光能量高效放大，同时保持了种子光单纵模、窄线宽、频率可调谐和高光束质量等特点。

Description

1342nm单频连续光直腔放大器、放大系统及其光放大方法
技术领域
本发明涉及激光器技术领域，特别是涉及一种1342nm单频连续光直腔放大器、放大系统及其光放大方法。
背景技术
1342nm单频连续光因其波长连续可调谐、性能稳定和单色性好等优点，广泛应用于光谱学、相干测量、全息、量子信息等领域。同时1342nm单频连续光也是二次谐波倍频出射671nm连续光的主要技术途径。
目前市场上，出射连续可调谐的1342nm单频连续光的固体激光器都有着能量较低，不能满足使用需求的缺点，为了获得较高功率的单频连续可调谐激光器，需要对出射的可调谐的1342nm单频连续光进行放大，使得输出的1342nm单频连续光满足单频、窄线宽、高频率稳定度和高能量等特点。
目前，放大的方式有几种特殊结构，例如TA锥形放大器或者光纤拉曼放大器，这些放大器适合低能量种子光放大，即将毫瓦级功率放大至瓦级水平，放大能力较低。而对于较高能量的种子光不适合。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中固体激光器出射的1342nm单频连续光能量较低，不能满足使用需求的技术缺陷，而提供一种1342nm单频连续光直腔放大器，主要包括两个泵浦耦合器、增益介质和两个透反镜。种子光经透反镜注入增益介质，两侧的泵浦耦合器将正反两方向的泵浦光整形汇聚后注入增益介质，种子光与两束泵浦光在增益介质中重合，种子光能量高效放大。
本发明的另一个目的，一种1342nm单频连续光直腔放大系统，包括种子激光器、透镜组、两个泵浦光发射器和上述1342nm单频连续光直腔放大器。
本发明的另一个目的，是提供上述1342nm单频连续光直腔放大系统的光放大方法。
为实现本发明的目的所采用的技术方案是：
一种1342nm单频连续光直腔放大器，包括增益介质、同光轴对称设置在所述增益介质两侧的第一透反镜和第二透反镜，所述第一透反镜和所述第二透反镜的外侧分别设有第一泵浦耦合器和第二泵浦耦合器，所述第一透反镜反射种子光、透射所述第一泵浦耦合器发出的泵浦光并将两者汇合，所述第二透反镜透射所述第二泵浦耦合器发出的泵浦光，所述第一透反镜发射的种子光、以及第一透反镜和第二透反镜透射的两束泵浦光在所述增益介质内纵向重合增益放大形成放大光，所述第二透反镜反射所述增益介质输出的所述放大光。
在上述技术方案中，还包括底座，所述增益介质通过增益介质夹持底座设置在所述底座的中部；所述第一泵浦耦合器和所述第二泵浦耦合器分别通过泵浦耦合器夹持底座对称设置在所述底座的两端；所述泵浦耦合器夹持底座可四维调节以使得经所述第一泵浦耦合器和所述第二泵浦耦合器整形汇聚后的两束泵浦光与经所述透反镜反射的种子光在所述增益介质内纵向重合。
在上述技术方案中，所述第一泵浦耦合器和第二泵浦耦合器内设置有由自聚焦透镜、凹镜和聚焦透镜组成的泵浦耦合透镜组，所述泵浦耦合透镜组的倍率为1:(1-5)。
在上述技术方案中，经所述第一泵浦耦合器和所述第二泵浦耦合器整形汇聚后的泵浦光的光斑大小与种子光的光斑大小比例为1：(0.8-1)。
在上述技术方案中，所述增益介质为YVO4-Nd:YVO4键和晶体或者YVO4-Nd:YVO4-YVO4键和晶体。
在上述技术方案中，所述增益介质外包覆有金属散热材料和水冷组件。
在上述技术方案中，所述增益介质夹持底座可前后、左右二维调节。
在上述技术方案中，所述底座包括用于支撑所述第一泵浦耦合器、第二泵浦耦合器、所述增益介质第一透反镜和第二透反镜的光学平台和用于安装辅助部件的下部空腔。
本发明的另一个目的，上述1342nm单频连续光直腔放大器的光放大方法，种子光经第一透反镜反射后与分别通过第一泵浦耦合器和所述第二泵浦耦合器整形汇聚的两束泵浦光在增益介质内纵向重合增益放大形成放大光，放大光经过所述第二透反镜反射后照射出来。
本发明的另一个目的，一种1342nm单频连续光直腔放大系统，包括用于发射种子光的种子激光器、对所述种子光进行隔离整形的透镜组、两个用于发射泵浦光的泵浦光发射器上述1342nm单频连续光直腔放大器；所述透镜组位于所述种子激光器与第一透反镜之间，两个所述泵浦光发射器分别位于所述第一泵浦耦合器和所述第二泵浦耦合器的外侧。
在上述技术方案中，所述透镜组包括将所述种子光整形的整形透镜、隔离反射回来的种子光的隔离器和将种子光聚焦的聚焦透镜。
在上述技术方案中，所述泵浦光发射器为光纤耦合激光二极管激光器，输出的泵浦光的中心波长为880nm，光纤直径为400um，数值孔径N.A.为0.22。
本发明的另一个目的，上述1342nm单频连续光直腔放大系统的光放大方法，包括以下步骤：
步骤1：种子激光器发射的种子光经过透镜组隔离整形后，由第一透反镜反射注入增益介质内；
步骤2：两个泵浦光发射器分别发射两束泵浦光，两束泵浦光分别通过第一泵浦耦合器和第二泵浦耦合器整形汇聚后经第一透反镜和第二透反镜透射到所述增益介质内；
步骤3:种子光和两束所述泵浦光增益介质内纵向重合，增益直腔放大得放大光；
步骤4：放大光穿出所述增益介质后经由第二透反镜反射。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明提供的1342nm单频连续光直腔放大器，可应用于能量较高的种子光，同时保持较高的放大效率。例如，可将1瓦的种子光放大到5瓦。如果采用多级连用放大方式，可将瓦级种子光放大至几十瓦，大大提高了种子光能量放大效率，对于获得高功率能量1342激光，有着较大优势。
2.本发明提供的1342nm单频连续光直腔放大器，主要包括两个泵浦耦合器、增益介质和两个透反镜。种子光经透反镜注入增益介质，两侧的泵浦耦合器将正反两方向的泵浦光整形汇聚后注入增益介质，种子光与两束泵浦光在增益介质中重合，种子光能量高效放大，同时还保持了种子光单纵模、窄线宽、频率可调谐和高光束质量等特点。
3.本发明提供的1342nm单频连续光直腔放大系统，由平板式结构框架的底座支撑，整体分为上下两个腔体，光学结构的器件设置在上部腔体，所有光学结构的器件以光路为核心，均匀分布在光学平台上。而下部空腔主要用来安装水冷管道、控制器等辅助部件。整个结构的空间利用率高，结构稳定。
4.本发明提供的1342nm单频连续光直腔放大系统的光放大方法中，种子光首先经过隔离整形后经透反镜反射注入增益介质内。具体的隔离整形方法为，种子激光器发射的种子光首先经过整形透镜整形，使发散的种子光尽量平行传输；然后经隔离器隔离沿原路返回的种子光，避免干扰种子光，保证种子光的稳定性；最后通过聚焦透镜把整形后的种子光聚焦到合适的光斑大小注入到增益介质内，使得种子光满足高效放大的要求。经所述泵浦耦合器整形汇聚后的泵浦光的光斑大小与种子光的光斑大小比例为1:(0.8-1)，在此比例范围内，种子光放大效率较高。
附图说明
图1所示为单频连续光的直腔放大器的结构示意图；
图2所示为光放大方法的原理示意图。
图中：1-隔离器，2-整形透镜，3-聚焦透镜，4-第一透反镜，5-第二透反镜，6-增益介质，7-第一泵浦耦合器，8-第二泵浦耦合器，9-泵浦耦合器夹持底座，10-增益介质夹持底座，11-底座，12-种子激光器，13-泵浦光发射器。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
一种1342nm单频连续光直腔放大器，如图1所示，包括增益介质6、反射种子光并透射泵浦光的第一透反镜4、反射放大光并透射泵浦光的第二透反镜5和分别将两束泵浦光整形汇聚进入所述增益介质6的第一泵浦耦合器7和第二泵浦耦合器8，第一透反镜4和第二透反镜5分别位于所述增益介质6的两侧，两个所述泵浦耦合器7,8分别位于所述第一透反镜4和所述第二透反镜5的外侧，经过所述第一透反镜4反射的种子光与先后经过所述第一泵浦耦合器7或第二泵浦耦合器8与所述第一透反镜4或第二透反镜5的两束泵浦光在所述增益介质6内汇合。
还包括底座11，所述增益介质6通过增益介质夹持底座10设置在所述底座11的中部；第一泵浦耦合器7和第二泵浦耦合器8分别通过泵浦耦合器夹持底座9对称设置在所述底座11的两端；
所述增益介质夹持底座10可前后、左右二维调节；
所述泵浦耦合器夹持底座9可在上下、俯仰、前后、左右四个维度上进行四维调节以使得经所述第一泵浦耦合器7和第二泵浦耦合器8整形汇聚后的泵浦光与经所述第一透反镜4反射的种子光在所述增益介质6内纵向重合。
所述第一透反镜4和第二透反镜5对泵浦光45°全透，对种子光或放大光全返。调节所述第一透反镜4的角度以及泵浦耦合器夹持底座9，使种子光和泵浦光在所述第一透反镜4的镜面上尽量重合，保证两束光在聚焦到增益介质6内时在纵向上一致，提高放大效率。
在上述单频连续光的直腔放大器中，所述第一泵浦耦合器7和第二泵浦耦合器8内设置有由自聚焦透镜、凹镜和聚焦透镜组成的泵浦耦合透镜组，所述泵浦耦合透镜组的倍率为1:(1-5)。可根据放大要求不同选择不同的倍率以获得与种子光斑大小匹配的泵浦光斑。
经所述第一泵浦耦合器7和第二泵浦耦合器8整形汇聚后的泵浦光的光斑大小与种子光的光斑大小比例为1:(0.8-1)，在此比例范围内，种子光放大效率较高。
在上述1342nm单频连续光直腔放大器中，所述增益介质6为YVO4-Nd:YVO4键和晶体或者YVO4-Nd:YVO4-YVO4键和晶体(生产厂家：福建福晶)。键合晶体可有效改善因Nd:YVO4晶体的热导率低造成的热效应问题，避免了端面膜层因高温和热应力而遭到破坏，提高了抗光伤阐值。
作为优选方式，所述增益介质6外包覆有金属散热材料和水冷组件。由于在增益介质6内有种子光和两束泵浦光聚焦，整体热量较大，因此在增益介质6外包覆有金属散热材料，例如热传导性能良好的紫铜，并且以水冷组件带走热量以加快散热。所述水冷组件包括TEC和水管，TEC外接温控电源，水管外接水冷机。
此外，上述1342nm单频连续光直腔放大器，还可串联使用，形成多级连用放大方式，即几个形同的1342nm单频连续光直腔放大器，依次连接，前一1342nm单频连续光直腔放大器发出的放大光作为下一1342nm单频连续光直腔放大器的种子光，进行再次放大。可将瓦级种子光放大至几十瓦，大大提高了种子光能量放大效率，对于获得高功率能量1342激光，有着较大优势。
实施例2
本实施例是在实施例1的基础上介绍其底座情况。
所述底座11包括用于支撑第一泵浦耦合器7、第二泵浦耦合器8、所述增益介质腔体12和两个所述透反镜4,5的光学平台11-1和用于安装辅助部件的下部空腔11-2。
整个放大器由平板式结构框架的底座11支撑，整体分为上下两个腔体，光学结构的器件，例如两个所述泵浦耦合器7,8、所述增益介质6和两个所述透反镜4,5，设置在上部腔体，所有光学结构的器件以光路为核心，均匀分布在光学平台11-1上。而下部空腔11-2主要用来安装水冷管道、电线、温控电源等辅助部件。整个结构的空间利用率高，结构稳定。
实施例3
一种1342nm单频连续光直腔放大系统，包括用于发射种子光的种子激光器12、对所述种子光进行隔离整形的透镜组、两个用于发射泵浦光的激光发射器13和实施例1或实施例2所述的1342nm单频连续光直腔放大器；所述透镜组位于所述种子激光器12与第一透反镜4之间，两个所述泵浦光发射器13分别位于第一泵浦耦合器7和第二泵浦耦合器8的外侧。
具体的，所述透镜组包括将所述种子光整形的整形透镜2、隔离反射回来的种子光的隔离器1和将种子光聚焦的聚焦透镜3。整形透镜2对种子光进行整形，使发散的种子光尽量平行传输；隔离器1隔离了沿原路返回的种子光，避免干扰种子光，保证种子光的稳定性。聚焦透镜3主要把整形后的种子光聚焦到合适的光斑大小注入到增益介质内，使得种子光满足高效放大的要求。聚焦光斑大小由种子光的功率大小决定，一般设计为200um至1000um。
本实施例中，种子光为由种子激光器发射的1342nm种子光，具有单纵模、窄线宽、频率可调谐、光束质量高等优良特性。此激光为单频连续光，线宽小于500kHz，光束质量好，M2<1.2，能量为1瓦，频率可连续调节，频率稳定性高。
激光发射器13采用光纤耦合激光二极管激光器，输出的泵浦光中心波长为880nm，光纤直径400μm，数值孔径N.A.为0.22。光纤耦合激光二极管激光器输出的抽运光经第一泵浦耦合器7和第二泵浦耦合器8整形汇聚后，从正反两个方向，经由增益介质6的两侧端面纵向聚焦注入增益介质6。
应用上述1342nm单频连续光直腔放大系统可以将1342nm单频连续光的能量提高且又保持了种子光的单纵模、窄线宽、频率可调谐和高光束质量等特点。
上述1342nm单频连续光直腔放大系统在使用之前，首先进行仪器调试，调整泵浦耦合器夹持底座9和增益介质夹持底座10，使得种子光和两束泵浦光纵向重合，并将泵浦耦合器夹持底座9和增益介质夹持底座10的角度位置固定。
上述1342nm单频连续光直腔放大系统的光放大方法，如图2所示，包括以下步骤：
步骤1：种子激光器12发射的种子光经过透镜组隔离整形后，由第一透反镜4反射注入增益介质6内；
步骤2：两个泵浦光发射器13分别发射两束泵浦光，两束泵浦光分别通过第一泵浦耦合器7和第二泵浦耦合器8整形汇聚后经第一透反镜4和第二透反镜5透射到所述增益介质6内；
步骤3:种子光和两束所述泵浦光在纵向重合，增益直腔放大得放大光；
步骤4：放大光穿出所述增益介质6后经由第二透反镜5反射收集利用。放大后的放大光能量为5瓦。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (13)

1.一种1342nm单频连续光直腔放大器，其特征在于，包括增益介质(6)、同光轴对称设置在所述增益介质(6)两侧的第一透反镜(4)和第二透反镜(5)，所述第一透反镜(4)和所述第二透反镜(5)的外侧分别设有第一泵浦耦合器(7)和第二泵浦耦合器(8)，所述第一透反镜(4)反射种子光、透射所述第一泵浦耦合器(7)发出的泵浦光并将两者汇合，所述第二透反镜(5)透射所述第二泵浦耦合器(8)发出的泵浦光，所述第一透反镜(4)发射的种子光、以及第一透反镜(4)和第二透反镜(5)透射的两束泵浦光在所述增益介质(6)内纵向重合增益放大形成放大光，所述第二透反镜(5)反射所述增益介质(6)输出的所述放大光。
2.如权利要求1所述的1342nm单频连续光直腔放大器，其特征在于，还包括底座(11)，所述增益介质(6)通过增益介质夹持底座(10)设置在所述底座(11)的中部；所述第一泵浦耦合器(7)和所述第二泵浦耦合器(8)分别通过泵浦耦合器夹持底座(9)对称设置在所述底座(11)的两端；所述泵浦耦合器夹持底座(9)可四维调节以使得经所述第一泵浦耦合器(7)和所述第二泵浦耦合器(8)整形汇聚后的两束泵浦光与经所述透反镜(4)反射的种子光在所述增益介质(6)内纵向重合。
3.如权利要求1所述的1342nm单频连续光直腔放大器，其特征在于，所述第一泵浦耦合器(7)和第二泵浦耦合器(8)内设置有由自聚焦透镜、凹镜和聚焦透镜组成的泵浦耦合透镜组，所述泵浦耦合透镜组的倍率为1:(1-5)。
4.如权利要求3所述的1342nm单频连续光直腔放大器，其特征在于，经所述第一泵浦耦合器(7)和所述第二泵浦耦合器(8)整形汇聚后的泵浦光的光斑大小与种子光的光斑大小比例为1：(0.8-1)。
5.如权利要求1所述的1342nm单频连续光直腔放大器，其特征在于，所述增益介质(6)为YVO4-Nd:YVO4键和晶体或者YVO4-Nd:YVO4-YVO4键和晶体。
6.如权利要求1所述的1342nm单频连续光直腔放大器，其特征在于，所述增益介质(6)外包覆有金属散热材料和水冷组件。
7.如权利要求6所述的1342nm单频连续光直腔放大器，其特征在于，所述增益介质夹持底座(10)可前后、左右二维调节。
8.如权利要求2所述的1342nm单频连续光直腔放大器，其特征在于，所述底座(11)包括用于支撑所述第一泵浦耦合器(7)、第二泵浦耦合器(8)、所述增益介质(6)第一透反镜(4)和第二透反镜(5)的光学平台(11-1)和用于安装辅助部件的下部空腔(11-2)。
9.如权利要求1-8任一项所述的1342nm单频连续光直腔放大器的光放大方法，其特征在于，种子光经第一透反镜(4)反射后与分别通过第一泵浦耦合器(7)和所述第二泵浦耦合器(8)整形汇聚的两束泵浦光在增益介质(6)内纵向重合增益放大形成放大光，放大光经过所述第二透反镜(5)反射后照射出来。
10.一种1342nm单频连续光直腔放大系统，其特征在于，包括用于发射种子光的种子激光器(12)、对所述种子光进行隔离整形的透镜组、两个用于发射泵浦光的泵浦光发射器(13)和权利要求1-8任一项所述的1342nm单频连续光直腔放大器；所述透镜组位于所述种子激光器(12)与第一透反镜(4)之间，两个所述泵浦光发射器(13)分别位于所述第一泵浦耦合器(7)和所述第二泵浦耦合器(8)的外侧。
11.如权利要求10所述的1342nm单频连续光直腔放大系统，其特征在于，所述透镜组包括将所述种子光整形的整形透镜(2)、隔离反射回来的种子光的隔离器(1)和将种子光聚焦的聚焦透镜(3)。
12.如权利要求10所述的1342nm单频连续光直腔放大系统，其特征在于，所述泵浦光发射器(13)为光纤耦合激光二极管激光器，输出的泵浦光的中心波长为880nm，光纤直径为400um，数值孔径N.A.为0.22。
13.如权利要求10所述的1342nm单频连续光直腔放大系统的光放大方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：种子激光器(12)发射的种子光经过透镜组隔离整形后，由第一透反镜(4)反射注入增益介质(6)内；
步骤2：两个泵浦光发射器(13)分别发射两束泵浦光，两束泵浦光分别通过第一泵浦耦合器(7)和第二泵浦耦合器(8)整形汇聚后经第一透反镜(4)和第二透反镜(5)透射到所述增益介质(6)内；
步骤3:种子光和两束所述泵浦光增益介质(6)内纵向重合，增益直腔放大得放大光；
步骤4：放大光穿出所述增益介质(6)后经由第二透反镜(5)反射。
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