CN114050470B - 一种稀土晶体红外激光器的波长控制方法 - Google Patents
一种稀土晶体红外激光器的波长控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种稀土晶体红外激光器的波长控制方法，涉及光电子器件技术领域，包括：构建包含光栅两面镜谐振腔和稀土激光晶体的激光器系统，所述光栅两面镜谐振腔包含Littrow光栅和第二平凹镜；在启动所述激光器系统中的泵浦源后，对所述Littrow光栅的方位角进行调整，得到满足Littrow条件的光栅闪耀角度；在得到满足Littrow条件的光栅闪耀角度后，通过调整所述Littrow光栅的方位角，得到所述稀土激光晶体的波长。
Description
技术领域
本发明涉及光电子器件技术领域，特别涉及一种稀土晶体红外激光器的波长控制方法。
背景技术
基于稀土晶体的激光器是红外波段一类重要的光源器件，其辐射波长在2-4μm之间，涵盖了C–H、O–H和N–H等化学键的特征吸收指纹，在化学物质探测、光谱学和医疗检测等领域具有重要的应用。现有稀土晶体(掺Tm、Ho、Er、Dy等粒子)的红外激光器大部分是基于镜面固定的谐振腔，其模式间的自然竞争导致激光输出为多个模式和多个波长，激光的波长无法准确控制和动态调谐，限制了稀土晶体激光器在分子传感等方面的实际应用。
光栅是一种重要的光学元件，其周期性表面的衍射级具有高反射率、频率选择性和角度调谐等独特性质，基于光栅的谐振腔是实现激光模式选择和波长控制的有效方法。现有基于Z型和X型光路的光栅谐振腔结构复杂，体积庞大，光路准直苛刻，激光性能易受光路失调和环境干扰(如机械扰动、温度变化等因素)的影响，限制了激光器实用化发展；此外这两种技术方案都是针对特殊的掺Cr的稀土晶体，其激光波长受限在1940-2780nm范围。为获得性能更好的稀土晶体红外激光器，需要发展新的激光谐振腔和波长控制方法。
发明内容
根据本发明实施例提供的方案解决的技术问题是现有基于稀土晶体的红外激光器通常输出多个激光模式和多个波长，限制了其在物质传感和光谱技术方面的应用，以及如何控制红外激光器的波长精度。
根据本发明实施例提供的一种稀土晶体红外激光器的波长控制方法，包括：
构建包含光栅两面镜谐振腔和稀土激光晶体的激光器系统，所述光栅两面镜谐振腔包含Littrow光栅和第二平凹镜；
在启动所述激光器系统中的泵浦源后，对所述Littrow光栅的方位角进行调整，得到满足Littrow条件的光栅闪耀角度；
在得到满足Littrow条件的光栅闪耀角度后，通过调整所述Littrow光栅的方位角，得到所述稀土激光晶体的波长。
根据本发明实施例提供的方案，实现了掺Er稀土激光晶体的单一波长的输出和准确控制，输出波长在2796-2825nm范围。此外，光栅两面镜谐振腔的腔型简单，光路易于调整，为稀土晶体红外激光器波长的控制和调谐提供了简易而有效的技术方案。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于理解本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明实施例提供的一种稀土晶体红外激光器的波长控制方法的流程图；
图2是本发明实施例提供的Littrow光栅耦合的两面镜谐振腔的波长选择原理示意图；
图3是本发明实施例提供的光栅耦合的两面镜谐振腔的激光器系统示意图；
图4是本发明实施例提供的实现激光波长控制和准确输出的流程图；
图5是本发明实施例提供的光栅耦合两面镜谐振腔的激光输出光谱示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行详细说明，应当理解，以下所说明的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
图1是本发明实施例提供的一种稀土晶体红外激光器的波长控制方法的流程图，如图1所示，包括：
步骤S101：构建包含光栅两面镜谐振腔和稀土激光晶体的激光器系统，所述光栅两面镜谐振腔包含Littrow光栅和第二平凹镜；
步骤S102：在启动所述激光器系统中的泵浦源后，对所述Littrow光栅的方位角进行调整，得到满足Littrow条件的光栅闪耀角度；
步骤S103：在得到满足Littrow条件的光栅闪耀角度后，通过调整所述Littrow光栅的方位角，得到所述稀土激光晶体的波长。
其中，所述构建包含光栅两面镜谐振腔和稀土激光晶体的激光器系统从左到右依次包括：泵浦源，第一平凹镜，双胶合消色差透镜组、第二平凹镜、稀土激光晶体、Littrow光栅；以及从上到下依次包括：设置在所述第一平凹镜下方的滤光片和光谱仪。
本发明实施例在启动所述激光器系统中的泵浦源后，还包括：对所述泵浦源发射的泵浦激光的功率进行调整，得到有效泵浦激光；其中，所述有效泵浦激光的功率值超过用于对所述稀土激光晶体进行有效泵浦的泵浦激光功率阈值。
其中，所述双胶合消色差透镜组用于将所述有效泵浦激光汇聚到所述稀土激光晶体上。
其中，所述Littrow光栅的表面由周期性的刻槽组成；所述满足Littrow条件为2asinθ＝mλ,其中，a为Littrow光栅周期，θ为Littrow光栅的方位角，λ为稀土激光晶体的波长，m为衍射级次。
本发明实施例在构建包含光栅两面镜谐振腔和稀土激光晶体的激光器系统之后，还包括：对所述激光器系统中的各器件分别进行位置和光路调整，使所述泵浦源发射的泵浦激光水平聚焦到所述稀土激光晶体，且与激光输出光路准直；利用半导体制冷片对所述稀土激光晶体的温度进行调整，使所述稀土激光晶体的温度恒温在设定的温度阈值内。
本发明采用Littrow光栅耦合的两面镜谐振腔，利用光栅衍射级次的高反射、波长选择性和角度敏感性等独特性质，实现单波长激光的控制输出，其基本原理如图2所示，光栅两面镜谐振腔由左边的Littrow光栅和右边的球面镜组成，其中Littrow光栅表面由周期性的刻槽组成，根据光衍射理论可知，光在光栅刻槽表面以不同的角度反射时，产生不同的衍射级次和波长，描述衍射级次的方程为：
d(sinφ+sinθ)＝mλ (1)
其中d为光栅周期，φ为入射角，θ为衍射角，λ为光波波长，m为级次。当m＝0时，此时无色散作用，不能用于分光，光能量集中在零级，而高级次谱线能量只占很小一部分，为了让能量集中在所需要的光谱级次上，本论文利用光栅在Littrow条件下的1级衍射，入射光的方向φ与衍射光的方向一致，如图2所示，此时光栅衍射方程为：
2dsinθ＝λ (2)
由(2)式可知当入射光角度θ变化时，可以实现衍射波长λ(即激光波长)的调节，从而实现激光的输出波长选择和控制。
基于上述Littrow光栅谐振腔的波长选择原理，本发明的技术方案如图3所示结构搭建Littrow光栅耦合的激光器系统，从左到右依次放置，“1”为泵浦源，“4”为平凹镜(泵浦光波长高透，激光波长高反)，“5”和“6”为双胶合消色差透镜组，用于泵浦光的汇聚，“7”为第二个平凹镜(泵浦光波长高透，激光波长高反)，“8”为稀土激光晶体，“9”为Littrow衍射光栅。其中平凹镜“7”和光栅“9”组成光栅两面镜谐振腔，利用光栅对1级衍射波长的高效率反射实现激光单一模式的选择性输出，达到控制激光波长的目的。此外在“4”平凹镜的下方依次设置“2”滤光片和“3”光谱仪，用来测试激光的输出波长。
在上述实施方案中，“1”泵浦源为980nm波长激光，产生0-8W之间功率可变的泵浦光；“5”和“6”双胶合消色差透镜组用来汇聚泵浦光，将泵浦光聚焦在“8”稀土激光晶体上；激光晶体在泵浦光作用下辐射激光信号，产生的激光信号在平凹镜“7”和光栅“9”组成光栅两面镜谐振腔间往返传播形成震荡；最终产生的激光束从平凹镜“7”端输出，经过“4”平凹镜反射和“2”滤光片后到达“3”光谱仪，其中“2”滤光片起到滤掉980nm泵浦光而让激光波长透过的作用。
利用本发明技术实现激光波长准确控制输出的实施流程如图4所示。首先利用He-Ne准时光信号调整各部件的准确位置和光路，使泵浦激光水平聚焦到激光晶体，且与激光输出光路准直；利用半导体制冷片(TE-cooler)将激光晶体的温度恒定在室温15℃附近；随后打开泵浦激光，将其功率提高到激光阈值以上，对激光晶体进行有效泵浦；然后将光栅“9”的方位角调整到准确等于光栅的闪耀角度，满足Littrow条件，即2asinθ＝mλ,其中a为光栅周期，θ为光栅与垂直面的夹角，λ为波长，m为衍射级次，一般取为1；当光栅角度准确固定后，利用“3”光谱仪测试并读出激光输出波长；最后在一定范围内改变光栅“9”的方位角，每改变一个角度，获得一个激光波长输出，通过光栅角度的扫描，获得不同激光波长的准确输出。
图5为采用本发明的光栅耦合谐振腔方案所测试得到的激光光谱，从图中可以看出，此时激光为单模(单一波长)输出，当光栅的角度从25.6°增加到26.5°时，波长从2796.86nm调谐至2824.26nm处，最大调谐范围为27.4nm，实现了稀土晶体的单一激光波长控制和调节。
为进一步说明本发明带来的激光波长控制效果。还搭建了无光栅关键元件的激光器系统，其中Littrow光栅替换成了常规金属镀膜平面镜，此时凹面镜和平面镜组成谐振腔，不具备波长选择性能。可以得出此时激光为2796.33nm、2796.92nm、2797.55nm三个波长。因此，有光栅的激光谐振腔和无光栅激光谐振腔对比说明了本发明中Littrow光栅对激光模式和波长的控制效果，因此本发明提出的光栅耦合的两面谐振腔为稀土晶体的单一激光波长输出和控制提供了简易而有效的技术方法，对于红外固体激光器的性能提升和实际应用具有价值。
根据本发明实施例提供的方案，构建了光栅-金属镜两镜腔型的激光器系统，其光栅耦合的两面镜谐振腔可以对稀土晶体红外激光器进行模式选择，实现单一波长输出和准确控制新性能，同时具有结构简单紧凑，光路易于调整的优点，为2780nm以上惨Er稀土晶体红外激光器波长的控制和调谐提供了简易而有效的技术方案，也解决了红外激光器的波长精确控制问题。
尽管上文对本发明进行了详细说明，但是本发明不限于此，本技术领域技术人员可以根据本发明的原理进行各种修改。因此，凡按照本发明原理所作的修改，都应当理解为落入本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种稀土晶体红外激光器的波长控制方法，其特征在于，包括：
构建包含光栅两面镜谐振腔和稀土激光晶体的激光器系统，所述光栅两面镜谐振腔包含Littrow光栅和第二平凹镜；
在启动所述激光器系统中的泵浦源后，对所述Littrow光栅的方位角进行调整，得到满足Littrow条件的光栅闪耀角度；
在得到满足Littrow条件的光栅闪耀角度后，通过调整所述Littrow光栅的方位角，得到所述稀土激光晶体的波长；
其中，所述Littrow光栅的表面由周期性的刻槽组成；所述满足Littrow条件为2asinθ＝mλ,其中，a为Littrow光栅周期，θ为Littrow光栅的方位角，λ为稀土激光晶体的波长，m为衍射级次。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述构建包含光栅两面镜谐振腔和稀土激光晶体的激光器系统从左到右依次包括：泵浦源，第一平凹镜，双胶合消色差透镜组、第二平凹镜、稀土激光晶体、Littrow光栅；以及
从上到下依次包括：设置在所述第一平凹镜下方的滤光片和光谱仪。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在启动所述激光器系统中的泵浦源后，还包括：
对所述泵浦源发射的泵浦激光的功率进行调整，得到有效泵浦激光；
其中，所述有效泵浦激光的功率值超过用于对所述稀土激光晶体进行有效泵浦的泵浦激光功率阈值。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述双胶合消色差透镜组用于将所述有效泵浦激光汇聚到所述稀土激光晶体上。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在构建包含光栅两面镜谐振腔和稀土激光晶体的激光器系统之后，还包括：
对所述激光器系统中的各器件分别进行位置和光路调整，使所述泵浦源发射的泵浦激光水平聚焦到所述稀土激光晶体，且与激光输出光路准直；
利用半导体制冷片对所述稀土激光晶体的温度进行调整，使所述稀土激光晶体的温度恒温在设定的温度阈值内。
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