CN114421272A - 一种瓦级连续单频全固态激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种瓦级连续单频全固态激光器，属于激光技术领域，瓦级连续单频全固态激光器包括：第一腔镜、第二腔镜、第三腔镜、第四腔镜、增益晶体、光学单向器、布氏片和非线性晶体；布氏片设置在第三腔镜和非线性晶体之间的光路上，布氏片与第三出射光的夹角为34.6°，用于保证线偏振激光振荡；非线性晶体设置在布氏片与第四腔镜之间的光路上，非线性晶体用于抑制多模振荡以及跳模。本发明通过布氏片以损耗偏振方向垂直于入射面的振荡光，缓解了高功率泵浦时的热致退偏现象，实现了较高偏振度的激光输出，通过非线性晶体引入非线性损耗的同时，实现了高质量和高稳定性的双波长激光输出。

Description

一种瓦级连续单频全固态激光器
本申请是名为《一种瓦级连续单频全固态激光器》的专利申请的分案申请，原申请的申请日为2020年09月01日，申请号为202010902188.4。
技术领域
本发明涉及激光技术领域，特别是涉及一种瓦级连续单频全固态激光器。
背景技术
全固态连续单频1319nm激光器由于其在高输出功率的条件下仍具有低噪声、窄线宽、高光束质量和高稳定性等优点而被广泛应用于相干通信、激光雷达和激光医学等多个领域。随着科学技术的日益革新，人们对连续单频1319nm激光器的输出功率提出了要求，尤其是在光纤通讯中，输出高功率的信号源可以用于更远的信号传递。
连续单频1319nm激光器的一种实现方式是通过整块Nd:YAG晶体制成的非平面环形腔制备高质量的连续单频1319nm激光源，通过对Nd:YAG晶体施加一定方向的磁场并结合反射面全反射角的设计可以在增益晶体内实现单向环形运转，在输出面镀有偏振膜实现线偏振荡。受限于腔长、光路无法调节等因素，整块Nd:YAG非平面环形腔输出功率限制于瓦级以下。
高功率连续单频1319nm激光的实现是将整块Nd:YAG非平面环形腔作为种子源通过多级激光放大器，增加激光放大器的级数实现高功率激光输出。放大器的输出光束受增益晶体热效应的逐级累积出现退化，限制了高功率高光束质量激光的实现。放大器的输出功率的提升依赖于种子光功率的饱和程度，种子光功率限制了放大器功率的进一步提升。
目前，现有报道中采用单块Nd:YAG的环形谐振腔，由于晶体对泵浦的吸收效率低且泵浦功率低，设计的腔长不能在高功率泵浦下运转，腔内插入标准具进行选模，受温度影响较大，不能长期稳定的单频运转。对于高功率端面泵浦的单块Nd:YAG环形谐振腔来说，增益晶体在严重的热应力下产生热致双折射效应，继而引发热致退偏，严重的热致退偏会加大激光器损耗，降低输出激光的光束质量，引发多模激光振荡。因此，现有的激光器不能在保证高质量输出的同时，保证高输出功率，无法满足市场需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种瓦级连续单频全固态激光器，以在实现高质量输出的同时，提高输出功率，从而满足市场需求。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种瓦级连续单频全固态激光器，包括：第一腔镜、第二腔镜、第三腔镜、第四腔镜、增益晶体、光学单向器、布氏片和非线性晶体；
所述第一腔镜、所述第二腔镜、所述第三腔镜和所述第四腔镜的偏向角均小于90°；所述偏向角为对应腔镜的入射光线和反射光线之间的夹角；
所述第一腔镜用于将接收到的泵浦光透射至所述增益晶体，以及将接收到的所述第四腔镜的出射光线反射出去，形成第一出射光；
所述增益晶体设置在所述第一腔镜和所述光学单向器之间的光路上，所述增益晶体用于接收所述第一出射光和所述泵浦光，并对所述第一出射光进行增益，形成增益光；所述增益晶体为111切割方向的φ3mm×(5+22)mm的YAG/Nd:YAG复合晶体，掺杂部分的掺杂浓度为1.1at.％；
所述光学单向器设置在所述增益晶体和所述第二腔镜之间的光路上，所述光学单向器用于使所述增益光单向传输；
所述第二腔镜设置在所述光学单向器的输出光路上，所述第二腔镜用于接收并反射所述光学单向器的出射光线，形成第二出射光；所述第二腔镜的反射面镀有第二高反膜和第二减反膜；
所述第三腔镜设置在所述第二出射光的光路上，所述第三腔镜用于接收并反射所述第二出射光，形成第三出射光；所述第三腔镜的反射面镀有振荡光高反膜和第三减反膜；
所述布氏片设置在所述第三腔镜和所述非线性晶体之间的光路上，所述布氏片与所述第三出射光的夹角为34.6°，所述布氏片用于实现线偏振振荡；
所述非线性晶体设置在所述布氏片与所述第四腔镜之间的光路上，且位于所述第三腔镜和所述第四腔镜之间的束腰处，所述非线性晶体用于抑制多模振荡以及跳模；
所述第四腔镜设置在所述非线性晶体的出射光路上，所述第四腔镜用于对所述非线性晶体的出射光线进行反射，形成所述第四腔镜的出射光线，以及对所述非线性晶体的出射光线进行透射，形成激光；所述第四腔镜的反射面镀有振荡光透射膜，振荡光透射膜对振荡光的透射率为8％。
可选的，所述第一腔镜的泵浦光直射面镀有第一减反膜，所述第一腔镜的反射面镀有第一高反膜。
可选的，所述第二高反膜为振荡光高反膜。
可选的，所述第三腔镜和所述第四腔镜均为平凹镜。
可选的，所述第三高反膜为振荡光高反膜。
可选的，所述非线性晶体为倍频晶体。
可选的，所述瓦级连续单频全固态激光器还包括：
泵浦装置，用于产生泵浦光，并发送至所述第一腔镜。
可选的，所述泵浦装置包括：
半导体激光器，用于产生泵浦光，以对所述增益晶体进行端面泵浦；
离焦望远镜系统，用于将所述泵浦光聚集在所述增益晶体的中心。
可选的，所述光学单向器包括磁致旋光晶体和半波片；
所述磁致旋光晶体设置在所述增益晶体和所述第二腔镜之间的光路上，所述半波片设置在所述磁致旋光晶体和所述第二腔镜之间的光路上；
所述磁致旋光晶体配合所述半波片的使所述增益光单向传输。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供了一种瓦级连续单频全固态激光器，包括：第一腔镜、第二腔镜、第三腔镜、第四腔镜、增益晶体、光学单向器、布氏片和非线性晶体；所述布氏片设置在所述第三腔镜和所述非线性晶体之间的光路上，所述布氏片与所述第三出射光的夹角为34.6°，用于保证线偏振激光振荡；所述非线性晶体设置在所述布氏片与所述第四腔镜之间的光路上，所述非线性晶体用于抑制多模振荡以及跳模。本发明通过布氏片以损耗偏振方向垂直于入射面的振荡光，缓解了高功率泵浦时的热致退偏现象，实现了较高偏振度的激光输出，通过非线性晶体引入非线性损耗的同时，实现了高质量和高稳定性的双波长激光输出。
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，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的瓦级连续单频全固态激光器的结构示意图；
图2为本发明实施例测量的不同振荡偏振方位角对应的输出激光的偏振度关系图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种瓦级连续单频全固态激光器，同时实现高质量和高功率输出。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明瓦级连续单频全固态激光器，包括：第一腔镜2、第二腔镜6、第三腔镜7、第四腔镜10、增益晶体3、光学单向器、布氏片8和非线性晶体9。
第一腔镜2、第二腔镜6、第三腔镜7和第四腔镜10的偏向角均小于90°；偏向角为对应腔镜的入射光线和反射光线之间的夹角。
第一腔镜2用于将接收到的泵浦光透射至增益晶体3，以及将接收到的第四腔镜10的出射光线反射出去，形成第一出射光。
增益晶体3设置在第一腔镜2和光学单向器4和5之间的光路上，增益晶体3用于接收第一出射光和泵浦光，并对第一出射光进行增益，形成增益光。
光学单向器设置在增益晶体3和第二腔镜6之间的光路上，光学单向器用于使增益光单向传输。
第二腔镜6设置在光学单向器的输出光路上，第二腔镜6用于接收并反射光学单向器的出射光线，形成第二出射光。
第三腔镜7设置在第二出射光的光路上，第三腔镜7用于接收并反射第二出射光，形成第三出射光。
布氏片8设置在第三腔镜7和非线性晶体9之间的光路上，布氏片8与第三出射光的夹角为34.6°，以损耗偏振方向垂直与入射面的振荡光，保证线偏振激光振荡。
非线性晶体9设置在布氏片8与第四腔镜10之间的光路上，非线性晶体9用于抑制多模振荡以及跳模；调节晶体的角度和温度实现最佳的倍频效率，引入足量的非线性损耗保证激光器稳定的单频运转的同时实现了双波长激光输出。
第四腔镜10设置在非线性晶体9的出射光路上，第四腔镜10用于对非线性晶体9的出射光线进行反射形成第四腔镜10的出射光线，以及对非线性晶体9的出射光线进行透射形成激光。
作为一种可选的实施方式，第一腔镜2的泵浦光直射面镀有第一减反膜；第一腔镜2的反射面镀有第一高反膜；第一减反膜用于减少对泵浦光的损耗；第一高反膜用于实现振荡光高反。
作为一种可选的实施方式，第二腔镜6的反射面镀有第二高反膜和第二减反膜。第二高反膜为振荡光高反膜；为抑制腔内产生1338nm激光，第二减反膜可以为1338nm减反膜。
作为一种可选的实施方式，第三腔镜7和第四腔镜10均为平凹镜，确保将非线性晶体9插入第三腔镜7和第四腔镜10的聚焦束腰处时，非线性晶体9能够在谐振腔内引入足够的非线性损耗抑制激光器的多模振荡与跳模现象。
作为一种可选的实施方式，第三腔镜7的反射面镀有第三高反膜和第三减反膜。第三高反膜为振荡光高反膜；为抑制腔内产生1064nm激光，第三减反膜可以为1064nm减反膜。
作为一种可选的实施方式，第四腔镜10的反射面镀有振荡光透射膜，振荡光透射膜对振荡光透射率8％，保证最大的输出功率同时引入线性损耗，保证激光器单纵模运转。
作为一种可选的实施方式，非线性晶体9为倍频晶体。
作为一种可选的实施方式，本实施例中的瓦级连续单频全固态激光器，还包括泵浦装置1，泵浦装置1为由一个885nm泵浦进行直接泵浦，降低量子亏损产生的热效应。泵浦装置1包括半导体激光器和离焦望远镜系统；半导体激光器用于产生泵浦光，以对增益晶体3进行端面泵浦；离焦望远镜系统用于将泵浦光聚集在增益晶体3的中心。
作为一种可选的实施方式，增益晶体3为111切割方向的φ3mm×(5+22)mm的YAG/Nd:YAG复合晶体，掺杂部分的掺杂浓度为1.1at.％。
作为一种可选的实施方式，光学单向器4和5包括磁致旋光晶体4和半波片5，磁致旋光晶体4设置在增益晶体3和第二腔镜6之间的光路上，半波片5设置在磁致旋光晶体4和第二腔镜6之间的光路上，磁致旋光晶体4，配合半波片5的使用实现激光器单向运转。
通过以第三腔镜7与第四腔镜10之间的光线为旋转轴旋转布氏片8，并配合旋转半波片5的角度，控制振荡光的偏振方位角，获得输出激光的偏振度与振荡光偏振方位角关系图，如图2。输出激光的偏振度与振荡光偏振方位角近似呈现一个周期性变化，当振荡光偏振方位角为90°时，获得了最大偏振度的激光输出，并且补偿了激光器内的像散，提高了输出激光的光束质量。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种瓦级连续单频全固态激光器，其特征在于，所述瓦级连续单频全固态激光器包括：第一腔镜、第二腔镜、第三腔镜、第四腔镜、增益晶体、光学单向器、布氏片和非线性晶体；
所述第一腔镜、所述第二腔镜、所述第三腔镜和所述第四腔镜的偏向角均小于90°；所述偏向角为对应腔镜的入射光线和反射光线之间的夹角；
所述第一腔镜用于将接收到的泵浦光透射至所述增益晶体，以及将接收到的所述第四腔镜的出射光线反射出去，形成第一出射光；
所述增益晶体设置在所述第一腔镜和所述光学单向器之间的光路上，所述增益晶体用于接收所述第一出射光和所述泵浦光，并对所述第一出射光进行增益，形成增益光；所述增益晶体为111切割方向的φ3mm×(5+22)mm的YAG/Nd:YAG复合晶体，掺杂部分的掺杂浓度为1.1at.％；
所述光学单向器设置在所述增益晶体和所述第二腔镜之间的光路上，所述光学单向器用于使所述增益光单向传输；
所述第二腔镜设置在所述光学单向器的输出光路上，所述第二腔镜用于接收并反射所述光学单向器的出射光线，形成第二出射光；所述第二腔镜的反射面镀有第二高反膜和第二减反膜；
所述第三腔镜设置在所述第二出射光的光路上，所述第三腔镜用于接收并反射所述第二出射光，形成第三出射光；所述第三腔镜的反射面镀有振荡光高反膜和第三减反膜；
所述布氏片设置在所述第三腔镜和所述非线性晶体之间的光路上，所述布氏片与所述第三出射光的夹角为34.6°，所述布氏片用于实现线偏振振荡；
所述非线性晶体设置在所述布氏片与所述第四腔镜之间的光路上，且位于所述第三腔镜和所述第四腔镜之间的束腰处，所述非线性晶体用于抑制多模振荡以及跳模；
所述第四腔镜设置在所述非线性晶体的出射光路上，所述第四腔镜用于对所述非线性晶体的出射光线进行反射，形成所述第四腔镜的出射光线，以及对所述非线性晶体的出射光线进行透射，形成激光；所述第四腔镜的反射面镀有振荡光透射膜，振荡光透射膜对振荡光的透射率为8％。
2.根据权利要求1所述的瓦级连续单频全固态激光器，其特征在于，所述第一腔镜的泵浦光直射面镀有第一减反膜，所述第一腔镜的反射面镀有第一高反膜。
3.根据权利要求1所述的瓦级连续单频全固态激光器，其特征在于，所述第二高反膜为振荡光高反膜；所述第二减反膜为1338nm减反膜。
4.根据权利要求1所述的瓦级连续单频全固态激光器，其特征在于，所述第三腔镜和所述第四腔镜均为平凹镜。
5.根据权利要求1所述的瓦级连续单频全固态激光器，其特征在于，所述第三高反膜为振荡光高反膜；所述第三减反膜为1064nm减反膜。
6.根据权利要求1所述的瓦级连续单频全固态激光器，其特征在于，所述非线性晶体为倍频晶体。
7.根据权利要求1所述的瓦级连续单频全固态激光器，其特征在于，所述瓦级连续单频全固态激光器还包括：
泵浦装置，用于产生泵浦光，并发送至所述第一腔镜。
8.根据权利要求7所述的瓦级连续单频全固态激光器，其特征在于，所述泵浦装置包括：
半导体激光器，用于产生泵浦光，以对所述增益晶体进行端面泵浦；
离焦望远镜系统，用于将所述泵浦光聚集在所述增益晶体的中心。
9.根据权利要求1所述的瓦级连续单频全固态激光器，其特征在于，所述光学单向器包括磁致旋光晶体和半波片；
所述磁致旋光晶体设置在所述增益晶体和所述第二腔镜之间的光路上，所述半波片设置在所述磁致旋光晶体和所述第二腔镜之间的光路上；
所述磁致旋光晶体配合所述半波片的使所述增益光单向传输。
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