CN114696194B - 可插入式单块非平面环形腔激光装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可插入式单块非平面环形腔激光装置，包括增益介质，其用于产生激光增益，置于磁场中；增益介质包括多个表面，表面设为光学窗口；标准具用来抑制多纵模激光，得到高功率单频激光输出；标准具设置于增益介质的相邻的两个光学窗口间，该相邻的两个光学窗口呈内凹的直角，且标准具位于激光束传播路径上；泵浦光束入射光学窗口被增益介质吸收，激光束经过各个光学窗口在增益介质内形成闭环的传播路径，目标光学窗口输出激光束；增益介质内激光束的振荡光线设于不同的平面内。利用非平面腔内各反射面的相位延迟，外加磁场引入的磁致旋光效应和光学窗口的偏振特性构成的光学单向器消除增益空间烧孔，得到高稳定性、高功率的单纵模激光。
Description
技术领域
本发明涉及固体激光技术领域，具体涉及一种可插入式单块非平面环形腔激光装置。
背景技术
高功率单频激光器以其噪声小、相干长度长等优点，广泛应用于非线性光学频率变换、激光雷达、相干通信、引力波探测等领域。目前一般采用扭转模谐振腔、短谐振腔、环形腔、标准具或双折射滤光片等方法获得单频激光输出。但要实现高功率输出、高稳定性运转，环形腔振荡器是比较合适的方案。环形腔激光器包括分立元件激光器和单块非平面激光器两种，然而分立元件激光器采用分立元件形成环形腔振荡器，对实验环境要求严格，环境温度变化和外界噪声都会影响谐振腔腔长变化，导致输出激光频率不稳定；单块非平面激光器是个整体无法插入其他元件，且其输出功率较低，在高功率运转时易出现多纵模激光起振。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的缺陷，提供一种能够获得高稳定性、高功率的单纵模激光的可插入式单块非平面环形腔激光装置。
为此，采用的技术方案为一种可插入式单块非平面环形腔激光装置，包括增益介质，其用于产生激光增益，所述增益介质设置于磁场中；所述增益介质包括多个表面，所述表面设为光学窗口；所述标准具用来抑制多纵模激光，得到高功率单频激光输出；所述标准具设置于增益介质的相邻的两个光学窗口间，该相邻的两个光学窗口呈内凹的直角，且所述标准具位于激光束传播路径上；泵浦光束入射所述光学窗口被增益介质吸收，激光束经过各个所述光学窗口在所述增益介质内形成闭环的传播路径，目标光学窗口输出激光束；所述增益介质内激光束的振荡光线设于不同的平面内。
优选的，所述增益介质设为多边形，所述增益介质包括相对的两个大侧面，所述光学窗口包括第一光学窗口、第二光学窗口、第三光学窗口、第四光学窗口、第五光学窗口和第六光学窗口，所述第一光学窗口、第二光学窗口、第三光学窗口、第四光学窗口、第五光学窗口和第六光学窗口均位于围合所述增益介质的相对两个大侧面的周边上；所述第一光学窗口、第二光学窗口、第三光学窗口、第四光学窗口、第五光学窗口和第六光学窗口均设为经过抛光处理的表面。
优选的，所述第一光学窗口、第二光学窗口、第三光学窗口、第四光学窗口、第五光学窗口和第六光学窗口的入射光线与反射光线或折射光线的夹角均设为不同，第五光学窗口和第六光学窗口之间呈内凹的直角，所述标准具设置于第五光学窗口和第六光学窗口之间。
优选的，所述第五光学窗口对激光束的水平偏振分量全部透过、竖直偏振分量具有高反射率，用于选择特定偏振态激光振荡。
优选的，所述第一光学窗口上镀有泵浦光增透膜和激光部分透射膜，或者泵浦光增透膜和激光高反膜；所述第二光学窗口、所述第三光学窗口和第四光学窗口上镀有激光高反膜或不镀膜；所述第五光学窗口上镀有激光水平偏振增透膜和竖直偏振高反膜；所述第六光学窗口上镀有激光增透膜或激光部分透射膜。
优选的，所述增益介质设为具有各向同性，且所述增益介质的材料设为晶体、玻璃或陶瓷。
优选的，所述增益介质设为掺钕钇铝石榴石Nd:YAG、掺钕氟化锂钇Nd:YLF或掺铥钇铝石榴石Tm:YAG。
优选的，所述标准具设为石英晶体或铽镓石榴石晶体；所述标准具的厚度、反射率、控制温度和放置角度可调节控制。
优选的，还包括泵浦源，其用于发出泵浦光束；热沉，其用于冷却所述增益介质，所述热沉设于所述增益介质的相对两个大侧面上。
优选的，第二光学窗口、第三光学窗口和第四光学窗口之间均设为斜面，所述斜面设为全反射面，所述斜面用于全反射面的相位延迟，经过第二光学窗口和第三光学窗口反射的光线位于同一平面内，经第四光学窗口反射的光线位于另一平面内并入射第五光学窗口。
优选的，所述磁场的方向与所述增益介质的两个大侧面平行，且所述磁场的方向沿水平方向设置；或所述磁场的方向与所述增益介质的两个大侧面平行，且所述磁场的方向沿竖直方向设置；或所述磁场的方向与所述增益介质的两个大侧面平行，且所述磁场的方向与水平方向的夹角为锐角。
本发明技术方案，具有如下优点：
1、本发明提供的可插入式单块非平面环形腔激光装置，具有结构简单、紧凑、稳定性好等优点，可向光学窗口间插入标准具抑制多纵模激光振荡，获得高功率单频激光输出。
2、本发明提供的可插入式单块非平面环形腔激光装置，利用非平面腔内各反射面的相位延迟，外加磁场引入的磁致旋光效应和光学窗口的偏振特性构成的光学单向器消除增益空间烧孔，得到单频激光输出，这样可减少波片这个光学元件在光束传播路径上的设立，从而可提高本发明提供的激光器输出激光束的稳定性和可控性。
3、本发明提供的可插入式单块非平面环形腔激光装置，通过将单块增益介质加工有设定角度的多个光学窗口，泵浦光束入射某一光学窗口后，被增益介质吸收后受激辐射产生激光束，进而激光束在增益介质内被多次反射和折射后可以自然闭环，最终从目标光学窗口以既定的角度反射或折射输出，可得到高稳定性、高功率的单纵模激光，解决了分立元件激光器受环境温度变化和外界噪声都会影响谐振腔腔长变化，导致输出激光频率不稳定的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的第一种实施方式中提供的可插入式单块非平面环形腔激光装置的结构示意图；
图2为增益介质内部激光束的传播路径图；
图3为本发明的第二种实施方式中提供的可插入式单块非平面环形腔激光装置的结构示意图；
图4为本发明的第三种实施方式中提供的可插入式单块非平面环形腔激光装置的结构示意图；
10-增益介质；20-标准具；30-磁场；40-泵浦源；50-热沉；
101-第一光学窗口；102-第二光学窗口；103-第三光学窗口；104-第四光学窗口；105-第五光学窗口；106-第六光学窗口；
001-泵浦光束；002-激光束。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，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。
实施例1
如图1所示，为本发明提供的一种可插入式单块非平面环形腔激光装置，所述激光装置包括：增益介质10、标准具20、磁场30、泵浦源40、热沉50。
其中，增益介质10是由掺钕钇铝石榴石Nd:YAG晶体材料切割而成的多边形结构，加工有预设角度的第一光学窗口101、第二光学窗口102、第三光学窗口103、第四光学窗口104、第五光学窗口105和第六光学窗口106；增益介质10置于磁场30中，标准具20置于第五光学窗口105和第六光学窗口106间，第五光学窗口105和第六光学窗口106之间的夹角呈内凹的直角。标准具20是厚度1mm的铽镓石榴石(TGG)晶体，两通光面镀有1.06μm激光束部分反射膜，反射率R＝50％，控制温度T＝25℃，垂直光路放置，对激光束进行多纵模振荡抑制和线宽压窄，同时TGG晶体具有较大的磁光常数；磁场30的方向与增益介质10的上下两个大侧面平行，沿竖直方向设置，磁场强度约1T。增益介质10和标准具20在磁场30作用下相当于法拉第旋光器，通过法拉第旋光器的线性偏振光会旋转特定角度，不受输入偏振方向的影响，从晶体对侧反射进入的光会继续相对于晶体在相同的方向上旋转，最终变化2倍特定角度。泵浦源40发出的泵浦光束001由第一光学窗口101入射，对增益介质10进行激励，将激活粒子从基态抽运到高能级，以实现粒子数反转。热沉50置于所述益介质10的上下两个大侧面，由冷却循环水精确控温，用来将激光束002振荡时增益介质10生成的废热带走。
泵浦光束从所述第一光学窗口入射，被增益介质10吸收后受激辐射产生激光束，光学窗口的设定角度为激光束在各个光学窗口的入射光线与反射光线或折射光线的夹角，并由增益介质10的长度、宽度和折射率以及所述激光束002的传播路径确定。通过改变光学窗口的设定角度，可获得闭环的激光束的传播路径；各个光学窗口在增益介质10的周边设定位置由入射光线与反射光线或折射光线的夹角所决定。本发明的优选实施例为第二光学窗口102、第三光学窗口103、第四光学窗口104、第五光学窗口105和第六光学窗口106依次相连接，第五光学窗口105和第六光学窗口106之间的夹角呈内凹的直角。
具体地，增益介质10由一块尺寸47mm×34mm×5mm的材料切割而成，其中，第五光学窗口105、第六光学窗口106的宽度分别为31mm和20mm，且第五光学窗口105与第六光学窗口106设为垂直。第一光学窗口101、第二光学窗口102、第三光学窗口103、第四光学窗口104、第五光学窗口105和第六光学窗口106均进行抛光处理。第一光学窗口101镀有808nm泵浦光增透膜和1.06μm激光部分透射膜，激光束透过率T＝5％，为激光束002的输出耦合镜，第二光学窗口102、第三光学窗口103和第四光学窗口104均镀有1.06μm激光束高反膜，第五光学窗口105镀有1.06μm激光束水平偏振增透膜、竖直偏振高反膜，第六光学窗口106镀有1.06μm激光束增透膜。
图2为图1中增益介质10内部激光束002的非平面传播路径。在增益介质10中激光束002沿A，B，C，D，E，F振荡的光线形成非平面环形腔的结构形式，A点为光束在第一光学窗口101的反射点；B点为光束在第二光学窗口102的反射点；C点为光束在第三光学窗口103的反射点；D点为光束在第四光学窗口104的反射点；E点为光束在第五光学窗口105的折射点；F点为光束在第六光学窗口106的折射点；光线AB、DE、EF和FA处于同一平面ABDEFA内，光线BC和CD处于另一平面BCD内，平面BCD与ABDEFA的夹角φ反映了晶体的非平面程度，形成非平面环形腔的结构形式。其中，B，C，D所在的3个三个光学窗口为斜面，且是全反射面，光波在非平面腔内不同空间取向的全反射面上的相位延迟，可把它们的作用与波片的作用等效，这样可节省波片这个光学元件，可提高本发明提供的激光器输出激光束的稳定性和可控性。
根据光的反射和折射定律，激光束002在第二光学窗口102以光线AB和BC夹角θ2＝111.9°发生全反射(全反射角度为33.3°，即当反射角度＞33.3°激光束就可实现全反射)，在第三光学窗口103以光线BC和CD夹角θ3＝132.6°发生全反射，在第四光学窗口104以光线CD和DE夹角θ4＝111.4°发生全反射，在第五光学窗口105以光线DE和EF夹角θ5＝147.6°发生折射(此为布鲁斯特角，对所述激光束002的水平偏振分量全部透过、竖直偏振分量具有高反射率，用于选择特定偏振态激光振荡)，在第六光学窗口106以光线EF和FA夹角θ6＝166.5°发生折射，在第一光学窗口101以光线FA和AB夹角θ1＝45.7°发生部分反射和部分透射。通过将各个光学窗口设置于增益介质的周边上，使得激光束002在所述增益介质10内部被多次反射和折射后可以自然闭环且沿既定的传播路径反复循环，最终从第一光学窗口101折射输出，可得到高稳定性、高功率的单纵模激光，解决了分立元件激光器受环境温度变化和外界噪声都会影响谐振腔腔长变化，导致输出激光频率不稳定的问题。
本发明的实施例1中，不同空间取向的全反射面(图1中102，103，104面)上的相位延迟、由外加磁场30引入的法拉第旋光效应及偏振特性面(图1中105面)的镀膜可保证激光束002在逆时针方向损耗小于顺时针方向损耗，实现了逆时针单向环形运转，消除了增益介质10的空间烧孔效应，从而得到高稳定性、高功率的单纵模1.06μm激光。
实施例2
本实施例与实施例1相同之处不再赘述，不同之处在于：
为了能够实现激光束002由目标光学窗口输出，则可在相应的目标光学窗口镀有激光部分透射膜。
图3是本发明提供的又一种可插入式单块非平面环形腔激光装置。增益介质10是掺钕氟化锂钇Nd:YLF晶体，第一光学窗口101镀有808nm泵浦光增透膜和1.3μm激光束高反膜，第二光学窗口102、第三光学窗口103和第四光学窗口104镀有1.3μm激光束高反膜，第五光学窗口105镀有1.3μm激光束水平偏振增透膜、竖直偏振高反膜，第六光学窗口106镀有1.3μm激光部分透射膜，光束透过率T＝95％，为激光束002的输出耦合镜。标准具20是厚度1.5mm的石英晶体(SiO2)，两通光面镀有1.3μm激光束部分反射膜，反射率R＝20％，对激光束进行多纵模振荡抑制和线宽压窄；磁场30的方向与增益介质10的上下两个大侧面平行，沿水平方向设置。泵浦源40用来抽运增益介质10；热沉50用来冷却增益介质10。
本实施例中，利用非平面腔内全反射面(图3中102，103，104面)的相位延迟，外加磁场30引入的磁致旋光效应和第五光学窗口105的偏振特性构成的光学单向器消除增益空间烧孔，这样激光束002可以按照图2所示的增益介质10内部激光束的传播路径逆时针单向环形运转，在增益介质10内部被多次反射和折射后可以自然闭环反复循环，最终从第六光学窗口106反射输出，从而得到高稳定性、高功率的单纵模1.3μm激光。
实施例3
本实施例与实施例1相同之处不再赘述，不同之处在于：
图4是本发明提供的另一种可插入式单块非平面环形腔激光装置。增益介质10是掺铥钇铝石榴石Tm:YAG陶瓷，第一光学窗口101镀有785nm泵浦光增透膜和2μm激光束高反膜，第二光学窗口102、第三光学窗口103和第四光学窗口104不镀膜，第五光学窗口105镀有2μm激光束水平偏振增透膜、竖直偏振高反膜，为激光束002的输出耦合镜，第六光学窗口106镀有2μm激光束增透膜。标准具20是厚度2mm的石英晶体(SiO2)，两通光面镀有2μm激光束部分反射膜，反射率R＝10％，对激光束进行多纵模振荡抑制和线宽压窄；磁场30的方向与增益介质10的上下两个大侧面平行，与水平方向的夹角为45°。泵浦源40用来抽运增益介质10；热沉50用来冷却增益介质10。
本实施例中，利用非平面腔内全反射面(图4中102，103，104面)的相位延迟，外加磁场30引入的磁致旋光效应和第五光学窗口105的偏振特性构成的光学单向器消除增益空间烧孔，这样激光束002可以按照图2所示的增益介质10内部激光束的传播路径顺时针单向环形运转，在增益介质10内部被多次反射和折射后可以自然闭环反复循环，最终从第五光学窗口105反射输出，从而得到高稳定性、高功率的单纵模2μm激光。本实施例中由于改变了磁场的方向，增益介质10内部激光束的传播路径则可相应地转变为顺时针单向环形运转。
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)
1.一种可插入式单块环形腔激光装置，其特征在于，包括：
光隔离器，其用于实现线偏振激光束的单向环形振荡，所述光隔离器包括增益介质(10)、磁场(40)和半波片(20)，所述增益介质(10)用于产生激光增益，其包括多个表面，所述表面设为光学窗口，所述增益介质(10)设置于磁场(40)中；所述半波片(20)用于激光束的相位延迟；
标准具(30)用于抑制多纵模激光，得到高功率单频激光输出，所述标准具(30)与半波片(20)依次设置于两个相邻的所述光学窗口间，该两个相邻的所述光学窗口呈内凹的直角，且所述标准具(30)与半波片(20)均位于激光束传播路径上；
所述增益介质(10)设为多边形，所述增益介质(10)包括相对的两个大侧面，所述光学窗口包括第一光学窗口(101)、第二光学窗口(102)、第三光学窗口(103)、第四光学窗口(104)和第五光学窗口(105)，所述第一光学窗口(101)、第二光学窗口(102)、第三光学窗口(103)、第四光学窗口(104)和第五光学窗口(105)均设于围合所述增益介质(10)的相对两个大侧面的周边上；
所述第一光学窗口(101)、第二光学窗口(102)、第三光学窗口(103)、第四光学窗口(104)和第五光学窗口(105)的入射光线、反射光线或折射光线与其法线的夹角均设为不同，第三光学窗口(103)和第四光学窗口(104)之间呈内凹的直角，所述标准具(30)与半波片(20)依次设置于第三光学窗口(103)和第四光学窗口(104)之间；
所述第四光学窗口(104)对激光束的水平偏振分量全部透过、竖直偏振分量具有高反射率，用于选择特定偏振态激光振荡；
泵浦光束由第一光学窗口(101)入射，被增益介质(10)吸收形成激光束，激光束经过增益介质(10)各个光学窗口的多次既定角度的反射和折射形成闭环的传播路径，利用磁场(40)引入的增益介质(10)、标准具(30)的磁致旋光效应，半波片(20)的相位延迟和第四光学窗口的偏振特性构成光隔离器，消除增益介质的空间烧孔，实现激光束的单向运转；从第一光学窗口(101)折射输出或从第四光学窗口(104)反射输出或从第三光学窗口(103)反射输出。
2.根据权利要求1所述的可插入式单块环形腔激光装置，其特征在于，所述第一光学窗口(101)、第二光学窗口(102)、第三光学窗口(103)、第四光学窗口(104)和第五光学窗口(105)均设为经过抛光处理的表面。
3.根据权利要求1所述的可插入式单块环形腔激光装置，其特征在于，所述第一光学窗口(101)上镀有泵浦光增透膜和激光部分透射膜，或者泵浦光增透膜和激光高反膜；所述第二光学窗口(102)上镀有激光高反膜或不镀膜；所述第三光学窗口(103)上镀有激光增透膜，或者激光部分透射膜；所述第四光学窗口(104)上镀有激光水平偏振增透膜和竖直偏振高反膜；所述第五光学窗口(105)上镀有激光高反膜或不镀膜。
4.根据权利要求1所述的可插入式单块环形腔激光装置，其特征在于，所述增益介质(10)设为具有各向同性，且所述增益介质(10)的材料设为晶体、玻璃或陶瓷；
所述增益介质(10)设为整体制作；或所述增益介质(10)包括第一部分和第二部分，所述第一部分和第二部分键合连接为一体；
所述增益介质(10)设为掺钕钇铝石榴石Nd:YAG、掺钕氟化锂钇Nd:YLF或掺铥钇铝石榴石Tm:YAG。
5.根据权利要求1所述的可插入式单块环形腔激光装置，其特征在于，所述标准具(30)设为石英晶体或铽镓石榴石晶体；
所述标准具(30)的厚度、反射率、控制温度和放置角度可调节控制。
6.根据权利要求1所述的可插入式单块环形腔激光装置，其特征在于，所述半波片(20)设为双折射石英晶体，且所述半波片(20)包含两个主轴，两个主轴相互正交，且两个主轴分别设为快轴和慢轴，旋转两个主轴与水平方向的夹角，用于对所述激光束的偏振方向进行旋转。
7.根据权利要求1所述的可插入式单块环形腔激光装置，其特征在于，所述磁场(40)的方向与所述增益介质的水平中心线L平行；
或所述磁场(40)的方向与所述增益介质的水平中心线L垂直；
或所述磁场(40)的方向与所述增益介质的水平中心线L的夹角为锐角。
8.根据权利要求1所述的可插入式单块环形腔激光装置，其特征在于，还包括：
泵浦源(50)，其用于发出泵浦光束，泵浦源(50)发出的泵浦光束入射于所述第一光学窗口(101)；
热沉(60)，其用于冷却所述增益介质(10)，所述热沉(60)设于所述增益介质(10)的相对两个大侧面上。
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