CN115021063A - 一种无跳模宽调谐固体单频激光器 - Google Patents

一种无跳模宽调谐固体单频激光器 Download PDF

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陈鑫
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Abstract

本发明公开了一种无跳模宽调谐固体单频激光器，包括泵浦光源、耦合透镜组、输入耦合镜、激光晶体、光学单向器、声光偏转器、射频源、全反射腔镜组；所述泵浦光源发射激光，经耦合透镜组进行整形后，穿过输入耦合镜聚焦于激光晶体产生0级光束，0级光束经光学单向器后进入声光偏转器，0级光束经声光偏转器沿腔内振荡激光的传输路径直接输出；同时，声光偏转器在射频源加载调制频率时产生1级衍射波，1级衍射波经全反射腔镜组反射后，射向输入耦合镜上的激光出射点；全反射腔镜组与输入耦合镜、激光晶体、光学单向器、声光偏转器共同构成闭合的环形激光谐振腔。

Description

一种无跳模宽调谐固体单频激光器
技术领域
本发明涉及激光器技术领域，具体涉及一种无跳模宽调谐固体单频激光器。
背景技术
在量子光学、量子信息、冷原子物理、激光雷达、激光制导等基础科学研究和国防建设领域有重要的应用价值。随着这些研究领域的飞速发展，科研工作者对单频连续可调谐固体激光器的输出特性提出了更高的要求，具体包括在实现高输出功率的同时具备较高的长期稳定运转特性、较宽的无跳模连续调谐范围以及较强的可重复性和可恢复性。
宽带无跳模连续调谐固体激光器利用在单向转的环形腔内插入双折射滤波片和标准具，分别进行频率粗选和单纵模选择，通过调节双折射滤波片可实现激光器输出波长的大范围粗调谐，通过采用一振镜电机精确控制标准具的入射角度实现激光频率的精细调谐。
为了获得激光器的连续调谐，一般需要在利用光电负反馈技术将标准具的透射峰锁定于激光谐振腔振荡频率的基础上，通过压电陶瓷驱动激光谐振腔的腔镜实现激光器输出频率的大范围连续调谐。然而，通过压电陶瓷驱动激光谐振腔的腔镜实现激光器输出频率的连续调谐，不可避免引起激光谐振腔长的改变，造成激光器的长期运转稳定性差、激光调谐频率的可重复性与可恢复性差。同时，采用振镜电机控制标准具，不可避免在激光器kHz频率段引入机械共振噪声；并且，标准具的损伤阈值限制了该种调谐技术在高功率激光器中的应用。
发明内容
本发明提供了一种无跳模宽调谐固体单频激光器，在不改变激光器的谐振腔长的条件下，提高了无跳模连续调谐的宽度范围，通过下述技术方案实现：
一种无跳模宽调谐固体单频激光器，包括泵浦光源、耦合透镜组、输入耦合镜、激光晶体、光学单向器、声光偏转器、射频源、全反射腔镜组；
所述泵浦光源发射激光，经耦合透镜组进行整形后，穿过输入耦合镜聚焦于激光晶体产生0级光束，0级光束经光学单向器后进入声光偏转器，0级光束经声光偏转器沿腔内振荡激光的传输路径直接输出；同时，声光偏转器在射频源加载调制频率时产生1级衍射波，1级衍射波经全反射腔镜组反射后，射向输入耦合镜上的激光出射点；全反射腔镜组与输入耦合镜、激光晶体、光学单向器、声光偏转器共同构成闭合的环形激光谐振腔。
采用声光偏转器作为单向运转固体激光器的输出耦合镜，入射激光的轴线与声光偏转器的声光晶体轴线之间满足布拉格角，所述的声光偏转器在射频源工作状态下满足布拉格机制，具有模式选择功能，实现环形激光器的单频运转。0级光束沿声光偏转器入射激光的传输路径直接输出，产生的1级衍射激光经全反射腔镜组反射后与输入耦合镜、激光晶体、光学单向器、声光偏转器共同构成闭合的环形激光振荡器，振荡激光在腔内循环振荡。受布拉格机制下声光晶体的模式选择作用，腔内振荡激光能够实现单纵模输出；通过扫描加载于声光偏转器上的声波频率，在不改变激光器腔长的条件下能够在宽频范围内实现对激光器频率的无跳模连续单频调谐，具有输出功率高、无跳模连续调谐范围宽、响应速度快、激光器的稳定性强和调谐频率的可重复性高的特征。
在上述方案的基础上，进一步的有：所述声光偏转器的1级波衍射效率为70％。声光偏转器作为输出耦合镜的透射率为30％，声光偏转器声光晶体的损伤阈值为50MW/cm2，满足 266nm1100nm不同波段无跳模宽调谐固体单频激光器的制备需求。
在上述方案的基础上，进一步的有：所述泵浦光源为激光二极管、全固态激光器或光纤激光器。
在上述方案的基础上，进一步的有：所述耦合透镜组的放大倍数依赖于激光晶体处激光束腰半径的大小，泵浦激光束腰半径与激光晶体处激光束腰半径的比值大于1小于1.5。
在上述方案的基础上，进一步的有：所述激光晶体为近紫外光、可见光、近红外光晶体中的任意一种。
在上述方案的基础上，进一步的有：所述光学单向器用于实现激光器单向运转，由置于磁场环境的磁光晶体和半波片组成。所述磁光晶体可以为铽镓石榴石晶体(TGG)、铽钪铝石榴石晶体(TSAG)、单轴氟化铈晶体(CeF3)。
在上述方案的基础上，进一步的有：所述输入耦合镜前后表面镀有泵浦激光减反膜；全反射腔镜组、激光晶体、光学单向器以及声光偏转器的腔镜内表面均镀有带宽大于激光晶体的增益谱带宽的高反射膜。
在上述方案的基础上，进一步的有：所述全反射腔镜组的镜片的数量≥1；具体镜片的数量根据环形腔腔型结构的设计需求进行确定，能够满足不同环形腔结构单频激光器的制备；1 级衍射波依次入射到全反射腔镜组的每一个镜片，经反射后与入输入耦合镜、激光晶体、光学单向器、声光偏转器共同构成闭合的环形激光谐振腔。
在上述方案的基础上，进一步的有：所述声光偏转器(6)声光晶体轴线与入射激光光轴呈布拉格角放置：
Figure RE-GDA0003725573210000021
其中，θB为布拉格角，λ为振荡激光的波长，fa与Va分别为声波在晶体中的中心频率与速度。
在上述方案的基础上，进一步的有：激光器的无跳模连续单频调谐波长为λt；
λt＝MIN(Δλ，Δλg)
其中，Δλ为激光器的无跳模连续单频调谐范围，Δλg为激光晶体的增益带宽；
Figure RE-GDA0003725573210000031
其中，f0为声光偏转器(6)的中心频率，λ0为f0声波频率处激光的波长，fx为加载于声光偏转器上的声波频率，声波频率扫描范围fx1～fx2。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1.本发明中激光器频率的无跳模连续宽带调谐是通过调制加载于声光晶体的射频频率实现，不会改变激光器的腔长，激光器具备较高的结构稳定性和调谐频率可恢复性。
2.本发明是通过调制加载于声光晶体的射频频率实现对激光器振荡频率的无跳模连续宽带调谐，是一种快速响应调制。
3.本发明中无跳模宽调谐固体激光器为单向环形腔结构，其中的声光偏转器在布拉格机制下具备模式选择的功能，满足单频固体激光器的制备要求。
4.本发明中声光偏转器同时作为输出耦合镜，满足高功率无跳模宽调谐单频固体激光器的制备需求。
5.本发明提供的激光器同时兼具输出功率高、无跳模连续调谐范围宽、响应速度快、稳定性强以及调谐频率的可重复性高的特征。
附图说明
为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。在附图中：
图1为本发明的结构图；
图2为理论射频源声波频率对应的激光器扫描波长的曲线图；
图3为本发明射频源声波频率对应的激光器扫描波长的曲线图。
附图中标记及对应的零部件名称：泵浦激光源1、耦合透镜组2、输入耦合镜3、激光晶体4、光学单向器5、声光偏转器6、射频源7、全反射腔镜组第一反射镜8、第二反射镜9、第三反射镜10，0级光束101，1级衍射波102。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
实施例：
如图1所示，在本实施例中，本发明所述的一种无跳模宽调谐固体单频激光器，具体地，包括：泵浦激光源1，以及沿所述泵浦激光源1输出光束方向依次放置的耦合透镜组2、输入耦合镜3、YVO4/Nd:YVO4(钒酸钇)激光晶体4、光学单向器5、声光偏转器6、射频源7、全反射腔镜组的第一全反射镜8、第二全反射镜9、第三全反射镜10。
其中，所述泵浦激光源1是光纤耦合输出激光二极管，其输出激光中心波长为888nm，最大输出功率为100W，光纤芯径为400μm，数值孔径(NA)为0.22。
所述耦合透镜组2是由焦距分别为f1＝30mm、f2＝80mm的透镜组成，镀有888nm增透膜，用于对888nm泵浦激光进行聚焦整形。所述输入耦合镜3为曲率半径R＝+1500mm的凹凸镜，凹面和凸面分别镀有888nm高透膜(T888nm＞99.5％)和1064nm高反膜(R1064nm＞99.7％)。
所述YVO4/Nd:YVO4激光晶体4是由3mm非掺杂基质和20mmNd3+掺杂浓度为0.8at.％掺杂基质组成，晶体横截面为3×3mm2。Nd:YVO4激光晶体的增益带宽Δλg为0.96nm。
所述光学单向器5由置于强磁场环境中的长度为8mm的铽镓石榴石晶体与半波片组成光学单向器5，用于实现激光器腔内振荡激光的单向运转。
所述声光偏转器6同时作为激光器的输出耦合镜、模式选择和频率调谐元件，由射频源7 对其加载调制频率，射频源的中心频率f0为75MHz，速度为4200m/s，频率调谐范围为65～90MHz，入射激光光轴与声光偏转器6声光晶体轴线之间的角度满足
Figure RE-GDA0003725573210000041
关系，即呈0.58°(布拉格角)放置。所述全反射腔镜组的第一全反射镜8为曲率半径R＝+1500mm的平凸镜，凸面镀有1064nm高反膜(R1064nm＞99.7％)；
所述全反射腔镜组的第二全反射镜9与第三全反射镜10均为曲率半径R＝100mm的平凹镜，凹面镀有1064nm高反膜(R1064nm＞99.7％)。全反射腔镜组8是用于反射1级衍射激光，并与所述输入耦合镜3、声光偏转器6共同构成环形谐振腔，消除空间烧孔效应使1级衍射激光在谐振腔内循环振荡；声光偏转器6的1级衍射效率为70％，0级光束沿声光偏转器6入射激光的传输路径直接输出，输出耦合镜透射为30％，能够实现高功率激光输出。
工作过程为：由所述激光二极管泵浦激光源1发射的888nm泵浦光经所述耦合透镜组2准直聚焦，穿过所述输入耦合镜3射入所述YVO4/Nd:YVO4键合激光晶体4内部产生1064nm激光；所述1064nm激光经过所述铽镓石榴石晶体(置于磁场环境)和半波片组成的光学单向器进入所述声光偏转器6；在整个过程中所述声光偏转器6在射频源7的调制作用下始终处于工作状态，射频源信号进入声光偏转器6中的声光晶体转化为声波信号，所述1064nm激光在受布拉格角度条件约束经所述声波信号调制，产生1级衍射光束，所述0级光束沿声光偏转器6入射激光传输路径直接输出，所述1级衍射光束与0级光束波之间呈2θB角度射入所述第一全反射腔镜组8； 1级衍射激光经所述全反射腔镜组的第一反射镜8、第二反射镜9、第三反射镜10反射，与输入耦合镜3、声光偏转器6共同构成闭合的环形激光谐振腔，并在谐振腔往返振荡，受所述光学单向器5的作用实现1级衍射激光器在腔内的单向振荡。
声光偏转器6在工作状态时满足布拉格机制，同时会对腔内振荡激光的模式进行选择，结合环形腔自身的模式过滤能力，能够实现1级衍射激光器在腔内的单频运转，进而实现激光器的单向、单频运转。通过在调制频率80MHz附近扫描射频源的调制频率使激光器频率调谐带宽覆盖激光晶体的整个增益带宽，实现高功率激光器的连续调谐；在扫描射频源的调制频率使激光器频率调谐带宽覆盖激光晶体的整个增益带宽的过程中，声光偏转器6的声光晶体始终满足布拉格机制，始终对腔内振荡激光具有模式选择的作用，可以实现激光器在整个增益带宽内的无跳模连续单频调谐。
实施例中声光偏转器6对应射频源7的中心频率f0为75MHz，声波频率扫描范围为fx1～fx2为65～90MHz，中心频率f0处激光初始波长λ0为1064.52nm。理论上将射频源的声波频率从 fx1＝65MHz扫描到fx2＝90MHz，激光器的无跳模连续单频输出波长可以从887.10nm扫描至 1228.29nm，如图2所示，对应Δλ＝341.19nm。实际上Nd:YVO4激光晶体的有效增益谱带宽为0.96nm，将射频源的声波频率从fx1＝74.966MHz扫描到fx2＝75.034MHz，激光器的无跳模连续单频输出波长可以从1064.04nm扫描至1065.00nm，因此在输出波长1064.04nm到 1065.00nm范围内可实现高功率固体激光器的无跳模连续单频调谐(即0.96nm)，如图3所示。因此，对于窄增益谱带宽的激光晶体，该种无跳模宽调谐固体单频激光器固体激光器的连续单频调谐范围即为激光晶体的增益谱带宽Δλg。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种无跳模宽调谐固体单频激光器，其特征在于，包括泵浦光源(1)、耦合透镜组(2)、输入耦合镜(3)、激光晶体(4)、光学单向器(5)、声光偏转器(6)、射频源(7)、全反射腔镜组；
所述泵浦光源(1)发射激光，经耦合透镜组(2)进行整形后，穿过输入耦合镜(3)聚焦于激光晶体(4)产生0级光束(101)，0级光束(101)经光学单向器(5)后进入声光偏转器(6)，0级光束(101)经声光偏转器(6)沿腔内振荡激光的传输路径直接输出；同时，声光偏转器(6)在射频源(7)加载调制频率时产生1级衍射波(102)，1级衍射波(102)经全反射腔镜组反射后，射向输入耦合镜(3)上的激光出射点；全反射腔镜组与输入耦合镜(3)、激光晶体(4)、光学单向器(5)、声光偏转器(6)共同构成闭合的环形激光谐振腔。
2.根据权利要求1所述的一种无跳模宽调谐固体单频激光器，其特征在于，所述声光偏转器(6)的1级波衍射效率为70％。
3.根据权利要求1所述的一种无跳模宽调谐固体单频激光器，其特征在于，所述泵浦光源(1)为激光二极管、全固态激光器或光纤激光器。
4.根据权利要求1所述的一种无跳模宽调谐固体单频激光器，其特征在于，所述耦合透镜组(2)的放大倍数依赖于激光晶体(4)处激光束腰半径的大小，泵浦激光束腰半径与激光晶体(4)处激光束腰半径的比值大于1小于1.5。
5.根据权利要求1所述的一种无跳模宽调谐固体单频激光器，其特征在于，所述激光晶体(4)为近紫外光、可见光、近红外光晶体中的任意一种。
6.根据权利要求1所述的一种无跳模宽调谐固体单频激光器，其特征在于，所述光学单向器(5)用于实现激光器单向运转，由置于磁场环境的磁光晶体和半波片组成。
7.根据权利要求1所述的一种无跳模宽调谐固体单频激光器，其特征在于，所述输入耦合镜(3)前后表面镀有泵浦激光减反膜；全反射腔镜组、激光晶体(4)、光学单向器(5)以及声光偏转器(6)的腔镜内表面均镀有带宽大于激光晶体的增益谱带宽的高反射膜。
8.根据权利要求1所述的一种无跳模宽调谐固体单频激光器，其特征在于，所述全反射腔镜组的镜片的数量≥1；1级衍射波(102)依次入射到全反射腔镜组的每一个镜片，经反射后与入输入耦合镜(3)、激光晶体(4)、光学单向器(5)、声光偏转器(6)共同构成闭合的环形激光谐振腔。
9.根据权利要求1所述的一种无跳模宽调谐固体单频激光器，其特征在于，所述声光偏转器(6)声光晶体轴线与入射激光光轴呈布拉格角放置：
Figure FDA0003631447540000021
其中，θB为布拉格角，λ为振荡激光的波长，fa与Va分别为声波在晶体中的中心频率与速度。
10.根据权利要求1所述的一种无跳模宽调谐固体单频激光器，其特征在于，激光器的无跳模连续单频调谐波长为λt；
λt＝MIN(Δλ，Δλg)
其中，Δλ为激光器的无跳模连续单频调谐范围，Δλg为激光晶体(4)的增益带宽；
Figure FDA0003631447540000022
其中，f0为声光偏转器(6)的中心频率，λ0为f0声波频率处激光的波长，fx为加载于声光偏转器(6)上的声波频率，声波频率扫描范围fx1～fx2。
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