CN115621826A - 一种功率比可调双频激光器及使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种功率比可调双频激光器及使用方法,属于双频激光器技术领域,功率比可调双频激光器包括同光轴的2个四分之一波片、激光增益介质、二分之一波片以及偏振片,所述2个四分之一波片分别位于所述激光增益介质的不同端,且2个四分之一波片的主轴夹角可调,所述2个四分之一波片与所述激光增益介质组成双频激光振荡器,由所述双频激光振荡器输出的双频激光依次传输至二分之一波片以及偏振片,所述二分之一波片可围绕其光轴旋转,本发明通过旋转四分之一波片可实现频差可调谐的正交偏振双频激光输出,通过旋转二分之一波片实现功率比可调双频激光输出,同时,有效地缩短了双频激光振荡器的腔长,增加了频差调谐范围。

Description

一种功率比可调双频激光器及使用方法
技术领域
本发明属于双频激光器技术领域,具体地说涉及一种功率比可调双频激光器及使用方法。
背景技术
大频差可调谐双频激光器在激光干涉测量、光生毫米波、激光雷达等领域的应用有着巨大潜力。常用的双频激光产生方法主要是利用塞曼效应、Sagnac效应、磁光效应、旋光效应和双折射效应等物理效应,将一个激光频率分裂以获得两个频率。基于塞曼效应的0.632μm双频He-Ne激光器受到Ne原子荧光线宽(1500MHz)的限制,频率分裂量较小。相比而言,固体激光增益介质的荧光线宽要远远大于气体的荧光线宽,通过引入双折射效应获得双频激光的固体激光器更易于实现增大频差(频率差)的目的,如CN202110510221.3双波长脉冲同步Tm,Ho:LLF被动调Q固体激光器,其谐振腔由Tm,Ho:LLF激光晶体的前端面和平凹输出镜构成,同时,Tm,Ho:LLF激光晶体的前端面和平凹输出镜之间设置Cr:ZnS晶体、F-P标准具、两个四分之一波片延长了谐振腔的腔长,进而相对降低了频差调节范围。此外,为了满足特殊双频激光应用需求,要求双频激光的功率配比可调。因此,如何实现大频差、频差可调谐且功率比可调的高功率双频固体激光暂无很好地解决方案。
发明内容
针对现有技术的种种不足,为了解决上述问题,现提出一种功率比可调双频激光器及使用方法,通过旋转四分之一波片可实现频差可调谐的正交偏振双频激光输出,通过缩短腔长增加频差调节范围,通过旋转二分之一波片实现功率比可调双频固体激光输出。
为实现上述目的,本发明提供如下技术方案:
第一方面,本发明提供一种功率比可调双频激光器,包括同光轴的2个四分之一波片、激光增益介质、二分之一波片以及偏振片,所述2个四分之一波片分别位于所述激光增益介质的不同端,且2个四分之一波片的主轴夹角可调,所述2个四分之一波片与所述激光增益介质组成双频激光振荡器,由所述双频激光振荡器输出的双频激光依次传输至二分之一波片以及偏振片,所述二分之一波片可围绕其光轴旋转。
本技术方案进一步设置为,所述激光增益介质的端面镀有激光波长以及泵浦光波长的增透膜。
本技术方案进一步设置为,所述激光增益介质的掺杂浓度不小于1at.%,其长度不大于5mm。
本技术方案进一步设置为,所述2个四分之一波片包括第一四分之一波片以及第二四分之一波片,泵浦光依次传输至第一四分之一波片、激光增益介质以及第二四分之一波片。
本技术方案进一步设置为,第一四分之一波片靠近所述激光增益介质的端面镀有激光波长以及泵浦光波长的增透膜,第一四分之一波片远离所述激光增益介质的端面镀有激光波长的全反膜以及泵浦光波长的增透膜。
本技术方案进一步设置为,第二四分之一波片远离所述激光增益介质的端面镀有激光波长的部分反射膜以及泵浦光波长的增透膜,第二四分之一波片靠近所述激光增益介质的端面镀有激光波长以及泵浦光波长的增透膜。
本技术方案进一步设置为,还包括耦合透镜以及光纤功率放大器,双频激光经所述耦合透镜耦合至所述光纤功率放大器实现功率提升。
第二方面,本发明提供一种功率比可调双频激光器的使用方法,包括如下步骤:
激光增益介质在泵浦光的作用下受激辐射产生激光,所述激光为正交偏振光;
调节2个四分之一波片的主轴夹角为非零,改变正交偏振光中不同偏振方向分量的频率产生频率差形成双频激光,实现激光频差调谐;
旋转二分之一波片改变双频激光中不同频率分量的偏振方向,经过二分之一波片的双频激光传输至偏振片,输出与偏振片允许透过偏振方向相同的部分双频激光,实现激光功率比调节。
本技术方案进一步设置为,2个四分之一波片主轴夹角为θ,正交偏振光的频率差 为
Figure 759849DEST_PATH_IMAGE001
,且
Figure 439092DEST_PATH_IMAGE002
,其中,
Figure 525997DEST_PATH_IMAGE003
为第一偏振方向激光频率,
Figure 468545DEST_PATH_IMAGE004
为第二偏振方向激 光频率,c为光在四分之一波片中的传播速度,L为双频激光振荡器的腔长。
本技术方案进一步设置为,四分之一波片采用石英晶体制成,所述双频激光的频率差调谐范围为0~0.15THz。
本发明的有益效果是:
1、通过旋转四分之一波片可实现频差可调谐的正交偏振双频激光输出,通过旋转二分之一波片实现功率比可调双频激光输出。
2、双频激光振荡器直接由2个四分之一波片与激光增益介质组成,有效地缩短了双频激光振荡器的腔长,从而增加了频差调谐范围。
3、通过耦合透镜将双频激光耦合进光纤功率放大器,实现高功率双频激光输出。
附图说明
图1是本发明中功率比可调双频激光器的示意图;
图2是本发明中功率比可调双频激光器的使用方法的流程图;
图3是本发明中2个四分之一波片主轴夹角与频率差的线性示意图;
图4是本发明中2个四分之一波片主轴夹角θ分别为15°、20°、25°、45°时,其输出双频激光频率示意图。
附图中:1-激光增益介质、2-第一四分之一波片、3-第二四分之一波片、4-二分之一波片、5-偏振片、6-耦合透镜、7-光纤功率放大器;
图4中横坐标表示时间,单位为s,纵坐标表示FP扫描干涉仪输出信号强度。
具体实施方式
为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案,下面结合本发明的附图,对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述,基于本申请中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例,都应当属于本申请保护的范围。此外,以下实施例中提到的方向用词,例如“上”“下”“左”“右”等仅是参考附图的方向,因此,使用的方向用词是用来说明而非限制本发明创造。
如图1所示,一种功率比可调双频激光器,包括同光轴的2个四分之一波片、激光增益介质1、二分之一波片4以及偏振片5,所述2个四分之一波片分别位于所述激光增益介质1的不同端,且2个四分之一波片的主轴夹角可调。
所述2个四分之一波片与所述激光增益介质1组成双频激光振荡器,用于产生大频差、频差可调谐的正交偏振的双频激光,最大连续功率不小于30mW。由所述双频激光振荡器输出的双频激光依次传输至二分之一波片4以及偏振片5,所述二分之一波片4可围绕其光轴旋转。
具体的,所述激光增益介质1的端面镀有激光波长以及泵浦光波长的增透膜。同时,所述激光增益介质1的掺杂浓度不小于1at.%,其长度不大于5mm。
优选的,本实施例中,激光增益介质1为Nd:YAG激光晶体。
具体的,所述2个四分之一波片包括第一四分之一波片2以及第二四分之一波片3,泵浦光依次传输至第一四分之一波片2、激光增益介质1以及第二四分之一波片3。
优选的,第一四分之一波片2靠近所述激光增益介质1的端面镀有激光波长以及泵浦光波长的增透膜,第一四分之一波片2远离所述激光增益介质1的端面镀有激光波长的全反膜以及泵浦光波长的增透膜。
优选的,第二四分之一波片3远离所述激光增益介质1的端面镀有激光波长的部分反射膜以及泵浦光波长的增透膜,第二四分之一波片3靠近所述激光增益介质1的端面镀有激光波长以及泵浦光波长的增透膜。
优选的,本实施例中,激光波长为1064nm或1319nm,泵浦光波长为808nm,部分反射膜的反射率大于95%。
具体的,还包括耦合透镜6以及光纤功率放大器7,双频激光经所述耦合透镜6耦合至所述光纤功率放大器7实现功率提升。
优选的,本实施例中,所述光纤功率放大器7为商用光纤功率放大器,具体为单模光纤功率放大器,其工作模式可以是连续、准连续脉冲、纳秒脉冲。
如图2所示,一种功率比可调双频激光器的使用方法,包括如下步骤:
S100、激光增益介质1在泵浦光的作用下受激辐射产生激光,所述激光为正交偏振光;
S200、调节2个四分之一波片的主轴夹角为非零,改变正交偏振光中不同偏振方向分量的频率产生频率差形成双频激光,实现激光频差调谐;
S300、旋转二分之一波片4改变双频激光中不同频率分量的偏振方向,经过二分之一波片4的双频激光传输至偏振片,输出与偏振片允许透过偏振方向相同的部分双频激光,实现激光功率比调节。
具体的,步骤S100至步骤S300的操作顺序可互换。也就是说,可在泵浦光泵浦激光增益介质1之前或之后调节2个四分之一波片的主轴夹角以及旋转二分之一波片4,同时,调节2个四分之一波片的主轴夹角以及旋转二分之一波片4不区分先后顺序。
优选的,本实施例中,固定其中1个四分之一波片,旋转另外1个四分之一波片,以调节2个四分之一波片的主轴夹角。
在其他一些实施例中,可同时旋转第一四分之一波片、第二四分之一波片,以调节两者的主轴夹角。
具体的,2个四分之一波片主轴夹角为θ,正交偏振光的频率差为
Figure 827851DEST_PATH_IMAGE001
,且
Figure 982889DEST_PATH_IMAGE002
,其中,
Figure 252196DEST_PATH_IMAGE003
为第一偏振方向激光频率,
Figure 100067DEST_PATH_IMAGE004
为第二偏振方向激光频率,c 为光在四分之一波片中的传播速度,L为双频激光振荡器的腔长。
在四分之一波片的材质以及双频激光振荡器的腔长特定的情况下,当2个四分之一波片主轴夹角θ=0°,其输出双频激光的频率差为0GHz。当2个四分之一波片主轴夹角θ=15°,其输出双频激光的频率差为0.645GHz,如图4中(a)所示。当2个四分之一波片主轴夹角θ=20°,其输出双频激光的频率差为0.828GHz,如图4中(b)所示。当2个四分之一波片主轴夹角θ=25°,其输出双频激光的频率差为1.145GHz,如图4中(c)所示。当2个四分之一波片主轴夹角θ=45°,其输出双频激光的频率差为2.334GHz,如图4中(d)所示。同时,频率差随着θ在0°~45°范围内线性增加,如图3所示。
具体的,四分之一波片为激光波长对应真零级四分之一波片,其采用石英晶体制成,所述双频激光的频率差调谐范围为0~0.15THz。
具体的,由于双频激光振荡器输出的正交偏振双频激光包含频率为
Figure 25297DEST_PATH_IMAGE003
的水平偏振 量和频率为
Figure 921709DEST_PATH_IMAGE004
的垂直偏振量,其经过二分之一波片4可以旋转频率
Figure 717627DEST_PATH_IMAGE003
和频率
Figure 798715DEST_PATH_IMAGE004
的偏振方向 但保持相对正交。因此,经过偏振片5后频率
Figure 945663DEST_PATH_IMAGE003
和频率
Figure 973662DEST_PATH_IMAGE004
对应的分量都只有部分功率能够 透过。也就是说,二分之一波片4可以旋转双频激光的偏振方向,而偏振片5可以选择透过的 偏振方向,两者组合可以实现双频激光的功率比调节,通过旋转二分之一波片4可实现任意 功率比的线偏振双频激光输出。
以上已将本发明做一详细说明,以上所述,仅为本发明之较佳实施例而已,当不能限定本发明实施范围,即凡依本申请范围所作均等变化与修饰,皆应仍属本发明涵盖范围内。

Claims (10)

1.一种功率比可调双频激光器,其特征在于,包括同光轴的2个四分之一波片、激光增益介质、二分之一波片以及偏振片,所述2个四分之一波片分别位于所述激光增益介质的不同端,且2个四分之一波片的主轴夹角可调,所述2个四分之一波片与所述激光增益介质组成双频激光振荡器,由所述双频激光振荡器输出的双频激光依次传输至二分之一波片以及偏振片,所述二分之一波片可围绕其光轴旋转。
2.根据权利要求1所述的一种功率比可调双频激光器,其特征在于,所述激光增益介质的端面镀有激光波长以及泵浦光波长的增透膜。
3.根据权利要求2所述的一种功率比可调双频激光器,其特征在于,所述激光增益介质的掺杂浓度不小于1at.%,其长度不大于5mm。
4.根据权利要求1所述的一种功率比可调双频激光器,其特征在于,所述2个四分之一波片包括第一四分之一波片以及第二四分之一波片,泵浦光依次传输至第一四分之一波片、激光增益介质以及第二四分之一波片。
5.根据权利要求4所述的一种功率比可调双频激光器,其特征在于,所述第一四分之一波片靠近所述激光增益介质的端面镀有激光波长以及泵浦光波长的增透膜,所述第一四分之一波片远离所述激光增益介质的端面镀有激光波长的全反膜以及泵浦光波长的增透膜。
6.根据权利要求4所述的一种功率比可调双频激光器,其特征在于,所述第二四分之一波片远离所述激光增益介质的端面镀有激光波长的部分反射膜以及泵浦光波长的增透膜,所述第二四分之一波片靠近所述激光增益介质的端面镀有激光波长以及泵浦光波长的增透膜。
7.根据权利要求1-6任一所述的一种功率比可调双频激光器,其特征在于,还包括耦合透镜以及光纤功率放大器,双频激光经所述耦合透镜耦合至所述光纤功率放大器实现功率提升。
8.一种采用如权利要求1-7任一所述的功率比可调双频激光器的使用方法,其特征在于,包括如下步骤:
激光增益介质在泵浦光的作用下受激辐射产生激光,所述激光为正交偏振光;
调节2个四分之一波片的主轴夹角为非零,改变正交偏振光中不同偏振方向分量的频率产生频率差形成双频激光,实现激光频差调谐;
旋转二分之一波片改变双频激光中不同频率分量的偏振方向,经过二分之一波片的双频激光传输至偏振片,输出与偏振片允许透过偏振方向相同的部分双频激光,实现激光功率比调节。
9.根据权利要求8所述的一种功率比可调双频激光器的使用方法,其特征在于,2个四 分之一波片主轴夹角为θ,正交偏振光的频率差为
Figure 539477DEST_PATH_IMAGE001
,且
Figure 290395DEST_PATH_IMAGE002
,其中,
Figure 522793DEST_PATH_IMAGE003
为第一偏振方向激光频率,
Figure 91178DEST_PATH_IMAGE004
为第二偏振方向激光频率,c为光在四分之一波片中的传播速 度,L为双频激光振荡器的腔长。
10.根据权利要求8所述的一种功率比可调双频激光器的使用方法,其特征在于,所述双频激光的频率差调谐范围为0~0.15THz。
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Application publication date: 20230117