CN115799965A - 一种注入锁定式蓝光激光器系统 - Google Patents
一种注入锁定式蓝光激光器系统 Download PDFInfo
- Publication number
- CN115799965A CN115799965A CN202211589321.0A CN202211589321A CN115799965A CN 115799965 A CN115799965 A CN 115799965A CN 202211589321 A CN202211589321 A CN 202211589321A CN 115799965 A CN115799965 A CN 115799965A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- light
- laser
- wave plate
- seed light
- optical
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Landscapes
- Semiconductor Lasers (AREA)
Abstract
本发明公开了一种注入锁定式蓝光激光器系统，是将低功率、窄线宽、频率稳定的种子光注入到另一台高功率、宽线宽的激光器中，从而获得高功率、窄线宽、频率稳定的激光器。在本发明中，通过注入5mw的种子光，即可锁定300mw的从属光，系统锁定后具有6nm的波长调节范围。激光器系统主体的体积为23×22×6cm3，远距离搬运后只需调节内部光纤耦合器即可正常工作。本发明的优点在于：实现了一种可搬运，波长可调谐6nm，输出功率300mw，制作成本低，操作简便的480 nm蓝光激光器系统，并且这种注入锁定方式也可用于其他光波段，输出功率仅限于激光器系统内部激光二极管的性能，本发明为便携式高性能激光器系统的发展提供了思路，具有极高的应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及激光光源领域，具体涉及一种注入锁定式蓝光激光器系统。
背景技术
高功率的480nm蓝光激光器是实现基于铷原子的里德堡量子传感测量的基础，目前已经实现了精密测量微波电场的幅度[NaturePhysics 8.11:819-824(2012)]、偏振[PhysicalReviewLetters 111.6:063001(2013)]和相位信息[AppliedPhysicsLetters114.11:114101(2019)]。使用高功率的蓝光光源可以得到较高信噪比的电磁诱导透明(EIT)信号，实现微波的弱场测量。
主从式注入锁定指的是一台激光器出射的光注入到另一台激光器中，从而改变被注入激光器的一些运行特征。主从式注入锁定普遍应用于一台低功率、窄线宽、频率稳定的激光器来控制另一台高功率激光器的光束质量，也可用于控制激光器模式的相位特征或者空间特征。主从式注入锁定技术与可以达到相同效果的光放大技术相比，具有功率转换效率高、装置简单等优势。
虽然市场上有售卖高功率的蓝光激光器，但基本是通过倍频晶体来获得，这就使得高功率蓝光激光器对于使用环境极为苛刻，无法做到便携式使用，而且通过激光倍频获得的蓝光激光器波长调节复杂，限制了基于铷原子的量子传感在实际中的应用。如何设计一种便携式、可调谐、高功率的注入锁定式蓝光激光器系统，已经成为亟待解决的问题。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种注入锁定式蓝光激光器系统。通过将低功率、窄线宽、频率稳定的种子光注入到另一台高功率、宽线宽的激光器中，从而获得高功率、窄线宽、频率稳定的激光器。第一激光器使用Littrow型外腔半导体激光器结构，具有6nm的波长调谐范围，激光器系统主体的体积为23×22×6cm3，是一种便携式蓝光光源，最高输出功率可达300mW。本发明所描述的480nm蓝光激光器系统完全满足了基于铷原子的量子传感的工程化需求，这种结构也适用于其他波段的激光光源，输出功率仅限于激光器系统内部激光二极管的性能。
实现本发明目的具体技术方案如下：
一种注入锁定式蓝光激光器系统，包括第一激光器、激光缩束装置、第一透镜、第一反射镜、第二反射镜、光隔离器、第一半波片、第一偏振分束棱镜、第一光纤耦合头、单模保偏光纤、第二光纤耦合头、第二半波片、光隔离装置、第三反射镜、第四反射镜、第三半波片、第二透镜、激光整形装置、第二激光器及光纤端口准直器；
所述第一激光器为Littrow型外腔半导体激光器，产生中心波长为480nm的种子光，种子光依次经过激光缩束装置、第一透镜、第一反射镜、第二反射镜、光隔离器、第一半波片，在第一偏振分束棱镜处分成两路，一路通过光纤端口准直器进行频率监测，另一路进入第一光纤耦合头和单模保偏光纤，经第二光纤耦合头出射，依次经过第二半波片、光隔离装置、第三反射镜、第四反射镜、第三半波片、第二透镜、激光整形装置后注入到第二激光器进行频率锁定；
所述激光缩束装置包括：第三透镜、第四透镜，置于第一激光器之后，对种子光进行缩束；
所述第一透镜，置于激光缩束装置之后，对种子光进行聚焦；
所述第一反射镜和第二反射镜置于第一透镜之后，对聚焦的种子光进行反射；
所述光隔离器，置于第二反射镜之后，减小反射光对第一激光器的影响；
所述第一半波片和第一偏振分束棱镜，置于光隔离器之后，将种子光分成两路，一路用于激光器系统的注入锁定，另一路通过光纤端口准直器对第一激光器进行频率监测；
所述第一光纤耦合头和单模保偏光纤，置于第一偏振分束棱镜之后，耦合并传输种子光，并且对种子光进行光斑整形；
所述第二激光器产生中心波长为480nm的从属光，从属光依次经过激光整形装置、第二透镜、第三半波片、第四反射镜、第三反射镜，在光隔离装置处反射出激光器系统；
所述激光整形装置包括：第一柱面镜、第二柱面镜，置于第二激光器之后，将从第二激光器出射的椭圆形光斑整形为圆形光斑；
所述第二透镜，置于激光整形装置之后，对从属光进行聚焦；
所述第三半波片，置于第二透镜之后，调整从属光偏振，使得从属光以水平偏振进入光隔离装置；
所述第三反射镜和第四反射镜置于第三半波片之后，对聚焦的从属光进行反射；
所述光隔离装置，置于第三反射镜之后，通过改变种子光和从属光的偏振，使得种子光低损耗通过，使从属光反射出激光器系统；
所述第二半波片，置于光隔离装置之后，调整种子光偏振，使得种子光以水平偏振进入光隔离装置；
所述第二光纤耦合头，置于第二半波片之后，使种子光和从属光光斑模式匹配，提高种子光的注入效率；
所述第一激光器包括：激光二极管、准直透镜、闪耀光栅、压电陶瓷片及小型反射镜；激光二极管的出射光经过准直透镜准直后入射到闪耀光栅，一级衍射光原路返回作为反馈光，零级衍射光经小型反射镜反射后作为激光器系统的种子光。压电陶瓷片置于闪耀光栅背面，通过改变压电陶瓷片的电压，可以改变闪耀光栅的角度，从而改变第一激光器出射的种子光的波长。
所述光隔离装置包括：第二偏振分束棱镜、旋光器、第四半波片、第三偏振分束棱镜；
对于种子光，依次经过第二偏振分束棱镜、旋光器、第四半波片和第三偏振分束棱镜，通过调节第二半波片使得进入光隔离装置的种子光为水平偏振光，通过旋光器和第四半波片后，种子光依然为水平偏振光，低损耗通过第三偏振分束棱镜；
对于从属光，依次经过第三偏振分束棱镜、第四半波片、旋光器和第二偏振分束棱镜，通过调节第三半波片使得进入光隔离装置的从属光为水平偏振光，通过第四半波片和旋光器后，从属光变为垂直偏振光，之后被第二偏振分束棱镜反射出激光器系统。
相比于现有的蓝光激光器，本发明的优点在于：
1.本发明是一种成本低、操作简单，便于实现的可搬运式激光器系统，为便携式量子传感提供了可移动式光源，为基于里德堡原子的量子微波测量的实际应用提供了思路；
2.本发明实现的激光器系统的波长易于调节，可实现6nm的波长调节范围，涵盖了大部分的铷原子的里德堡态；
3.本发明提供一种高功率注入锁定激光器技术，锁定后输出480nm的功率为300mW，这种注入锁定式激光器系统也可适用于其他激光波段。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中第一激光器使用的Littrow型外腔半导体激光器结构示意图；
图3本发明实施例所测量的不同注入功率下激光器系统输出光的功率谱图；
图4为本发明实施例所测量的不同注入功率下激光器系统扫描频率最大不跳模范围示意图。
具体实施方式
本发明实现了一种注入锁定式蓝光激光器系统，下面将通过具体实施例与附图相结合的形式来说明本发明的实施方式，所述的方式只是本发明的部分实施方式，也可通过其他不同的具体实施例来验证本发明，本说明书中的各项细节亦可基于不同的实验背景，在不违背本发明的精神上进行修改与改进。
如图1所示，第一激光器1为中心波长为480nm的Littrow型外腔半导体激光器，内部使用激光二极管型号为NICHIANDSA116T，是一种镀增透膜的激光二极管，最高输出功率30mW。激光器结构示意图如图2所示，激光二极管101在泵浦源的作用下出射激光，通过准直透镜102进行准直，入射到闪耀光栅103(2400刻线/mm)表面，一级衍射光作为反馈光原路返回到激光二极管101内部，零级衍射光经过小型反射镜105反射后作为激光器系统的种子光，激光二极管101与闪耀光栅103之间形成外腔对激光二极管101的输出模式进行选择，压电陶瓷片104置于闪耀光栅103背面，通过改变压电陶瓷片104的电压，可以改变闪耀光栅103的角度，从而改变第一激光器1出射的种子光的波长。
第一激光器1出射的种子光依次经过激光缩束装置2、第一透镜3、第一反射镜4、第二反射镜5、光隔离器6、第一半波片7，在第一偏振分束棱镜8处分成两路，一路通过光纤端口准直器20对第一激光器1进行频率监测，另一路进入第一光纤耦合头9和单模保偏光纤10，经第二光纤耦合头11出射，依次经过第二半波片12、光隔离装置13、第三反射镜14、第四反射镜15、第三半波片16、第二透镜17、激光整形装置18后注入到第二激光器19。为了节省空间，激光缩束装置2使用的是伽利略式缩束系统，第三透镜201的焦距为f1＝50mm，第四透镜202的焦距为f2＝-25mm。第一透镜3置于激光缩束装置2之后，焦距为f3＝125mm，对种子光进行聚焦来保证在第一光纤耦合头9处有较高耦合效率。第一反射镜4和第二反射镜5通过反射聚焦的种子光来保证激光器系统整体有较小体积，光隔离器6置于第二反射镜5之后，阻止种子光和从属光反射到第一激光器1里面。
第二激光器19内部只包含激光二极管和非球面准直透镜，激光二极管型号为NICHIANDA4216，为一种F-P腔型激光二极管，二极管最高输出功率300mW。第二激光器19出射的从属光依次经过激光整形装置18、第二透镜17、第三半波片16、第三反射镜15、第四反射镜14、最终被光隔离装置13内部的第二偏振分束棱镜131反射出激光器系统。在本发明中使用柱面镜对从属光进行光斑整形，虽然它相比于整形棱镜对所占空间大，但其透过率较高，具有较小的光损耗，第一柱面镜181的焦距为f4＝75mm，第二柱面镜182的焦距为f5＝-25mm，第二透镜17置于激光整形装置18之后，焦距为f6＝125mm，对从属光进行聚焦来保证在第二光纤耦合头11处有较高耦合效率。第三反射镜14和第四反射镜15通过反射聚焦的从属光来保证激光器系统整体有较小体积。
光隔离装置13保证种子光能够以较小损耗透过，对于从属光则被第二偏振分束棱镜131反射作为激光器系统的出射光。对于种子光，通过调节第二半波片12使得进入光隔离装置13的种子光为水平偏振光，通过旋光器132和第四半波片133后，种子光依然为水平偏振光，再透过第三偏振分束棱镜134以较小损耗通过光隔离装置13；对于从属光，通过调节第三半波片16使得进入光隔离装置13的从属光为水平偏振光，通过第四半波片133和旋光器132后，从属光变为垂直偏振光，之后被第二偏振分束棱镜131反射出激光器系统。
第二光纤耦合头11的作用是使种子光和从属光实现光斑模式匹配，原理基于光路可逆性，从属光在第二光纤耦合头11处耦合效率越高，种子光的注入效率就越高，即两束光达到很好的光斑模式匹配度，在本发明中，要求从属光在第二光纤耦合头11处耦合效率不低于60％。
本发明的激光器系统外壳是一个中空铝块，各个光学元件被固定在特殊定制的镜架上，通过光学软件模拟光路后对各个光学元件位置进行确定，激光器系统主体的体积最终确定为23×22×6cm3，是一种便携式480nm蓝光光源。
为了验证注入锁定蓝光激光器系统的性能，使用光谱仪来观察注入功率和激光器系统输出光功率谱密度的关系，如图3所示，分别为未注入种子光、注入0.5mw种子光和注入8.1mw种子光时激光器系统出射光的功率谱。在自由运行时(未注入种子光)、从属光功率谱较宽，随着注入功率的增加，从属光功率谱线宽逐渐减小，说明此时激光器系统出射光的单色性更好。可以得出结论：通过注入锁定，可以压窄激光器系统的线宽，并且注入功率越高，压窄效果越明显，在特定波长处的功率也就越高。
为了在实验中实现更大的光谱测量动态范围，激光器系统在具有窄线宽的情况下，必须同时具有较大的无跳模频率扫描范围。如图4所示，测量了注入光功率和激光器系统无跳模频率扫描范围的关系。需要强调的是，激光器系统的调谐范围可以达到6nm是指通过调节第一激光器1内部闪耀光栅103的角度和第二激光器19的电流值，激光器系统输出波长可以调谐6nm；而激光器系统无跳模频率扫描范围是只扫描压电陶瓷片104的电压时，系统出射光最大无跳模的频率扫描范围。通过测量，可以获得无跳模频率扫描范围为4.8GHz，完全满足了设计需求，也可以通过增加种子光功率或者提升种子光和从属光的光斑模式匹配程度来增加激光器系统的无跳模频率扫描范围。
综上所述，本发明实现了一种便携式、可调谐、高功率的480nm注入锁定蓝光激光器系统，具有输出功率高(300mW)、宽带调谐(6nm)、无跳模频率扫描范围为4.8GHz、可搬运等优势。本发明制作成本低、操作简便，是一种便于实现的可搬运式激光器系统，为便携式量子传感提供了可移动式光源，为基于铷原子的里德堡微波测量应用系统提供了思路，并且本系统也可适用于其他波段的激光光源，是一种通用型注入锁定式激光器系统设计结构。
上述关于本发明的实施例是对本发明技术特征和设计思路进行了进一步详细说明，应当理解的是，本发明的发明内容并不只限制于上述一种具体实施例，凡在本发明的精神范围内，所做的任何修改、替换等操作，都应当在本发明的保护范围之内。本发明内容的主旨是由权利要求书所界定，并非由实施例的具体描述所界定。
Claims (3)
1.一种注入锁定式蓝光激光器系统，其特征在于，包括第一激光器（1）、激光缩束装置（2）、第一透镜（3）、第一反射镜（4）、第二反射镜（5）、光隔离器（6）、第一半波片（7）、第一偏振分束棱镜（8）、第一光纤耦合头（9）、单模保偏光纤（10）、第二光纤耦合头（11）、第二半波片（12）、光隔离装置（13）、第三反射镜（14）、第四反射镜（15）、第三半波片（16）、第二透镜（17）、激光整形装置（18）、第二激光器（19）及光纤端口准直器（20），其中：
所述第一激光器（1）为Littrow型外腔半导体激光器，产生中心波长为480nm的种子光，种子光依次经过激光缩束装置（2）、第一透镜（3）、第一反射镜（4）、第二反射镜（5）、光隔离器（6）、第一半波片（7），在第一偏振分束棱镜（8）处分成两路，一路通过光纤端口准直器（20）对第一激光器（1）进行频率监测，另一路进入第一光纤耦合头（9）和单模保偏光纤（10），经第二光纤耦合头（11）出射，依次经过第二半波片（12）、光隔离装置（13）、第三反射镜（14）、第四反射镜（15）、第三半波片（16）、第二透镜（17）、激光整形装置（18）后注入到第二激光器（19）进行频率锁定；
所述激光缩束装置（2）包括：第三透镜（201）、第四透镜（202），置于第一激光器（1）之后，对种子光进行缩束；
所述第一透镜（3），置于激光缩束装置（2）之后，对种子光进行聚焦；
所述第一反射镜（4）和第二反射镜（5）置于第一透镜（3）之后，对聚焦的种子光进行反射；
所述光隔离器（6），置于第二反射镜（5）之后，减小反射光对第一激光器（1）的影响；
所述第一半波片（7）和第一偏振分束棱镜（8），置于光隔离器（6）之后，将种子光分成两路，一路用于激光器系统的注入锁定，另一路通过光纤端口准直器（20）对第一激光器（1）进行频率监测；
所述第一光纤耦合头（9）和单模保偏光纤（10），置于第一偏振分束棱镜（8）之后，耦合并传输种子光，并且对种子光进行光斑整形；
所述第二激光器（19）产生中心波长为480nm的从属光，从属光依次经过激光整形装置（18）、第二透镜（17）、第三半波片（16）、第四反射镜（15）、第三反射镜（14），在光隔离装置（13）处反射出激光器系统；
所述激光整形装置（18）包括：第一柱面镜（181）、第二柱面镜（182），置于第二激光器（19）之后，将第二激光器（19）出射的椭圆形光斑整形为圆形光斑；
所述第二透镜（17），置于激光整形装置（18）之后，对从属光进行聚焦；
所述第三半波片（16），置于第二透镜（17）之后，调整从属光偏振，使得从属光以水平偏振进入光隔离装置（13）；
所述第三反射镜（14）和第四反射镜（15）置于第三半波片（16）之后，对聚焦的从属光进行反射；
所述光隔离装置（13），置于第三反射镜（14）之后，通过改变种子光和从属光的偏振，使得种子光低损耗通过，从属光反射出激光器系统；
所述第二半波片（12），置于光隔离装置（13）之后，调整种子光偏振，使得种子光以水平偏振进入光隔离装置（13）；
所述第二光纤耦合头（11），置于第二半波片（12）之后，使种子光和从属光光斑模式匹配，提高种子光的注入效率。
2.根据权利要求1所述的注入锁定蓝光激光器系统，其特征在于，所述第一激光器（1）包括：激光二极管（101）、准直透镜（102）、闪耀光栅（103）、压电陶瓷片（104）及小型反射镜（105）；激光二极管（101）的出射光经过准直透镜（102）准直后入射到闪耀光栅（103），一级衍射光原路返回作为反馈光，零级衍射光经小型反射镜（105）反射后作为激光器系统的种子光；
压电陶瓷片（104）置于闪耀光栅（103）背面，通过改变压电陶瓷片（104）的电压，能够改变闪耀光栅（103）的角度，从而改变第一激光器（1）出射的种子光的波长。
3.根据权利要求1所述的注入锁定蓝光激光器系统，其特征在于，所述光隔离装置（13）包括：第二偏振分束棱镜（131）、旋光器（132）、第四半波片（133）及第三偏振分束棱镜（134）；
对于种子光，依次经过第二偏振分束棱镜（131）、旋光器（132）、第四半波片（133）和第三偏振分束棱镜（134），通过调节第二半波片（12）使得进入光隔离装置（13）的种子光为水平偏振光，通过旋光器（132）和第四半波片（133）后，种子光依然为水平偏振光，低损耗通过第三偏振分束棱镜（132）；
对于从属光，依次经过第三偏振分束棱镜（134）、第四半波片（133）、旋光器（132）和第二偏振分束棱镜（131），通过调节第三半波片（16）使得进入光隔离装置（13）的从属光为水平偏振光，通过第四半波片（133）和旋光器（132）后，从属光变为垂直偏振光，之后被第二偏振分束棱镜（131）反射出激光器系统。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211589321.0A CN115799965A (zh) | 2022-12-12 | 2022-12-12 | 一种注入锁定式蓝光激光器系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211589321.0A CN115799965A (zh) | 2022-12-12 | 2022-12-12 | 一种注入锁定式蓝光激光器系统 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN115799965A true CN115799965A (zh) | 2023-03-14 |
Family
ID=85418712
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202211589321.0A Pending CN115799965A (zh) | 2022-12-12 | 2022-12-12 | 一种注入锁定式蓝光激光器系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN115799965A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117239524A (zh) * | 2023-08-30 | 2023-12-15 | 山西大学 | 一种高功率单频脉冲激光器 |
-
2022
- 2022-12-12 CN CN202211589321.0A patent/CN115799965A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117239524A (zh) * | 2023-08-30 | 2023-12-15 | 山西大学 | 一种高功率单频脉冲激光器 |
| CN117239524B (zh) * | 2023-08-30 | 2024-05-28 | 山西大学 | 一种高功率单频脉冲激光器 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Li et al. | High-power ultrafast Yb: fiber laser frequency combs using commercially available components and basic fiber tools | |
| CN103513490B (zh) | 单纵模光参量振荡放大器及其自动锁定方法 | |
| JP2008529068A (ja) | 高速に波長スキャンする小型マルチモードレーザ | |
| KR20080055974A (ko) | 파이버 레이저 | |
| CN110850703B (zh) | 基于双频法拉第半导体激光器的高稳光频原子钟 | |
| CN104953461A (zh) | 一种基于扭摆模腔和体光栅的固体激光器 | |
| CN115799965A (zh) | 一种注入锁定式蓝光激光器系统 | |
| Chen et al. | Single-frequency external cavity green diode laser | |
| Chen et al. | Mutual injection-locking and coherent combining of two individual fiber lasers | |
| JP5196459B2 (ja) | 広帯域波長可変レーザ光発生装置 | |
| CN105655870A (zh) | 一种基于棱镜扩束的可调谐光栅外腔半导体激光器 | |
| CN212725948U (zh) | 一种全固态v型腔布里渊激光器 | |
| CN112018590B (zh) | 多波长非原子共振法拉第半导体激光器 | |
| CN112366507B (zh) | 基于全固态连续波金绿宝石激光器的原子冷却光学装置 | |
| CN113078536B (zh) | 一种侧向泵浦Nd:MgO:PPLN中红外激光器及其双棱镜波长控制方法 | |
| CN102570275B (zh) | 一种波长可调谐的激光器 | |
| de Angelis et al. | Tunable frequency-controlled laser source in the near ultraviolet based on doubling of a semiconductor diode laser | |
| CN202817480U (zh) | 一种波长可调谐的激光器 | |
| Yoshino et al. | Fiber-coupling-operated orthogonal-linear-polarization Nd: YAG microchip laser: photothermal beat-frequency stabilization and interferometric displacement measurement application | |
| CN111262129B (zh) | 一种功率可调、可检偏的452nm倍频系统 | |
| CN117629426B (zh) | 可溯源至高准确度时间频率基准的光波长测量方法及系统 | |
| CN221862158U (zh) | 一种蓝光半导体激光泵浦Pr:YLF脉冲固体激光装置 | |
| CN115541518B (zh) | 一种基于光梳锁定的长波红外标准波长产生装置及方法 | |
| WO2021098184A1 (zh) | 一种激光深压缩方法及激光器 | |
| New et al. | High power single mode radiation by narrowband amplification of a diode laser |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |