CN116111434A - 一种绿光双频激光系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及双频激光技术领域，尤其涉及一种绿光双频激光系统，系统包括：泵浦光源；分光镜，用于形成第一激光束和第二激光束；第一谐振腔，用于调制射向第一谐振腔的第一激光束，并输出第三激光束；第二谐振腔，用于调制射向第二谐振腔的第二激光束，并输出第四激光束；第一半波片，用于调整射向其的第三激光束和第四激光束的不同偏振态下的输出功率比；第一倍频晶体温控组件，用于将第四激光束转化为第一绿光；第二倍频晶体温控组件，用于将第三激光束转化为第二绿光；第二半波片，用于调制第一绿光和第二绿光的正交偏振态。本申请不仅能够实现对正交偏振的调整，还能够实现双频激光输出，提升在太赫兹、光电子学等领域的适用性。

Description

一种绿光双频激光系统

技术领域

本申请涉及双频激光技术领域，尤其涉及一种绿光双频激光系统。

背景技术

双频激光无论在军事，还是工业加工和测量等领域，应用尤为广泛。将双频激光模块应用在倍频激光技术中，形成双波长频差技术，能够使激光向更短的波长扩展，进一步提升短波长的应用范围。特别地，1微米的红外激光经过倍频能够产生绿光，产生的绿光可应用在医疗、水下传输和测量、光电子学，以及太赫兹波领域等领域。

虽然双波长频差技术在太赫兹波产生方面具有优势，但是，对光路设计和参数调试要求较高，尤其对于绿光波段，例如，绿光波段为531 nm和532 nm两种波长的激光，需要对倍频光路进行严格设计，输出的绿光才能够满足不同的实际应用。现有报道的设计方法实现的两个波长激光偏振态可调性较差，应用范围受到限制。

基于上述原因，亟需提出一种能够实现绿光波段输出，且激光偏振态可调的双频激光系统。

发明内容

本申请提供一种绿光双频激光系统，用于解决现有的双频激光器偏振态可调性较差，应用范围受到限制的问题。

本申请提供一种绿光双频激光系统包括：

泵浦光源，用于产生泵浦光；

分光镜，设置在所述泵浦光源的光路下游，用于对射向其的所述泵浦光分束，形成第一激光束和第二激光束；

第一谐振腔，设置在所述分光镜的光路下游，用于调制射向所述第一谐振腔的所述第一激光束，并输出第三激光束，其中，所述第三激光束为P线性偏振光，且波长为第一波长；

第二谐振腔，设置在所述分光镜的下游，用于调制射向所述第二谐振腔的所述第二激光束，并输出第四激光束，其中，所述第四激光束为S线性偏振光，且波长为第二波长，其中，所述第一波长与所述第二波长均为中心波长，且所述第一波长和所述第二波长不同；

第一半波片，设置在所述第一谐振腔和所述第二谐振腔的下游，所述第一半波片旋转角度为0°至90°之间，用于调整射向其的所述第三激光束和所述第四激光束的不同偏振态下的输出功率比；

第一倍频晶体温控组件，设置在所述第一半波片的光路下游，用于将所述第四激光束转化为第一绿光，其中，所述第一绿光为P线性偏振光，且波长为第一目标波长；

第二倍频晶体温控组件，设置在所述第一半波片的光路下游，用于将所述第三激光束转化为第二绿光，其中，所述第二绿光为S线性偏振光，且波长为第二目标波长，其中，所述第一目标波长与所述第二目标波长为绿光波段的不同波长；

第二半波片，设置在所述第一倍频晶体温控组件和所述第二倍频晶体温控组件的光路下游，用于调制所述第一绿光和所述第二绿光的正交偏振态。

可实施的一种方式中，还包括：

双凸透镜，设置在所述泵浦光源和所述分光镜之间的光路上，用于对所述泵浦光准直；

第一全反镜，设置在所述分光镜的光路下游，用于调整所述第一激光束的传输路径；

第一平凸透镜，设置在所述第一全反镜的光路下游，用于将所述第一激光束聚焦至所述第一谐振腔；

第二平凸透镜，设置在所述分光镜的光路下游，用于将所述第二激光束聚焦至所述第二谐振腔。

可实施的一种方式中，所述第一谐振腔包括：

第一全反腔镜，设置在所述第一平凸透镜的光路下游，用于透射第一激光束；

第一激光晶体，为Nd:YVO₄晶体增益介质，设置在所述第一全反腔镜的光路下游，用于产生第三激光束；

第一偏振片，设置在所述第一激光晶体的光路下游，用于滤除所述第一激光束中的S线性偏振光；

第二全反镜，设置在所述第一偏振片的光路下游，用于调整所述第三激光束的传输路径；

第一偏振分光棱镜，设置在所述第二全反镜的光路下游，用于透射所述第三激光束；

输出腔镜，设置在所述第一偏振分光棱镜的下游，用于将所述第三激光束输出至所述第一半波片。

可实施的一种方式中，所述第二谐振腔包括：

第二全反腔镜，设置在所述第二平凸透镜的光路下游，用于透射所述第二激光束；

第二激光晶体，为Nd:GdVO₄晶体增益介质，设置在所述第二全反腔镜的光路下游，用于形成所述第四激光束；

所述第一偏振分光棱镜，还设置在所述第二激光晶体的光路下游，用于反射所述第四激光束；

所述输出腔镜，还用于将所述第四激光束输出至所述第一半波片。

可实施的一种方式中，还包括：

第二偏振分光棱镜，设置在所述第一半波片的光路下游，用于将所述第三激光束透射至所述第二倍频晶体温控组件，以及将所述第四激光束反射至所述第一倍频晶体温控组件。

可实施的一种方式中，所述第一倍频晶体温控组件包括：

第三半波片，设置在所述第二偏振分光棱镜的光路下游，用于将所述第四激光束中的所述S线性偏振光偏振态旋转90°，调整为P线性偏振光；

第三平凸透镜，设置在所述第三半波片的光路下游，用于将所述第三半波片输出的所述第四激光束聚焦；

第一倍频晶体温控模块，设置在所述第三平凸透镜的光路下游，用于对所述第四激光束倍频，以便形成所述第一绿光；

第三偏振片，设置在所述第一倍频晶体温控模块的光路下游，用于滤除所述第一绿光中的S线性偏振光。

可实施的一种方式中，所述第二倍频晶体温控组件包括：

第三全反镜，设置在所述第二偏振分光棱镜的光路下游，用于调整所述第三激光束的传输路径；

第四平凸透镜，设置在所述第三全反镜的光路下游，用于将所述第三激光束聚焦；

第二倍频晶体温控模块，设置在所述第四平凸透镜的光路下游，用于对所述第三激光束倍频，以便形成所述第二绿光；

第四半波片，设置在所述第二倍频晶体温控模块的光路下游，用于将所述第二绿光的P线性偏振绿光偏振态旋转90°，调整为S线偏振光；

第二偏振片，设置在所述第四半波片的光路下游，用于将所述第二绿光反射至所述第三偏振片；

所述第三偏振片，还设置在所述第二偏振片的光路下游，用于将所述第二绿光反射至所述第二半波片。

可实施的一种方式中，所述第一倍频晶体温控模块和所述第二倍频晶体温控模块均包括：

倍频晶体，用于将所述第一波长和所述第二波长倍频，以便将所述第一波长转换为所述第一目标波长，以及将所述第二波长倍频转换为所述第二目标波长；

金属热沉结构，用于夹持所述倍频晶体；

温度传感器，置于所述金属热沉结构内，用于检测所述倍频晶体工作产生热量传递至所述金属热沉结构的情况下，所述金属热沉结构的温度；

半导体制冷器，与所述金属热沉结构的下表面贴合，用于调节所述金属热沉结构的温度；

电源驱动模块，分别与所述温度传感器和所述半导体制冷器连接，用于响应于所述温度传感器的反馈信号，向所述半导体制冷器输出调节信号。

可实施的一种方式中，还包括二向色镜，设置在所述第二半波片的光路下游，用于透射所述第一绿光和所述第二绿光中残留的所述第一波长和所述第二波长的激光，并反射所述第一绿光和所述第二绿光。

有益效果：

本申请一种绿光双频激光系统，利用泵浦光源射出泵浦光，泵浦光经过分光镜后形成第一激光束和第二激光束。接下来，第一激光束经过第一谐振腔，形成第一波长的第三激光束，以及第二激光束经过第二谐振腔，形成第二波长的第四激光束。接下来，在第一谐振腔和第二谐振腔的下游光路上设置第一半波片，利用第一半波片实现对第三激光束和第四激光束的正交偏振态和输出功率比的调整。这样，设置在第一半波片下游光路上的第一倍频晶体温控组件即可将第四激光束转化为S线性偏振光，且波长为第一目标波长的第一绿光，以及设置在第一半波片下游光路上的第二倍频晶体温控组件即可将第三激光束转化为P线性偏振光，且波长为第二目标波长的第二绿光，其中，第一目标波长和第二目标波长为绿光波段的不同波长。最后，第一绿光和第二绿光经过第二半波片的调制后，实现双频绿光的激光输出。上述方式不仅能够实现双频激光输出，还能够实现对正交偏振的调整，具体地，能够实现瓦级以上的531 nm和532 nm绿光波长的输出，从而提升在太赫兹、光电子学等领域的实际应用适用性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请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申请的一些实施方式，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为一种双频激光产生的第一谐振腔和第二谐振腔的设计光路结构图；

图2为一种绿光双频激光系统的第一倍频晶体温控组件和第二倍频晶体温控组件的光路结构示意图；

图3为一种绿光双频激光系统的第一倍频晶体温控模块结构原理示意图；

图4为一种绿光双频激光系统的第一倍频晶体温控模块温度稳定性测试结果；

图5为一种绿光双频激光系统的工作方法图流程图；

图6为一种绿光双频激光系统的第一绿光波长数据图；

图7为一种绿光双频激光系统的第二绿光波长数据图；

图8为一种绿光双频激光系统的第一绿光输出激光功率及稳定性测试图；

图9为一种绿光双频激光系统的第二绿光输出激光功率及稳定性测试图。

附图标记：

101-泵浦光源；102-双凸透镜；103-分光镜；104-第一全反镜；105-第一平凸透镜；106-第一全反腔镜；107-第一激光晶体；108-第一偏振片；109-第二全反镜；110-第二平凸透镜；111-第二全反腔镜；112-第二激光晶体；113-第一偏振分光棱镜；114-输出腔镜；201-第一半波片；202-第二偏振分光棱镜；203-第三半波片；204-第三平凸透镜；205-第一倍频晶体温控模块；2051-金属热沉结构；2052-倍频晶体；2053-温度传感器；2054-半导体制冷器；2055-电源驱动模块；206-第三全反镜；207-第四平凸透镜；208-第二倍频晶体温控模块；209-第四半波片；210-第二偏振片；211-第三偏振片；212-第二半波片；213-二向色镜；214-光吸收器。

具体实施方式

下面将结合实施例对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

为便于对本申请实施例技术方案理解，首先对本申请实施例所涉及到的一些概念进行说明。

双频激光，是指具有不同频率的两束激光。

频差，是指两束激光中心波长对应的频率差。

正交偏振，是指激光器两个相邻的频率具有互相垂直的偏振状态。

SMA905，是指光纤连接器的一种型号。

在双波长频差技术中，若想实现高频差，所需的光路设计和参数调试要求较高，特别地，绿光波段中，若想实现波长为531 nm和532 nm，频差为1 THz的激光输出，对光路的设计要求更高。

如图1和图2所示，本申请一种绿光双频激光系统，包括泵浦光源101、分光镜103、第一谐振腔、第二谐振腔、第一半波片201、第一倍频晶体温控组件、第二倍频晶体温控组件和第二半波片212。

其中，泵浦光源101作为激光泵浦光源，能产生泵浦光。泵浦光源101优选半导体泵浦，其参数例如可以为：最大输出功率为30 W，波长为808.2 nm，光纤芯径为200 μm，数值孔径为0.22。泵浦光源101连接的光纤输出接头为SMA905封装，可置于高灵敏五维调整架上，方便对半导体泵浦位置进行调整。

分光镜103设置在泵浦光源101的光路下游，用于对射向其的泵浦光分束，形成反射的第一激光束，以及透射的第二激光束，这两部分激光束分别作用于两个谐振腔，具体地，第一激光束作用于第一谐振腔，第二激光束作用于第二谐振腔，以便实现双波长输出。

分光镜103可根据谐振腔结构以及谐振腔中激光晶体增益的不同，选择合适的分束比。示例性地，分光镜103的面向泵浦光源101的前表面可针对泵浦光镀膜，例如，对分光镜103的前表面可为808 nm激光波长镀膜，以便保证透射光的第二激光束和反射光的第一激光束形成一定的功率比，例如，采用第二激光束为60%和第一激光束为40%的功率比。另外，分光镜103的背对泵浦光源101的背表面可为808 nm激光波长增透镀膜，以提高第二激光束的透过率。例如，使第二激光束的透过率>99%。

需要说明地是，光路中的光学器件的前表面，表示朝向光路上游；后表面，表示朝向光路下游。

可以知道的是，一般来说，每个泵浦光源101射出一道激光束，因此，形成两道光束，需要设置两个泵浦光源101。而本申请实施例利用分光镜103，将一个泵浦光源101射出的一道激光束分为两道激光束，因此，可以节省一个泵浦光源101。也就是说，本申请实施例中，仅使用一个泵浦光源101以及分光镜103的组合即可实现双激光束的输出，降低器件成本的同时，可以缩减整体系统的体积利于实际应用。

第一谐振腔设置在分光镜103的光路下游，用于调制射向第一谐振腔的第一激光束，并输出第三激光束，其中，第三激光束为P线性偏振光，且波长为第一波长。

第二谐振腔设置在分光镜103的光路下游，用于调制射向第二谐振腔的第二激光束，并输出第四激光束，其中，第四激光束为S线性偏振光，且波长为第二波长。

其中，第一波长与第二波长均为中心波长，且第一波长和第二波长所对应的中心波长不同，以便实现双频激光输出，若输出的绿光波长分别为531 nm和532 nm，第一波长优选为1063 nm，第二波长优选为1064 nm。

第一半波片201设置在第一谐振腔和第二谐振腔的下游，第一半波片201旋转角度为0°至90°之间，用于调整射向其的第三激光束和第四激光束在不同偏振态下的输出功率比。

其中，第一半波片201旋转的方向介于0°和90°之间的情况下，可以改变不同偏振态下的功率比，进而通过第二偏振分光棱镜202后实现分光，例如，原第四激光束（S线性偏振光）和第三激光束（P线性偏振光）的功率比为40%:60%，通过调整第一半波片旋转角度，可以将40%:60%的功率比，调整为50%:50%，以便适应对不同绿光输出功率的需求，适用范围更加广泛。

另外，在一些实现方式中，第一半波片201还可以用于改变第一激光束和第二激光束的偏振方向，也就是说，可以将P线性偏振光转换为S线性偏振光。从而使得经过第一半波片201的激光束，仍然能够正交偏振。例如，可以将1063 nm下S线性偏振光和1064 nm下P线性偏振光调整为：1064 nm下S线性偏振光和1063 nm下P线性偏振光，对应后级光路倍频输出波长也会不同。

第一倍频晶体温控组件设置在第一半波片201的光路下游，用于将经过第一半波片201调整的第四激光束转化为第一绿光，其中，第一绿光为P线性偏振光，且波长为第一目标波长。

第二倍频晶体温控组件下设置在第一半波片201的光路下游，用于将经过第一半波片201调整的第三激光束转化为第二绿光，其中，第二绿光为S线性偏振光，且波长为第二目标波长。

其中，第一目标波长可以为531 nm，第二目标波长可以为532 nm。

利用第一倍频晶体温控组件和第二倍频晶体温控组件分别实现第一绿光和第二绿光的输出。

第二半波片212设置在第一倍频晶体温控组件和第二倍频晶体温控组件的光路下游，用于调制所述第一绿光和所述第二绿光的正交偏振态。第二半波片212的作用在于改变最终输出绿光双频激光的正交偏振态。示例性地，对于前置531 nm波长P偏振光的第一绿光和532 nm波长S偏振光的第二绿光，通过旋转偏振方向90°，变为531 nm波长S偏振光的第一绿光和532 nm波长P偏振光的第二绿光，进行正交偏振态组合，可以满足不同实际应用需求，另外，对于前置1063 nm波长P偏振光和1064 nm波长S偏振光同样能够进行偏振旋转，此处不再赘述。利用第二半波片212实现了正交偏振的旋转，进一步提高了实际应用的适用性。

本实施例中，利用一个泵浦光源101射出一束泵浦光，泵浦光经过分光镜103后，被分为第一激光束和第二激光束，第一激光束和第二激光束分别对应进入第一谐振腔和第二谐振腔，利用第一谐振腔和第二谐振腔，对应形成1064nm的第三激光束以及1063nm的第四激光束。第三激光束和第四激光束分别进入第一半波片201，以便第一半波片201对第三激光束和第四激光束根据需要进行功率比的调整，调整后的第三激光束进入第二倍频晶体温控组件，第四激光束进入第一倍频晶体温控组件，分别被倍频，第二倍频晶体温控组件输出532 nm波长的第二绿光，第一倍频晶体温控组件输出531 nm波长的第一绿光。第一绿光和第二绿光分别射入第二半波片212，以便经过第二半波片212的调制输出正交偏振态的双频绿光，且绿光的波长对应频差可以达到1 THz。利用第一半波片201和第二半波片212可以调整输出功率比以及正交偏振态，拓展了双频绿光的应用范围。

如图1所示，在一个实施例中，绿光双频激光器还包括双凸透镜102、第一全反镜104、第一平凸透镜105和第二平凸透镜110。

其中，双凸透镜102设置在泵浦光源和分光镜103之间的光路上，用于对泵浦光准直，使准直后的泵浦光射向分光镜。优选地，双凸透镜102为短焦透镜。示例性地，双凸透镜102参数为焦距F=30 mm，双面镀膜参数为808 nm增透，透过率＞99.8%。由于采用的是短焦透镜，可以有效减少光程。

第一全反镜104设置在分光镜103的光路下游，用于调整第一激光束的传输路径，也就是说，对射向其的第一激光束进行反射，使第一激光束改变方向，射向第一平凸透镜105。示例性地，第一全反镜104的镀膜参数为全反射@808 nm，反射率>99.5%。

第一平凸透镜105设置在第一全反镜104的光路下游，用于将第一激光束聚焦至第一谐振腔。也就是说，将经过第一全反镜104反射的准直光聚焦到第一谐振腔，第一平凸透镜105的参数选择可根据第一谐振腔的设计结构决定。示例性地，第一平凸透镜105可采用焦距F=50 mm，镀808 nm增透膜。第一平凸透镜105将射向其的准直第一激光束，聚焦到第一谐振腔中第一激光晶体距离左侧端面1-2 mm处。

第二平凸透镜110设置在分光镜103的光路下游，用于将第二激光束聚焦至第二谐振腔。也就是说，将经过分光镜103分光后的第二激光束聚焦至第二谐振腔。示例性地，第二平凸透镜110可采用焦距F=70 mm，镀808 nm增透膜，将泵浦光聚焦到第二谐振腔中第二激光晶体距离左侧端面1-2 mm处。

本实施例中，利用双凸透镜102、第一全反镜104、第一平凸透镜105、第二平凸透镜110和分光镜103完成第一激光束和第二激光束对应进入第一谐振腔和第二谐振腔的准备工作，以便更好对通过谐振腔对激光束进行调制。

如图1所示，在一个实施例中，第一谐振腔包括第一全反腔镜106、第一激光晶体107、第一偏振片108、第二全反镜109、第一偏振分光棱镜113和输出腔镜114。

其中，第一全反腔镜106设置在第一平凸透镜105的光路下游，沿着激第一激光束的传输方向设置，用于传输第一激光束。也就是说，利用第一全反腔镜106对入射的第一激光束进行调制，保证进入第一激光晶体107的输出功率，改善第一激光晶体107的输出激光束。示例性地，第一全反腔镜106的镀膜参数为808 nm增透，1064 nm波长全反，反射率>99.5%，损伤阈值>500 MW/cm²。

第一激光晶体107为Nd:YVO₄晶体增益介质，掺杂Nd³⁺离子浓度0.3%～0.6%，设置在第一全反腔镜106的光路下游，用于增益放大产生第三激光束。第一激光晶体为激光输出提供增益介质，可以采用键合或者非键合晶体，晶体几何尺寸为。

需要说明地是，第一激光晶体107等效为热透镜，具有热透镜焦距，可根据热透镜进行谐振腔的结构设计。示例性地，热透镜中心距离第一全反腔镜106距离较短，为谐振腔短臂，可以设置与第一全反腔镜106的长度为25 mm；热透镜中心距离输出腔镜距离较长，为谐振腔长臂，热透镜与输出腔镜114之间的长度可以在130-150 mm之间选择。在上述长度下能保证绿光双频激光器处于较稳定工作状态。

第一偏振片108置于第一谐振腔的腔体内，且设置在第一激光晶体107的光路下游，用于滤除第三激光束中的S线性偏振光。第一偏振片108的作用在于对腔体内激光偏振态进行选择，在振腔内设置为允许P线性偏振光透过，而S线性偏振光被反射掉。示例性地，第一偏振片108的参数为56°偏振片，镀膜中心波长为1064 nm，偏振消光比>5000:1。

第二全反镜109设置在第一偏振片108的光路下游，用于调整第三激光束的传输路径。第二全反镜109的作用为腔内光路折转，用于减小光路长度，示例性地，第二全反镜109的参数为镀膜为800-1070 nm全反射，反射率>99.5%。

第一偏振分光棱镜113设置在第二全反镜109的光路下游，用于透射第三激光束。第一偏振分光棱镜113用于透射P线性偏振光，对S线性偏振光全反，可以用来调节输出双频激光的偏振特性，其中，第一偏振分光棱镜113在第一谐振腔中允许P线性偏振光透过。示例性地，第一偏振分光棱镜113偏振消光比>3000:1。

输出腔镜114设置在第一偏振分光棱镜113的下游，用于将第三激光束输出至第一半波片201。输出腔镜114的作用在于将第三激光束输出至第一半波片201。

本实施例中，利用第一谐振腔，形成P线性偏振光，1064 nm波长的第三激光束。

如图1所示，在一个实施例中，第二谐振腔包括第二全反腔镜111、第二激光晶体112、第一偏振分光棱镜113和输出腔镜114。

其中，第二全反腔镜111设置在第二平凸透镜110的光路下游，用于传输第二激光束。也就是说，第二全反腔镜111作为腔镜，沿着激光传输方向设置，利用第二全反腔镜111保证对入射的第二激光束进行调制，进而保证进入第二激光晶体112的输出功率，改善第二激光晶体112的输出功率，示例性地，第二全反腔镜111的镀膜参数为808 nm增透，1063 nm波长全反，反射率>99%，损伤阈值>500 MW/cm²。

第二激光晶体112为Nd:GdVO₄晶体增益介质，几何尺寸可以采用，掺杂Nd³⁺离子浓度0.7%～1%，设置在第二全反腔镜111的光路下游，用于形成第四激光束。

需要说明地是，第二激光晶体112等效为热透镜。示例性地，热透镜中心距离第二全反腔镜111距离较短，为谐振腔短臂，可以设置为热透镜中心与第二全反腔镜111之间的长度为35 mm，热透镜中心距离输出腔镜114距离较长，为谐振腔长臂，热透镜中心与输出腔镜114之间的长度可以在100-120 mm之间选择，以便保证绿光双频激光器可以处于较稳定工作状态。

还需要说明地是，第二激光晶体112和第一激光晶体107的晶体增益介质不同，因此，具有不同的激光发射截面和吸收系数，因此对应的热透镜和谐振腔结构设计不同。

第一偏振分光棱镜113还设置在第二激光晶体112的光路下游，用于反射第四激光束。也就是说，将射向其的第四激光束反射至输出腔镜114。

输出腔镜114，还用于将第四激光束输出至第一半波片201。

本实施例中，利用第二谐振腔能够形成S线性偏振光，1063 nm波长的第四激光束。并且与第一谐振腔共用第一偏振分光棱镜113和输出腔镜114节省空间和成本，并使第一谐振腔与第二谐振腔构成平平谐振腔。

如图2所示，在一个实施例中，绿光双频激光系统还包括第二偏振分光棱镜202。

其中，第二偏振分光棱镜202设置在第一半波片201的光路下游，用于将第三激光束透射至第二倍频晶体温控组件，以及将第四激光束反射至第一倍频晶体温控组件。

具体地，第二偏振分光棱镜202将射向其的两种偏振态激光分成两束，即：一束透射光和一束反射光，其中，透射光为P线性偏振光，反射光为S线性偏振光。也就是说，利用反射和透射的特性，将P线性偏振光，即1064nm波长的第四激光束透射至第二倍频晶体温控组件，以及将S线性偏振光，即1063 nm波长的第四激光束反射至第一倍频晶体温控组件，以便利用后续的倍频晶体温控组件对激光束进行倍频。

在一个实施例中，第一倍频晶体温控组件包括第三半波片203、第三平凸透镜204、第一倍频晶体温控模块205和第三偏振片211。

其中，第三半波片203设置在第二偏振分光棱镜202的光路下游，用于将第四激光束中的S线性偏振光偏振态旋转90°，调整为P线性偏振光。

第三平凸透镜204，设置在第三半波片203的光路下游，用于将第三半波片203输出的第四激光束聚焦在第一倍频晶体温控模块205。示例性地，第三平凸透镜204的参数为焦距为50 mm，镀膜为1063±5 nm增透，透过率>99.5%。

第一倍频晶体温控模块205，设置在第三平凸透镜204的光路下游，用于对第四激光束倍频，以便形成第一绿光。具体地，第一倍频晶体温控模块205将第四激光束的1063nm波长转换为第一目标波长531nm，形成第一绿光。

第三偏振片211，设置在第一倍频晶体温控模块205的光路下游，用于滤除第一绿光中的S线性偏振光。示例性地，第三偏振片211参数为中心波长为531 nm，损伤阈值>500MW/cm²。

本实施例中，利用第一倍频晶体温控组件在第一倍频晶体温控模块205的作用下，形成第一绿光。另外，由于第一倍频晶体温控模块205对与P线性偏振光，能够实现最高的倍频效率。因此，在入射光路上设置了第三半波片203，以便将S线性偏振光转换为P线性偏振光，从而保证第一倍频晶体温控模块205的最高的倍频效率。

如图2所示，在一个实施例中，第二倍频晶体温控组件包括第三全反镜206、第四平凸透镜207、第二倍频晶体温控模块208、第四半波片209、第二偏振片210和第三偏振片211。

其中，第三全反镜206设置在第二偏振分光棱镜202的光路下游，用于调整第三激光束的传输路径，以便将第三激光束折转进入第四平凸透镜207。

第四平凸透镜207设置在第三全反镜206的光路下游，用于将第三激光束聚焦。利用第四平凸透镜207将光斑聚焦至第二倍频晶体温控模块208，提升平均功率密度。示例性地，第四平凸透镜207的参数为焦距为40 mm，镀膜为1064±5 nm增透，透过率>99.5%。

第二倍频晶体温控模块208设置在第四平凸透镜207的光路下游，用于对第三激光束倍频，以便形成第二绿光。需要说明地是，第二倍频晶体温控模块208与第一倍频晶体温控模块205工作方式及结构基本一致，此处不再赘述。利用第二倍频晶体温控模块208将第三激光束的1064 nm波长转换为第二目标波长532 nm，形成第二绿光。

第四半波片209设置在第二倍频晶体温控模块208的光路下游，用于将第二绿光的P线性偏振绿光偏振态旋转90°，调整为S线偏振光。

第二偏振片210设置在第四半波片209的光路下游，用于将第二绿光反射至第三偏振片211。

第三偏振片211还设置在第二偏振片210的光路下游，用于将第二绿光反射至第二半波片212。

其中，第二偏振片210与第三偏振片211的参数基本一致，例如：采用56°偏振片。

本实施例中，利用第二倍频晶体温控组件在第二倍频晶体温控模块208的作用下，形成第二绿光。另外，第二倍频晶体温控组件与第一倍频晶体温控组件中共同使用了第三偏振片211可以节省成本和空间，第三偏振片211将第一倍频晶体温控组件中未被倍频的1063 nm以及与第二倍频晶体温控组件未被倍频的1064 nm倍频光合束，共轴输出进入第二半波片212。

如图2和图3所示，在一个实施例中，第一倍频晶体温控模块205和第二倍频晶体温控模块208均包括倍频晶体2052、金属热沉结构2051、温度传感器2053、半导体制冷器2054和电源驱动模块2055。

其中，倍频晶体2052作用是将激光束波长进行转换，实现绿光的输出。示例性地，倍频晶体2052可采用LBO（三硼酸锂）和KTP(磷酸钛氧钾)晶体。优选地，倍频晶体2052为LBO晶体，具体地，LBO晶体主轴X，Y，Z (nz＞ny＞nx) 分别与结晶轴a，c，b平行，折射系数与波长关系满足公式：

nx²=2.454140+0.011249/(λ²-0.011350)-0.014591λ²-6.60×10^-5λ⁴

ny²=2.539070+0.012711/(λ²-0.012523)-0.018540λ²+2.00×10^-4λ⁴

 nz²=2.586179+0.013099/(λ²-0.011893)-0.017968λ²-2.26×10^-4λ⁴

其中，λ为波长，LBO晶体2052对应非临界相位匹配（NCPM，noncritical phasematching）最佳温度为148℃，温度线宽4℃·cm，光损伤阈值＞500 MW/cm²，几何尺寸采用。

倍频晶体2052用于将第一波长和第二波长倍频，以便将第一波长转换为第一目标波长，以及将第二波长倍频转换为第二目标波长。

金属热沉结构2051用于夹持倍频晶体。金属热沉结构2051的内部与倍频晶体2052外表面接触，以便将倍频晶体2052工作产生的热量传递至金属热沉结构2051。优选地，金属热沉结构2051可采用紫铜材料制成。

温度传感器2053至少部分置于金属热沉结构2051内，用于检测倍频晶体2052工作产生热量传递至金属热沉结构2051的情况下，金属热沉结构2051的温度。具体地，温度传感器2053置于金属热沉结构2051内靠近倍频晶体2052的位置，并通过电线与电源驱动模块2055连接。温度传感器2053的作用在于实时对倍频晶体2052的温度进行监测，并将监测结果传输至电源驱动模块2055。

半导体制冷器2054与金属热沉结构2051的下表面贴合，用于调节金属热沉结构2051的温度。半导体制冷器2054具有双向工作模式。具体地，半导体制冷器2054的上表面与金属热沉结构2051紧贴，另外，通过线路与电源驱动模块2055相连，当绿光双频激光器开机时，温度传感器2053反馈信号表明实测温度较低，例如，设置倍频晶体2052工作温度为148℃，绿光双频激光器刚开机时，温度传感器2053会将倍频晶体2052的温度实时传输，此时的倍频晶体2052温度低于148℃，电源驱动模块2055会向半导体制冷器2054施加电流，以使半导体制冷器2054开始工作，半导体制冷器2054将电能转化为热能，通过上表面热传导给金属热沉结构2051使其持续升温，直到达到148℃时，通过配合温度传感器2053的实时反馈测试数据。当温度传感器2053监测到的温度高于148℃时，电源驱动模块2055会调整施加在半导体制冷器2054上的电流方向，以使半导体制冷器2054为金属热沉结构2051降温。根据温度传感器2053监测到的温度，微调半导体制冷器2054的工作电流，保证倍频晶体2052的温控温度波动不超过±0.1℃，进而保证输出激光的稳定性，从而保证高效倍频转化效率，实现精确温控。

电源驱动模块2055分别与温度传感器2053和半导体制冷器2054连接，用于响应于温度传感器2053的反馈信号向半导体制冷器2054输出调节信号。

示范例地，对本发明中倍频晶体温控模块的精确温控能力进行验证，如图4所示，给出了倍频晶体2052设置温度148℃下的测试数据，对实测温度的连续记录结果表明，温度峰峰值变化幅度<0.1 ℃，不稳定度<0.2%，证明了倍频晶体温控模块在高温下的精确调控，为延长系统寿命提供一定技术支撑。

如图5所示，示范例地，本申请提供的一种绿光双频激光系统工作方法如下：

首先，对绿光双频激光系统进行供电，通过上位机软件，对激光器的输出功率进行设置，激光器的输出功率可以根据需求设定，并对应地调整泵浦光源的工作电流。具体地，通过上位机软件根据电源驱动模块2055，设置半导体泵浦工作电流、倍频晶体温控模块以及激光器的温控温度，温控温度设置为18℃～22℃之间。接下来，绿光双频激光系统开始工作，例如，点击绿光双频激光系统的“出光”按钮。如果绿光双频激光系统不能够正常工作，绿光双频激光系统会自动关闭电源，从而保护器件；如果绿光双频激光系统能够正常工作，即上位机软件显示正常，会为半导体泵浦以及激光器供电。

接下来，对激光器以及半导体泵浦工作进行监测，也就是说形成两路监测，其中一路是对泵浦温度和工作电流进行监测，并形成反馈信号；另一路是对倍频晶体的温度进行监测，并形成反馈信号。如果上位机软件接收到的两路反馈信号中任何一路出现异常，偏离设定的参数，则关闭电源，上位机控制半导体泵浦以及激光器停止工作。

然后，在二向色镜213的下游，即输出激光端口处设置功率计探头，通过功率计探头对端口输出激光功率进行实时监测，形成监测信号。接下来，将监测信号转换成实时的输出功率，并将实时的输出功率与上位机软件预设的输出功率进行对比分析。并对分析结果中的功率偏差进行逻辑判断，如果偏差超过设定的±5%时，电源驱动模块2055停止动作，避免相关器件损坏。需要说明地是，实时监测的信号较弱时，加入信号放大器，放大信号，以便保证功率计探头能够实时监测，偏差为±5%可以根据实际的情况进行调整，本申请对此并不加以限定。

半导体泵浦以及激光器正常工作的情况下，采用PID算法（PID算法是结合比例、积分和微分三种环节于一体的控制算法）计算和调节半导体泵浦对应的工作电流，并以步进的方式增加或减少半导体泵浦的工作电流，即微调半导体泵浦的输出功率，进而使输出方均差功率波动不超过设定值的±1%；如果参数异常，则通过上位机软件给出错误提示，这样，就可以最终实现激光功率反馈调节。通过对半导体泵浦的工作电流以及倍频晶体的温度精确控制，为实现输出绿光双频激光提供有利的支撑。

如图2所示，在一个实施例中，绿光双频激光器还包括二向色镜213。

其中，二向色镜213设置在第二半波片212的光路下游，用于透射第一绿光和第二绿光中残留的第一波长和第二波长的激光，并反射第一绿光和第二绿光。

具体地，二向色镜213作用是滤除前置第一绿光和第二绿光中残留的第一波长和第二波长，提高绿光双频激光的稳定性和信噪比，提升应用适用性。示例性地，二向色镜213镀膜参数为：前表面1064 nm± 5nm激光增透，透过率>99.5%，532 nm±5 nm倍频激光全反，反射率>99%；后表面1064 nm± 5nm激光增透，透过率>99.5%。

需要说明地是，二向色镜213将第一波长和第二波长的基频光透过，并将第一绿光和第二绿光反射，形成第一绿光和第二绿光的输出，再配合第二半波片212的情况下，实现了第一绿光和第二绿光正交偏振、绿光双频激光输出。

另外，绿光双频激光器还包括光吸收器214。光吸收器214设置在二向色镜213的光路下游，用于吸收透过二向色镜213的第一波长和第二波长的激光，避免残留的第一波长和第二波长的基频光损伤绿光双频激光器中的光学器件。

示例性地，本发明还对所提出的一种绿光双频激光系统实际有益效果进行了验证。本申请实施例提供的绿光双频激光系统，采用半导体泵浦输出总功率28 W，利用60%/40%的分光镜103分出两束激光束，基于前述的绿光双频激光系统光路，最终由二向色镜213实现了绿光双频激光的输出，具体地：

对绿光双频激光的波长进行测试，采用YOKOGAWA（AQ6373B）光谱分析仪实测激光光谱，如图6所示，1063 nm基频光倍频绿光中心波长为531.51 nm，对应3 dB光谱宽度为0.13 nm；1064 nm基频激光倍频绿光中心波长为532.46 nm，光谱宽度0.11 nm，如图7所示。因此，绿光双频激光频差达到1 THz，拓展了应用范围。

对绿光双频激光工作输出功率进行测试，通过调节第一半波片、第二偏振分光棱镜以及第二半波片，保证531 nm绿光和532 nm绿光偏振态分别为S线偏振和P线偏振态，且为正交偏振，实现了接近50%：50%的功率比，采用Thorlabs公司的S405C探头和PM100D表头测试输出功率，如图8和9所示，分别为第一绿光和第二绿光的输出功率及稳定性测试，第一绿光平均功率为491 mW，峰峰值稳定性<0.32%；第二绿光平均功率为491 mW，峰峰值稳定性<0.47%。结果表明，绿光双频激光具有较高的输出功率稳定性，同时总输出功率达到瓦级，为太赫兹波产生和技术应用提供了新的技术思路和保障。

需要说明的是，本申请实施例提供的绿光双频激光系统，还可以通过调整第一半波片201和第二片半波片212的旋转方向，改变双频激光的正交偏振状态以及功率比，使适用性得以提高。综上所述，本发明提出的一种绿光双频激光系统，在多应用领域尤其是太赫兹技术方面具有重要的应用潜力，特别地，为绿光波段双频激光的产生提供思路，其有益效果拓展了实际应用范围，提升适用性。

以上实施例仅表达了本申请的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。

Claims (9)

1.一种绿光双频激光系统，其特征在于，包括：

泵浦光源（101），用于产生泵浦光；

分光镜（103），设置在所述泵浦光源（101）的光路下游，用于对射向其的所述泵浦光分束，形成第一激光束和第二激光束；

第一谐振腔，设置在所述分光镜（103）的光路下游，用于调制射向所述第一谐振腔的所述第一激光束，并输出第三激光束，其中，所述第三激光束为P线性偏振光，且波长为第一波长；

第二谐振腔，设置在所述分光镜（103）的下游，用于调制射向所述第二谐振腔的所述第二激光束，并输出第四激光束，其中，所述第四激光束为S线性偏振光，且波长为第二波长，其中，所述第一波长与所述第二波长为中心波长，且所述第一波长和所述第二波长不同；

第一半波片（201），设置在所述第一谐振腔和所述第二谐振腔的下游，所述第一半波片（201）旋转角度为0°至90°之间，用于调整射向其的所述第三激光束和所述第四激光束的不同偏振态下的输出功率比；

第一倍频晶体温控组件，设置在所述第一半波片（201）的光路下游，用于将所述第四激光束转化为第一绿光，其中，所述第一绿光为P线性偏振光，且波长为第一目标波长；

第二倍频晶体温控组件，设置在所述第一半波片（201）的光路下游，用于将所述第三激光束转化为第二绿光，其中，所述第二绿光为S线性偏振光，且波长为第二目标波长，其中，所述第一目标波长与所述第二目标波长为绿光波段的不同波长；

第二半波片（212），设置在所述第一倍频晶体温控组件和所述第二倍频晶体温控组件的光路下游，用于调制所述第一绿光和所述第二绿光的正交偏振态。

2.如权利要求1所述的绿光双频激光系统，其特征在于，还包括：

双凸透镜（102），设置在所述泵浦光源（101）和所述分光镜（103）之间的光路上，用于对所述泵浦光准直；

第一全反镜（104），设置在所述分光镜（103）的光路下游，用于调整所述第一激光束的传输路径；

第一平凸透镜（105），设置在所述第一全反镜（104）的光路下游，用于将所述第一激光束聚焦至所述第一谐振腔；

第二平凸透镜（110），设置在所述分光镜（103）的光路下游，用于将所述第二激光束聚焦至所述第二谐振腔。

3.如权利要求2所述的绿光双频激光系统，其特征在于，所述第一谐振腔包括：

第一全反腔镜（106），设置在所述第一平凸透镜（105）的光路下游，用于传输第一激光束；

第一激光晶体（107），为Nd:YVO₄晶体增益介质，设置在所述第一全反腔镜（106）的光路下游，用于产生第三激光束；

第一偏振片（108），设置在所述第一激光晶体（107）的光路下游，用于滤除所述第一激光束中的S线性偏振光；

第二全反镜（109），设置在所述第一偏振片（108）的光路下游，用于调整所述第三激光束的传输路径；

第一偏振分光棱镜（113），设置在所述第二全反镜（109）的光路下游，用于透射所述第三激光束；

输出腔镜（114），设置在所述第一偏振分光棱镜（113）的下游，用于将所述第三激光束输出至所述第一半波片（201）。

4.如权利要求3所述的绿光双频激光系统，其特征在于，所述第二谐振腔包括：

第二全反腔镜（111），设置在所述第二平凸透镜（110）的光路下游，用于传输所述第二激光束；

第二激光晶体（112），为Nd:GdVO₄晶体增益介质，设置在所述第二全反腔镜（111）的光路下游，用于形成所述第四激光束；

所述第一偏振分光棱镜（113），还设置在所述第二激光晶体（112）的光路下游，用于反射所述第四激光束；

所述输出腔镜（114），还用于将所述第四激光束输出至所述第一半波片（201）。

5.如权利要求1所述的绿光双频激光系统，其特征在于，还包括：

第二偏振分光棱镜（202），设置在所述第一半波片（201）的光路下游，用于将所述第三激光束透射至所述第二倍频晶体温控组件，以及将所述第四激光束反射至所述第一倍频晶体温控组件。

6.如权利要求5所述的绿光双频激光系统，其特征在于，所述第一倍频晶体温控组件包括：

第三半波片（203），设置在所述第二偏振分光棱镜（202）的光路下游，用于将所述第四激光束中的所述S线性偏振光偏振态旋转90°，调整为P线性偏振光；

第三平凸透镜（204），设置在所述第三半波片（203）的光路下游，用于将所述第三半波片（203）输出的所述第四激光束聚焦；

第一倍频晶体温控模块（205），设置在所述第三平凸透镜（204）的光路下游，用于对所述第四激光束倍频，以便形成转换为所述第一绿光；

第三偏振片（211），设置在所述第一倍频晶体温控模块（205）的光路下游，用于滤除所述第一绿光中的S线性偏振光。

7.如权利要求6所述的绿光双频激光系统，其特征在于，所述第二倍频晶体温控组件包括：

第三全反镜（206），设置在所述第二偏振分光棱镜（202）的光路下游，用于调整所述第三激光束的传输路径；

第四平凸透镜（207），设置在所述第三全反镜（206）的光路下游，用于将所述第三激光束聚焦；

第二倍频晶体温控模块（208），设置在所述第四平凸透镜（207）的光路下游，用于对所述第三激光束倍频，以便形成转换为所述第二绿光；

第四半波片（209），设置在所述第二倍频晶体温控模块（208）的光路下游，用于将所述第二绿光的P线性偏振绿光偏振态旋转90°，调整为S线偏振光；

第二偏振片（210），设置在所述第四半波片（209）的光路下游，用于将所述第二绿光反射至所述第三偏振片（211）；

所述第三偏振片（211），还设置在所述第二偏振片（210）的光路下游，用于将所述第二绿光反射至所述第二半波片（212）。

8.如权利要求7所述的绿光双频激光系统，其特征在于，所述第一倍频晶体温控模块（205）和所述第二倍频晶体温控模块（208）均包括：

倍频晶体（2052），用于将所述第一波长和所述第二波长倍频，以便将所述第一波长转换为所述第一目标波长，以及将所述第二波长倍频转换为所述第二目标波长；

金属热沉结构（2051），用于夹持所述倍频晶体（2052）；

温度传感器（2053），置于所述金属热沉结构（2051）内，用于检测所述倍频晶体（2052）工作产生热量传递至所述金属热沉结构（2051）的情况下，所述金属热沉结构（2051）的温度；

半导体制冷器（2054），与所述金属热沉结构（2051）的下表面贴合，用于调节所述金属热沉结构（2051）的温度；

电源驱动模块（2055），分别与所述温度传感器（2053）和所述半导体制冷器（2054）连接，用于响应于所述温度传感器（2053）的反馈信号，向所述半导体制冷器（2054）输出调节信号。

9.如权利要求7所述的绿光双频激光系统，其特征在于，还包括二向色镜（213），设置在所述第二半波片（212）的光路下游，用于透射所述第一绿光和所述第二绿光中残留的所述第一波长和所述第二波长的激光，并反射所述第一绿光和所述第二绿光。

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