CN116154595A - 一种双频激光装置及系统 - Google Patents

一种双频激光装置及系统 Download PDF

Info

Publication number
CN116154595A
CN116154595A CN202310416411.8A CN202310416411A CN116154595A CN 116154595 A CN116154595 A CN 116154595A CN 202310416411 A CN202310416411 A CN 202310416411A CN 116154595 A CN116154595 A CN 116154595A
Authority
CN
China
Prior art keywords
laser
cavity
resonant cavity
dual
mirror
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.)
Granted
Application number
CN202310416411.8A
Other languages
English (en)
Other versions
CN116154595B (zh
Inventor
闫炜
张玉萍
张会云
刘蒙
李照鑫
张峰
杨进傲
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shandong University of Science and Technology
Original Assignee
Shandong University of Science and Technology
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shandong University of Science and Technology filed Critical Shandong University of Science and Technology
Priority to CN202310416411.8A priority Critical patent/CN116154595B/zh
Publication of CN116154595A publication Critical patent/CN116154595A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN116154595B publication Critical patent/CN116154595B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/08—Construction or shape of optical resonators or components thereof
    • H01S3/08086—Multiple-wavelength emission
    • H01S3/0809—Two-wavelenghth emission
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/02—Constructional details
    • H01S3/04—Arrangements for thermal management
    • H01S3/0405—Conductive cooling, e.g. by heat sinks or thermo-electric elements
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/02—Constructional details
    • H01S3/04—Arrangements for thermal management
    • H01S3/042—Arrangements for thermal management for solid state lasers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/06—Construction or shape of active medium
    • H01S3/0602—Crystal lasers or glass lasers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/09—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping
    • H01S3/091—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping
    • H01S3/094—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by coherent light
    • H01S3/0941—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by coherent light of a laser diode
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A90/00—Technologies having an indirect contribution to adaptation to climate change
    • Y02A90/10—Information and communication technologies [ICT] supporting adaptation to climate change, e.g. for weather forecasting or climate simulation

Abstract

本申请涉及双频激光技术领域。一种双频激光装置及系统，一种双频激光装置包括：谐振腔，设置在其下游光路上的偏振调谐模块；谐振腔内包括第一谐振腔和第二谐振腔，第一谐振腔和第二谐振腔的光路呈正交排布，构成T型共谐振腔结构；第一谐振腔包括沿光的输出方向依次设置的第一腔镜和第一激光晶体模块；第二谐振腔包括沿光的输出方向依次设置的第二腔镜和第二激光晶体模块；第一谐振腔和第二谐振腔还包括共用的第一偏振分光棱镜和输出腔镜；在第一谐振腔和第二谐振腔的工作点分别由第一稳区进入第二稳区的情况下，双频激光装置的工作点为第一谐振腔和第二谐振腔的工作曲线在第二稳区的交汇点。提高双频激光稳定性，频差可达到0.476 THz。

Description

一种双频激光装置及系统
技术领域
本申请涉及双频激光技术领域，尤其涉及一种双频激光装置及系统。
背景技术
双波长激光在医疗诊断、激光雷达，特别是太赫兹波产生领域具有巨大应用潜力。对于双波长的激光来说，核心参数如输出功率、频差以及偏振特性成为影响双波长激光性能的重要指标。通常，形成双波长激光的技术中，采用Nd:YVO4微片激光器能产生稳定的双波长（dual-wavelength, DWL）激光。但是，对于Nd:YVO4微片激光器来说，受到增益介质发射截面光谱带宽的限制，通常频差（frequency separation）会小于0.15THz。
为了克服这一技术问题，一般采用的方案是基于Nd：YLF晶体，并采用双波长的波分复用器等器件，能够实现1064 nm和1053 nm激光输出，此种方案在实施过程中，由于两种波长增益竞争问题会限制功率输出在1W量级，并且输出功率的稳定性差，无法实现更高量级的功率输出。另一种方案是基于Nd:YVO4和Nd:GdVO4组合晶体的方案，组合晶体在实际的实施过程中，存在着明显的空间烧孔效应，虽然功率输出得到提升，但是会伴随更强的热效应产生，此种热效应会严重影响晶体的使用寿命。
基于上述原因，亟需一种能够实现较大频差，且能够稳定的更高功率输出的双频激光装置。
发明内容
本申请提供一种双频激光装置及系统，用于解决现有技术中双频激光的频差小，输出功率低的问题。
本申请公开了一种双频激光装置，用于产生1064nm和1063nm双频激光，包括：
谐振腔，以及设置在所述谐振腔下游光路上的偏振调谐模块；
所述谐振腔内包括第一谐振腔和第二谐振腔，所述第一谐振腔和所述第二谐振腔的光路呈正交排布，且构成T型共谐振腔结构；其中，所述第一谐振腔包括沿光的输出方向依次设置的第一腔镜和第一激光晶体模块；所述第二谐振腔包括沿光的输出方向依次设置的第二腔镜和第二激光晶体模块；所述第一谐振腔和所述第二谐振腔还包括共用的第一偏振分光棱镜和输出腔镜；其中：
所述第一腔镜，用于将射向其的第一泵浦光，以及激光透射至所述第一激光晶体模块，并反射波长为1064nm和波长为1063nm的激光；
所述第一激光晶体模块，用于为产生1064nm激光提供增益介质，形成第一激光，并射向所述第一偏振分光棱镜；
所述第二腔镜，用于将射向其的第二泵浦光，以及激光透射至所述第二激光晶体模块，并反射波长为1064nm和波长为1063nm的激光；
所述第二激光晶体模块，用于为产生1063nm激光提供增益介质，形成第二激光，并射向所述第一偏振分光棱镜；
所述第一偏振分光棱镜，设置在所述第一激光晶体模块和所述第二激光晶体模块的下游光路上，用于将所述第一激光中的S偏振态的激光反射以及将所述第二激光中的P偏振态的激光透射，形成第三激光，输出至所述输出腔镜；
所述偏振调谐模块，设置在所述输出腔镜的下游光路上，用于将所述第三激光出至指定位置，且能调整第三激光的偏振态；其中：
谐振腔包括以所述输出腔镜作为参考面，确定的稳定腔，所述稳定腔包括第一稳区和第二稳区，在所述第一谐振腔和所述第二谐振腔的工作点分别由所述第一稳区进入所述第二稳区的情况下，所述双频激光装置的工作点为所述第一谐振腔和所述第二谐振腔的工作曲线在所述第二稳区的交汇点。
可实施的一种方式中，在所述第一腔镜的上游光路上，沿光的输出方向依次设有第一半导体泵浦、第一平凸透镜、第二平凸透镜和第一45°全反镜；
所述第一半导体泵浦，用于向所述第一平凸透镜射出所述第一泵浦光；
所述第一平凸透镜和所述第二平凸透镜构成4F光学系统，用于对所述第一泵浦光整形，并将整形后的所述第一泵浦光射向所述第一45°全反镜；
所述第一45°全反镜，用于将所述第一泵浦光反射至所述第一腔镜。
可实施的一种方式中，所述第二腔镜的上游光路上，沿光的输出方向依次设有第二半导体泵浦、第三平凸透镜、第四平凸透镜和第二45°全反镜；
所述第二半导体泵浦，用于向所述第三平凸透镜射出所述第二泵浦光；
所述第三平凸透镜和所述第四平凸透镜构成4F光学系统，用于对所述第二泵浦光整形，并将整形后的所述第二泵浦光射向所述第二45°全反镜；
所述第二45°全反镜，用于将所述第二泵浦光反射至所述第二腔镜。
可实施的一种方式中，所述稳定腔基于所述第一谐振腔设计，所述稳定腔的结构和参数通过如下方式确定：
建立所述第一谐振腔的abcd矩阵：
Figure SMS_1
；
对应所述第一谐振腔的ABCD矩阵公式为：
Figure SMS_2
；
Figure SMS_3
；
Figure SMS_4
；
Figure SMS_5
；
Figure SMS_6
；/>
Figure SMS_7
；
Figure SMS_8
；
其中，
Figure SMS_9
为所述第一腔镜与所述第一激光晶体模块中心之间的距离，/>
Figure SMS_10
为第一激光晶体模块的热透镜焦距，/>
Figure SMS_11
为所述输出腔镜与所述第一激光晶体模块等效热透镜中心之间距离，/>
Figure SMS_12
为所述第一腔镜的曲率半径，/>
Figure SMS_13
为所述输出腔镜的曲率半径，/>
Figure SMS_14
为/>
Figure SMS_15
；
所述稳定腔的稳定条件为
Figure SMS_16
，所述稳定腔的稳定条件用于得出所述谐振腔的稳区图和所述第一激光工作状态的运动曲线。
可实施的一种方式中，所述稳定腔基于所述第二谐振腔设计，所述稳定腔的结构和参数通过如下方式确定：
建立所述第二谐振腔的abcd矩阵：
Figure SMS_17
；
对应所述第二谐振腔的ABCD矩阵公式为：
Figure SMS_18
；
Figure SMS_19
；
Figure SMS_20
；
Figure SMS_21
；
Figure SMS_22
；
Figure SMS_23
；
Figure SMS_24
；
其中，
Figure SMS_25
为所述第二腔镜与所述第二激光晶体模块中心之间的距离，/>
Figure SMS_26
为第二激光晶体模块的热透镜焦距，/>
Figure SMS_27
为所述输出腔镜与所述第二激光晶体模块等效热透镜中心之间距离，/>
Figure SMS_28
为所述第二腔镜的曲率半径，/>
Figure SMS_29
为所述输出腔镜的曲率半径，/>
Figure SMS_30
为/>
Figure SMS_31
；
所述稳定腔的稳定条件为
Figure SMS_32
，所述稳定腔的稳定条件用于得出所述谐振腔的稳区图和所述第二激光工作状态的运动曲线，所述双频激光装置的工作点为所述第二激光工作状态的运动曲线与所述第一激光工作状态的运动曲线的交汇点。
可实施的一种方式中，所述第一激光晶体模块包括Nd:YVO4键合晶体；所述第二激光晶体模块包括Nd:GdVO4键合晶体。
可实施的一种方式中，所述第一激光晶体模块和第二激光晶体模块均包括金属热沉结构、半导体制冷器和热沉底座，所述半导体制冷器的上表面与所述金属热沉结构贴合，下表面与所述热沉底座贴合；
所述Nd:YVO4键合晶体和Nd:GdVO4键合晶体表面均采用铟箔包裹，并通过铟箔分别与所述金属热沉结构内壁紧密贴合，所述Nd:YVO4键合晶体和Nd:GdVO4键合晶体将工作产生的废热传递至所述金属热沉结构；
所述半导体制冷器，用于将金属热沉结构的废热由所述上表面传递至所述下表面；
所述热沉底座，用于转移所述下表面的废热。
可实施的一种方式中，所述偏振调谐模块包括沿光输出方向依次设置的半波片和第二偏振分光棱镜，以及沿所述第二偏振分光棱镜的反射方向依次设置的第三45°全反镜、第一带通滤波器和第一激光输出端口，沿所述第二偏振分光棱镜的透射方向依次设置的第二带通滤波器和第二激光输出端口，以及设置在所述第一带通滤波器下游光路上的第一激光吸收器，设置在所述第二带通滤波器下游光路上的第二激光吸收器；
所述半波片，用于将所述第三激光的偏振方向在0°～90°之间调整，并射向所述第二偏振分光棱镜；
所述第二偏振分光棱镜，用于将S偏振态的所述第三激光反射至所述第三45°全反镜，以及将所述P偏振态的所述第三激光透射至所述第二带通滤波器；
所述第三45°全反镜，用于将S偏振态的所述第三激光反射至所述第一带通滤波器；
所述第一带通滤波器，用于滤除S偏振态的所述第三激光中的第一噪声激光，形成第四激光，并将所述第一噪声激光射向所述第一激光吸收器，以及将所述第四激光射向所述第一激光输出端口；
所述第一激光吸收器，用于吸收所述第一噪声激光；
所述第一激光输出端口，用于将所述第四激光输出至指定位置；
所述第二带通滤波器，用于滤除P偏振态的所述第三激光中的第二噪声激光，形成第五激光，并将所述第二噪声激光射向所述第二激光吸收器，以及将所述第五激光射向所述第二激光输出端口；
所述第二激光吸收器，用于吸收所述第二噪声激光；
所述第二激光输出端口，用于将所述第五激光输出至指定位置。
可实施的一种方式中，所述第一带通滤波器和所述第二带通滤波器均包括沿光的输出方向依次设置，且粘合的窄带滤波片、有色玻璃片和截止带通滤波片。
本申请还公开了一种双频激光系统，包括前述的双频激光装置、电源模块、上位机和水冷机，所述上位机分别连接所述电源模块、所述双频激光装置和水冷机；
所述电源模块，用于为所述双频激光装置、上位机和水冷机供电；
所述水冷机，用于为所述双频激光装置制冷；
所述上位机，用于向所述双频激光装置、电源模块和水冷机下发指令。
有益效果：
本申请一种双频激光装置及系统，在谐振腔的下游光路上设置偏振调谐模块，偏振调谐模块能够根据使用的场景对谐振腔射出的第三激光进行调节偏振态的调节，使得使用的场景更加的广泛。另外，谐振腔包括第一谐振腔和第二谐振腔两个谐振腔，第一谐振腔和第二谐振腔的光路呈正交排布，构成T型共谐振腔结构，以便第一谐振腔和第二谐振腔能够共用第一偏振分光棱镜和输出腔镜，不仅节省成本，而且还能够减少谐振腔的空间。其中，第一谐振腔包括沿光的输出方向依次设置的第一腔镜和第一激光晶体模块，第一腔镜和第一激光晶体模块能够对波长为1064nm的激光增益，形成第一激光。此外，第二谐振腔包括沿光的输出方向依次设置的第二腔镜和第二激光晶体模块，第二腔镜和第二激光晶体模块能够对波长为1063nm的激光增益，形成第二激光，第一激光和第二激光分别作用在第一偏振分光棱镜处，并且，第一激光和第二激光经过第一偏振分光棱镜后，形成射向输出腔镜的第三激光，以输出腔镜作为参考面，确定稳定腔的第一稳区和第二稳区后，将第一谐振腔的工作点和第二谐振腔的工作点由第一稳区进入第二稳区，第一谐振腔和第二谐振腔的工作曲线在第二稳区的交汇点作为工作点，提高了双频激光的稳定性，相对稳定的第三激光射向偏振调谐模块，经偏振调谐模块射出激光，不仅相较于初始的激光功率得到提升，而且可以实现1063 nm和1064 nm双频激光输出，同时，双频激光的频差可达到0.476 THz，拓展了实际应用范围。
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为一种双频激光装置的第一谐振腔的示意图；
图2为一种双频激光装置的第二谐振腔的示意图；
图3为一种双频激光装置的T型共谐振腔激光器工作稳区的示意图；
图4为一种双频激光装置的T型共谐振腔双频激光器光路结构图的示意图；
图5为一种双频激光装置的激光晶体模块结构的示意图；
图6为一种双频激光系统的原理图；
图7为一种双频激光装置的激光晶体模块工作过程中温控实测数据示意图；
图8为一种双频激光装置的1064 nm和1063 nm双频激光输出功率随注入功率关系数据的示意图；
图9为一种双频激光装置的共谐振腔输出线偏振1064 nm最大功率稳定性测试的示意图；
图10为一种双频激光装置的共谐振腔输出线偏振1063 nm最大功率稳定性测试的示意图；
图11为一种双频激光装置的双频激光输出波长测试的示意图。
附图标记：
100-共谐振腔激光模块；101-第一半导体泵浦；102-第一平凸透镜；103-第二平凸透镜；104-第一45°全反镜；105-第一腔镜；106-第一激光晶体模块；1061-金属热沉；1062-键合激光晶体；1063-半导体制冷器；1064-热沉底座；107-第二半导体泵浦；108-第三平凸透镜；109-第四平凸透镜；110-第二45°全反镜；111-第二腔镜；112-第二激光晶体模块；113-第一偏振分光棱镜；114-输出腔镜；200-电源模块和控制模块；300-偏振调谐模块；301-半波片；302-第二偏振分光棱镜；303-第三45°全反镜；304-第一激光吸收器；305-第一带通滤波器；306-第一激光输出端口；307-第二激光吸收器；308-第二带通滤波器；309-第二激光输出端口。
具体实施方式
下面将结合实施例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。
本申请一种双频激光装置，用于产生1064nm和1063nm双频激光，包括谐振腔和偏振调谐模块，偏振调谐模块设置在谐振腔的下游光路上。
如图1和图2所示，其中，谐振腔内包括第一谐振腔和第二谐振腔，第一谐振腔和第二谐振腔的光路呈正交排布，且构成T型共谐振腔结构，以使得第一谐振腔和第二谐振腔能够共用第一偏振分光棱镜113以及输出腔镜114，减少谐振腔所占用的空间。
需要说明地是，双频激光装置还包括分别设置在第一谐振腔和第二谐振腔上游光路上的两个激光器。其中，一个激光器能够向第一谐振腔发出激光，另一个激光器能够向第二谐振腔发出激光。
第一谐振腔包括沿光的输出方向依次设置的第一腔镜105和第一激光晶体模块106。
第一腔镜105设置在发出激光的激光器下游，并且，第一腔镜105还能够接收到射向其的第一泵浦光。第一腔镜105将第一泵浦光，以及激光透射至第一激光晶体模块106。
需要说明地是，第一腔镜105可以为平镜，第一腔镜105的参数为：正面镀膜为880±5 nm波长激光增透，透过率>99.5%；背面镀膜1060～1070 nm全反，反射率>99.8%。同时，对880±5 nm波长激光透过率>99%，损伤阈值>500 MW/cm2。第一腔镜105能够对下游光路上形成的反射光反射，避免反射光损伤光源。还需要说明地是，正面为器件面向光路上游侧，即入射光侧，背面为器件面向光路下游侧，即出射光侧，下述中再出现正面和背面的情况下，不再对正面和背面赘述解释。
第一激光晶体模块106设置在第一腔镜105下游光路上，第一激光晶体模块106用于为产生1064nm激光提供增益介质，形成第一激光，第一激光表示为波长1064nm增益的激光。也就是说，第一激光晶体模块106将第一泵浦光的能量传输给激光，以使激光增加输出功率，提升功率量级，形成第一激光。例如，原激光的输出功率为1W量级，经过第一激光晶体模块106的增益，可以变为10W量级的激光。接下来，第一激光晶体模块106将增益后的第一激光射向第一偏振分光棱镜113，形成波长为1064nm的激光。
第一激光晶体模块106，可包括Nd:YVO4（钒酸钇）键合晶体。
第二谐振腔包括沿光的输出方向依次设置的第二腔镜111和第二激光晶体模块112。
第二腔镜111设置在发出激光的激光器下游，并且，第二腔镜111还能够接收到射向其的第二泵浦光。第二腔镜111将第二泵浦光，以及激光透射至第二激光晶体模块112。
需要说明地是，第二腔镜111可以为平镜，第二腔镜111的参数为：正面镀膜为880±5 nm波长激光增透，透过率>99.5%，背面镀膜1060～1070 nm全反，反射率>99.8%，同时对880±5 nm波长激光透过率>99%，损伤阈值>500 MW/cm2。第二腔镜111能够对下游光路上形成的反射光反射，避免反射光损伤光源，第二腔镜111的作用同第一腔镜105，此处不再赘述。
第二激光晶体模块112设置在第二腔镜111的下游光路上，第二激光晶体模块112用于为产生波长为1063nm的激光提供增益介质，形成第二激光，第二激光表示波长为1063nm增益的激光。也就是说，第二激光晶体模块112将第二泵浦光的能量传输给激光，以使激光增加输出功率，提升功率量级，形成第二激光。例如，原激光的输出功率为1W量级，经过第二激光晶体模块112的增益，可以使得激光，变为10W量级的激光。接下来，第二激光晶体模块112将增益后的第二激光射向第一偏振分光棱镜113，经过第一偏振分光棱镜113后形成波长为1063nm的激光。
第二激光晶体模块112包括Nd:GdVO4（钒酸钆）键合晶体。
第一偏振分光棱镜113设置在第一激光晶体模块106和第二激光晶体模块112的下游光路上，用于将第一激光中的S偏振态的激光反射以及将第二激光中的P偏振态的激光透射，形成第三激光，输出至输出腔镜114。也就是说，第一偏振分光棱镜113的作用一方面是作为转折光路器件实现第一激光输出光路的转折；另一方面是对输出双频激光偏振态进行调制。具体地，第一偏振分光棱镜113对于P线偏振激光增透，而对于S线偏振激光全反。在T型共谐振腔结构下，第一偏振分光棱镜113对纵向激光光路，产生S线偏振第一激光折反；第一偏振分光棱镜113还对横向激光光路，产生P线偏振第二激光经透射，此时，第一激光和第二激光融合形成第三激光，由输出腔镜114输出。第一偏振分光棱镜113的参数为对于1063nm和1064 nm两种波长镀膜，损伤阈值>3 GW/cm2，尺寸采用
Figure SMS_33
或者
Figure SMS_34
的参数规格，消光比>5000:1。
输出腔镜114设置在第一偏振分光棱镜113的下游光路上，输出腔镜114用于将射向其的第三激光射向偏振调谐模块。输出腔镜114可采用平凹镜，相较于传输的平镜来说，此处，采用平凹镜能够进一步提升谐振腔内的增益，易于实现更高的输出功率提升，并且，具有较好的机械稳定性。输出腔镜114的参数为，透镜焦距-120～-80 mm，对于1063 nm/1064 nm波长激光反射率为75%～90%。需要说明地是，输出腔镜114中采用较高反射率能够增加谐振腔的激光增益，补偿由于第一偏振分光棱镜113所带来线偏振态下能量损耗。
偏振调谐模块300设置在输出腔镜114的下游光路上，偏振调谐模块300用于将第三激光出至指定位置，且能调整第三激光的偏振态。具体地，偏振调谐模块300可根据双频激光输出的需要，不仅能将1063 nm波长的P线偏振激光调制为S线偏振态的1063 nm波长，还能将1064 nm波长的S线偏振光的偏振态方向旋转变成P线偏振态激光输出。
如图3所示，谐振腔包括以输出腔镜114作为参考面，确定的稳定腔，稳定腔包括第一稳区和第二稳区。在第一谐振腔和第二谐振腔的工作点分别由第一稳区进入第二稳区的情况下，双频激光装置的工作点为第一谐振腔和第二谐振腔的工作曲线在第二稳区的交汇点。
需要说明地是，第一谐振腔和第二谐振腔的激光晶体并不相同，因此，基于激光晶体形成的热透镜焦距并不相同，由此，得出第一谐振腔和第二谐振腔不同的工作稳区。
其中，第一激光晶体模块106和第二激光晶体模块112中的键合晶体分别作为激光晶体的热透镜时，热透镜效应会成为谐振腔的工作稳区优化的重要技术参数。因为，在激光器稳定工作过程中，激光晶体内部会形成温度梯度，导致激光晶体等同于热透镜，随着温度升高，晶体的应力发生改变，会影响激光器工作的输出稳定性。极端情况下，激光晶体甚至会发生热致断裂，导致无法产生激光。对于不同的激光晶体和谐振腔结构，激光晶体的热透镜效应不同，对应不同的热透镜焦距，由此，本申请中的Nd:GdVO4键合晶体和Nd:YVO4键合晶体的热透镜焦距计算公式为：
Figure SMS_35
；
其中，
Figure SMS_38
为键合晶体的热导率，/>
Figure SMS_39
为输出激光功率/>
Figure SMS_41
处的光斑半径，e为自然对数的底数，/>
Figure SMS_37
为废热与泵浦光功率比例，/>
Figure SMS_40
为注入泵浦光功率，/>
Figure SMS_42
为折射率温度系数，/>
Figure SMS_43
为激光晶体的吸收系数，/>
Figure SMS_36
为激光晶体的长度。
通过对热透镜焦距计算公式计算出两个激光晶体的透镜焦距，分别实现得到1063nm和1064 nm波长激光的各自工作稳区，以便实现双频激光应谐振腔的工作稳区的优化设计。
具体地，第一谐振腔中，基于
Figure SMS_44
晶体的谐振腔以输出腔镜114作为参考面，腔型结构和技术参数通过建立abcd矩阵来确定。
建立第一谐振腔的abcd矩阵：
Figure SMS_45
；
对应第一谐振腔的ABCD矩阵公式为：
Figure SMS_46
；
Figure SMS_47
；
Figure SMS_48
；
Figure SMS_49
；
Figure SMS_50
；
Figure SMS_51
；
Figure SMS_52
；
其中，
Figure SMS_53
为第一腔镜105与第一激光晶体模块106中心之间的距离，/>
Figure SMS_54
为第一激光晶体模块106的热透镜焦距，/>
Figure SMS_55
为输出腔镜114与第一激光晶体模块106等效热透镜中心之间距离，/>
Figure SMS_56
为第一腔镜105的曲率半径，/>
Figure SMS_57
为输出腔镜114的曲率半径，/>
Figure SMS_58
为/>
Figure SMS_59
；/>
稳定腔的稳定条件为
Figure SMS_60
，稳定腔的稳定条件用于得出谐振腔的稳区图和第一激光工作状态的运动曲线。
如图3所示，需要说明地是，T型共谐振腔激光器工作稳区图3所示，第一谐振腔稳定腔包括基于稳定条件确定的第一稳区和第二稳区。激光器工作状态的运动曲线为图中实心直线，箭头所指方向的路径为激光工作点的运动轨迹。随着激光器工作电流增加，热透镜效应严重，激光工作点由第一稳区进入第二稳区。为了得到高稳定的激光输出效果，需要将激光器工作点设置在第二稳区。本申请中的第一谐振腔，相较于其他腔型的谐振腔，比如平平腔结构，激光工作点轨迹的斜率更大，同时稳定区域的范围也更宽，因此，输出的激光更加容易处于稳区状态。
具体地，第二谐振腔中，基于
Figure SMS_61
晶体的谐振腔以输出腔镜114作为参考面，腔型结构和技术参数通过建立abcd矩阵来确定。
建立第二谐振腔的abcd矩阵：
Figure SMS_62
；
对应第二谐振腔ABCD矩阵公式为：
Figure SMS_63
；
Figure SMS_64
；
Figure SMS_65
；
Figure SMS_66
；
Figure SMS_67
；
Figure SMS_68
；
Figure SMS_69
；
其中，
Figure SMS_70
为第二腔镜111与第二激光晶体模块112中心之间的距离，/>
Figure SMS_71
为第二激光晶体模块112的热透镜焦距，/>
Figure SMS_72
为输出腔镜114与第二激光晶体模块112等效热透镜中心之间距离，/>
Figure SMS_73
为第二腔镜111的曲率半径，/>
Figure SMS_74
为输出腔镜114的曲率半径，/>
Figure SMS_75
为/>
Figure SMS_76
。
稳定腔的稳定条件为
Figure SMS_77
，稳定腔的稳定条件用于得出谐振腔的稳区图和第二激光工作状态的运动曲线，双频激光装置的工作点为第二激光工作状态的运动曲线与第一激光工作状态的运动曲线的交汇点。
如图3所示，需要说明地是，T型共谐振腔激光器工作稳区，第一谐振腔、第二谐振腔的稳定腔包括基于稳定条件确定的第一稳区和第二稳区。由于第一谐振腔、第二谐振腔两种激光晶体的材料参数存在差异，差异主要体现在有效激光截面和泵浦吸收系数不同，Nd:YVO4晶体的有效激光截面为
Figure SMS_78
，Nd:GdVO4晶体的有效激光截面不足一半，仅为/>
Figure SMS_79
；而对于相同的Nd3+离子掺杂浓度，比如1%，对应的Nd:YVO4晶体的吸收系数约41cm-1，比Nd:GdVO4晶体的57 cm-1吸收系数略低。因此，即使采用相同的几何尺寸的激光晶体，两种激光晶体的热透镜效应和热透镜焦距是不同的，对应的工作状态的变化不同。
Nd:GdVO4晶体的第二谐振腔的谐振腔对应的激光器工作状态的运动曲线如图3中的虚线所示，箭头所指方向的路径为激光工作点的运动轨迹。随着激光器工作电流增加，激光工作点由第一稳区进入第二稳区，为了得到高稳定的激光输出效果，需要将激光器工作点设置在第二稳区。为了使得两种谐振腔同时达到高稳定性的工作状态，需要综合考虑两种激光对应的工作曲线，既要保证较大的稳定区域，同时需要选定最佳的工作点。如果2所示，两种激光晶体工作曲线存在交点Z点，因此，将激光器工作点设置在该处能够保证双频激光输出稳定，同时大大提升输出功率。
本实施例中，根据ABCD矩阵以及热透镜焦距计算公式的约束，可以将第一激光晶体模块106与第一腔镜105之间距离设置为40 mm，谐振腔激光器稳定工作状态下，根据实际情况，输出腔镜114与第一激光晶体模块106之间距离的可选范围为100 mm至140 mm之间的任意值。第二激光晶体模块112到第二腔镜111之间距离可设置为30 mm，根据实际情况，输出腔镜114与第二激光晶体模块112之间的距离可选范围为70 mm至110 mm。
另外，通常地谐振腔的腔型可以为Z型、U型以及Y型腔型结构，相较于本申请的T型谐振腔的腔型来说，Z型和U型设计存在的缺点是在谐振腔内至少需要两片及以上折转器件，增加了腔内激光损耗，且降低了激光器整机的机械稳定性。而Y型谐振腔设计也可以只采用一片折转器件，但会对实际光学器件和模块体积限制，导致腔长设计受限，且对调试和后期维护要求较高，影响了激光器实际应用的适用性。本申请中的T型谐振腔的腔型中，第一腔镜105和第一激光晶体模块106所处谐振腔光路，与第二腔镜111和第二激光晶体模块112所处谐振腔光路呈正交排布，且共用第一偏振分光棱镜113和输出腔镜114，构成T型共谐振腔结构，在谐振腔腔内仅采用第一偏振分光棱镜113作为折转器件，能够减少损耗，同时对输出激光偏振态进行调控。
如图4所示，在一个实施例中，在第一腔镜105的上游光路上，沿光的输出方向依次设有第一半导体泵浦101、第一平凸透镜102、第二平凸透镜103和第一45°全反镜104。
其中，第一半导体泵浦101作为光纤输出的半导体激光器，用于向第一平凸透镜102射出第一泵浦光。第一半导体泵浦101封装结构中包含热传感器和半导体制冷器1063，第一半导体泵浦101封装结构与水冷板紧密接触，实现高效率水冷散热。第一半导体泵浦101射出的第一泵浦光中心波长为880.2 nm。
量子亏损系数
Figure SMS_80
，其中，λ1为半导体泵浦中心波长，λ2为产生激光的中心波长。根据激光器中量子数亏损效应，低量子亏损意味着更少的泵浦能量转化为了废热，能够提升激光输出功率。本申请中采用的880.2 nm波长对应量子亏损系数为0.173，与通常的808 nm波长泵浦激光0.241相比，降低了28.2%，相应地激光输出可提升20%以上。第一半导体泵浦101的参数为最大出光功率为30 W，光纤芯径200 μm，数值孔径0.22 NA，光谱宽度0.5 nm。
第一平凸透镜102和第二平凸透镜103构成4F光学系统（4F光学系统是线性光学信息处理系统，滤波系统中的一种）设置在第一半导体泵浦101的下游光路上，用于对第一泵浦光整形，并将整形后的第一泵浦光射向第一45°全反镜104。第一平凸透镜102和第二平凸透镜103的焦距分别为f1和f2，4F光学系统的扩束倍率n1=f1/f2，首先将第一半导体泵浦101输出的发散光进行准直，之后对准直光进行汇聚，射向第一45°全反镜104。
第一45°全反镜104设置在第二平凸透镜103的下游光路上，第一45°全反镜104用于将第一泵浦光反射至第一腔镜105。第一45°全反镜104和第一腔镜105将第一泵浦光聚焦到第一激光晶体模块106中的激光晶体上，第一腔镜105通常设置在距离激光晶体端面1～3mm的位置，聚焦光斑直径大小为D1。
对第一泵浦光聚焦光斑直径D1和谐振腔内激光的光斑直径d1进行设计，两者的比例即为填充因子Υ1=d1/D1。本申请中填充因子Υ1为0.8～0.9，根据前面谐振腔稳区设计，当输出腔镜114透镜焦距为-100 mm，对应谐振腔内激光的光斑直径d1为550 μm，对于填充因子0.9，需要对第一泵浦光进行3倍扩束，因此，采用第一平凸透镜102和第二平凸透镜103焦距分别为25 mm和75 mm。
本实施例中，利用第一平凸透镜102和第二平凸透镜103构成4F光学系统，不仅能够对第一泵浦光进行扩束，以便保证填充因子Υ1为0.8～0.9，还能够实现较高的1064 nm激光输出，同时保持较好的光束质量。
如图4所示，在一个实施例中，第二腔镜111的上游光路上，沿光的输出方向依次设有第二半导体泵浦107、第三平凸透镜108、第四平凸透镜109和第二45°全反镜110。
其中，第二半导体泵浦107作为光纤输出的半导体激光器，参数与第一半导体泵浦101参数相同。第二半导体泵浦107封装结构中包含热传感器和半导体制冷器1063，第二半导体泵浦107封装结构与水冷板紧密接触，实现高效率水冷散热。泵浦激光中心波长为880.2 nm，最大出光功率为30 W，光纤芯径200 μm，数值孔径0.22 NA，光谱宽度0.5 nm。第二半导体泵浦107用于向第三平凸透镜108射出第二泵浦光。
第三平凸透镜108和第四平凸透镜109构成4F光学系统，焦距分别为f3和f4，4F光学系统的扩束倍率n2=f3/f4。首先将第二半导体泵浦107输出的第二泵浦光进行准直，之后对准直光进行汇聚。第三平凸透镜108和第四平凸透镜109构成4F光学系统用于对第二泵浦光整形，并将整形后的第二泵浦光射向第二45°全反镜110。
第二45°全反镜110设置在第四平凸透镜109下游光路上，用于将第二泵浦光反射至第二腔镜111。第二45°全反镜110用于将第二泵浦光反射至第二腔镜111，以便折转光路，避免光路过长，减少激光器整机的体积。第二45°全反镜110和第二腔镜111将第二泵浦光聚焦到第二激光晶体模块112中的激光晶体上，第二腔镜111通常设置在距离激光晶体端面1～3 mm的位置，聚焦光斑直径大小为D2。第二45°全反镜110的参数为镀膜中心波长1063nm，带宽10 nm，透过率>99.9%。
对第二泵浦光聚焦光斑直径D2和谐振腔内激光的光斑直径d2进行设计，两者的比例即为填充因子Υ2=d2/D2。本申请中，填充因子Υ2，例如，为0.8～0.9。根据前面谐振腔稳区设计，与1064 nm谐振腔不同，当输出腔镜114透镜焦距为-100 mm时，对应谐振腔内激光的光斑直径d1为710 μm，对于填充因子0.9，需要对第二泵浦光进行4倍扩束，因此，采用第三平凸透镜108和第四平凸透镜109焦距分别为25 mm和100 mm。
本实施例中，利用第三平凸透镜108和第四平凸透镜109构成4F光学系统，不仅能够对第二泵浦光进行扩束，以便保证填充因子Υ2为0.8～0.9，还能够实现较高的1063 nm激光输出，同时保持较好的光束质量。
如图4和图5所示，在一个实施例中，第一激光晶体模块106和第二激光晶体模块112均包括金属热沉1061结构、半导体制冷器1063和热沉底座1064，半导体制冷器1063的上表面与金属热沉1061结构贴合，下表面与热沉底座1064贴合。
其中，Nd:YVO4键合晶体和Nd:GdVO4键合晶体均为键合激光晶体1062，在键合激光晶体1062表面均采用铟箔包裹，并通过铟箔分别与金属热沉1061结构内壁紧密贴合，键合激光晶体1062将工作产生的废热传递至金属热沉1061结构。
半导体制冷器1063，用于将金属热沉1061结构的废热由上表面传递至下表面。
热沉底座1064，用于转移下表面的废热。
下面以Nd:YVO4激光晶体的第一激光晶体模块106进行示例性地说明。
Nd:YVO4激光晶体为块状单端键合的Nd:YVO4激光晶体，Nd:YVO4激光晶体端面为
Figure SMS_81
正方形，长度为11 mm。其中，Nd:YVO4激光晶体包含左侧2 mm长度的未掺杂Nd3+离子部分，以及9 mm长度掺杂浓度为0.5%的晶体部分。对于本申请中采用的键合的激光晶体与通常的非键合晶体相比，具有更小的热透镜效应。例如，在同样泵浦功率下，键合的激光晶体能够将激光晶体内部热分布梯度和最高温度降低20%以上，进而增大实际1064nm激光输出的功率，激光晶体表面采用铟箔包裹，与金属热沉1061内壁紧密接触。
激光器工作过程中产生的废热传递到金属热沉1061上，为了能够将这部分热量迅速转移，实现激光晶体的精确温控，采用半导体制冷器1063。半导体制冷器1063最大制冷功率>50 W，最大工作电压10 V，能够实现将废热由半导体制冷器1063的上表面（冷面）迅速转移到下表面（热面）。半导体制冷器1063的下表面与热沉底座1064通过高导热率导热硅脂紧密接触，之后将热沉底座1064固定到水冷板，该水冷板与半导体制冷器1063散热不同，水冷板内部结构有水道，通过水管结构与外置水冷机相连，最大水流量>6 L/min，水冷温度18～22℃。
具有Nd:GdVO4键合晶体的第二激光晶体模块112结构与第一激光晶体模块106结构相同，此处不再赘述。
Nd:YVO4激光晶体和Nd:GdVO4键合晶体的有效激光截面和泵浦吸收系数不同，Nd:YVO4晶体的有效激光截面为
Figure SMS_82
，Nd:GdVO4晶体的有效激光截面不足一半仅为/>
Figure SMS_83
；而对于相同的Nd离子掺杂浓度，比如1%，对应的Nd:YVO4晶体的吸收系数约41 cm-1，比Nd:GdVO4晶体的57 cm-1吸收系数略低。因此，为了获得较高功率的纳米激光输出，需要增加晶体长度和浓度来提高增益，进而提升谐振腔内提取效率。Nd:GdVO4晶体端面为/>
Figure SMS_84
正方形，长度为15 mm，其中，包含左侧1.5 mm长度的未掺杂Nd3+离子部分，以及13.5 mm长度掺杂浓度为0.9%的晶体部分。
本实施例中，第一激光晶体模块106和第二激光晶体模块112的作用在于实现激光晶体的精确温控，进而保证较高的激光输出和优异的光束质量。
如图7所示，在一个实施例中，偏振调谐模块300包括沿光输出方向依次设置的半波片301和第二偏振分光棱镜302，以及沿第二偏振分光棱镜302的反射方向依次设置的第三45°全反镜303、第一带通滤波器305和第一激光输出端口306；沿第二偏振分光棱镜302的透射方向依次设置的第二带通滤波器308和第二激光输出端口309，以及设置在第一带通滤波器305下游光路上的第一激光吸收器304，设置在第二带通滤波器308下游光路上的第二激光吸收器307。
其中，半波片301设置在输出腔镜114的下游光路上，半波片301用于将第三激光的偏振方向在0°～90°之间调整，并射向第二偏振分光棱镜302。也就是说，通过对半波片301旋转，调整半波片301与入射光之间的角度，使得1063 nm波长P线偏振激光，调整半波片301使得偏振方向旋转90°，将1063 nm变为S线偏振态；同时，输出腔镜114输出的1064 nm波长S线偏振光的偏振态方向旋转变成P线偏振态激光输出。
第二偏振分光棱镜302设置在半波片301下游光路上，第二偏振分光棱镜302用于将S偏振态的第三激光反射至第三45°全反镜303，以及将P偏振态的第三激光透射至第二带通滤波器308。也就是说，第二偏振分光棱镜302能够将第三激光中两种线偏振态激光分开，形成的透射光为1064 nm波长P线偏振光，反射光1063 nm波长S线偏振光折返，以使1064 nm波长P线偏振光和1063 nm波长S线偏振光分别进入对应的后向光路。
需要说明地是，如果半波片301调整为不改变偏振方向，则通过第二偏振分光棱镜302，透射光为nm波长P线偏振光，1064 nm波长S线偏振光折反分别进入后向光路。再有，如果旋转半波片301将偏振方向旋转一定角度，比如45°，对于1063 nm和1064 nm波长均包含两个线偏振态分量，当激光通过第二偏振分光棱镜302时，透射光仍然为P线偏振光，但包含两种波长。同样地，反射光依然为S线偏振光，也包含两种波长。因此，半波片301和第二偏振分光棱镜302的组合能够实现单一波长和双频激光下的偏振态调谐。
需要说明地是，第二偏振分光棱镜302的后向光路中，激光的波长及偏振态，根据前述的半波片301的旋转角度存在不同，下述内容以半波片301调整了激光的偏振态进行示例性地说明，但并非对内容的限定。
第三45°全反镜303设置在第二偏振分光棱镜302的下游光路上，第三45°全反镜303用于将S偏振态的第三激光反射至第一带通滤波器305。
第一带通滤波器305设置在第三45°全反镜303的下游光路上，第一带通滤波器305用于滤除S偏振态的第三激光中的第一噪声激光，形成第四激光，并将第一噪声激光射向第一激光吸收器304，以及将第四激光射向第一激光输出端口306。利用第一带通滤波器305将第一噪声激光分离出来，以便第一激光吸收器304。其中，第一噪声激光可包括残留的半导体泵浦激光和放大自发辐射噪声(ASE)激光。
第一激光吸收器304设置在第一带通滤波器305的下游光路上，第一激光吸收器304用于吸收第一噪声激光，从而避免第一噪声激光中残留的半导体泵浦激光和放大自发辐射噪声(ASE)激光影响最终输出激光的信噪比，以及限制实际应用。
第一激光输出端口306设置在第一带通滤波器305的下游光路上，第一激光输出端口306用于将第四激光输出至指定位置。
第二带通滤波器308设置在的第三45°全反镜303下游光路上，第二带通滤波器308用于滤除P偏振态的第三激光中的第二噪声激光，形成第五激光，并将第二噪声激光射向第二激光吸收器307，以及将第五激光射向第二激光输出端口309。第二噪声激光与第一招生激光的作用相同此处不再赘述。
第二激光吸收器307设置在第二带通滤波器308的下游光路上，第二激光吸收器307用于吸收第二噪声激光。第二激光吸收器307与第一激光吸收器304的作用相同此处不再赘述。
第二激光输出端口309设置在第二激光吸收器307的下游光路上，第二激光输出端口309用于将第五激光输出至指定位置。
需要说明地是，第一带通滤波器305和第二带通滤波器308均包括沿的输出方向依次设置，且粘合的窄带滤波片、有色玻璃片和截止带通滤波片。
窄带滤波片，用于对1064nm±5nm波段激光增透，对1070nm～1300nm之间波段激光以及对400nm～950nm的波段激光部分反射至对应的第一激光吸收器304和第二激光吸收器307。
有色玻璃片，用于反射滤除780 nm以下波段的激光。
截止带通滤波片，用于对950nm以下波段激光滤除。
其中，第一带通滤波器305和第二带通滤波器308分别与光轴夹角为0.5°～5°之间的值。
具体地，下面以第一带通滤波器305进行示例性地说明，第二带通滤波器308与第一带通滤波器305结构相同，此处不再赘述。
示例性地，第一带通滤波器305为1064nm的窄带滤光片，由三个镜片胶合组成，第一带通滤波器305损伤阈值可达500 MW/cm2。由于第一带通滤波器305属于反射型元件，即前置激光中的第一噪声激光被反射。因此，第一带通滤波器305的摆放角度需要特殊设计。第二带通滤波器308为1063nm的窄带滤光片，作用与第一带通滤波器305相同不再赘述。
如图6所示，本申请还提供了双频激光系统，包括双频激光装置、电源模块、上位机和水冷机，上位机分别连接电源模块、双频激光装置和水冷机。其中，双频激光装置由共谐振腔激光模块100和偏振调谐模块300构成。
其中，电源模块，用于为双频激光装置、上位机和水冷机供电。
水冷机，用于为双频激光装置制冷。
上位机，用于向双频激光装置、电源模块和水冷机下发指令。
具体地，双频激光系统还包括共谐振腔激光模块100以及控制模块，控制模块与共谐振腔激光模块100连接，控制模块至少用于控制共谐振腔激光模块100的工作。
第一激光晶体模块106和第一半导体泵浦101分别与电源模块和控制模块200连接。
电源模块用于输出直流电流，向第一半导体泵浦101驱动和半导体制冷器1063、第一激光晶体模块106中半导体制冷器1063，以及外置水冷机供电。
控制模块，用于控制T型谐振腔的两个激光器实际工作状态，并对各个器件的信号的监测和处理，监测和处理的信号至少包括传感器反馈信号、第一半导体泵浦101和第二半导体泵浦107的电流电压工作信号、水冷机反馈信号等。通过共谐振腔激光模块100和电源模块和控制模块能够实现输出激光反馈调节功能。
此外，本申请分别实测了第一激光晶体模块106和第二激光晶体模块112在工作过程中温控数据，验证反馈调节功能，如图7所示，将第一激光晶体模块106的制冷温度设置为22℃，通过激光增益介质附近的温度传感器对温度进行实时连续记录，通过超过30 min的测试数据，温度峰峰不稳定性<0.93%，方均差不稳定性<0.12% rms，结果表明本申请中的第一激光晶体模块106和第二激光晶体模块112具有高效率散热和精确温控的能力，为高功率的激光功率输出提供有利的技术支撑。本申请还通过实验实测对双频激光装置及系统进行了验证。
（1）设置不同的第一半导体泵浦101和第二半导体泵浦107的工作电流，实现由输出腔镜114输出不同功率的双频激光，调整半波片301使其旋转方向为90°，即1064 nm波长的P线偏振光由第二激光输出端口309输出，1063 nm波长的S线偏振光由第一激光输出端口306输出。分别调整两个半导体泵浦的输出功率，采用Thorlabs公司的S425C-L探头和PM100D表头测试输出功率，如图8所示，圆点为第一半导体泵浦101不同工作电流下的实测数据，发现当第一半导体泵浦101输出功率为2.2 W时，此时，为激光出光阈值，随着泵浦功率逐渐增大，输出功率随之增大，当泵浦功率达到27.3 W时，此时，工作电流为11.2 A，对应最大的平均功率输出4.82 W。实测数据满足输出曲线y=186.56x-222.88，对应1064 nm波长工作斜效率为18.7%，此时，为P线偏振态。六边形点为第二半导体泵浦107不同工作电流下的实测数据，发现当第一半导体泵浦101输出功率为5.9 W时，此时，为激光出光阈值，随着泵浦功率逐渐增大，输出功率随之增大，当泵浦功率达到28.2 W时，此时，工作电流为11.4A，对应最大的平均功率输出4.76 W，实测数据满足输出曲线y=214.63x-1087.13，对应1063nm波长工作斜效率为21.5%，此时，为S线偏振态。三角形点展示了两种波长的总功率测试数据，发现最大输出功率为9.58 W，达到了10 W的输出量级，比通常双频激光结构提升了近一个数量级。
（2）对激光器最大输出功率稳定性进行了测试，依然采用Thorlabs公司的S425C-L探头和PM100D表头测试，以0.3 s/单次为步进连续记录超过2小时，图9给出了共谐振腔输出线偏振1064 nm最大功率下的稳定性测试结果，峰峰值稳定性<0.93%，均方根稳定性<0.13 rms。同样测试了共谐振腔输出线偏振1063 nm最大功率下的稳定性。如图10所示，输出功率数据峰峰值稳定性<0.87%，均方根稳定性<0.26% rms。结果表明，具有较高的输出功率稳定性。
（3）对双频激光的光谱特性进行测试验证，采用YOKOGAWA（AQ6373B）光谱分析仪实测激光光谱，分辨率0.02 nm，发现对应两种波长下，随着各自泵浦功率的提升，中心波长均向长波方向移动，如图11所示。原因在于尽管激光晶体模块可以高效率散热，但谐振腔腔内功率提升会造成晶体的热效应加剧，进而导致波长红移。对于1064 nm波长激光（虚线），阈值附近时对应最小的中心波长1064.51 nm，随着输出激光功率升高，中心波长在最大输出功率4.82 W时增大为1064.80 nm，此时对应光谱宽度（3dB）为0.15 nm；对于1063 nm波长激光，阈值附近时对应最小的中心波长1063.21 nm，对应光谱宽度（3dB）为0.19 nm，随着输出激光功率升高，中心波长在最大输出功率4.76 W时增大为1063.52 nm。本申请中主要是面向太赫兹应用，两种波长激光频率差（the frequency separation）与中心波长、中心波长差、光路有关，经过计算达到了0.476 THz，拓展了太赫兹领域的应用。
（4）测试了双频激光输出的光束质量，为实际加工或者检测应用过程中的关键技术参数之一。采用Duma Optronics（BeamOn WSR UV-NIR）光束质量测试，对于1064nm波长激光光束，在x和y方向的光束质量因子分别为1.132和1.155。同时，基于该设备测试1063nm波长激光光束，在x和y方向的光束质量因子分别为1.150和1.179。结果表明本申请提出的装置能够实现高光束质量的激光输出。
综上所述，本申请提出的一种双频激光装置，能够提升1064 nm和1063 nm双频激光输出总平均功率达到10 W量级，比通常的技术参数提高一个数量级。同时，基于偏振调谐光路，采用对应参数设计的半波片301、高损伤阈值偏振分光棱镜、带通滤波器等光学器件，实现了双通道双频激光输出，正交偏振态可切换，拓展了实际应用范围，尤其为太赫兹光产生提供了有利的技术支撑。
以上实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种双频激光装置，用于产生1064nm和1063nm双频激光，其特征在于，包括：
谐振腔，以及设置在所述谐振腔下游光路上的偏振调谐模块；
所述谐振腔内包括第一谐振腔和第二谐振腔，所述第一谐振腔和所述第二谐振腔的光路呈正交排布，且构成T型共谐振腔结构；其中，所述第一谐振腔包括沿光的输出方向依次设置的第一腔镜和第一激光晶体模块；所述第二谐振腔包括沿光的输出方向依次设置的第二腔镜和第二激光晶体模块；所述第一谐振腔和所述第二谐振腔还包括共用的第一偏振分光棱镜和输出腔镜；其中，
所述第一腔镜，用于将射向其的第一泵浦光，以及激光透射至所述第一激光晶体模块，并反射波长为1064nm和波长为1063nm的激光；
所述第一激光晶体模块，用于为产生1064nm激光提供增益介质，形成第一激光，并射向所述第一偏振分光棱镜；
所述第二腔镜，用于将射向其的第二泵浦光，以及激光透射至所述第二激光晶体模块，并反射波长为1064nm和波长为1063nm的激光；
所述第二激光晶体模块，用于为产生1063nm激光提供增益介质，形成第二激光，并射向所述第一偏振分光棱镜；
所述第一偏振分光棱镜，设置在所述第一激光晶体模块和所述第二激光晶体模块的下游光路上，用于将所述第一激光中的S偏振态的激光反射以及将所述第二激光中的P偏振态的激光透射，形成第三激光，输出至所述输出腔镜；
所述偏振调谐模块，设置在所述输出腔镜的下游光路上，用于将所述第三激光出至指定位置，且能调整第三激光的偏振态；其中，
谐振腔包括以所述输出腔镜作为参考面，确定的稳定腔，所述稳定腔包括第一稳区和第二稳区，在所述第一谐振腔和所述第二谐振腔的工作点分别由所述第一稳区进入所述第二稳区的情况下，所述双频激光装置的工作点为第一谐振腔和第二谐振腔的工作曲线在所述第二稳区的交汇点。
2.如权利要求1所述的双频激光装置，其特征在于，在所述第一腔镜的上游光路上，沿光的输出方向依次设有第一半导体泵浦、第一平凸透镜、第二平凸透镜和第一45°全反镜；
所述第一半导体泵浦，用于向所述第一平凸透镜射出所述第一泵浦光；
所述第一平凸透镜和所述第二平凸透镜构成4F光学系统，用于对所述第一泵浦光整形，并将整形后的所述第一泵浦光射向所述第一45°全反镜；
所述第一45°全反镜，用于将所述第一泵浦光反射至所述第一腔镜。
3.如权利要求1所述的双频激光装置，其特征在于，所述第二腔镜的上游光路上，沿光的输出方向依次设有第二半导体泵浦、第三平凸透镜、第四平凸透镜和第二45°全反镜；
所述第二半导体泵浦，用于向所述第三平凸透镜射出所述第二泵浦光；
所述第三平凸透镜和所述第四平凸透镜构成4F光学系统，用于对所述第二泵浦光整形，并将整形后的所述第二泵浦光射向所述第二45°全反镜；
所述第二45°全反镜，用于将所述第二泵浦光反射至所述第二腔镜。
4.如权利要求1所述的双频激光装置，其特征在于，所述稳定腔基于所述第一谐振腔设计，所述稳定腔的结构和参数通过如下方式确定：
建立所述第一谐振腔abcd矩阵：
Figure QLYQS_1
；
对应所述第一谐振腔的ABCD矩阵公式为：
Figure QLYQS_2
；
Figure QLYQS_3
；
Figure QLYQS_4
；
Figure QLYQS_5
；
Figure QLYQS_6
；
Figure QLYQS_7
；
Figure QLYQS_8
；
其中，
Figure QLYQS_9
为所述第一腔镜与所述第一激光晶体模块中心之间的距离，/>
Figure QLYQS_10
为第一激光晶体模块的热透镜焦距，/>
Figure QLYQS_11
为所述输出腔镜与所述第一激光晶体模块等效热透镜中心之间距离，/>
Figure QLYQS_12
为所述第一腔镜的曲率半径，/>
Figure QLYQS_13
为所述输出腔镜的曲率半径，/>
Figure QLYQS_14
为/>
Figure QLYQS_15
；
所述稳定腔的稳定条件为
Figure QLYQS_16
，所述稳定腔的稳定条件用于得出所述谐振腔的稳区图和所述第一激光工作状态的运动曲线。
5.如权利要求4所述的双频激光装置，其特征在于，所述稳定腔基于所述第二谐振腔设计，所述稳定腔的结构和参数通过如下方式确定：
建立所述第二谐振腔的abcd矩阵：
Figure QLYQS_17
；
对应所述第二谐振腔的ABCD矩阵公式为：
Figure QLYQS_18
；
Figure QLYQS_19
；
Figure QLYQS_20
；
Figure QLYQS_21
；/>
Figure QLYQS_22
；
Figure QLYQS_23
；
Figure QLYQS_24
；
其中，
Figure QLYQS_25
为所述第二腔镜与所述第二激光晶体模块中心之间的距离，/>
Figure QLYQS_26
为第二激光晶体模块的热透镜焦距，/>
Figure QLYQS_27
为所述输出腔镜与所述第二激光晶体模块等效热透镜中心之间距离，/>
Figure QLYQS_28
为所述第二腔镜的曲率半径，/>
Figure QLYQS_29
为所述输出腔镜的曲率半径，/>
Figure QLYQS_30
为/>
Figure QLYQS_31
；
所述稳定腔的稳定条件为
Figure QLYQS_32
，所述稳定腔的稳定条件用于得出所述谐振腔的稳区图和所述第二激光工作状态的运动曲线，所述双频激光装置的工作点为所述第二激光工作状态的运动曲线与所述第一激光工作状态的运动曲线的交汇点。
6.如权利要求1-5中任一项所述的双频激光装置，其特征在于，所述第一激光晶体模块包括
Figure QLYQS_33
键合晶体；所述第二激光晶体模块包括/>
Figure QLYQS_34
键合晶体。
7.如权利要求6所述的双频激光装置，其特征在于，所述第一激光晶体模块和第二激光晶体模块均包括金属热沉结构、半导体制冷器和热沉底座，所述半导体制冷器的上表面与所述金属热沉结构贴合，下表面与所述热沉底座贴合；
所述
Figure QLYQS_35
键合晶体和/>
Figure QLYQS_36
键合晶体表面均采用铟箔包裹，并通过铟箔分别与所述金属热沉结构内壁紧密贴合，所述/>
Figure QLYQS_37
键合晶体和/>
Figure QLYQS_38
键合晶体将工作产生的废热传递至所述金属热沉结构；
所述半导体制冷器，用于将金属热沉结构的废热由所述上表面传递至所述下表面；
所述热沉底座，用于转移所述下表面的废热。
8.如权利要求6所述的双频激光装置，其特征在于，所述偏振调谐模块包括沿光输出方向依次设置的半波片和第二偏振分光棱镜，以及沿所述第二偏振分光棱镜的反射方向依次设置的第三45°全反镜、第一带通滤波器和第一激光输出端口，沿所述第二偏振分光棱镜的透射方向依次设置的第二带通滤波器和第二激光输出端口，以及设置在所述第一带通滤波器下游光路上的第一激光吸收器，设置在所述第二带通滤波器下游光路上的第二激光吸收器；
所述半波片，用于将所述第三激光的偏振方向在0°～90°之间调整，并射向所述第二偏振分光棱镜；
所述第二偏振分光棱镜，用于将S偏振态的所述第三激光反射至所述第三45°全反镜，以及将所述P偏振态的所述第三激光透射至所述第二带通滤波器；
所述第三45°全反镜，用于将S偏振态的所述第三激光反射至所述第一带通滤波器；
所述第一带通滤波器，用于滤除S偏振态的所述第三激光中的第一噪声激光，形成第四激光，并将所述第一噪声激光射向所述第一激光吸收器，以及将所述第四激光射向所述第一激光输出端口；
所述第一激光吸收器，用于吸收所述第一噪声激光；
所述第一激光输出端口，用于将所述第四激光输出至指定位置；
所述第二带通滤波器，用于滤除P偏振态的所述第三激光中的第二噪声激光，形成第五激光，并将所述第二噪声激光射向所述第二激光吸收器，以及将所述第五激光射向所述第二激光输出端口；
所述第二激光吸收器，用于吸收所述第二噪声激光；
所述第二激光输出端口，用于将所述第五激光输出至指定位置。
9.如权利要求8所述的双频激光装置，其特征在于，所述第一带通滤波器和所述第二带通滤波器均包括沿光的输出方向依次设置，且粘合的窄带滤波片、有色玻璃片和截止带通滤波片。
10.一种双频激光系统，其特征在于，包括如权利要求1-9中任一项所述的双频激光装置、电源模块、上位机和水冷机，所述上位机分别连接所述电源模块、所述双频激光装置和水冷机；
所述电源模块，用于为所述双频激光装置、上位机和水冷机供电；
所述水冷机，用于为所述双频激光装置制冷；
所述上位机，用于向所述双频激光装置、电源模块和水冷机下发指令。
CN202310416411.8A 2023-04-19 2023-04-19 一种双频激光装置及系统 Active CN116154595B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310416411.8A CN116154595B (zh) 2023-04-19 2023-04-19 一种双频激光装置及系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310416411.8A CN116154595B (zh) 2023-04-19 2023-04-19 一种双频激光装置及系统

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN116154595A true CN116154595A (zh) 2023-05-23
CN116154595B CN116154595B (zh) 2023-07-07

Family

ID=86356739

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202310416411.8A Active CN116154595B (zh) 2023-04-19 2023-04-19 一种双频激光装置及系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN116154595B (zh)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH08102564A (ja) * 1994-09-30 1996-04-16 Shimadzu Corp 波長変換レーザ装置
US5912910A (en) * 1996-05-17 1999-06-15 Sdl, Inc. High power pumped mid-IR wavelength systems using nonlinear frequency mixing (NFM) devices
US20060209912A1 (en) * 2005-03-18 2006-09-21 Pavilion Integration Corporation Monolithic microchip laser with intracavity beam combining and sum frequency or difference frequency mixing
JP2007027251A (ja) * 2005-07-13 2007-02-01 Ricoh Co Ltd レーザー装置
CN103869265A (zh) * 2014-03-26 2014-06-18 北京大学 用于光泵磁力仪的原子磁传感器
CN215732666U (zh) * 2021-09-07 2022-02-01 南京佰福激光技术有限公司 一种大功率高光束质量1064nm/1063nm双波长激光器

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH08102564A (ja) * 1994-09-30 1996-04-16 Shimadzu Corp 波長変換レーザ装置
US5912910A (en) * 1996-05-17 1999-06-15 Sdl, Inc. High power pumped mid-IR wavelength systems using nonlinear frequency mixing (NFM) devices
US20060209912A1 (en) * 2005-03-18 2006-09-21 Pavilion Integration Corporation Monolithic microchip laser with intracavity beam combining and sum frequency or difference frequency mixing
JP2007027251A (ja) * 2005-07-13 2007-02-01 Ricoh Co Ltd レーザー装置
CN103869265A (zh) * 2014-03-26 2014-06-18 北京大学 用于光泵磁力仪的原子磁传感器
CN215732666U (zh) * 2021-09-07 2022-02-01 南京佰福激光技术有限公司 一种大功率高光束质量1064nm/1063nm双波长激光器

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
YUTING ZHANG ET AL.: "Experimental investigation on the Y-type cavity tunable dual-wavelength laser based on neodymium-doped vanadate crystals", OPTICS COMMUNICATIONS, pages 2 *
余本海: "两级串接连续Nd∶YAG固体激光器的研究", 中国优秀博硕士学位论文全文数据库 (硕士)信息科技辑, pages 2 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN116154595B (zh) 2023-07-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101324265B1 (ko) 레이저 장치
JP4392024B2 (ja) モード制御導波路型レーザ装置
JP5330801B2 (ja) レーザ利得媒質、レーザ発振器及びレーザ増幅器
JP4883503B2 (ja) 多重光路の固体スラブレーザロッドまたは非線形光学結晶を用いたレーザ装置
CN103618205B (zh) 一种全固态单纵模黄光激光器
US20070053403A1 (en) Laser cavity pumping configuration
JP7037731B2 (ja) フォノンバンド端発光に基づく全固体大出力スラブレーザ
US6167069A (en) Thermal lens elimination by gradient-reduced zone coupling of optical beams
US20030063638A1 (en) Cooling of high power laser systems
WO2020118914A1 (zh) 一种高功率板条绿光激光器
CN105305207A (zh) 端面泵浦单程行波激光放大器
WO2023174034A1 (zh) 高亮度皮秒激光系统
JP2013135075A (ja) 固体レーザ増幅器、レーザ光増幅器、固体レーザ装置、およびレーザ装置
JP2000133863A (ja) 固体レーザ装置
JP2018129391A (ja) レーザ媒質ユニット、及び、レーザ装置
CN116154595B (zh) 一种双频激光装置及系统
Xu et al. Diode-Pumped CW Laser Operation of a c-cut Nd: YAlO 3 Crystal on Low-Gain Emission Lines Around 1.1$\mu\textrm {m} $
CN109103738B (zh) 一种全泵浦范围零生热的固体激光器
CN111193168A (zh) 可切换输出的变波长激光器
CN113572001B (zh) 一种基于掺杂浓度渐变晶体的单端泵浦调q激光器
CN114883896A (zh) 一种2μm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
CN110838666A (zh) 低量子亏损的薄片激光器及其激光输出方法
JP2011254035A (ja) 固体レーザ装置
CN102263364A (zh) 泵浦光高效利用的端面泵浦激光器

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
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant