CN117060217A - 一种大能量单频日盲紫外激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大能量单频日盲紫外激光器，属于激光技术领域，包括种子源模块、光纤放大器模块、固体放大器模块和倍频模块。种子源模块用于产生具有单频特性的基频激光。种子源模块输出端与光纤放大器模块输入端连接，光纤放大器模块输出端与固体放大器模块输入端连接，倍频模块输入端与固体放大器模块输入端连接。本发明的大能量单频日盲紫外激光器，其通过种子源模块输出具有单频特性的基频激光，再通过光纤放大器模块对该激光进行放大，且经过光纤放大器模块的激光质量好且稳定。再通过固体放大器模块对该激光进行放大，使得输出的激光能量较大。最后通过倍率模块能够输出单频、高稳定性、高光束质量和大能量的日盲紫外激光。

Description

一种大能量单频日盲紫外激光器
技术领域
本发明属于激光技术领域，具体涉及一种大能量单频日盲紫外激光器。
背景技术
紫外线是阳光中频率为750THz～30PHz，对应真空中波长为400nm～10nm的光线。由于太阳辐射中240-280nm波段被大气臭氧层强烈吸收，因此使得该波段激光在近地面区域形成日盲区，即日盲紫外波段。以单频日盲紫外波段为工作载体的激光系统，能有效降低误码率和太阳辐射产生的高背景噪声，在激光通信、激光成像、气体检测等领域发挥着至关重要的作用。
目前获得单频日盲紫外的方式主要采用808nm泵浦Nd:YAG晶体获得1064nm，再四倍频至266nm，因多次非线性效应和频率选择过程，其光光转换效率较低(＜3％)。或者采用半导体直接获得，但其成本较高。
目前获得单频日盲紫外激光的技术还会以环形腔的方式输出窄线宽基频光结合腔内倍频获得窄线宽紫外激光，但其存在结构复杂、稳定性较差的问题，主要由于环形腔各反射镜精度需要具有较高调谐精度，且F-P标准具也对角度有着极高的精度要求。并且，此种方式输出的输出功率和单脉冲能量较低。更进一步地，线宽和功率存在严重的负相关关系，即缩小激光线宽，则输出功率将迅速下降，无法保障窄线宽和高功率特性兼备。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求中的一种或者多种，本发明提供了一种大能量单频日盲紫外激光器，包括种子源模块、光纤放大器模块、固体放大器模块和倍频模块；
所述种子源模块包括第一半导体激光器、输入光栅、第一增益光纤、声光调Q模块、窄带输出光栅和第一隔离器；
所述第一半导体激光器输出端与所述输入光栅输入端连接，所述输入光栅输出端与所述第一增益光纤输入端连接，所述第一增益光纤输出端与所述声光调Q模块输入端连接，所述声光调Q模块输出端与所述窄带输出光栅输入端连接，所述窄带输出光栅输出端与所述第一隔离器输入端连接；所述第一隔离器输出高信噪比的单频激光；
所述光纤放大器模块包括第二半导体激光器、合束器和普通放大模块；所述第一隔离器输出端与所述合束器输入端连接，所述第二半导体激光器输出端与所述合束器输入端连接，所述合束器输出端与所述普通放大模块输入端连接；
所述固体放大器模块包括偏振分光镜、第三半导体激光器和偏振放大模块；
所述普通放大模块输出端与所述偏振分光镜输入端连接，所述偏振分光镜输出端与所述偏振放大模块输入端连接，所述第三半导体激光器输出端与所述偏振放大模块输入端连接，所述偏振放大模块对光进行偏振放大后将光输出至所述偏振分光镜，所述偏振分光镜将放大后的光折射进入所述倍频模块。
作为本发明的进一步改进，所述普通放大模块包括第二增益光纤、第二隔离器和准直器；
所述合束器输出端与所述第二增益光纤输入端连接，所述第二增益光纤输出端与所述第二隔离器的输入端连接，所述第二隔离器的输出端与所述准直器的输入端连接。
作为本发明的进一步改进，所述第二半导体激光器为光纤耦合输出的半导体激光器，其输出波长对应所述第二增益光纤的吸收峰；所述第二增益光纤为稀土掺杂的激光光纤；所述第二隔离器为反向光隔离器；所述准直器为对出射激光进行准直的光学透镜。
作为本发明的进一步改进，所述偏振放大模块包括第一激光晶体、激光玻片和反射镜；所述偏振分光镜输出端与所述第一激光晶体输入端连接，所述第三半导体激光器输出端与所述第一激光晶体连接，所述第一激光晶体输出端与所述激光玻片连接，所述激光玻片与所述反射镜连接。
作为本发明的进一步改进，所述偏振分光镜为对基频光进行偏振滤波的偏振分光镜；所述第三半导体激光器为大功率半导体激光阵列，其输出波长和所述第一激光晶体的吸收峰对应；所述激光玻片为对基频光进行四分之一波长延迟的玻片；所述反射镜为对基频光进行全反射的光学镜片。
作为本发明的进一步改进，所述倍频模块包括耦合光学器件和第二激光晶体；所述耦合光学器件输出端连接所述第二激光晶体的输入端。
作为本发明的进一步改进，所述耦合光学器件为对基频光进行缩束的光学系统；所述第二激光晶体为对基频光进行倍频的非线性激光晶体。
作为本发明的进一步改进，所述第一半导体激光器为光纤耦合输出的半导体激光器，其输出波长对应所述第一增益光纤的吸收峰；所述输入光栅为对所述第一半导体激光器高透过率对基频激光高反射率的光纤光栅；所述第一增益光纤为稀土掺杂的激光光纤；所述声光调Q模块为周期性产生腔内损耗的声光调Q器件；所述窄带输出光栅为对基频激光具有特定透过率和滤波功能的窄带光栅；所述第一隔离器为反向光隔离器。
作为本发明的进一步改进，所述第一增益光纤为掺镨氟化铝玻璃材料(ALF3-YF3-PbF2)的激光光纤。
作为本发明的进一步改进，所述第一半导体激光器产生443nm的蓝光激光。
上述改进技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有的有益效果包括：
(1)本发明的大能量单频日盲紫外激光器，其通过种子源模块输出具有单频特性的基频激光，再通过光纤放大器模块对该激光进行放大，且经过光纤放大器模块的激光质量好且稳定。再通过固体放大器模块对该激光进行放大，使得输出的激光能量较大。最后通过倍率模块能够输出单频、高稳定性、高光束质量和大能量的日盲紫外激光。
(2)本发明的大能量单频日盲紫外激光器，其种子源模块和光纤放大模块采用全光纤结构获得高光束质量、单频的基频种子激光，可保证最终经倍频出射的日盲紫外激光具有极高的单频特性(MHz)和光束质量(M2≤1.5)特性，即出射激光质量良好且稳定。
(3)本发明的大能量单频日盲紫外激光器，其通过采用光纤-固体混合放大的方式，可在保证在光束质量、单频特性的前提下，大幅提升基频光和日盲紫外激光(倍频光)的输出功率和单脉冲能量，使得最终经倍频出射的日盲紫外激光具有较大的能量。
(4)本发明的大能量单频日盲紫外激光器，其通过种子源模块、光纤放大模块和固体放大器模块获得的单频特性和大能量特性，能够提升倍频过程中的能量密度，进而提升了日盲紫外激光的光转换效率，使得整体转换效率较高，成本较低。
(5)本发明中的大能量单频日盲紫外激光器，其通过种子源模块输出具有单频特性的基频激光，再通过光纤放大器模块对该激光进行放大，经过光纤放大器模块的激光质量好且稳定。再通过固体放大器模块对该激光进行放大，使得输出的激光能量较大。最后通过倍率模块输出单频、高稳定性、高光束质量和大能量的日盲紫外激光。本发明的大能量单频日盲紫外激光器成本较低、光转换效率较高且效果良好，具有良好的实用价值和应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，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是本发明实施例中大能量单频日盲紫外激光器的整体结构示意图；
在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：
1、种子源模块；2、光纤放大器模块；3、固体放大器模块；4、倍频模块；
101、第一半导体激光器；102、输入光栅；103、第一增益光纤；104、声光调Q模块；105、窄带输出光栅；106、第一隔离器；
201、第二半导体激光器；202、合束器；203、第二增益光纤；204、第二隔离器；205、准直器；
301、偏振分光镜；302、第三半导体激光器；303、第一激光晶体；304、激光玻片；305、反射镜；
401、耦合光学器件；402、第二激光晶体。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
实施例：
请参阅图1，本发明优选实施例中的大能量单频日盲紫外激光器包括种子源模块1、光纤放大器模块2、固体放大器模块3和倍频模块4，其中种子源模块1用于产生具有单频特性的基频激光。
具体地，优选实施例中种子源模块1输出端与光纤放大器模块2输入端连接，光纤放大器模块2输出端与固体放大器模块3输入端连接，倍频模块4输入端与固体放大器模块3输入端连接。
进一步地，优选实施例中种子源模块1包括第一半导体激光器101、输入光栅102、第一增益光纤103、声光调Q模块104、窄带输出光栅105和第一隔离器106。
详细地，优选实施例中第一半导体激光器101输出端与输入光栅102输入端连接，输入光栅102输出端与第一增益光纤103输入端连接，第一增益光纤103输出端与声光调Q模块104输入端连接，声光调Q模块104输出端与窄带输出光栅105输入端连接，窄带输出光栅105输出端与第一隔离器106输入端连接。第一隔离器106输出高信噪比的单频激光。
其中，优选实施例中第一半导体激光器101为光纤耦合输出的半导体激光器，其输出波长对应第一增益光纤103的吸收峰，其具体产生443nm的蓝光激光。输入光栅102为对第一半导体激光器101高透过率对基频激光高反射率的光纤光栅。第一增益光纤103为稀土掺杂的激光光纤，具体可选用掺镨氟化铝玻璃材料(ALF3-YF3-PbF2)的激光光纤。声光调Q模块104为周期性产生腔内损耗的声光调Q器件。窄带输出光栅105为对基频激光具有特定透过率和滤波功能的窄带光栅。第一隔离器106为反向光隔离器。此时，输出单频522nm绿光激光。
更进一步地，优选实施例中光纤放大器模块2包括第二半导体激光器201、合束器202和普通放大模块，普通放大模块具体包括第二增益光纤203、第二隔离器204和准直器205。
更详细地，优选实施例中第二半导体激光器201输出端和第一隔离器106输出端与合束器202输入端连接，合束器202输出端与第二增益光纤203输入端连接，第二增益光纤203输出端与第二隔离器204的输入端连接，第二隔离器204的输出端与准直器205的输入端连接。此时输出放大后的激光。
其中，优选实施例中第二半导体激光器201为光纤耦合输出的半导体激光器，其输出波长对应第二增益光纤203的吸收峰。第二增益光纤203为稀土掺杂的激光光纤，具体可选用掺镨氟化铝玻璃材料(ALF3-YF3-PbF2)的激光光纤。第二隔离器204为反向光隔离器。准直器205为对出射激光进行准直的光学透镜。
优选地，优选实施例中固体放大器模块3包括偏振分光镜301、第三半导体激光器302和偏振放大模块，偏振放大模块具体包括第一激光晶体303、激光玻片304和反射镜305。偏振放大模块对光进行偏振放大后将光输出至偏振分光镜301，偏振分光镜301将放大后的光折射进入倍频模块4。
具体地，优选实施例中准直器205输出端与偏振分光镜301输入端连接，偏振分光镜301输出端与第一激光晶体303连接，第三半导体激光器302输出端与第一激光晶体303连接，第一激光晶体303输出端与激光玻片304连接，激光玻片304与反射镜305连接。此时能够输出大能量的激光。
其中，优选实施例中偏振分光镜301为对基频光进行偏振滤波的偏振分光镜。第三半导体激光器302为大功率半导体激光阵列，其输出波长和第一激光晶体303的吸收峰对应。第一激光晶体303为和第二增益光纤203同类掺杂的激光晶体，具体可选用掺镨氟化钇锂材料(Pr:YLF)的激光晶体。激光玻片304为对基频光进行四分之一波长延迟的玻片。反射镜305为对基频光进行全反射的光学镜片。
此外，优选实施例中倍频模块4包括耦合光学器件401和第二激光晶体402。激光经过固体放大器模块3放大和旋转偏振方向后，返回偏振分光镜301处且偏振分光镜301对其进行折射使激光进入耦合光学器件401输入端。耦合光学器件401输出端连接第二激光晶体402的输入端。
其中，优选实施例中耦合光学器件401为对基频光进行缩束的光学系统，第二激光晶体402为对基频光进行倍频的非线性激光晶体，具体可选择三硼酸锂(LBO)的激光晶体。
具体实施时，第一半导体激光器101产生443nm蓝光激光，通过输入光栅102耦合进入第一增益光纤103中，在第一增益光纤103、声光调Q模块104和输入光栅102的共同作用下，产生单频522nm绿光激光。经窄带输出光栅105对边模和泵浦光进行滤波后，高信噪比的522nm单频激光经第一隔离器106后同产生443nm的第二半导体激光器201耦合进入(2+1)×1的合束器202，再进入第二增益光纤203中进行放大，放大后的激光经过第二隔离器204、准直器205和偏振分光镜301后耦合进入第一激光晶体303，在产生443nm大功率激光的第三半导体激光器302的作用下，激光经过一次固体放大后再经激光玻片304后，偏振方向旋转45°，经过反射镜305后，传播方向发生90°改变，再次经过激光玻片304后，偏振方向整体旋转90°后入射至第一激光晶体303中，从另一偏振方向提取能量并进行二次放大，此时偏振方向已发生90°改变的激光经过偏振分光镜301进行偏振选择后从另一方向输出并进入到耦合光学器件401进行缩束处理，最终经过第二激光晶体402后，输出单频、大能量的261nm日盲紫外激光。
本发明中的大能量单频日盲紫外激光器，其通过种子源模块输出具有单频特性的基频激光，再通过光纤放大器模块对该激光进行放大，且经过光纤放大器模块的激光质量好且稳定。再通过固体放大器模块对该激光进行放大，使得输出的激光能量较大。最后通过倍率模块输出单频、高稳定性、高光束质量和大能量的日盲紫外激光。本发明的大能量单频日盲紫外激光器成本较低，光转换效率较高且效果良好，具有良好的实用价值和应用前景。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种大能量单频日盲紫外激光器，其特征在于，包括种子源模块、光纤放大器模块、固体放大器模块和倍频模块；
所述种子源模块包括第一半导体激光器、输入光栅、第一增益光纤、声光调Q模块、窄带输出光栅和第一隔离器；
所述第一半导体激光器输出端与所述输入光栅输入端连接，所述输入光栅输出端与所述第一增益光纤输入端连接，所述第一增益光纤输出端与所述声光调Q模块输入端连接，所述声光调Q模块输出端与所述窄带输出光栅输入端连接，所述窄带输出光栅输出端与所述第一隔离器输入端连接，所述第一隔离器输出高信噪比的单频激光；
所述光纤放大器模块包括第二半导体激光器、合束器和普通放大模块；所述第一隔离器输出端与所述合束器输入端连接，所述第二半导体激光器输出端与所述合束器输入端连接，所述合束器输出端与所述普通放大模块输入端连接；
所述固体放大器模块包括偏振分光镜、第三半导体激光器和偏振放大模块；
所述普通放大模块输出端与所述偏振分光镜输入端连接，所述偏振分光镜输出端与所述偏振放大模块输入端连接，所述第三半导体激光器输出端与所述偏振放大模块输入端连接，所述偏振放大模块对光进行偏振放大后将光输出至所述偏振分光镜，所述偏振分光镜将放大后的光折射进入所述倍频模块。
2.根据权利要求1所述的大能量单频日盲紫外激光器，其特征在于，所述普通放大模块包括第二增益光纤、第二隔离器和准直器；
所述合束器输出端与所述第二增益光纤输入端连接，所述第二增益光纤输出端与所述第二隔离器的输入端连接，所述第二隔离器的输出端与所述准直器的输入端连接。
3.根据权利要求2所述的大能量单频日盲紫外激光器，其特征在于，所述第二半导体激光器为光纤耦合输出的半导体激光器，其输出波长对应所述第二增益光纤的吸收峰；所述第二增益光纤为稀土掺杂的激光光纤；所述第二隔离器为反向光隔离器；所述准直器为对出射激光进行准直的光学透镜。
4.根据权利要求1所述的大能量单频日盲紫外激光器，其特征在于，所述偏振放大模块包括第一激光晶体、激光玻片和反射镜；所述偏振分光镜输出端与所述第一激光晶体输入端连接，所述第三半导体激光器输出端与所述第一激光晶体连接，所述第一激光晶体输出端与所述激光玻片连接，所述激光玻片与所述反射镜连接。
5.根据权利要求4所述的大能量单频日盲紫外激光器，其特征在于，所述偏振分光镜为对基频光进行偏振滤波的偏振分光镜；所述第三半导体激光器为大功率半导体激光阵列，其输出波长和所述第一激光晶体的吸收峰对应；所述激光玻片为对基频光进行四分之一波长延迟的玻片；所述反射镜为对基频光进行全反射的光学镜片。
6.根据权利要求1所述的大能量单频日盲紫外激光器，其特征在于，所述倍频模块包括耦合光学器件和第二激光晶体；所述耦合光学器件输出端连接所述第二激光晶体的输入端。
7.根据权利要求6所述的大能量单频日盲紫外激光器，其特征在于，所述耦合光学器件为对基频光进行缩束的光学系统；所述第二激光晶体为对基频光进行倍频的非线性激光晶体。
8.根据权利要求1所述的大能量单频日盲紫外激光器，其特征在于，所述第一半导体激光器为光纤耦合输出的半导体激光器，其输出波长对应所述第一增益光纤的吸收峰；所述输入光栅为对所述第一半导体激光器高透过率对基频激光高反射率的光纤光栅；所述第一增益光纤为稀土掺杂的激光光纤；所述声光调Q模块为周期性产生腔内损耗的声光调Q器件；所述窄带输出光栅为对基频激光具有特定透过率和滤波功能的窄带光栅；所述第一隔离器为反向光隔离器。
9.根据权利要求8所述的大能量单频日盲紫外激光器，其特征在于，所述第一增益光纤为掺镨氟化铝玻璃材料(ALF3-YF3-PbF2)的激光光纤。
10.根据权利要求8中所述的大能量单频日盲紫外激光器，其特征在于，所述第一半导体激光器产生443nm的蓝光激光。
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