CN117856025A - 一种可调谐单纵模固体激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于激光器技术领域，具体是涉及一种可调谐单纵模固体激光器。该发明包括多模半导体泵浦激光器、准直透镜、聚焦透镜、输入耦合镜、激光增益晶体、凹面反射镜、双折射滤波器、平面反射镜、啁啾MgO:PPLN晶体、法拉第旋转器、输出耦合镜和半波片。本发明采用所述双折射滤波器来限制激光线宽和进行波长调谐，再通过啁啾MgO:PPLN晶体产生的倍频效应来抑制边模，从而实现可调谐单纵模激光输出。其优点在于使用啁啾MgO:PPLN作为倍频晶体，可以对激光增益晶体辐射带宽内任意波长产生倍频效应，从而在调谐过程中无需改变倍频晶体的温度。
Description
技术领域
本发明属于激光器技术领域，具体是涉及一种可调谐单纵模固体激光器。
背景技术
可调谐单纵模固体激光器目前被作为一种优质光源，其在冷原子物理、高精度光学测量、量子光学等领域发挥着重要作用。利用固体激光器产生可调谐单纵模激光输出，其关键技术在于如何实现腔内激光的单纵模运转。目前，单纵模选择技术大致可以分为两种，一种是通过增大谐振腔内相邻纵模间的净增益差，从而滤出单个纵模，实现激光器的单纵模输出；另外一种是消除增益介质中的空间烧孔效应，通过增益竞争来实现单纵模运转。第一种方法的缺点在于很难实现滤波器的透射带宽小于2个纵模的间隔，而第二种方法通常只适用于低功率情况下，当功率较高时，激光晶体的热效应会使激光器从单纵模运转演变成多纵模运转。因此，为了更简单地实现稳定的单纵模激光输出，通常需要将两种单纵模选择技术结合起来。
目前，可调谐单纵模固体激光器广泛地采用环形腔结构来消除空间烧孔效应，利用腔内倍频效应增大相邻纵模间的净增益差，结合可调谐滤波器实现激光波长的调谐输出，结构简单紧凑。但同时也存在着利用滤波器进行波长调谐时，为了使倍频晶体(通常为LBO或BBO晶体)重新满足相位匹配关系，需要同步改变倍频晶体温度的问题，而温度调谐又是一个缓慢的过程，并且在波长调谐过程中，满足倍频效应所需要的晶体温度与腔内激光的波长不是完全的线性关系，导致需要在一个温度范围内找出最佳的匹配温度，从而增加了操作的复杂性。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明主要针对以上问题，提出了一种可调谐单纵模固体激光器，其目的是解决现有基于倍频效应的可调谐单纵模固体激光器在波长调谐过程中需要同步改变倍频晶体温度来重新满足相位匹配关系的问题。
(二)技术方案
为实现上述目的，本发明提供了一种可调谐单纵模固体激光器，包括：
多模半导体泵浦激光器，用于产生泵浦光；
准直透镜和聚焦透镜，其位于所述多模半导体泵浦激光器之后，用于组成望远系统，将多模半导体泵浦激光器输出的激光聚焦到激光增益晶体的正中心；
输入耦合镜，用于连接所述望远系统和激光增益晶体，对泵浦光高透，对腔内振荡激光高反；
激光增益晶体，位于输入耦合镜和凹面反射镜的正中间，具有较宽的辐射带宽，如Yb：KYW，Yb:CALGO晶体等等；
双折射滤波器，以布儒斯特角位于所述凹面反射镜的光反射传输路径方向，用于限制腔内激光线宽和调谐激光波长，并且限制腔内振荡激光为水平方向偏振的线偏光；
平面反射镜，位于所述双折射滤波器之后；
啁啾MgO:PPLN晶体，位于所述平面反射镜和输出耦合镜的正中间，用于实现对激光晶体辐射宽带内任意波长产生倍频效应；
法拉第旋转器，位于啁啾MgO:PPLN晶体之后，用于将线偏振光偏振方向顺时针旋转45°；
输出耦合镜，位于法拉第旋转器之后，用于将腔内振荡的部分激光输出；
半波片，用于将经过所述法拉第旋转器后的偏振方向重新调整到水平偏振方向，与法拉第旋转器组合使用，结合激光晶体的偏振增益竞争关系，实现腔内振荡激光的单方向运转。
进一步地，由输入耦合镜、激光增益晶体、凹面反射镜、双折射滤波器、平面反射镜、啁啾MgO:PPLN晶体、法拉第旋转器、输出耦合镜以及半波片组成激光器谐振腔，所述激光器谐振腔为环形腔结构。
进一步地，所述激光器输出激光为线偏振光。
进一步地，与所述激光器谐振腔处于单方向运转状态，并且为顺时针方向。
进一步地，所述输入耦合镜和输出耦合镜都被镀有增透膜和高反膜。
进一步地，所述激光增益晶体具有宽幅射带宽，通过所述双折射滤波器在辐射带宽内进行波长调谐。
进一步地，所述双折射滤波器为离轴的石英晶体平板，以布儒斯特角插入到所述激光器谐振腔内。
进一步地，所述平面反射镜镀有高反膜。
进一步地，所述啁啾MgO:PPLN晶体的极化周期是线性变化的，包含了一个范围内的极化周期。
进一步地，所述法拉第旋转器用于将线偏振光偏振方向顺时针旋转45°。
(三)有益效果
与现有技术相比，本发明提供的一种可调谐单纵模固体激光器，使用了具有较宽的相位匹配带宽的啁啾MgO:PPLN倍频晶体和较宽辐射带宽的激光晶体，此结构使得激光器在整个激光波长调谐范围内都能产生一定的倍频效应。这样，就可以实现倍频晶体在恒定的温度下，对激光晶体辐射带宽内任意波长产生倍频效应，进而只需通过滤波器改变激光器的中心波长，就可以获得波长可调谐的单纵模激光输出，大大降低了操作的复杂性。
附图说明
图1为本申请披露的一种可调谐单纵模固体激光器的光路示意图。
图中所示的附图标记：1、多模半导体泵浦激光器；2、准直透镜；3、聚焦透镜；4、输入耦合镜；5、激光增益晶体；6、凹面反射镜；7、双折射滤波器；8、平面反射镜；9、啁啾MgO:PPLN晶体；10、法拉第旋转器；11、输出耦合镜；12、半波片。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”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。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1所示，本实施例提供了一种可调谐单纵模固体激光器，包括：
多模半导体泵浦激光器1，其主要功能是产生泵浦光。接着，安装了准直透镜2和聚焦透镜3，这两者均位于多模半导体泵浦激光器1之后，并组成一个望远系统，该望远系统可以将多模半导体泵浦激光器1输出的激光聚焦到激光增益晶体5的中心，实现粒子数的反转，其焦距比决定了聚焦到激光增益晶体5上的光斑大小。
此外，还设置了输入耦合镜4用于连接望远系统和激光增益晶体5。激光增益晶体5则接收来自输入耦合镜4的聚焦泵浦光，并位于输入耦合镜4和凹面反射镜6的正中间。
另外，使用了双折射滤波器7和平面反射镜8。双折射滤波器7位于凹面反射镜6的光反射传输路径方向上，它的作用是限制腔内激光线宽并调谐激光波长。而平面反射镜8则位于双折射滤波器7之后。
接着，设置了啁啾MgO：PPLN晶体9和法拉第旋转器10。啁啾MgO:PPLN晶体9位于平面反射镜8之后，它的作用是在宽的波长范围内产生倍频效应。而法拉第旋转器10则位于啁啾MgO:PPLN晶体9之后，主要用于将线偏振光的偏振方向顺时针旋转。
最后，安装了输出耦合镜11和半波片12。输出耦合镜11位于法拉第旋转器10之后，它用于将经过法拉第旋转器10顺时针旋转后的线偏振光传输至输入耦合镜4，并将腔内部分激光输出；而半波片12则被放置在输出耦合镜11和输入耦合镜4之间的光传输路径上，主要功能是将经过法拉第旋转器10后的偏振方向重新调整到水平偏振方向。
在一些实施例中，可调谐单纵模固体激光器采取一个四镜环形腔结构，由输入耦合镜4、激光增益晶体5、凹面反射镜6、双折射滤波器7、平面反射镜8、啁啾MgO:PPLN晶体9、法拉第旋转器10、输出耦合镜11以及半波片12组成，消除了空间烧孔效应。此外，该可调谐单纵模固体激光器的输出激光为线偏振光，处于单向运转状态，并且方向为顺时针，逆时针方向运转的水平线偏振光经过半波片12和法拉第旋转器10后，再次经过激光增益晶体5时的偏振方向为垂直方向，而激光增益晶体5在水平方向的增益截面积大于垂直方向的增益截面积，因而谐振腔内只存在顺时针方向运转。值得注意的是，输入耦合镜4和输出耦合镜11都被镀上了两种类型的膜层，一种增透膜用于提高泵浦光的透射效率，另一种高反膜用于对腔内振荡的激光进行高效反射。
激光增益晶体5具有很宽的辐射带宽，通过双折射滤波器7在辐射带宽内进行波长调谐，比如Yb：KYW、Yb：CALGO、Yb：KGW等等。同时，双折射滤波器7采用离轴的石英晶体平板，以布儒斯特角插入到激光器谐振腔内，用来限制腔内激光线宽和调谐激光波长，由于在谐振腔内以布儒斯特角插入了双折射滤波器平板，起到了偏振选择的作用，只有水平方向的线偏振光在腔内运转时的损耗最小。
平面反射镜8上还镀有高反膜，用于使腔内振荡的激光得到有效反射。此外，啁啾MgO:PPLN晶体9的极化周期线性变化，并且包含了一个范围内的极化周期，因而具有较宽的相位匹配带宽，使得在整个激光波长调谐范围内都能产生一定的倍频效应，而倍频效应会对边模产生比主振荡模式多一倍的损耗，从而实现了边模抑制作用，当倍频效应达到一定强度时，就可以实现单纵模激光输出。而法拉第旋转器10则负责将线偏振光的偏振方向顺时针旋转45°。
由于，本实施例提出的这款可调谐单纵模固体激光器，相比于目前常见的使用LBO或BBO倍频晶体产生倍频效应来实现单纵模激光输出的方式，它采用的啁啾MgO:PPLN倍频晶体9能够在恒定的温度下，满足对宽波长调谐范围内任意波长产生一定的倍频效应。因此，只需通过双折射滤波器7改变多模半导体泵浦激光器1的中心波长，就可以得到波长可调谐的单纵模激光输出，大大简化了操作过程。
在一些优选的实施例中，多模半导体泵浦激光器1的中心波长为976nm，最大输出功率为30W，作为整个系统的泵浦光，其泵浦端尾纤为多模光纤，其纤芯直径为105μm，包层直径为125μm，纤芯数值孔径为0.22，通过控制电流大小来改变入射的泵浦功率。
在一些优选的实施例中，输入耦合镜4和凹面反射镜6的曲率半径相同，其曲率半径由准直透镜2和聚焦透镜3的焦距比所决定，通过ABCD传输矩阵计算，使得腔内振荡的激光模式在激光增益晶体5中的光斑大小与泵浦光聚焦到晶体中的光斑大小尽量接近，两者之间的距离通过输出的激光功率来优化。
在一些优选的实施例中，激光增益晶体5在谐振腔内的位置通过最终从输出耦合镜11后面透射出的激光功率来优化。
在一些优选的实施例中，双折射滤波器7的布儒斯特角是通过腔内振荡激光的输出功率和转换效率来确定。
在一些优选的实施例中，平面反射镜8与输出耦合镜11到输入耦合镜4和凹面反射镜6的距离会影响腔内振荡激光在激光增益晶体5内的聚焦光斑大小，通过输出的激光功率和转换效率来优化。
在一些优选的实施例中，啁啾MgO:PPLN晶体9作为倍频晶体，其在谐振腔内的位置通过从输出耦合镜11后面透射出的倍频光功率来优化。
在一些优选的实施例中，半波片12的光轴方向通过从输出耦合镜11后面透射出的腔内振荡激光功率来优化。
其工作原理是：
该系统利用了多模半导体泵浦激光器1、一系列镜片和双折射滤波器7以及一块特制的啁啾MgO:PPLN倍频晶体9来处理激光。首先，半导体泵浦激光器1作为整个系统的泵浦光。然后，这个激光经过一系列透镜(准直透镜2、聚焦透镜3、输入耦合镜4)聚焦到一个特定的激光增益晶体5上。当泵浦功率超过腔内激光起振的阈值后，就会产生振荡激光输出。
接下来，一块双折射滤波器7被用来限制和调谐腔内振荡激光的波长。然后，在振荡激光通过啁啾MgO:PPLN倍频晶体9时，啁啾MgO:PPLN倍频晶体9能够在恒定的温度下，对一个宽的波长范围内的任何波长产生一定的倍频效应，从而实现单纵模激光输出。同时，这意味着在波长调谐时不需要改变晶体的温度。
接着，激光通过法拉第旋转器10和输出耦合镜11，进一步优化了激光的特性。最后，激光经过一个偏振片重新调整到水平偏振方向。
可以理解的是，本实施例提供了一种更简单、更稳定的方式来产生和控制高质量单纵模激光输出，它不需要复杂的温度控制，并且可以在一定范围内调整激光的波长。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种可调谐单纵模固体激光器，其特征在于，包括：
多模半导体泵浦激光器，用于产生泵浦光；
准直透镜和聚焦透镜，其位于所述多模半导体泵浦激光器之后，用于组成望远系统，将多模半导体泵浦激光器输出的激光聚焦到激光增益晶体的正中心；
输入耦合镜，用于连接所述望远系统和激光增益晶体，对泵浦光高透，对腔内振荡激光高反；
激光增益晶体，位于输入耦合镜和凹面反射镜的正中间；
双折射滤波器，以布儒斯特角位于所述凹面反射镜的光反射传输路径方向，用于限制腔内激光线宽和调谐激光波长，并且限制腔内振荡激光为水平方向偏振的线偏光；
平面反射镜，位于所述双折射滤波器之后；
啁啾MgO:PPLN晶体，位于所述平面反射镜和输出耦合镜的正中间，用于实现对激光晶体辐射宽带内任意波长产生倍频效应；
法拉第旋转器，位于啁啾MgO:PPLN晶体之后，用于将线偏振光偏振方向顺时针旋转；
输出耦合镜，位于法拉第旋转器之后，用于将腔内振荡的部分激光输出；
半波片，用于将经过所述法拉第旋转器后的偏振方向重新调整到水平偏振方向，与法拉第旋转器组合使用。
2.如权利要求1所述的一种可调谐单纵模固体激光器，其特征在于，由输入耦合镜、激光增益晶体、凹面反射镜、双折射滤波器、平面反射镜、啁啾MgO:PPLN晶体、法拉第旋转器、输出耦合镜以及半波片组成激光器谐振腔，所述激光器谐振腔为环形腔结构。
3.如权利要求1所述的一种可调谐单纵模固体激光器，其特征在于，所述激光器输出激光为线偏振光。
4.如权利要求2所述的一种可调谐单纵模固体激光器，其特征在于，与所述激光器谐振腔处于单方向运转状态，并且为顺时针方向。
5.如权利要求1所述的一种可调谐单纵模固体激光器，其特征在于，所述输入耦合镜和输出耦合镜都被镀有增透膜和高反膜。
6.如权利要求1所述的一种可调谐单纵模固体激光器，其特征在于，所述激光增益晶体具有宽幅射带宽，通过所述双折射滤波器在辐射带宽内进行波长调谐。
7.如权利要求2所述的一种可调谐单纵模固体激光器，其特征在于，所述双折射滤波器为离轴的石英晶体平板，以布儒斯特角插入到所述激光器谐振腔内。
8.如权利要求1所述的一种可调谐单纵模固体激光器，其特征在于，所述平面反射镜镀有高反膜。
9.如权利要求1所述的一种可调谐单纵模固体激光器，其特征在于，所述啁啾MgO:PPLN晶体的极化周期是线性变化的，包含了一个范围内的极化周期。
10.如权利要求1所述的一种可调谐单纵模固体激光器，其特征在于，所述法拉第旋转器用于将线偏振光偏振方向顺时针旋转45°。
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