CN1285636A - 双波长双脉冲谐波可调谐激光器及双波长谐波产生方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及双波长激光及其谐波技术,在两路调Q可调谐激光器之一的光路上设置有一个由一块平面反射镜和一块带尖棱的平面反射镜构成的合束器,它将两路激光束合拢到两圆光斑相切,在其后的光路上设有共用的一块45°斜置分色镜及共用的一块或两块非线性晶体。调节合束器的反射镜和腔端镜的取向,两路激光产生各自的二次谐波或三次谐波,其结构较简单,方法精巧,波长可调谐,适用于检测大气污染程度的差分吸收激光雷达中。

Description

双波长双脉冲谐波可调谐激光器及双波长谐波产生方法

本发明涉及激光技术领域，具体涉及一种双波长双脉冲可调谐激光器的制作，也涉及非线性二次谐波和三次谐波产生的技术领域。

双波长双脉冲谐波可调谐激光器及其谐波装置是检测大气污染的差分吸收激光雷达中的必不可少的关键设备。中国科学院安徽光机所于99年7月15日提出了名称为《调Q可调谐倍频激光器》的专利申请(CN99228926.2)。该申请中，公开了一种调Q可调谐倍频激光器技术，它是在激光器光轴上有激光器晶体，该激光晶体的一端依次是有调谐元件、调Q晶体、全反射镜，另一端置有与光轴成45°放置的分色镜，经该分色镜反射后的光轴上置有二次谐波晶体和对基波及二次谐波高反射的全反射镜；所述的分色镜对基波光高反射，对二次谐波光高透射，所述的激光晶体为掺铬氟化铝锶锂等可调谐晶体。该方案的特点在于将腔外倍频改为腔内倍频提高了倍频效率；用了45°放置的分色镜使腔内倍频由单程作用变为双程作用，使倍频激光的能量提高了近一倍。其不足之处在于它只能产生单一波长的倍频光，不能产生两个波长(即双波长)的倍频光。另外，1994年意大利的E.Nava等人在欧洲激光学术会议上发表了一篇题目为“用于车载差分吸收激光雷达的紫外到近红外的固体窄带激光器”(E.Nava，et al，‘UV to near IRsolid-state narrow-band laser for a mobile differential absorption lidar’，CLLO/Europe’94，CMA3)的论文，该文中描述了让钛宝石激光器输出的两个在900nm附近基波波长的光脉冲交替地通过非线性晶体与另一路激光器输出的1.064μm的光脉冲混频产生282到450nm波长的光脉冲。该技术中，不同波长的光脉冲在非线性晶体中产生谐波时所要求的位相匹配角(即光线行进方向与非线性晶体光轴之间的夹角)不相同，因此一个波长的光脉冲和另一个波长的光脉冲先后通过非线性晶体时，该晶体的取向(即俯仰和方位角度)必须快速调节，它要求由高精度角度调节和自动控制系统来完成，系统比较复杂，这便是它的不足之处。

本发明的目的在于克服前述两种现有技术的不足之处，提供一种能在比较方便的情况下产生双波长双脉冲的谐波可调谐激光器，并提供能使两个波长在共用的非线性晶体中产生它们各自的谐波的方法。

本发明的目的通过以下方式来实现。

本发明的双波长双脉冲谐波可调谐激光器，包括由现有技术中的球面反射镜、Q开关晶体、色散棱镜组、激光晶体棒、45°斜置分色镜、非线性晶体和腔端镜组成的两路调Q可调谐激光器，其中使用的激光晶体棒为同一种激光晶体，如掺铬氟化铝锶锂等可调谐晶体，两激光晶体棒的轴线相互平行，并在同一水平面上，其特征在于，其中一路的激光晶体棒与45°斜置分色镜之间的光路上设有一反射镜合束器，两路调Q可调谐激光器共用同一块45°斜置的分色镜、共用同一块非线性晶体或共用两块非线性晶体；所述的反射镜合束器由45°斜置的平面反射镜和斜置的带尖棱的平面反射镜构成，其中带尖棱的平面反射镜的尖棱顶角大于等于5°，小于45°，两镜面之间的夹角按照两个波长在非线性晶体中所需的位相匹配角的差值调节：△θ=θ_λ1-θ_λ2，其中θ_λ1，θ_λ2分别表示波长λ₁和λ₂的位相匹配角，它们能够由现有二次谐波技术中的位相匹配角公式求得定值，即： ${\sin }^2{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{\λ}}=\frac{n_{1o}^{-2}-n_{2o}^{-2}}{n_{2e}^{-2}-n_{2o}^{-2}},$ 式中的n_1o和n_2o分别表示为寻常光的基波(λ)和二次谐波(λ/2)的折射率，n_2e为非寻常光的二次谐波(λ/2)的折射率；或者是由三次谐波的位相匹配角公式求得定值，即△θ=θ_λ1＇-θ_λ2＇， $\frac{{3n}_{3o}{n}_{3e}}{\sqrt{(n_{3o}^2-n_{3e}^2){\sin }^2{\mathrm{\θ}}_{3e}^{\′}+n_{3e}^2}}={2n}_{2o}+\frac{n_{1o}{n}_{1e}}{(n_{1o}^2-n_{1e}^2){\sin }^2{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{\λ}}^{\′}+n_{1e}^2},$ 其中n_1o，n_1e和n_3o，n_3c分别为基波(λ)和三次谐波(λ/3)的寻常光非常光的折射率，n_2o为二次谐波(λ/2)的寻常光折射率；所述不含有反射镜合束器的一路调Q可调谐激光器中，其腔端镜为平面反射镜，所述含有反射镜合束器的第二路调Q可调谐激光器中，其腔端镜为带尖棱的平面反射镜，它的尖棱顶角大于等于5°，小于45°；其腔端带尖棱的平面反射镜位于腔端平面反射镜的腔内侧，并使尖棱线位于腔端平面反射镜的中部。

使用上述激光器产生双波长谐波的方法是，包括现有技术中的调整方法：(1)调节第一路激光器使其产生二次谐波的光脉冲。该二次谐波的光脉冲由基波光脉冲经45°分色镜反射后通过非线性晶体时产生，该谐波的波长为激光基波波长λ1的二分之一，即λ₁/2；(2)通过非线性晶体后的波长为λ₁的基波经腔端的平面反射镜反射后又通过非线性晶体再次产生二次谐波，它和所述(1)产生的二次谐波合在一起由45°分色镜输出激光腔外，其特征在于，(3)第二路激光器产生另一个波长λ₂的二次谐波(λ₂/2)的步骤为：(a)在具有反射镜合束器的第二路激光器中的激光晶体和反射镜合束器的45°斜置平面反射镜中间插入一块调整用平面镜，使其产生波长λ₂的光脉冲，调节反射镜合束器中带尖棱的平面反射镜的位置和取向，使所述的调整用平面镜输出的光脉冲的圆形光斑与第一路激光器的圆形光斑合拢到两个圆斑相切，调节两光脉冲行进方向之间的夹角等于所述的波长λ₁和λ₂在非线性晶体中位相匹配角的差值；(b)调节反射镜合束器的带尖棱的平面反射镜的俯仰和方位角度，改变波长λ₂的光脉冲在非线性晶体中的行进方向，使其产生波长为λ₂/2的二次谐波，并使其最强；(c)调节第二路激光器腔端带尖棱的平面反射镜的取向，使基波λ₂和二次谐波λ₂/2的光脉冲按原路返回，撤去调整用平面镜，则此时第二路激光器便和第一路激光器一样在腔内产生二次谐波，波长为λ₂的基波在45°分色镜和腔端带尖棱的平面反射镜之间一个往返，两次通过非线性晶体产生的二次谐波合在一起也由45°分色镜输出激光腔外；(4)产生双波长三次谐波的方法是：(d)利用现有技术中的调整方法将第二块非线性晶体放入45°斜置分色镜和第一块非线性晶体的中间，调节第二块非线性晶体的俯仰和方位角度，使得它的光轴与激光束方向的夹角等于产生三次谐波的位相匹配角θ＇_λ，θ＇_λ由现有三次谐波技术中的位相匹配角公式求得定值，第一路激光器中的波长为λ₁的基波和波长为λ₁/2的二次谐波通过两块非线性晶体后共同产生波长为λ₁/3的三次谐波，并由45°分色镜输出激光腔外；(e)在第二路激光器中依次重复所述的方法(a)、(b)和(c)的调节，第二路激光器中的波长为λ2的基波和波长为λ₂/2的二次谐波通过所述的两块非线性晶体后共同产生了波长为λ₂/3的三次谐波，并也由45°分色镜输出激光腔外。

本发明中，当分属不同波长的两个基波光脉冲先后通过共用的一块非线性晶体产生二次谐波时，它们所要求的位相匹配角度不相同，这些位相匹配角能由前面所述公式来计算，这两个波长λ₁和λ₂在非线性晶体所需的位相匹配角θ_λ1和θ_λ2之间的差值恰好由第二路激光器中的反射镜合束器和腔端带尖棱的平面反射镜来产生，这时λ₁和λ₂的光脉冲都能以最大的效率来产生二次谐波，而非线性晶体本身的取向在两个不同波长的光脉冲先后通过时无须角度调节，便省去了前述现有技术中所要求的对非线性晶体的高精度角度调节和自动控制系统，又能共用同一块非线性晶体产生不同波长的二次谐波，克服了前述两个现有技术的不足。本发明中，当分属不同波长的两个基波光脉冲先后通过共用的两块非线性晶体产生它们各自的三次谐波光脉冲时，不同波长所要求的位相匹配角度不相同，这些位相匹配角也能由前面所述的公式来计算，这两个波长λ₁和λ₂在非线性晶体所需位相匹配角θ_λ1＇和θ_λ2＇之间的差值恰好由第二路激光器中的反射镜合束器和腔端带尖棱的平面反射镜来产生，这时λ₁和λ₂的光脉冲都能以最大的效率来产生三次谐波，而非线性晶体本身的取向在两个不同波长的光脉冲先后通过时无须角度调节，省去了前述现有技术中所要求的对第二块非线性晶体的高精度角度调节和自动控制系统，又能共用两块非线性晶体产生不同波长的三次谐波，克服了前述两个现有技术的不足。

下面通过附图及实施例进一步描述本发明所述的激光器，并叙述由其产生双波长的二次和三次谐波的调整方法。

图1是本发明所述激光器实施例的整体结构示意图。

图中，(1)、(8)为球面全反射镜，(2)、(9)为Q开关晶体，(3)、(10)为色散棱镜组，(4)、(11)为激光晶体棒，(5)、(12)为氙灯，(6)为45°斜置分色镜，(7)为腔端平面全反射镜，(13)为45°斜置平面反射镜，(14)为斜置带尖棱的平面全反射镜，((13)、(14)组成合束器)，(15)为腔端带尖棱的平面全反射镜，(16)为产生二次谐波的非线性晶体，(17)为产生三次谐波的非线性晶体，(18)为调整用平面镜。

参见图1，球面全反射镜(1)、Q开关晶体(2)、色散棱镜组(3)、激光晶体(4)、45°斜置分色镜(6)和腔端平面全反射镜(7)构成第一路激光器，它产生的激光波长λ₁的值可由球面反射镜(1)的方位角来调节。氙灯(5)闪光泵浦激光晶体(4)，Q开关晶体(2)瞬间导通该激光器光路形成波长为λ₁的光脉冲。球面反射镜(1)对λ₁附近波长的光为全反射，45°斜置的分色镜(6)对基波光为高反射率，对谐波光为高透射率，腔端平面镜(7)对基波和谐波光都为全反射。将产生二次谐波的非线性晶体(16)放入腔内，插在45°分色镜(6)和腔端平面全反射镜(7)之间，用现有激光领域的腔内倍频技术，调节非线性晶体的俯仰和方位角使波长为λ₁/2的二次谐波最大。波长为λ₁的激光基波由45°分色镜(6)反射后通过非线性晶体时产生了二次谐波，此后激光基波和它所产生的二次谐波由腔端平面反射镜(7)反射后又一次通过非线性晶体，这时激光基波再次产生二次谐波，这两次的二次谐波合在一起由45°分色镜(6)输出腔外。

参见图1，球面全反射镜(8)、Q开关晶体(9)、色散棱镜组(10)、激光晶体棒(11)、反射镜合束器(13)和(14)、45°斜置分色镜和腔端带尖棱的平面全反射镜(15)构成第二路激光器。它的调整方法如下：如前面所述在获得了第一路激光器的二次谐波输出最大之后，在激光晶体棒(11)和合束器的反射镜(13)之间插入一块调整用平面镜(18)，调节球面反射镜(8)和这块平面镜(18)，使第二路激光器产生波长为λ₂的激光脉冲，并由这块调整用的平面镜输出，让此激光脉冲经合束器(13)和(14)以及45°分色镜反射后通过前述的非线性晶体，合束器的反射镜(13)为45°斜置，调节合束器中带尖棱的平面反射镜(14)的俯仰和方位角来逐渐改变λ2的光脉冲在非线性晶体中的行进方向，使其产生波长为λ₂/2的二次谐波最强，即波长为λ₂的基波光束在非线性晶体中处在位相匹配角上。在所述的调节中，要边调节合束器的反射镜(14)的位置，使它的尖棱逐步靠近第一路激光器的光束，边观察第一路激光器的二次谐波输出光斑的变化情况，直至反射镜(14)的尖棱位置再靠近第一路激光器的光束，它的二次谐波的输出光斑的边缘将被切去时为止。此后调节腔端带尖棱的平面全反射镜(15)，让通过非线性晶体的光脉冲按原方向返回，撤走先前放置的调整用平面镜(18)。第二路激光器便和第一路激光器一样，以最高效率来产生二次谐波。两个波长λ₁和λ₂的二次谐波λ₁/2和λ₂/2的光脉冲都由45°分色镜输出。

将第二块非线性晶体放入45°分色镜(6)和第一块非线性晶体的中间，用现有的腔内谐波技术，调节第二块非线性晶体的俯仰和方位角度，使第一路激光器的基波(λ₁)和二次谐波(λ₁/2)产生的三次谐波(λ₁/3)最强，此时第一路激光器的光束在两块非线性晶体中都处在位相匹配的角度上。此后在激光晶体棒(11)和反射镜(13)之间插入一块调整用的平面镜(18)，调节球面反射镜(8)和这块调整用的平面镜(18)使第二路激光器产生波长为λ₂的光脉冲，并使其达到输出最大；该路激光器由这块调整用的平面镜输出的光束经合束器的反射镜(13)和(14)以及45°分色镜反射后通过所述的两块非线性晶体，反射镜(13)如前面所述为45°斜置，调节合束器带尖棱的平面反射镜(14)的俯仰和方位角度，使波长为λ2的光束产生其三次谐波(λ₂/3)，使其达到最大；调节腔端反射镜(15)，让波长为λ₂的光束按原路返回，撤去所述的调整用的平面镜，这时第二路激光器产生了波长为λ₂／3的三次谐波，它也由45°分色镜输出；如前面所述，调节中也要使反射镜(14)的尖棱与波长λ₁的光斑边缘相切；在双波长的二次和三次谐波产生中，腔端反射镜(15)的尖棱也要调节到与波长λ₁的光斑边缘相切的位置上。因此本发明共用两块非线性晶体产生两个不同的波长λ₁和λ₂光束的三次谐波，它们的波长分别为λ₁/3和λ₂/3。波长λ₁和λ₂的两光束的方向在非线性晶体中都同时满足位相匹配角。

例如，在本发明实施例所述光路研制成的调Q掺铬氟化钙锶锂双波长双脉冲可调谐激光器中，所用反射镜合束器中带尖棱的平面反射镜(14)和腔端带尖棱的平面反射镜(15)中的尖棱顶角都是35°，实验中已获得了λ₁=896.2nm和λ₂=899.6nm的一对基波的二次谐波的双脉冲，其中一个脉冲的波长为λ₁/2=448.1nm，另一个脉冲的波长为λ₂/2=449.8nm，波长λ₁和λ₂产生二次谐波所需的位相匹配角分别是θ_λ1=26.1670°和θ_λ2=26.077°，△θ=θ_λ1-θ_λ2=0.0893°，这两个二次谐波是差分吸收激光雷达用于测量大气中NO₂污染物浓度所必备的双波长。在实验中还获得了λ₁=897.9nm和λ₂=900.18nm的一对基波的三次谐波的双脉冲，其中一个脉冲的波长为λ₁/3=299.3nm，另一个脉冲的波长为λ/3=300.06nm，波长λ₁和λ₂产生三次谐波所需的位相匹配角分别是θ＇_λ1=47.0147°和θ＇_λ2=47.1687°，△θ=θ＇_λ1-θ＇_λ2=0.154°，这两个三次谐波是差分吸收激光雷达用于测量大气中SO₂污染物浓度所必备的双波长。

Claims (4)

1．一种双波长双脉冲谐波可调谐激光器，包括由现有技术中的球面反射镜、Q开关晶体、色散棱镜组、激光晶体棒、45°斜置的分色镜、非线性晶体和腔端镜组成的两路调Q可调谐激光器，其中使用的激光晶体棒为同一种激光晶体，如掺铬氟化铝锶锂等可调谐晶体，两激光晶体棒的轴线相互平行，并在同一水平面上，其特征在于，其中一路的激光晶体棒与45°斜置的分色镜之间的光路上设有一反射镜合束器，两路调Q可调谐激光器共用同一块45°斜置分色镜，及共用一块非线性晶体或共用两块非线性晶体；所述不含有反射镜合束器的一路调Q可调谐激光器中，其腔端镜为平面反射镜，所述含有反射镜合束器的第二路调Q可调谐激光器中，其腔端镜为带尖棱的平面反射镜，它的尖棱顶角大于等于5°，小于45°；其腔端带尖棱的平面反射镜位于腔端平面反射镜的腔内侧，并使尖棱线位于腔端平面反射镜的中部。

2．如权利要求1所述的双波长双脉冲谐波可调谐激光器，其特征在于，所述的反射镜合束器由45°斜置的平面反射镜和斜置的带尖棱的平面反射镜构成，两镜面之间的夹角△θ按照两个波长在非线性晶体中所需的位相匹配角的差值调节：△θ=θ_λ1-θ_λ2，在产生二次谐波时这个差值是△θ=θ_λ1-θ_λ2，其中θ_λ1和θ_λ2分别表示波长λ₁和λ₂的位相匹配角，它们可由现有二次谐波技术中的位相匹配角公式来算得；在产生三次谐波时这个差值是△θ=θ＇_λ1-θ＇_λ2，其中θ＇_λ1和θ＇_λ2分别表示波长λ₁和λ₂的位相匹配角，它们可由现有三次谐波技术中的位相匹配角公式来算得。

3．如权利要求2所述的双波长双脉冲谐波可调谐激光器，其特征在于，所述的反射镜合束器中带尖棱的平面反射镜的尖棱顶角大于等于5°，小于45°。

4．使用权利要求1所述的激光器产生双波长谐波的方法是：包括现有技术中的调整方法(1)调节第一路激光器使其产生二次谐波的光脉冲，该二次谐波的光脉冲由基波光脉冲经45°分色镜反射后通过非线性晶体时产生，该谐波的波长为激光基波波长λ₁的二分之一，即λ₁/2；(2)通过非线性晶体后的波长为λ₁的基波，经腔端的平面反射镜反射后又通过非线性晶体时再次产生二次谐波，它和所述(1)产生的二次谐波合在一起由45°分色镜输出激光腔外，其特征在于：(3)第二路激光器产生另一个波长为λ2的二次谐波(λ₂/2)的步骤为：(a)在具有反射镜合束器的第二路激光器中的激光晶体和反射镜合束器的45°斜置平面反射镜中间插入一块调整用的平面镜，使其产生波长λ₂的光脉冲，调节反射镜合束器中带尖棱的平面反射镜的位置和取向，使所述的调整用平面镜输出的光脉冲的圆形光斑与第一路激光器的圆形光斑合拢到两个圆斑相切，调节两光脉冲行进方向之间的夹角等于所述波长λ₁和λ₂在非线性晶体中位相匹配角的差值；(b)调节反射镜合束器的带尖棱的平面反射镜的俯仰和方位角度，改变波长λ₂的光脉冲在非线性晶体中的行进方向，使其产生波长为λ₂/2的二次谐波，并使其最强：(c)调节第二路激光器腔端带尖棱的平面反射镜的取向，使基波λ2和二次谐波λ₂/2的光脉冲按原路返回，撤去调整用的平面镜，则此时第二路激光器便和第一路激光器一样在腔内产生二次谐波，波长为λ₂的基波在45°分色镜和腔端带尖棱的平面反射镜之间一个往返，两次通过非线性晶体所产生的二次谐波合在一起也由45°分色镜输出激光腔外；(4)产生双波长三次谐波的方法是：(d)利用现有技术中的调整方法将第二块非线性晶体放入45°斜置分色镜和第一块非线性晶体的中间，调节第二块非线性晶体的俯仰和方位角度，使得它的光轴与激光束方向的夹角等于产生三次谐波的位相匹配角θ_λ1，使第一路激光器中的波长为λ₁的基波和波长为λ₁/2的二次谐波通过两块非线性晶体后共同产生波长为λ₁/3的三次谐波，并由45°分色镜输出激光腔外；(e)在第二路激光器中依次重复所述的方法(a)(b)(c)的调节，第二路激光器中的波长为λ₂的基波和波长为λ₂/2的二次谐波通过所述的两块非线性晶体后则共同产生波长为λ₂/3的三次谐波，并也由45°分色镜输出激光腔外。

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