CN1770574A - 单频可调谐激光器 - Google Patents

Abstract

一种单频可调谐激光器，包括激光增益介质(5)、激光谐振腔、泵浦源(6)、使激光器单频运转的装置及激光调谐装置，其特征在于所述的激光调谐装置是由分别固定在谐振腔内的一块起标准具作用的电光晶体(1)和另一块用于微调谐振腔腔长电光晶体(2)构成，在电光晶体(1)的相对的两个侧面覆盖电极(3)，在电光晶体(2)的相对的两个侧面覆盖电极(4)。本发明利用两块电光晶体分别宽范围、非连续和连续调节激光器的频率；用电子调节取代了机械调节，用固定的光学元件取代活动光学元件，从而实现高调谐速度、高调谐精度、宽调谐范围、高输出功率和高可靠性的单频可调谐激光器。

Description

单频可调谐激光器

技术领域

本发明涉及一种可调谐激光器，具体是一种用两块电光晶体作为调谐装置的单频可调谐激光器。

背景技术

单频可调谐激光器是一种重要的光源，它在远程传感、导弹跟踪、光纤通信、高密度光学存储等领域有广阔的应用前景，引起人们的广泛关注。

在此之前相关的研究工作有：

1.P.A.Schulz等人1991年在Opt.Lett上发表了题为“频率调制的Nd:YAG激光器”的论文，该工作用LiTaO₃作为调制晶体，得到最大调谐范围为12GHz的连续可调谐激光器，激光器频率调谐1.2GHz所用的时间为0.6ns，输出功率为20mW。

2.J.Harrison等人1992年在IEEE Journal of Quantum Electronics上发表了用标准具和压电陶瓷配合调谐的单频激光器，利用改变标准具与光线夹角的办法宽范围、非连续的调节激光器的频率，利用压电陶瓷调节激光器腔长的办法连续调节激光器的频率。该激光器利用标准具可以得到的最大调谐范围为50GHz、所用时间为5ms、激光器的最大输出功率为640mW。

3.张靖等人2002年在中国激光上发表了题为“全固化单频Nd:YVO₄可调谐激光器”的论文。用和上述第二篇文章类似的调谐方法获得单频激光器的最大调谐范围约100GHz。

上述第一篇文章中，在装有激光晶体的两镜驻波腔中放入电光晶体LiTaO₃实现调谐。利用给LiTaO₃晶体加电压时，谐振腔中光程的改变实现调谐。它的最大调谐范围是谐振腔决定的纵模间隔，要增大调谐范围，就要缩短激光腔长。如果要得到100GHz的调谐范围，激光器的腔长需小于1.5mm。因此，该类激光器的调谐范围相对较窄，而且该类激光器是利用一个端面镀有腔镜的微片增益介质来获得单频激光输出的，激光器的输出功率较低。第二篇和第三篇文章使用可调节角度的标准具和装有压电陶瓷的腔镜一起连续调节激光器的频率。其中，标准具需要装在可以调节的底座上，不仅使激光器的可靠性降低，而且容易引起谐振腔失谐；通常压电陶瓷的位移量与所加电压不成线性关系，在不同电压下，调谐灵敏度不同；二者在调整过程中都有机械运动，固有的惯性使这种方式不能够获得快速频率调谐，所用的调谐时间在毫秒量级。

发明内容

本发明的目的是提供一种调谐速度和精度较高，调谐范围较宽，输出功率较高，可靠性好的单频可调谐激光器。

本发明设计的一种单频可调谐激光器，包括激光增益介质5、激光谐振腔、泵浦源6、使激光器单频运转的装置及激光调谐装置，其特征在于所述的激光调谐装置是由分别固定在谐振腔内的一块起标准具作用的电光晶体1和另一块用于微调谐振腔腔长电光晶体2构成，在电光晶体1的相对的两个侧面覆盖电极3，在电光晶体2的相对的两个侧面覆盖电极4。本发明利用两块电光晶体分别宽范围、非连续和连续调节激光器的频率；用电子调节取代了机械调节，用固定的光学元件取代活动光学元件，从而实现高调谐速度、高调谐精度、宽调谐范围、高输出功率和高可靠性的单频可调谐激光器。

所述的电光晶体1是加工成通光面相互平行的光学晶体薄片。以LiNbO₃晶体为例，沿光轴方向(Z方向)切割晶体，使电场方向和光的偏振方向与光轴方向平行(光线在晶体中为非常光)，通光方向为X方向(或Y方向)，当沿光轴方向给晶体施加电压时，晶体折射率的改变为 $\mathrm{\Δ}{n}_e=-n_e^3{r}_{33}V/2l$ (V是加在晶体上的电压)，与加在晶体上的电压成正比，其结果是标准具对各种频率激光的损耗的改变。标准具通过对不同频率光损耗的改变来实现选模。标准具的自由光谱区越大，实际可达到的调谐范围越宽。如果取标准具通光方向的长度为0.5mm，标准具的自由光谱区等于140GHz，当加在电极上的电压V＝4000V，电极之间的距离l＝1mm，得到Δn_e＝1.08×10^-3，由于Δn/n＝Δv/v，对1064nm光，v＝2.82×10⁵GHz，频率的改变Δv≈120GHz。标准具的自由光谱区就是激光器的最大调谐范围，在确定标准具的激光器中，调谐的大小与电极上电压的大小和电极之间的距离有关。标准具的通光面可以镀指标不同的反射膜，反射率高时，易于选模；反射率低时，调谐过程对输出功率的影响较小。

所述的电光晶体2是通光面不平行的光学晶体或者是以布儒斯特角放置在光路中的光学晶体。目的是克服电光晶体2的标准具效应。电光晶体2折射率的改变使激光腔内的光程发生变化，来达到连续调谐目的。实际中可以根据选用晶体的电光系数张量和精度等因素来决定晶体2的切割方式，如晶体2能用和晶体1相同的切割方式。晶体2通光方向的长度决定调谐精度和调谐所需电压的大小。此外，调谐所需电压的大小还与电极之间的距离有关。如实施例1中，所用谐振腔的总长度为350mm，由它决定的纵模间隔等于860MHz，频率连续调谐的范围等于谐振腔的纵模间隔即可。谐振腔长的改变ΔL与谐振腔纵模频率间隔Δv₁满足ΔL/L＝Δv₁/v时，频率调谐范围等于谐振腔的纵模间隔，要得到860MHz的频率调谐范围，ΔL应等于1.05×10^-6。如取两电极之间的距离为1mm，两通光面的距离为4mm。则给电极施加640V电压即可得到860MHz的调谐范围。如果所用电压源的最小分辨率为1V，本实例可得到小于1MHz的频率调谐精度。为了得到高的频率稳定性，我们可以在激光器外围加反馈控制电路，在激光器输出端取出的误差信号经反馈电路加到LiNbO₃晶体的电极上，主动稳定激光器的频率。

电光调制器的最高调制频率f_m等于

(L为电光晶体通光方向的长度)，若取长度L＝1cm的晶体，理论上最高调谐速度可达10GHz量级。

所述的增益介质5是固体增益介质、气体增益介质或液体增益介质。此调谐装置可以在增益介质的增益发射带宽内进行调谐，不受增益介质存在状态的限制。

所述的固体增益介质是Nd:YVO₄、Nd:YAG、Nd:YLF、Nd:YAP或Ti:Sapphire。当增益介质是各向同性晶体的激光器中，如实施例3所示，需用起偏器使受激发射产生的自然光变成线偏振光，才能用光学单向器实现单频运转。

所述的泵浦源6是激光二极管或闪光灯。所述的泵浦源6的泵浦方式是端面泵浦或侧面泵浦。此调谐装置的使用不受激光器泵浦方式的限制。

所述的使激光器单频运转的装置是光学单向器或标准具。实施例1、2、3中，使激光器单频运转的装置的是光学单向器，在实施例4中，调谐用的标准具兼有选模功能。

所述的电光晶体1、2的材料是LiNbO₃、LiTaO₃或KTP。不同的电光晶体有不同的电光系数张量，可以根据要实现的调谐指标选用合适的电光晶体和电光晶体的切割方式。

本发明设计的单频可调谐激光器与已报道的同类激光器相比有以下优点：

1.激光腔内元件都处于紧固状态，通过控制外围电路来控制激光器的工作状态，与机械调谐装置相比不仅简化了调谐控制部分的设计，还改善了激光器系统的可靠性和重复性，而且避免了机械调节标准具进行频率调谐引起的腔的失谐问题。

2.用改变外加电压进行频率调谐克服了机械调谐过程中惯性带来的调谐速度瓶颈，大大提高了激光器的调谐速度。

3.LiNbO₃晶体折射率的改变与所加电压呈线性变化关系，能够得到一致的调谐灵敏度。

4.这种装置可以在谐振腔结构、激光器增益介质、泵浦方式均不受限制的激光器中进行频率调谐。因此，激光器的输出功率不受限制，可以实现高功率输出。

总之，本发明用电光晶体做成的标准具和腔长调节装置同时具备高调谐速度、宽调谐范围、高调谐精度、高输出功率几项指标，具有极高的应用价值。

附图说明

图1是电光晶体1切割方式示意图

图2是电光晶体2以布儒斯特角切割方式示意图

图3是激光二极管端面泵浦的“8”字型腔单频可调谐激光器

图4是闪光灯侧面泵浦的三镜环行腔单频可调谐激光器

图5是激光二极管侧面泵浦的六镜环行腔单频可调谐激光器

图6是激光二极管端面泵浦的单频可调谐激光器

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步说明：

图1是电光晶体1可以选择的一种切割方式，电光晶体103沿光轴105方向切割，光束传播的方向104与晶体x方向106平行，电极102所加电场的方向与光轴105方向平行，光束的偏振方向101平行与光轴105方向。折射率的改变与所加的电压成正比。

图2是电光晶体2以布儒斯特角放置时一种可以选择的切割方式，电极202所加电场的方向与光轴205方向平行，光束偏振方向201在x-y平面内且与光传播方向203垂直，电光晶体204沿与光轴205成一定角度的方向切割，光束以布儒斯特角入射和出射晶体，光在晶体中沿x方向207传播，光束的入射面与x方向207和y方向206构成的平面成一定角度。

实施例：

实施例1.如图3所示，泵浦源6发出的光经整形聚焦系统入射到放置在“8”字形谐振腔中的增益介质5上，泵浦源6发射光的中心波长与增益介质5的吸收带重合。谐振腔由两个平面镜10，11和两个凹面镜12，13一起构成，平面镜11对振荡激光的透射率为4％，两个凹面镜12，13对振荡激光波长光全反射，平面镜10同时满足对泵浦光增透和对振荡激光全反射。增益介质5使用各向异性晶体，如Nd:YVO₄，Nd:YAP，Ti:Sapphire等，两个通光面之间成1°的斜角(消除标准具效应)。腔内的法拉第旋转器7和二分之一波片8一起组成的光学单向器使激光器单频运转。表面覆盖有电极3的电光晶体1置于增益介质和法拉第旋转器之间。表面覆盖有电极4的电光晶体2放置在两个凹面镜之间。电光晶体1，2均选用LiNbO₃晶体，晶体表面对振荡激光的反射率为13.4％，因此，电光晶体1没有镀膜。

实施例2.如图4所示，放置在聚光腔中泵浦源6泵浦放置在聚光腔中的增益介质5，增益介质5放置在三镜环行谐振腔光路中，谐振腔由两个平面镜10，11和一个凹面镜12一起构成，平面镜10和凹面镜12镀有振荡激光全反射、泵浦光增透膜，平面镜11是输出镜，镀有振荡激光定点反射膜。增益介质5使用各向异性晶体，如Nd:YVO₄，Nd:YAP，Ti:Sapphire等，它的两个通光面应成一定角度(消除标准具效应)。腔内的法拉第旋转器7和二分之一波片8一起组成的光学单向器使激光器单频运转。表面覆盖有电极3的电光晶体1置于平面镜10和凹面镜12之间。表面覆盖有电极4的电光晶体2置于平面镜11和凹面镜12之间。

实施例3.如图5所示，泵浦源6发出的光经整形聚焦系统入射到放置在六镜环行谐振腔中的增益介质5上，泵浦源6发射光的中心波长与增益介质5的吸收带重合。谐振腔由两个平面镜10，11，14，15和两个凹面镜12，13一起构成，平面镜10，11，14，15和凹面镜12镀有振荡激光全反射膜，凹面镜13是输出镜，镀有振荡激光定点反射膜。增益介质5可以使用各向同性晶体，如Nd:YAG，He-Ne气体等它的两个通光面应成一定角度(消除标准具效应)。布儒斯特窗片9作为起偏器使用，腔内的法拉第旋转器7和二分之一波片8一起组成的光学单向器使激光器单频运转。表面覆盖有电极3的电光晶体1置于平面镜14和腔镜10之间。表面覆盖有电极4的电光晶体2置于两个凹面镜12，13之间。电光晶体2的两通光面应成一定角度或以布儒斯特角放入腔中。

实施例4.如图6所示，泵浦源6发出的光经整形聚焦系统入射到增益介质5上，增益介质5使用各向异性晶体，如Nd:YVO₄，Nd:YAP，Ti:Sapphire等，泵浦源6发射光的中心波长与增益介质5的吸收带重合。增益介质5的前表面镀振荡激光全反膜，和腔镜10一起构成振荡激光的谐振腔。增益介质5的前表面需同时满足对泵浦光增透，以利于提高耦合效率，在这个实施例中，电光晶体1兼作使激光器单频运转的装置。腔内放置表面覆盖有电极3的电光晶体1和表面覆盖有电极4的电光晶体2，电光晶体2以布儒斯特角放置在谐振腔中，晶体的切割方式可以参考图2。

本发明的核心是同时用两块电光晶体实现的调谐装置，一块晶体用来粗调，另一块晶体用来细调，凡是用两种功能的电光晶体放置在谐振腔中构成的可调谐激光器均属于本发明保护的范围。以上列举的实施例仅仅是典型。不难看出，由各种不同激光器结构、电光晶体类型和切割方式的组合，其实施方式还有很多。

Claims (9)

1.一种单频可调谐激光器，包括激光增益介质(5)、激光谐振腔、泵浦源(6)、使激光器单频运转的装置及激光调谐装置，其特征在于所述的激光调谐装置是由分别固定在谐振腔内的一块起标准具作用的电光晶体(1)和另一块用于微调谐振腔腔长电光晶体(2)构成，在电光晶体(1)的相对的两个侧面覆盖电极(3)，在电光晶体(2)的相对的两个侧面覆盖电极(4)。

2.根据权利要求1所述的单频可调谐激光器，其特征在于所述的电光晶体(1)是加工成通光面相互平行的光学晶体薄片。

3.根据权利要求1所述的单频可调谐激光器，其特征在于所述的电光晶体(2)是通光面不平行的光学晶体或者是以布儒斯特角放置在光路中的光学晶体。

4.根据权利要求1所述的单频可调谐激光器，其特征在于所述的增益介质(5)是固体增益介质、气体增益介质或液体增益介质。

5.根据权利要求4所述的单频可调谐激光器，其特征在于所述的固体增益介质是Nd:YVO₄、Nd:YAG、Nd:YLF、Nd:YAP或Ti:Sapphire。

6.根据权利要求1所述的单频可调谐激光器，其特征在于所述的泵浦源(6)是激光二极管或闪光灯。

7.根据权利要求1所述的单频可调谐激光器，其特征在于所述的泵浦源(6)的泵浦方式是端面泵浦或侧面泵浦。

8.根据权利要求1所述的单频可调谐激光器，其特征在于所述的使激光器单频运转的装置是光学单向器或标准具。

9.根据权利要求1所述的单频可调谐激光器，其特征在于所述的电光晶体(1)、(2)的材料是LiNbO₃、LiTaO₃或KTP。

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