CN203103752U - 高功率稳定性的偏振锁定半导体泵浦全固态激光器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种高功率稳定性的偏振锁定半导体泵浦全固态激光器，其特征在于：固定在铜制半导体激光器座上的半导体激光器发射与激光晶体吸收谱相对应波长的激光，波长为λp，通过固定在光学耦合镜组座中的光学耦合镜组注入到激光晶体中，光学耦合镜组两端镀泵浦光λp波长的增透膜系，反射腔镜靠近半导体激光器的一端镀膜为对λp波长泵浦光的增透膜系，另一端为对λp波长泵浦光增透和λ1波长基频光的高反膜系，激光晶体的靠近半导体激光器的端面镀膜为泵浦光和基频光的增透膜系，激光晶体的另一个通光面镀膜为λ1波长基频光的增透膜系，其内部结构为线性直腔结构并在输出腔镜和倍频晶体间加入基频光的半波片，将基频光的偏振态实时调节到倍频转换效率最高的位置以保证被动调Q脉冲基频光倍频过程的稳定。

Description

高功率稳定性的偏振锁定半导体泵浦全固态激光器

技术领域

本实用新型涉及一种高功率稳定性的偏振锁定半导体泵浦全固态激光器，是一种获得高功率稳定性偏振锁定半导体泵浦全固态被动调Q脉冲倍频激光器，属于激光技术领域。

背景技术

随着激光技术的不断发展，其应用领域也越来越广泛，同时，对激光参数的要求也越来越高。为了获得高的峰值功率，需要调Q技术，调Q技术包括转镜调Q，染料调Q，电光调Q，声光调Q等。目前最常用的调Q方式为声光调Q，声光调Q工作稳定，一般脉冲宽度可以达到数十ns，频率不高于200KHz。电光调Q的优点是可以得到更窄脉宽和更高的峰值功率，但是电光晶体容易潮解，影响使用寿命。这两种调Q方式都需要使用电子驱动设备来控制调Q的频率，故称为主动调Q。后来出现一种利用晶体的可饱和吸收效应进行调Q的技术，如用Cr4+：YAG等晶体，其作用机理就是利用饱和吸收效应，不需要外加的驱动控制源，故称为被动调Q技术。被动调Q与主动调Q相比，晶体的被动调Q可以获得更窄的脉冲宽度，更高的重复频率，且工作稳定，寿命长。因此在诸多领域有着广泛的应用。

半导体泵浦全固态腔外混频被动调Q脉冲激光器的主要应用是腔外倍频被动调Q脉冲激光器。该技术已经被广泛应用于半导体泵浦全固态腔外倍频被动调Q脉冲红，绿和蓝光激光器的产品中。但由于腔外非线性倍频过程的转换效率很大程度上依赖于脉冲基频光的偏振态，而传统半导体泵浦全固态被动调Q脉冲红外激光器的偏振态随环境温度，激光晶体应力等外界因素会无规律的变化，且被动调Q晶体亦为双折射晶体，基频光通过被动调Q晶体会产生偏振态的旋转，而相应的热效应也会产生应力双折射，以上因素直接导致其倍频过程产生的谐波输出不稳定，严重影响了其在诸多领域的应用。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种高功率稳定性的偏振锁定半导体泵浦全固态激光器，其内部结构为线性直腔结构并在输出腔镜和倍频晶体间加入基频光的半波片，在旋转驱动器的控制下，随着外界条件的变化旋转基频光半波片，将基频光的偏振态实时调节到倍频转换效率最高的位置以保证被动调Q脉冲基频光倍频过程的稳定。

本实用新型的技术方案是这样实现的：一种高功率稳定性的偏振锁定半导体泵浦全固态激光器，由半导体激光器，半导体激光器座，光学耦合镜组，光学耦合镜组座，反射腔镜，反射腔镜座，激光晶体，激光晶体座，被动调Q晶体，被动调Q晶体座，输出腔镜，输出腔镜座，基频光半波片，基频光半波片旋转驱动器，非线性倍频晶体，非线性倍频晶体座，基板，外壳组成；其中半导体激光器固定于铜制的半导体激光器座上，光学耦合镜组固定于光学耦合镜组座中，反射腔镜固定在反射腔镜座内，激光晶体固定在激光晶体座内，被动调Q晶体固定在被动调Q晶体座内，输出腔镜固定于输出腔镜座内，基频光半波片固定于基频光半波片旋转驱动器内，非线性倍频晶体固定于非线性倍频晶体座内，半导体激光器座，光学耦合镜组座，反射腔镜座，激光晶体座，被动调Q晶体座，输出腔镜座，基频光半波片旋转驱动器，非线性倍频晶体座均固定在基板上，并罩在外壳中；其特征在于：设泵浦光与基频光的波长分别为λp、λ1，固定在铜制半导体激光器座上的半导体激光器发射与激光晶体吸收谱相对应波长的激光，波长为λp，通过固定在光学耦合镜组座中的光学耦合镜组注入到激光晶体中，光学耦合镜组两端镀泵浦光λp波长的增透膜系，反射腔镜靠近半导体激光器的一端镀膜为对λp波长泵浦光的增透膜系，另一端为对λp波长泵浦光增透和λ1波长基频光的高反膜系，激光晶体的靠近半导体激光器的端面镀膜为泵浦光和基频光的增透膜系，激光晶体的另一个通光面镀膜为λ1波长基频光的增透膜系，被动调Q晶体双面镀对λ1波长基频光的增透膜系，输出腔镜靠近半导体激光器的一端镀膜为对λ1波长基频光的部分透过膜系，另一端为对λ1波长基频光的增透膜系；反射腔镜和输出腔镜的靠近半导体激光器的两个端面形成谐振腔，基频光在激光晶体内进行增益，被动调Q晶体对基频光进行调Q，而基频光半波片通过基频光半波片旋转驱动器的控制输出的脉冲基频光的偏振态，锁定在倍频效率最高的位置，以保证倍频过程的稳定，其中半波片的两端面镀膜为基频光λ1波长的增透膜系。非线性倍频晶体按基频光波长λ1的倍频相位匹配方向切割，使得波长λ1在非线性倍频晶体中共线传播时满足相位匹配关系：n2/λ2=n1/λ1+n1/λ1，其中n1，n2分别为λ1，λ2波长的光在非线性倍频晶体中传播时的折射率，其双面镀膜为倍频光λ2的增透膜系。

本实用新型的积极效果是在旋转驱动器的控制下，随着外界条件的变化旋转基频光半波片，将基频光的偏振态实时调节到倍频转换效率最高的位置以保证被动调Q脉冲基频光倍频过程的稳定。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为本实用新型的通过半波片后的光矢量的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步的描述：如图1所示，一种高功率稳定性的偏振锁定半导体泵浦全固态激光器，由半导体激光器1，半导体激光器座2，光学耦合镜组3，光学耦合镜组座4，反射腔镜5，反射腔镜座6，激光晶体7，激光晶体座8，被动调Q晶体9，被动调Q晶体座10，输出腔镜11，输出腔镜座12，基频光半波片13，基频光半波片旋转驱动器14，非线性倍频晶体15，非线性倍频晶体座16，基板17，外壳18组成；其中半导体激光器1固定于铜制的半导体激光器座2上，光学耦合镜组3固定于光学耦合镜组座4中，反射腔镜5固定在反射腔镜座6内，激光晶体7固定在激光晶体座8内，被动调Q晶体9固定在被动调Q晶体座10内，输出腔镜11固定于输出腔镜座12内，基频光半波片13固定于基频光半波片旋转驱动器14内，非线性倍频晶体15固定于非线性倍频晶体座16内，半导体激光器座2，光学耦合镜组座4，反射腔镜座6，激光晶体座8，被动调Q晶体座10，输出腔镜座12，基频光半波片旋转驱动器14，非线性倍频晶体座16均固定在基板17上，罩在外壳18中；其特征在于：设泵浦光与基频光的波长分别为λp，λ1，固定在铜制半导体激光器座2上的半导体激光器1发射与激光晶体7吸收谱相对应波长的激光，波长为λp，通过固定在光学耦合镜组座4中的光学耦合镜组3注入到激光晶体7中，光学耦合镜组两端镀泵浦光λp波长的增透膜系，反射腔镜5靠近半导体激光器1的一端镀膜为对λp波长泵浦光的增透膜系，另一端为对λp波长泵浦光增透和λ1波长基频光的高反膜系，激光晶体7的靠近半导体激光器1的端面镀膜为泵浦光和基频光的增透膜系，激光晶体7的另一个通光面镀膜为λ1波长基频光的增透膜系，被动调Q晶体9双面镀对λ1波长基频光的增透膜系，输出腔镜11靠近半导体激光器1的一端镀膜为对λ1波长基频光的部分透过膜系，另一端为对λ1波长基频光的增透膜系；反射腔镜5和输出腔镜11的靠近半导体激光器1的两个端面形成谐振腔，基频光在激光晶体7内进行增益，被动调Q晶体9对基频光进行调Q，而基频光半波片13通过基频光半波片旋转驱动器14的控制输出的脉冲基频光的偏振态，锁定在倍频效率最高的位置，以保证倍频过程的稳定，其中半波片13的两端面镀膜为基频光λ1波长的增透膜系。非线性倍频晶体15按基频光波长λ1的倍频相位匹配方向切割，使得波长λ1在非线性倍频晶体13中共线传播时满足相位匹配关系：n2/λ2=n1/λ1+n1/λ1，其中n1，n2分别为λ1，λ2波长的光在非线性倍频晶体13中传播时的折射率，其双面镀膜为倍频光λ2的增透膜系。

作为泵浦源的半导体激光器1发出泵浦光，被光学耦合镜组3耦合到激光晶体7内，在反射腔镜5和输出腔镜11的靠近半导体激光器1的两个端面形成的谐振腔内，基频光在激光晶体7内进行增益；被动调Q晶体9是一种含有饱和吸收功能的掺杂光学晶体，其对λ1波长基频光的吸收系数并不是常数，在较强激光的作用下，其吸收系数会随着光强的增加而减小至饱和，对光呈现透明的特性。根据这一效应，固定在铜制半导体激光器座2上的半导体激光器1发射与激光晶体7吸收谱相对应波长的激光，波长为λp，通过固定在泵浦光学耦合镜组座4中的泵浦光学耦合镜组3注入到激光晶体7中，泵浦光学耦合镜组两端镀泵浦光λp波长的增透膜系，反射腔镜5靠近半导体激光器1的一端镀膜为对λp波长泵浦光的增透膜系，另一端为对λp波长泵浦光增透和λ1波长基频光的高反膜系，激光晶体7的靠近半导体激光器1的端面镀膜为泵浦光和基频光的增透膜系，激光晶体7的另一个通光面镀膜为λ1波长基频光的增透膜系，输出腔镜11靠近半导体激光器1的一端镀膜为对λ1波长基频光的部分透过膜系，另一端为对λ1波长基频光的增透膜系；反射腔镜5的和输出腔镜11的靠近半导体激光器1的两个端面形成谐振腔，基频光会在这个谐振腔内获得增益。在泵浦的初期阶段，腔内自发荧光很弱，被动调Q晶体9对基频光λ1的吸收系数很大，光的透过率很低，它会阻止基频光λ1产生振荡，此时腔处于低Q值（高损耗）状态，不能形成激光振荡。而随着泵浦光的继续作用和反转粒子数的迅速积累，腔内荧光逐渐变强，当达到一定数值时，被动调Q晶体9达到饱和值，突然被“漂白”，此时腔内Q值猛增，产生激光振荡输出调Q脉冲激光，同时激光上能级的粒子数迅速减少，被动调Q晶体9的损耗瞬间变大，最终导致激光输出停止，完成一个脉冲。上述过程不停的重复，便产生了固定频率的脉冲序列。脉冲的宽度取决与调Q晶体的初始透过率和激光谐振腔的长度，脉冲的重复频率取决与调Q的初始透过率，泵浦光强度及输出腔镜11对λ1波长基频光的透过率，其中被动调Q晶体9双面镀对λ1波长基频光的增透膜系。

上述输出的脉冲基频光的偏振态会随着激光晶体7的热效应产生的退偏，环境温度的变化等因素产生变化，即偏振态发生旋转，而非线性倍频晶体15的非线性频率变换的参考面是固定不变的，此时就会导致倍频过程的效率发生变化，即输出倍频激光不稳定。

波片是由具有双折射特性的材料（晶体）按一定方向切割加工的具有特定厚度的平行平板，切割方向应使得晶体的两个折射率不等的主轴与晶体通光面平行。垂直进入波片的平面波，出射波方向不变，但与两个主轴平行方向的偏振分量（O光和E光）之D矢量折射率不同（No和Ne），一定厚度h的波片对这两个偏振分量具有不同的光学厚度，因此，就产生了一定的位相差δ，其中δ=2π(Ne-No)h/λ，λ是光在真空中的波长。选择一定厚度的波片，使得δ=(2m+1)π，m为整数，这样的波片为半波片。线偏振光在入射到相应波长的半波片后，设其入射时光矢量与波片的快轴或慢轴的夹角为a，则通过半波片后的光矢量的方向会向着快轴或慢轴的方向转过2a角，如图2所示。

在输出腔镜11和非线性倍频晶体15之间加入基频光λ1波长所对应的半波片，当输出的脉冲基频光的偏振态由于温度压力等因素发生旋转时，会使得倍频激光的输出功率下降，输出呈现不稳定性，此时可以通过基频光半波片旋转驱动器14旋转基频光半波片13，即可以通过半波片的改变偏振方向的特性，实时的将输出的脉冲基频光的偏振态锁定在非线性倍频晶体15倍频效率最高的位置，从而实现了高功率稳定性偏振锁定半导体泵浦全固态被动调Q脉冲倍频激光的输出，其中半波片两端面镀膜为基频光波长λ1的增透膜系。

以获得高功率稳定性偏振锁定半导体泵浦全固态被动调Q脉冲532nm绿光激光器为例，作为泵浦源的半导体激光器发出波长为808nm泵浦光，被光学耦合镜组耦合到激光晶体Nd:YAG内，在反射腔镜和输出腔镜的靠近半导体激光器的两个端面形成的谐振腔内，1064nm的基频光在激光晶体内进行增益；被动调Q晶体Cr4+:YAG是一种含有饱和吸收功能的掺杂光学晶体，其对1064nm波长基频光的吸收系数并不是常数，在较强激光的作用下，其吸收系数会随着光强的增加而减小至饱和，对光呈现透明的特性。根据这一效应，固定在铜制半导体激光器座上的半导体激光器发射与激光晶体Nd:YAG吸收谱相对应波长的激光，波长为808nm，通过固定在泵浦光学耦合镜组座中的泵浦光学耦合镜组注入到激光晶体中，泵浦光学耦合镜组两端镀泵浦光808nm的增透膜系，反射腔镜靠近半导体激光器的一端镀膜为对808nm波长泵浦光的增透膜系，另一端为对808nm波长泵浦光增透和1064nm波长基频光的高反膜系，激光晶体的靠近泵浦源的一段镀808nm和1064nm增透膜系，另一个通光面镀膜为1064nm波长基频光的增透膜系，输出腔镜靠近半导体激光器的一端镀膜为对1064nm波长基频光的部分透过膜系，另一端为对1064nm波长基频光的增透膜系；反射腔镜的和输出腔镜的靠近半导体激光器的两个端面形成谐振腔，基频光会在这个谐振腔内获得增益。在泵浦的初期阶段，腔内自发荧光很弱，被动调Q晶体对基频光1064nm的吸收系数很大，光的透过率很低，它会阻止基频光λ1产生振荡，此时腔处于低Q值（高损耗）状态，不能形成激光振荡。而随着泵浦光的继续作用和反转粒子数的迅速积累，腔内荧光逐渐变强，当达到一定数值时，被动调Q晶体达到饱和值，突然被“漂白”，此时腔内Q值猛增，产生激光振荡输出调Q脉冲激光，同时激光上能级的粒子数迅速减少，被动调Q晶体的损耗瞬间变大，最终导致激光输出停止，完成一个脉冲。上述过程不停的重复，便产生了固定频率的脉冲序列。脉冲的宽度取决与调Q晶体的初始透过率和激光谐振腔的长度，脉冲的重复频率取决与调Q的初始透过率，泵浦光强度及输出腔镜对基频光的透过率，其中被动调Q晶体双面镀对基频光的增透膜系。

上述输出的脉冲基频光的偏振态会随着激光晶体的热效应产生的退偏，环境温度的变化等因素产生变化，即偏振态发生旋转，而非线性倍频晶体KTP的非线性频率变换的参考面是固定不变的，此时就会导致倍频过程的效率发生变化，即输出倍频激光不稳定。

波片是由具有双折射特性的材料（晶体）按一定方向切割加工的具有特定厚度的平行平板，切割方向应使得晶体的两个折射率不等的主轴与晶体通光面平行。垂直进入波片的平面波，出射波方向不变，但与两个主轴平行方向的偏振分量（O光和E光）之D矢量折射率不同（No和Ne），一定厚度h的波片对这两个偏振分量具有不同的光学厚度，因此，就产生了一定的位相差δ，其中δ=2π(Ne-No)h/λ，λ是光在真空中的波长。选择一定厚度的波片，使得δ=(2m+1)π，m为整数，这样的波片为半波片。线偏振光在入射到相应波长的半波片后，设其入射时光矢量与波片的快轴或慢轴的夹角为a，则通过半波片后的光矢量的方向会向着快轴或慢轴的方向转过2a角，如图2所示。

在输出腔镜和非线性倍频晶体之间加入基频光波长所对应的半波片，当输出的脉冲基频光的偏振态由于温度压力等因素发生旋转时，会使得倍频激光的输出功率下降，输出呈现不稳定性，此时可以通过基频光半波片旋转驱动器旋转基频光半波片，即可以通过半波片的改变偏振方向的特性，实时的将输出的脉冲基频光的偏振态锁定在非线性倍频晶体倍频效率最高的位置，从而实现了高功率稳定性偏振锁定半导体泵浦全固态被动调Q脉冲倍频激光的输出，其中半波片两端面镀膜为基频光波长1064nm的增透膜系。

Claims (1)

1.一种高功率稳定性的偏振锁定半导体泵浦全固态激光器，由半导体激光器、半导体激光器座、光学耦合镜组、光学耦合镜组座、反射腔镜、反射腔镜座、激光晶体、激光晶体座、被动调Q晶体、被动调Q晶体座、输出腔镜、输出腔镜座、基频光半波片、基频光半波片旋转驱动器、非线性倍频晶体、非线性倍频晶体座、基板、外壳组成；其中半导体激光器固定于铜制的半导体激光器座上，光学耦合镜组固定于光学耦合镜组座中，反射腔镜5固定在反射腔镜座内，激光晶体固定在激光晶体座内，被动调Q晶体固定在被动调Q晶体座内，输出腔镜固定于输出腔镜座内，基频光半波片固定于基频光半波片旋转驱动器内，非线性倍频晶体固定于非线性倍频晶体座内，半导体激光器座，光学耦合镜组座，反射腔镜座，激光晶体座，被动调Q晶体座，输出腔镜座，基频光半波片旋转驱动器，非线性倍频晶体座均固定在基板上，罩在外壳中；其特征在于：设泵浦光与基频光的波长分别为λp，λ1，固定在铜制半导体激光器座上的半导体激光器发射与激光晶体吸收谱相对应波长的激光，波长为λp，通过固定在光学耦合镜组座中的光学耦合镜组注入到激光晶体中，光学耦合镜组两端镀泵浦光λp波长的增透膜系，反射腔镜靠近半导体激光器的一端镀膜为对λp波长泵浦光的增透膜系，另一端为对λp波长泵浦光增透和λ1波长基频光的高反膜系，激光晶体的靠近半导体激光器的端面镀膜为泵浦光和基频光的增透膜系，激光晶体的另一个通光面镀膜为λ1波长基频光的增透膜系，被动调Q晶体双面镀对λ1波长基频光的增透膜系，输出腔镜靠近半导体激光器的一端镀膜为对λ1波长基频光的部分透过膜系，另一端为对λ1波长基频光的增透膜系；反射腔镜和输出腔镜的靠近半导体激光器的两个端面形成谐振腔，基频光在激光晶体内进行增益，被动调Q晶体对基频光进行调Q，而基频光半波片通过基频光半波片旋转驱动器的控制输出的脉冲基频光的偏振态，锁定在倍频效率最高的位置，以保证倍频过程的稳定，其中半波片的两端面镀膜为基频光λ1波长的增透膜系；非线性倍频晶体按基频光波长λ1的倍频相位匹配方向切割，使得波长λ1在非线性倍频晶体中共线传播时满足相位匹配关系：n2/λ2=n1/λ1+n1/λ1，其中n1，n2分别为λ1，λ2波长的光在非线性倍频晶体中传播时的折射率，其双面镀膜为倍频光λ2的增透膜系。

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