CN205666428U - 一种腔内调频角锥谐振腔 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种腔内调频角锥谐振腔，解决了现有技术中的腔内调频式谐振腔的激光损耗、不能满足恶劣环境下使用的技术问题，其技术方案要点是包括有一腔体以及设置于所述腔体内的激光物质、角锥棱镜以及频率转换器件，所述腔体内还包括有对基频光进行反射的腔镜以及调频光输出、基频光反射的斜向布置的腔镜，所述激光物质发出的光束依次经过频率转换器件、角锥棱镜、腔镜以及腔镜，经过所述腔镜的高反作用后进入所述频率转换器件并再次进入腔镜。通过腔体内元件的调整，使得调频光直接自腔镜中透射出去，调频光不再经过激光物质，可以实现调频光的无损耗输出。

Description

一种腔内调频角锥谐振腔

技术领域

本实用新型涉及一种谐振腔,更具体地说，它涉及一种可以实现腔内调频输出的角锥谐振腔。

背景技术

谐振腔的作用是将激光物质中频率、方向一致的光做放大、抑制其他频率和方向的光，沿轴线运动的光子在谐振腔内继续前行，经过谐振腔内两反射镜的反射，不断往返运动产生振荡，使得激光物质中其他受激粒子与之相遇而产生辐射，沿轴线运行的光子将不断增殖，在腔内形成传播方向一致、频率和相位相同的强光束，产生激光。由上述对于谐振腔的描述可知，谐振腔内有几个必要的元器件：激光物质、激发其产生激光的泵浦以及轴线上相对设置的两块反射镜，其中，把激光引出腔外，可把一面反射镜做成部分透射的，透射部分成为可利用的激光，反射部分留在腔内继续增殖光子。在这个过程中，为了保证光子沿轴向振荡不断激发激光物质产生同频率的光子以获得激光，需要保证两块反射镜的绝对平行，防止光子打到反射镜上时发生偏折而难以形成一道较强的激光束作为输出。但是，在一些恶劣环境下，例如航天、导弹、野外军用设备上，即使最初安装可以保证两块反射镜的绝对平行，外部环境的振荡也会破坏两者的初始安装位置。

因此，申请日为1999.11.17、申请号为99245338.0的实用新型专利（以下称为现有技术1）中将两块反射镜中的一块用角锥棱镜代替构成了一种用于气体激光器的谐振腔。其中的角锥棱镜，又称为回归反射器，是一种依据临界角原理制造的内部全反射棱镜，它不受入射角大小的影响，把入射光反射180度，也就是说，对于任意角度进入角锥棱镜的入射光线，都将被高效的按照原方向反射回去，使得谐振腔的抗失调能力达到了正负21度。但是，现有技术1中的谐振腔，其光束是在角锥棱镜的顶点与输出镜之间振荡，这种振荡形式导致的结果是出射激光无法形成线偏振光。

随着激光技术的不断应用创新，各个领域对于激光设备的要求不仅仅局限于一个频率的激光束输出，而是需要在不同场合输出不同频率的激光束，即腔内变频。现有技术1中的角锥谐振腔其结构的限定导致输出光束并非线偏振光，而进行腔内调频又必须要求光束为线偏振光，因而，角锥谐振腔虽然满足了在恶劣环境下使用的需求，但是，其输出光束本身又限制了其作为变频谐振腔的使用。

实用新型内容

针对现有技术存在的不足，本实用新型的目的在于提供一种适于恶劣环境下使用，腔内调频直接可以输出变频光的一种腔内调频角锥谐振腔。

为实现上述目的，本实用新型提供了如下技术方案：一种腔内调频角锥谐振腔，包括有一腔体，其特征是：所述腔体内设置有至少一个有源激光物质、一个作为腔镜的角锥棱镜、一斜向布置的腔镜一、一腔镜二以及至少一个频率转换器件，所述有源激光物质发出的光束依次经过角锥棱镜、腔镜一进入腔镜二，经过所述腔镜二的反射作用后沿原光路返回，再次经过角锥棱镜、腔镜一和频率转换器件后进入腔镜二，经所述腔镜二的反射后再次进入频率转换器件，经过所述频率转换器件后的调频光自所述腔镜一输出、基频光返回所述腔体内。

通过采用上述技术方案，通过腔镜一的引入，使得基频光在经过频率转换器件之后，再次进入腔镜一，通过频率转换器件的调频作用，高频部分自腔镜一透射输出、基频光部分返回角锥棱镜内再次对激光物质进行激发，这样的光路中，调频后的高频光不再通过激光物质，因而，在整个腔体内无损耗；光束的振荡路径不再是角锥棱镜的顶点位置，而是在三个反射面中的任意两个进行反射，因此，入射的光束会被唯一反射出角锥棱镜，因而，出射光不再是呈六个光斑的光束，而是单一光斑，光束质量有所提高，并且，这个高质量的调频光的输出，由于角锥棱镜的反射不受光束入射角锥的入射角的影响，因此，经过频率转换器件的调频作用，可以兼顾恶劣环境下使用以及腔内调频光输出的需要。

本实用新型进一步设置为：所述腔镜一的斜向角度为45度。

通过采用上述技术方案，腔镜一在大于0度小于90度之间的夹角均可以满足折光需求，但是，当其斜向角度布置为45度时，可以简化谐振腔内的元器件的调整过程。

本实用新型进一步设置为：所述腔镜二为基频光和调频光的全反镜。

通过采用上述技术方案，由于高反镜对基频光和调频光均产生高反作用，因此，腔体内输出的激光的功率很高，使角锥谐振腔适合于高功率场合。

本实用新型也可设置为：所述腔镜二为基频光或调频光的部分反射镜。

通过采用上述技术方案，反射镜区别于高反镜，它可以将部分基频光透射、将调频光进行反射，在恶劣环境下使用时，采用反射镜虽然会损失部分基频光，造成输出激光束功率降低，但是，调频光输出是稳定的，不受腔体内元件的小角度偏转的影响。

本实用新型进一步设置为：所述有源激光物质与角锥棱镜之间还设置有调整所述腔体内的偏振方向的半波片。

通过采用上述技术方案，半波片可以调整腔体内的偏振态，在没有半波片的情况下，需要调整频率转换器件和角锥的设置位置，以使腔体内的偏振态满足于调频输出的需要，调光时间较长、耗费精力较大，加入半波片对腔体内的偏振态进行调整后，不仅谐振腔的成本不会增加过多，且调光过程变得简单、快捷。

本实用新型进一步设置为：所述腔镜一与角锥棱镜之间还设置有用于补偿所述角锥棱镜制造误差的双楔。

通过采用上述技术方案，利用角锥棱镜的特殊性质，角锥棱镜在腔体内可以按照便利于其他元器件的安置方位进行设置而不会影响光束的反射，但是，由于制造时误差的出现，使得角锥棱镜上的三个互成90度的三个反射面之间存在角度差，这个误差将会影响输出激光束的质量。通过旋转双楔，对这个误差进行补偿，可以使输出的激光束的质量进一步提高。

本实用新型进一步设置为：所述有源激光物质与频率转换器件之间还设置有调Q开关，所示调Q开关与角锥棱镜之间设置有调整所述腔体内的偏振方向的半波片。

通过采用上述技术方案，通过调Q开关的作用，可以将谐振腔的激光束的输出由低能量的连续输出转变成脉冲输出，经过调Q开关的作用后，输出的激光束的功率可以达到瞬间的几万瓦功率，这种脉冲式大功率激光输出，有着广泛的应用场合。

本实用新型进一步设置为：所述调Q开关采用声光Q开关或被动调Q器件。

通过采用上述技术方案，区别于其他调Q开关，声光Q对于腔体内部的偏振态的要求较低，因而对于腔体内部的偏振态调整过程更加简单，光路连接也较为简单；相对于声光Q开关来说，被动调Q器件成本低、结构简单，且其输出的脉冲激光束质量也基本满足于使用要求。

本实用新型进一步设置为：所述频率转换器件（2）为LBO晶体或BiBO晶体或KTP晶体或PPLN晶体或PPKRP晶体，所述有源激光物质（4）为Nd:YVO4晶体或Nd:YAG。

通过采用上述技术方案，两种激光晶体以及五种频率转换晶体之间根据需要进行任意的组合，基本可以满足绝大部分的输出激光束的要求。

本实用新型进一步设置为：所述有源激光物质包括有激光晶体、泵浦模块以及设置于两者之间的柱透镜，所述激光晶体包括有两层基质晶体以及夹设在两层基质晶体之间的掺杂层，所述掺杂层的厚度小于等于2㎜，所述泵浦模块发出的泵浦光经过所述柱透镜整形后照射在所述激光晶体的侧面并激发所述掺杂层。

通过采用上述技术方案，激光晶体的生长过程中，在两层基质晶体之间生长一层掺杂层，控制掺杂层的厚度，即可控制激光晶体内部的可以被激发产生增益的区域的体积，再通过柱透镜对泵浦模块的光的整形，使得激光晶体侧面输出的激光束受到掺杂层的厚度和柱透镜对泵浦光的整形宽度的限制，因而，在本方案中，有源激光物质实际为侧面泵浦系统，其中所使用的泵浦模块价格相较于端面泵浦模块低廉许多，但是通过度掺杂区的厚度控制，完全可以实现端面泵浦系统的输出质量，因而，基于这个方案所获得的谐振腔成本比采用端面泵浦低廉，却可以获得近似的输出光束质量。

附图说明

图1为实施例1的谐振腔布置图；

图2为实施例2的谐振腔布置图；

图3为实施例6的侧面泵浦结构的主视图；

图4为实施例6中结构的俯视图。

附图标注：1、腔镜二；2、频率转换器件；3、腔镜一；4、有源激光物质；41、激光晶体；42、柱透镜；43、泵浦模块；411、基质晶体；412、掺杂层；413、高增益区；5、调Q开关；6、半波片；7、角锥棱镜；8、双楔。

具体实施方式

参照图1至图2以及实施例1和2对本实用新型做进一步说明。

实施例1

一种腔内调频角锥谐振腔，包括有用于放置各个光学器件的腔体以及设置于腔体内光学器件。腔体内包括有腔镜二1、频率转换器件2、斜向布置的腔镜一3、有源激光物质4、以及角锥棱镜7。如图1中所示，有源激光物质4在外部的泵浦的激发下在谐振腔内发出光束，光束进入角锥棱镜7内的一个反光面后，在其另外一个反光片出射，使得入射光平移回射，出射光束进入腔镜一3，根据光的反射原理，水平打入腔镜一3内的光束向上反射进入腔镜二1内，光束全部沿原光路反射回来，并再次进入角锥棱镜7内。当有源激光物质4内某一方向多次振荡后建立起较强光路时，自腔镜二1反射回来的光束进入角锥棱镜7后，经过有源激光物质4进入腔镜一3，在腔镜一3的反射作用下经过频率转换器件2，频率转换器件2改变光束频率，因此，自频率转换器件2出来的光束部分可以达到腔镜一3的透射频率，因而，调频光从腔镜一3内透射出谐振腔，其余的基频光部分返回谐振腔内继续振荡至再次输出。这样设置的光路，有源激光物质4的泵浦形式既可以选择侧面泵浦直接布置在基频腔部内，也可以采用端面泵浦的形式通过腔镜一3对有源激光物质4进行激发，当需要输出高质量的激光束而对于光束功率无特殊要求时，适宜采用端面泵浦。

需要指出的是：腔镜一3的斜向角度在0至90度之间（不包括端点值）均可以满足使用要求，但是，其优选角度为45度，以便利于谐振腔内的各个元器件的调整以及腔型的布置。

在有源激光物质4与角锥棱镜7之间还设置有半波片6。由于角锥棱镜7对于腔体内的偏振方向有一定的要求，虽然通过调整腔体内的各个光学元件的角度和摆放位置也可以达到这偏振态的需要，但是调整过程复杂繁琐，在腔体内增加的半波片6可以将过程简化至调整半波片6的角度以及转动频率转换器件2 ，减少谐振腔的调光时间。

在角锥棱镜7的出射光路上还设置有双楔8，这样做的好处是：角锥棱镜7在理论上需要保证三个反射面互成90度，但是，由于制造水平的限制，角锥棱镜7的三个反射面之间存在一定的加工误差，这个误差值会影响自角锥棱镜7内出设的光束的方向，进而影响腔镜一3内输出的调频光的质量，增加的双楔8利用自身的折射作用，弥补角锥棱镜7的制造误差，这样设置的谐振腔，在安装各个光学器件时，首先通过旋转双楔8，将角锥棱镜7的出射光束方向调整至于入射光平行，固定双楔8，此后，无论角锥棱镜7在腔体内如何移动或者转动，对于进入和出射角锥棱镜7的光束的角度影响都不大。

实施例2

在上述过程中，自腔镜一3内输出的调频光是连续的、小功率的。在有源激光物质4与角锥棱镜7之间增加调Q开关5。激光调Q的作用是将激光的连续输出改变为脉冲式输出，以满足一些大功率脉冲激光束应用场合的要求。此处的调Q开关5，可以是声光Q开关、电光Q开关或者是被动调Q器件，三者均可以实现脉冲输出的需求。

实施例3

实施例2中的方案中，有源激光物质4选用Nd:YVO4，频率转换器件2选用LBO晶体，调Q开关选用声光Q开关时，谐振腔的输出激光为532纳米、单脉冲0.5mJ、频率为20KHz的激光束。

实施例4

将实施例2中的有源激光物质4选用Nd:YAG时，可以将实施例3中的单脉冲输出能量提高至1mJ。

实施例5

将实施例2中的方案中，有源激光物质4选用Nd:YVO4，频率转换器件2选用KTP晶体，调Q开关选用声光Q开关时，谐振腔的输出激光为1570纳米的人眼安全激光，这种激光可以用于军事装备中作为激光测距仪的激光发生器使用。

需要指出的是，除了实施例3至5中所列举的应用外，有源激光物质4可以采用红宝石(Cr:Al2O3)、钛宝石(Ti:Al2O3)、掺钕钆铝石榴石(Nd: Y3Al5O12)、掺镝氟化钙(Dy: CaF2)、掺钕钒酸钇(Nd: YVO4)、四硼酸铝钕(NdAl3(BO3)4)、Nd:YLF 、ND:KGW、 Ho:YAG、Nd:GdVO4、钕玻璃、铒玻璃 、Er:YAG Tm:YAG等晶体；频率转换器件2可以采用KDP晶体、ADP晶体、DKDP晶体、DCDA晶体、KTP晶体、LiIO3晶体、HIO3晶体、KIO3晶体、NH4IO3晶体、KB5晶体、BBO晶体、LBO晶体、BIBO 、CLBO 、PPLN 、PPKTP、NYAB晶体、Li2B4O7晶体、LN晶体、KN晶体、KTN晶体、BNN晶体、SBN晶体、BaTiO3晶体、SrTiO3晶体、PbTiO3晶体等，本领域技术人员可以依据其公知常识进行有源激光物质4与频率转换器件2的任意适配性组合以获得其需要的输出光束。

实施例6

一种侧面泵浦结构，可以作为实施例1和2中的有源激光物质4，其结构如图3至4中所示，包括有激光晶体41、柱透镜42以及泵浦模块43，其中，激光晶体41为三层掺杂晶体结构，其两端为基质晶体411，中间一层为掺杂层412，三层晶体结构中，掺杂层412可以在泵浦模块43的激发作用下产生增益，而基质晶体411部分则不会被激发。

如图4中所示，泵浦模块43的光经过柱透镜42后进入激光晶体41的侧面，激光晶体41的整个侧面接收到泵浦模块43的能量，此时，掺杂层412被激发产生增益后，激光束从激光晶体41的侧面输出，此时，柱透镜42限定输出的激光束的宽度为a，掺杂层412所在层的厚度为b，则激光晶体41内产生的高增益区413的面积被限定为a*b。当a值限定在小于2㎜的范围内，优选为1㎜时，这个面积可以达到端面泵浦系统的输出激光束质量，并且，由于掺杂层412夹设在两块基质晶体411之间，基质晶体411的面积大，且在谐振腔的尺寸允许的情况下，增加基质晶体411的厚度可以增大对于掺杂层412的散热体积，那么，整个侧面泵浦结构的散热条件良好，不需要外界单独提供散热系统。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，本实用新型的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本实用新型思路下的技术方案均属于本实用新型的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种腔内调频角锥谐振腔，包括有一腔体，其特征是：所述腔体内设置有至少一个有源激光物质（4）、一个作为腔镜的角锥棱镜（7）、一斜向布置的腔镜一（3）、一腔镜二（1）以及至少一个频率转换器件（2），所述有源激光物质（4）发出的光束依次经过角锥棱镜（7）、腔镜一（3）进入腔镜二（1），经过所述腔镜二（1）的反射作用后沿原光路返回，再次经过角锥棱镜（7）、腔镜一（3）和频率转换器件（2）后进入腔镜二（1），经所述腔镜二（1）的反射后再次进入频率转换器件（2），经过所述频率转换器件（2）后的调频光自所述腔镜一（3）输出、基频光返回所述腔体内。

2.根据权利要求1所述的腔内调频角锥谐振腔，其特征是：所述腔镜一（3）的斜向角度为45度。

3.根据权利要求1或2所述的腔内调频角锥谐振腔，其特征是：所述腔镜二（1）为基频光和调频光的全反镜。

4.根据权利要求1或2所述的腔内调频角锥谐振腔，其特征是：所述腔镜二（1）为基频光或调频光的部分反射镜。

5.根据权利要求1或2所述的一种腔内调频角锥谐振腔，其特征是：所述有源激光物质（4）与角锥棱镜（7）之间还设置有调整所述腔体内的偏振方向的半波片（6）。

6.根据权利要求1或2所述的腔内调频角锥谐振腔，其特征是：所述腔镜一（3）与角锥棱镜（7）之间还设置有用于补偿所述角锥棱镜（7）制造误差的双楔（8）。

7.根据权利要求1所述的一种腔内调频角锥谐振腔，其特征是：所述有源激光物质（4）与频率转换器件（2）之间还设置有调Q开关（5）。

8.根据权利要求7所述的腔内调频角锥谐振腔，其特征是：所述调Q开关（5）采用声光Q开关或被动调Q器件。

9.根据权利要求1所述的腔内调频角锥谐振腔，其特征是：所述频率转换器件（2）为LBO晶体或BiBO晶体或KTP晶体或PPLN晶体或PPKRP晶体，所述有源激光物质（4）为Nd:YVO4晶体或Nd:YAG。

10.根据权利要求1所述的腔内调频角锥谐振腔，其特征是：所述有源激光物质（4）包括有激光晶体（41）、泵浦模块（43）以及设置于两者之间的柱透镜（42），所述激光晶体（41）包括有两层基质晶体（411）以及夹设在两层基质晶体（411）之间的掺杂层（412），所述掺杂层（412）的厚度小于等于2㎜，所述泵浦模块（43）发出的泵浦光经过所述柱透镜（42）整形后照射在所述激光晶体（41）的侧面并激发所述掺杂层（412）。