CN205666429U - 一种角锥环形谐振腔 - Google Patents

Abstract

本实用新型中公开了一种角锥环形谐振腔，解决了现有技术中的行波腔对于腔镜的安装角度要求极为精确，不适用于恶劣环境的使用要求的技术问题，其技术方案要点是包括有一腔体以及设置于腔体内的有源激光物质、角锥棱镜以及单向运转控制器件，腔体内还包括有对基频光进行反射的高反射镜以及调频光输出、基频光反射的腔镜、非线性晶体以及直角棱镜，有源激光物质在外部泵浦的激发下发出的光束垂直进入所述直角棱镜并平行反射出来，光束进入非线性晶体后以45度角入射腔镜并反射进入单向运转控制器件，出射光经过角锥棱镜的反射后返回有源激光物质。通过腔体内元件的调整，降低了对墙体内各个元件的安装精度的要求，使谐振腔满足与恶劣环境下的使用。

Description

一种角锥环形谐振腔

技术领域

本实用新型涉及一种谐振腔，特别涉及一种可以实现腔内大功率调频输出的角锥环形谐振腔。

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。

谐振腔从腔体内部的光束的循环方式上分为两种：行波腔（也称为环形腔）和驻波腔两种，其区别在于：驻波腔内为了将激光物质的全部能力带走，需要多个波长相近的光波进入激光物质内，多个光波分别带走激光物质内不同区域的能量，这样的驻波腔输出的激光为多频率激光，在光谱图上显示结果是多个频率的光束；行波腔不同，其内部设置有单向运转控制器件，通过该器件仅允许一个方向的光束通过，因而，行波腔输出的为单频率光束，也就是说在输出的光谱图上仅有一个频率的光输出。

较之驻波腔，行波腔的输出激光功率高、光束质量高且频率单一，因而有着广泛的应用。基于行波腔的频率变换方式有两种：腔内变频和腔外变频，腔外变频的形式对于泵浦的光利用率不高，因而，腔内变频有着不可比拟的优势，其输出功率高且对于泵浦能量利用率高。传统的行波腔由四块高反镜互成90度并在其中一条光路上增加单向运转控制器件来完成光束的单向运转，例如授权公告号为1330061的中国实用新型专利（以下称为现有文件1）中公开了一种单频可调谐激光器，参照其附图3，其环形腔的构成是利用两个平面镜10、11以及两个凹面镜12、13构成，利用光束的“8”字型运转形成八字环形腔。

现有文件1中的两块平面镜和两块凹面镜的相对位置关系有着严格的限定，一旦某一块或者几块腔镜在腔体发生震动时偏转，则光束会在环形运转时偏出腔体，导致谐振腔输出光束质量很差甚至无输出，而在恶劣的使用环境下，例如车载、军用等，谐振腔的腔体又经常会震动，因而，八字环形腔在这种环境下使用一段较短时间便会由于腔镜的角度位置偏移而失去预设的输出。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种角锥环形谐振腔，使其在实现腔内变频输出单频率光束的同时，谐振腔本身的抗失调能力提高，使其适用于恶劣环境下使用。

本实用新型的上述目的是通过以下技术方案得以实现的：一种角锥环形谐振腔，其特征是：包括有一腔体以及设置于所述腔体内的激光物质、角锥棱镜以及单向运转控制器件，所述腔体内还包括有对基频光进行反射的高反射镜以及调频光输出、基频光反射的斜向布置的腔镜、非线性晶体以及对入射光进行平移回射的平移回射器件，且所述角锥棱镜的顶点位于入射和出射所述角锥棱镜的两光束的对称轴线上，所述激光物质发出的光束垂直进入所述平移回射器件，经过所述平移回射器件平移回射后的光束进入非线性晶体，光束斜向入射腔镜并反射进入所述单向运转控制器件，出射光经过角锥棱镜的反射后再次进入腔镜并最终再次进入所述激光物质。

通过采用上述技术方案，对入射光进行评议回射的平移回射器件将入射光与出射光分为两束，经过腔镜后进入角锥棱镜内进行反射，利用角锥棱镜的抗失调能力，可以容许角锥棱镜发生偏转而不影响谐振腔的光束输出质量，使环形腔本身适合于恶劣环境下使用；并且，调频光自腔镜直接输出而不经过激光物质，可以最大限度的减小腔体内的能量损耗。

本实用新型进一步设置为：所述平移回射器件为一直角棱镜。

通过采用上述技术方案，直角棱镜的两个反射面相互垂直，可以简单可靠地实现对入射光的平移回射，从而将入射光束与出射光束分成两束。

本实用新型也可设置为：所述平移回射器件为一角锥棱镜，且所述角锥棱镜的也顶点位于入射和出射该角锥棱镜的两光束的对称轴线上。

通过采用上述技术方案，将角锥棱镜的顶点设置于入射和出射该角锥棱镜的两光束的对称轴线上，会使得这里的角锥的顶点与单向运行器件后的角锥的顶点相对，所述环形谐振腔的抗失调能力进一步提高。

本实用新型也可设置为：所述平移回射器件为两个相互固定成直角的高反镜。

通过采用上述技术方案，采用两高反镜垂直固定，结构简单且成本较低，且满足于将入射光线平移回射的要求。

进一步地，所述单向运转控制器件与腔镜之间设置有半波片。

进一步地，所述角锥棱镜的出射光线与所述腔镜之间还设有半波片。

本实用新型进一步设置为：所述非线性晶体的两侧设置有两个凸面镜，所述凸面镜的主光轴与所述平移回射后的光束重合。

通过采用上述技术方案，利用非线性晶体两侧设置的凸面镜，使入射和出射所述非线性晶体的光斑面积减小，可以进一步提高变频激光束的效率，增设的凸面镜可以使角锥环形谐振腔基本实现与现有的八字环形腔一样的输出效能，且其抗失调能力远高于传统的八字环形腔。

本实用新型进一步设置为：所述角锥棱镜的出射光线与所述腔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，角锥棱镜理论上来讲三个反射面之间应该是互成90度角设置，实际制造时，由于加工工装和制造水平的限制，三个反射面之间一定会存在制造误差，通过双楔的旋转对这个制造角度差值进行补偿，可以进一步提高输出光束的质量。

本实用新型进一步设置为：所述有源激光物质采用截面为矩形的激光晶体。

通过采用上述技术方案，矩形截面的激光晶体可以在外接泵浦系统的激发下产生一个平行光束，使得腔体内光束沿一条直线传播。

本实用新型也可设置为：所述有源激光物质采用激光晶体，所述激光晶体上靠近腔镜的一侧设置有一斜面，所述斜面与腔镜之间设置有一个光楔。

通过采用上述技术方案，斜面的设置可以使激光晶体在外界泵浦系统的激发下产生的光束与谐振腔的基模模体体积匹配，获得较高效率的输出。

附图说明

图1是角锥棱镜的入射和出射原理图；

图2是实施例1中的光学元件连接结构图；

图3是实施例2中的光学元件连接结构图；

图4是实施例3中的光学元件连接结构图；

图5是实施例4中的光学元件连接结构图；

图6是实施例5中的光学元件连接结构图；

图7是实施例6中的光学元件连接结构图。

图8是实施例7中的侧面泵浦的结构图；

图9是实施例7中的侧面泵浦结构的俯视图。

图中，0、侧面泵浦；01、端面泵浦；1、平移回射器件；2、非线性晶体；3、激光物质；31、基质晶体；32、掺杂层；4、半波片；5、单向运转控制器件；6、腔镜；7、光楔；8、角锥棱镜；9、凸面镜；10、柱透镜；11、高增益区。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型作进一步详细说明。

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，对于任一调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，其结构如图1中所示，包括有三个互成90度角的入射面，当光束a以任意角度射入角锥棱镜的一个面，均会按照图示方向返回与入射光线a方向相同的出射光线b。

实施例1

一种角锥环形谐振腔，如图1至2所示，包括有腔体以及设置于腔体内光学器件。腔体内的光学器件包括有平移回射器件1、非线性晶体2、激光物质3、半波片4、单向运转控制器件5、斜向布置的腔镜6以及角锥棱镜8，其中，平移回射器件1的作用是将入射光线进行平移回射，因此，此处可以为直角棱镜、角锥棱镜或者是相互固定成直角的两个高反镜，在安装时，需要将直角棱镜的顶点、或者角锥棱镜的顶点或者两个相互固定的高反镜的交线与角锥棱镜8的顶点相对设置。腔镜6的布置角度在0度至90度之间均可以满足反射需要，其优选角度为45度。

腔镜6设置在在平移回射器件1与角锥棱镜8之间，入射光束在平移回射器件1的平移回射作用下相对于入射光平移一段距离平行于入射方向出射，单向运转控制器件5为控制谐振腔内的光束单向运转的器件。

光束首先吸收外界泵浦能量，由激光物质3发出光束进入平移回射器件1内，并在其中沿图2中虚线所示方向进行出射，其出射光线进入非线性晶体2中进行腔体内的频率变换，至腔镜6后，调频光在腔镜6处输出，未达到出射频率的光束在腔镜6的折光作用下经过半波片4和单向运转控制器件5进入角锥棱镜8内，再次出射时经过腔镜6的折光作用返回激光物质3内，上述过程中，光束的传播路径是双向循环的，因此，光束的传播方向应当单纯理解为对于光学器件的连接关系描述，而并非对光束传播路径的限定。

在此过程中，与一般反射镜不同的是，角锥棱镜8的入射光束与出射光束是平行的，其入射与出射关系如图1中所示，这种平行关系基本不受角锥棱镜8在一定范围内的偏转的影响，也正是这个特性，使得腔体的抗失调能力大大提高，保证环形腔可以应用到一些恶劣环境下。非线性晶体2与激光物质3设置在环形腔内先后两条光束上，因而，变频后的调频光直接从腔镜6处输出而不会经过激光物质3，因此，腔内损耗很小，对于泵浦的能量的利用率有所提高。

为了满足腔体内的非线性晶体2的偏振态需要，半波片4设置在单向运转控制器件5与腔镜6之间，以调整腔体内部的偏振态。

此外，由于现有制造水平的限制，角锥棱镜8内的三个反射面之间会存在一定的制造误差，因而，在角锥棱镜8的出射方向上设置有两个光楔7组成的双楔，用于弥补角锥棱镜8的制造偏差，保证腔体内的光束沿理想方向运转。

实施例2

如图3中所示，在非线性晶体2的两端增设两块凸面镜9，以减小光束在非线性晶体2上的光斑面积，使入射非线性晶体2的光束更加集中，从而保证环形腔内输出的激光束的质量。本实施例中的其他设置均与实施例1中保持相同。

实施例3

如图4中所示，限定实施例2中的泵浦形式为侧面泵浦0，以降低有源激光物质3的热效应以及整体环形腔的制造成本。其余设置均与实施例3中相同。

实施例4

如图5中所示，将实施例3中的侧面泵浦0置换为图5中所示的端面泵浦01，并将其设置到腔镜6之后对应于有源激光物质3的位置处。其余设置均与实施例3中相同。

实施例5

将有源激光物质3用激光晶体制造，并将其靠近腔镜的一侧做斜切，如图6中所示，由于斜面的折光作用，在有源激光物质3的斜面与腔镜之间增设一个光楔7，以将光束方向调整至与入射有源激光物质3中的平行方向上，以45度入射角进入腔镜6内。并且，本实施例中的泵浦模块采用侧面泵浦0。这样设置可以获得的有益效果是：使有源激光物质3体在侧面泵浦0的激发下产生的光束与谐振腔的基模模体体积匹配，获得较高效率的输出。本实施例中的其他元器件设置方式与实施例4中相同。

实施例6

如图7中所示，将实施例5中的侧面泵浦0用端面泵浦01替换，以提高输出激光束的质量。其余设置均与实施例5中保持相同。

实施例7

一种侧面泵浦结构，可以被应用至上述实施例中采用侧面泵浦的谐振腔中，其结构如图8至9中所示，包括有激光物质3、柱透镜10以及侧面泵浦0，其中，激光物质3为三层掺杂晶体结构，其两端为基质晶体31，中间一层为掺杂层32，三层晶体结构中，掺杂层32可以在侧面泵浦0的激发作用下产生增益，而基质晶体31部分则不会被激发。

侧面泵浦0的光经过柱透镜10后进入激光物质3的侧面，激光物质3的整个侧面接收到侧面泵浦0的能量，此时，掺杂层32被激发产生增益后，激光束从激光物质3的侧面输出，此时，柱透镜10限定输出的激光束的宽度为a，掺杂层32所在层的厚度为b，则激光物质3内产生的高增益区11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32夹设在两块基质晶体31之间，基质晶体31的面积大，且在谐振腔的尺寸允许的情况下，增加基质晶体31的厚度可以增大对于掺杂层32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。

需要指出的是：实施例1至6中的激光物质3以及实施例7中的掺杂层32可以采用Nd:YAG Nd:YVO4 Nd:YLF ND:KGW Ho:YAG Nd:GdVO4 钕玻璃铒玻璃Er:YAG Tm:YAG。

非线性晶体2可以采用KTP 、LBO 、BIBO、 BBO、 CLBO 、PPLN PPKTP。

本具体实施例仅仅是对本实用新型的解释，其并不是对本实用新型的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本实用新型的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (10)

1.一种角锥环形谐振腔，其特征是：包括有一腔体以及设置于所述腔体内的激光物质(3)、角锥棱镜（8）以及单向运转控制器件（5），所述腔体内还包括有对基频光进行反射的高反射镜以及调频光输出、基频光反射的斜向布置的腔镜（6）、非线性晶体（2）以及对入射光进行平移回射的平移回射器件（1），且所述角锥棱镜（8）的顶点位于入射和出射所述角锥棱镜（8）的两光束的对称轴线上，所述激光物质（3）发出的光束垂直进入所述平移回射器件（1），经过所述平移回射器件（1）平移回射后的光束进入非线性晶体（2），光束斜向入射腔镜（6）并反射进入所述单向运转控制器件（5），出射光经过角锥棱镜（8）的反射后再次进入腔镜（6）并最终再次进入所述激光物质（3）。

2.根据权利要求1所述的角锥环形谐振腔，其特征是：所述平移回射器件（1）为一直角棱镜。

3.根据权利要求1所述的角锥环形谐振腔，其特征是：所述平移回射器件（1）为一角锥棱镜，且所述角锥棱镜的也顶点位于入射和出射该角锥棱镜的两光束的对称轴线上。

4.根据权利要求1所述的角锥环形谐振腔，其特征是：所述平移回射器件（1）为两个相互固定成直角的高反镜。

5.根据权利要求1所述的角锥环形谐振腔，其特征是：所述单向运转控制器件（5）与腔镜（6）之间设置有半波片（4）。

6.根据权利要求1所述的角锥环形谐振腔，其特征是：所述角锥棱镜（8）的出射光线与所述腔镜（6）之间设有半波片（4）。

7.根据权利要求1至6任意一项所述的角锥环形谐振腔，其特征是：所述非线性晶体（2）的两侧设置有两个凸面镜（9），所述凸面镜（9）的主光轴与所述平移回射后的光束重合。

8.根据权利要求7所述的角锥环形谐振腔，其特征是：所述角锥棱镜（8）的出射光线与所述腔镜（6）之间还设置有用于补偿所述角锥棱镜（8）制造误差的双楔。

9.根据权利要求7所述的角锥环形谐振腔，其特征是：所述激光物质采用截面为矩形的激光晶体。

10.根据权利要求7所述的角锥环形谐振腔，其特征是：所述激光物质采用激光晶体，所述激光晶体上靠近腔镜的一侧设置有一斜面，所述斜面与腔镜之间设置有一个光楔（7）。