CN212725948U

CN212725948U - 一种全固态v型腔布里渊激光器

Info

Publication number: CN212725948U
Application number: CN202021931149.9U
Authority: CN
Inventors: 白振旭; 陈晖�; 杨学宗; 丁洁; 齐瑶瑶; 王雨雷; 吕志伟
Original assignee: Hebei University of Technology
Current assignee: Hebei University of Technology
Priority date: 2020-09-07
Filing date: 2020-09-07
Publication date: 2021-03-16
Anticipated expiration: 2030-09-07

Abstract

本实用新型公开了一种全固态V型腔布里渊激光器，所述激光器包括：泵浦源发出的第一频率泵浦光经望远镜器件后依次通过光隔离器、第一二分之一波片和聚焦透镜后，进入由第一凹面反射镜、布里渊晶体、第二凹面反射镜和体布拉格光栅组成的V型布里渊振荡器；泵浦光与布里渊晶体相互作用激发出第二频率的斯托克斯光，体布拉格光栅置于压电陶瓷位移平台上，利用锁频控制器对体布拉格光栅所处的压电陶瓷位移平台进行调节。本实用新型能够在很大程度上降低布里渊激光产生阈值和提高布里渊激光的输出功率，增加输出布里渊激光的稳定性以及降低对光隔离器的要求，并且能够通过抑制级联斯托克斯光来产生纯净布里渊激光输出，以及通过采用不同的工作物质来扩大其输出激光波长范围。

Description

一种全固态V型腔布里渊激光器

技术领域

本实用新型涉及激光器领域，尤其涉及一种全固态V型腔布里渊激光器。

背景技术

受激布里渊散射作为一种三阶非线性转换效应，已在相位共轭、脉冲压缩、光束的时间和空间整形、慢光技术、分布式光纤传感和组束技术中有出色的表现。但与二阶转换相比，布里渊激光器的增益耦合要弱很多，因此，传统的布里渊激光大都是通过硫系化合物、氮化硅、二氧化硅等材料结合低损耗的波导型结构来实现的，受制于可选择的工作物质其输出波长范围受到一定的限制，并且往往会引入波导型结构制作工艺的复杂性。所以，突破传统材料及波导结构的种种弊端实现自由空间运转的布里渊激光器对于获得更高功率、更宽波长范围的布里渊激光输出具有重要意义，并有望大幅提高布里渊激光器件的性能。虽然目前研究人员已经通过直腔和环形腔实现了自由空间运转的布里渊激光输出，但在高功率工作时的散射斯托克斯光对于谐振腔的稳定性有很大的干扰，并且对光隔离器也有更高的要求，技术实现难度较大。

采用新型布里渊振荡器结构及高热导率工作物质来实现自由空间运转的布里渊激光器，是一种获得高功率稳定布里渊激光输出的有力途径，对微波激光雷达、量子物理、空间探测等领域的发展具有重要意义。

实用新型内容

本实用新型提供了一种全固态V型腔布里渊激光器，本实用新型一方面克服上述波导型及直腔结构布里渊激光器的技术缺点，能够在很大程度上降低布里渊激光产生阈值和提高布里渊激光的输出功率，同时结合V型腔和VBG器件能够有效抑制级联斯托克斯光、降低后向散射的斯托克斯光对光隔离器和谐振腔锁定的要求，进而实现稳定的布里渊激光输出，并且可以通过采用不同的布里渊增益介质来扩大其输出激光波长范围，详见下文描述：

一种全固态V型腔布里渊激光器，所述激光器包括：

泵浦源发出的第一频率泵浦光经望远镜器件后依次通过光隔离器、第一二分之一波片和聚焦透镜后，进入由第一凹面反射镜、布里渊晶体、第二凹面反射镜和体布拉格光栅组成的V型布里渊振荡器；

泵浦光与布里渊晶体相互作用激发出第二频率的斯托克斯光，体布拉格光栅置于压电陶瓷位移平台上，利用锁频控制器对体布拉格光栅所处的压电陶瓷位移平台进行调节；所述第一频率泵浦光和第二频率的斯托克斯光在V型布里渊振荡器中传播时，均垂直于第二凹面反射镜和体布拉格光栅。

其中，所述第一凹面反射镜为平-凹镜，平面镀对泵浦光增透的介质膜，凹面镀对泵浦光高反射的介质膜；所述第二凹面反射镜为平-凹镜，凹面镀对泵浦光高反射的介质膜。

其中，所述第一频率泵浦光的入射方向与第一凹面反射镜夹角小于10度。

本实用新型提供的技术方案的有益效果是：

1、该激光器通过利用压电陶瓷位移平台的控制，实现对腔长的调节，进而能够提高腔内的泵浦光功率，在达到提高激光输出功率目的的同时，还能有效降低布里渊激光阈值及晶体热负载，实现布里渊激光的自由空间运转；

2、本实用新型通过第一凹面反射镜、布里渊晶体、第二凹面反射镜、体布拉格光栅组成的V型结构的自由空间运转布里渊激光系统，一方面克服了波导型结构制作工艺复杂的问题，另一方面降低直腔中后向散射的斯托克斯光对光隔离器的要求以及对谐振腔稳定性的干扰，同时克服了环形腔结构频率锁定难以实现的技术难题，增加了布里渊激光器的设计自由度和稳定性；

3、该激光器可以根据实际对波长和输出线宽的需要，选择不同的晶体材料(金刚石、TeO₂等)作为布里渊晶体，增加了激光器的工作波长范围，克服了波导型结构激光波长输出范围窄的限制；

4、该激光器利用体布拉格光栅作为激光耦合输出端，一方面，可以有效控制谐振腔的Q值获得布里渊激光线宽在一定范围内可控，另一方面，能够有效抑制级联Stokes光的产生，实现纯净的高功率、窄线宽的布里渊激光输出，同时还能降低当平凹镜作为输出镜时的镀膜要求。

附图说明

图1为一种全固态V型腔布里渊激光器的结构示意图；

图2为光隔离器的结构示意图；

图3为锁频控制器的结构示意图；

图4为谐振腔腔长(平平切割布里渊晶体)示意图；

图5为谐振腔腔长(布儒斯特角切割布里渊晶体)示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1：泵浦源； 2：望远镜器件；

3：光隔离器； 4：第一二分之一波片；

5：聚焦透镜； 6：第一凹面反射镜；

7：布里渊晶体； 8：第二凹面反射镜；

9：体布拉格光栅； 10：压电陶瓷位移平台；

11：锁频控制器；

3-1：第二二分之一波片； 3-2：第一偏振器；

3-3：法拉第旋光器； 3-4：第三二分之一波片；

3-5：第二偏振器；

11-1：衰减片； 11-2：四分之一波片；

11-3：偏振分光棱镜； 11-4：第一光电探测器；

11-5：减法器； 11-6：第二光电探测器。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本实用新型实施方式作进一步地详细描述。

通过对背景技术中存在的问题进行研究发现，自由空间运转布里渊激光器将克服波导型结构布里渊激光器的功率短板、且无需复杂的制造工艺和流程，为获得高功率、窄线宽、低噪声的激光光源提供了新的技术路径。在自由空间运转的结构中，为了实现高功率的布里渊激光运转输出，需要材料具有高布里渊增益系数和高热导率；此外，为了满足不同工作波长的需求并获得高转换效率，也需要材料具有较宽的透过光谱和更少的负面非线性效应。以金刚石为代表的晶体材料具有极宽的光谱透过范围和极高的热导率，是可以实现几乎不受热影响的高功率且高光束质量布里渊激光输出的光学晶体，是实现高功率自由空间运转布里渊激光输出的有效材料。

综上所述，本实用新型提出以具有高增益系数和极高的热导率的晶体材料作为布里渊增益介质，通过直接泵浦V型结构的布里渊振荡腔，并结合体布拉格光栅(VBG)实现频率控制获得高功率布里渊激光的自由空间运转。该V型腔和VBG器件相结合的结构，能够有效抑制级联斯托克斯光的产生、降低后向散射的斯托克斯光对光隔离器的要求、以及对谐振腔锁定稳定性的影响，有助于实现稳定的布里渊激光输出。

为了解决现有布里渊激光器输出功率低、级联斯托克斯光难以抑制、后向散射的斯托克斯光难以输出等问题，本实用新型提出了一种基于晶体材料的V型腔结构自由空间运转的高功率布里渊激光器，参见图1，一种全固态V型腔布里渊激光器包括：泵浦源1、望远镜器件2、光隔离器3、第一二分之一波片4、聚焦透镜5、第一凹面反射镜6、布里渊晶体7、第二凹面反射镜8、体布拉格光栅9、压电陶瓷位移平台10以及锁频控制器11。

其中，泵浦源1发出第一频率(为ν_p)的连续或准连续线偏振泵浦光，经过望远镜器件2的光束口径调整和准直后，通过光隔离器3、第一二分之一波片4和聚焦透镜5后，进入由第一凹面反射镜6、布里渊晶体7、第二凹面反射镜8和体布拉格光栅9组成的V型布里渊振荡器；体布拉格光栅9置于压电陶瓷位移平台10上；后向反射的泵浦光经过第一凹面反射镜6部分透射后进入锁频控制器11，锁频控制器11通过监控入射光的偏振态变化后将信号反馈至压电陶瓷位移平台10，压电陶瓷位移平台10根据反馈的信号进行实时移动。

其中，第一频率泵浦光和第二频率的斯托克斯光在V型布里渊振荡器中传播时，均垂直于第二凹面反射镜和体布拉格光栅。

其中，上述望远镜器件2的光束口径调整和准直为本领域技术人员所公知的技术，本实用新型实施例对此不做赘述。

具体实现时，第一二分之一波片4用于实现射泵浦光的偏振调节，使得其偏振态与布里渊晶体7的最大增益偏振角度相匹配。第一凹面反射镜6为平-凹镜，平面镀有对泵浦光增透的介质膜，凹面镀有对泵浦光高反射的介质膜，其对泵浦光的反射率在95％～99.99％之间，第二凹面反射镜8为平-凹镜，凹面镀有对泵浦光高反射的介质膜，其对泵浦光的反射率大于99.98％，从泵浦源1出射的泵浦光由第一凹面反射镜6的平面入射。θ的角度小于10度，γ角度为90度，即腔内激光垂直入射到体布拉格光栅9中。

参见图2，光隔离器3由第二二分之一波片3-1、第一偏振器3-2、法拉第旋光器3-3、第三二分之一波片3-4和第二偏振器3-5组成；一方面使入射的泵浦光单向通过光隔离器3，反向传输的光因偏振态的改变通过第一偏振器3-2或第二偏振器3-5偏转出射，因此无法通过光隔离器3，进而起到保护泵浦源1的作用，同时通过调节第二二分之一波片3-1可以使在不改变泵浦光光束质量和光斑尺寸的条件下，实现入射到布里渊晶体7中泵浦光功率的连续可调。

即，光隔离器3用于实现入射泵浦光的单向通过，反向传输的光无法通过，起到入射泵浦光功率调节和保护泵浦源的作用。

参见图3，锁频控制器11用于实现谐振腔偏振信号的测量，经过偏振分光棱镜11-3的两束泵浦光信号转化成电信号后进行减法运算，然后送至压电陶瓷位移平台10，压电陶瓷位移平台10根据锁频控制器11输出的电信号进行移动，锁频控制器11由衰减片11-1、四分之一波片11-2、偏振分光棱镜11-3、第一光电探测器11-4、减法器11-5和第二光电探测器11-6组成。

参见图4和图5，在V型结构的谐振腔中，其物理腔长为l₁+l₂+l₃+l₄，其中l₂为布里渊晶体7的长度，因此谐振腔的光学长度L等于l₁+n×l₂+l₃+l₄，n为布里渊晶体7的折射率。

泵浦源1出射的激光线宽为δν，布里渊晶体7的布里渊增益线宽为Γ_B，满足δν≤2Γ_B；泵浦源1发出频率为ν_p的泵浦光经过布里渊晶体7的受激布里渊散射作用，产生的Stokes光的频率为ν_S。

其中，体布拉格光栅9的两个端面均镀频率为ν_p的泵浦光的增透膜；体布拉格光栅9为反射型，其中心频率等于泵浦源1出射的泵浦光频率ν_p，其针对频率为ν_p的泵浦光的反射率为R_p，对频率为ν_S的Stokes光的反射率为R_S，R_S<R_p。

优选地，第一频率泵浦光的入射方向与第一凹面反射镜夹角小于10度。

锁频控制器11控制压电陶瓷位移平台10，使得由第一凹面反射镜6、布里渊晶体7、第二凹面反射镜8和体布拉格光栅9组成的V型布里渊振荡器两倍的光学长度，即2L等于正整数倍的c/(ν_p-ν_S)，其中c为真空中的光速，进而实现泵浦光与Stokes光在布里渊振荡器中进行双谐振，以获得高效率的Stokes光放大输出。

实际应用时，布里渊晶体7为金刚石晶体、或TeO₂晶体、或石英晶体、或硫族化合物或棒状光纤，布里渊晶体7的布里渊增益线宽为Γ_B；布里渊晶体7的两端切割角度是平-平、或者布儒斯特角，且布里渊晶体7两端镀有频率为ν_p的泵浦光增透膜。

当布里渊晶体7为金刚石晶体时，为了使布里渊晶体7中的束腰尺寸符合实际情况且腔内功率密度达到布里渊激光产生阈值，l₁可取为60mm、l₂为8mm(n＝2.41)、l₃为48mm、l₄为150mm，第一凹面反射镜6的曲率半径为100mm，θ为6度，第二凹面反射镜8的曲率半径为50mm。

当布里渊晶体7的两端面切割角度是平-平时，泵浦光与布里渊晶体7入射面的夹角

(图4)；当布里渊晶体7的两端面按照布儒斯特角切割时，泵浦光与布里渊晶体7入射面的夹角等于

(图5)。

本实用新型实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本实用新型实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种全固态V型腔布里渊激光器，其特征在于，所述激光器包括：

泵浦光与布里渊晶体相互作用激发出第二频率的斯托克斯光，体布拉格光栅置于压电陶瓷位移平台上，利用锁频控制器对体布拉格光栅所处的压电陶瓷位移平台进行调节；

所述第一频率泵浦光和第二频率的斯托克斯光在V型布里渊振荡器中传播时，均垂直于第二凹面反射镜和体布拉格光栅。

2.根据权利要求1所述的一种全固态V型腔布里渊激光器，其特征在于，所述第一凹面反射镜为平-凹镜，平面镀对泵浦光增透的介质膜，凹面镀对泵浦光高反射的介质膜；所述第二凹面反射镜为平-凹镜，凹面镀对泵浦光高反射的介质膜。

3.根据权利要求1所述的一种全固态V型腔布里渊激光器，其特征在于，所述第一频率泵浦光的入射方向与第一凹面反射镜夹角小于10度。