CN216648854U - 一种占比可调的正交偏振双波长激光器 - Google Patents
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Abstract
本公开提供一种占比可调的正交偏振双波长激光器，包括：激光晶体、泵浦系统、偏振器件、光学谐振腔和调节装置；所述光学谐振腔包括第一谐振腔和第二谐振腔，所述第一谐振腔由腔镜和第一输出镜组成，第二谐振腔由所述腔镜和第二输出镜组成；所述偏振器件插入所述第一谐振腔内的所述激光晶体与所述第一输出镜之间，对水平偏振的第一波长的激光透过，对垂直偏振的第二波长的激光反射；所述调节装置用于调节所述第一输出镜的角度，以调节所述第一谐振腔的平行度；或者，调节所述第二输出镜的角度，以调节所述第二谐振腔的平行度。相较于现有技术，本公开的双波长激光器实现了两种波长功率任意占比的输出，且调节精度高。
Description
技术领域
本公开涉及激光器技术领域，具体涉及一种占比可调的正交偏振双波长激光器。
背景技术
近年来，双波长激光器在多个领域有着重要的应用，如精密光谱学、光通讯、医疗器械、激光雷达、环境监测以及非线性光学的研究等方面。而双波长固体激光器具有结构紧凑、小型化、可实现高功率或者大能量激光输出等特点，已成为国内外激光研究领域的一大热点。
目前，获得双波长激光方式主要有以下几种：
以单个波长的激光作为基频光，在谐振腔内/外采用非线性晶体进行频率变换，可获得双波长激光同时输出；同一谐振腔内采用两种不同的激光增益介质作为工作物质，通过选频器件对不同激光工作介质的发射光谱进行选择实现双波长激光的输出；在同一种激光晶体的激光发射光谱中，通过合适的选频方式获得双波长或多波长的激光输出。
目前，双波长激光器两波长占比的研究重点是将两种波长的功率调成基本一致，主要通过腔镜对不同波长的差异性镀膜、腔长的调整、晶体温控等方式实现。膜层透过率是固定值，无法再进行改变。腔长调整的范围很小，对占比的影响也很小。相对来说，晶体温控精度高，反应快，是比较好的方式调节双波长的占比，但是受限于晶体的工作温度范围，输出占比也被限制在一定范围内，并且激光整体效率也随温度变化。因此，如何更好地实现占比可调的双波长激光器是本领域亟需解决的技术问题。
实用新型内容
本公开的目的是提供一种占比可调的正交偏振双波长激光器，以实现双波长激光器中两种波长功率任意占比的输出。
本公开实施例提供一种占比可调的正交偏振双波长激光器，包括：
激光晶体、泵浦系统、偏振器件、光学谐振腔和调节装置；
所述泵浦系统，用于泵浦所述激光晶体以使所述激光晶体中的激活离子形成粒子数反转分布；
所述光学谐振腔包括第一谐振腔和第二谐振腔，所述第一谐振腔由腔镜和第一输出镜组成，第二谐振腔由所述腔镜和第二输出镜组成；所述腔镜对第一波长和第二波长的激光均全反射；所述第一输出镜对第一波长的激光部分反射，所述第二输出镜对第二波长的激光部分反射；
所述偏振器件插入所述第一谐振腔内的所述激光晶体与所述第一输出镜之间，对水平偏振的第一波长的激光透过，对垂直偏振的第二波长的激光反射；所述水平偏振的第一波长的激光在所述第一谐振腔内振荡，所述垂直偏振的第二波长的激光在所述第二谐振腔内振荡；
所述调节装置，用于调节所述第一输出镜的角度，以调节所述第一谐振腔的平行度；或者，调节所述第二输出镜的角度，以调节所述第二谐振腔的平行度。
在一种可能的实现方式中，在本申请实施例的上述占比可调的正交偏振双波长激光器中，还包括：设置在所述偏振器件与所述第二输出镜之间的第一反射镜；
所述第一反射镜，用于调整所述垂直偏振的第二波长的激光的反射方向，以使所述水平偏振的第一波长的激光和所述垂直偏振的第二波长的激光的输出方向相同。
在一种可能的实现方式中，在本申请实施例的上述占比可调的正交偏振双波长激光器中，还包括：设置在所述第一输出镜出光侧的第二反射镜和设置在所述第二输出镜出光侧的合成镜；
所述第二反射镜，用于调整所述水平偏振的第一波长的激光的出光方向至所述合成镜；
所述合成镜，用于将所述水平偏振的第一波长的激光和所述垂直偏振的第二波长的激光合成一路输出。
在一种可能的实现方式中，在本申请实施例的上述占比可调的正交偏振双波长激光器中，还包括：插入所述光学谐振腔内的调Q器件，以对所述水平偏振的第一波长的激光和/或所述垂直偏振的第二波长的激光进行调制，得到相应的脉冲激光。
在一种可能的实现方式中，在本申请实施例的上述占比可调的正交偏振双波长激光器中，还包括：所述光学谐振腔的腔内或腔外光路上放置的非线性晶体，以对所述水平偏振的第一波长的激光和/或所述垂直偏振的第二波长的激光进行非线性频率变换，得到相应频率的激光。
在一种可能的实现方式中，在本申请实施例的上述占比可调的正交偏振双波长激光器中，所述泵浦系统包括泵浦源和耦合组件，所述泵浦源发出的泵浦光通过端面泵浦或者侧面泵浦方式，经过所述耦合组件注入到所述激光晶体中。
在一种可能的实现方式中，在本申请实施例的上述占比可调的正交偏振双波长激光器中，所述激光晶体为掺钕激光晶体、掺铒激光晶体、掺钬激光晶体或掺铥激光晶体。
在一种可能的实现方式中，在本申请实施例的上述占比可调的正交偏振双波长激光器中，所述激光晶体的两个端面镀有所述第一波长和所述第二波长的增透膜。
在一种可能的实现方式中，在本申请实施例的上述占比可调的正交偏振双波长激光器中，所述偏振器件为偏振分光棱镜、偏振片或布儒斯特角放置的镜片。
在一种可能的实现方式中，在本申请实施例的上述占比可调的正交偏振双波长激光器中，所述水平偏振的第一波长的激光和所述垂直偏振的第二波长的激光的最大输出功率相同。
本公开与现有技术相比的优点在于：
本公开提供的占比可调的正交偏振双波长激光器，包括：激光晶体、泵浦系统、偏振器件、光学谐振腔和调节装置；所述光学谐振腔包括第一谐振腔和第二谐振腔，所述第一谐振腔由腔镜和第一输出镜组成，第二谐振腔由所述腔镜和第二输出镜组成；所述偏振器件插入所述第一谐振腔内的所述激光晶体与所述第一输出镜之间，对水平偏振的第一波长的激光透过，对垂直偏振的第二波长的激光反射；所述调节装置用于调节所述第一输出镜的角度，以调节所述第一谐振腔的平行度；或者，调节所述第二输出镜的角度，以调节所述第二谐振腔的平行度，相较于现有技术，本公开实现了双波长激光器中两种波长功率任意占比的输出，且调节精度高。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本公开的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1示出了本公开所提供的一种占比可调的正交偏振双波长激光器的示意图；
图2示出了本公开所提供的另一种占比可调的正交偏振双波长激光器的示意图；
图3示出了本公开所提供的再一种占比可调的正交偏振双波长激光器的示意图。
具体实施方式
以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
在附图中示出了根据本公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/ 层。
在本公开的上下文中，当将一层/元件称作位于另一层/元件“上”时，该层/ 元件可以直接位于该另一层/元件上，或者它们之间可以存在居中层/元件。另外，如果在一种朝向中一层/元件位于另一层/元件“上”，那么当调转朝向时，该层/元件可以位于该另一层/元件“下”。
本公开实施例提供一种占比可调的正交偏振双波长激光器，下面结合附图进行说明。
图1示出了本公开所提供的一种占比可调的正交偏振双波长激光器的示意图；如图1所示，本公开提供的上述双波长激光器，包括：激光晶体100、泵浦系统200、偏振器件300、光学谐振腔和调节装置(未示出)；
泵浦系统200用于泵浦所述激光晶体以使所述激光晶体中的激活离子形成粒子数反转分布；
具体的，所述泵浦系统包括泵浦源和耦合组件，所述泵浦源发出的泵浦光通过端面泵浦或者侧面泵浦方式，经过所述耦合组件注入到所述激光晶体100 中，为激光器提供输入能量。
在固体激光器中，主要以单管、巴条、迭阵、侧泵模块等各种形式封装的半导体激光器作为泵浦源，连续或脉冲工作，还包括氙灯、氪灯等其它类型的泵浦源。图1所示的泵浦系统为侧面泵浦方式。
具体的，在激光晶体基底材料中掺杂的激活离子吸收泵浦光产生激光跃迁，不同能级间的跃迁将产生不同波长的激光，因此，所述激光晶体100可以为 Nd:YAG、Nd:YVO4、Nd:YLF、Nd:GdVO4等掺钕激光晶体，Er:YAG、Er:YLF、 Er:YAlO3等掺铒激光晶体，以及掺钬激光晶体或掺铥激光晶体等。
具体的，所述激光晶体100的两个端面镀有所述第一波长和所述第二波长的增透膜，以减小损耗优先起振。
所述光学谐振腔包括第一谐振腔和第二谐振腔，所述第一谐振腔由腔镜 400和第一输出镜410组成，第二谐振腔由所述腔镜400和第二输出镜420组成；所述腔镜400对第一波长和第二波长的激光均全反射；所述第一输出镜 410对第一波长的激光部分反射，所述第二输出镜420对第二波长的激光部分反射；
具体的，腔镜400可同时对两种波长全反射，可以在激光晶体100的端面镀全反射膜作为腔镜400。
偏振器件300插入所述第一谐振腔内的所述激光晶体100与所述第一输出镜410之间，对水平偏振的第一波长的激光(图中的激光1)透过，对垂直偏振的第二波长的激光(图中的激光2)反射；
具体的，所述偏振器件300可以为偏振分光棱镜、偏振片或布儒斯特角放置的镜片，还可以是其它能产生偏振的器件。
所述水平偏振的第一波长的激光(激光1)在所述第一谐振腔内振荡，所述垂直偏振的第二波长的激光(激光2)在所述第二谐振腔内振荡。本公开利用偏振器件的偏振特性将平行偏振的激光1和垂直偏振的激光2同时输出。
所述调节装置，用于调节第一输出镜410的角度，以调节所述第一谐振腔的平行度；或者，调节第二输出镜420的角度，以调节所述第二谐振腔的平行度。
在一种可能的实现方式中，本公开提供的上述占比可调的正交偏振双波长激光器中，如图2所示，还可以包括：设置在偏振器件300与第二输出镜420 之间的第一反射镜510，第一反射镜510的数量可以为多个。图2所示的泵浦系统为端面泵浦方式。
第一反射镜510用于调整所述垂直偏振的第二波长的激光的反射方向，以使所述水平偏振的第一波长的激光和所述垂直偏振的第二波长的激光的输出方向相同。
其中，腔镜400、第一输出镜410、第二输出镜420、第一反射镜510等镜片根据需要可以为平面镜，也可以为曲率镜。
本公开的激光器，可以选择合适反射率的第一输出镜410和第二输出镜 420，分别实现激光1和激光2的最大功率输出。除激光1和激光2以外，激光晶体300在其它能级跃迁产生的荧光由于谐振腔的损耗大而不能产生振荡输出。
本公开的激光器，可分别独立调节第一输出镜410和第二输出镜420的角度来调整第一谐振腔或第二谐振腔的腔平行度，从而调整激光1或激光2的输出功率，相应地，另一种激光的输出功率随之反向变化，从而调节激光1和激光2的输出功率比例。
以调节第一输出镜410的角度为例，激光1的第一谐振腔部分失谐，谐振腔损耗变大，激光1的光子数减少，输出功率降低。在同样的泵浦条件下激光晶体300上能级的反转粒子数保持不变，从上能级跃迁到能级1发射出激光1 的粒子数变少，相应地，跃迁到能级2发射出激光2的粒子数变多，从而激光2的输出功率变大。当激光1的第一谐振腔完全失谐时，激光1的输出功率接近于0，激光2输出功率达到最大。同样地，当激光2的输出功率基本为0时，此时激光1输出功率达到最大。因此，单独调节一路谐振腔的对准度，另一路谐振腔保持最佳位置不变，可获得两种波长占比任意可调的技术效果。
在一种可能的实现方式中，本公开提供的上述占比可调的正交偏振双波长激光器中，如图3所示，还可以包括：设置在所述第一输出镜410出光侧的第二反射镜520和设置在所述第二输出镜420出光侧的合成镜530；
所述第二反射镜520，用于调整所述水平偏振的第一波长的激光的出光方向至所述合成镜530；
所述合成镜530，用于将所述水平偏振的第一波长的激光和所述垂直偏振的第二波长的激光合成一路输出。
实际应用中，可能需要将激光1和激光2合成一路输出，如图3所示，第二反射镜520为激光1的反射镜，合成镜530为激光1和激光2的合成镜，对激光1反射，对激光2透过，可以将激光1和激光2合成一路输出。
在一种可能的实现方式中，本公开提供的上述占比可调的正交偏振双波长激光器中，还可以包括：插入所述光学谐振腔内的调Q器件，以对所述水平偏振的第一波长的激光和/或所述垂直偏振的第二波长的激光进行调制，得到相应的脉冲激光。
具体的，本公开可以在光学谐振腔内插入调Q器件，对激光1和激光2进行同时调制或单独调制，得到功率占比可调的双波长脉冲激光。
在一种可能的实现方式中，本公开提供的上述占比可调的正交偏振双波长激光器中，还可以包括：所述光学谐振腔的腔内或腔外光路上放置的非线性晶体，以对所述水平偏振的第一波长的激光和/或所述垂直偏振的第二波长的激光进行非线性频率变换，得到相应频率的激光。
具体的，在光学谐振腔的腔内或腔外插入倍频晶体或其它非线性晶体，对激光1和激光2同步或单独进行非线性频率变换，可以扩展得到三种、四种甚至更多种激光波长的输出。
为了便于理解本公开，下面以一个具体的实施例进行详细介绍。
以图1为例，采用侧泵方式的半导体激光模块200泵浦Nd:YLF激光晶体100，通过偏振分光棱镜PBS300对Nd:YLF激光晶体发射的1053nm激光和 1047nm激光分别反射和透射，形成腔镜400和第一输出镜410之间的1053nm 谐振腔，腔镜400和第二输出镜420之间的1047nm谐振腔，从而得到 1053nm激光和1047nm激光的双波长输出。
分别优化1053nm和1047nm谐振腔的最佳输出透过率，使两波长的最大功率值基本一致。单路输出时1053nm最大功率25W，1047nm最大功率 22.5W。通过调节装置调节第一输出镜410或第二输出镜420的任意一个方向使腔失谐，测得的两波长功率占比如下表1所示：
表1：两波长功率占比
| 腔调整次数 | 1047nm | 1053nm |
| 1 | 22.5W | 0.07W |
| 2 | 22W | 2W |
| 3 | 18W | 4W |
| 4 | 15W | 7W |
| 5 | 12W | 11.5W |
| 6 | 8W | 16.2W |
| 7 | 4W | 20.8W |
| 8 | 0.01W | 25.2W |
由上表可以看出，当第一波长的功率下降时，第二波长的功率相应地增加，调节第一输出镜410或第二输出镜420至不同的位置，可以实现输出第一波长和第二波长的不同功率占比。
在一种可能的实现方式中，可以将调节装置对应表1设置为8级调节，实现两波长功率占比的准确调节，当然也可以设置为无级调节等，本公开不做限定。
但由于两种激光的最大输出功率不一致，在不同的激光占比时，输出的总功率也在变化。在一种可能的实现方式中，可以对镜片第一输出镜410和第二输出镜420的输出率进行优化，得到两种波长的最大输出功率完全一样，此时可任意调节占比，输出总功率将不再变化。
因此，在一种可能的实现方式中，本公开提供的上述占比可调的正交偏振双波长激光器中，所述水平偏振的第一波长的激光和所述垂直偏振的第二波长的激光的最大输出功率相同。
本公开提供的双波长激光器，采用同一种激光晶体在常规的端泵或者侧泵方式下，选用双波长混合腔设计，得到正交偏振的两种波长的激光，通过调节任一激光的谐振腔平行度可实现两种波长功率任意配比的输出。这两种激光相干性好，偏振方向正交，波长差可以达到数百pm至几百nm。
在激光精细加工中，该激光器能满足双波长的多种比例需求以用于不同材质、厚度的样品加工，甚至是不同的加工工序；在肿瘤切除、毛细血管扩张治疗、眼科治疗、牙周治疗等临床医学应用上，该激光器可每次根据患者治疗部位的深浅、大小、强弱等因素，对两种波长的强度和配比进行调节；在差分吸收大气探测激光雷达中，根据不同波长在大气中的损耗不同，调整两种波长的比例、优化返回光的接收系统以提高气体探测的准确性；在光纤通信中，调整两种波长的占比以补偿远距离的传输损耗，实现互不干扰的高信号质量传输；对两波长的占比进行优化，以获得更高效率的太赫兹波、拉曼激光、非线性激光，进行成像、检测、诊断、通信等多方面研究。
为了形成同一结构，本领域技术人员还可以设计出与以上描述的方法并不完全相同的方法。另外，尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。
以上对本公开的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本公开的范围。本公开的范围由所附权利要求及其等价物限定。不脱离本公开的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本公开的范围之内。
Claims (10)
1.一种占比可调的正交偏振双波长激光器，其特征在于，包括：激光晶体、泵浦系统、偏振器件、光学谐振腔和调节装置；
所述泵浦系统，用于泵浦所述激光晶体以使所述激光晶体中的激活离子形成粒子数反转分布；
所述光学谐振腔包括第一谐振腔和第二谐振腔，所述第一谐振腔由腔镜和第一输出镜组成，第二谐振腔由所述腔镜和第二输出镜组成；所述腔镜对第一波长和第二波长的激光均全反射；所述第一输出镜对第一波长的激光部分反射，所述第二输出镜对第二波长的激光部分反射；
所述偏振器件插入所述第一谐振腔内的所述激光晶体与所述第一输出镜之间，对水平偏振的第一波长的激光透过，对垂直偏振的第二波长的激光反射；所述水平偏振的第一波长的激光在所述第一谐振腔内振荡，所述垂直偏振的第二波长的激光在所述第二谐振腔内振荡；
所述调节装置，用于调节所述第一输出镜的角度，以调节所述第一谐振腔的平行度；或者，调节所述第二输出镜的角度，以调节所述第二谐振腔的平行度。
2.根据权利要求1所述的占比可调的正交偏振双波长激光器，其特征在于，还包括：设置在所述偏振器件与所述第二输出镜之间的第一反射镜；
所述第一反射镜，用于调整所述垂直偏振的第二波长的激光的反射方向，以使所述水平偏振的第一波长的激光和所述垂直偏振的第二波长的激光的输出方向相同。
3.根据权利要求2所述的占比可调的正交偏振双波长激光器，其特征在于，还包括：设置在所述第一输出镜出光侧的第二反射镜和设置在所述第二输出镜出光侧的合成镜；
所述第二反射镜，用于调整所述水平偏振的第一波长的激光的出光方向至所述合成镜；
所述合成镜，用于将所述水平偏振的第一波长的激光和所述垂直偏振的第二波长的激光合成一路输出。
4.根据权利要求1所述的占比可调的正交偏振双波长激光器，其特征在于，还包括：插入所述光学谐振腔内的调Q器件，以对所述水平偏振的第一波长的激光和/或所述垂直偏振的第二波长的激光进行调制，得到相应的脉冲激光。
5.根据权利要求1所述的占比可调的正交偏振双波长激光器，其特征在于，还包括：所述光学谐振腔的腔内或腔外光路上放置的非线性晶体，以对所述水平偏振的第一波长的激光和/或所述垂直偏振的第二波长的激光进行非线性频率变换，得到相应频率的激光。
6.根据权利要求1所述的占比可调的正交偏振双波长激光器，其特征在于，所述泵浦系统包括泵浦源和耦合组件，所述泵浦源发出的泵浦光通过端面泵浦或者侧面泵浦方式，经过所述耦合组件注入到所述激光晶体中。
7.根据权利要求1所述的占比可调的正交偏振双波长激光器，其特征在于，所述激光晶体为掺钕激光晶体、掺铒激光晶体、掺钬激光晶体或掺铥激光晶体。
8.根据权利要求1或7所述的占比可调的正交偏振双波长激光器，其特征在于，所述激光晶体的两个端面镀有所述第一波长和所述第二波长的增透膜。
9.根据权利要求1所述的占比可调的正交偏振双波长激光器，其特征在于，所述偏振器件为偏振分光棱镜、偏振片或布儒斯特角放置的镜片。
10.根据权利要求1所述的占比可调的正交偏振双波长激光器，其特征在于，所述水平偏振的第一波长的激光和所述垂直偏振的第二波长的激光的最大输出功率相同。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202122677020.0U CN216648854U (zh) | 2021-11-03 | 2021-11-03 | 一种占比可调的正交偏振双波长激光器 |
Applications Claiming Priority (1)
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| CN202122677020.0U CN216648854U (zh) | 2021-11-03 | 2021-11-03 | 一种占比可调的正交偏振双波长激光器 |
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| CN216648854U true CN216648854U (zh) | 2022-05-31 |
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| CN202122677020.0U Active CN216648854U (zh) | 2021-11-03 | 2021-11-03 | 一种占比可调的正交偏振双波长激光器 |
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| CN (1) | CN216648854U (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114204394A (zh) * | 2021-11-03 | 2022-03-18 | 中国科学院微电子研究所 | 一种占比可调的正交偏振双波长激光器 |
| CN116111434A (zh) * | 2023-04-13 | 2023-05-12 | 山东科技大学 | 一种绿光双频激光系统 |
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2021
- 2021-11-03 CN CN202122677020.0U patent/CN216648854U/zh active Active
Cited By (3)
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| CN114204394A (zh) * | 2021-11-03 | 2022-03-18 | 中国科学院微电子研究所 | 一种占比可调的正交偏振双波长激光器 |
| CN116111434A (zh) * | 2023-04-13 | 2023-05-12 | 山东科技大学 | 一种绿光双频激光系统 |
| CN116111434B (zh) * | 2023-04-13 | 2023-08-18 | 山东科技大学 | 一种绿光双频激光系统 |
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|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
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