CN216850735U

CN216850735U - 一种窄线宽双波长固体激光器

Info

Publication number: CN216850735U
Application number: CN202220416453.2U
Authority: CN
Inventors: 刘阳; 张泽
Original assignee: Qilu Aerospace Information Research Institute
Current assignee: Qilu Aerospace Information Research Institute
Priority date: 2022-02-28
Filing date: 2022-02-28
Publication date: 2022-06-28
Anticipated expiration: 2032-02-28

Abstract

本实用新型涉及一种窄线宽双波长固体激光器，属于激光器技术领域，解决了现有技术中激光器装置体积、功耗大及窄线宽实现装置复杂以及双波长之间存在增益竞争、功率不稳定的问题。包括沿激光器光路方向依次设置的泵浦源、双波长基频光产生单元、聚焦镜和双波长信号光生成单元；双波长基频光产生单元包括第一谐振腔以及位于第一谐振腔内部的激光增益介质，生成双波长基频光；还包括第一标准具，用于对双波长基频光进行线宽压缩；双波长信号光生成单元包括第二谐振腔以及位于第二谐振腔内部的非线性晶体，利用非线性晶体和第二谐振腔对双波长基频光进行波长变换，产生双波长信号光；还包括位于第二标准具，用于对双波长信号光进行线宽压缩。

Description

一种窄线宽双波长固体激光器

技术领域

本实用新型涉及激光器技术领域，尤其涉及一种窄线宽双波长固体激光器。

背景技术

目前，窄线宽双波长激光在精密测量、光谱分析、遥感以及非线性频率变换等应用研究领域均有重大的科学研究价值和广阔的应用前景，尤其是波长相近的双波长激光，可用于差频下转换产生太赫兹波段相干辐射源，是激光技术领域中的一个重要研究方向。

在差分吸收激光雷达领域，激光雷达发射单元通常利用两台激光器向空间中发射双波长激光束，存在体积及功耗大及窄线宽实现装置复杂，整体结构不利于小型化设计以及重复频率较低而难以满足高时间分辨率的探测需求等问题。此外，传统双波长激光器利用单个激光增益介质实现双波长输出，双波长之间存在增益竞争、功率不稳定的问题。

实用新型内容

鉴于上述的分析，本实用新型旨在提供一种窄线宽双波长固体激光器，用以解决现有激光器装置体积、功耗大及窄线宽实现装置复杂以及双波长之间存在增益竞争、功率不稳定的问题。

本实用新型的目的主要是通过以下技术方案实现的：

本实用新型实施例提供了一种窄线宽双波长固体激光器，其特征在于，包括沿激光器光路方向依次设置的泵浦源、双波长基频光产生单元、聚焦镜和双波长信号光生成单元；

所述双波长基频光产生单元，包括第一谐振腔以及位于第一谐振腔内部的激光增益介质，利用激光增益介质以及第一谐振腔对泵浦光吸收并通过受激辐射生成双波长基频光；还包括位于第一谐振腔内部、激光增益介质之后的第一标准具，利用所述第一标准具对双波长基频光进行线宽压缩；

所述聚焦镜，用于对双波长基频光进行聚焦，并输出至所述双波长信号光生成单元；

所述双波长信号光生成单元，包括第二谐振腔以及位于第二谐振腔内部的非线性晶体，利用非线性晶体和第二谐振腔对双波长基频光进行波长变换，产生双波长信号光；还包括位于第二谐振腔内部、非线性晶体之后的第二标准具，利用第二标准具对双波长信号光进行线宽压缩。

进一步地，所述激光增益介质包括紧密连接的第一激光增益介质和第二激光增益介质，利用所述第一激光增益介质和第二激光增益介质吸收泵浦光，产生双波长基频光。

进一步地，所述第一谐振腔包括反射镜和第一全反镜，所述反射镜位于激光增益介质前、所述第一全反镜位于所述第一标准具后，所述双波长基频光在所述反射镜和第一全反镜之间振荡，输出双波长基频光。

进一步地，所述双波长基频光产生单元还包括位于泵浦源与第一谐振腔之间的泵浦耦合系统，利用所述泵浦耦合系统调节泵浦光聚焦在第一激光增益介质、第二激光增益介质中的位置。

进一步地，所述泵浦耦合系统包括准直聚焦镜、光学调整架和位移台；

所述准直聚焦镜夹持在所述光学调整架上，所述光学调整架固定在位移台上，通过调整位移台的位置调节泵浦光在第一激光增益介质和第二激光增益介质中的聚焦位置。

进一步地，所述双波长基频光产生单元还包括调Q元件，所述调Q元件位于所述第一标准具与第一全反镜之间，用于使双波长基频光的脉冲运转获得高峰值功率。

进一步地，所述双波长信号光生成单元还包括温控炉，所述非线性晶体放置于温控炉内部，利用所述温控炉控制所述非线性晶体的温度，进而对双波长基频光的波长进行变换，产生双波长信号光。

进一步地，所述第二谐振腔包括第二全反镜和输出镜，所述第二全反镜位于所述非线性晶体前、所述输出镜位于所述第二标准具后，所述双波长信号光在所述第二全反镜和输出镜之间振荡，输出双波长信号光。

进一步地，所述第一标准具和第二标准具为法布里-珀罗标准具，并且所述第一标准具和第二标准具为单标准具或标准具组合。

进一步地，所述第一激光增益介质和第二激光增益介质为掺杂Nd³⁺的激光晶体，且是两块不同种类的激光晶体或两块同种类但不同切割方向的激光晶体；所述第一激光增益介质和第二激光增益介质均镀有基频光增透膜。

与现有技术相比，本实用新型可实现如下有益效果：

本实用新型提供的一种窄线宽双波长固体激光器，通过双波长基频光产生单元生成双波长基频光，并将所述双波长基频光进行线宽压缩，再通过双波长信号光生成单元接收聚焦后的双波长基频光，产生双波长信号光，并且对所述双波长信号光进行波长变换和再次进行线宽压缩，进而输出窄线宽的双波长信号光，通过两个标准具的设置实现对双波长信号光的线宽压缩，得到精确的窄线宽双波长信号光，激光器结构简单、稳定性好，应用价值更高；并且通过调整泵浦光的聚焦位置灵活控制输出的双波长信号光功率，并能够不改变激光器结构的基础上通过温控炉和非线性晶体实现波长的变换。

本实用新型中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本实用新型的其他特征和优点将在随后的内容中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点可通过文字以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本实用新型的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本实用新型实施例提供的窄线宽双波长固体激光器的结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的激光器中泵浦光聚焦位置与双波长输出功率的关系示意图；

图3为本实用新型实施例提供的激光器中的标准具中透过率的示意图；

附图标记：

1-泵浦源；2-双波长基频光产生单元；3-聚焦镜；4-双波长信号光生成单元；21-泵浦耦合系统；22-反射镜；23-第一激光增益介质；24-第二激光增益介质；25-第一标准具；26-调Q元件；27-第一全反镜；41-第二全反镜；42-非线性晶体；43-温控炉；44-第二标准具；45-输出镜。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本实用新型的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本实用新型的实施例一起用于阐释本实用新型的原理，并非用于限定本实用新型的范围。

本实用新型的一个具体实施例，公开了一种窄线宽双波长固体激光器，如图1所示，包括沿激光器光路方向依次设置的泵浦源1、双波长基频光产生单元2、聚焦镜3和双波长信号光生成单元4；所述双波长基频光产生单元2，包括第一谐振腔以及位于第一谐振腔内部的激光增益介质，利用激光增益介质以及第一谐振腔对泵浦光吸收并通过受激辐射生成双波长基频光；还包括位于第一谐振腔内部、激光增益介质之后的第一标准具25，利用所述第一标准具25对生成的双波长基频光进行线宽压缩；所述聚焦镜3，用于对双波长基频光进行聚焦，并输出至所述双波长信号光生成单元4；所述双波长信号光生成单元4，包括第二谐振腔以及位于第二谐振腔内部的非线性晶体42，利用非线性晶体42和第二谐振腔对双波长基频光进行波长变换，产生双波长信号光；还包括位于第二谐振腔内部、非线性晶体42之后的第二标准具44，利用第二标准具44对产生的双波长信号光进行线宽压缩。可以理解的，经第二标准具44进行线宽压缩后的双波长信号光在第二谐振腔振荡输出，即输出窄线宽双波长激光。

具体地，泵浦源1，用于产生798nm～818nm的泵浦光。

实施时，所述激光增益介质包括紧密连接的第一激光增益介质23和第二激光增益介质24，利用所述第一激光增益介质23和第二激光增益介质24吸收泵浦光，产生双波长基频光。

具体实施时，所述第一激光增益介质23和第二激光增益介质24为掺杂Nd³⁺的激光晶体，且是两块不同种类的激光晶体，示例性的，Nd:YAG晶体和Nd:YAP晶体；或两块同种类但不同切割方向的激光晶体，示例性的，沿着晶体abc切割轴，a切割轴的a-cut Nd:YLF晶体和c切割轴的c-cut Nd:YLF晶体组成；所述第一激光增益介质23和第二激光增益介质24均镀有基频光增透膜；所述第一激光增益介质23和第二激光增益介质24用于产生1044nm～1084nm的双波长基频光。可以理解的是，泵浦源1发出的798nm～818nm的泵浦光被第一激光增益介质23和第二激光增益介质24吸收后产生两个1044nm～1084nm波长范围的基频光，两个波长基频光在基频光谐振腔之间产生来回振荡。

实施时，所述第一谐振腔包括反射镜22和第一全反镜27，所述反射镜22位于激光增益介质前、所述第一全反镜27位于所述第一标准具25后，所述双波长基频光在所述反射镜22和第一全反镜27之间振荡，输出双波长基频光。

具体地，所述反射镜22为k9玻璃且镀有1044nm～1084nm的基频光全反膜和798nm～818nm的泵浦光高透膜；所述第一全反镜27镀有基频光1044nm～1084nm部分透过膜。

实施时，所述双波长基频光产生单元2还包括位于泵浦源1与第一谐振腔之间的泵浦耦合系统21，利用所述泵浦耦合系统21调节泵浦光聚焦在第一激光增益介质23、第二激光增益介质24中的位置。

具体实施时，所述泵浦耦合系统21包括准直聚焦镜、光学调整架和位移台；所述准直聚焦镜夹持在所述光学调整架上，所述光学调整架固定在位移台上，通过调整位移台的位置调节泵浦光在第一激光增益介质和第二激光增益介质中的聚焦位置。可以理解是是，通过前后移动位移台改变光学调整架的前后位置，进而调节准直聚焦镜的前后位置，即与激光增益介质的距离，最终改变泵浦源所产生的泵浦光聚焦在激光增益介质中的位置。

实施时，所述双波长基频光产生单元2还包括调Q元件26，所述调Q元件26位于所述第一标准具25与第一全反镜27之间，用于使双波长基频光的脉冲运转获得高峰值功率。

具体地，所述调Q元件26为声光调Q器件或饱和吸收体，且镀有1044nm～1084nm的基频光增透膜，用于实现基频光的脉冲运转获得高峰值功率，并提高光学参量过程的非线性转换效率。

双波长基频光产生模块2的工作过程为：

泵浦源1发出的泵浦光经泵浦耦合系统21入射到两块不同的激光增益介质23、24中，两块激光增益介质23、24内的激活粒子吸收泵浦光产生粒子数反转，在调Q器件26打开后经第一谐振腔的反馈产生双波长基频光振荡。其中，第一激光增益介质23产生第一个波长的基频光，第二激光增益介质24产生第二个波长的基频光。

通过泵浦参数W参数能够衡量最后产生的一个波长的激光功率的大小，双波长激光每一波长的泵浦参数需分别进行计算，其计算方式相同。

以第一激光增益介质23产生的第一个波长基频光为例，将光路方向作为传播轴线，以第一激光增益介质23和第二激光增益介质24的相邻面作为原点，在仅考虑增益介质23产生的振荡基频光与泵浦源1产生的泵浦光重叠的体积内有效反转粒子数密度时，泵浦参数W可表示为：

式中，η为量子效率，α为第一激光增益介质的吸收系数，p为泵浦功率，N为第一激光增益介质的总激活粒子数密度，z为泵浦光在传播轴线的任意位置，h为普朗克常数，ν_p为泵浦光频率，V'为泵浦光与第一个波长基频光的重叠体积，l为第一激光增益介质的长度，w_p(z)为第一激光增益介质内泵浦光半径；w_p(z)＝θ|z-z₀|+w_o，w_o为泵浦光聚焦半径，θ为泵浦光的远场发散角，z₀为泵浦光聚焦的位置在传播轴线的位置。

过程中，通过改变泵浦耦合系统21中准直聚焦镜的前后位置调节泵浦光聚焦点在两块激光增益介质23、24中的位置，可以使得两块激光增益介质4、5的反转粒子数密度发生改变，进而调节双波长激光的增益，最终改变输出双波长信号光的功率比例，其中，分别计算双波长基频光每一波长基频光的泵浦参数，再将两个泵浦参数相比，即可得到功率比例。

示例性的，当初始的泵浦光经泵浦耦合系统后聚焦到激光增益介质23和24的相接端面(即z＝0mm)，当准直聚焦镜向后移动，即泵浦光聚焦到第一激光增益介质23内部(即z为负值)，使得第一激光增益介质23的反转粒子数密度增大，所产生的激光波长1的功率增大，而第二激光增益介质24的反转粒子数密度减小，所产生的激光波长2的功率减小。

实施时，所述双波长信号光生成单元4还包括温控炉43，所述非线性晶体放置于温控炉43内部，利用所述温控炉43控制所述非线性晶体42的温度，进而对双波长基频光的波长进行变换，产生双波长信号光。

具体实施时，所述非线性晶体42内满足共线相位匹配条件，镀有基频光增透膜和信号光增透膜，通过改变非线性晶体的温度或极化周期变换输出的波长；所述温控炉12能够精确控制所述非线性晶体的温度。

具体地，非线性晶体42为多周期MgO:PPLN晶体，周期结构可采用Λ＝28.5μm、29μm、29.5μm、30μm、30.5μm、31μm或31.5μm。

所述温控炉12与非线性晶体表面接触调节温度，精度为0.1℃。

具体地，采用变换极化周期和晶体温度相辅助的方法进行波长变换调谐。可以理解的是选用了某个极化周期的非线性晶体后，其转换波长是单一固定的，更换其他周期晶体，会转换为新的单一波长，结合变换极化周期和晶体温度两种方式能够扩大波长变换调谐范围，示例性地，通过温控炉改变非线性晶体温度，波长大约变换调谐范围50nm(如3.1-3.15μm)，再换一个其他周期结构的非线性晶体结合改变非线性晶体温度可以实现3.15-3.2μm范围。进行波长变换调谐时需对每一波长分别进行变换调谐，变换调谐过程相同，以第一激光增益介质23产生的基频光对应的信号光为例，其变换调谐过程为：

基频光、信号光和闲频光波长的关系式：

其中，基频光波长是第一激光增益介质23产生的基频光的波长，其经过非线性晶体42后该基频光分为信号光和闲频光，信号光和闲频光的波长为新产生的波长，其中信号光作为最终输出；

式中，λ_p、λ_s、λ_i分别代表基频光、信号光和闲频光的波长，n_p、n_s、n_i分别基频光、信号光和闲频光在非线性晶体的折射率，Λ为非线性晶体的周期。

各类型光在非线性晶体的折射率n随温度和波长的关系为：

其中，f＝(T-T₀)(T+T₀+2*273.16)，λ为各类型光波长，T为温度变量，T₀为20度，a1、a2、a3、a4、a5、a6、b1、b2、b3、b4均为常数系数。

实施时，所述第二谐振腔包括第二全反镜41和输出镜45，所述第二全反镜41位于所述非线性晶体42前、所述输出镜45位于所述第二标准具44后，所述双波长信号光在所述第二全反镜41和输出镜45之间振荡，输出双波长信号光。

具体实施时，所述第二全反镜41镀有1044nm～1084nm的高透膜和1.4～1.7μm、3.1～4.2μm高反膜；所述输出镜45镀有1044nm～1084nm、1.4～1.7μm高反膜和3.1～4.2μm高透膜。

第二全反镜41有基频光增透膜和信号光高反膜，与输出镜45构成光参量振荡腔，将双波长基频光产生模块2产生的双波长基频光通过非线性晶体42转换为3.1～4.2μm内的双波长信号光输出，第二全反镜41材质为CaF₂镀有1044nm～1084nm的高透膜和1.4～1.7μm、3.1～4.2μm高反膜。

实施时，所述第一标准具25和第二标准具44为法布里-珀罗标准具，并且所述第一标准具25和第二标准具44为单标准具或标准具组合。

具体地，通过法布里-珀罗(F-P)标准具，增加基频光或信号光不同模式的微损耗，进行双波长基频光或双波长信号光的线宽压缩；具体为：

根据F-P标准具的透过率表达式，计算F-P标准具随光参量振荡腔内波长变化的透过率曲线，F-P标准具的透过率表达式如下所示：

其中，T_fp为标准具透过率函数，λ_fp为波长，R为标准具反射率，n_fp为标准具折射率；d为标准具厚度；θ_fp为入射光束进入标准具的折射角。需要说明的是，双波长的透过率需要分别根据两个波长计算各自对应的透过率。

示例性的，根据Nd:YVO₄和Nd:GdVO₄晶体的输出波长1064.2nm和1063.1nm，可以计算获得其在标准具厚度为2mm和摆放偏转角度为1.5度的情况下的双波长激光的透过率，如图3所示。

具体地，法布里-珀罗(F-P)标准具可以采用标准具组合，即两个标准具组合形式，根据上式可直接得到单标准具透过率曲线，而组合双标准具透过率可由两个标准具透过率之积计算得到。

具体地，根据F-P标准具的透过率结果调节F-P标准具的放置角度或利用组合双标准具使双波长中心模式损耗最低而邻模损耗更大，减少基频双波长激光纵模个数，以实现双波长激光的线宽同时压缩。示例性地，如图3所示，双波长分别为1064.2nm和1063.1nm，要使得1064.2nm和1063.1nm透过率高，即图3中1064.2nm和1063.1nm处为尖峰，两边凹谷，需要设置不同的厚度和角度参数去调试，在厚度为2mm和摆放偏转角度为1.5度时，得到最优结果。

与现有技术相比，本实施例提供的窄线宽双波长固体激光器，通过双波长基频光产生单元生成双波长基频光，并将所述双波长基频光进行线宽压缩，再通过双波长信号光生成单元接收聚焦后的双波长基频光，产生双波长信号光，并且对所述双波长信号光再次进行线宽压缩，进而输出窄线宽的双波长信号光，通过两个标准具的设置实现对双波长信号光的线宽压缩，得到精确的窄线宽双波长信号光，激光器结构简单、稳定性好，应用价值更高；并且通过调整泵浦光的聚焦位置灵活控制输出的双波长信号光功率，并能够不改变激光器结构的基础上通过温控炉和非线性晶体实现波长的变换。

本实用新型仅需要将各个具有相应功能的装置通过本实用新型实施例所给出的连接关系进行连接即可，其中并不涉及任何程序软件方面的改进。而至于各个相应功能的硬件装置之间的连接方式，均是本领域技术人员可以采用现有技术实现的，在此不做详细说明。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种窄线宽双波长固体激光器，其特征在于，包括沿激光器光路方向依次设置的泵浦源、双波长基频光产生单元、聚焦镜和双波长信号光生成单元；

所述双波长基频光产生单元，包括第一谐振腔以及位于第一谐振腔内部的激光增益介质，利用激光增益介质以及第一谐振腔对泵浦光吸收并通过受激辐射作用生成双波长基频光；还包括位于第一谐振腔内部、激光增益介质之后的第一标准具，利用所述第一标准具对双波长基频光进行线宽压缩；

2.根据权利要求1所述的窄线宽双波长固体激光器，其特征在于，所述激光增益介质包括紧密连接的第一激光增益介质和第二激光增益介质，利用所述第一激光增益介质和第二激光增益介质吸收泵浦光，产生双波长基频光。

3.根据权利要求1所述的窄线宽双波长固体激光器，其特征在于，所述第一谐振腔包括反射镜和第一全反镜，所述反射镜位于激光增益介质前、所述第一全反镜位于所述第一标准具后，所述双波长基频光在所述反射镜和第一全反镜之间振荡，输出双波长基频光。

4.根据权利要求2所述的窄线宽双波长固体激光器，其特征在于，所述双波长基频光产生单元还包括位于泵浦源与第一谐振腔之间的泵浦耦合系统，利用所述泵浦耦合系统调节泵浦光聚焦在第一激光增益介质、第二激光增益介质中的位置。

5.根据权利要求4所述的窄线宽双波长固体激光器，其特征在于，所述泵浦耦合系统包括准直聚焦镜、光学调整架和位移台；

6.根据权利要求1所述的窄线宽双波长固体激光器，其特征在于，所述双波长基频光产生单元还包括调Q元件，所述调Q元件位于所述第一标准具与第一全反镜之间，用于使双波长基频光的脉冲运转获得高峰值功率。

7.根据权利要求1所述的窄线宽双波长固体激光器，其特征在于，所述双波长信号光生成单元还包括温控炉，所述非线性晶体放置于温控炉内部，利用所述温控炉控制所述非线性晶体的温度，进而对双波长基频光的波长进行变换，产生双波长信号光。

8.根据权利要求1所述的窄线宽双波长固体激光器，其特征在于，所述第二谐振腔包括第二全反镜和输出镜，所述第二全反镜位于所述非线性晶体前、所述输出镜位于所述第二标准具后，所述双波长信号光在所述第二全反镜和输出镜之间振荡，输出双波长信号光。

9.根据权利要求1所述的窄线宽双波长固体激光器，其特征在于，所述第一标准具和第二标准具为法布里-珀罗标准具，并且所述第一标准具和第二标准具为单标准具或标准具组合。

10.根据权利要求2所述的窄线宽双波长固体激光器，其特征在于，所述第一激光增益介质和第二激光增益介质为掺杂Nd³⁺的激光晶体，且是两块不同种类的激光晶体或两块同种类但不同切割方向的激光晶体；所述第一激光增益介质和第二激光增益介质均镀有基频光增透膜。