CN220122323U - 一种高功率高纯度可调谐单频涡旋激光器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高功率高纯度可调谐单频涡旋激光器，属于激光器领域，沿光路方向，光纤激光器、第一平凸透镜、第二平凸透镜、第一二向色镜、激光晶体和第二二向色镜依次设置在第一直线上，第一平凹反射镜、隔离器、二分之一波片、剪切干涉片和第二平凹反射镜依次设置在第二直线上，第一二向色镜与第二二向色镜呈对称且倾斜设置在环形谐振腔上，第一平凹反射镜与第二平凹反射镜呈对称且倾斜设置在环形谐振腔上，剪切干涉片倾斜设置在第二直线上且反射出单频涡旋光至环形谐振腔外侧。本技术提供2µm单频涡旋激光器，能够产生涡旋激光，具有高功率、高纯度以及可调谐的优点，满足远程激光雷达对高性能光源的需求。

Description

一种高功率高纯度可调谐单频涡旋激光器

技术领域

本实用新型涉及激光器领域，特别涉及一种高功率高纯度可调谐单频涡旋激光器。

背景技术

人眼安全的2µm单频激光处于大气传输窗口，具有大气透过率高的优点，且调谐后的2µm单频激光又处于大气痕量气体CO₂的吸收峰，因此，2µm单频激光在相干多普勒测风雷达以及CO₂差分吸收雷达中发挥着重要作用。相比于1.5~1.6µm的激光振荡器，2µm激光振荡器可实现高增益及大能量激光输出，能够大大提高激光雷达的探测距离。随着近年来涡旋激光的快速发展，单频涡旋激光在探测领域受到了广泛关注，利用其螺旋性质可探测旋转目标速度，并利用其相干长度长的优势，可进一步提升激光雷达的探测距离。因此，2µm单频涡旋激光在远程目标探测方面具有广阔的应用前景。

目前单频涡旋激光的实现方式主要以环形泵浦及离轴泵浦为主，在高功率运转时，上述方式产生的涡旋光纯度较差，并且激光振荡器通常采用非平面环形腔结构，不适用于各向异性晶体（如掺钬氟化钇锂晶体）构成的其他类型环形谐振腔。另外，目前单频涡旋激光的输出波段主要为1µm和1.6µm，未出现2µm波段的单频涡旋激光器。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种高功率高纯度可调谐单频涡旋激光器。

本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种高功率高纯度可调谐单频涡旋激光器，包括光纤激光器、第一平凸透镜、第二平凸透镜、第一二向色镜、激光晶体、第二二向色镜、第一平凹反射镜、隔离器、二分之一波片、剪切干涉片和第二平凹反射镜，沿光路方向，所述光纤激光器、所述第一平凸透镜、所述第二平凸透镜、所述第一二向色镜、所述激光晶体和所述第二二向色镜依次设置在第一直线上，所述第一平凹反射镜、所述隔离器、所述二分之一波片、所述剪切干涉片和所述第二平凹反射镜依次设置在第二直线上，所述第一直线与所述第二直线平行，所述第二二向色镜与所述第一平凹反射镜配合，所述第一二向色镜与所述第二平凹反射镜配合，所述第一二向色镜与所述第二二向色镜呈对称且倾斜设置在环形谐振腔上，所述第一平凹反射镜与所述第二平凹反射镜呈对称且倾斜设置在所述环形谐振腔上，所述剪切干涉片倾斜设置在所述第二直线上且反射出单频涡旋光至所述环形谐振腔外侧。

进一步地，所述第一二向色镜所在的平面与所述第二平凹反射镜所在的平面平行，所述第二二向色镜所在的平面与所述第一平凹反射镜所在的平面平行。

进一步地，所述第一二向色镜所在的平面与所述第一直线之间的夹角为70°，所述第一平凹反射镜所在的平面与所述第二直线之间的夹角为70°。

进一步地，所述激光晶体为单掺钬晶体，所述单掺钬晶体的长度为5~30mm，所述单掺钬晶体两端的端面均镀有1.9 ~2.1µm高透膜。

进一步地，所述光纤激光器为掺铥光纤激光器，所述掺铥光纤激光器输出中心波长为1900~1980nm。

进一步地，所述第一平凸透镜和所述第二平凸透镜的表面上均镀有1.9 ~2.1µm高透膜，焦距均为10~500mm。

进一步地，所述第一二向色镜和所述第二二向色镜的表面上均镀有1900~1980nm泵浦光高透膜和2µm振荡光高反膜。

进一步地，所述隔离器为2µm隔离器，所述隔离器内的通光孔径为0.5~5mm。

进一步地，所述二分之一波片的表面上镀有1.9 ~2.1µm高透膜。

进一步地，所述剪切干涉片的侧面呈直角梯形设置，所述剪切干涉片的厚度为1~5mm，所述直角梯形的楔角为0.05~1mrad。

本实用新型的有益效果是：

1）本技术采用环形谐振腔单向运转的方法有效抑制空间烧孔效应，可以实现2µm高功率单频涡旋激光输出，且环形谐振腔具有较长的腔长，有利于压缩单频涡旋激光器输出涡旋激光的线宽。

2）本技术通过环形谐振腔中剪切干涉片前后两个表面反射过滤出单频涡旋激光，而透射的基膜单频激光继续在腔内振荡，该方案相比于环形泵浦和离轴泵浦的方式，能够有效地提高涡旋光纯度。

3）本技术通过微调环形谐振腔中剪切干涉片可以实现波长可调谐单频激光输出。

附图说明

图1为本单频涡旋激光器的结构示意图；

图2为本单频涡旋激光器的剪切干涉片输出环形光斑原理图；

图3为本单频涡旋激光器的剪切干涉片输出螺旋激光原理图；

图4为本单频涡旋激光器中第二二向色镜被平凹反射镜替代的结构示意图；

图1中，1-光纤激光器，2-第一平凸透镜，3-第二平凸透镜，4-第一二向色镜，5- 激光晶体，6-第二二向色镜，7-第一平凹反射镜，8-隔离器，9-二分之一波片，10-剪切干涉片，11-第二平凹反射镜。

具体实施方式

下面将结合实施例，对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

参阅图1-图4，本实用新型提供一种技术方案：

一种高功率高纯度可调谐单频涡旋激光器，包括光纤激光器1、第一平凸透镜2、第二平凸透镜3、第一二向色镜4、激光晶体5、第二二向色镜6、第一平凹反射镜7、隔离器8、二分之一波片9、剪切干涉片10和第二平凹反射镜11，沿光路方向，光纤激光器1、第一平凸透镜2、第二平凸透镜3、第一二向色镜4、激光晶体5和第二二向色镜6依次设置在第一直线上，第一平凹反射镜7、隔离器8、二分之一波片9、剪切干涉片10和第二平凹反射镜11依次设置在第二直线上，第一直线与第二直线平行，第二二向色镜6与第一平凹反射镜7配合，第一二向色镜4与第二平凹反射镜11配合，第一二向色镜4与第二二向色镜6呈对称且倾斜设置在环形谐振腔上，第一平凹反射镜7与第二平凹反射镜11呈对称且倾斜设置在环形谐振腔上，剪切干涉片10倾斜设置在第二直线上且反射出单频涡旋光至环形谐振腔外侧。第一二向色镜4所在的平面与第二平凹反射镜11所在的平面平行，第二二向色镜6所在的平面与第一平凹反射镜7所在的平面平行。第一二向色镜4所在的平面与第一直线之间的夹角为70°，第一平凹反射镜7所在的平面与第二直线之间的夹角为70°。二分之一波片9的表面上镀有1.9 ~2.1µm高透膜。其中，第一二向色镜4、第二二向色镜6、第一平凹反射镜7和第二平凹反射镜11共同构成环形谐振腔，激光晶体5、隔离器8、二分之一波片9和剪切干涉片10设置在环形谐振腔内。激光晶体5的两个端面均与第一直线垂直，激光晶体5为增益介质，为振荡器提供增益。现有技术中的光纤激光器1发出1.9µm泵浦光，1.9µm泵浦光入射至第一平凸透镜2进行准直，准直后的1.9µm泵浦光入射至第二平凸透镜3进行聚焦，聚焦后的1.9µm泵浦光以20°入射至第一二向色镜4，通过第一二向色镜4透射的1.9µm泵浦光从激光晶体5的一端入射至激光晶体5内，然后从激光晶体5的另一端射出并经过第二二向色镜6滤除，激光晶体5在1.9µm泵浦光的泵浦下产生水平偏振振荡光，水平偏振振荡光以20°入射至第二二向色镜6，并由第二二向色镜6反射至第一平凹反射镜7，水平偏振振荡光由第一平凹反射镜7反射至隔离器8，经过隔离器8透射的振荡光偏振态变为45°线偏振，45°线偏振振荡光入射至二分之一波片9，二分之一波片9透射的振荡光偏振态变为水平偏振，水平偏振振荡光入射至剪切干涉片10，剪切干涉片10透射的水平偏振振荡光入射至第二平凹反射镜11，并由第二平凹反射镜11反射至第一二向色镜4形成单向运转的基模单频振荡光，剪切干涉片10反射的水平偏振振荡光输出至环形谐振腔外，成为2µm单频涡旋光。环形谐振腔上加入隔离器8和二分之一波片9实现单频激光振荡，压缩振荡器线宽。第一平凹反射镜7和第二平凹反射镜11表面镀有2µm振荡光高反射膜，第一平凹反射镜7和第二平凹反射镜11的曲率均为100~1000mm。

如图1所示，经过第二二向色镜6输出至谐振腔外的光线代表未被晶体5吸收的泵浦光，由第二平凹反射镜11反射至第一二向色镜4光线旁的实心圆圈代表谐振腔内振荡的基模单频激光，由剪切干涉片10反射至环形谐振腔外光线处的实心圆环代表单频涡旋光。如图2所示，沿着剪切干涉片10的俯视方向观察，光斑截面近似为圆形的基模单频光经过剪切干涉片10透射后的光斑截面仍为圆形，经过剪切干涉片10前后两个表面反射后的光斑截面为环形。如图3所示，沿着剪切干涉片10的侧视方向观察，由于剪切干涉片存在以一个楔角，经过剪切干涉片10前后两个表面反射的两束光产生角度错位，形成螺旋前进的涡旋光。

在一些实施例中，第二二向色镜6可以用平凹反射镜进行替代，替代后的平凹反射镜安装角度与原第二二向色镜6相同，而光纤激光器1、第一平凸透镜2、第二平凸透镜3、第一二向色镜4、激光晶体5、第一平凹反射镜7、隔离器8、二分之一波片9、剪切干涉片10和第二平凹反射镜11的结构及安装方式都不变，替代后的平凹反射镜具有1900~1980nm泵浦光高透膜和2µm振荡光高反膜。

在一些实施例中，激光晶体5为单掺钬晶体，单掺钬晶体的长度为5~30mm，单掺钬晶体两端的端面均镀有1.9 ~2.1µm高透膜。单掺钬晶体中掺杂浓度为0.1%~5%。在本技术中，激光晶体5为掺钬氟化钇锂晶体，掺杂浓度为0.5%，晶体长度为30mm，两个端面镀有1.9~2.1µm高透膜，激光晶体5安装在紫铜热沉上，并由TEC（热电换能器）结合水冷的方式精确控温，提高激光器频率与功率稳定性。激光晶体5除了掺钬氟化钇锂晶体外，还可以采用其他类别的单掺钬晶体、铥与钬共掺晶体，以及单掺铥晶体等，对应的泵浦源选取适用于不同晶体的激光器。

在一些实施例中，光纤激光器1为掺铥光纤激光器，掺铥光纤激光器输出中心波长为1900~1980nm。在本技术中，掺铥光纤激光器输出中心波长为1940nm，输出尾纤的纤芯直径为10µm，输出尾纤的包层直径为130µm。

在一些实施例中，第一平凸透镜2和第二平凸透镜3的表面上均镀有1.9 ~2.1µm高透膜，焦距均为10~500mm。在本技术中，第一平凸透镜2的焦距为10 mm，第二平凸透镜3的焦距为200 mm。

在一些实施例中，第一二向色镜4和第二二向色镜6的表面上均镀有1900~1980nm泵浦光高透膜和2µm振荡光高反膜。在本技术中，第一二向色镜4和第二二向色镜6的表面上均镀1940nm泵浦光高透膜和2µm振荡光高反膜。

在一些实施例中，隔离器8为2µm隔离器，隔离器8内的通光孔径为0.5~5mm。隔离器8对2µm激光的透过率为95%~100%。在本技术中，隔离器8的通光孔径为2mm。

在一些实施例中，剪切干涉片10的侧面呈直角梯形设置，剪切干涉片10的厚度为1~5mm，直角梯形的楔角为0.05~1mrad，对2µm振荡光的反射率为1%~20%。剪切干涉片10可以等效为直角楔形棱镜，谐振腔内水平振荡光经过剪切干涉片10前后两个表面反射，输出激光光斑截面为环形，又由于剪切干涉片存在一个楔角，经过剪切干涉片前后表面反射的两束光产生角度错位，从而实现螺旋前进的单频涡旋光。另外，通过微调剪切干涉片10的角度，可以实现2µm单频涡旋激光波长的调谐。

激光晶体5在1.9µm泵浦光的泵浦下产生顺、逆时针传输的水平偏振振荡光。逆时针传输的水平偏振光以20°入射至第一二向色镜4，并由第一二向色镜4反射至第二平凹反射镜11，水平偏振振荡光由第二平凹反射镜11反射至剪切干涉片10，经过剪切干涉片10透射的水平偏振振荡光入射至二分之一波片9，二分之一波片9透射的振荡光偏振态变为45°线偏振，45°线偏振振荡光入射至隔离器8，并被隔离器8阻挡，导致损耗较大，无法形成激光振荡。顺时针传输的水平偏振振荡光以20°入射至第二二向色镜6，并由第二二向色镜6反射至第一平凹反射镜7，水平偏振振荡光由第一平凹反射镜7反射至隔离器8，经过隔离器8透射的振荡光偏振态变为45°线偏振，45°线偏振振荡光入射至二分之一波片9，二分之一波片9透射的振荡光偏振态变为水平偏振，水平偏振振荡光入射至剪切干涉片10，剪切干涉片10透射的水平偏振振荡光入射至第二平凹反射镜11，并由第二平凹反射镜11反射至第一二向色镜4形成单向运转的基模单频振荡光。剪切干涉片10反射的水平偏振振荡光输出至环形谐振腔外，成为2µm单频涡旋光。

本技术提供2µm高功率高纯度可调谐单频涡旋激光器，能够产生涡旋激光，具有高功率、高纯度以及可调谐的优点，满足远程激光雷达对高性能光源的需求。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“内”及“两端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当理解本实用新型并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本实用新型的精神和范围，则都应在本实用新型所附权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种高功率高纯度可调谐单频涡旋激光器，其特征在于：包括光纤激光器（1）、第一平凸透镜（2）、第二平凸透镜（3）、第一二向色镜（4）、激光晶体（5）、第二二向色镜（6）、第一平凹反射镜（7）、隔离器（8）、二分之一波片（9）、剪切干涉片（10）和第二平凹反射镜（11），沿光路方向，所述光纤激光器（1）、所述第一平凸透镜（2）、所述第二平凸透镜（3）、所述第一二向色镜（4）、所述激光晶体（5）和所述第二二向色镜（6）依次设置在第一直线上，所述第一平凹反射镜（7）、所述隔离器（8）、所述二分之一波片（9）、所述剪切干涉片（10）和所述第二平凹反射镜（11）依次设置在第二直线上，所述第一直线与所述第二直线平行，所述第二二向色镜（6）与所述第一平凹反射镜（7）配合，所述第一二向色镜（4）与所述第二平凹反射镜（11）配合，所述第一二向色镜（4）与所述第二二向色镜（6）呈对称且倾斜设置在环形谐振腔上，所述第一平凹反射镜（7）与所述第二平凹反射镜（11）呈对称且倾斜设置在所述环形谐振腔上，所述剪切干涉片（10）倾斜设置在所述第二直线上且反射出单频涡旋光至所述环形谐振腔外侧。

2.根据权利要求1所述的一种高功率高纯度可调谐单频涡旋激光器，其特征在于：所述第一二向色镜（4）所在的平面与所述第二平凹反射镜（11）所在的平面平行，所述第二二向色镜（6）所在的平面与所述第一平凹反射镜（7）所在的平面平行。

3.根据权利要求1或2所述的一种高功率高纯度可调谐单频涡旋激光器，其特征在于：所述第一二向色镜（4）所在的平面与所述第一直线之间的夹角为70°，所述第一平凹反射镜（7）所在的平面与所述第二直线之间的夹角为70°。

4. 根据权利要求1或2所述的一种高功率高纯度可调谐单频涡旋激光器，其特征在于：所述激光晶体（5）为单掺钬晶体，所述单掺钬晶体的长度为5~30mm，所述单掺钬晶体两端的端面均镀有1.9 ~2.1µm高透膜。

5.根据权利要求1或2所述的一种高功率高纯度可调谐单频涡旋激光器，其特征在于：所述光纤激光器（1）为掺铥光纤激光器，所述掺铥光纤激光器输出中心波长为1900~1980nm。

6. 根据权利要求1或2所述的一种高功率高纯度可调谐单频涡旋激光器，其特征在于：所述第一平凸透镜（2）和所述第二平凸透镜（3）的表面上均镀有1.9 ~2.1µm高透膜，焦距均为10~500mm。

7.根据权利要求1或2所述的一种高功率高纯度可调谐单频涡旋激光器，其特征在于：所述第一二向色镜（4）和所述第二二向色镜（6）的表面上均镀有1900~1980nm泵浦光高透膜和2µm振荡光高反膜。

8.根据权利要求1或2所述的一种高功率高纯度可调谐单频涡旋激光器，其特征在于：所述隔离器（8）为2µm隔离器，所述隔离器（8）内的通光孔径为0.5~5mm。

9. 根据权利要求1或2所述的一种高功率高纯度可调谐单频涡旋激光器，其特征在于：所述二分之一波片（9）的表面上镀有1.9 ~2.1µm高透膜。

10.根据权利要求1或2所述的一种高功率高纯度可调谐单频涡旋激光器，其特征在于：所述剪切干涉片（10）的侧面呈直角梯形设置，所述剪切干涉片（10）的厚度为1~5mm，所述直角梯形的楔角为0.05~1mrad。