CN220401096U - 高功率单频腔内五倍频激光器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及到固体激光领域，尤其涉及到高功率单频激光器的设计。本实用新型由四个高功率激光二极管模块分别泵浦两个激光晶体，形成高功率激光腔体，在激光腔内放置单向循环器件和选频器件，形成高功率的单频激光，最后利用腔内高峰值功率特性，将基频光倍频和和频，最终实现高功率单频五倍频激光的输出。利用本实用新型可以很轻松的获取高功率单频五倍频激光输出，具有极高的应用前景。

Description

高功率单频腔内五倍频激光器

技术领域

本实用新型涉及到激光领域，尤其涉及到高功率固体高次倍频激光器的设计。

背景技术

近几年来，掀起了研制单频激光器的热潮，这主要得益于其广阔的应用前景和潜在的巨大市场价值。由于单频激光器线宽窄、噪声低，这意味着它对高精密的震动较为敏感，且较长的相干长度确保了长距离传感的精度，因此单频激光器在高精度、高灵敏度、远距离传感系统、下一代通信技术、相干技术、遥感技术、相干激光雷达等多个领域有着突出优势。现阶段的高功率单频深紫外激光器主要集中于腔外多次和频产生，不仅需要大功率的单频激光，并且其倍频效率还不高。为了解决高功率单频五倍频激光输出功率，特设计了一款高功率单频腔内五倍频激光器。

发明内容

本实用新型设计一款结构简单，可靠性高的高功率单频腔内五倍频激光器。腔内和频技术充分利用腔内高峰值功率特点，利用高功率单频光多次倍频和和频，产生单频五倍频激光。相对于腔外和频方案，在相同泵浦功率情况下，腔内和频技术不仅不需要汇聚光斑，而且峰值功率高，倍率效率高，从而简化了腔外和频的复杂结构，达到高效输出单频五倍频激光的目的。

为了实现上述目的，高功率单频腔内五倍频激光器的设计，其特征在于包含高功率单频激光组件，和频产生组件。

其中，高功率单频激光组件包括耦合系统一（111），平凸二向色镜一（121），激光晶体一（131），平凸二向色镜二（122），耦合系统二（112），偏振片一（161），四分之一波片（17），磁光晶体（18），偏振片二（162），Q开光（19），平平二向色镜（20），耦合系统三（113），平凸二向色镜三（123），激光晶体二（132），平凸二向色镜四（124），耦合系统四（114），FP组件（15），反射镜（14）组成。

其中，和频产生组件包括二倍频晶体（21），四倍频晶体（22），五倍频晶体（23），杂散光收集装置（24）。

其中，所述的高功率单频激光组件中，其特征在于具有四个泵浦系统，其中耦合系统一（111），耦合系统二（112）对向泵浦激光晶体一（131），耦合系统三（113），耦合系统四（114）对向泵浦激光晶体二（132），泵浦光使用878nm或者888nm泵浦光，用于减少激光晶体的量子亏损，能够产生极高的泵浦功率。要求每个模块的泵浦功率都大于100W，利用高功率泵浦光从而实现高功率的单频激光产生。

其中，所述的高功率单频激光组件中，其特征在于包含两个激光晶体分别为激光晶体一（131）和激光晶体二（132），所述激光晶体为掺杂钕粒子晶体，激光晶体长度约为50mm，用于泵浦光的完全吸收，相应晶体浓度根据设计进行调整。

其中，所述的高功率单频激光组件中，其特征在于包含反射镜（14）和平平二向色镜（20），两个镜片的主要用于折返光路，使两个激光器腔体重合成一个腔体，形成一个封闭的循环腔体。平平二向色镜（20）为低通高反镜片，用于基频光在腔内振荡，高次倍频光的输出，在使用时候将基频光反射点放置于镜片边缘位置，让四倍频和五倍频光在侧向输出，让二倍频光在镜片内部透射输出。

其中，所述的高功率单频激光组件中，其特征在于包含四个平凸透镜分别为平凸二向色镜一（121），平凸二向色镜二（122），平凸二向色镜三（123），平凸二向色镜四（124），平凸透镜的主要功能为补偿激光晶体在工作时候的热焦距，在激光腔体内形成基横模振荡。平凸透镜的曲面朝向晶体一侧，透镜的曲率根据要求进行选择。

其中，所述的高功率单频激光组件中，其特征在于包含平凸二向色镜一（121），平凸二向色镜二（122），平平二向色镜（20），平凸二向色镜三（123），平凸二向色镜四（124），反射镜（14）组成的激光腔体，通过控制平凸透镜的曲率，各个镜片之间的距离，可以很好的控制激光在晶体中的光斑尺寸，方便基频功率的提取和倍频功率的输出。

其中，所述的高功率单频激光组件中，其特征在于包含偏振片一（161），四分之一波片（17），磁光晶体（18），偏振片二（162）组成单向循环器件，主要是为了降低空间烧孔效应，提高单频效率。在此实用新型中光的传播方向为偏振片二（162）至偏振片一（161）的传播方向，入射偏振方向和出射偏振方向相同。

其中，所述的高功率单频激光组件中，其特征在于包括FP组件（15），FP组件（15）主要用于产生单频激光输出。在此实用新型设计中FP组件为两个FP组成，主要是为了更加精细的实行激光的选频。所有的FP都放置在控温装置中，用于对折射率的精确控制，实现选频的稳定。

其中，所述和频产生组件，其特征在于包括二倍频晶体（21），四倍频晶体（22），五倍频晶体（23）。其中，二倍频晶体（21）用于基频光的倍频使用，四倍频晶体（22）主要用于将倍频光转换为四倍频光，而最终通过五倍频晶体（23）时，四倍频光和基频光和频产生五倍频光。

其中，所述和频产生组件，其特征在于五倍频晶体（33）的出射端面切割布角，用于将出射光按照折射率进行分开。

其中，所述和频产生组件，其特征在于包括二倍频晶体（21），四倍频晶体（22），五倍频晶体（23），所有和频晶体都放置的具有TEC控温的热沉中，通过TEC精确控温来实现相应倍频和频过程。

其中，所述和频产生组件，其特征在于包括杂散光收集装置（24），主要用于将杂散光收集，防止对腔内激光的干扰，同时让使用的五倍频激光输出。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

实施方式

本实用新型的整体结构如图1所示，激光器主体为一个四端泵双晶体高功率单频激光器，利用腔内高峰值功率特点来多次和频产生单频五倍频深紫外激光。

高功率纳秒腔内五倍频激光器的特征在于，激光器由高功率单频激光组件，和频产生组件组成。

其中，所述的高功率单频激光组件中，其特征在于具有四个泵浦系统，其中耦合系统一（111），耦合系统二（112）对向泵浦激光晶体一（131），耦合系统三（113），耦合系统四（114）对向泵浦激光晶体二（132），泵浦光使用888nm泵浦光，用于减少激光晶体的量子亏损，能够产生极高的泵浦功率。要求每个模块的泵浦功率都大于100W，光纤芯径为400um，相应耦合系统的耦合比为1:3，进入到晶体中的光斑尺寸为1200um。光纤耦合模块可以选择波长锁定的模块，用于减少温度变化对整体出光功率的影响，利用高功率泵浦光从而实现高功率的单频激光产生。

其中，所述的高功率单频激光组件中，其特征在于包含平凸二向色镜一（121），平凸二向色镜二（122），平平二向色镜（20），平凸二向色镜三（123），平凸二向色镜四（124），反射镜（14）组成的激光腔体。从平凸二向色镜一（121）开始到依次通过上述器件，最后在回到相应出发点上，在腔内振荡形成基频光路，通过控制各个镜片之间的距离和曲率，可以让激光在两个晶体中对称传播，同时还可以控制在倍频晶体中光斑的大小，既能实现对基频激光能量的提取，又能实现高效的倍频激光输出。

Q开光（12）用于储能和释放能量，用于产生脉冲能量，推荐使用1.5mm有源区，41M射频频率，20W射频功率的驱动。

其中，平凸二向色镜一（121），平凸二向色镜二（122），平平二向色镜（20）平凸二向色镜三（123），平凸二向色镜四（124），在本实用新型中可以使用平凸低通镜片，主要用于透过泵浦光，反射基频光，同时补偿晶体的热效应。四个透镜的外形尺寸和镀膜参数等都可以一致，其中，镀膜参数推荐为888nm高透，1064nm高反的镜片，反射角度13°，相应曲率根据整体腔长，间距，晶体热焦距等参数进行确定。

其中，激光晶体一（131），激光晶体二（132）为激光工作晶体，本实用新型使用Nd:YVO4晶体来实现功能，主要优势为重频高，偏振输出等优点。推荐相应参数为晶体尺寸为4*4*50，晶体浓度为0.5%，镀膜采用888nm，1064nm高透方案，此处晶体不仅限于Nd:YVO4晶体，具有同类性质的晶体具有相同的保护范围。

其中，平平二向色镜（20）用于改变基频光传播方向，同时出射倍频光，其镀膜参数为532nm高透，1064nm高反的镜片，其中侧向位置用于反射基频光，让基频光在腔体内继续振，同时在透射倍频光输出。

其中，所述的高功率单频激光组件中，其特征在于包含偏振片一（161），四分之一波片（17），磁光晶体（18），偏振片二（162）组成单向循环器件，主要是为了降低空间烧孔效应，提高单频效率。在此实用新型中光的传播方向为偏振片二（162）至偏振片一（161）的传播方向，入射偏振方向和出射偏振方向相同。其中四分之一波片（17）推荐的使用波长为1064nm多级波片，双面镀高透膜。磁光晶体（18）推荐使用在1064nm偏振光旋转45°的磁光晶体，通光孔径比光斑尺寸大3倍即可。偏振片一（161）偏振片二（162）推荐使用1064nm偏振片，相应偏振比大于500：1。

其中，所述的高功率单频激光组件中，其特征在于包括FP组件（15），FP组件（15）主要用于产生单频激光输出。在此实用新型设计中FP组件（15）为两个FP组成，主要是为了更加精细的实行激光的选频。所有的FP都放置在控温装置中，用于对折射率的精确控制，实现稳定的单频输出。

其中，和频组件由三个晶体组成，分别为二倍频晶体（21），四倍频晶体（22），五倍频晶体（23），其中五倍频晶体（23）出光位置切割布角。

在晶体中相应倍频过程为，从FP组件（15）出射后的选频激光首先经过二倍频晶体（21），经过相位匹配，倍频出二倍频激光，二倍频激光继续穿过四倍频晶体（22），在四倍频晶体（22）中经过相位匹配，倍频出四倍频激光，通过四倍频晶体（22）后的四倍光再和剩余的基频光在五倍频晶体（23）中进行和频，和频出五倍激光，最后在布角位置出射激光。

最终出射光为二倍频光，四倍频光和五倍频光。其中基频光按照原路返回成腔，二，四倍频光为杂散光，进入到杂散光收集器（24）中，而五倍频光则是本实用新型需要的激光，按照确定位置输出。

其中，晶体切割及偏折方向的说明如下。在本实用新型中激光晶体一（131），激光晶体二（132）为Nd:YVO4双折射晶体，C轴方向为垂直于纸面方向，这样基频光的偏振方向为垂直于纸面方向。 经过偏振片二（162），磁光晶体（18），四分之一波片（17），偏振片一（161）后偏振方向不变，通过激光晶体一（131）放大后透射FP组件（15）最后入射到和频组件上。

当基频光通过二倍频晶体（21）的时候，倍频晶体使用LBO晶体，I类相位匹配进行倍频，倍频出倍频光的偏振方向为平行纸面，此处的倍频晶体的参数为Theta=90；Phi=10.8，晶体尺寸为3*3*16，晶体为常温晶体。

当倍频后的光继续传播经过四倍频晶体（22），四倍频晶体（22）为BBO晶体，BBO晶体具有非线性系数大，紫外截止波长短等优点。但是由于BBO晶体对深紫外具有比较强的吸收，同时走离效应比较大，为了兼顾和频效率和光束质量，通常晶体长度都不会过长。二倍频光通过四倍频晶体（22）时候，使用I类相位匹配，最终四倍频光的偏振方向为垂直纸面方向，此处的四倍频晶体（22）的参数为Theta=47；Phi=0，晶体尺寸3*3*4，常温晶体。

最后，垂直纸面偏振的四倍频和基频光通过五倍频晶体（23）后进行I类相位匹配，和频后产生五倍频激光，此处五倍频晶体（23）也是BBO晶体，晶体切割参数为Theta=51.2，Phi=0，晶体尺寸3*3*10，为常温晶体。最终输出的五倍频光的偏振方向在纸面内，这时在纸面内偏振的光再通过布角出射时，功率损耗最小。所有的晶体都放置在具有TEC精确控温的热沉中，通过优化温度最终能够让出射的五倍频光功率最高。

在五倍频晶体（23）中，时间走离和空间走离会对和频效率产生影响。时间走离是由于基频光和四倍频光在进入五倍频频晶体（23）前后在时间上的离散，但是本实用新型中激光脉宽为20ns量级，根据时间换算需要两束光的光程差在m级别才会对和频效率产生本质影响，而在较短的四倍频晶体（22）中，晶体对基频光和四倍光的差生的光程差可以忽略不计。

空间走离主要是由于基频光和四倍频光在进入五倍晶体（23）时在空间位置上的离散，首先通过光学设计，适当控制光束直径，即可以提高倍频效率，又可以控制通过各个晶体后，走离距离占整个光斑中的比重。其次，二倍频晶体（21）为LBO，相应走离角小，即使尺寸长，相应的走离距离也小，所以用长LBO是为了在走离比可控情况下尽可能增加倍频转换效率，而四倍频晶体（22）使用短距离的BBO，相对来说BBO晶体走离角大，四倍频光和基频光之间的走离会对五倍频晶体（23）的和频产生影响，所以前端倍频晶体尽可能的进行高效频率转换，而采用短的四倍频晶体（22），就是降低四倍频走离对最终和频效率的影响，虽然四倍频效率会有所下降，但是整体出光效率会有所提高。同时，通过极高的功率泵浦，来获得高功率的倍频光和四倍频光，即使有四倍频和基频光有走离，在五倍频晶体（23）中也能够和频出高功率的纳秒五倍频激光输出。

本实用新型所述晶体为例来说明相应出光情况，其中二倍频光在五倍频晶体（23）中为e光，相应折射率为1.598，基频光在五倍频晶体（23）中为o光，相应折射率为1.654，四倍频光在五倍频晶体（23）中为o光，相应折射率为1.758，五倍频光在五倍频晶体（23）中为e光，相应折射率为1. 736。

通过布角后，二倍频光折射率最小，穿过平平二向色镜（20）进入到杂散光收集装置（24），基频光在平平二向色镜（20）上反射回腔体内继续振荡，四倍频光折射率最大，在平平二向色镜（20）侧面输出到杂散光收集装置（24），而五倍频光按照设计需求出射激光器。

如果后续对光束应用有特殊需要，还可以增加整形装置对光束形貌进行调整。

本实用新型利用腔内峰值功率高的特点，在腔内进行多次倍频和和频，最终输出高功率单频五倍频深紫外激光，具有广泛的市场前景和价值，为深紫外激光器的研发开拓新的方向。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (6)

1.一种高功率单频腔内五倍频激光器，其特征在于包括高功率单频激光组件，和频产生组件，其中，高功率单频激光组件包括耦合系统一（111），平凸二向色镜一（121），激光晶体一（131），平凸二向色镜二（122），耦合系统二（112），偏振片一（161），四分之一波片（17），磁光晶体（18），偏振片二（162），Q开光（19），平平二向色镜（20），耦合系统三（113），平凸二向色镜三（123），激光晶体二（132），平凸二向色镜四（124），耦合系统四（114），FP组件（15），反射镜（14）组成；和频产生组件包括二倍频晶体（21），四倍频晶体（22），五倍频晶体（23），杂散光收集装置（24）组成。

2.根据权利要求1所述高功率单频腔内五倍频激光器，其特征在于包括耦合系统一（111），耦合系统二（112），耦合系统三（113），耦合系统四（114）四个高功率泵浦耦合系统，利用高功率泵浦光双向泵浦晶体，从而产生高功率的基频激光。

3.根据权利要求1所述高功率单频腔内五倍频激光器，其特征在于包含平平二向色镜（20）为低通高反镜片，用于基频光在腔内振荡，高次倍频光的输出。

4.根据权利要求1所述高功率单频腔内五倍频激光器，其特征在于包含平凸二向色镜一（121），平凸二向色镜二（122），平平二向色镜（20），平凸二向色镜三（123），平凸二向色镜四（124），反射镜（14），上述镜片组成的激光腔体，通过控制平凸透镜的曲率，相应镜片之间的距离，可以很好的控制在激光晶体和在和频组件中的光斑尺寸的大小，方便基频功率的提取和倍频功率的输出。

5.根据权利要求1所述高功率单频腔内五倍频激光器，其特征在于包括二倍频晶体（21），四倍频晶体（22），五倍频晶体（23），控制各个晶体的长度，可以减少空间走离，提高出光功率。

6.根据权利要求1所述高功率单频腔内五倍频激光器，其特征在于包括五倍频晶体（23），五倍频晶体（23）的出射端面切割为布角，用于光束分束。