CN110932080B - 一种单纵模激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及激光器领域，具体涉及一种单纵模激光器，所述单纵模激光器，包括：第一抛物面镜、第二抛物面镜、激光全反射镜、激光输出镜、激光增益介质、小孔光阑、F‑P标准具、主动调Q晶体、共焦球面扫描干涉仪、示波器、F‑P标准具角度调节装置、主动调Q晶体驱动器和信号发生器；所述F‑P标准具角度调节装置与所述F‑P标准具连接，通过调整所述F‑P标准具的角度在低泵浦功率以及高泵浦功率的情况下，获得单纵模激光；与现有技术相比，本发明提供的单纵模激光器利用预激光技术和F‑P标准具技术实现单纵模激光器，该激光器在泵浦功率由低到高的变化过程中，通过调节F‑P标准具的旋转角度从而能够始终实现单纵模激光输出。

Description

一种单纵模激光器
技术领域
本发明涉及激光器领域，具体涉及一种单纵模激光器。
背景技术
单纵模激光不仅具有极高的光谱响应度和信噪比，位于可见光波段的单纵模激光，由于其自身的可见性而使得发射出的激光十分便于探测与接收，可大幅度提升激光雷达、激光测距、激光遥感、光频标准探测精度等领域的反馈信号强度和探测精度，因此单纵模激光器在上述技术领域有着极其重要的意义和十分广泛的应用前景。
目前，获得单纵模激光的方式主要有F-P标准具技术和预激光技术。采用F-P标准具技术获得单纵模激光的方式是通过引入较大的额外损耗对腔内模式进行筛选，常见于高功率泵浦的激光器中。应用于低功率泵浦时，若引入高损耗差值(不同纵模间的损耗之差)极易导致激光器阈值的提升而无法形成激光振荡，而若引入低损耗差值又无法形成单纵模激光的选模功能。
采用预激光技术获得单纵模激光的方式是通过对腔内模式间微损耗差值进行指数性放大进行筛选。应用于高功率泵浦时，预激光技术无法通过较短时间(自发辐射寿命)对微损耗差值(腔内固有的模式间损耗差值)进行放大以抑制腔内的多纵模起振现象，因此预激光技术通常用于低功率泵浦，在高功率泵浦时并不能获得单纵模激光。
与本发明相关的现有技术是由中国科学院上海光学精密机械研究所陈有明等人所公开的“激光二极管泵浦预激光调Q Nd：YAG单纵模激光器研究”。其所采用的结构如图1所示。图中所示各部分分别为：泵浦源温控装置101、半导体激光器102、耦合光学***103、激光晶体104、声光调Q晶体105、输出镜106、半导体激光器驱动107、同步信号控制***108、信号发生器109。但是现有技术中存在以下不足：当泵浦功率由低到高大范围变化时，由于跃迁谱线增益的逐渐增强，导致在固定的预激光时间内各纵模间无法进行充分的竞争，从而使得输出激光模式的数量逐渐增多，而不再是单纵模激光输出。也就是说，在泵浦功率逐渐增大的过程中，由于不能自动的引入额外的损耗来抵消各纵模之间的增益、缩短各纵模间的竞争时间而导致不能够实现单纵模激光输出。因此，上述技术适合于在低泵浦功率条件下获得单纵模激光输出，当泵浦功率较高时，该技术不再适用。
发明内容
本发明提供一种单纵模激光器，用于解决现有技术中泵浦频率由低到高变化的范围内，无法获得单纵模激光的问题。
本发明提供一种单纵模激光器，包括：第一抛物面镜、第二抛物面镜、激光全反射镜、激光输出镜、激光增益介质、小孔光阑、F-P标准具、主动调Q晶体、共焦球面扫描干涉仪、示波器、F-P标准具角度调节装置、主动调Q晶体驱动器和信号发生器；
所述第一抛物面镜、激光增益介质、第二抛物面镜和激光全反射镜反射泵浦光，使泵浦光在所述激光增益介质内部经过多次往返泵浦；
所述激光增益介质、小孔光阑、F-P标准具、主动调Q晶体和激光输出镜依次沿光路设置；
所述共焦球面扫描干涉仪放置于所述激光输出镜远离所述主动调Q晶体的一侧，并与所述示波器连接；
所述F-P标准具角度调节装置与所述F-P标准具连接，通过调整所述F-P标准具的角度在低泵浦功率以及高泵浦功率的情况下，获得单纵模激光；
所述主动调Q晶体驱动器与所述主动调Q晶体连接；所述信号发生器与所述主动调Q晶体驱动器连接。
可选地，在低泵浦功率下，所述F-P标准具的角度设置与光路平行，通过调整所述主动调Q晶体驱动器和所述信号发生器的参数，获得单纵模激光。
可选地，在高泵浦功率下，所述共焦球面扫描干涉仪和所述示波器进行纵模个数监测，并当纵模个数不为1时，所述F-P标准具角度调节装置对所述F-P标准具的角度进行调节后，获得单纵模激光。
可选地，所述第一抛物面镜和所述第二抛物面镜平行放置于光路的两侧，置于所述激光增益介质和所述小孔光阑之间；所述第一抛物面镜和所述第二抛物面镜的抛物面一侧分别朝向所述激光增益介质。
可选地，所述第一抛物面镜的凹面镀膜对波长445nm、522nm具有高反射率；所述第二抛物面镜的凹面镀膜对波长522nm具有高反射率。
可选地，所述激光全反射镜置于所述第二抛物面镜靠近抛物面的一侧，所述激光全反射镜靠近所述第二抛物面镜的一面镀膜后对波长522nm具有高反射率。
可选地，所述激光增益介质为Pr：YLF薄片激光晶体，其左右两端面镀膜对波长522nm增加透射率。
可选地，所述信号发生器发射的信号为周期性双台阶电脉冲形式，所述电脉冲的幅度和持续时间能够调整。
可选地，还包括：控制器，所述控制器分别与所述示波器以及所述F-P标准具角度调节装置连接，实现对所述示波器的纵模个数的监测以及通过控制所述F-P标准具角度调节装置对所述F-P标准具的角度进行自适应调节。
可选地，还包括：热沉；所述热沉与所述激光增益介质连接，用于对所述激光增益介质进行散热。
可选地，还包括：泵浦源、光纤和耦合镜组；
所述泵浦源、所述光纤和所述耦合镜组沿光路连接，所述泵浦源发出的泵浦光经过所述耦合镜组耦合到第一抛物面镜。
可选地，所述泵浦源为半导体泵浦源。
可选地，所述激光器为碟片形式的泵浦结构。
与现有技术相比，本发明提供的单纵模激光器至少具有以下有益效果：
本发明提供一种单纵模激光器，通过激光全反射镜、激光增益介质、小孔光阑、F-P标准具、主动调Q晶体和激光输出镜形成一个谐振腔，通过主动调Q晶体、主动调Q晶体驱动器和信号发生器形成一个预激光选模装置，通过共焦球面扫描干涉仪、示波器形成纵模个数监测装置，通过F-P标准具、F-P标准具角度调节装置形成F-P标准具选模补偿装置，利用预激光技术和F-P标准具技术实现单纵模激光输出。该激光器在泵浦功率由低到高的变化过程中，通过调节F-P标准具的旋转角度从而能够始终实现单纵模激光输出。
附图说明
图1是现有技术中预激光调Q激光器结构示意图；
图2是本发明单纵模激光器的结构示意图；
图3是泵浦光在激光增益介质内部多次往返泵浦的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
图2是本发明实施例提供的一种单纵模激光器的结构示意图。
如图2所示，所述单纵模激光器包括：泵浦源1、光纤2和耦合镜组3、激光增益介质4、第一抛物面镜5、F-P标准具6、主动调Q晶体7和激光输出镜8、共焦球面扫描干涉仪9、示波器10、热沉11、激光全反射镜12、第二抛物面镜13、小孔光阑14、F-P标准具角度调节装置15、主动调Q晶体驱动器16和信号发生器17；
在一个可选的实施例中，单纵模激光器输出可见光波长范围内的单纵模激光，如绿色激光(波长为522nm左右)。
在一个可选的实施例中，所述泵浦源1为半导体泵浦源，例如为445nm半导体激光器。所述耦合镜组3的焦距为50mm。
在一个可选的实施例中，所述激光增益介质4为Pr：YLF(掺镨氟化锂钇晶体)薄片激光晶体，掺杂浓度为0.2.a.t％，半径为3mm，厚度为0.3mm。Pr：YLF薄片激光晶体可以直接产生可见光，其左右两端面镀膜对波长522nm增加透射率，透射率为99.9％。
所述激光增益介质4和热沉11连接，所述热沉11用于降低激光增益介质4的温度。
所述泵浦源1、光纤2和耦合镜组3依次置于第一抛物面镜5靠近抛物面的一侧；所述泵浦源1发出的泵浦光经过耦合镜组3耦合到第一抛物面镜5后，泵浦光依次经过：第一抛物面镜5-激光增益介质4-第二抛物面镜13-激光全反射镜12，且在第一抛物面镜5-激光增益介质4-第二抛物面镜13-激光全反射镜12之间多次反射，每次经过激光增益介质4时，泵浦光都会打在激光增益介质4的不同位置，从而泵浦激光增益介质4，为其提供泵浦能量，实现反转粒子积累。请参照图3，图3示出了泵浦光在激光增益介质4内部经过多次往返泵浦。
在一个可选的实施例中，所述第一抛物面镜5的凹面镀膜对波长445nm、522nm具有高反射率；所述第二抛物面镜13的凹面镀膜对波长522nm具有高反射率。
所述激光全反射镜12置于第二抛物面镜13靠近抛物面的一侧，激光全反射镜12为平面镜且靠近第二抛物面镜的一面镀膜后对波长522nm具有高反射率，膜系制备要求为对波长522nm的反射率为98％。
泵浦光在激光增益介质4内部多次往返泵浦后，沿着光路依次设置小孔光阑14、F-P标准具6、主动调Q晶体7和激光输出镜8。
其中，所述第一抛物面镜5和第二抛物面镜13平行放置于光路的两侧，置于激光增益介质4和小孔光阑14之间且所述第一抛物面镜5和第二抛物面镜13的抛物面一侧分别朝向激光增益介质4。
在一个可选的实施例中，所述主动调Q晶体7为TiO2声光调Q晶体，射频驱动范围为0-80MHz。所述激光输出镜8为平凹镜，凹面镀522nm部分透过率膜，522nm激光透过率为4％。所述小孔光阑14半径为0.3mm。
所述共焦球面扫描干涉仪9放置于所述激光输出镜8远离所述主动调Q晶体7的一侧，并与所述示波器10连接。所述示波器10与控制器18连接。
所述F-P标准具角度调节装置15分别与控制器18连接以及与F-P标准具6连接。通过调整所述F-P标准具6的角度在低泵浦功率以及高泵浦功率的情况下，获得单纵模激光。
在一个可选的实施例中，控制器18可以采用芯片或单片机等装置，控制器18分别与所述示波器10以及所述F-P标准具角度调节装置15连接，实现对所述示波器10的纵模个数的监测以及通过控制所述F-P标准具角度调节装置15对所述F-P标准具6的角度进行自适应调节。
所述F-P标准具角度调节装置15可旋转角度为10°，步进精度为5′。***达到稳定状态后，波长为522nm的单纵模激光(参照图2所示)通过激光输出镜8输出到单纵模激光器的谐振腔外。
所述主动调Q晶体7与所述主动调Q晶体驱动器16连接，所述主动调Q晶体驱动器16和所述信号发生器17连接。
在一个可选的实施例中，所述信号发生器17发射的信号为周期性双台阶电脉冲形式，阶跃式电脉冲的幅度和持续时间参数可以调整。在本实施例中，信号发生器17输出的双台阶信号为0-1V，精度为0.05V，低电压信号持续时间为0-40μs，精度为0.1μs。
在一个可选的实施例中，所述单纵模激光器为碟片形式的泵浦结构，从而能够极大地降低激光增益介质4的热透镜效应。
本发明实施例提供的单纵模激光器，所述激光全反射镜12、激光增益介质4、小孔光阑14、F-P标准具6、主动调Q晶体7和激光输出镜8形成一个输出波段为522nm的谐振腔，主动调Q晶体7、主动调Q晶体驱动器16和信号发生器17形成一个预激光选模装置，共焦球面扫描干涉仪9、示波器10形成纵模个数监测装置，F-P标准具6、F-P标准具角度调节装置15、控制器18形成F-P标准具选模补偿装置。
本发明实施例利用预激光技术和F-P标准具技术实现单纵模激光输出。该激光器利用伺服电机带动F-P标准具6旋转相应的角度以引入附加的损耗来缩短各纵模之间的相互竞争时间，从而能够实现在泵浦功率由低到高变化过程中实现激光***的自适应选模，确保了能够在任意泵浦功率下获得单纵模激光的输出。
另外，一方面，对可见光波段激光器的研究也主要集中在少量的几种晶体上，例如Nd：YAG、Nd：YVO4、Nd：GdVO4等晶体。目前尚无有效手段可以在泵浦功率从低到高的宽量程范围内实现可见光波段单纵模激光的高效输出。
另一方面，由于在全固态激光器中获得可见波段激光常用且成熟的方法是采用非线性频率变换手段，将单一波长的近红外激光倍频或两种波长的近红外激光和频后来产生可见波段激光，但这种方法由于需要进行非线性频率转换过程，因此导致光-光转换效率较低。
本发明提供的单纵模激光器用于产生可见光波长范围内的单纵模激光时，在泵浦功率由低到高的变化过程中，通过自适应地调节F-P标准具6的旋转角度不但能够始终实现单纵模激光输出，同时由于省略了所有的非线性频率转化过程，进而提高了光-光转化效率。
为了进一步的说明本发明实施例的技术方案，先对预激光技术的工作过程做一说明，如下：
预激光技术的工作过程从时序上来说可以分为以下三个阶段：
(1)种子光形成阶段
不同于一般的调Q技术，预激光技术使用的信号发生器为双台阶信号发生器，其产生的信号为随时间变化的周期性阶跃式电压信号。在高电压状态下，腔内调Q损耗较高，激光器内部进行反转粒子积累；在高电压向低电压调节的过程中，腔内调Q损耗由高变低。此时，部分反转粒子从高能级跃迁到低能级并产生光子形成种子光。
(2)模式竞争阶段
在低电压施加于调Q晶体时，腔内损耗为较低值。延长低电压持续时间，则种子光将因不同模式间增益与损耗差值的存在而进行自然选模过程。同时又因为中心模式的单程增益略大于邻模，中心模式的单程损耗又略小于邻模，所以随着模式竞争过程的持续，其邻模将随低电压持续时间的增加而逐渐消失，最终形成只有中心模式的单纵模种子光。
(3)输出过程
完全打开Q开关，则大量反转粒子从高能级跃迁到低能级，并形成巨脉冲激光。其中单纵模种子光的强度量级远大于噪声，这使得种子光可以代替噪声作为激光的初始起振“噪声”，从而将自己放大并再一次抑制其他模式，形成单纵模脉冲激光。
基于上述对预激光技术的说明，对于本发明实施例提供的单纵模激光器在低泵浦功率以及高泵浦功率下如何获得单纵模激光做如下说明：
在低泵浦功率下，所述F-P标准具6的角度设置与光路平行，通过调整所述主动调Q晶体驱动器16和所述信号发生器17的参数，获得单纵模激光。在低功率泵浦时，以预激光技术为主体选模技术、F-P标准具技术为辅助选模技术，对F-P标准具6引入的微损耗差值进行多次放大，既保证了单纵模激光的可实现性，又保证了单纵模激光的光-光转换效率。
在高泵浦功率下，所述共焦球面扫描干涉仪9和所述示波器10进行纵模个数监测，并当纵模个数不为1时，所述F-P标准具角度调节装置15对所述F-P标准具6的角度进行调节后，获得单纵模激光。在高功率泵浦时，以F-P标准具技术为主体选模技术、预激光技术为辅助选模技术，对F-P标准具6引入的高损耗差值进行简单放大，既保证了单频激光的可实现性，又增加了单频激光的稳定性。
请参照图2，所述单纵模激光器的具体工作原理为：半导体泵浦源1发出的泵浦光经光纤2、耦合镜组3和第一抛物面镜5，进入激光增益介质4进行多次往返泵浦，为其提供泵浦能量，实现反转粒子积累。通过信号发生器17控制主动调Q晶体驱动器16产生高频超声波，继而主动调Q晶体7产生阶跃式损耗。随着阶跃式损耗的产生，部分反转粒子溢出产生光子并在激光全反射镜12、激光增益介质4、小孔光阑14、F-P标准具6、主动调Q晶体7和激光输出镜8之间的谐振腔中振荡，形成种子光。
低功率泵浦时，F-P标准具6呈90°即垂直于水平线放置，此时F-P标准具6的角度设置与光路平行，只需通过调整所述主动调Q晶体驱动器16和所述信号发生器17组成的***中的阶跃式损耗中低损耗的幅值和持续时间，即可获得单纵模种子光。具体的，在小孔光阑14的作用下，进行横模选模，最终形成单纵模种子光。在单纵模种子光形成的时刻，完全打开Q开关，剩余反转粒子对单纵模种子光进行放大，并在激光全反射镜12、激光增益介质4、小孔光阑14、F-P标准具6、主动调Q晶体7和激光输出镜8之间的谐振腔中振荡形成单纵模激光。
高功率泵浦时，主动调Q晶体驱动器16和所述信号发生器17组成的***参数无需调整，共焦球面扫描干涉仪9和示波器10进行纵模个数监测，当纵模个数不为1时，由控制器18和F-P标准具角度调节装置15对F-P标准具6的角度进行自适应调节，进而在***内部引入附加损耗实现选模补偿功能。最终当纵模个数为1时，辅以小孔光阑14获得单纵模种子光，完全打开Q开关对单纵模种子光进行放大，获得单纵模激光输出。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种单纵模激光器，其特征在于，包括：第一抛物面镜、第二抛物面镜、激光全反射镜、激光输出镜、激光增益介质、小孔光阑、F-P标准具、主动调Q晶体、共焦球面扫描干涉仪、示波器、F-P标准具角度调节装置、主动调Q晶体驱动器和信号发生器；
所述第一抛物面镜、激光增益介质、第二抛物面镜和激光全反射镜反射泵浦光，使泵浦光在所述激光增益介质内部经过多次往返泵浦；
所述激光增益介质、小孔光阑、F-P标准具、主动调Q晶体和激光输出镜依次沿光路设置；
所述共焦球面扫描干涉仪放置于所述激光输出镜远离所述主动调Q晶体的一侧，并与所述示波器连接；
所述F-P标准具角度调节装置与所述F-P标准具连接，通过调整所述F-P标准具的角度在低泵浦功率以及高泵浦功率的情况下，获得单纵模激光；其中，在低泵浦功率下，所述F-P标准具的角度设置与光路平行，通过调整所述主动调Q晶体驱动器和所述信号发生器的参数，获得单纵模激光；在高泵浦功率下，所述共焦球面扫描干涉仪和所述示波器进行纵模个数监测，并当纵模个数不为1时，所述F-P标准具角度调节装置对所述F-P标准具的角度进行调节后，获得单纵模激光；
所述主动调Q晶体驱动器与所述主动调Q晶体连接；所述信号发生器与所述主动调Q晶体驱动器连接。
2.根据权利要求1所述的单纵模激光器，其特征在于，所述第一抛物面镜和所述第二抛物面镜平行放置于光路的两侧，置于所述激光增益介质和所述小孔光阑之间；所述第一抛物面镜和所述第二抛物面镜的抛物面一侧分别朝向所述激光增益介质。
3.根据权利要求1所述的单纵模激光器，其特征在于，所述激光增益介质为Pr：YLF薄片激光晶体，其左右两端面镀膜对波长522nm增加透射率。
4.根据权利要求1所述的单纵模激光器，其特征在于，所述信号发生器发射的信号为周期性双台阶电脉冲形式，所述电脉冲的幅度和持续时间能够调整。
5.根据权利要求1所述的单纵模激光器，其特征在于，还包括：控制器，所述控制器分别与所述示波器以及所述F-P标准具角度调节装置连接，实现对所述示波器的纵模个数的监测以及通过控制所述F-P标准具角度调节装置对所述F-P标准具的角度进行自适应调节。
6.根据权利要求1所述的单纵模激光器，其特征在于，还包括：热沉；所述热沉与所述激光增益介质连接，用于对所述激光增益介质进行散热。
7.根据权利要求1所述的单纵模激光器，其特征在于，还包括：泵浦源、光纤和耦合镜组；
所述泵浦源、所述光纤和所述耦合镜组沿光路连接，所述泵浦源发出的泵浦光经过所述耦合镜组耦合到第一抛物面镜。
8.根据权利要求1所述的单纵模激光器，其特征在于，所述激光器为碟片形式的泵浦结构。
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