CN112688144A - 基于腔外双通倍频结构的激光器 - Google Patents
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Abstract
一种基于腔外双通倍频结构的激光器，包括基频光纤激光器、光束偏振分光模块、倍频晶体和基频光返回模块，所述的基频光纤激光器输出基频光经所述的光束偏振分光模块后，入射到所述的倍频晶体产生二次谐波，剩余的基频光通过基频光返回模块返回，返回的基频光再次进入倍频晶体产生二次谐波，即基频光在同一光路上二次来回通过倍频晶体，产生的倍频光通过所述的光束偏振分光模块输出。本发明通过基频光在单块倍频晶体中双程往返，可以有效利用基频光，提高倍频转换效率，保持结构紧凑、成本低的优点。
Description
技术领域
本发明涉及倍频激光器，特别是一种基于腔外双通倍频结构的激光器。
背景技术
采用倍频晶体实现相位匹配是获得短波长激光输出的有效途径，根据结构可分为腔内倍频和腔外倍频。由于腔外倍频可分别控制基频光模块与倍频模块，***灵活性好、光束质量可控性更高。光纤激光器具有高光束质量、维护成本低、体积小、散热良好等的特点，因此非常适合作为腔外倍频的基频光源。一般使用的腔外倍频是采用环形腔倍频或单通倍频方式。采用的环形腔倍频技术具有极好的转换效率，但该倍频腔设计与锁腔***相对复杂，对整机要求高，操作难度较高。单通倍频的结构简单、容易实现，但单通倍频方式在低峰值功率的情况下仍有较多的剩余基频光无法被利用上，并且效率低。2005年，Liu等人在Optics letter上发表了题为60-W green output by frequency doubling of apolarized Yb-doped fiber laser的论文，文中采用倍频晶体级联的结构，提高了倍频转换功率，但这种方式也具有相对较高成本。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明提出一种基于腔外双通倍频结构的激光器，通过基频光在单块倍频晶体中双程往返，可以有效利用基频光，提高倍频转换效率，保持结构紧凑、成本低的优点。
本发明的技术解决方案如下：
一种基于腔外双通倍频结构的激光器，包括基频光纤激光器、光束偏振分光模块、倍频晶体和基频光返回模块，其特点在于，所述的基频光纤激光器输出基频光经所述的光束偏振分光模块后，入射到所述的倍频晶体产生二次谐波，剩余的基频光通过基频光返回模块返回，返回的基频光再次进入倍频晶体产生二次谐波，即基频光在同一光路上二次来回通过倍频晶体，产生的倍频光通过所述的光束偏振分光模块输出。
所述的光束偏振分光模块包括同光轴依次放置的光束准直器、偏振控制模块、第一二色分光器和光学透镜，所述的基频光返回模块包括同光轴依次放置的透镜、第二二色分光器和平面反射镜。
所述的光束偏振分光模块包括同光轴依次放置的光束准直器、偏振控制模块、第一二色分光器和光学透镜，所述的基频光返回模块包括同光轴依次放置的相位补偿介质和凹面反射镜。
所述的基频光纤激光器为窄谱光纤激光器，线宽范围为10k-300GHz；所述基频光纤激光器带有光隔离器或采用多包层光纤结构，以消除或减少回返光对基频光的影响，具有抗回返光干扰的性能。
所述偏振控制模块由相位延迟片和(或)偏振分光器组成，用于控制基频激光的偏振态与偏振方向符合倍频晶体的要求。
所述的倍频晶体的入射面与出射面镀有基频光增透膜和倍频光增透膜，基频光增透膜的反射率R<0.5％倍频光增透膜R<1％。
所述的平面反射镜具有大于99％的基频光反射率，返回的剩余基频光呈汇聚光束进入倍频晶体。
所述的凹面反射镜有大于99％的基频光和倍频光反射率，返回的剩余基频光和第一程倍频光呈汇聚光束进入倍频晶体。
所述的相位补偿介质用于补偿基频光与倍频光在空气中传输、经所述基频光返回模块中的透镜或反射镜及往返光束在倍频晶体中的角度偏差引起的相位偏移，双程倍频后的基频光与倍频光相移偏移量约为π。
所述的倍频晶体是LBO晶体、CLBO晶体、BBO晶体、KTP晶体、周期极化晶体或准周期极化晶体。
一种多级腔外双通倍频结构的激光器，包括基频光纤激光器以及由光束偏振分光模块、倍频晶体和基频光返回模块构成双程倍频结构模块，其特点在于，还包括由光功率放大器、环形隔离器和双程倍频结构模块组成级联倍频模块，所述基频光纤激光器具有三端口环形隔离器，输出的基频光通过该基频光纤激光器的环形隔离器的第二端口注入所述的双程倍频结构模块，经过该双程倍频结构模块后剩余基频光通过所述的基频光纤激光器的环形隔离器的第三端口输出后，进入所述的光功率放大器被放大，做为下一级倍频器的基频光光源，注入另一环形隔离器，该环形隔离器第二端口与所述的双程倍频结构模块相连，该环形隔离器第三端口与下一级级联倍频模块相连，依次类推形成多级的双程倍频激光器。
所述的倍频激光器的第一程倍频光与第二程倍频光可以同时由一个二色分光器分出，此时，基频光返回模块具有基频光与倍频光的大于99％反射率；为维持倍频转换效率，双程倍频后的基频光与倍频光相移量约为π。
本发明的技术效果如下：
(1)通过基频光在单块晶体中双程往返，有效利用基频光，提高倍频转换效率；
(2)结构紧凑，成本低；
(3)可根据实际使用需求灵活调整非线性晶体匹配方式，光学适应面宽。
附图说明
图1是本发明基于腔外双通倍频结构的激光器实施例1的结构组成示意图；
图2为本发明基于腔外双通倍频结构的激光器实施例2的结构组成示意图；
图3为本发明基于腔外双通倍频结构的激光器实施例3的结构组成示意图。
具体实施方式
下面结合实施例后附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
实施例1：
先请参阅图1，图1是本发明基于腔外双通倍频结构的激光器实施例1的结构组成示意图，由图可见，本发明倍频激光器，包括基频光纤激光器1，沿所述的基频光纤激光器1输出的基频光方向是具有双程倍频结构的倍频激光器，该双程倍频结构的倍频激光器由依次的光束准直器2、偏振控制模块3、第一二色分光器4-1、光学透镜5、倍频晶体6、第二二色分光器4-2，基频光返回模块构成。基频光返回模块中为一透镜7-1和平面反射镜7-2，第二二色分光器4-2置于透镜7-1和平面反射镜7-2之间。所述的基频光纤激光器1输出的基频光经光束准直器2准直，偏振控制模块3调整基频光的偏振方向，光学透镜5聚焦耦合入所述的倍频晶体6，产生二次谐波，称为第一程倍频光，该第一程倍频光经所述透镜7-1准直，第二二色分光器4-2呈90度偏转反射输出，剩余的基频光通过所述基频光返回模块返回，返回的基频光经透镜7-1汇聚再次进入倍频晶体6产生二次谐波，该倍频光称为第二程倍频光，该第二程倍频光经所述的光学透镜5后通过第一二色分光器4-1分出。
所述的基频光纤激光器1输出的是波长1064nm的基频光，该线偏振光纤激光器1连接光纤型光隔离器输出，光束通过光束准直器2准直，再经偏振控制模块3调整基频光的线偏振方向以符合倍频晶体要求。基频光入射第一二色分光器4-1，具有高透过效率(>98％)，准直光束经光学透镜5在长、宽、高分别为30mm、3mm、3mm的LBO晶体6中形成一束腰约50微米的汇聚光束，LBO晶体置于温度控制器中，工作温度约150℃，以实现I类非临界相位匹配。剩余的1064nm基频光和532nm倍频光通过透镜7-1准直，再经过第二二色分光器4-2将532nm倍频光垂直入射方向反出，剩余1064nm基频光由所述的高反(R>99％)平面反射镜7-2反射回原光路，依次通过第二二色分光器4-2及透镜7-1，再次汇聚入LBO晶体6，产生回程基频光的倍频输出，该回程倍频光由所述的第一二色分光器4-1垂直分出。
实施例2：
请参阅图2，图2为本发明基于腔外双通倍频结构的激光器实施例2的结构组成示意图，由图可见，本发明倍频激光器，包括基频光纤激光器1，所述基频光纤激光器的输出尾纤是具有三包层结构的光纤，沿所述的基频光纤激光器1输出的基频光方向是具有双程倍频结构的倍频激光器，该双程倍频结构的倍频激光器由依次的光束准直器2、偏振控制模块3、第一二色分光器4-1、光学透镜5、倍频晶体6、相位补偿介质8和基频光返回模块构成，本实施例基频光返回模块为凹面反射镜7。所述的基频光纤激光器1输出波长为1064nm的基频光，该基频光通过光束准直器2准直，再经偏振控制模块3调整基频光的线偏振方向及提高光束偏振度大于20dB。基频光准直光束经光学透镜5在长、宽、高分别为30mm、2mm、1mm的MgO:sPPLT晶体6中形成一束腰约40微米的汇聚光束，晶体周期约为7.97um。MgO:sPPLT晶体6置于温度控制器中，工作温度约52℃，实现温度相位匹配。剩余的1064nm基频光和产生的532nm倍频光通过相位补偿介质8，再经基频光返回模块7将发散的基频光与倍频光返回相位补偿介质8，汇聚进入MgO:sPPLT晶体6，所述的相位补偿介质8用于补偿通过双程倍频后的基频光与倍频光的相位偏移，使其相位差为π，通过往返路径产生的532nm倍频光经第一二色分光器4-1分离出。
实施例3：
实施例3为实施例1或2的扩展形式。参见图3，由图可见，本发明基于腔外双通倍频结构的激光器，包括基频光纤激光器1以及由光束偏振分光模块、倍频晶体6和基频光返回模块构成双程倍频结构模块9，还包括由光功率放大器10、环形隔离器11和双程倍频结构模块9组成级联倍频模块12，所述基频光纤激光器1具有三端口环形隔离器，输出的基频光通过该基频光纤激光器1的环形隔离器的第二端口注入所述的双程倍频结构模块9。
所述的基频光纤激光器1输出波长为980nm的基频光，所述的基频光纤激光器1的输出环形隔离器的第二端口光纤与光纤式光束准直器2熔接，输出准直光斑经偏振控制模块3调整基频光的线偏振方向，通过第一二色分光器4-1和光学透镜7，在长、宽、高分别为20mm、2mm、1mm的MgO：PPLN倍频晶体6中形成一束腰约35微米的汇聚光束，MgO：PPLN倍频晶体置于温度控制器中，工作温度约35℃，晶体周期约为5.1um。剩余的980nm基频光和490nm倍频光通过透镜7-1准直，再经过第二二色分光器4-2将490nm倍频光在垂直入射方向反出，剩余980nm基频光由高反(R>99％)平面反射镜7-2反射回原光路，依次通过第二二色分光器4-2及透镜7-1，再次汇聚入MgO：PPLN晶体6，产生的第二程倍频光由光学透镜5准直，第一二色分光器4-1垂直分出，剩余基频光经光束准直器2耦合回基频光输出环形隔离器的第二端口，再由输出环形隔离器的第三端口输出。经过该双程倍频结构模块9后，剩余基频光通过所述的基频光纤激光器1的环形隔离器的第三端口输出后，进入所述的光功率放大器10，以提高基频光功率，并可再次被放大，做为下一级倍频器的基频光光源，注入另一环形隔离器11，该环形隔离器11第二端口与所述的双程倍频结构模块9相连，该环形隔离器11第三端口与下一级级联倍频模块12相连，依次类推重复利用基频光，多次产生短波长倍频光。
实验表明，本发明通过基频光在单块倍频晶体中双程往返，可以有效利用基频光，提高倍频转换效率，保持结构紧凑、成本低的优点。
Claims (11)
1.一种基于腔外双通倍频结构的激光器，包括基频光纤激光器(1)、光束偏振分光模块、倍频晶体(6)和基频光返回模块，其特征在于，所述的基频光纤激光器(1)输出基频光经所述的光束偏振分光模块后，入射到所述的倍频晶体(6)产生二次谐波，剩余的基频光通过基频光返回模块返回，返回的基频光再次进入倍频晶体(6)产生二次谐波，即基频光在同一光路上二次来回通过倍频晶体(6)，产生的倍频光通过所述的光束偏振分光模块输出。
2.根据权利要求1所述的基于腔外双通倍频结构的激光器，其特征在于，所述的光束偏振分光模块包括同光轴依次放置的光束准直器(2)、偏振控制模块(3)、第一二色分光器(4-1)和光学透镜(5)，所述的基频光返回模块包括同光轴依次放置的透镜(7-1)、第二二色分光器(4-2)和平面反射镜(7-2)。
3.根据权利要求1所述的基于腔外双通倍频结构的激光器，其特征在于，所述的光束偏振分光模块包括同光轴依次放置的光束准直器(2)、偏振控制模块(3)、第一二色分光器(4-1)和光学透镜(5)，所述的基频光返回模块包括同光轴依次放置的相位补偿介质(8)和凹面反射镜(7)。
4.根据权利要求1-3任一所述的基于腔外双通倍频结构的激光器，其特征在于，所述的基频光纤激光器(1)为窄谱光纤激光器，线宽范围为10k-300GHz；所述基频光纤激光器(1)带有光隔离器或采用多包层光纤结构，以消除或减少回返光对基频光的影响，具有抗回返光干扰的性能。
5.根据权利要求2或3所述的基于腔外双通倍频结构的激光器，其特征在于，所述偏振控制模块(3)由相位延迟片和(或)偏振分光器组成，用于控制基频激光的偏振态与偏振方向符合倍频晶体的要求。
6.根据权利要求1-3任一所述的基于腔外双通倍频结构的激光器，其特征在于，所述的倍频晶体(6)的入射面与出射面镀有基频光增透膜和倍频光增透膜，基频光增透膜的反射率R<0.5％，倍频光增透膜反射率R<1％。
7.根据权利要求2所述的基于腔外双通倍频结构的激光器，其特征在于，所述的平面反射镜(7-2)具有大于99％的基频光反射率，返回的剩余基频光呈汇聚光束进入倍频晶体(6)。
8.根据权利要求3所述的基于腔外双通倍频结构的激光器，其特征在于，所述的凹面反射镜(7)具有大于99％的基频光和倍频光反射率，返回的剩余基频光和第一程倍频光呈汇聚光束进入倍频晶体(6)。
9.根据权利要求3所述的基于腔外双通倍频结构的激光器，其特征在于，所述的相位补偿介质(8)用于补偿基频光与倍频光在空气中传输、经所述基频光返回模块中的透镜或反射镜及往返光束在倍频晶体中的角度偏差引起的相位偏移，双程倍频后的基频光与倍频光相移偏移量约为π。
10.根据权利要求1所述的基于腔外双通倍频结构的激光器，其特征在于所述的倍频晶体是LBO晶体、CLBO晶体、BBO晶体、KTP晶体、周期极化晶体或准周期极化晶体。
11.一种多级腔外双通倍频结构的激光器，包括基频光纤激光器(1)以及由光束偏振分光模块、倍频晶体(6)和基频光返回模块构成双程倍频结构模块(9)，其特征在于，还包括由光功率放大器(10)、环形隔离器(11)和双程倍频结构模块(9)组成级联倍频模块(12)，所述基频光纤激光器(1)具有三端口环形隔离器，输出的基频光通过该基频光纤激光器(1)的环形隔离器的第二端口注入所述的双程倍频结构模块(9)，经过该双程倍频结构模块(9)后剩余基频光通过所述的基频光纤激光器(1)的环形隔离器的第三端口输出后，进入所述的光功率放大器(10)被放大，做为下一级倍频器的基频光光源，注入另一环形隔离器(11)，该环形隔离器(11)第二端口与所述的双程倍频结构模块(9)相连，该环形隔离器(11)第三端口与下一级级联倍频模块(12)相连，依次类推形成多级的双程倍频激光器。
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