專利名稱：單頻可調(diào)諧激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種可調(diào)諧激光器，具體是一種用兩塊電光晶體作為調(diào)諧裝置的單頻可調(diào)諧激光器。
背景技術(shù)：
單頻可調(diào)諧激光器是一種重要的光源，它在遠(yuǎn)程傳感、導(dǎo)彈跟蹤、光纖通信、高密度光學(xué)存儲等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景，引起人們的廣泛關(guān)注。
在此之前相關(guān)的研究工作有1.P.A.Schulz等人1991年在Opt.Lett上發(fā)表了題為“頻率調(diào)制的Nd:YAG激光器”的論文，該工作用LiTaO3作為調(diào)制晶體，得到最大調(diào)諧范圍為12GHz的連續(xù)可調(diào)諧激光器，激光器頻率調(diào)諧1.2GHz所用的時間為0.6ns，輸出功率為20mW。
2.J.Harrison等人1992年在IEEE Journal of Quantum Electronics上發(fā)表了用標(biāo)準(zhǔn)具和壓電陶瓷配合調(diào)諧的單頻激光器，利用改變標(biāo)準(zhǔn)具與光線夾角的辦法寬范圍、非連續(xù)的調(diào)節(jié)激光器的頻率，利用壓電陶瓷調(diào)節(jié)激光器腔長的辦法連續(xù)調(diào)節(jié)激光器的頻率。該激光器利用標(biāo)準(zhǔn)具可以得到的最大調(diào)諧范圍為50GHz、所用時間為5ms、激光器的最大輸出功率為640mW。
3.張靖等人2002年在中國激光上發(fā)表了題為“全固化單頻Nd:YVO4可調(diào)諧激光器”的論文。用和上述第二篇文章類似的調(diào)諧方法獲得單頻激光器的最大調(diào)諧范圍約100GHz。
上述第一篇文章中，在裝有激光晶體的兩鏡駐波腔中放入電光晶體LiTaO3實現(xiàn)調(diào)諧。利用給LiTaO3晶體加電壓時，諧振腔中光程的改變實現(xiàn)調(diào)諧。它的最大調(diào)諧范圍是諧振腔決定的縱模間隔，要增大調(diào)諧范圍，就要縮短激光腔長。如果要得到100GHz的調(diào)諧范圍，激光器的腔長需小于1.5mm。因此，該類激光器的調(diào)諧范圍相對較窄，而且該類激光器是利用一個端面鍍有腔鏡的微片增益介質(zhì)來獲得單頻激光輸出的，激光器的輸出功率較低。第二篇和第三篇文章使用可調(diào)節(jié)角度的標(biāo)準(zhǔn)具和裝有壓電陶瓷的腔鏡一起連續(xù)調(diào)節(jié)激光器的頻率。其中，標(biāo)準(zhǔn)具需要裝在可以調(diào)節(jié)的底座上，不僅使激光器的可靠性降低，而且容易引起諧振腔失諧；通常壓電陶瓷的位移量與所加電壓不成線性關(guān)系，在不同電壓下，調(diào)諧靈敏度不同；二者在調(diào)整過程中都有機(jī)械運(yùn)動，固有的慣性使這種方式不能夠獲得快速頻率調(diào)諧，所用的調(diào)諧時間在毫秒量級。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種調(diào)諧速度和精度較高，調(diào)諧范圍較寬，輸出功率較高，可靠性好的單頻可調(diào)諧激光器。
本發(fā)明設(shè)計的一種單頻可調(diào)諧激光器，包括激光增益介質(zhì)5、激光諧振腔、泵浦源6、使激光器單頻運(yùn)轉(zhuǎn)的裝置及激光調(diào)諧裝置，其特征在于所述的激光調(diào)諧裝置是由分別固定在諧振腔內(nèi)的一塊起標(biāo)準(zhǔn)具作用的電光晶體1和另一塊用于微調(diào)諧振腔腔長電光晶體2構(gòu)成，在電光晶體1的相對的兩個側(cè)面覆蓋電極3，在電光晶體2的相對的兩個側(cè)面覆蓋電極4。本發(fā)明利用兩塊電光晶體分別寬范圍、非連續(xù)和連續(xù)調(diào)節(jié)激光器的頻率；用電子調(diào)節(jié)取代了機(jī)械調(diào)節(jié)，用固定的光學(xué)元件取代活動光學(xué)元件，從而實現(xiàn)高調(diào)諧速度、高調(diào)諧精度、寬調(diào)諧范圍、高輸出功率和高可靠性的單頻可調(diào)諧激光器。
所述的電光晶體1是加工成通光面相互平行的光學(xué)晶體薄片。以LiNbO3晶體為例，沿光軸方向(Z方向)切割晶體，使電場方向和光的偏振方向與光軸方向平行(光線在晶體中為非常光)，通光方向為X方向(或Y方向)，當(dāng)沿光軸方向給晶體施加電壓時，晶體折射率的改變?yōu)?amp;Delta;ne=-ne3r33V/2l]]>(V是加在晶體上的電壓)，與加在晶體上的電壓成正比，其結(jié)果是標(biāo)準(zhǔn)具對各種頻率激光的損耗的改變。標(biāo)準(zhǔn)具通過對不同頻率光損耗的改變來實現(xiàn)選模。標(biāo)準(zhǔn)具的自由光譜區(qū)越大，實際可達(dá)到的調(diào)諧范圍越寬。如果取標(biāo)準(zhǔn)具通光方向的長度為0.5mm，標(biāo)準(zhǔn)具的自由光譜區(qū)等于140GHz，當(dāng)加在電極上的電壓V＝4000V，電極之間的距離l＝1mm，得到Δne＝1.08×10-3，由于Δn/n＝Δv/v，對1064nm光，v＝2.82×105GHz，頻率的改變Δv≈120GHz。標(biāo)準(zhǔn)具的自由光譜區(qū)就是激光器的最大調(diào)諧范圍，在確定標(biāo)準(zhǔn)具的激光器中，調(diào)諧的大小與電極上電壓的大小和電極之間的距離有關(guān)。標(biāo)準(zhǔn)具的通光面可以鍍指標(biāo)不同的反射膜，反射率高時，易于選模；反射率低時，調(diào)諧過程對輸出功率的影響較小。
所述的電光晶體2是通光面不平行的光學(xué)晶體或者是以布儒斯特角放置在光路中的光學(xué)晶體。目的是克服電光晶體2的標(biāo)準(zhǔn)具效應(yīng)。電光晶體2折射率的改變使激光腔內(nèi)的光程發(fā)生變化，來達(dá)到連續(xù)調(diào)諧目的。實際中可以根據(jù)選用晶體的電光系數(shù)張量和精度等因素來決定晶體2的切割方式，如晶體2能用和晶體1相同的切割方式。晶體2通光方向的長度決定調(diào)諧精度和調(diào)諧所需電壓的大小。此外，調(diào)諧所需電壓的大小還與電極之間的距離有關(guān)。如實施例1中，所用諧振腔的總長度為350mm，由它決定的縱模間隔等于860MHz，頻率連續(xù)調(diào)諧的范圍等于諧振腔的縱模間隔即可。諧振腔長的改變ΔL與諧振腔縱模頻率間隔Δv1滿足ΔL/L＝Δv1/v時，頻率調(diào)諧范圍等于諧振腔的縱模間隔，要得到860MHz的頻率調(diào)諧范圍，ΔL應(yīng)等于1.05×10-6。如取兩電極之間的距離為1mm，兩通光面的距離為4mm。則給電極施加640V電壓即可得到860MHz的調(diào)諧范圍。如果所用電壓源的最小分辨率為1V，本實例可得到小于1MHz的頻率調(diào)諧精度。為了得到高的頻率穩(wěn)定性，我們可以在激光器外圍加反饋控制電路，在激光器輸出端取出的誤差信號經(jīng)反饋電路加到LiNbO3晶體的電極上，主動穩(wěn)定激光器的頻率。
電光調(diào)制器的最高調(diào)制頻率fm等于 (L為電光晶體通光方向的長度)，若取長度L＝1cm的晶體，理論上最高調(diào)諧速度可達(dá)10GHz量級。
所述的增益介質(zhì)5是固體增益介質(zhì)、氣體增益介質(zhì)或液體增益介質(zhì)。此調(diào)諧裝置可以在增益介質(zhì)的增益發(fā)射帶寬內(nèi)進(jìn)行調(diào)諧，不受增益介質(zhì)存在狀態(tài)的限制。
所述的固體增益介質(zhì)是Nd:YVO4、Nd:YAG、Nd:YLF、Nd:YAP或Ti:Sapphire。當(dāng)增益介質(zhì)是各向同性晶體的激光器中，如實施例3所示，需用起偏器使受激發(fā)射產(chǎn)生的自然光變成線偏振光，才能用光學(xué)單向器實現(xiàn)單頻運(yùn)轉(zhuǎn)。
所述的泵浦源6是激光二極管或閃光燈。所述的泵浦源6的泵浦方式是端面泵浦或側(cè)面泵浦。此調(diào)諧裝置的使用不受激光器泵浦方式的限制。
所述的使激光器單頻運(yùn)轉(zhuǎn)的裝置是光學(xué)單向器或標(biāo)準(zhǔn)具。實施例1、2、3中，使激光器單頻運(yùn)轉(zhuǎn)的裝置的是光學(xué)單向器，在實施例4中，調(diào)諧用的標(biāo)準(zhǔn)具兼有選模功能。
所述的電光晶體1、2的材料是LiNbO3、LiTaO3或KTP。不同的電光晶體有不同的電光系數(shù)張量，可以根據(jù)要實現(xiàn)的調(diào)諧指標(biāo)選用合適的電光晶體和電光晶體的切割方式。
本發(fā)明設(shè)計的單頻可調(diào)諧激光器與已報道的同類激光器相比有以下優(yōu)點1.激光腔內(nèi)元件都處于緊固狀態(tài)，通過控制外圍電路來控制激光器的工作狀態(tài)，與機(jī)械調(diào)諧裝置相比不僅簡化了調(diào)諧控制部分的設(shè)計，還改善了激光器系統(tǒng)的可靠性和重復(fù)性，而且避免了機(jī)械調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)具進(jìn)行頻率調(diào)諧引起的腔的失諧問題。
2.用改變外加電壓進(jìn)行頻率調(diào)諧克服了機(jī)械調(diào)諧過程中慣性帶來的調(diào)諧速度瓶頸，大大提高了激光器的調(diào)諧速度。
3.LiNbO3晶體折射率的改變與所加電壓呈線性變化關(guān)系，能夠得到一致的調(diào)諧靈敏度。
4.這種裝置可以在諧振腔結(jié)構(gòu)、激光器增益介質(zhì)、泵浦方式均不受限制的激光器中進(jìn)行頻率調(diào)諧。因此，激光器的輸出功率不受限制，可以實現(xiàn)高功率輸出。
總之，本發(fā)明用電光晶體做成的標(biāo)準(zhǔn)具和腔長調(diào)節(jié)裝置同時具備高調(diào)諧速度、寬調(diào)諧范圍、高調(diào)諧精度、高輸出功率幾項指標(biāo)，具有極高的應(yīng)用價值。


圖1是電光晶體1切割方式示意2是電光晶體2以布儒斯特角切割方式示意3是激光二極管端面泵浦的“8”字型腔單頻可調(diào)諧激光器圖4是閃光燈側(cè)面泵浦的三鏡環(huán)行腔單頻可調(diào)諧激光器圖5是激光二極管側(cè)面泵浦的六鏡環(huán)行腔單頻可調(diào)諧激光器圖6是激光二極管端面泵浦的單頻可調(diào)諧激光器具體實施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說明圖1是電光晶體1可以選擇的一種切割方式，電光晶體103沿光軸105方向切割，光束傳播的方向104與晶體x方向106平行，電極102所加電場的方向與光軸105方向平行，光束的偏振方向101平行與光軸105方向。折射率的改變與所加的電壓成正比。
圖2是電光晶體2以布儒斯特角放置時一種可以選擇的切割方式，電極202所加電場的方向與光軸205方向平行，光束偏振方向201在x-y平面內(nèi)且與光傳播方向203垂直，電光晶體204沿與光軸205成一定角度的方向切割，光束以布儒斯特角入射和出射晶體，光在晶體中沿x方向207傳播，光束的入射面與x方向207和y方向206構(gòu)成的平面成一定角度。
實施例實施例1.如圖3所示，泵浦源6發(fā)出的光經(jīng)整形聚焦系統(tǒng)入射到放置在“8”字形諧振腔中的增益介質(zhì)5上，泵浦源6發(fā)射光的中心波長與增益介質(zhì)5的吸收帶重合。諧振腔由兩個平面鏡10，11和兩個凹面鏡12，13一起構(gòu)成，平面鏡11對振蕩激光的透射率為4％，兩個凹面鏡12，13對振蕩激光波長光全反射，平面鏡10同時滿足對泵浦光增透和對振蕩激光全反射。增益介質(zhì)5使用各向異性晶體，如Nd:YVO4，Nd:YAP，Ti:Sapphire等，兩個通光面之間成1°的斜角(消除標(biāo)準(zhǔn)具效應(yīng))。腔內(nèi)的法拉第旋轉(zhuǎn)器7和二分之一波片8一起組成的光學(xué)單向器使激光器單頻運(yùn)轉(zhuǎn)。表面覆蓋有電極3的電光晶體1置于增益介質(zhì)和法拉第旋轉(zhuǎn)器之間。表面覆蓋有電極4的電光晶體2放置在兩個凹面鏡之間。電光晶體1，2均選用LiNbO3晶體，晶體表面對振蕩激光的反射率為13.4％，因此，電光晶體1沒有鍍膜。
實施例2.如圖4所示，放置在聚光腔中泵浦源6泵浦放置在聚光腔中的增益介質(zhì)5，增益介質(zhì)5放置在三鏡環(huán)行諧振腔光路中，諧振腔由兩個平面鏡10，11和一個凹面鏡12一起構(gòu)成，平面鏡10和凹面鏡12鍍有振蕩激光全反射、泵浦光增透膜，平面鏡11是輸出鏡，鍍有振蕩激光定點反射膜。增益介質(zhì)5使用各向異性晶體，如Nd:YVO4，Nd:YAP，Ti:Sapphire等，它的兩個通光面應(yīng)成一定角度(消除標(biāo)準(zhǔn)具效應(yīng))。腔內(nèi)的法拉第旋轉(zhuǎn)器7和二分之一波片8一起組成的光學(xué)單向器使激光器單頻運(yùn)轉(zhuǎn)。表面覆蓋有電極3的電光晶體1置于平面鏡10和凹面鏡12之間。表面覆蓋有電極4的電光晶體2置于平面鏡11和凹面鏡12之間。
實施例3.如圖5所示，泵浦源6發(fā)出的光經(jīng)整形聚焦系統(tǒng)入射到放置在六鏡環(huán)行諧振腔中的增益介質(zhì)5上，泵浦源6發(fā)射光的中心波長與增益介質(zhì)5的吸收帶重合。諧振腔由兩個平面鏡10，11，14，15和兩個凹面鏡12，13一起構(gòu)成，平面鏡10，11，14，15和凹面鏡12鍍有振蕩激光全反射膜，凹面鏡13是輸出鏡，鍍有振蕩激光定點反射膜。增益介質(zhì)5可以使用各向同性晶體，如Nd:YAG，He-Ne氣體等它的兩個通光面應(yīng)成一定角度(消除標(biāo)準(zhǔn)具效應(yīng))。布儒斯特窗片9作為起偏器使用，腔內(nèi)的法拉第旋轉(zhuǎn)器7和二分之一波片8一起組成的光學(xué)單向器使激光器單頻運(yùn)轉(zhuǎn)。表面覆蓋有電極3的電光晶體1置于平面鏡14和腔鏡10之間。表面覆蓋有電極4的電光晶體2置于兩個凹面鏡12，13之間。電光晶體2的兩通光面應(yīng)成一定角度或以布儒斯特角放入腔中。
實施例4.如圖6所示，泵浦源6發(fā)出的光經(jīng)整形聚焦系統(tǒng)入射到增益介質(zhì)5上，增益介質(zhì)5使用各向異性晶體，如Nd:YVO4，Nd:YAP，Ti:Sapphire等，泵浦源6發(fā)射光的中心波長與增益介質(zhì)5的吸收帶重合。增益介質(zhì)5的前表面鍍振蕩激光全反膜，和腔鏡10一起構(gòu)成振蕩激光的諧振腔。增益介質(zhì)5的前表面需同時滿足對泵浦光增透，以利于提高耦合效率，在這個實施例中，電光晶體1兼作使激光器單頻運(yùn)轉(zhuǎn)的裝置。腔內(nèi)放置表面覆蓋有電極3的電光晶體1和表面覆蓋有電極4的電光晶體2，電光晶體2以布儒斯特角放置在諧振腔中，晶體的切割方式可以參考圖2。
本發(fā)明的核心是同時用兩塊電光晶體實現(xiàn)的調(diào)諧裝置，一塊晶體用來粗調(diào)，另一塊晶體用來細(xì)調(diào)，凡是用兩種功能的電光晶體放置在諧振腔中構(gòu)成的可調(diào)諧激光器均屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。以上列舉的實施例僅僅是典型。不難看出，由各種不同激光器結(jié)構(gòu)、電光晶體類型和切割方式的組合，其實施方式還有很多。
權(quán)利要求
1.一種單頻可調(diào)諧激光器，包括激光增益介質(zhì)(5)、激光諧振腔、泵浦源(6)、使激光器單頻運(yùn)轉(zhuǎn)的裝置及激光調(diào)諧裝置，其特征在于所述的激光調(diào)諧裝置是由分別固定在諧振腔內(nèi)的一塊起標(biāo)準(zhǔn)具作用的電光晶體(1)和另一塊用于微調(diào)諧振腔腔長電光晶體(2)構(gòu)成，在電光晶體(1)的相對的兩個側(cè)面覆蓋電極(3)，在電光晶體(2)的相對的兩個側(cè)面覆蓋電極(4)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單頻可調(diào)諧激光器，其特征在于所述的電光晶體(1)是加工成通光面相互平行的光學(xué)晶體薄片。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單頻可調(diào)諧激光器，其特征在于所述的電光晶體(2)是通光面不平行的光學(xué)晶體或者是以布儒斯特角放置在光路中的光學(xué)晶體。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單頻可調(diào)諧激光器，其特征在于所述的增益介質(zhì)(5)是固體增益介質(zhì)、氣體增益介質(zhì)或液體增益介質(zhì)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的單頻可調(diào)諧激光器，其特征在于所述的固體增益介質(zhì)是Nd:YVO4、Nd:YAG、Nd:YLF、Nd:YAP或Ti:Sapphire。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單頻可調(diào)諧激光器，其特征在于所述的泵浦源(6)是激光二極管或閃光燈。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單頻可調(diào)諧激光器，其特征在于所述的泵浦源(6)的泵浦方式是端面泵浦或側(cè)面泵浦。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單頻可調(diào)諧激光器，其特征在于所述的使激光器單頻運(yùn)轉(zhuǎn)的裝置是光學(xué)單向器或標(biāo)準(zhǔn)具。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單頻可調(diào)諧激光器，其特征在于所述的電光晶體(1)、(2)的材料是LiNbO3、LiTaO3或KTP。
全文摘要
一種單頻可調(diào)諧激光器，包括激光增益介質(zhì)(5)、激光諧振腔、泵浦源(6)、使激光器單頻運(yùn)轉(zhuǎn)的裝置及激光調(diào)諧裝置，其特征在于所述的激光調(diào)諧裝置是由分別固定在諧振腔內(nèi)的一塊起標(biāo)準(zhǔn)具作用的電光晶體(1)和另一塊用于微調(diào)諧振腔腔長電光晶體(2)構(gòu)成，在電光晶體(1)的相對的兩個側(cè)面覆蓋電極(3)，在電光晶體(2)的相對的兩個側(cè)面覆蓋電極(4)。本發(fā)明利用兩塊電光晶體分別寬范圍、非連續(xù)和連續(xù)調(diào)節(jié)激光器的頻率；用電子調(diào)節(jié)取代了機(jī)械調(diào)節(jié)，用固定的光學(xué)元件取代活動光學(xué)元件，從而實現(xiàn)高調(diào)諧速度、高調(diào)諧精度、寬調(diào)諧范圍、高輸出功率和高可靠性的單頻可調(diào)諧激光器。
文檔編號H01S3/09GK1770574SQ20051001283
公開日2006年5月10日 申請日期2005年9月16日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月16日
發(fā)明者鄭耀輝, 張寬收, 顧世杰, 李鳳琴, 彭堃墀 申請人:山西大學(xué)