專利名稱：窄線寬可調(diào)諧半導(dǎo)體縱向單端泵浦銣蒸氣激光光路系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種銣蒸氣激光光路系統(tǒng)，尤其是涉及一種窄線寬可調(diào)諧半導(dǎo)體縱向單端泵浦銣蒸氣激光光路系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體激光泵浦堿金屬蒸氣激光DPALs (diode-pumped alkali vopor lasers)是具有高光束質(zhì)量的高效高功率近紅外激光輸出的新型激光器件，這些近紅外激光在激光冷卻、定向能量傳輸、材料處理等方面有廣泛的應(yīng)用前景，近些年來引起了研究人員的極大興趣和深入研究，并取得了重大進(jìn)展。為了獲得穩(wěn)定高效的銣蒸氣激光輸出，除需要達(dá)到泵浦閾值功率和閾值溫度外，還需要滿足以下條件一是要有波長與銣原子D2吸收線中心波長吻合的泵浦光，將銣原子從基態(tài)泵浦到吸收線上能級，并且需要泵浦源的輸出波長無漂移無跳模；二是需要將被泵浦到吸收線上能級的銣原子快速弛豫到激光上能級，以抑制吸收線上能級到基態(tài)的自發(fā)輻射，當(dāng)原子在激光上能級聚集到一定程度后，在激光上能級和基態(tài)間形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，產(chǎn)生受激輻射，進(jìn)而產(chǎn)生銣蒸氣激光；三是要有提供激光振蕩的諧振腔，若是使用穩(wěn)定腔，則腔鏡必須保持良好的同軸，并要求腔模和耦合到銣池中的泵浦光束有良好的模式匹配；四是有精確的銣蒸氣池溫度控制，溫度控制有兩個側(cè)重點(diǎn)，其一是溫度不能超過130°C，防止銣原子與緩沖氣體的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生，其二是蒸氣池窗口溫度要比其中間溫度高5°C，避免銣蒸氣在窗口的沉積。這些條件的滿足是制約半導(dǎo)體泵浦銣蒸氣激光出光及穩(wěn)定輸出的技術(shù)難題。

發(fā)明內(nèi)容
為解決背景技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種窄線寬可調(diào)諧半導(dǎo)體縱向單端泵浦銣蒸氣激光光路系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用窄線寬可調(diào)諧的泵浦光源，將種子激光的波長精確調(diào)至銣原子的吸收中心波長780. 24nm，調(diào)波長時盡量鎖定電流模塊，這樣便于泵浦光的穩(wěn)定輸出；在銣池內(nèi)充入eOOTorr的乙烷氣體，增加銣原子從泵浦上能級到激光上能級的弛豫速率；通過在凹面全反鏡與控溫箱間加入1/4波片，將凹面全反鏡與平面輸出耦合鏡精確調(diào)至同軸，構(gòu)成穩(wěn)定的平凹諧振腔；使用可控的溫度控制方法，使銣蒸氣池窗口的溫度高于其中間5度，避免了銣蒸氣在窗口的沉積。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是
ECL801型窄線寬半導(dǎo)體激光器發(fā)出的種子激光依次經(jīng)第一隔離器、第一平面全反鏡、第一半波片、第二平面全反鏡后通過TAL100型半導(dǎo)體激光放大器放大入射至第二隔離器后，再經(jīng)第二半波片、聚焦透鏡、偏振分束鏡至溫控箱中的銣蒸氣池，銣蒸氣池中的基態(tài)銣原子吸收泵浦光后被激發(fā)到泵浦上能級，再與銣蒸氣池中的乙烷碰撞被轉(zhuǎn)移到激光上能級，產(chǎn)生銣蒸氣激光，未被吸收的泵浦光與產(chǎn)生的銣蒸氣激光傳輸至凹面全反鏡后，經(jīng)銣蒸氣池被反射至偏振分束鏡的光被分為兩路，一路為被反射的水平偏振的泵浦光，透過偏振分束鏡依次經(jīng)聚焦透鏡、第二半波片傳輸至第二隔離器處被隔離，另一路是被反射的垂直偏振的銣蒸氣激光，經(jīng)偏振分束鏡被反射至反射率為22%的平面輸出耦合鏡后至功率計(jì)以探測銣蒸氣激光功率，或放置光纖光譜儀以探測銣蒸氣激光光譜；在同一直線上的各光學(xué)元件的中心在同一光軸上。所述ECL801型Littrow結(jié)構(gòu)外腔半導(dǎo)體激光器輸出波長可調(diào)諧、線寬小于IMHz的種子激光，通過調(diào)節(jié)半導(dǎo)體激光電源中的壓電陶瓷驅(qū)動模塊，將種子激光的波長調(diào)至銣原子的吸收中心波長780. 24nm,出射種子激光的偏振狀態(tài)為水平偏振；種子激光水平出射后進(jìn)TALlOO型半導(dǎo)體激光放大器進(jìn)行功率放大，通過調(diào)節(jié)激光放大器的工作電流調(diào)節(jié)輸出泵浦光功率。所述第一平面全反鏡與第二平面全反鏡垂直，調(diào)整第一隔離器和第二隔離器的角度使隔離度>60 dB ;聚焦透鏡的焦距為15cm。所述銣蒸氣池置于溫控箱內(nèi)，銣蒸氣池中心置于聚焦透鏡的焦點(diǎn)處。所述銣蒸氣池內(nèi)充有600Torr的乙烷氣體；凹面全反鏡與平面輸出耦合鏡構(gòu)成“L”型平凹諧振腔，平凹諧振腔“L”的長度小于凹面全反鏡的焦距50cm。本發(fā)明具有的·有益效果是
本發(fā)明使用窄線寬可調(diào)諧的泵浦光源，將其波長調(diào)至銣蒸氣吸收線的中心波長，使銣蒸氣對泵浦光的單程吸收高達(dá)97%。在銣池內(nèi)充入eOOTorr的乙烷氣體，增加銣原子從泵浦上能級到激光上能級的弛豫速率，保障了銣蒸氣激光產(chǎn)生的條件。通過在凹面全反鏡與控溫箱間加入1/4波片，將凹面全反鏡與平面輸出耦合鏡精確調(diào)至同軸，構(gòu)成穩(wěn)定的平凹諧振腔。使用可控的溫度控制方法，使銣蒸氣池窗口的溫度高于其中間5度，避免了銣蒸氣在窗口的沉積，在保持最小功率損耗的同時延長了銣池的使用壽命，保證了激光的穩(wěn)定輸出。


附圖是本發(fā)明的光路圖。圖中1、ECL801型半導(dǎo)體激光器，2、第一隔離器，3、第一平面全反鏡，4、第一半波片，5、第二平面全反鏡，6、TAL100型半導(dǎo)體激光放大器，7、第二隔離器，8、第二半波片，9、聚焦透鏡，10、偏振分束鏡，11、溫控箱，12、銣蒸氣池，13、凹面全反鏡，14、反射率為22%的平面輸出耦合鏡，15、功率計(jì)。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施方式做進(jìn)一步說明。如附圖所示，ECL801型窄線寬半導(dǎo)體激光器I發(fā)出的種子激光依次經(jīng)第一隔離器
2、第一平面全反鏡3、第一半波片4、第二平面全反鏡5后通過TAL100型半導(dǎo)體激光放大器6放大入射至第二隔離器7后，再經(jīng)第二半波片8、聚焦透鏡9、偏振分束鏡10至溫控箱11中的銣蒸氣池12，銣蒸氣池12中的基態(tài)銣原子吸收泵浦光后被激發(fā)到泵浦上能級，再與銣蒸氣池12中的乙烷碰撞被轉(zhuǎn)移到激光上能級，產(chǎn)生銣蒸氣激光，未被吸收的泵浦光與產(chǎn)生的銣蒸氣激光傳輸至凹面全反鏡13后，經(jīng)銣蒸氣池12被反射至偏振分束鏡10的光被分為兩路，一路為被反射的水平偏振的泵浦光，透過偏振分束鏡10依次經(jīng)聚焦透鏡9、第二半波片8傳輸至第二隔離器7處被隔離，另一路是被反射的垂直偏振的銣蒸氣激光，經(jīng)偏振分束鏡10被反射至反射率為22%的平面輸出耦合鏡14后至功率計(jì)15以探測銣蒸氣激光功率，或放置光纖光譜儀以探測銣蒸氣激光光譜；在同一直線上的各光學(xué)元件的中心在同一光軸上。ECL801型Littrow結(jié)構(gòu)外腔半導(dǎo)體激光器I輸出波長可調(diào)諧、線寬小于IMHz的種子激光，通過調(diào)節(jié)半導(dǎo)體激光電源中的壓電陶瓷驅(qū)動模塊，將種子激光的波長調(diào)至銣原子的吸收中心波長780. 24nm,出射種子激光的偏振狀態(tài)為水平偏振；種子激光水平出射后進(jìn)TALlOO型半導(dǎo)體激光放大器6進(jìn)行功率放大，通過調(diào)節(jié)激光放大器的工作電流調(diào)節(jié)輸出泵浦光功率。第一平面全反鏡(3)與第二平面全反鏡5垂直，調(diào)整第一隔離器2和第二隔離器7的角度使隔離度>60 dB ;聚焦透鏡9的焦距為15cm。銣蒸氣池12置于溫控箱11內(nèi)，銣蒸氣池12中心置于聚焦透鏡9的焦點(diǎn)處。銣蒸氣池12內(nèi)充有600Torr的乙烷氣體；凹面全反鏡13與平面輸出耦合鏡14構(gòu)成“L”型平凹諧振腔，平凹諧振腔“L”的長度小于凹面全反鏡13的焦距50cm。本發(fā)明公開的窄線寬可調(diào)諧半導(dǎo)體縱向單端泵浦銣蒸氣激光的光路系統(tǒng)，包括可調(diào)諧半導(dǎo)體激光功率放大系統(tǒng)、光束耦合系統(tǒng)、諧振腔系統(tǒng)，其中
I)可調(diào)諧半導(dǎo)體激光功率放大系統(tǒng)包括ECL801型半導(dǎo)體激光器1，TAL100型半導(dǎo)體激光放大器6。ECL801型Littrow結(jié)構(gòu)外腔半導(dǎo)體激光器I輸出波長可調(diào)諧、線寬小于IMHz的種子激光；種子激光水平出射后經(jīng)光束耦合系統(tǒng)耦合進(jìn)TAL100型半導(dǎo)體激光放大器6進(jìn)行功率放大，通過調(diào)節(jié)激光放大器的工作電流調(diào)節(jié)輸出激光功率。2)光束耦合系統(tǒng)包括第一隔離器2，第一平面全反鏡3，第一半波片4，第二平面全反鏡5，第二隔離器7，第二半波片8，聚焦透鏡9。選擇使用的聚焦透鏡9的焦距為15cm。實(shí)驗(yàn)前將隔離器的角度調(diào)至 最佳，使隔離度>60 dB。3)諧振腔系統(tǒng)包括偏振分束鏡10，溫控箱11，銣蒸氣池12，凹面全反鏡13，反射率為22%的平面輸出耦合鏡14。銣蒸氣池12置于溫控箱11內(nèi)，銣蒸氣池12的中心置于聚焦透鏡9的焦點(diǎn)處。凹面全反鏡13置于溫控箱11右端近處以提供良好的模式匹配?？烧{(diào)諧半導(dǎo)體激光功率放大系統(tǒng)ECL801型Littrow結(jié)構(gòu)外腔半導(dǎo)體激光器利用光柵的色散選擇作用，使得激光增益中頻率很窄的一部分發(fā)射譜反饋至激光管內(nèi)，增加了出射激光模式的競爭性，使得激光更容易工作在單縱模與窄線寬狀態(tài)。波長范圍為78(T785nm，輸出激光線寬〈IMHz，無跳模調(diào)諧范圍為12GHz，輸出激光光束質(zhì)量M2〈1. 5，邊模抑制比為4(T50dB，工作溫度在2(T30°C。激光頭固定在散熱良好的熱沉上，通過調(diào)節(jié)半導(dǎo)體激光電源中的PZT (壓電陶瓷)驅(qū)動模塊，可將種子激光的波長調(diào)至銣原子的吸收中心波長780. 24nm，調(diào)波長時盡量鎖定電流模塊而只調(diào)PZT模塊，這樣便于泵浦光的穩(wěn)定輸出。出射種子激光的偏振狀態(tài)為水平偏振。TAL100型可調(diào)諧半導(dǎo)體激光放大器是利用半導(dǎo)體材料的受激輻射放大原理，實(shí)現(xiàn)相干光放大的器件，主要由半導(dǎo)體激光放大器芯片與驅(qū)動電源構(gòu)成，可對多個波長的半導(dǎo)體激光的功率進(jìn)行放大，單程最大放大倍數(shù)約為67。輸出激光線寬〈IMHz，無跳模調(diào)諧范圍為12GHz，輸出激光光束質(zhì)量M2〈l. 5，邊模抑制比為4(T50dB，工作溫度在2f25°C。激光頭固定在散熱良好的熱沉上。光束耦合系統(tǒng)包括將種子激光耦合進(jìn)半導(dǎo)體激光放大器的第一隔離器2、第一平面全反鏡3、第一半波片4、第二平面全反鏡5和將放大后的泵浦光耦合進(jìn)蒸汽池的第二隔離器7、第二半波片8、聚焦透鏡9。為防止反射的泵浦光對激光器造成損傷，在種子激光器和放大器前分別放置一個60dB的隔離器隔離反射光。為了防止機(jī)械的漂移使注入效果變差，以致放大效率降低，可以定期對第一平面全反鏡、第二平面全反鏡和第一半波片進(jìn)行優(yōu)化調(diào)節(jié)，以保持最大的耦合效率。調(diào)節(jié)第二半波片使泵浦光透過率最高。泵浦光經(jīng)聚焦透鏡聚焦以提高泵浦光的功率密度，進(jìn)而提高銣蒸氣對泵浦光的吸收效率。諧振腔系統(tǒng)偏振分束鏡反射垂直偏振s分量，但允許平行偏振P分量通過，從而分離S和P偏振光分量，對于透射光束來說，具有最高的偏振消光比為TP:TS > 1000:1，作為對比，反射光束的消光比為100:1，波長為780. 24nm的泵浦光與795nm的銣激光的偏振方向是正交的，因此偏振分束鏡能將兩者分束；控溫箱使蒸氣池兩端的溫度比中間的溫度高5度，以避免蒸氣在蒸氣池窗口的沉積，為避免緩沖氣體乙烷與銣原子的化學(xué)反應(yīng)而帶來的窗口污染和銣與乙烷的損耗，加熱最高溫度不超過130°C ;蒸氣池是2. 5cmX2. 5cm的圓柱體，窗口鍍有780. 24nm的抗反膜，池內(nèi)充有600Torr的乙烷氣體以加速泵浦上能級到激光上能級的弛豫速率；凹面全反鏡焦距為50cm，平面輸出耦合鏡的反射率為22%，兩者組成“L”型平凹諧振腔；兩腔鏡是否同軸至關(guān)重要，只有同軸，才有可能出射激光，調(diào)同軸時，在凹面全反鏡與控溫箱間加入1/4波片，780. 24nm的泵浦光第一次經(jīng)過1/4波片后被轉(zhuǎn)成橢圓偏振光，在到達(dá)凹面全反鏡被反射后第二次經(jīng)過1/4波片，由于選擇的1/4波片的光軸與橢圓偏振光的主軸并不平行，所以第二次經(jīng)過1/4波片后，被凹面全反鏡反射的泵浦光仍為橢圓偏振光，則在偏振分束鏡處橢圓偏振光的垂直分量會被反射至平面輸出耦合鏡，被平面輸出耦合鏡反射的泵浦光到達(dá)偏振分束 鏡后仍會被反射至蒸氣池，此時在偏振分束鏡與控溫箱間有3個光斑，分別為入射光斑，凹面全反鏡的反射光斑和平面輸出耦合鏡的反射光斑，將此3斑調(diào)至精確重合，則兩腔鏡即為同軸，且均與入射光同軸；平凹諧振腔“L”的長度小于凹面全反鏡的焦距。
權(quán)利要求
1.一種窄線寬可調(diào)諧半導(dǎo)體縱向單端泵浦銣蒸氣激光光路系統(tǒng)，其特征在于ECL801型窄線寬半導(dǎo)體激光器(I)發(fā)出的種子激光依次經(jīng)第一隔離器(2)、第一平面全反鏡(3)、第一半波片(4)、第二平面全反鏡(5)后通過TALlOO型半導(dǎo)體激光放大器(6)放大入射至第二隔離器(7)后，再經(jīng)第二半波片(8)、聚焦透鏡(9)、偏振分束鏡(10)至溫控箱(11)中的銣蒸氣池(12)，銣蒸氣池(12)中的基態(tài)銣原子吸收泵浦光后被激發(fā)到泵浦上能級，再與銣蒸氣池(12)中的乙烷碰撞被轉(zhuǎn)移到激光上能級，產(chǎn)生銣蒸氣激光，未被吸收的泵浦光與產(chǎn)生的銣蒸氣激光傳輸至凹面全反鏡(13)后，經(jīng)銣蒸氣池(12)被反射至偏振分束鏡(10)的光被分為兩路，一路為被反射的水平偏振的泵浦光，透過偏振分束鏡(10)依次經(jīng)聚焦透鏡(9)、第二半波片(8)傳輸至第二隔離器(7)處被隔離，另一路是被反射的垂直偏振的銣蒸氣激光，經(jīng)偏振分束鏡(10)被反射至反射率為22%的平面輸出耦合鏡(14)后至功率計(jì)(15)以探測銣蒸氣激光功率，或放置光纖光譜儀以探測銣蒸氣激光光譜；在同一直線上的各光學(xué)兀件的中心在同一光軸上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種窄線寬可調(diào)諧半導(dǎo)體縱向單端泵浦銣蒸氣激光光路系統(tǒng)，其特征在于所述ECL801型Littrow結(jié)構(gòu)外腔半導(dǎo)體激光器(I)輸出波長可調(diào)諧、線寬小于IMHz的種子激光，通過調(diào)節(jié)半導(dǎo)體激光電源中的壓電陶瓷驅(qū)動模塊，將種子激光的波長調(diào)至銣原子的吸收中心波長780. 24nm,出射種子激光的偏振狀態(tài)為水平偏振；種子激光水平出射后進(jìn)TAL100型半導(dǎo)體激光放大器(6)進(jìn)行功率放大，通過調(diào)節(jié)激光放大器的工作電流調(diào)節(jié)輸出泵浦光功率。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種窄線寬可調(diào)諧半導(dǎo)體縱向單端泵浦銣蒸氣激光光路系統(tǒng)，其特征在于所述第一平面全反鏡(3)與第二平面全反鏡(5)垂直，調(diào)整第一隔離器(2)和第二隔離器(7)的角度使隔離度>60 dB ;聚焦透鏡(9)的焦距為15cm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種窄線寬可調(diào)諧半導(dǎo)體縱向單端泵浦銣蒸氣激光光路系統(tǒng)，其特征在于所述銣蒸氣池(12)置于溫控箱(11)內(nèi)，銣蒸氣池(12)中心置于聚焦透鏡(9)的焦點(diǎn)處。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種窄線寬可調(diào)諧半導(dǎo)體縱向單端泵浦銣蒸氣激光光路系統(tǒng)，其特征在于所述銣蒸氣池(12)內(nèi)充有600Torr的乙烷氣體；凹面全反鏡(13)與平面輸出耦合鏡(14)構(gòu)成“L”型平凹諧振腔，平凹諧振腔“L”的長度小于凹面全反鏡(13)的焦距50cm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種窄線寬可調(diào)諧半導(dǎo)體縱向單端泵浦銣蒸氣激光光路系統(tǒng)。由可調(diào)諧半導(dǎo)體激光功率放大系統(tǒng)、光束耦合系統(tǒng)和諧振腔系統(tǒng)組成。使用窄線寬可調(diào)諧的泵浦光源，將其波長調(diào)至銣蒸氣吸收線的中心波長，使銣蒸氣對泵浦光的單程吸收高達(dá)97%。在銣池內(nèi)充入600Torr的乙烷氣體，增加銣原子從泵浦上能級到激光上能級的弛豫速率，保障銣蒸氣激光產(chǎn)生的條件。通過在凹面全反鏡與控溫箱間加入1/4波片，將凹面全反鏡與平面輸出耦合鏡調(diào)至同軸，構(gòu)成穩(wěn)定的平凹諧振腔。使用可控的溫度控制方法，使銣蒸氣池窗口的溫度高于其中間5度，避免了銣蒸氣在窗口的沉積，在保持最小功率損耗的同時延長了銣池的使用壽命，保證了激光的穩(wěn)定輸出。
文檔編號H01S3/22GK103036139SQ201210547469
公開日2013年4月10日 申請日期2012年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月17日
發(fā)明者楊靜, 潘佰良, 沈炳林, 楊亞男, 羅靜波, 錢愛青 申請人:浙江大學(xué)