高功率內(nèi)腔倍頻單頻激光器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及單頻激光器，具體屬于一種能實(shí)現(xiàn)高功率輸出的內(nèi)腔倍頻單頻激光器。
【背景技術(shù)】
[0002]全固態(tài)內(nèi)腔倍頻單頻激光器因其能獲得較高的輸出功率、較好的光束質(zhì)量、較低的強(qiáng)度噪聲等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于量子光學(xué)、量子通訊、全息攝影、超精細(xì)光譜和冷原子物理等領(lǐng)域。目前已有多種方法可實(shí)現(xiàn)激光器的單頻運(yùn)轉(zhuǎn)，例如扭轉(zhuǎn)模腔、短諧振腔、標(biāo)準(zhǔn)具選模及雙折射濾光片選模。但是要想獲得高輸出功率的全固態(tài)連續(xù)內(nèi)腔倍頻單頻激光器，通常采用包含有光學(xué)單向器的環(huán)形諧振腔，通過(guò)消除空間燒孔效應(yīng)進(jìn)行選模，最終使激光器穩(wěn)定地單頻運(yùn)轉(zhuǎn)。光學(xué)單向器包含有法拉第旋轉(zhuǎn)器和半波片，而法拉第旋轉(zhuǎn)器則由永磁體和置于其通光孔徑內(nèi)的磁光介質(zhì)組成。很多光學(xué)玻璃可以用作磁光介質(zhì)，如Tb-10、Tb-12、Tb-15等。但相對(duì)于其他的磁光介質(zhì)，單晶TGG(Terbium Gallium Garnet)因在可見(jiàn)光到近紅外波段具有較高的Verdet常數(shù)、良好的導(dǎo)熱性、較低的透射損耗以及較高的抗激光損傷閾值等優(yōu)點(diǎn)，從而成為制作法拉第旋轉(zhuǎn)器和隔離器的最佳磁光材料。
[0003]TGG晶體因其對(duì)腔內(nèi)激光的吸收系數(shù)遠(yuǎn)小于激光晶體對(duì)泵浦光的吸收系數(shù)，所以它的熱透鏡效應(yīng)對(duì)激光器的影響并未得到充分重視。然而在高功率內(nèi)腔倍頻的單頻激光器的研制中，為了使諧振腔內(nèi)基頻光的功率密度最大，諧振腔腔鏡均需要鍍有對(duì)基頻光高反的膜。從而使得腔內(nèi)基頻光的功率高達(dá)數(shù)百瓦甚至上千瓦，并且基模光束在TGG晶體中的束腰又很小，約為0.5mm,即使TGG晶體對(duì)基頻光的吸收系數(shù)較小，但產(chǎn)生的熱效應(yīng)同樣是不可忽略的。TGG晶體對(duì)腔內(nèi)激光的吸收導(dǎo)致其橫截面上出現(xiàn)不均勻的溫度分布，從而產(chǎn)生三種對(duì)激光器性能有影響的物理效應(yīng):熱透鏡，熱致雙折射和Verdet常數(shù)隨溫度變化導(dǎo)致的偏振旋轉(zhuǎn)角度的不均勻。前者會(huì)導(dǎo)致腔模光束畸變，后兩者會(huì)導(dǎo)致法拉第旋轉(zhuǎn)角度的變化進(jìn)而影響隔離比，從而使得激光器不能單向運(yùn)轉(zhuǎn)，最終影響了激光器的單頻運(yùn)轉(zhuǎn)特性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明目的在于克服TGG晶體的熱效應(yīng)對(duì)單頻內(nèi)腔倍頻激光器的不利影響，提供一種調(diào)試和操作簡(jiǎn)單，便于實(shí)現(xiàn)而且能獲得高功率輸出的全固態(tài)連續(xù)單頻內(nèi)腔倍頻激光器。該激光器在保證高輸出功率的基礎(chǔ)上，運(yùn)轉(zhuǎn)更加穩(wěn)定。
[0005]本發(fā)明所提供的一種高功率內(nèi)腔倍頻單頻激光器，包括泵浦源、增益晶體、環(huán)形諧振腔、單向器以及倍頻晶體；所述的環(huán)形諧振腔的第一平凹鏡鍍有對(duì)基頻光有一定透射率而對(duì)倍頻光高透的膜，以在保證倍頻光功率的前提下，拓寬穩(wěn)區(qū)從而獲得平滑的輸出功率曲線。所述的第一平凹鏡一方面組成了激光器的諧振腔，另一方面通過(guò)鍍膜可以調(diào)控激光器的腔內(nèi)功率密度進(jìn)而調(diào)控組成單向器的TGG晶體的熱透鏡效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)激光器的高效高功率的單頻運(yùn)轉(zhuǎn)。
[0006]所述的光學(xué)單向器是由外加磁場(chǎng)的磁致旋光晶體和半波片組成；所述的磁致旋光晶體是TGG晶體。所述的環(huán)形諧振腔是單向運(yùn)行的行波腔。
[0007]所述的泵浦源的泵浦方式是端面泵浦。
[0008]所述的泵浦源的數(shù)量為I個(gè)或I個(gè)以上。
[0009]所述的泵浦源的泵浦功率大于50W。
[0010]本發(fā)明利用對(duì)基頻光鍍有一定透射率膜的平凹腔鏡，可以有效操控單頻高功率激光器的腔內(nèi)功率密度，進(jìn)而調(diào)控組成單向器的TGG晶體因吸收腔內(nèi)基頻光而導(dǎo)致的熱透鏡效應(yīng)，最終擴(kuò)大激光器的工作穩(wěn)區(qū)，使激光器工作在較寬的熱不靈敏區(qū)域，從而獲得高穩(wěn)定度的高效高功率單頻腔內(nèi)倍頻激光器。例如，在通常情況下，第一平凹鏡鍍有對(duì)基頻光高反而對(duì)倍頻光高透的膜，在泵浦功率為80W時(shí)，激光器諧振腔腔內(nèi)的功率密度在TGG晶體處可達(dá)567W/mm2，TGG晶體對(duì)1064nm激光的吸收系數(shù)為0.002/cm，這樣導(dǎo)致的TGG晶體的熱透鏡焦距為408mm ;而當(dāng)輸出耦合鏡對(duì)基頻光的透射率為2%時(shí)，激光器諧振腔腔內(nèi)的功率密度在TGG晶體處只有505W/mm2，這樣導(dǎo)致的TGG晶體的熱透鏡焦距為458mm。也就是說(shuō)，通過(guò)操控輸出耦合鏡的透射率可有效操控激光器諧振腔的腔內(nèi)功率密度進(jìn)而改善TGG晶體因吸收腔內(nèi)基頻光而導(dǎo)致的熱透鏡效應(yīng)，最終改善激光器的單頻運(yùn)轉(zhuǎn)特性，從而獲得高效高功率單頻腔內(nèi)倍頻激光器。
[0011]本發(fā)明所設(shè)計(jì)的高功率內(nèi)腔倍頻單頻激光器與已報(bào)道的同類激光器相比較有以下優(yōu)點(diǎn):
[0012]1、通過(guò)在輸出耦合鏡上鍍有對(duì)基頻光有一定透射率的膜，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)激光器諧振腔內(nèi)的功率密度進(jìn)行操控，進(jìn)而減小TGG晶體的熱透鏡效應(yīng)，最終實(shí)現(xiàn)激光器高效穩(wěn)定的單頻運(yùn)轉(zhuǎn)。
[0013]2、通過(guò)在輸出耦合鏡上鍍有對(duì)基頻光有一定透射率的膜，可以獲得一種單頻運(yùn)轉(zhuǎn)的雙波長(zhǎng)激光器，滿足不同用戶的需求。
[0014]3、在輸出耦合鏡上鍍有對(duì)基頻光有一定透射率的膜，可以增加激光器的線性損耗，在線性損耗和非線性損耗的共同作用下，激光器更容易獲得單頻運(yùn)轉(zhuǎn)。
[0015]總之，本發(fā)明通過(guò)采用對(duì)基頻光鍍有一定透射率膜的輸出耦合鏡獲得了能單頻運(yùn)轉(zhuǎn)的高功率內(nèi)腔倍頻激光器。該激光器具有輸出功率高，單頻運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定以及雙波長(zhǎng)輸出等特點(diǎn)，因而在實(shí)際使用中具有極高的應(yīng)用價(jià)值。
【附圖說(shuō)明】
[0016]圖1本發(fā)明的一種高功率內(nèi)腔倍頻單頻激光器光路圖，圖中:1-第一平凹鏡，2-第二平凹鏡，3-平凸鏡，4-凹凸鏡，5-泵浦源，6-增益晶體，7-TGG晶體，8-半波片，9-倍頻晶體。
[0017]圖2不同透射率下TGG晶體的熱透鏡焦距。
[0018]圖3不同透射率下激光器的輸出功率曲線，圖中:(1)_第一平凹鏡I對(duì)基頻光鍍有透射率為2%膜時(shí)，激光器的輸出功率，(2)-第一平凹鏡I對(duì)基頻光鍍有高反膜時(shí)，激光器的輸出功率。
【具體實(shí)施方式】
[0019]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明:
[0020]圖1為本發(fā)明所設(shè)計(jì)的一種高功率內(nèi)腔倍頻單頻激光器，包括泵浦源5、增益晶體6、環(huán)形諧振腔、單向器以及倍頻晶體9。泵浦源5發(fā)射的激光中心波長(zhǎng)為888nm，光纖芯徑為400 μ m，數(shù)值孔徑為0.22，最大輸出功率為80W。采用888nm的泵浦光，一方面可以降低量子虧損產(chǎn)生的熱，另一方面增益晶體6對(duì)其非偏振吸收的特性可以改善激光器工作的穩(wěn)定性。諧振腔采用四鏡環(huán)形諧振腔結(jié)構(gòu)，由一個(gè)凹凸鏡4，一個(gè)平凸鏡3，兩個(gè)平凹鏡組成(第一平凹鏡I和第二平凹鏡2)構(gòu)成。凹凸鏡4的曲率半徑為1500mm，鍍有對(duì)泵浦光減反和對(duì)振蕩光高反膜；平凸鏡3凸面的曲率半徑也為1500nm，鍍有對(duì)振蕩光高反膜；和第二平凹鏡2的凹面曲率半徑均為-100mm。其中第二平凹鏡2鍍有對(duì)振蕩光高反膜。第一平凹鏡I所鍍的膜對(duì)基頻振蕩光的透射率為2%，而對(duì)倍頻光高透。第一平凹鏡I所鍍的膜對(duì)基頻振蕩光的透射率為2%，一方面便于確定激光器的腔內(nèi)功率密度，另一方面可有效緩解TGG晶體7的熱效應(yīng)。增益晶體6為α切割的3mmX3mmX(3+20)mm的YV04+Nd:YV04g合晶體，前段3mm為非摻雜的YVO4基質(zhì)，后段20mm為摻雜濃度為0.8%的Nd = YVO 4，采用復(fù)合晶體是為了緩解增益晶體6的端面熱效應(yīng)。增益晶體6的后端面切成1.5°的楔角，可以起到偏振分束器的作用，在不同偏振方向的模式競(jìng)爭(zhēng)中，保證π偏振光優(yōu)先于σ偏振光在腔內(nèi)起振，以保證基模偏振狀態(tài)的穩(wěn)定。增益晶體6的c軸水平放置，可以使增益晶體6的熱像散和激光諧振腔由于腔鏡離軸放置而導(dǎo)致的像散實(shí)現(xiàn)相互補(bǔ)償。增益晶體6由銦箔包裹置于紫銅控溫爐中，控溫精度為0.01°C。為保持激光器的單向運(yùn)轉(zhuǎn)，腔內(nèi)插入由永磁體包裹的TGG晶體7和半波片8組成的單向器。倍頻晶體9為3mmX 3mmX 20mm的LB0，采用I類非臨界相位匹配，相位匹配溫度為148°C，置于紫銅控溫爐中，控溫精度為0.1°C。倍頻晶體9位于第一平凹鏡I和第二平凹鏡2之間的基模束腰處，以保證較高的倍頻效率。
[0021]圖2給出了不同透射率下，TGG晶體7的熱透鏡焦距曲線。在泵浦源5的泵浦功率為80W時(shí)，當(dāng)?shù)谝黄桨肩RI鍍有對(duì)基頻光高反膜時(shí)，TGG晶體7的熱透鏡焦距為408mm，而當(dāng)?shù)谝黄桨肩RI鍍有對(duì)基頻光的透射率為2%時(shí)，TGG晶體7的熱透鏡焦距為458mm?？梢钥闯?，通過(guò)采用對(duì)基頻光鍍有一定透射率的第一平凹鏡1，可有效緩解TGG晶體7的熱透鏡效應(yīng)。
[0022]圖3給出了第一平凹鏡I對(duì)基頻光分別鍍有高反膜和透射率為2%膜時(shí)的激光器輸出功率曲線。其中:(I)為第一平凹鏡I對(duì)基頻光鍍有透射率為2%膜時(shí)，激光器的輸出功率；(2)為第一平凹鏡I對(duì)基頻光鍍有高反膜時(shí)，激光器的輸出功率?？梢钥闯觯?dāng)?shù)谝黄桨肩RI對(duì)基頻光鍍有透射率為2%膜時(shí)，激光器的輸出功率隨泵浦源5的泵浦功率的變化而緩慢變化；而當(dāng)?shù)谝黄桨肩RI對(duì)基頻光鍍有高反膜時(shí)，激光器的輸出功率在泵浦源5的泵浦功率變化到某個(gè)值時(shí)會(huì)有突然的跳躍，這主要是TGG晶體7的熱透鏡效應(yīng)對(duì)激光器穩(wěn)區(qū)的影響較大而導(dǎo)致的。在激光器達(dá)到最佳工作狀態(tài)時(shí)，激光器的輸出功率并沒(méi)有太大區(qū)別。也就是說(shuō)，通過(guò)對(duì)采用對(duì)基頻光鍍有一定透射率的第一平凹鏡I，可有效控制TGG晶體7的熱透鏡效應(yīng)，進(jìn)而減小TGG晶體7的熱透鏡效應(yīng)對(duì)激光器輸出性能的影響，最終獲得高效高功率的連續(xù)單頻腔內(nèi)倍頻激光器。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種高功率內(nèi)腔倍頻單頻激光器，包括泵浦源(5)、增益晶體￠)、環(huán)形諧振腔、單向器和倍頻晶體(9);其特征在于，所述的環(huán)形諧振腔的第一平凹鏡(I)鍍有對(duì)基頻光有一定透射率而對(duì)倍頻光高透的膜，以在保證倍頻光功率的前提下，拓寬穩(wěn)區(qū)從而獲得平滑的輸出功率曲線。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高功率內(nèi)腔倍頻單頻激光器，其特征在于所述的單向器是由外加磁場(chǎng)的磁致旋光晶體(7)和半波片(8)組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高功率內(nèi)腔倍頻單頻激光器，其特征在所述的磁致旋光晶體(7)是TGG晶體。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高功率內(nèi)腔倍頻單頻激光器，其特征在于所述的泵浦源(5)的泵浦方式是端面泵浦。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高功率內(nèi)腔倍頻單頻激光器，其特征在于所述的泵浦源(5)的數(shù)量為I個(gè)或I個(gè)以上。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高功率內(nèi)腔倍頻單頻激光器，其特征在于所述的泵浦源(5)的泵浦功率大于50W。
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種高功率內(nèi)腔倍頻單頻激光器，包括泵浦源(5)、增益晶體(6)、環(huán)形諧振腔、單向器以及倍頻晶體(9)；其中，構(gòu)成環(huán)形諧振腔的第一平凹鏡(1)鍍有對(duì)基頻光有一定透射率而對(duì)倍頻光高透的膜，所述的第一平凹鏡(1)一方面組成了激光器的諧振腔，另一方面通過(guò)鍍膜可以調(diào)控激光器的腔內(nèi)功率密度進(jìn)而調(diào)控組成單向器的TGG晶體(7)的熱透鏡效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)激光器高效高功率的單頻運(yùn)轉(zhuǎn)。發(fā)明使激光器在不影響激光器輸出功率的基礎(chǔ)上減小了TGG晶體(7)熱透鏡效應(yīng)對(duì)激光器的影響，使得激光器能獲得高輸出功率的基礎(chǔ)上，運(yùn)轉(zhuǎn)更加穩(wěn)定。
【IPC分類】H01S3-10, H01S3-109
【公開(kāi)號(hào)】CN104577695
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510040593
【發(fā)明人】盧華東, 尹祺巍, 彭堃墀
【申請(qǐng)人】山西大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年4月29日
【申請(qǐng)日】2015年1月27日