專利名稱：多波長(zhǎng)同時(shí)輸出全固態(tài)可調(diào)諧激光光源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種激光光源，尤其涉及一種多波長(zhǎng)同時(shí)輸出全固態(tài)可調(diào)諧激光光源。
背景技術(shù)：
目前的可調(diào)諧光源多為單波長(zhǎng)、雙波長(zhǎng)或?qū)捵V帶運(yùn)轉(zhuǎn)，但是，在光通訊、光動(dòng)力學(xué)醫(yī)療、光計(jì)算、非線性頻率變換、軍事對(duì)抗、環(huán)境監(jiān)測(cè)、激光遙感、激光雷達(dá)及光譜學(xué)研究等許多重要領(lǐng)域，往往希望一臺(tái)激光器能夠同時(shí)輸出兩種或兩種以上波長(zhǎng)的可調(diào)諧激光。
申請(qǐng)?zhí)枮?4119042，名稱為“多波長(zhǎng)光參量激光器”的專利，利用非線性光學(xué)晶體在光參量過(guò)程中的角度調(diào)諧相位區(qū)配折返現(xiàn)象。調(diào)節(jié)非線性晶體的匹配角度，產(chǎn)生不同頻率的參量激光。根據(jù)該專利提供的技術(shù)方案，在折反區(qū)內(nèi)只能同時(shí)得到四個(gè)不同頻率的相干光構(gòu)成多波長(zhǎng)光參量激光器。
申請(qǐng)?zhí)枮?1106708，名稱為“全固體多波長(zhǎng)激光器”是一種全固態(tài)激光器，具有結(jié)構(gòu)緊湊、性能穩(wěn)定、操作簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)換效率高的優(yōu)點(diǎn)，但其能實(shí)現(xiàn)的415nm及倍頻得到的208nm紫外光在大氣污染檢測(cè)方面沒(méi)有應(yīng)用價(jià)值。
申請(qǐng)?zhí)枮?1119589，名稱為“一種聲光調(diào)Q的多波長(zhǎng)激光器”，采用了五塊激光晶體來(lái)實(shí)現(xiàn)多個(gè)基頻光輸出，還需要另外采用倍頻晶體，這會(huì)給系統(tǒng)構(gòu)造復(fù)雜，增加不穩(wěn)定性，不易于操作。
申請(qǐng)?zhí)枮?3125088，名稱為“多波長(zhǎng)同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)的連續(xù)激光器”的專利公開(kāi)了一種多波長(zhǎng)同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)的連續(xù)激光器，使用一臺(tái)激光器同時(shí)實(shí)現(xiàn)三種基頻波長(zhǎng)的運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)而通過(guò)倍頻方式在同一臺(tái)激光器上同時(shí)實(shí)現(xiàn)紅、綠、藍(lán)三基色激光輸出。該專利僅實(shí)現(xiàn)紅、綠、藍(lán)三個(gè)可見(jiàn)光波長(zhǎng)，而且由于一種連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的激光器，輸出功率受到限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是，克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種全固態(tài)激光器功率水平高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊而體積小，多波長(zhǎng)同時(shí)輸出的全固態(tài)可調(diào)諧激光光源。
本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種多波長(zhǎng)同時(shí)輸出全固態(tài)可調(diào)諧激光光源，包括一級(jí)泵浦源，一級(jí)耦合系統(tǒng)，二級(jí)泵浦源，二級(jí)耦合系統(tǒng)，光學(xué)參量振蕩腔。一級(jí)泵浦源包括由第一平面鏡(M1)和第二平面鏡(M2)構(gòu)成的平—平腔結(jié)構(gòu)，在第一平面鏡(M1)和第二平面鏡(M2)之間自第一平面鏡(M1)開(kāi)始依次設(shè)有對(duì)基頻光進(jìn)行調(diào)制的開(kāi)關(guān)器件(Q)、最初光學(xué)泵浦源、諧波反射鏡和倍頻晶體。一級(jí)耦合系統(tǒng)包括第一耦合透鏡，用以將一級(jí)泵浦源產(chǎn)生的泵浦光耦合進(jìn)二級(jí)泵浦源的諧振腔。二級(jí)泵浦源的諧振腔由第三、第四兩個(gè)平面鏡(M3，M4)和第五平面鏡(M5)構(gòu)成，在上述第一耦合透鏡(L1)的焦點(diǎn)處設(shè)置鈦寶石晶體，在第三、第四兩個(gè)平面鏡(M3，M4)和鈦寶石晶體之間設(shè)有棱鏡。二級(jí)耦合系統(tǒng)包括第二耦合透鏡(L2)，用以將二級(jí)泵浦源產(chǎn)生的泵浦光耦合進(jìn)光學(xué)參量振蕩腔。光學(xué)參量振蕩腔由后鏡(M6)和輸出鏡(M7)構(gòu)成，在第二耦合透鏡(L2)焦點(diǎn)附近設(shè)置PPLN(周期極化鈮酸鋰)晶體其中，最初光學(xué)泵浦源為按照等邊三角形排列、采用側(cè)向泵浦方式泵浦激光介質(zhì)的激光二極管陣列，激光介質(zhì)為Nd:YAG，尺寸為φ3×80mm，兩端磨成平面，鍍基頻光的增透膜，由流動(dòng)的冷卻水對(duì)激光二極管陣列和激光介質(zhì)提供冷卻。
倍頻晶體為KTP晶體，采用II類相位匹配，切割角為θ＝90°，φ＝23.6°，尺寸為6×6×10mm，兩面鍍基頻光和倍頻光的增透膜。
鈦寶石晶體的中心軸線垂直于晶軸，具有兩個(gè)以布儒斯特角切割的通光端面，且所述兩個(gè)通光端面的法線均與晶軸處于同一平面內(nèi)，在布儒斯特入射面內(nèi)的泵浦光的偏振方向與晶軸一致。
鈦寶石晶體通光方向長(zhǎng)度為15mm，截面是邊長(zhǎng)為5mm的正方形。
構(gòu)成二級(jí)泵浦源諧振腔的第三和第四兩個(gè)平面鏡(M3，M4)的空間位置均可以調(diào)節(jié)。
PPLN晶體的極化周期為20.5um，其端面鍍750～850nm和OPO輸出波段鍍?cè)鐾改ぃ潭ㄔ跍乜貭t中，溫控爐溫度在常溫到473K可以連續(xù)變化。
作為更進(jìn)一步的優(yōu)化方案第一平面鏡(M1)鍍1064nm高反膜；開(kāi)關(guān)器件(Q)的重復(fù)頻率為5kHz，鍍1064nm增透膜；諧波反射鏡鍍1064nm增透膜和532nm高反膜；構(gòu)成諧振腔的第三和第四兩個(gè)平面鏡(M3，M4)鍍700～900nm高反膜；構(gòu)成諧振腔的第五平面鏡(M5)鍍532nm高反膜，鍍700～900nm的半透膜，透過(guò)率為20％；后鏡(M6)鍍750～850nm以及OPO輸出波段的高反膜；輸出鏡(M6)，曲率半徑為60mm，鍍750～850nm高反膜和OPO輸出波段的半透膜，透過(guò)率約為15％。
本發(fā)明所帶來(lái)的有益效果(1)本發(fā)明全部采用全固態(tài)器件，其結(jié)構(gòu)緊湊、牢固耐用、價(jià)格較低。
(2)一級(jí)泵浦裝置采用LD作為原始泵浦源，倍頻晶體為KTP，用聲光Q開(kāi)關(guān)進(jìn)行頻率調(diào)制以實(shí)現(xiàn)高峰值功率的準(zhǔn)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。
(3)二級(jí)泵浦裝置所產(chǎn)生的鈦寶石激光的脈寬與一級(jí)泵浦源所產(chǎn)生的泵浦光相比可降低一個(gè)數(shù)量級(jí)，極大地提高了峰值功率，是PPLN參量振蕩器的理想泵浦源。
(4)利用鈦寶石雙波長(zhǎng)激光器波長(zhǎng)泵浦PPLN-OPO，利用波長(zhǎng)調(diào)諧曲線具有ε型回轉(zhuǎn)的特性，不改變PPLN的極化周期，雙波長(zhǎng)泵浦可實(shí)現(xiàn)4組信號(hào)光和閑頻光共八個(gè)波長(zhǎng)，再考慮兩束泵浦光，獲得覆蓋0.7～5μm的高功率、高光束質(zhì)量的10波長(zhǎng)同時(shí)輸出可調(diào)諧光源。


圖1為本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)圖具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。M1是1064nm全反鏡，M2是鈦寶石激光器的532nm泵浦光輸出鏡，對(duì)1064nm光全反，對(duì)532nm光高透。M1，M2組成鈦寶石激光器的綠光泵浦源，采用具有增益高、激光介質(zhì)內(nèi)部模體積大的傳統(tǒng)直腔型平-平腔結(jié)構(gòu)，整個(gè)諧振腔長(zhǎng)定為330mm。采用中科院半導(dǎo)體所生產(chǎn)的高功率半導(dǎo)體陣列激光器作為最初光學(xué)泵浦源，為按照等邊三角形排列、采用側(cè)向泵浦方式泵浦激光介質(zhì)的激光二極管陣列，四組三條激光二極管條對(duì)稱地排列在YAG棒周圍，能夠均勻地泵浦激活介質(zhì)YAG棒。每組二極管條由100個(gè)功率為200mW的二極管組成，二極管連續(xù)工作，總的最大泵浦功率為240W。整個(gè)泵浦組件(包括激光二極管和YAG棒)由流動(dòng)的冷卻水提供冷卻。激光介質(zhì)的尺寸為φ3×80mm，兩端磨成平面，鍍1064nm的增透膜。聲光Q開(kāi)關(guān)由英國(guó)GOOCH公司生產(chǎn)，其中晶體為φ8×10×50mm的熔石英，驅(qū)動(dòng)功率為100W，工作頻率為27MHz，衍射效率為20％，其調(diào)制頻率為1～50kHz，有效通光口徑15×15mm，鍍1064nm增透膜。諧波反射鏡對(duì)1064nm光高透，對(duì)532nm光高反，以提高倍頻轉(zhuǎn)換效率。KTP晶體采用II類相位匹配角切割(θ＝90°，φ＝23.6°)，尺寸為6×6×10mm，兩面鍍532nm和1064nm的增透膜。
為了使532nm泵浦光與鈦寶石振蕩光模式更好的匹配，獲得更高的功率密度，使用一個(gè)焦距為150mm的聚焦透鏡L1把泵浦光匯聚到鈦寶石腔中，鈦寶石晶體放在泵浦光光束的焦點(diǎn)處。鈦寶石晶體通光方向長(zhǎng)度為15mm，截面是邊長(zhǎng)為5mm的正方形。使鈦寶石棒的中心軸線垂直于晶軸c，兩通光端面以布儒斯特角切割，且使兩通光表面的法線與晶軸c處于同一平面內(nèi)。在布儒斯特入射面內(nèi)的泵浦光的偏振方向與c軸一致。采用平平腔組成鈦寶石激光的諧振腔，腔長(zhǎng)約200mm，晶體大概放在腔的中心位置。M3、M4全反鏡為700～900nmHR，輸出鏡鍍膜在700～900nm，透過(guò)率為25％。通過(guò)調(diào)整M3、M4全反鏡的位置，實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧的雙波長(zhǎng)同步輸出。
M，M’是鈦寶石波段的全反鏡，以減小整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置的體積。L2是焦距100mm的聚焦透鏡，以提高鈦寶石泵浦光的功率密度。M6為OPO后鏡，對(duì)鈦寶石運(yùn)轉(zhuǎn)波段750～850nm和OPO輸出波段鍍高反膜。M7為OPO輸出鏡，曲率半徑為60mm，對(duì)鈦寶石波段鍍高反膜，對(duì)OPO輸出波段的透過(guò)率約為15％。整個(gè)光學(xué)參量振蕩器腔長(zhǎng)約為80mm。采用的PPLN晶體的極化周期為20.5um，使其工作溫度在200℃下。PPLN晶體端面對(duì)泵浦光750～850nm和OPO輸出波段鍍?cè)鐾改ぁ＠貌ㄩL(zhǎng)調(diào)諧曲線具有ε型回轉(zhuǎn)的特性，鈦寶石激光器輸出的雙泵浦波長(zhǎng)泵浦PPLN-OPO，實(shí)現(xiàn)4組信號(hào)光和閑頻光共八個(gè)波長(zhǎng)，再考慮兩束泵浦光，獲得覆蓋0.7～5μm的高功率、高光束質(zhì)量的10波長(zhǎng)同時(shí)輸出可調(diào)諧光源。此種波長(zhǎng)范圍的多波長(zhǎng)可調(diào)諧光源，對(duì)于應(yīng)用在大氣污染檢測(cè)等方面尤其具有優(yōu)勢(shì)。
需要說(shuō)明的是，這里以本發(fā)明的實(shí)施例為中心展開(kāi)了詳細(xì)的說(shuō)明，所描述的優(yōu)選方式或某些特性的具體體現(xiàn)，應(yīng)當(dāng)理解為本說(shuō)明書僅僅是通過(guò)給出實(shí)施例的方式來(lái)描述發(fā)明，實(shí)際上在組成、構(gòu)造和使用的某些細(xì)節(jié)上會(huì)有所變化，包括部件的組合和組配，這些變形和應(yīng)用都應(yīng)該屬于本發(fā)明的范圍內(nèi)。
本實(shí)施例采用二極管激光器泵浦的全固態(tài)、準(zhǔn)連續(xù)532nm倍頻Nd:YAG激光器(一級(jí)裝置)作為最初光學(xué)泵浦源，脈沖寬度小于80ns，重復(fù)頻率5kHz，泵浦鈦寶石晶體作為激光介質(zhì)的諧振腔(二級(jí)裝置)，采用棱鏡作為調(diào)諧元件，構(gòu)成全固態(tài)、準(zhǔn)連續(xù)可調(diào)諧鈦寶石激光器，重復(fù)頻率5kHz，線寬2nm，激光脈沖寬度小于20ns。用可調(diào)諧鈦寶石激光泵浦PPLN光學(xué)參量振蕩器(三級(jí)裝置)，采用改變泵浦波長(zhǎng)的新型調(diào)諧方式，利用PPLN光學(xué)參量振蕩器調(diào)諧曲線的ε型折回特性，得到1～3um寬調(diào)諧輸出。
根據(jù)對(duì)本實(shí)施例實(shí)現(xiàn)的多波長(zhǎng)同時(shí)輸出全固態(tài)可調(diào)諧激光光源的理論計(jì)算，當(dāng)采用全固態(tài)鈦寶石激光器增益中心波長(zhǎng)(795nm)附近770～820nm范圍的雙波長(zhǎng)輸出可調(diào)諧激光，泵浦極化周期為20.5μm的一階共線PPLN-OPO時(shí)，采用改變泵浦波長(zhǎng)的新型調(diào)諧方式，其波長(zhǎng)調(diào)諧曲線具有ε型回轉(zhuǎn)特性，即在極化周期不變的情況下，1個(gè)泵浦光可以使2組信號(hào)和閑頻光滿足相位匹配條件，可獲得4個(gè)波長(zhǎng)的相干光輸出，雙波長(zhǎng)泵浦即可實(shí)現(xiàn)8個(gè)波長(zhǎng)輸出，其光譜覆蓋范圍為0.9～5μm，若考慮到雙波長(zhǎng)運(yùn)轉(zhuǎn)鈦寶石激光器的可調(diào)諧性，整個(gè)系統(tǒng)可獲得0.7～5μm的高功率、高光束質(zhì)量的10波長(zhǎng)同時(shí)輸出可調(diào)諧光源。
本發(fā)明的多波長(zhǎng)同時(shí)輸出可調(diào)諧激光光源可作為光通信波分復(fù)用系統(tǒng)中的信號(hào)源、信號(hào)轉(zhuǎn)換器或放大器；在環(huán)境監(jiān)測(cè)方面，多種波長(zhǎng)同時(shí)輸出的可調(diào)諧光源可充分滿足大氣窗口條件，能夠?qū)?zhǔn)不同大氣成分的吸收峰，以此來(lái)獲得優(yōu)化的高信噪比，進(jìn)行高精度大氣成分檢測(cè)；在空間遙感、大氣光學(xué)等領(lǐng)域，基于多種波長(zhǎng)同時(shí)輸出的可調(diào)諧激光光源研制的差分吸收激光雷達(dá)(DIAL)具有很高的分辨率；在軍事方面，多波長(zhǎng)同時(shí)輸出可調(diào)諧激光光源已成為光電對(duì)抗、激光致盲、激光通信等軍事前沿領(lǐng)域的關(guān)鍵性技術(shù)。
權(quán)利要求
1.一種多波長(zhǎng)同時(shí)輸出全固態(tài)可調(diào)諧激光光源，包括一級(jí)泵浦源，一級(jí)耦合系統(tǒng)，二級(jí)泵浦源，二級(jí)耦合系統(tǒng)，光學(xué)參量振蕩腔，其特征是所述一級(jí)泵浦源包括由第一平面鏡(M1)和第二平面鏡(M2)構(gòu)成的平—平腔結(jié)構(gòu)，在第一平面鏡(M1)和第二平面鏡(M2)之間自第一平面鏡(M1)開(kāi)始依次設(shè)有對(duì)基頻光進(jìn)行調(diào)制的開(kāi)關(guān)器件(Q)、最初光學(xué)泵浦源、諧波反射鏡和倍頻晶體；所述一級(jí)耦合系統(tǒng)包括第一耦合透鏡，用以將一級(jí)泵浦源產(chǎn)生的泵浦光耦合進(jìn)二級(jí)泵浦源的諧振腔；所述二級(jí)泵浦源的諧振腔由第三、第四兩個(gè)平面鏡(M3，M4)和第五平面鏡(M5)構(gòu)成，在上述第一耦合透鏡(L1)的焦點(diǎn)處設(shè)置鈦寶石晶體，在第三、第四兩個(gè)平面鏡(M3，M4)和鈦寶石晶體之間設(shè)有棱鏡；所述二級(jí)耦合系統(tǒng)包括第二耦合透鏡(L2)，用以將二級(jí)泵浦源產(chǎn)生的泵浦光耦合進(jìn)光學(xué)參量振蕩腔；所述光學(xué)參量振蕩腔由后鏡(M6)和輸出鏡(M7)構(gòu)成，在第二耦合透鏡(L2)焦點(diǎn)附近設(shè)置PPLN晶體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多波長(zhǎng)同時(shí)輸出全固態(tài)可調(diào)諧激光光源，其特征在于，所述最初光學(xué)泵浦源為按照等邊三角形排列、采用側(cè)向泵浦方式泵浦激光介質(zhì)的激光二極管陣列，激光介質(zhì)為Nd:YAG，尺寸為φ3×80mm，兩端磨成平面，鍍基頻光的增透膜，由流動(dòng)的冷卻水對(duì)激光二極管陣列和激光介質(zhì)提供冷卻。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多波長(zhǎng)同時(shí)輸出全固態(tài)可調(diào)諧激光光源，其特征在于，所述倍頻晶體為KTP晶體，采用II類相位匹配，切割角為θ＝90°，φ＝23.6°，尺寸為6×6×10mm，兩面鍍基頻光和倍頻光的增透膜。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多波長(zhǎng)同時(shí)輸出全固態(tài)可調(diào)諧激光光源，其特征在于，所述鈦寶石晶體的中心軸線垂直于晶軸，具有兩個(gè)以布儒斯特角切割的通光端面，且所述兩個(gè)通光端面的法線均與晶軸處于同一平面內(nèi)，在布儒斯特入射面內(nèi)的泵浦光的偏振方向與晶軸一致。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多波長(zhǎng)同時(shí)輸出全固態(tài)可調(diào)諧激光光源，其特征在于，鈦寶石晶體通光方向長(zhǎng)度為15mm，截面是邊長(zhǎng)為5mm的正方形。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多波長(zhǎng)同時(shí)輸出全固態(tài)可調(diào)諧激光光源，其特征在于，構(gòu)成所述二級(jí)泵浦源諧振腔的第三和第四兩個(gè)平面鏡(M3，M4)的空間位置均可以調(diào)節(jié)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多波長(zhǎng)同時(shí)輸出全固態(tài)可調(diào)諧激光光源，其特征在于，所述PPLN晶體的極化周期為20.5um，其端面鍍750～850nm和OPO輸出波段鍍?cè)鐾改ぃ潭ㄔ跍乜貭t中，溫控爐溫度在常溫到473K可以連續(xù)變化。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7任意一項(xiàng)所述的多波長(zhǎng)同時(shí)輸出全固態(tài)可調(diào)諧激光光源，其特征在于，所述第一平面鏡(M1)鍍1064nm高反膜；所述開(kāi)關(guān)器件(Q)的重復(fù)頻率為5kHz，鍍1064nm增透膜；所述諧波反射鏡鍍1064nm增透膜和532nm高反膜；構(gòu)成所述諧振腔的第三和第四兩個(gè)平面鏡(M3，M4)鍍700～900nm高反膜；構(gòu)成所述諧振腔的第五平面鏡(M5)鍍532nm高反膜，鍍700～900nm的半透膜，透過(guò)率為20％；后鏡(M6)鍍750～850nm以及OPO輸出波段的高反膜；輸出鏡(M6)，曲率半徑為60mm，鍍750～850nm高反膜和OPO輸出波段的半透膜，透過(guò)率約為15％。
全文摘要
一種多波長(zhǎng)同時(shí)輸出全固態(tài)可調(diào)諧激光光源，包括一級(jí)泵浦源，一級(jí)耦合系統(tǒng)，二級(jí)泵浦源，二級(jí)耦合系統(tǒng)，光學(xué)參量振蕩腔。一級(jí)泵浦源包括由第一平面鏡和第二平面鏡(M2)構(gòu)成的平－平腔結(jié)構(gòu)，在第一平面鏡和第二平面鏡之間自第一平面鏡開(kāi)始依次設(shè)有對(duì)基頻光進(jìn)行調(diào)制的開(kāi)關(guān)器件、最初光學(xué)泵浦源、諧波反射鏡和倍頻晶體。二級(jí)泵浦源的諧振腔由第三、第四兩個(gè)平面鏡和第五平面鏡構(gòu)成，在上述第一耦合透鏡的焦點(diǎn)處設(shè)置鈦寶石晶體，在第三、第四兩個(gè)平面鏡和鈦寶石晶體之間設(shè)有棱鏡。光學(xué)參量振蕩腔由后鏡和輸出鏡構(gòu)成，在第二耦合透鏡焦點(diǎn)附近設(shè)置PPLN晶體。本發(fā)明的多波長(zhǎng)同時(shí)輸出可調(diào)諧激光光源可獲得0.7～5μm的高功率、高光束質(zhì)量的10波長(zhǎng)同時(shí)輸出可調(diào)諧光源，可作為光通信波分復(fù)用系統(tǒng)中的信號(hào)源、信號(hào)轉(zhuǎn)換器或放大器。
文檔編號(hào)H01S3/00GK1753260SQ200510014738
公開(kāi)日2006年3月29日 申請(qǐng)日期2005年8月12日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月12日
發(fā)明者丁欣, 姚建銓, 鄒雷, 溫午麒, 鄒躍, 馬紅梅 申請(qǐng)人:天津大學(xué)