专利名称：半导体泵浦碱金属蒸气激光mopa系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种碱金属蒸气激光器，尤其是涉及一种半导体泵浦碱金属蒸气激光的MOPA系统。
背景技术：
半导体激光列阵(LDA)泵浦碱金属蒸气激光DPALs (diode-pumped alkali vopor lasers)是近几年引起人们极大兴趣并取得快速发展的新型激光器件，具有量子亏损小、热管理性能高等优点，有望获得具有高光束质量的高效高功率近红外激光输出。这些近红外激光在激光冷却、定向能量传输、材料处理等方面有广泛的应用前景。增益介质广泛使用的是铷(Rb)和铯(Cs)。一方面，为获得高功率的碱金属蒸气激光，需要用高功率的半导体激光列阵做泵浦源，但泵浦源线宽一般比多普勒展宽后的碱金属原子吸收线宽大3-4个数量级，两者线宽的失调是限制泵浦效率的关键因素，因此，如何使泵浦光源的线宽与碱金属原子吸收线的线宽相匹配是实现高效高功率DPALs的关键问题，有两种方法，一种是在碱金属蒸气池中充入较高压强的缓冲气体(乙烷和氦气混合气体)来增宽吸收线宽到IOGHz以上。另一种是利用激光选频技术有效压缩外腔式二极管激光的线宽至IOGHz量级。另一方面，DPALs的泵浦方式有横向泵浦与纵向泵浦两种，在实验上都取得了很好的结果，但是这两种方式在高功率泵浦时，都存在由于径向温度梯度使增益介质折射率不均勻而带来热透镜效应的问题，导致输出功率不稳定和腔模与泵浦光的失调，影响了光束质量，同时限制了提高激光功率。
发明内容
为解决背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种半导体泵浦碱金属蒸气激光的M0PA(Maser Oscillator Power Amplifier)系统，该系统将两种线宽匹配方法结合，使用全息光栅选频将LDA线宽压缩至十几至几十GHz，并在增益介质池中充入缓冲气体展宽碱金属原子吸收线至此宽度左右，提高两者匹配程度，从而有效的提高泵浦效率；同时使用两个增益介质池，一个为主振荡池，一个为放大池，主振荡池产生的激光作为种子光与 4/5的泵浦光在第二偏振分束镜处汇合，一同入射到放大池中，放大池产生的碱金属蒸气激光输出就是放大了的激光，可将碱金属蒸气激光功率放大数倍以上。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是
半导体激光列阵发出的泵浦光经快轴准直镜、第一平凸透镜、第一半玻片、第二平凸透镜后经全息光栅反射至第一反射镜反射后，再经柱透镜、第三平凸透镜、第四平凸透镜至分束镜分为两路泵浦光，经分束镜后的一路泵浦光经第一凸透镜至第一偏振分束镜，经主振荡池到高反镜，高反镜反射的光再次经主振荡池后入射至第一偏振分束镜，经输出耦合镜到第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜、第二半波片、第二凸透镜至第二偏振分束镜，光经放大池、第三偏振分束镜后分为两路光，至第三偏振分束镜的一路输出光为碱金属蒸气激光接功率计，另一路输出光为剩余泵浦光；经分束镜的另一路泵浦光至第三半波片、第三凸透镜，在第二偏振分束镜与另一路光重叠；在同一直线上的各元件的中心在同一光轴上。所述的半导体激光列阵前端面镀有抗反膜，且其前端在第一平凸透镜的焦点上， 第一半玻片同时在第一平凸透镜、第二平凸透镜的焦点上，全息光栅在第二平凸透镜的焦点上，快轴准直镜距半导体激光列阵前端的距离在实验中调节确定，以准直后的光斑边缘清晰亮度集中为准；第三平凸透镜和柱透镜的距离为两者焦距之和，第三平凸透镜和第四平凸透镜的距离为两者焦距之和。所述的主振荡池在第一凸透镜的焦距以内。所述的放大池在第二凸透镜的焦距以内。所述的第一反射镜与全息光栅平行，第二反射镜与第三反射镜平行，第三反射镜与第四反射镜垂直。本发明具有的有益的效果是
使用由快轴准直镜、第一平凸透镜、第二平凸透镜与全息光栅组成的半导体激光线宽压缩系统，同时在主振荡池、放大池中充入研究后确定的优化气压值的缓冲气体以展宽碱金属原子吸收线，能够将LDA线宽有效压缩至展宽后的碱金属原子吸收线宽的量级，实现两者线宽的匹配。将泵浦光按1:4的比例分配给主振荡池与放大池两个增益介质池，由于两振荡池结构完全相同，保障了光束质量，同时分散了热量，并可将功率放大数倍以上，已在实验上取得了良好的结果。
附图是本发明的光路图。图中1、半导体激光列阵，2、快轴准直镜，3、第一平凸镜，4、第一半波片，5、第二平凸镜，6、全息光栅，7、第一反射镜，8、柱透镜，9、第三平凸镜，10、第四平凸镜，11、分束镜， 12、第一凸透镜，13、第一偏振分束镜，14、主振荡池，15、温控箱，16、高反镜，17、输出耦合镜，18、第二反射镜，19、第三反射镜，20、第四反射镜，21、第二半波片，22、第二凸透镜，23、 第二偏振分束镜，24、第三半波片，25、第三凸透镜，26、放大池，27、温控箱，28、第三偏振分束镜，29、剩余泵浦光输出，30、功率计。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的实施方式做进一步说明。如附图所示，半导体激光列阵1发出的泵浦光经快轴准直镜2、第一平凸透镜3、第一半玻片4、第二平凸透镜5后经全息光栅6反射至第一反射镜7反射后，再经柱透镜8、第三平凸透镜9、第四平凸透镜10至分束镜11分为两路泵浦光，经分束镜11后的一路泵浦光经第一凸透镜12至第一偏振分束镜13，经主振荡池14到高反镜16，高反镜反射的光再次经主振荡池14后入射至第一偏振分束镜13，经输出耦合镜17到第二反射镜18、第三反射镜19、第四反射镜20、第二半波片21、第二凸透镜22至第二偏振分束镜23，光经放大池 26、第三偏振分束镜28后分为两路光，至第三偏振分束镜的一路输出光(碱金属蒸气激光) 接功率计30，另一路输出光为剩余泵浦光29 ；至分束镜11的另一路泵浦光，经分束镜后至第三半波片24、第三凸透镜25，在第二偏振分束镜23与另一路光重叠；在同一直线上的各元件的中心在同一光轴上。
本发明公开的半导体泵浦碱金属蒸气激光的MOPA系统，包括半导体激光线宽压缩系统、种子光系统、功率放大系统和光束整形与耦合系统，其中
1)半导体激光线宽压缩系统包括半导体激光列阵1，快轴准直镜2，第一平凸透镜3、 第二平凸透镜5，第一半玻片4，全息光栅6。半导体激光列阵1前端面镀有抗反膜，且其前端在第一平凸透镜3的焦点上，第一半玻片4同时在第一平凸透镜3、第二平凸透镜5的焦点上，全息光栅6在第二平凸透镜5的焦点上，快轴准直镜2距半导体激光列阵前端的距离为毫米量级，具体位置可在试验中调节确定，以准直后的光斑边缘清晰亮度集中为准；第三平凸透镜9和柱透镜8的距离为两者焦距之和，第三平凸透镜9和第四平凸透镜10的距离为两者焦距之和。2)种子光系统包括第一凸透镜12，第一偏振分束镜13，主振荡池14，温控箱15， 高反镜16，输出耦合镜17。系统为“L”型布局，主振荡池14在第一凸透镜12的焦距以内。 主振荡池14放于温控箱15内。3)功率放大系统包括第二半波片21，第二凸透镜22，第二偏振分束镜23，放大池 26、温控箱27、第三偏振分束镜28，功率计30，第三半波片24、第三凸透镜25。放大池26放于温控箱27内。放大池26在第二凸透镜22的焦距以内。4)光束整形与耦合系统包括四个全反镜7、18、19、20，柱透镜8，第三平凸透镜9， 第四平凸透镜10，分束镜11。第一反射镜7与全息光栅6平行，第二反射镜18与第三反射镜19平行，第三反射镜19与第四反射镜20垂直。半导体激光线宽压缩系统将快轴准直镜贴近LDA前端放置，以准直快轴即沿光轴方向发散了的光线，做到高效利用泵浦光；望远镜系统放大倍数为fVfi (其中fi、f2分别为第一平凸透镜、第二平凸透镜的焦距，本发明使用的此放大倍数约为4倍)，用来扩展光束并将LDA成像于全息光栅，为减小像差，望远镜系统的两个透镜使用平凸镜；第一半玻片可以调节反馈，来防反馈功率过大损坏LDA ；通过调节全息光栅的角度和倾斜度，来选择需要的中心波长，屏蔽掉其他波段，从而大大压缩LDA的线宽。通过调整全息光栅的角度与倾斜度，使得泵浦光在需要的中心波长处功率最大，这可以通过光谱仪测得；然后旋转半玻片， 使得泵浦光有合适的反馈，为LDA功率的30%左右。线宽压缩后的泵浦光束通过与全息光栅平行的第一反射镜输出，由于线宽压缩后的泵浦光在准直性和空间对称性方面变差，故需对其整形，柱透镜起准直作用，第三平凸透镜、第四平凸透镜组成的望远镜系统可以将光束尺寸转化为比主振荡池稍大的尺寸，从而使泵浦光覆盖主振荡池池，进一步提高泵浦效率。进入光束整形系统，经过柱透镜的准直和第三、第四平凸透镜对光束尺寸的调节，泵浦光经光束分束镜按功率4:1的比例分别用于放大池与主振荡池的泵浦。种子光系统1/5的泵浦光用于泵浦主振荡池，通过焦距约为20cm的第一凸透镜的聚焦，过第一偏振分束镜，至主振荡池的中心。主振荡池放于温控箱中，池中充有增益介质，同时一定优化气压值的缓冲气体来展宽碱金属原子吸收线，以与压缩了的LDA线宽匹配，从而实现高效的泵浦。蒸气池内的原子密度通过温控箱的温度来控制，调节温控箱，使振荡池池窗温度比池体温度高5°C，温度控制浮动控制在0. 1°C。泵浦光经过主振荡池后， 得到碱金属蒸气激光，使用反射率约为99. 5%的高反镜将碱金属蒸气激光反射回主振荡池，偏振分束镜将泵浦光与主振荡池输出的激光分开，因为两者的偏振正交，碱金属蒸气激光与泵浦光分开后，经反射率为20%的输出耦合镜输出，输出这部分碱金属蒸气激光将作为种子光经耦合后入射至放大池。经输出耦合镜输出的碱金属蒸气激光，通过第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜进行光束方向的调节，进入功率放大系统。功率放大系统另外4/5的泵浦光用第三凸透镜聚焦后通过第二偏振分束镜入射到放大池的中心，放大池的结构与温度控制同主振荡池。种子光经第二凸透镜聚焦后，通过第二偏振分束镜入射到放大池的中心。旋转第二半波片、第三半波片，可以调节光束的入射功率。为了更好的使种子光与泵浦光重叠以提高放大效率，放大池在第二凸透镜的焦点以内，移动第二凸透镜的位置同时测量输出功率，输出功率最大时第二凸透镜的位置就是其最佳位置。放大池后的第三偏振分束镜用来分离放大后的输出光与剩余的泵浦光，放大后的碱金属蒸气激光耦合进功率计，剩余泵浦光输出。
权利要求
1.一种半导体泵浦碱金属蒸气激光的MOPA系统，其特征在于半导体激光列阵(1)发出的泵浦光经快轴准直镜(2)、第一平凸透镜(3)、第一半玻片(4)、第二平凸透镜(5)后经全息光栅(6)反射至第一反射镜(7)反射后，再经柱透镜(8)、第三平凸透镜(9)、第四平凸透镜(10)至分束镜(11)分为两路泵浦光，经分束镜(11)后的一路泵浦光经第一凸透镜 (12)至第一偏振分束镜(13)，经主振荡池(14)到高反镜(16)，高反镜反射的光再次经主振荡池(14)后入射至第一偏振分束镜(13)，经输出耦合镜(17)到第二反射镜(18)、第三反射镜(19)、第四反射镜(20)、第二半波片(21)、第二凸透镜(22)至第二偏振分束镜(23)， 光经放大池(26)、第三偏振分束镜(28)后分为两路光，至第三偏振分束镜的一路输出光为碱金属蒸气激光接功率计(30)，另一路输出光为剩余泵浦光(29)；经分束镜(11)的另一路泵浦光至第三半波片(24)、第三凸透镜(25)，在第二偏振分束镜(23)与另一路光重叠；在同一直线上的各元件的中心在同一光轴上。
2.根据权利要求1所述的一种半导体激光列阵泵浦碱金属蒸气激光的MOPA系统，其特征在于所述的半导体激光列阵(1)前端面镀有抗反膜，且其前端在第一平凸透镜(3)的焦点上，第一半玻片(4)同时在第一平凸透镜(3)、第二平凸透镜(5)的焦点上，全息光栅(6) 在第二平凸透镜(5)的焦点上，快轴准直镜(2)距半导体激光列阵前端的距离在实验中调节确定，以准直后的光斑边缘清晰亮度集中为准；第三平凸透镜(9)和柱透镜(8)的距离为两者焦距之和，第三平凸透镜(9)和第四平凸透镜(10)的距离为两者焦距之和。
3.根据权利要求1所述的一种半导体激光列阵泵浦碱金属蒸气激光的MOPA系统，其特征在于所述的主振荡池(14)在第一凸透镜(12)的焦距以内。
4.根据权利要求1所述的一种半导体激光列阵泵浦碱金属蒸气激光的MOPA系统，其特征在于所述的放大池(26)在第二凸透镜(22)的焦距以内。
5.根据权利要求1所述的一种半导体激光列阵泵浦碱金属蒸气激光的MOPA系统，其特征在于所述的第一反射镜(7)与全息光栅(6)平行，第二反射镜(18)与第三反射镜(19) 平行，第三反射镜(19)与第四反射镜(20)垂直。
全文摘要
本发明公开了一种半导体泵浦碱金属蒸气激光的MOPA系统。将线宽压缩系统、光束整形与耦合系统、种子光系统与功率放大系统顺次连接。使用由快轴准直镜、两个平凸透镜与全息光栅组成的半导体激光线宽压缩系统，同时在种子光系统中的主振荡池、功率放大系统中的放大池中充入确定的优化气压值的缓冲气体以展宽碱金属原子吸收线，能够将LDA线宽有效压缩至展宽后的碱金属原子吸收线宽的量级，实现两者线宽的匹配。将泵浦光按1:4的比例分配给主振荡池与放大池两个增益介质池，由于两振荡池结构完全相同，保障了光束质量，同时分散了热量，并可将功率放大数倍以上。
文档编号H01S3/0941GK102324686SQ20111025780
公开日2012年1月18日 申请日期2011年9月2日 优先权日2011年9月2日
发明者杨静, 潘佰良, 王亚娟 申请人:浙江大学