专利名称：窄线宽可调谐半导体纵向单端泵浦铷蒸气激光光路系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种铷蒸气激光光路系统，尤其是涉及一种窄线宽可调谐半导体纵向单端泵浦铷蒸气激光光路系统。
背景技术：
半导体激光泵浦碱金属蒸气激光DPALs (diode-pumped alkali vopor lasers)是具有高光束质量的高效高功率近红外激光输出的新型激光器件，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，近些年来引起了研究人员的极大兴趣和深入研究，并取得了重大进展。为了获得稳定高效的铷蒸气激光输出，除需要达到泵浦阈值功率和阈值温度外，还需要满足以下条件一是要有波长与铷原子D2吸收线中心波长吻合的泵浦光，将铷原子从基态泵浦到吸收线上能级，并且需要泵浦源的输出波长无漂移无跳模；二是需要将被泵浦到吸收线上能级的铷原子快速弛豫到激光上能级，以抑制吸收线上能级到基态的自发辐射，当原子在激光上能级聚集到一定程度后，在激光上能级和基态间形成粒子数反转，产生受激辐射，进而产生铷蒸气激光；三是要有提供激光振荡的谐振腔，若是使用稳定腔，则腔镜必须保持良好的同轴，并要求腔模和耦合到铷池中的泵浦光束有良好的模式匹配；四是有精确的铷蒸气池温度控制，温度控制有两个侧重点，其一是温度不能超过130°C，防止铷原子与缓冲气体的化学反应产生，其二是蒸气池窗口温度要比其中间温度高5°C，避免铷蒸气在窗口的沉积。这些条件的满足是制约半导体泵浦铷蒸气激光出光及稳定输出的技术难题。
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窄线宽可调谐半导体纵向单端泵浦铷蒸气激光光路系统，该系统使用窄线宽可调谐的泵浦光源，将种子激光的波长精确调至铷原子的吸收中心波长780. 24nm，调波长时尽量锁定电流模块，这样便于泵浦光的稳定输出；在铷池内充入eOOTorr的乙烷气体，增加铷原子从泵浦上能级到激光上能级的弛豫速率；通过在凹面全反镜与控温箱间加入1/4波片，将凹面全反镜与平面输出耦合镜精确调至同轴，构成稳定的平凹谐振腔；使用可控的温度控制方法，使铷蒸气池窗口的温度高于其中间5度，避免了铷蒸气在窗口的沉积。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是
ECL801型窄线宽半导体激光器发出的种子激光依次经第一隔离器、第一平面全反镜、第一半波片、第二平面全反镜后通过TAL100型半导体激光放大器放大入射至第二隔离器后，再经第二半波片、聚焦透镜、偏振分束镜至温控箱中的铷蒸气池，铷蒸气池中的基态铷原子吸收泵浦光后被激发到泵浦上能级，再与铷蒸气池中的乙烷碰撞被转移到激光上能级，产生铷蒸气激光，未被吸收的泵浦光与产生的铷蒸气激光传输至凹面全反镜后，经铷蒸气池被反射至偏振分束镜的光被分为两路，一路为被反射的水平偏振的泵浦光，透过偏振分束镜依次经聚焦透镜、第二半波片传输至第二隔离器处被隔离，另一路是被反射的垂直偏振的铷蒸气激光，经偏振分束镜被反射至反射率为22%的平面输出耦合镜后至功率计以探测铷蒸气激光功率，或放置光纤光谱仪以探测铷蒸气激光光谱；在同一直线上的各光学元件的中心在同一光轴上。所述ECL801型Littrow结构外腔半导体激光器输出波长可调谐、线宽小于IMHz的种子激光，通过调节半导体激光电源中的压电陶瓷驱动模块，将种子激光的波长调至铷原子的吸收中心波长780. 24nm,出射种子激光的偏振状态为水平偏振；种子激光水平出射后进TALlOO型半导体激光放大器进行功率放大，通过调节激光放大器的工作电流调节输出泵浦光功率。所述第一平面全反镜与第二平面全反镜垂直，调整第一隔离器和第二隔离器的角度使隔离度>60 dB ;聚焦透镜的焦距为15cm。所述铷蒸气池置于温控箱内，铷蒸气池中心置于聚焦透镜的焦点处。所述铷蒸气池内充有600Torr的乙烷气体；凹面全反镜与平面输出耦合镜构成“L”型平凹谐振腔，平凹谐振腔“L”的长度小于凹面全反镜的焦距50cm。本发明具有的·有益效果是
本发明使用窄线宽可调谐的泵浦光源，将其波长调至铷蒸气吸收线的中心波长，使铷蒸气对泵浦光的单程吸收高达97%。在铷池内充入eOOTorr的乙烷气体，增加铷原子从泵浦上能级到激光上能级的弛豫速率，保障了铷蒸气激光产生的条件。通过在凹面全反镜与控温箱间加入1/4波片，将凹面全反镜与平面输出耦合镜精确调至同轴，构成稳定的平凹谐振腔。使用可控的温度控制方法，使铷蒸气池窗口的温度高于其中间5度，避免了铷蒸气在窗口的沉积，在保持最小功率损耗的同时延长了铷池的使用寿命，保证了激光的稳定输出。
附图是本发明的光路图。图中1、ECL801型半导体激光器，2、第一隔离器，3、第一平面全反镜，4、第一半波片，5、第二平面全反镜，6、TAL100型半导体激光放大器，7、第二隔离器，8、第二半波片，9、聚焦透镜，10、偏振分束镜，11、温控箱，12、铷蒸气池，13、凹面全反镜，14、反射率为22%的平面输出耦合镜，15、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，ECL801型窄线宽半导体激光器I发出的种子激光依次经第一隔离器
2、第一平面全反镜3、第一半波片4、第二平面全反镜5后通过TAL100型半导体激光放大器6放大入射至第二隔离器7后，再经第二半波片8、聚焦透镜9、偏振分束镜10至温控箱11中的铷蒸气池12，铷蒸气池12中的基态铷原子吸收泵浦光后被激发到泵浦上能级，再与铷蒸气池12中的乙烷碰撞被转移到激光上能级，产生铷蒸气激光，未被吸收的泵浦光与产生的铷蒸气激光传输至凹面全反镜13后，经铷蒸气池12被反射至偏振分束镜10的光被分为两路，一路为被反射的水平偏振的泵浦光，透过偏振分束镜10依次经聚焦透镜9、第二半波片8传输至第二隔离器7处被隔离，另一路是被反射的垂直偏振的铷蒸气激光，经偏振分束镜10被反射至反射率为22%的平面输出耦合镜14后至功率计15以探测铷蒸气激光功率，或放置光纤光谱仪以探测铷蒸气激光光谱；在同一直线上的各光学元件的中心在同一光轴上。ECL801型Littrow结构外腔半导体激光器I输出波长可调谐、线宽小于IMHz的种子激光，通过调节半导体激光电源中的压电陶瓷驱动模块，将种子激光的波长调至铷原子的吸收中心波长780. 24nm,出射种子激光的偏振状态为水平偏振；种子激光水平出射后进TALlOO型半导体激光放大器6进行功率放大，通过调节激光放大器的工作电流调节输出泵浦光功率。第一平面全反镜(3)与第二平面全反镜5垂直，调整第一隔离器2和第二隔离器7的角度使隔离度>60 dB ;聚焦透镜9的焦距为15cm。铷蒸气池12置于温控箱11内，铷蒸气池12中心置于聚焦透镜9的焦点处。铷蒸气池12内充有600Torr的乙烷气体；凹面全反镜13与平面输出耦合镜14构成“L”型平凹谐振腔，平凹谐振腔“L”的长度小于凹面全反镜13的焦距50cm。本发明公开的窄线宽可调谐半导体纵向单端泵浦铷蒸气激光的光路系统，包括可调谐半导体激光功率放大系统、光束耦合系统、谐振腔系统，其中
I)可调谐半导体激光功率放大系统包括ECL801型半导体激光器1，TAL100型半导体激光放大器6。ECL801型Littrow结构外腔半导体激光器I输出波长可调谐、线宽小于IMHz的种子激光；种子激光水平出射后经光束耦合系统耦合进TAL100型半导体激光放大器6进行功率放大，通过调节激光放大器的工作电流调节输出激光功率。2)光束耦合系统包括第一隔离器2，第一平面全反镜3，第一半波片4，第二平面全反镜5，第二隔离器7，第二半波片8，聚焦透镜9。选择使用的聚焦透镜9的焦距为15cm。实验前将隔离器的角度调至 最佳，使隔离度>60 dB。3)谐振腔系统包括偏振分束镜10，温控箱11，铷蒸气池12，凹面全反镜13，反射率为22%的平面输出耦合镜14。铷蒸气池12置于温控箱11内，铷蒸气池12的中心置于聚焦透镜9的焦点处。凹面全反镜13置于温控箱11右端近处以提供良好的模式匹配。可调谐半导体激光功率放大系统ECL801型Littrow结构外腔半导体激光器利用光栅的色散选择作用，使得激光增益中频率很窄的一部分发射谱反馈至激光管内，增加了出射激光模式的竞争性，使得激光更容易工作在单纵模与窄线宽状态。波长范围为78(T785nm，输出激光线宽〈IMHz，无跳模调谐范围为12GHz，输出激光光束质量M2〈1. 5，边模抑制比为4(T50dB，工作温度在2(T30°C。激光头固定在散热良好的热沉上，通过调节半导体激光电源中的PZT (压电陶瓷)驱动模块，可将种子激光的波长调至铷原子的吸收中心波长780. 24nm，调波长时尽量锁定电流模块而只调PZT模块，这样便于泵浦光的稳定输出。出射种子激光的偏振状态为水平偏振。TAL100型可调谐半导体激光放大器是利用半导体材料的受激辐射放大原理，实现相干光放大的器件，主要由半导体激光放大器芯片与驱动电源构成，可对多个波长的半导体激光的功率进行放大，单程最大放大倍数约为67。输出激光线宽〈IMHz，无跳模调谐范围为12GHz，输出激光光束质量M2〈l. 5，边模抑制比为4(T50dB，工作温度在2f25°C。激光头固定在散热良好的热沉上。光束耦合系统包括将种子激光耦合进半导体激光放大器的第一隔离器2、第一平面全反镜3、第一半波片4、第二平面全反镜5和将放大后的泵浦光耦合进蒸汽池的第二隔离器7、第二半波片8、聚焦透镜9。为防止反射的泵浦光对激光器造成损伤，在种子激光器和放大器前分别放置一个60dB的隔离器隔离反射光。为了防止机械的漂移使注入效果变差，以致放大效率降低，可以定期对第一平面全反镜、第二平面全反镜和第一半波片进行优化调节，以保持最大的耦合效率。调节第二半波片使泵浦光透过率最高。泵浦光经聚焦透镜聚焦以提高泵浦光的功率密度，进而提高铷蒸气对泵浦光的吸收效率。谐振腔系统偏振分束镜反射垂直偏振s分量，但允许平行偏振P分量通过，从而分离S和P偏振光分量，对于透射光束来说，具有最高的偏振消光比为TP:TS > 1000:1，作为对比，反射光束的消光比为100:1，波长为780. 24nm的泵浦光与795nm的铷激光的偏振方向是正交的，因此偏振分束镜能将两者分束；控温箱使蒸气池两端的温度比中间的温度高5度，以避免蒸气在蒸气池窗口的沉积，为避免缓冲气体乙烷与铷原子的化学反应而带来的窗口污染和铷与乙烷的损耗，加热最高温度不超过130°C ;蒸气池是2. 5cmX2. 5cm的圆柱体，窗口镀有780. 24nm的抗反膜，池内充有600Torr的乙烷气体以加速泵浦上能级到激光上能级的弛豫速率；凹面全反镜焦距为50cm，平面输出耦合镜的反射率为22%，两者组成“L”型平凹谐振腔；两腔镜是否同轴至关重要，只有同轴，才有可能出射激光，调同轴时，在凹面全反镜与控温箱间加入1/4波片，780. 24nm的泵浦光第一次经过1/4波片后被转成椭圆偏振光，在到达凹面全反镜被反射后第二次经过1/4波片，由于选择的1/4波片的光轴与椭圆偏振光的主轴并不平行，所以第二次经过1/4波片后，被凹面全反镜反射的泵浦光仍为椭圆偏振光，则在偏振分束镜处椭圆偏振光的垂直分量会被反射至平面输出耦合镜，被平面输出耦合镜反射的泵浦光到达偏振分束 镜后仍会被反射至蒸气池，此时在偏振分束镜与控温箱间有3个光斑，分别为入射光斑，凹面全反镜的反射光斑和平面输出耦合镜的反射光斑，将此3斑调至精确重合，则两腔镜即为同轴，且均与入射光同轴；平凹谐振腔“L”的长度小于凹面全反镜的焦距。
权利要求
1.一种窄线宽可调谐半导体纵向单端泵浦铷蒸气激光光路系统，其特征在于ECL801型窄线宽半导体激光器(I)发出的种子激光依次经第一隔离器(2)、第一平面全反镜(3)、第一半波片(4)、第二平面全反镜(5)后通过TALlOO型半导体激光放大器(6)放大入射至第二隔离器(7)后，再经第二半波片(8)、聚焦透镜(9)、偏振分束镜(10)至温控箱(11)中的铷蒸气池(12)，铷蒸气池(12)中的基态铷原子吸收泵浦光后被激发到泵浦上能级，再与铷蒸气池(12)中的乙烷碰撞被转移到激光上能级，产生铷蒸气激光，未被吸收的泵浦光与产生的铷蒸气激光传输至凹面全反镜(13)后，经铷蒸气池(12)被反射至偏振分束镜(10)的光被分为两路，一路为被反射的水平偏振的泵浦光，透过偏振分束镜(10)依次经聚焦透镜(9)、第二半波片(8)传输至第二隔离器(7)处被隔离，另一路是被反射的垂直偏振的铷蒸气激光，经偏振分束镜(10)被反射至反射率为22%的平面输出耦合镜(14)后至功率计(15)以探测铷蒸气激光功率，或放置光纤光谱仪以探测铷蒸气激光光谱；在同一直线上的各光学兀件的中心在同一光轴上。
2.根据权利要求1所述的一种窄线宽可调谐半导体纵向单端泵浦铷蒸气激光光路系统，其特征在于所述ECL801型Littrow结构外腔半导体激光器(I)输出波长可调谐、线宽小于IMHz的种子激光，通过调节半导体激光电源中的压电陶瓷驱动模块，将种子激光的波长调至铷原子的吸收中心波长780. 24nm,出射种子激光的偏振状态为水平偏振；种子激光水平出射后进TAL100型半导体激光放大器(6)进行功率放大，通过调节激光放大器的工作电流调节输出泵浦光功率。
3.根据权利要求1所述的一种窄线宽可调谐半导体纵向单端泵浦铷蒸气激光光路系统，其特征在于所述第一平面全反镜(3)与第二平面全反镜(5)垂直，调整第一隔离器(2)和第二隔离器(7)的角度使隔离度>60 dB ;聚焦透镜(9)的焦距为15cm。
4.根据权利要求1所述的一种窄线宽可调谐半导体纵向单端泵浦铷蒸气激光光路系统，其特征在于所述铷蒸气池(12)置于温控箱(11)内，铷蒸气池(12)中心置于聚焦透镜(9)的焦点处。
5.根据权利要求1所述的一种窄线宽可调谐半导体纵向单端泵浦铷蒸气激光光路系统，其特征在于所述铷蒸气池(12)内充有600Torr的乙烷气体；凹面全反镜(13)与平面输出耦合镜(14)构成“L”型平凹谐振腔，平凹谐振腔“L”的长度小于凹面全反镜(13)的焦距50cm。
全文摘要
本发明公开了一种窄线宽可调谐半导体纵向单端泵浦铷蒸气激光光路系统。由可调谐半导体激光功率放大系统、光束耦合系统和谐振腔系统组成。使用窄线宽可调谐的泵浦光源，将其波长调至铷蒸气吸收线的中心波长，使铷蒸气对泵浦光的单程吸收高达97%。在铷池内充入600Torr的乙烷气体，增加铷原子从泵浦上能级到激光上能级的弛豫速率，保障铷蒸气激光产生的条件。通过在凹面全反镜与控温箱间加入1/4波片，将凹面全反镜与平面输出耦合镜调至同轴，构成稳定的平凹谐振腔。使用可控的温度控制方法，使铷蒸气池窗口的温度高于其中间5度，避免了铷蒸气在窗口的沉积，在保持最小功率损耗的同时延长了铷池的使用寿命，保证了激光的稳定输出。
文档编号H01S3/22GK103036139SQ201210547469
公开日2013年4月10日 申请日期2012年12月17日 优先权日2012年12月17日
发明者杨静, 潘佰良, 沈炳林, 杨亚男, 罗静波, 钱爱青 申请人:浙江大学