一种使用二次曲面镜的高功率窄线宽可调谐激光器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种使用二次曲面镜的高功率窄线宽可调谐激光器，涉及激光【技术领域】。本发明包括RBG、光栅转台、准直器、增益介质、输出耦合镜、二向色镜、泵浦源、平面全反镜和二次曲面镜；RBG固定在光栅转台的旋转轴上；RBG的法线与光栅转台的旋转轴垂直；光栅转台的旋转轴与二次曲面镜的焦点轴重合；平面全反镜的法线与光栅转台的旋转轴垂直，与二次曲面镜的轴线平行；二向色镜与水平方向呈45°角；泵浦源发射的泵浦光依次通过二向色镜、输出耦合镜、增益介质进入准直器，准直器输出的准直光与RBG的光栅转轴共面，并且准直光的方向与光栅转轴垂直。采用RBG作为选频元件，搭配全反镜组合装置，达到高功率、窄线宽、可调谐的目的。
【专利说明】—种使用二次曲面镜的高功率窄线宽可调谐激光器
【技术领域】
[0001]本发明涉及激光【技术领域】，具体是一种使用二次曲面镜的高功率窄线宽可调谐激光器。
【背景技术】
[0002]高功率窄线宽可调谐激光器主要应用于相干并束、相干检测、相干光通信、谐波产生、重力波探测等，目前已广泛应用于外差传感、光谱探测、大气监测、光通信等领域。这些应用不仅需要较高的激光功率，而且要求激光具有比较窄的光谱带宽，较高的波长稳定性。
[0003]高功率可调谐激光器，目前广泛采用的腔体结构由平面衍射光栅和高反镜组成。平面衍射光栅作为选频元件，常作为端反镜，通过改变光栅法线与谐振腔轴线的夹角(入射角)实现激光频率的调谐。要实现高功率可调谐激光器的窄线宽输出，目前采取的方案主要有两种:1、光栅的入射角为掠入射；2、通过加大平面光栅的尺寸，在谐振腔内假如扩束镜，从而提高光栅的分辨率。进一步压缩带宽的方法可以是把两个或多个平面光栅进行组合，利用它们反射光谱的重叠来实现窄线宽输出。但这种方法无疑会使系统结构复杂化、谐振腔损耗更大(单个平面闪耀光栅的衍射效率往往只能达到飞0%)，进一步将导致输出功率下降。除此之外，多平面光栅结构的窄线宽可调谐激光器体积较大、封装困难，稳定性不高。
[0004]构建高功率窄线宽可调谐激光器，体布拉格光栅替代传统的平面光栅可以很好地解决系统体积庞大、结构复杂、光栅插入损耗较大等问题，同时可提供带宽小于0.5nm的激光输出(Laser Phys Lett.2010(6): 450-453，Opt.Express 2008(16): 9507-9512，Opt.Lett.2008(22): 1204-1206)。作为一种新型的选频元件，反射式体布拉格光栅(RBG)绝对衍射效率超过99% ;光栅损耗小于2.5% ;光谱选择最低可达20pm，角度选择最低可达100μ rad ;温度稳定性达400°C,在近红外区对连续激光照射的耐受性高达每平方厘米数万瓦。因此，反射式体布拉格光栅是一种非常理想的高功率窄线宽可调谐激光器的选频器件，最近几年在激光系统中的应用吸引了越来越多激光工作人员的关注。(作为波长选择和光谱窄化元件，体布拉格光栅目前已被应用于半导体激光器，光学参量振荡器和固体激光器的窄线宽输出方面)
因此，基于体布拉格光栅，设计一种结构紧凑、性能优越的高功率窄线宽可调谐激光器具有很强的现实意义。但是，在使用R B G进行波长调谐的过程中发现，输出光束的方向会随着光栅转动而发生偏转，这给实际使用带来了新的麻烦。
【发明内容】
[0005]为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种使用二次曲面镜的高功率窄线宽可调谐激光器，不仅能够宽范围的波长调谐，而且输出激光稳定、光谱带宽可始终小于0.5nm，整个调谐过程仅需转动光栅转台即可完成。
[0006]本发明是以如下技术方案实现的:一种使用二次曲面镜的高功率窄线宽可调谐激光器，包括反射式体布拉格光栅、光栅转台、准直器、增益介质、输出I禹合镜、二向色镜、泵浦源、平面全反镜和二次曲面镜；所述的反射式体布拉格光栅固定在光栅转台的旋转轴上；反射式体布拉格光栅的法线与光栅转台的旋转轴垂直；光栅转台的旋转轴与二次曲面镜的焦点轴重合；平面全反镜的法线与光栅转台的旋转轴垂直，与二次曲面镜的轴线平行；二向色镜与水平方向呈45°角；泵浦源发射的泵浦光依次通过二向色镜、输出耦合镜、增益介质进入准直器，准直器输出的准直光与反射式体布拉格光栅的光栅转轴共面，并且准直光的方向与光栅转轴垂直；反射式体布拉格光栅的光谱选择最低可达20pm、角度选择最低可达100 μ rad、绝对衍射效率超过99%、光栅损耗小于2.5%、同时温度稳定性达400°C，在近红外区对连续激光的耐受性高达每平方厘米数万瓦；所述的反射式体布拉格光栅、光栅转台和二次曲面镜构成激光器的光栅选频结构，放在激光器的内部或外部。
[0007]本发明的有益效果是:
1、能够保证在闻功率调谐运转的过程中，光谱带览始终小于0.5nm ；
2、在整个功率调节范围内，具有较高的效率、输出波长稳定、可重复性好；
3、体积小、结构简单紧凑、抗干扰能力强、调谐精度高，整个调谐过程仅需对光栅转台进行转动，操作简单便捷。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]图1是本发明的一种结构示意图；
图2是本发明的另一种结构示意图。
【具体实施方式】
[0009]一种使用二次曲面镜的高功率窄线宽可调谐激光器包括反射式体布拉格光栅1、光栅转台2、准直器3、增益介质4、输出耦合镜5、二向色镜6、泵浦源7、二次曲面镜8和平面全反镜9 ;所述的反射式体布拉格光栅I固定在光栅转台2的旋转轴上；反射式体布拉格光栅I的法线与光栅转台2的旋转轴垂直；光栅转台2的旋转轴与二次曲面镜8的焦点轴重合；所述的二次曲面镜8为圆柱面曲面全反镜，如图1 ;或抛物柱曲面全反镜，如图2。平面全反镜9的法线与光栅转台2的旋转轴垂直，与二柱曲面曲面镜的曲面横截面平行或者与抛物柱曲面横截面的抛物线的对称轴平行；二向色镜6与水平方向呈45°角；泵浦源7发射的泵浦光依次通过二向色镜6、输出耦合镜5、增益介质4进入准直器3，准直器3输出的准直光与反射式体布拉格光栅的光栅转轴共面，并且准直光的方向与光栅转轴垂直。在图1和图2的结构中，激光被反射垂直照射在平面全反镜，经反射原路返回。
[0010]所述的光栅转台2可以由步进电机驱动，或由微机电系统驱动；
所述的准直器3为球面镜或非球面镜或透镜组合。
[0011]所述的增益介质4为固体增益介质或气体增益介质或液体增益介质或半导体激光器。
[0012]所述的输出耦合镜5是平面镜、或者是平凹镜、或者是柱面镜。
[0013]所述的泵浦源7的泵浦方式是端面泵浦或侧面泵浦。
[0014]其中，反射式体布拉格光栅I在谐振腔中起滤波选频的作用，在谐振腔中接收准直器3输出的平行入射光，反射输出窄线宽选频激光。准直器3在谐振腔中作用是将腔内激光准直，尽可能降低腔内激光在反射式体布拉格光栅I处的发散角，提高反射式体布拉格光栅I的选频精度。圆二次曲面镜与平面全反镜组合或者抛物二次曲面镜与平面全反镜组合，在本谐振腔中的作用是解决输出光束的方向随着光栅转动而发生偏转的问题，在光栅转动的方向上，即频率调谐的自由度上将从反射式体布拉格光栅I得到的选频光按照入射光的路线使其原路返回，使谐振腔形成振荡。由于反射式体布拉格光栅I优异的选频特性以及本发明针对反射式体布拉格光栅所设计的谐振腔结构，本发明可实现高功率、窄线宽、宽调谐激光运转。
[0015]本发明能够实现高功率、窄线宽、宽调谐激光运转的原因主要有三点:1、反射式体布拉格光栅(RBG)绝对衍射效率超过99%、光栅损耗小于2.5%、同时温度稳定性达400°C、在近红外区对连续激光的耐受性高达每平方厘米数万瓦，因此适于高功率激光高效运转；
2、通过RBG的设计,光栅的光谱选择最低可达20pm、角度选择最低可达100 μ rad,因此该激光器可实现窄线宽输出；3、本发明设计了针对RBG进行选频的结构，较好的解决了输出光束方向随光栅转动而发生偏转的现象，整个激光波长可调谐过程仅需转动光栅转台即可完成，操作简单灵活。
[0016]工作流程:增益介质受泵浦光激发，吸收泵浦能量形成粒子数反转分布，产生受激辐射，通过谐振腔振荡放大形成稳定的激光。其中形成窄线宽的过程可描述为:谐振腔形成激光振荡，腔内产生的激光镜准直器3准直,假设以6角(入射光与反射式体布拉格光栅法线的夹角)入射到反射式体布拉格光栅I表面，由于反射式体布拉格光栅I的波长的选择特性，满足、反射式体布拉格光栅I选频条件的激光被窄化后反射到二次曲面镜组合。根据几何图形的特征，经过圆二次曲面镜与平面全反镜或者抛物二次曲面镜与平面全反镜反射的激光将按照入射光的路线原路返回，在谐振腔中形成振荡，最终与反射式体布拉格光栅入射角相匹配的选频光的到放大，其他受激辐射产生的激光被抑制。由于反射式体布拉格光栅的选频带宽非常小，因此配合本发明所涉及的谐振腔结构可实现高功率窄线宽可调谐激光运转。
[0017]本实施例中，反射式体布拉格光栅I的法线、光栅转台2和二次曲面镜8构成激光器的光栅选频结构，放在激光器的内部，通过内腔选频的方式，实现对激光波长的调谐，构成可实现高功率、窄线宽、宽调谐的内腔光栅可调谐激光器。
[0018]光栅选频结构也可以放在激光器的外部，通过外腔选频的方式，实现对激光波长的调谐，构成可实现高功率、窄线宽、宽调谐的外腔光栅可调谐激光器。
【权利要求】
1.一种使用二次曲面镜的高功率窄线宽可调谐激光器，其特征在于:包括反射式体布拉格光栅(I)、光栅转台(2)、准直器(3)、增益介质(4)、输出耦合镜(5)、二向色镜(6)、泵浦源(7)、二次曲面镜(8)和平面全反镜(9);所述的反射式体布拉格光栅(I)固定在光栅转台(2)的旋转轴上；反射式体布拉格光栅(I)的法线与光栅转台(2)的旋转轴垂直；光栅转台(2)的旋转轴与二次曲面镜(8)的焦点轴重合；平面全反镜(9)的法线与光栅转台(2)的旋转轴垂直，与二次曲面镜的轴线平行；二向色镜(6)与水平方向呈45°角；泵浦源(7)发射的泵浦光依次通过二向色镜(6)、输出耦合镜(5)、增益介质(4)进入准直器(3)，准直器(3)输出的准直光与RBG的光栅转轴共面，并且准直光的方向与光栅转轴垂直；所述的反射式体布拉格光栅的光谱选择最低可达20pm、角度选择最低可达100 μ rad、绝对衍射效率超过99%、光栅损耗小于2.5%、同时温度稳定性达400°C，在近红外区对连续激光的耐受性高达每平方厘米数万瓦；所述的反射式体布拉格光栅(I)、光栅转台(2)和二次曲面镜(8)构成激光器的光栅选频结构，放在激光器的内部或外部。
2.根据权利要求1所述的一种使用二次曲面镜的高功率窄线宽可调谐激光器，其特征在于:所述的准直器(3)为球面镜或非球面镜或透镜组合。
3.根据权利要求1所述的一种使用二次曲面镜的高功率窄线宽可调谐激光器，其特征在于:所述的增益介质(4)为固体增益介质或气体增益介质或液体增益介质或半导体激光器。
4.根据权利要求1所述的一种使用二次曲面镜的高功率窄线宽可调谐激光器，其特征在于:所述的输出耦合镜(5)是平面镜、或者是平凹镜、或者是柱面镜。
5.根据权利要求1所述的一种使用二次曲面镜的高功率窄线宽可调谐激光器，其特征在于:所述的泵浦源(7)的泵浦方式是端面泵浦或侧面泵浦。
6.根据权利要求1所述的一种使用二次曲面镜的高功率窄线宽可调谐激光器，其特征在于:所述的二次曲面镜(8)为圆柱面曲面全反镜或抛物柱曲面全反镜。
【文档编号】H01S3/105GK103794978SQ201410017838
【公开日】2014年5月14日 申请日期:2014年1月15日 优先权日:2014年1月15日
【发明者】陈浩, 王利, 沈德元, 黄海涛, 刘晓兰 申请人:江苏师范大学