基于扭转模技术的单掺Ho:YAG可调谐单纵模激光器的制造方法
【专利摘要】基于扭转模技术的单掺Ho:YAG可调谐单纵模激光器，涉及单纵模激光器领域。目的在于实现高效率、高功率、可调谐的连续单纵模2μm激光输出。基于扭转模技术的单掺Ho:YAG可调谐单纵模激光器包括Tm:YLF激光器、泵浦光耦合系统和激光振荡器，Tm:YLF激光器发射出波长为1908nm的Tm:YLF泵浦光，该泵浦光入射至泵浦光耦合系统，泵浦光耦合系统将泵浦光进行耦合后入射至激光振荡器，激光振荡器形成激光振荡后输出单纵模激光。本发明适用于生成连续单纵模2μm激光输出。
【专利说明】基于扭转模技术的单掺Ho: YAG可调谐单纵模激光器
【技术领域】
[0001] 本发明涉及单纵模激光器领域。
【背景技术】
[0002] 由于具有相干性好、线宽窄、频率稳定等特点，单纵模激光器广泛的应用于光学频 标、精细光谱测量、相干通信、激光雷达等领域。而2μπι波段激光处于人眼安全波段和大气 的弱吸收带，因此2 μ m波段单纵模激光器在军事、医疗、科学研究等诸多领域显示出越来 越广泛的应用前景。目前，获得单纵模激光输出的主要技术方案包括：短腔法、F-P标准具 法、单向环形腔法、耦合腔法、扭转模法。其中，扭转模方法可以在获得较高单纵模激光功率 的同时，配合F-P标准具实现单纵模激光的调谐，是获得连续单纵模激光输出理想的技术 方案。激光二极管直接泵浦的Tm，Ho共掺激光器及单掺Tm激光器是目前获得2 μ m波段激 光的主要技术途径。单掺Tm激光器虽然结构紧凑，但单掺Tm晶体发射截面小、热效应严重， 从而导致单掺Tm激光器增益较小、效率较低、热稳定性较差。Tm，Ho共掺激光器在常温条件 下激光下能级上有粒子数布居，离子间的能量转移导致Ho离子上转换和再吸收损耗非常 大，导致Tm，Ho共掺激光器的输出功率和效率受到极大的限制。为了在常温条件下获得高 功率和高效率2 μ m激光需要摒弃敏化粒子对2 μ m激光器的影响，消除上转换和再吸收损 耗的影响。因此，采用单掺Tm激光直接泵浦单掺Ho晶体是常温条件下获得高效率2 μ m激 光输出理想的技术途径。使用1. 9 μ m激光作为泵浦源，运转在2 μ m波段的单掺Ho激光器 属于准二能级激光系统，其对工作温度不敏感，热透镜效应较弱；量子损耗小，可获得较高 的激光增益；不存在Tm 3+与Ho3+之间的驰豫过程，上转换效应小。
【发明内容】
[0003] 本发明提出了一种基于扭转模技术的单掺Ho:YAG可调谐单纵模激光器，目的在 于实现高效率、高功率、可调谐的连续单纵模2 μ m激光输出。
[0004] 基于扭转模技术的单掺H〇:YAG可调谐单纵模激光器包括Tm:YLF激光器、泵浦光 耦合系统和激光振荡器，Tm:YLF激光器发射出波长为1908nm的Tm:YLF泵浦光，该泵浦光 入射至泵浦光耦合系统，泵浦光耦合系统将泵浦光进行耦合后入射至激光振荡器，激光振 荡器形成激光振荡后输出单纵模激光。
[0005] 泵浦光耦合系统包括第一变换透镜和第二变换透镜，Tm:YLF激光器发射出泵浦光 依次经过第一变换透镜和第二变换透镜后入射至激光振荡器。
[0006] 激光振荡器包括输入镜、第一四分之一波片、Ho:YAG晶体、第二四分之一波片、起 偏元件、波长调谐元件和输出耦合镜，所述输入镜和输出耦合镜构成激光器谐振腔，泵浦光 耦合系统发射出的泵浦光经输入镜入射至Ho:YAG晶体，Ho:YAG晶体的出射光入射至起偏 元件，起偏元件将该出射光转变为线偏振光后入射至波长调谐元件，线偏振光经波长调谐 元件入射至输出耦合镜，在H 〇:YAG晶体的前、后同轴加第一四分之一波片和第二四分之一 波片，输出耦合镜将该线偏振光经起偏元件和波长调谐元件部分反射至第二四分之一波 片，第二四分之一波片将线偏振光转变为左旋圆偏振光后入射至Ho: YAG晶体，Ho: YAG晶体 的出射光入射至第一四分之一波片，第一四分之一波片将该出射光转变为线偏振光后入射 至输入镜，输入镜将该线偏振光反射回第一四分之一波片，第一四分之一波片将线偏振光 转变为右旋圆偏振光后入射至H 〇:YAG晶体，H〇:YAG晶体的出射光经第二四分之一波片和 起偏元件转变为线偏振光，该线偏振光经波长调谐元件后由输出耦合镜部分透射，输出耦 合镜部分透射的线偏振光即为单纵模激光。
[0007] 有益效果：本发明选用Ho:YAG晶体作为激光工作介质，利用两个四分之一波片， 采用扭转模技术消除Ho: YAG激光器空间烧孔效应，从而获得高功率、高效率2 μ m单纵模激 光，并利用F-P标准具实现Ho: YAG单纵模激光器的可调谐激光输出，为精细光谱测量和激 光雷达等应用领域提供了 一种性能优良的激光光源。
【专利附图】
【附图说明】
[0008] 图1为基于扭转模技术的单掺Ho:YAG可调谐单纵模激光器的原理示意图。
【具体实施方式】
【具体实施方式】 [0009] 一、结合图1说明本，本所述的基于扭 转模技术的单掺H 〇:YAG可调谐单纵模激光器包括Tm:YLF激光器、泵浦光耦合系统和激光 振荡器，Tm:YLF激光器发射出波长为1908nm的Tm:YLF泵浦光，该泵浦光入射至泵浦光耦 合系统，泵浦光耦合系统将泵浦光进行耦合后入射至激光振荡器，激光振荡器形成激光振 荡后输出单纵模激光。
【具体实施方式】 [0010] 二、结合图1说明本，本与具体实施方 式一所述的基于扭转模技术的单掺Ho:YAG可调谐单纵模激光器的区别在于，泵浦光f禹合 系统包括第一变换透镜8和第二变换透镜9, Tm:YLF激光器发射出泵浦光依次经过第一变 换透镜8和第二变换透镜9后入射至激光振荡器。
[0011]
【具体实施方式】三、本【具体实施方式】与【具体实施方式】二所述的基于扭转模技术的单 掺Ho: YAG可调谐单纵模激光器的区别在于，所述第一变换透镜8和第二变换透镜9的外表 面均镀有泵浦光高透膜。
[0012]
【具体实施方式】四、结合图1说明本【具体实施方式】，本【具体实施方式】与具体实施方 式二所述的基于扭转模技术的单掺Ho:YAG可调谐单纵模激光器的区别在于，所述激光振 荡器包括输入镜1、第一四分之一波片2、Ho:YAG晶体3、第二四分之一波片4、起偏兀件5、 波长调谐兀件6和输出f禹合镜7,所述输入镜1和输出f禹合镜7构成激光器谐振腔，泵浦光 耦合系统发射出的泵浦光经输入镜1入射至Ho:YAG晶体3,Ho:YAG晶体3的出射光入射至 起偏元件5,起偏元件5将该出射光转变为线偏振光后入射至波长调谐元件6,线偏振光经 波长调谐元件6入射至输出耦合镜7,在H 〇:YAG晶体3的前、后同轴加第一四分之一波片2 和第二四分之一波片4,输出耦合镜7将该线偏振光经起偏元件5和波长调谐元件6部分 反射至第二四分之一波片4,第二四分之一波片4将线偏振光转变为左旋圆偏振光后入射 至H 〇:YAG晶体3, H〇:YAG晶体3的出射光入射至第一四分之一波片2,第一四分之一波片 2将该出射光转变为线偏振光后入射至输入镜1，输入镜1将该线偏振光反射回第一四分之 一波片2,第一四分之一波片2将线偏振光转变为右旋圆偏振光后入射至H 〇:YAG晶体3， H〇:YAG晶体3的出射光经第二四分之一波片4和起偏元件5转变为线偏振光，该线偏振光 经波长调谐元件6后由输出耦合镜7部分透射，输出耦合镜7部分透射的线偏振光即为单 纵模激光。
[0013] 本实施方式中，由于两个四分之一波片射出的圆偏振光的旋转方向不同，因此，当 左旋圆偏振光与右旋圆偏振光在Ho :YAG晶体3中相遇时，它们之间存在着/4的相位差， 使H〇:YAG晶体3中形成均匀的能量分布，从而消除激光器空间烧孔效应的影响，最终实现 单纵模激光输出；在Tm:YLF激光器的泵浦功率为15W时，可获得最高功率为1W的连续线偏 振单纵模2 μ m激光。
[0014] 通过改变波长调谐元件6的角度达到改变激光器谐振腔损耗的目的，实现H〇:YAG 单纵模激光器的调谐。
[0015] 激光器谐振腔的长度为160mm-180mm。
【具体实施方式】 [0016] 五、本与四所述的基于扭转模技术的单 掺Ho: YAG可调谐单纵模激光器的区别在于，所述输入镜1表面镀有泵浦光高透且振荡光高 反膜。
【具体实施方式】 [0017] 六、本与四所述的基于扭转模技术的单 掺H〇:YAG可调谐单纵模激光器的区别在于，第一四分之一波长的表面、第二四分之一波长 的表面及H 〇:YAG晶体3两端均镀有泵浦光及振荡光高透膜。
【具体实施方式】 [0018] 七、本与四所述的基于扭转模技术的单 掺H〇:YAG可调谐单纵模激光器的区别在于，输出耦合镜7的表面镀有泵浦光高透且振荡光 透射率为2 %的介质膜。
[0019]
【具体实施方式】八、本【具体实施方式】与【具体实施方式】四或七所述的基于扭转模技术 的单掺Ho: YAG可调谐单纵模激光器的区别在于，输出耦合镜7为曲率半径为200mm的平凹 镜。
【具体实施方式】 [0020] 九、本与四所述的基于扭转模技术的单 掺Ho:YAG可调谐单纵模激光器的区别在于，起偏元件5采用0. 5_厚F-P标准具实现。
[0021] 【具体实施方式】十、本【具体实施方式】与【具体实施方式】四所述的基于扭转模技术的单 掺Ho:YAG可调谐单纵模激光器的区别在于，波长调谐元件6采用1_厚F-P标准具实现。
【权利要求】
1. 基于扭转模技术的单掺H〇:YAG可调谐单纵模激光器，其特征在于，它包括Tm:YLF激 光器、泵浦光耦合系统和激光振荡器，Tm:YLF激光器发射出波长为1908nm的Tm:YLF泵浦 光，该泵浦光入射至泵浦光耦合系统，泵浦光耦合系统将泵浦光进行耦合后入射至激光振 荡器，激光振荡器形成激光振荡后输出单纵模激光。
2. 根据权利要求1所述的基于扭转模技术的单掺H〇:YAG可调谐单纵模激光器，其特征 在于，泵浦光耦合系统包括第一变换透镜（8)和第二变换透镜（9)，Tm:YLF激光器发射出泵 浦光依次经过第一变换透镜（8)和第二变换透镜（9)后入射至激光振荡器。
3. 根据权利要求2所述的基于扭转模技术的单掺Ho:YAG可调谐单纵模激光器，其特征 在于，所述第一变换透镜（8)和第二变换透镜（9)的外表面均镀有泵浦光高透膜。
4. 根据权利要求2所述的基于扭转模技术的单掺H〇:YAG可调谐单纵模激光器，其特 征在于，所述激光振荡器包括输入镜（1)、第一四分之一波片（2)、Ho:YAG晶体（3)、第二四 分之一波片（4)、起偏元件（5)、波长调谐元件（6)和输出耦合镜（7)，所述输入镜（1)和 输出耦合镜（7)构成激光器谐振腔，泵浦光耦合系统发射出的泵浦光经输入镜（1)入射至 H〇:YAG晶体（3)，H〇:YAG晶体⑶的出射光入射至起偏元件（5)，起偏元件（5)将该出射光 转变为线偏振光后入射至波长调谐元件￠)，线偏振光经波长调谐元件（6)入射至输出耦 合镜（7)，在Ho:YAG晶体（3)的前、后同轴加第一四分之一波片（2)和第二四分之一波片 (4)，输出耦合镜（7)将该线偏振光经起偏元件（5)和波长调谐元件（6)部分反射至第二四 分之一波片（4)，第二四分之一波片（4)将线偏振光转变为左旋圆偏振光后入射至H 〇:YAG 晶体（3)，H〇:YAG晶体（3)的出射光入射至第一四分之一波片（2)，第一四分之一波片（2) 将该出射光转变为线偏振光后入射至输入镜（1)，输入镜（1)将该线偏振光反射回第一四 分之一波片（2)，第一四分之一波片（2)将线偏振光转变为右旋圆偏振光后入射至H 〇:YAG 晶体（3)，H〇:YAG晶体（3)的出射光经第二四分之一波片（4)和起偏元件（5)转变为线偏 振光，该线偏振光经波长调谐元件（6)后由输出耦合镜（7)部分透射，输出耦合镜（7)部分 透射的线偏振光即为单纵模激光。
5. 根据权利要求4所述的基于扭转模技术的单掺H〇:YAG可调谐单纵模激光器，其特征 在于，所述输入镜（1)表面镀有泵浦光高透且振荡光高反膜。
6. 根据权利要求4所述的基于扭转模技术的单掺Ho: YAG可调谐单纵模激光器，其特征 在于，第一四分之一波长的表面、第二四分之一波长的表面及H〇:YAG晶体（3)两端均镀有 泵浦光及振荡光高透膜。
7. 根据权利要求4所述的基于扭转模技术的单掺H〇:YAG可调谐单纵模激光器，其特征 在于，输出耦合镜（7)的表面镀有泵浦光高透且振荡光透射率为2%的介质膜。
8. 根据权利要求4或7所述的基于扭转模技术的单掺Ho: YAG可调谐单纵模激光器，其 特征在于，输出耦合镜（7)为曲率半径为200mm的平凹镜。
9. 根据权利要求4所述的基于扭转模技术的单掺H〇:YAG可调谐单纵模激光器，其特征 在于，起偏元件（5)采用0. 5mm厚F-P标准具实现。
10. 根据权利要求4所述的基于扭转模技术的单掺Ho:YAG可调谐单纵模激光器，其特 征在于，波长调谐元件（6)采用1_厚F-P标准具实现。
【文档编号】H01S3/106GK104158083SQ201410457753
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年9月10日 优先权日:2014年9月10日
【发明者】戴通宇, 姚宝权, 刘伟, 鞠有伦, 王月珠 申请人:哈尔滨工业大学