专利名称：新型正交偏振双波长激光器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种新型的能输出两种偏振态相互正交的双波长激光的固体双波长激光器，属于光电子器件领域。
背景技术：
固体双波长激光可广泛应用于非线性频率转换、激光雷达、卫星测距、环境监测、 光动力学医疗以及光谱学研究等领域，特别是在非线性频率转换方面，近年来利用固体双波长激光进行和频或差频已成为获得具有特殊用途新波长激光的重要技术途径，如利用1 微米和1. 3微米双波长激光通过和频产生黄光和橙黄光；若采用波长相近的双波长激光通过差频技术还可获得相干THz辐射波。因此，固体双波长激光的研究日益受到人们的重视， 已成为国内外较为热门的研究课题。迄今为止，所报道的固体双波长激光就偏振特性而言，主要有两种类型，一种是利用各向同性的激光晶体获得的无偏双波长激光，如Nd:YAG晶体发射的1357nm和1444nm 双波长激光；另一种是利用各向异性的激光晶体获得的单一偏振方向双波长激光，如 NdiYAlO3晶体发射的1079nm和1341nm双波长激光。上述无偏或是单一偏振方向的固体双波长激光，在应用中有其局限和不足。如无偏双波长激光，在入射到非线性晶体进行频率转换时，无论是采用I类(e+e = ο或o+o = e)还是II类(o+e = ο或e+o = e)相位匹配， 只有满足相位匹配的激光偏振分量参与和频(或差频)作用，导致频率转换效率较低。尤其是有些非线性晶体，如中小功率方面最具代表性的非线性晶体KTP，在进行频率转换时， 只能采用II类(o+e = ο或e+o = e)相位匹配，无偏或单一偏振方向的固体双波长激光的频率转换效率更是有待于进一步提高。此外，对单一偏振方向的双波长激光进行和频时，产生和频光的同时，还会产生各自的倍频光，直接影响了和频的效率及变频光的光谱纯度。近期我们利用Nd: YAG晶体同时发射的1319nm和1338nm双波长激光进行和频实验时，不管 1319nm和1338nm双波长激光起偏与否，都观察到了 664nm和频光以及659. 5nm和669nm倍频光，三者的比例为 23 16 11 (H. Y. Zhu, G. Zhang, C. H. Huang, Y. Wei, L. X. Huang, Α. H. Li andZ. Q. Chen. "1318.8nm/1338. 2nm simultaneous dual-wavelength Q-switchedNd:YAG laser ",Appl. Phys. B, 90 (2008) 451-454)。因此，如何提高频率转换效率及变频光的光谱纯度，是固体双波长激光在非线性频率转换过程中一个亟待解决的问题。为此，我们设想如果输出的双波长激光的偏振方向相互正交，频率转换时可以采用II类匹配，各偏振分量均能充分参与到和频(或差频)过程中，将有效提高频率转换效率；尤其是在和频时，避免了各自倍频光的产生，可大大提高光谱纯度。此外，双波长激光在光纤通信方面应用广泛。近年来，通信行业发展迅速，信息高速公路正在全球范围内以惊人的速度建立起来。光纤通信技术向着速度高、容量大、可伸缩性好的方向发展。为了增大网络吞吐的容量和速率，有效的解决途径就是采用波分复用 (Wavelength Division Multiplex,WDM)技术。应用这种技术可以在同一根光纤中同时传输两个或多个不同波长光信号。正交偏振双波长激光在光纤波分复用技术中提供了一种新的信号载波激光光源。由于同光路同时发射且偏振方向相互正交，正交偏振双波长激光应用于光纤通信，则不同的光载波信号不仅在发送端容易复合接入，而且在接收端也容易解码分离，这无疑有利于降低光纤通信的成本，有着潜在的应用前景。据我们所知，目前国内外尚未见到有关正交偏振双波长激光输出的研究报道，只有通过频率分裂技术实现同一波长内的大频差正交偏振双频激光的研究。大频差正交偏振双频激光器在绝对距离干涉测量和激光通信等领域具有重要应用。然而，该双频激光实质上是同一激光辐射波长的两个分裂频率模，受增益线宽限制，这种方法获得的正交偏振双频激光的频差最多只能达到固体激光器增益线宽的极限。采用不同能级或分裂子能级跃迁产生的正交偏振双波长激光，不受固体激光器单一谱线增益线宽的限制，可产生更大的频差，拓展其应用。各向异性的固体激光材料丰富的跃迁能级结构为研究并获得正交偏振双波长固体激光提供了可能。它们不同能级或子能级之间的跃迁可产生多种不同偏振不同波长的辐射，是研究正交偏振双波长激光的理想介质。以NchYAW3晶体为例，Nd3+离子常用的两个能级跃迁4F3/2-4I11/2和4Fv2-4Iiv2由于斯塔克能级分裂可产生c偏振的IOSOnm和1341nm辐射以及a偏振的1064nm和1339nm辐射。利用不同能级及其子能级之间的跃迁，可开展多种组合的正交偏振双波长激光研究，如1064nm与1341nm、1080nm与1339nm正交偏振双波长激光的组合，1064nm与1080nm、1339nm与1341nm正交偏振双波长激光的组合。如果不加任何选偏装置，各项异性的激光晶体输出的双波长激光是线偏振激光， 而通过分光和偏振控制，实现正交偏振双波长激光同时同光路输出是完全可能的。
发明内容
本发明的目的是利用目前广泛使用的各向异性的固体激光材料能发射多种不同偏振不同波长辐射的特性，通过合理的腔型设计和偏振控制，开发出一种新型正交偏振双波长激光器，在一台激光器上实现水平偏振的波长一和垂直偏振的波长二两种偏振方向相互正交的双波长激光同时同光路输出。为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案1. 一种新型正交偏振双波长激光器，其特征在于该激光器包括各向异性的掺钕激光晶体；用于泵浦所述激光晶体以使所述激光晶体中的激活离子(Nd3+离子)形成粒子数反转分布的泵浦系统；激活离子跃迁发射水平偏振的波长一和垂直偏振的波长二双波长辐射在其中谐振的光学谐振腔；以及激光装置的冷却系统。2.如项1所述的新型正交偏振双波长激光器，其特征在于所述的光学谐振腔包括直线谐振腔和折叠谐振腔，直线谐振腔由第一反射镜(1)和输出耦合镜(4)组成，折叠谐振腔由第二反射镜(6)和输出耦合镜(4)组成；第一反射镜(1)镀对波长一全反、对波长二高透的介质膜；第二反射镜(6)镀对波长二全反、对波长一高透的介质膜；分光装置(2)插入直线谐振腔内的第一反射镜(1)与激光晶体C3)之间，对波长一增透，对波长二全反；输出耦合镜(4)镀对波长一和波长二部分透过的介质膜；偏振元件( 插入折叠谐振腔内的分光装置( 与第二反射镜(6)之间，对垂直偏振的激光透过；水平偏振的波长一激光在直线谐振腔内振荡；垂直偏振的波长二激光经分光装置( 分光并透过偏振元件( 在折叠谐振腔内振荡；水平偏振的波长一和垂直偏振的波长二正交偏振双波长激光均由输出耦合镜同时同光路输出。3.如项1所述的新型正交偏振双波长激光器，其特征在于所述的各向异性的掺钕激光晶体为而:￥4103、而1￥04、而11^或而:6(^04等晶体。4.如项1所述的新型正交偏振双波长激光器，其特征在于所述的泵浦系统的泵浦源包括能连续改变输入功率或能量的连续、脉冲或重复率脉冲驱动源和作为泵浦灯的氪灯或氙灯。5.如项1所述的新型正交偏振双波长激光器，其特征在于所述的泵浦系统的泵浦源为激光二极管及其驱动源。6.如项1所述的新型正交偏振双波长激光器，其特征在于包括调Q和锁模元件， 产生ns和ps级的调Q和锁模激光。激光晶体(3)吸收泵浦系统(7)的泵浦光，处于激发态，产生水平偏振的波长一激光在第一反射镜(1)和输出耦合镜(4)之间振荡；产生垂直偏振的波长二激光经分光装置 (2)分光并透过偏振元件( 在第二反射镜(6)和输出耦合镜(4)之间振荡，最终偏振方向相互正交的波长一和波长二双波长激光由输出耦合镜同时同光路输出。配以不同模式的驱动源，即可同时同光路输出连续、脉冲或重复率脉冲的波长一和波长二正交偏振双波长激光，满足不同的需求。如需产生ns或ps级的正交偏振双波长激光，只需在腔内插入调Q或锁模元件。对于不同泵浦系统泵浦激光晶体产生的热量，则采用相应的冷却系统来抽取。通过调整直线谐振腔和折叠谐振腔的腔长、腔镜对不同波长的耦合率，可以获得均衡的正交偏振双波长激光输出。采用这种设计，一台激光器输出偏振方向相互正交的双波长激光。相比两台激光器输出线偏振的不同单波长激光，正交偏振双波长激光器仅采用了一根激光棒和一套泵浦及冷却系统，减小了体积，节省了成本。同时，正交偏振双波长激光作为一种新型的激光光源，为获得高功率、高相干和频或差频(THz辐射波)激光提供新的技术途径，能够拓展双波长激光的应用，在非线性频率转换、光纤通信等领域具有广泛的应用前景和使用价值。
附图1，为正交偏振双波长激光器装置的结构示意图1，第一反射镜；2，分光装置；3，激光晶体；4，输出耦合镜；5，偏振元件；6，第二反射镜；7，泵浦系统。
具体实施例方式以下结合附图对本发明做进一步说明，图中1为第一反射镜，镀对波长一全反、对波长二高透的介质膜。2为分光装置，对波长一增透，对波长二全反。3为激光晶体，如Nd: YV04、Nd: YAlO3> NdiGdVO4, Nd: YLF等各向异性的掺钕激光晶体中的一种，激光晶体两端抛光且镀波长一和波长二的增透膜。4为输出耦合镜，镀对波长一和波长二部分透过的介质膜。5为偏振元件，对垂直偏振的激光透过6为第二反射镜，镀对波长二全反、对波长一高透的介质膜。
7为泵浦系统，包括泵浦光源及其驱动电源，可以是能连续改变输入功率或能量的连续、脉冲或重复率脉冲驱动源和作为泵浦灯的氪灯或氙灯、或者是多个激光二极管(LD) 侧面泵浦及其驱动源。下面以b轴切割的Nd = YAlO3激光棒产生1341nm和1064nm正交偏振双波长激光为例说明本发明的具体实施方式
(1341nm谱线的偏振方向平行于NchYAlO3晶体的c轴，在此例中定义1341nm谱线为水平偏振的波长一 ；1064nm谱线的偏振方向平行于Nd: YAlO3晶体的a轴，在此例中定义1064nm谱线为垂直偏振的波长二)。第一反射镜(1)镀对1341nm全反、对1064nm高透的介质膜。分光装置⑵对 1341nm增透，对1064nm全反。激光晶体(3)采用b轴切割的Nd: YAW3激光棒，两端抛光且镀对1341nm和1064nm的增透膜。输出耦合镜(4)镀对1341nm和1064nm部分透过的介质膜。偏振元件( 插入折叠谐振腔内的分光装置( 与第二反射镜(6)之间，对垂直偏振的 1064nm透过。第二反射镜(6)镀对1064nm全反、对1341nm高透的介质膜。泵浦系统(7) 采用氪灯、或氙灯泵浦、或者是多个808nm激光二极管(LD)侧面泵浦。NchYAW3激光棒吸收泵浦系统(7)的泵浦光，处于激发态，产生水平偏振的1341nm激光在第一反射镜(1)和输出耦合镜(4)之间振荡；产生垂直偏振的1064nm激光经分光装置(2)分光并透过偏振元件(5)在第二反射镜(6)和输出耦合镜(4)之间振荡，最终1341nm和1064nm正交偏振双波长激光由输出耦合镜同时同光路输出。配以不同模式的驱动源，即可同时同光路输出不同模式的1341nm和1064nm正交偏振双波长激光。如需产生ns或ps级的正交偏振双波长激光，只需在腔内插入1341nm和1064nm波长的调Q或锁模元件。
权利要求
1.一种新型正交偏振双波长激光器，其特征在于该激光器包括各向异性的掺钕激光晶体；用于泵浦所述激光晶体以使所述激光晶体中的激活离子形成粒子数反转分布的泵浦系统；激活离子跃迁发射水平偏振的波长一和垂直偏振的波长二双波长辐射在其中谐振的光学谐振腔；以及激光装置的冷却系统。
2.如权利要求1所述的新型正交偏振双波长激光器，其特征在于所述的光学谐振腔包括直线谐振腔和折叠谐振腔，直线谐振腔由第一反射镜(1)和输出耦合镜(4)组成，折叠谐振腔由第二反射镜(6)和输出耦合镜(4)组成；第一反射镜(1)镀对波长一全反、对波长二高透的介质膜；第二反射镜(6)镀对波长二全反、对波长一高透的介质膜；分光装置(2) 插入直线谐振腔内的第一反射镜(1)与激光晶体C3)之间，对波长一增透，对波长二全反； 输出耦合镜(4)镀对波长一和波长二部分透过的介质膜；偏振元件( 插入折叠谐振腔内的分光装置( 与第二反射镜(6)之间，对垂直偏振的激光透过；水平偏振的波长一激光在直线谐振腔内振荡；垂直偏振的波长二激光经分光装置( 分光并透过偏振元件( 在折叠谐振腔内振荡；水平偏振的波长一和垂直偏振的波长二正交偏振双波长激光均由输出耦合镜同时同光路输出。
3.如权利要求1所述的新型正交偏振双波长激光器，其特征在手所述的各向异性的掺钕激光晶体为而:￥4103、而1￥04、而11^或而:6(^04等晶体。
4.如权利要求1所述的新型正交偏振双波长激光器，其特征在于所述的泵浦系统的泵浦源包括能连续改变输入功率或能量的连续、脉冲或重复率脉冲驱动源和作为泵浦灯的氪灯或氙灯。
5.如权利要求1所述的新型正交偏振双波长激光器，其特征在于所述的泵浦系统的泵浦源为激光二极管及其驱动源。
6.如权利要求1所述的新型正交偏振双波长激光器，其特征在于包括调Q和锁模元件，产生ns和ps级的调Q和锁模激光。
全文摘要
一种新型正交偏振双波长激光器，采用具有多通道跃迁性质的各向异性的掺钕激光晶体，实现水平偏振的波长一和垂直偏振的波长二两种偏振方向相互正交的双波长激光的连续、脉冲或重复率脉冲激光器，属新型激光器。该激光器包括各向异性的掺钕激光晶体，如Nd:YAlO3、Nd:YVO4、Nd:YLF或Nd:GdVO4等晶体；用于泵浦所述激光晶体以使所述激光晶体中的激活离子(Nd3+离子)形成粒子数反转分布的泵浦系统；以及激活离子跃迁发射水平偏振的波长一和垂直偏振的波长二双波长辐射在其中谐振的光学谐振腔。最终水平偏振的波长一和垂直偏振的波长二正交偏振双波长激光均由同一输出耦合镜同时同光路输出。正交偏振双波长激光器提供一种新型的激光光源，为获得高功率、高相干和频或差频(THz辐射波)激光提供新的技术途径，能够拓展双波长激光的应用，在非线性频率转换、光纤通信等领域具有广泛的应用前景和使用价值。
文档编号H01S3/16GK102195229SQ201010116330
公开日2011年9月21日 申请日期2010年3月2日 优先权日2010年3月2日
发明者张戈, 朱海永, 魏勇, 黄凌雄, 黄呈辉 申请人:中国科学院福建物质结构研究所