专利名称：波长可调谐的双波长外腔共振激光频率转换装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及激光频率转换、扫描及锁定技术，具体是一种波长可调谐的双波长外 腔共振激光频率转换装置。
背景技术：
对于应用于特殊用途的特定波长激光，可以通过染料激光器、气体激光器来获得， 但是由于这两者系统过于庞大，而且效率较低，价格昂贵，寿命较短等特点，很少被采用。半 导体激光器和光纤激光器在近几十年的发展中由于其结构和操作简单且运行稳定的特点 被广泛的应用到各个领域，但是其输出波长主要位于近红外或者中远红外波段，很少能单 独实现紫外或者可见光的直接输出。基于这两种激光器，通过非线性频率转换技术几乎可 以获得从紫外到近红外任意波长的激光。双波长外腔共振技术被广泛地应用在非线性频率转换过程中，其具体是通过将非 线性晶体放置在光学腔内，利用光学腔的光强放大以及光束优化获得光束质量和频率转换 效率较高的频率转换激光输出。非线性晶体是进行频率转换的主要器件，目前常用的非线 性晶体包括ΚΤΡ、ΒΒ0, LBO以及周期极化晶体如PPLN、PPKTP等。对激光波长的调谐是激光器应用的一个重要功能，由于其波长可以连续变化，能 被广泛的应用到光谱学、气体污染检测、信息处理和通信以及医学检测等领域。基于双波长 外腔共振技术获得频率转换激光输出后，需要对频率转换激光的输出频率进行扫描，然而 目前尚无一种能够对基于双波长外腔共振技术获得的频率转换激光的输出频率进行扫描 的装置。
发明内容
本发明为了解决目前尚无一种能够对基于双波长外腔共振技术获得的频率转换 激光的输出频率进行扫描的装置的问题，提供了一种波长可调谐的双波长外腔共振激光频 率转换装置。本发明是采用如下技术方案实现的波长可调谐的双波长外腔共振激光频率转换 装置，包括函数发生器、位于函数发生器信号输出端的第一激光器、第一匹配透镜、第一二 分之一波片、第二激光器、第二匹配透镜、第二二分之一波片、非线性晶体、以及“8”字环形 腔；所述“8”字环形腔包括第一腔镜、第二腔镜、第三腔镜、第四腔镜、压电陶瓷；其中，第一 腔镜、第二腔镜位于同一直线上；第三腔镜、第四腔镜、非线性晶体位于同一直线上；压电 陶瓷固定于第二腔镜外表面；第一腔镜的反射端设有第一 HC锁频系统；所述第一 HC锁频 系统包括第一四分之一波片、第一偏振分束棱镜、第一光电探测器、第二光电探测器、第一 减法器；其中，第一四分之一波片位于第一腔镜的反射端，第一偏振分束棱镜位于第一四分 之一波片的透射端，第一光电探测器、第二光电探测器分别位于第一偏振分束棱镜的两输 出端，第一减法器的两输入端分别连接第一光电探测器的输出端和第二光电探测器的输出 端；第三腔镜的反射端设有第二 HC锁频系统；所述第二 HC锁频系统包括第二四分之一波
3片、第二偏振分束棱镜、第三光电探测器、第四光电探测器、第二减法器；其中，第二四分之 一波片位于第三腔镜的反射端，第二偏振分束棱镜位于第二四分之一波片的透射端，第三 光电探测器、第四光电探测器分别位于第二偏振分束棱镜的两输出端，第二减法器的两输 入端分别连接第三光电探测器的输出端和第四光电探测器的输出端；第一减法器的输出端 连接有第一电子伺服系统，第一电子伺服系统的输出端与压电陶瓷的输入端相连；第二减 法器的输出端连接有第二电子伺服系统，第二电子伺服系统的输出端与第二激光器的调制 端口相连；第四腔镜的透射端设有第一共焦FP腔，第一激光器的出射端设有部分反射镜， 部分反射镜的透射端设有第二共焦FP腔。工作时，第一激光器出射的激光通过第一匹配透镜、第一二分之一波片后耦合到 “8”字环形腔中，其由第一腔镜入射，先后经过第二腔镜、第三腔镜、第四腔镜后行进一周返 回到第一腔镜与入射光束重合。第一腔镜对激光具有一定的透射率，“8”字环形腔由第一腔 镜反射的光束通过第一四分之波片和第一偏振分束棱镜后，被第一光电探测器和第二光电 探测器探测到，两光电探测器将光强转化为电信号输入第一减法器，产生的误差信号由第 一电子伺服系统反馈到压电陶瓷，压电陶瓷根据误差信号来伸缩以调节环形腔腔长，使“8” 字环形腔的本征模频率与第一激光器的输出频率一致。第二激光器出射的激光同样经过第 二匹配透镜、第二二分之一波片后耦合到“8”字环形腔中，其由第三腔镜入射，先后经过第 四腔镜、第一腔镜、第二腔镜后行进一周返回到第三腔镜与入射光束重合。第三腔镜对第二 激光器出射的激光具有一定的透射率，“8”字环形腔由第三腔镜反射的光束通过第二四分 之波片和第二偏振分束棱镜后，被第三光电探测器和第四光电探测器探测到，两光电探测 器将光强转化为电信号输入第二减法器，产生的误差信号由第二电子伺服系统反馈到第二 激光器的谐振腔，以此来改变第二激光器的输出频率并使之与腔共振，由此第一激光器的 输出频率与第二激光器的输出频率之间形成了级联锁定。当“8”字环形腔内两束激光完全 重合且晶体设计以及温度控制保证最佳的相位匹配时，第一激光器出射的激光和第二激光 器出射的激光在非线性晶体中经过非线性光学频率转换效应会产生频率转换激光。根据激 光频率与“8”字环形腔腔长之间的对应关系以及频率转换公式可知，如果改变第一激光器 的输出频率，环形腔腔长会随之变化，第二激光器的输出频率也会随腔长的变化而变化，因 此得到的频率转换激光频率也会发生变化，从而实现频率转换激光的可调谐输出。第一激 光器的输出频率与第二激光器的输出频率之间通过“8”字环形腔形成级联锁定，通过非线 性晶体获得频率转换激光输出后，由函数发生器产生一个三角波扫描信号输入到第一激光 器的调制端口，以此实现对第一激光器的输出频率的扫描，其频率扫描的范围通过第二共 焦FP腔测得；同时，频率转换激光的频率就会随着第一激光器的输出频率进行扫描，其频 率扫描的范围通过第一共焦FP腔测得。非线性晶体是进行频率转换的主要器件，目前常用的非线性晶体包括ΚΤΡ、ΒΒ0、 LBO以及周期极化晶体如PPLN、PPKTP等。在频率转换过程中，可以采用I类温度匹配或者 II类角度匹配来实现准相位匹配。此外，本发明不仅可以基于HC (Hansch-Couillaud)锁 频技术来实现，同样也可基于PDH (Pound-Drever-Hall)等锁频技术来实现。本发明解决了目前尚无一种能够对基于双波长外腔共振技术获得的频率转换激 光的输出频率进行扫描的装置的问题，其方法及装置适用于和频、倍频、差频等各种频率转 换过程。
图1为本发明的结构示意图。图2为本发明的和频光与半导体激光器的频率扫描输出的关系图。图1中1-函数发生器，2-第一激光器，3-第一匹配透镜，4-第一二分之一波片， 5-第二激光器，6-第二匹配透镜，7-第二二分之一波片，8-第一腔镜，9-第二腔镜，10-第 三腔镜，11-第四腔镜，12-压电陶瓷，13-第一四分之一波片，14-第一偏振分束棱镜，15-第 一光电探测器，16-第二光电探测器，17-第一减法器，18-第一电子伺服系统，19-第二四分 之一波片，20-第二偏振分束棱镜，21-第三光电探测器，22-第四光电探测器，23-第二减法 器，24-第二电子伺服系统，25-非线性晶体，26-第一共焦FP腔，27-第二共焦FP腔，28-部 分反射镜。图2中(a)为函数发生器输出的扫描电压信号；(b)为第二共焦FP腔测得的 938rmm半导体激光器的频率扫描输出；(c)第一共焦FP腔测得的589nm和频光的频率扫描 输出。
具体实施例方式波长可调谐的双波长外腔共振激光频率转换装置，包括函数发生器1、位于函数发 生器ι信号输出端的第一激光器2、第一匹配透镜3、第一二分之一波片4、第二激光器5、第 二匹配透镜6、第二二分之一波片7、非线性晶体25、以及“8”字环形腔；所述“8”字环形腔 包括第一腔镜8、第二腔镜9、第三腔镜10、第四腔镜11、压电陶瓷12 ；其中，第一腔镜8、第 二腔镜9位于同一直线上；第三腔镜10、第四腔镜11、非线性晶体25位于同一直线上；压电 陶瓷12固定于第二腔镜9外表面；
第一腔镜8的反射端设有第一 HC锁频系统；所述第一 HC锁频系统包括第一四分之一 波片13、第一偏振分束棱镜14、第一光电探测器15、第二光电探测器16、第一减法器17 ；其 中，第一四分之一波片13位于第一腔镜8的反射端，第一偏振分束棱镜14位于第一四分之 一波片13的透射端，第一光电探测器15、第二光电探测器16分别位于第一偏振分束棱镜 14的两输出端，第一减法器17的两输入端分别连接第一光电探测器15的输出端和第二光 电探测器16的输出端；
第三腔镜10的反射端设有第二 HC锁频系统；所述第二 HC锁频系统包括第二四分之一 波片19、第二偏振分束棱镜20、第三光电探测器21、第四光电探测器22、第二减法器23 ；其 中，第二四分之一波片19位于第三腔镜10的反射端，第二偏振分束棱镜20位于第二四分 之一波片19的透射端，第三光电探测器21、第四光电探测器22分别位于第二偏振分束棱镜 20的两输出端，第二减法器23的两输入端分别连接第三光电探测器21的输出端和第四光 电探测器22的输出端；
第一减法器17的输出端连接有第一电子伺服系统18，第一电子伺服系统18的输出端 与压电陶瓷12的输入端相连；第二减法器23的输出端连接有第二电子伺服系统24，第二 电子伺服系统24的输出端与第二激光器5的调制端口相连；
第四腔镜11的透射端设有第一共焦FP腔26，第一激光器2的出射端设有部分反射镜 28，部分反射镜28的透射端设有第二共焦FP腔27。
5
具体实施时，以和频过程为例，第一激光器2为938nm半导体激光器，第二激光器5 为1583nm光纤激光器，非线性晶体25为LLPN晶体。基于双波长外腔共振技术，通过LLPN 晶体获得589nm的和频光输出。如图2所示，(a)为函数发生器输出的扫描电压信号，扫描 频率为1Hz，扫描幅度为5V ； (b)为第二共焦FP腔测得的938rmm半导体激光器的频率扫描 输出，其扫描范围约为319MHZ;(c)为第一共焦FP腔测得的589nm和频光的频率扫描输出， 其扫描范围约为509MHZ。这里采用的扫描频率都为1Hz，由于频率锁定带宽的限制，当增加 扫描频率后，由于锁频回路没有足够大的增益而极易失锁。频率越小，其扫描范围越大，在 IHz的扫描频率下，对和频光的扫描范围大于1. 5GHz。
权利要求
一种波长可调谐的双波长外腔共振激光频率转换装置，其特征在于包括函数发生器(1)、位于函数发生器(1)信号输出端的第一激光器(2)、第一匹配透镜(3)、第一二分之一波片(4)、第二激光器(5)、第二匹配透镜(6)、第二二分之一波片(7)、非线性晶体(25)、以及“8”字环形腔；所述“8”字环形腔包括第一腔镜(8)、第二腔镜(9)、第三腔镜(10)、第四腔镜(11)、压电陶瓷(12)；其中，第一腔镜(8)、第二腔镜(9)位于同一直线上；第三腔镜(10)、第四腔镜(11)、非线性晶体(25)位于同一直线上；压电陶瓷(12)固定于第二腔镜(9)外表面；第一腔镜(8)的反射端设有第一HC锁频系统；所述第一HC锁频系统包括第一四分之一波片(13)、第一偏振分束棱镜(14)、第一光电探测器(15)、第二光电探测器(16)、第一减法器(17)；其中，第一四分之一波片(13)位于第一腔镜(8)的反射端，第一偏振分束棱镜(14)位于第一四分之一波片(13)的透射端，第一光电探测器(15)、第二光电探测器(16)分别位于第一偏振分束棱镜(14)的两输出端，第一减法器(17)的两输入端分别连接第一光电探测器(15)的输出端和第二光电探测器(16)的输出端；第三腔镜(10)的反射端设有第二HC锁频系统；所述第二HC锁频系统包括第二四分之一波片(19)、第二偏振分束棱镜(20)、第三光电探测器(21)、第四光电探测器(22)、第二减法器(23)；其中，第二四分之一波片(19)位于第三腔镜(10)的反射端，第二偏振分束棱镜(20)位于第二四分之一波片(19)的透射端，第三光电探测器(21)、第四光电探测器(22)分别位于第二偏振分束棱镜(20)的两输出端，第二减法器(23)的两输入端分别连接第三光电探测器(21)的输出端和第四光电探测器(22)的输出端；第一减法器(17)的输出端连接有第一电子伺服系统(18)，第一电子伺服系统(18)的输出端与压电陶瓷(12)的输入端相连；第二减法器(23)的输出端连接有第二电子伺服系统(24)，第二电子伺服系统(24)的输出端与第二激光器(5)的调制端口相连；第四腔镜11的透射端设有第一共焦FP腔(26)，第一激光器(2)的出射端设有部分反射镜(28)，部分反射镜(28)的透射端设有第二共焦FP腔(27)。
全文摘要
本发明涉及激光频率转换、扫描及锁定技术，具体是一种波长可调谐的双波长外腔共振激光频率转换装置。本发明解决了目前尚无一种能够对基于双波长外腔共振技术获得的频率转换激光的输出频率进行扫描的装置的问题。波长可调谐的双波长外腔共振激光频率转换装置包括函数发生器、位于函数发生器信号输出端的第一激光器、第一匹配透镜、第一二分之一波片、第二激光器、第二匹配透镜、第二二分之一波片、非线性晶体、以及“8”字环形腔。本发明解决了目前尚无一种能够对基于双波长外腔共振技术获得的频率转换激光的输出频率进行扫描的装置的问题，其方法及装置适用于和频、倍频、差频等各种频率转换过程。
文档编号H01S3/109GK101916961SQ20101024120
公开日2010年12月15日 申请日期2010年7月31日 优先权日2010年7月31日
发明者尹王保, 李志新, 肖连团, 贾锁堂, 闫晓娟, 马维光 申请人:山西大学