一种基于能级跳变的可变波长激光器的制造方法
【专利摘要】本发明提供一种基于能级跳变的可变波长激光器，包括半导体激光泵浦系统和用于形成激光振荡的光学谐振腔；所述的光学谐振腔内沿光路同时依序放置具有准三能级结构的激光晶体，调制偏振态的偏振元件，以及相位延迟片。本发明利用激光晶体的能级结构特征，借助偏振元件和相位延迟片组合装置实现激光下能级的选择；激光器输出波长和功率只在下能级跳变时发生变化，调制元件的微小变化则不会引起激光波长和功率的变化，从而使激光器稳定性大大提高。
【专利说明】一种基于能级跳变的可变波长激光器
【技术领域】
[0001]本发明涉及固体激光领域，特别是一种基于能级跳变的可变波长激光器。
【背景技术】
[0002]全固态激光器(DPSSL,Diode Pumped Solid State Laser)是激光技术的重要发展方向之一。全固态激光器具有效率高、性能可靠、重量轻、结构简单紧凑、输出光束质量好，功率稳定性较高和价格低等实用化的优点。这些独特的优势使其拥有广阔的应用前景；小到微纳加工、视网膜治疗，大到汽车、钻井机、航天航空制造。同时，它已渗透至各个学科领域，包括半导体物理、激光晶体材料研究、非线性晶体材料研究、激光信息存储、激光材料加工、激光医学及生物学、激光投影显示及军用激光技术等，极大地促进了这些领域的技术进
止/J/ O
[0003]可变波长激光器具有广泛的应用前景，可用于光谱学、光化学、医学、生物学、集成光学、污染监测、半导体材料加工、信息处理和通信等。可变波长激光器与可调谐激光器具有相似性，但其主要的区别在于输出波长调节的连续性。后者是指在一定范围内可以连续改变激光输出波长的激光器；前者的输出波长调节则是非连续的、跳跃变化的。
[0004]大多数可调谐激光器都使用具有宽的荧光谱线的工作物质。构成激光器的谐振腔只在很窄的波长范围内才有很低的损耗。实现激光波长调谐的原理大致有三种。第一种是通过某些元件(如光栅)改变谐振腔低损耗区所对应的波长来改变激光的波长。第二种是通过改变某些外界参数(如磁场、温度等)使激光跃迁的能级移动。第三种是利用非线性效应实现波长的变换和调谐(如受激喇曼散射、光二倍频，光参量振荡)。属于第一种调谐方式的典型激光器有染料激光器、金绿宝石激光器、色心激光器、可调谐高压气体激光器和可调谐准分子激光器。
[0005]目前为止，所有可调谐激光器都是基于上述三种原理获得的，但是这些方法不能有效地克服调制元件和调制参数的微小变化对激光输出波长和功率的影响，激光器输出波长和功率存在不稳定性。针对这些问题，本发明对此进行了改进，提出了一种基于能级跳变的可变波长激光器。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是提供一种基于能级跳变的可变波长激光器，其可提高激光器输出波长和功率的稳定性。
[0007]为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案:
[0008]一种基于能级跳变的可变波长激光器，包括半导体激光泵浦系统和用于形成激光振荡的光学谐振腔；所述的光学谐振腔内沿光路同时依序放置具有准三能级结构的激光晶体，调制偏振态的偏振元件，以及相位延迟片。
[0009]所述光学谐振腔采用直线谐振腔或折叠谐振腔。
[0010]所述具有准三能级结构的激光晶体采用Nd = YAG晶体、YbiYAG晶体、HoiYAG晶体、TmiYAG晶体、TmiYLF晶体和Er，YbiYAG晶体中的一种；或或采用上述任一晶体并于前端键合对应的基质晶体所获得的复合激光晶体。
[0011]所述半导体激光泵浦系统的发射波长在所述激光晶体中激活离子的强吸收峰附近。
[0012]所述相位延迟片为半波片、四分之一波片或具有相位延迟功能的波片。
[0013]所述偏振元件采用分光棱镜或偏振片。
[0014]所述偏振元件和相位延迟片在光学谐振腔内的位置互换，达到相同效果。
[0015]所述光学谐振腔内于所述激光晶体与所述相位延迟片之间还设置有用以产生ns和ps级的脉冲激光的调Q器件。
[0016]所述调Q器件为电光调Q装置、声光调Q装置、被动调Q元件或可饱和吸收体。
[0017]所述激光晶体和偏振元件由带布鲁斯特切角的激光晶体来替代。
[0018]采用上述方案后，本发明一种基于能级跳变的可变波长激光器，采用具有准三能级结构的激光晶体，选择有效的泵浦系统使激光晶体在光学谐振腔内形成激光振荡并产生基频光；通过在谐振腔内设置偏振元件和相位延迟片的组合装置来控制可变波长激光器的输出特性。本发明利用激光晶体的能级结构特征，借助偏振元件和相位延迟片组合装置实现激光下能级的选择；激光器输出波长和功率只在下能级跳变时发生变化，调制元件的微小变化则不会引起激光波长和功率的变化，从而使激光器稳定性大大提高。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1为本发明实施例一的结构示意图；
[0020]图2为本发明实施例二的结构示意图；
[0021]图3为本发明实施例三的结构示意图；
[0022]图4为本发明实施例四的结构示意图；
[0023]图5为本发明实施例五的结构示意图。
[0024]其中，1:半导体激光器端面泵浦系统；2:输入腔镜；3:激光晶体；4:相位延迟片；5:第一偏振元件；50:第二偏振元件；6:直腔全反镜；7:折叠腔镜；8:折叠腔全反镜；9:带有布鲁斯特切角的激光晶体。
【具体实施方式】
[0025]实施例一:
[0026]本发明一种基于能级跳变的可变波长激光器，实施例一采用单偏振元件的直线腔输出连续可变波长激光。激光器的具体结构如图1所示，包括半导体激光器端面泵浦系统I和用于形成激光振荡的光学谐振腔，由输入腔镜2和直腔全反镜6组成光学谐振腔，此光学谐振腔为直线谐振腔。此光学谐振腔内沿光路同时依序放置激光晶体3、相位延迟片4和第一偏振兀件5。其中:
[0027]半导体激光器端面泵浦系统I由光纤耦合输出的半导体激光器和聚焦透镜组两部分组成(其中半导体激光器可为一个或多个)。采用最大输出功率30W，发射中心波长为940nm，光纤芯径为105 μ m，数值孔径为0.15的半导体泵浦光源，泵浦光经过耦合比为1:2的聚焦透镜组准直聚焦后通过输入腔镜2入射到激光晶体3中。[0028]输入腔镜2镀制对940nm波长的泵浦光增透、对IOOO-1lOOnm波段全反的二色膜
系O
[0029]激光晶体3选用掺镱钇铝石榴石Yb = YAG晶体，尺寸为3X 3X 10mm3，掺杂浓度为4at.%，对应于光路的两个端面均镀有对泵浦光940nm及IOOO-1lOOnm波段的增透膜(透过率大于99.8%)，掺镱钇铝石榴石Yb:YAG晶体的作用是具有准三能级结构特征，并产生基频光。使用时，为了减少激光晶体的热效应和提高转换效率，激光晶体3的侧面(对应于光路的两个端面以外的表面)需采用金属铜块包裹，并通过TEC半导体制冷或水冷装置将其温度控制在温室til围。
[0030]这里，激光晶体3也可采用Nd: YAG晶体、Ho: YAG晶体、Tm: YAG晶体、Tm: YLF晶体和Er，YbiYAG晶体中的一种；或采用上述任一晶体并于前端键合对应的基质晶体所获得的复合激光晶体(如YAG/Nd:YAG)。
[0031]相位延迟片4选用半波片或四分之一波片或具有相位延迟功能的波片，同时在两镜面镀有对IOOO-1lOOnm增透的膜系。
[0032]第一偏振元件5选用对IOOO-1lOOnm增透的薄膜偏振器。一般由K9玻璃或熔石英制造，根据其材料的折射率，可以计算出其布鲁斯特角约为56度。按布鲁斯特角方向放置于谐振腔光路上。
[0033]直腔全反镜6镀制对930-1 IOOnm波段宽带高反的膜系。
[0034]工作时，半导体激光器端面泵浦系统I的泵浦光由输入腔镜2入射到激光晶体3上，被激光晶体3中的激活离子吸收，激光晶体3发射相应波长的基频光并在上述光学谐振腔内振荡，经过第一偏振元件5的调制后产生完美的线偏振光，再通过相位延迟片4使线偏振的基频光的偏振状态发生变化，而偏振状态发生变化的这部分基频光则从第一偏振元件5的反射方向输出连续激光。由于激光晶体3的准三能级结构特征，通过第一偏振元件5和相位延迟片4的组合装置改变光学谐振腔基频光的偏振变化和腔内损耗，激光下能级变化。基频光的输出波长随之改变，并从薄膜偏振器的反射方向输出。本实施例中，为了避免激光增益饱合现象，光学谐振腔内的各光学元件间的距离应当保持紧凑，越短越好。
[0035]实施例二:
[0036]本发明一种基于能级跳变的可变波长激光器，实施例二采用双偏振元件的直线腔输出连续可变波长激光。激光器的具体结构如图2所示，与实施例一的区别仅在于增加了第二偏振元件50，第二偏振元件50同样选用对IOOO-1lOOnm增透的薄膜偏振器，且第二偏振元件50与第一偏振元件5平行设置。这样，所述的光学谐振腔为错位的直线腔结构。
[0037]工作时，半导体激光器端面泵浦系统I的泵浦光由输入腔镜2入射到激光晶体3上，被激光晶体3中的激活离子吸收，激光晶体3发射相应波长的基频光并在光学谐振腔内振荡，经过第一偏振元件5和第二偏振元件50的调制后产生完美的线偏振光，再通过相位延迟片4使线偏振的基频光的偏振状态发生变化，而偏振状态发生变化的这部分基频光则从第一偏振元件5的透射方向输出连续激光。由于激光晶体的准三能级结构特征，借助第一偏振元件5、第二偏振元件50和相位延迟片的组合装置改变腔内基频光的偏振变化和腔内损耗，调节实现激光下能级的选择，实现波长的变化输出。
[0038]其中，第一偏振元件5和第二偏振元件50必须平行放置，它们间的距离一般控制在IOmm左右，使光线能顺利地通过；光学谐振腔光轴与第一偏振元件5的法线成56度。[0039]实施例三:
[0040]本发明一种基于能级跳变的可变波长激光器，实施例三采用单偏振元件的直线腔输出连续可变波长激光。激光器的具体结构如图3所示，包括半导体激光器端面泵浦系统I和用于形成激光振荡的光学谐振腔，由输入腔镜2和折叠腔全反镜8组成光学谐振腔，此光学谐振腔为V型折叠腔结构。此光学谐振腔内沿光路同时依序放置激光晶体3、相位延迟片4、第一偏振兀件5和折叠腔镜7。
[0041]若折叠腔镜7和折叠腔全反镜8为平面镜，折叠腔全反镜8垂直放置于光路上，理论上两者之间的距离越短越好，若插入其他调制元件，可根据实际情况设置。
[0042]若折叠腔镜7和折叠腔全反射镜8为平凹镜，它们的曲率半径一般为100_300mm ；根据ABCD矩阵规则，计算光学谐振腔的稳定区，并确定两者之间的实际距离。其中，为了减小折叠腔镜7引起的像散以保证激光光斑质量，折叠腔镜7的折叠半角一般小于10度。
[0043]其中，半导体激光器端面泵浦系统1、输入腔镜2、激光晶体3、相位延迟片4和第一偏振兀件5的各项要求与实施例一中相同。
[0044]折叠腔镜7在折叠角方向上镀制对IOOO-1lOOnm波段全反的膜系。
[0045]折叠腔全反镜8镀制对IOOO-1lOOnm波段宽带高反的膜系。
[0046]工作时，半导体激光器端面泵浦系统I的泵浦光由激光输入腔镜2入射到激光晶体3上，被激光晶体3中的激活离子吸收，激光晶体3发射相应波长的基频光并在光学谐振腔内振荡，经过第一偏振元件5的调制后产生完美的线偏振光，再通过相位延迟片4使线偏振的基频光的偏振状态发生变化，而偏振状态发生变化的这部分基频光则从第一偏振元件5的反射方向输出连续激光。由于激光晶体3的准三能级结构特征，借助第一偏振元件5和相位延迟片4的组合装置改变腔内基频光的偏振变化和腔内损耗，则激光下能级变化，实现波长的变化输出。
[0047]实施例四:
[0048]本发明一种基于能级跳变的可变波长激光器，实施例四采用双偏振元件的直线腔输出连续可变波长激光。激光器的具体结构如图4所示，与实施例三的区别仅在于增加了第二偏振元件50，第二偏振元件50同样选用对IOOO-1lOOnm增透的薄膜偏振器，且第二偏振元件50与第一偏振元件5平行设置。这样，所述的光学谐振腔为错位的V型折叠腔结构。
[0049]工作时，半导体激光器端面泵浦系统I的泵浦光由输入腔镜2入射到激光晶体3上，被激光晶体3中的激活离子吸收，激光晶体3发射相应波长的基频光并在光学谐振腔内振荡，经过第一偏振元件5和第二偏振元件50的调制后产生完美的线偏振光，再通过相位延迟片4使线偏振的基频光的偏振状态发生变化，而偏振状态发生变化的这部分基频光则从第一偏振元件5的透射方向输出连续激光。由于激光晶体3的准三能级结构特征，借助第一偏振元件5、第二偏振元件50和相位延迟片4的组合装置改变腔内基频光的偏振变化和腔内损耗，激光下能级变化，实现波长的变化输出。
[0050]其中，第一偏振元件5和第二偏振元件50必须平行放置，它们间的距离一般控制在IOmm左右，使光线能顺利地通过；光学谐振腔光轴与第一偏振元件5的法线成56度。
[0051]实施例五:
[0052]本发明一种基于能级跳变的可变波长激光器，实施例五带布鲁斯特角的激光晶体的直线腔输出连续可变波长激光。激光器的具体结构如图5所示，包括半导体激光器端面泵浦系统I和用于形成激光振荡的光学谐振腔，由输入腔镜2和直腔全反镜6组成光学谐振腔，此光学谐振腔为直线谐振腔。此光学谐振腔内沿光路同时依序放置带布鲁斯特角的激光晶体9和相位延迟片4。
[0053]其中，半导体激光器端面泵浦系统1、输入腔镜2、激光晶体3、相位延迟片4和直腔全反镜6的各项要求与实施例一中相同。
[0054]带布鲁斯特角的激光晶体9选用一端切角为34°的掺镱钇铝石榴石Yb: YAG晶体。尺寸为3X3X 10mm3，掺杂浓度为4at.%，两个端面均镀有对泵浦光940nm及1000-1 IOOnm波段的增透膜(透过率大于99.8%)，掺镱钇铝石榴石Yb:YAG晶体的作用是具有准三能级结构特征，并产生基频光。使用时，为了减少激光晶体的热效应和提高转换效率，激光晶体9的侧面(对应于光路的两个端面以外的表面)需采用金属铜块包裹，并通过TEC半导体制冷或水冷装置将其温度控制在温室范围。
[0055]工作时，半导体激光器端面泵浦系统I的泵浦光由输入腔镜2入射到带布鲁斯特角的激光晶体9上，被激光晶体9中的激活离子吸收，激光晶体9发射相应波长的基频光并在光学谐振腔内振荡；由于激光晶体9带有布鲁斯特角能产生完美的线偏振光，再通过相位延迟片4使线偏振的基频光的偏振状态发生变化，而偏振状态发生变化的这部分基频光则从激光晶体9楔角的反射方向输出连续激光。由于激光晶体9的准三能级结构特征，通过激光晶体9和相位延迟片4的组合装置改变腔内基频光的偏振变化和腔内损耗，激光下能级变化，实现波长的变化输出。
[0056]本发明充分利用激光晶体的准三能级结构特点，并借助偏振元件和相位延迟片的组合装置实现激光下能级的选择。通过在谐振腔内设置偏振元件和相位延迟片的调谐装置来控制可变波长激光器的输出特性；激光器输出波长和功率只在下能级跳变时发生变化，而调制元件的微小变化则不会引起激光波长和功率的变化，从而使激光器稳定性大大提闻。
[0057]本发明中，偏振元件和相位延迟片在光学谐振腔内可互换位置，达到相同效果。
[0058]本发明还可以在各实施例中的激光晶体3 (或9)和相位延迟片4之间插入调Q器件，调Q器件可选择电光调Q元件、声光调Q元件、被动调Q元件等；以得到脉冲的可变波长激光输出。
【权利要求】
1.一种基于能级跳变的可变波长激光器，其特征在于:包括半导体激光泵浦系统和用于形成激光振荡的光学谐振腔；所述的光学谐振腔内沿光路同时依序放置具有准三能级结构的激光晶体，调制偏振态的偏振元件，以及相位延迟片。
2.根据权利要求1所述的一种基于能级跳变的可变波长激光器，其特征在于:所述光学谐振腔采用直线谐振腔或折叠谐振腔。
3.根据权利要求1所述的一种基于能级跳变的可变波长激光器，其特征在于:所述具有准三能级结构的激光晶体采用Nd = YAG晶体、YbiYAG晶体、HoiYAG晶体、TmiYAG晶体、TmiYLF晶体和Er，YbiYAG晶体中的一种；或采用上述任一晶体并于前端键合对应的基质晶体所获得的复合激光晶体。
4.根据权利要求1所述的一种基于能级跳变的可变波长激光器，其特征在于:所述半导体激光泵浦系统的发射波长在所述激光晶体中激活离子的强吸收峰附近。
5.根据权利要求1所述的一种基于能级跳变的可变波长激光器，其特征在于:所述相位延迟片为半波片、四分之一波片或具有相位延迟功能的波片。
6.根据权利要求1所述的一种基于能级跳变的可变波长激光器，其特征在于:所述偏振元件采用分光棱镜或偏振片。
7.根据权利要求1所述的一种基于能级跳变的可变波长激光器，其特征在于:所述偏振元件和相位延迟片在光学谐振腔内的位置互换，达到相同效果。
8.根据权利要求1所述的一种基于能级跳变的可变波长激光器，其特征在于:所述光学谐振腔内于所述激光晶体与所述相位延迟片之间还设置有用以产生ns和ps级的脉冲激光的调Q器件。
9.根据权利要求8所述的一种基于能级跳变的可变波长激光器，其特征在于:所述调Q器件为电光调Q装置、声光调Q装置、被动调Q元件或可饱和吸收体。
10.根据权利要求1所述的一种基于能级跳变的可变波长激光器，其特征在于:所述激光晶体和偏振元件由带布鲁斯特切角的激光晶体来替代。
【文档编号】H01S3/10GK103500916SQ201310392567
【公开日】2014年1月8日 申请日期:2013年9月2日 优先权日:2013年9月2日
【发明者】庄凤江, 蒲继雄, 吴逢铁 申请人:华侨大学