实现自动宽调谐的单频连续波全固态钛宝石激光器及方法与流程

本发明涉及可调谐钛宝石激光器，尤其涉及一种实现自动宽调谐的单频连续波全固态钛宝石激光器及方法。

背景技术：

全固态连续单频可调谐钛宝石激光器的输出光谱范围(700-1100nm)覆盖了钾、铷、铯等碱金属原子的吸收线波段，因此可广泛应用于原子俘获与冷却、原子时钟、玻色爱因斯坦凝聚、量子存储、光学磁力仪以及原子力显微镜等基于原子的科学研究实验中。为了使输出波长与不同种类的碱金属原子的吸收波段相对应，钛宝石激光器必须具有较宽的调谐范围。目前人们采用不同的手段实现钛宝石激光器的宽带调谐，但绝大多数采用的装置是手动调谐装置，这使得钛宝石激光器在使用过程中操作繁琐复杂，增加了人为操作的失误率，为科研工作带来诸多不便。为了克服手动调谐的弊端，1996年，陈红兵等人利用自行研制的波长计作为参考，通过设计反馈控制回路来实现钛宝石激光器的自动调谐，然而其调谐范围只有50nm，而且所用的双折射滤波片的驱动装置为步进马达，限制了激光器调谐的精度(具体请参考，陈红兵等，0.9-0.95μm波段钛宝石激光器波长自动调谐实验，量子电子学，第13卷第3期，259-264,1996)。1997年，吴路生等人使用电脑控制步进电机去驱动水平转台，进而改变色散棱镜的角度从而实现钛宝石激光器的自动调谐(具体请参考，吴路生等，实用自动调谐的钛宝石激光器，激光技术，第21卷第2期，104-105,1997)。然而他们实现的是脉冲钛宝石激光器，而且其使用的步进电机及色散棱镜作为调谐装置直接限制了脉冲钛宝石激光器的调谐精度。

技术实现要素：

本发明的目的是解决现有的可调谐钛宝石激光器及调谐方法中存在的操作繁琐复杂、调谐范围窄及调谐精度低的技术问题，提供一种实现自动宽调谐的单频连续波全固态钛宝石激光器及方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种实现自动宽调谐的单频连续波全固态钛宝石激光器，包括泵浦源、钛宝石晶体、四镜环行激光谐振腔、宽带光学单向器、双折射滤波片、电光标准具、耦合系统、分束镜、波长计、计算机、压电控制器和压电旋转电机；所述耦合系统设在泵浦源的出射光路上，所述四镜环行激光谐振腔设在耦合系统的出射光路上，所述钛宝石晶体、宽带光学单向器、电光标准具和压电旋转电机设在四镜环行激光谐振腔的光路中，所述双折射滤波片设在压电旋转电机中，所述分束镜设在四镜环行激光谐振腔的出射光路上，所述波长计设在分束镜的反射光路上，波长计的信号输出端经usb通讯接口与计算机的信号输入端连接，计算机的信号输出端口与压电控制器的信号输入端口连接，压电控制器的信号输出端口与压电旋转电机的信号输入端口连接。

进一步地，所述的四镜环行激光谐振腔由第一平凹镜、第二平凹镜、第一平面镜和第二平面镜构成；第一平凹镜设在耦合系统的出射光路上，第二平凹镜设在第一平凹镜的透射光路上，第一平面镜设在第二平凹镜的反射光路上，第二平面镜设在第一平面镜的反射光路上；所述钛宝石晶体以布儒斯特角设在第一平凹镜和第二平凹镜之间；所述宽带光学单向器设在第二平面镜和第一平凹镜之间；所述电光标准具设在第一平面镜和第二平面镜之间；所述压电旋转电机设在第二平凹镜和第一平面镜之间。

进一步地，所述的宽带光学单向器由外加磁场的磁致旋光晶体和自然旋光晶体组成，所述磁致旋光晶体和自然旋光晶体均以布儒斯特入射角放置在四镜环行激光谐振腔的光路中。

进一步地，所述的双折射滤波片由三片光轴平行、厚度比例为1:2:4的石英晶体材料制成，且双折射滤波片与四镜环行激光谐振腔的光路成布儒斯特入射角。

进一步地，所述泵浦源的输出波长为400-600nm。

进一步地，所述的泵浦源的泵浦方式为端面泵浦或侧面泵浦。

一种基于上述实现自动宽调谐的单频连续波全固态钛宝石激光器的自动宽调谐方法，包括如下步骤：

1)泵浦源发出激光光束，激光光束被耦合系统整形聚焦后入射到放置在四镜环行激光谐振腔中的钛宝石晶体上，激光光束经钛宝石晶体激发产生近红外波段内的激光，该激光经四镜环行激光谐振腔中的第二平凹镜、压电旋转电机、第一平面镜、电光标准具、第二平面镜、宽带光学单向器和第一平凹镜，形成激光振荡回路，一部分腔内振荡激光经第二平面镜输出，输出的激光经分束镜反射一小部分进入波长计，剩余作为主激光输出；

2)波长计测量分束镜反射激光的波长；

3)计算机中的labview程序读取波长计测量的波长值后将读取的波长值与设定的目标波长值作比较；

4)当读取的波长值与目标波长值的差值大于0.1nm时，labview控制程序产生控制信息加载到压电控制器上，压电控制器生成相应的控制信号作用于压电旋转电机，控制压电旋转电机向前旋转，控制双折射滤波片的转动；当读取的波长值与目标波长值的差值小于-0.1nm时，labview控制程序产生控制信息加载到压电控制器上，压电控制器生成相应的控制信号作用于压电旋转电机，控制压电旋转电机向后旋转，控制双折射滤波片的转动；

5)重复步骤2)、3)、4)，直到两波长差值的绝对值小于0.1nm，完成自动宽调谐单频连续波全固态钛宝石激光器的输出波长的自动宽调谐。

进一步地，所述泵浦源的发射激光的中心波长为532nm，且泵浦源发射激光的线偏振方向为水平偏振。

本发明的有益效果是：

(1)本发明中实现自动宽调谐的单频连续波全固态钛宝石激光器，结构简单，易于操作；

(2)本发明具有较大的调谐范围，在目标波长为760nm-870nm时，均能获得较大的输出功率，而且能保证调谐精度；

(3)本发明利用labview自动控制程序实现钛宝石激光器输出波长的自动调谐，自动宽调谐装置只需在控制界面上设定目标波长值，即可实现全固态连续单频钛宝石激光器输出波长的调谐，不需要繁琐复杂的操作过程，大大降低了人为操作的失误率。

附图说明

图1为本发明实现自动宽调谐的单频连续波全固态钛宝石激光器的结构示意图，

图中：1-泵浦源，2-钛宝石晶体，3-四镜环行激光谐振腔，31-第一平凹镜，32-第二平凹镜，33-第一平面镜，34-第二平面镜，4-宽带光学单向器，41-磁致旋光晶体，42-自然旋光晶体，5-双折射滤波片，6-电光标准具，7-耦合系统，8-分束镜，9-波长计，10-计算机，11-压电控制器，12-压电旋转电机；

图2为本发明实现自动宽调谐的单频连续波全固态钛宝石激光器的控制界面图；

图3为本发明实现自动宽调谐的单频连续波全固态钛宝石激光器的自动宽调谐波长范围图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明。

如图1所示，本实施例中的一种实现自动宽调谐的单频连续波全固态钛宝石激光器，包括泵浦源1、钛宝石晶体2、四镜环行激光谐振腔3、宽带光学单向器4、双折射滤波片5、电光标准具6、耦合系统7、分束镜8、波长计9、计算机10、压电控制器11和压电旋转电机12；所述耦合系统7设在泵浦源1的出射光路上，耦合系统7由两个凸透镜组成；

所述四镜环行激光谐振腔3设在耦合系统7的出射光路上，所述的四镜环行激光谐振腔3由第一平凹镜31、第二平凹镜32、第一平面镜33和第二平面镜34构成；第一平凹镜31设在耦合系统7的出射光路上，第二平凹镜32设在第一平凹镜31的透射光路上，第一平面镜33设在第二平凹镜32的反射光路上，第二平面镜34设在第一平面镜33的反射光路上；所述钛宝石晶体2以布儒斯特角设在第一平凹镜31和第二平凹镜32之间，且钛宝石晶体2的两端面均以布儒斯特角(60.4^°)切割，钛宝石晶体2的c轴垂直于晶体中的通光方向，以使π偏振泵浦光无损耗地透射，同时自动抑制σ偏振光；所述宽带光学单向器4设在第二平面镜34和第一平凹镜31之间，宽带光学单向器4由外加磁场的磁致旋光晶体41和自然旋光晶体42组成，所述磁致旋光晶体41和自然旋光晶体42均以布儒斯特入射角放置在四镜环行激光谐振腔3中，宽带光学单向器4迫使实现自动宽调谐的单频连续波全固态钛宝石激光器单向运转；所述电光标准具6设在第一平面镜33和第二平面镜34之间，电光标准具6是由电光晶体材料加工成两通光面平行的薄片电光晶体，保证实现自动宽调谐的单频连续波全固态钛宝石激光器单频运转；所述压电旋转电机12设在第二平凹镜32和第一平面镜33之间；所述双折射滤波片5安装在压电旋转电机12中，双折射滤波片5由三片光轴平行、厚度比例为1:2:4的石英晶体材料制成，且双折射滤波片5与四镜环行激光谐振腔3的光路成布儒斯特入射角；所述分束镜8设在四镜环行激光谐振腔3的出射光路上，所述波长计9设在分束镜8的反射光路上，波长计9的信号输出端经usb通讯接口与计算机10的信号输入端连接，计算机10的信号输出端口与压电控制器11的信号输入端口连接，压电控制器11的信号输出端口与压电旋转电机12的信号输入端口连接。

所述泵浦源1的输出波长为400-600nm，泵浦源1的泵浦方式为端面泵浦或侧面泵浦。

一种基于上述实施例中实现自动宽调谐的单频连续波全固态钛宝石激光器的自动宽调谐方法，包括如下步骤：

1)泵浦源1发出激光光束，激光光束被耦合系统7整形聚焦后入射到放置在四镜环行激光谐振腔3中的钛宝石晶体2上，激光光束经钛宝石晶体2激发产生近红外波段内的激光，该激光经四镜环行激光谐振腔3中的第二平凹镜32、压电旋转电机12、第一平面镜33、电光标准具6、第二平面镜34、宽带光学单向器4和第一平凹镜31，形成激光振荡回路，一部分腔内振荡激光经第二平面镜34输出，输出的激光经分束镜8反射一小部分进入波长计9，剩余作为主激光输出；

2)波长计9测量分束镜8反射激光的波长；

3)计算机10中的labview程序读取波长计9测量的波长值后将读取的波长值与设定的目标波长值作比较；

4)当读取的波长值与目标波长值的差值大于0.1nm时，labview控制程序产生控制信息加载到压电控制器11上，压电控制器11生成相应的控制信号作用于压电旋转电机12，控制压电旋转电机12向前旋转，控制双折射滤波片5的转动；当读取的波长值与目标波长值的差值小于-0.1nm时，labview控制程序产生控制信息加载到压电控制器11上，压电控制器11生成相应的控制信号作用于压电旋转电机12，控制压电旋转电机12向后旋转，控制双折射滤波片5的转动；

5)重复步骤2)、3)、4)，直到两波长差值的绝对值小于0.1nm，完成自动宽调谐单频连续波全固态钛宝石激光器的输出波长的自动宽调谐。

所述泵浦源1的发射激光的中心波长为532nm，且泵浦源1发射激光的线偏振方向为水平偏振，满足了增益介质钛宝石晶体2对泵浦光偏振吸收的需求。

所述第一平凹镜31镀有对740-890nm光高反、对532nm光高透的膜；所述第二平凹镜32和第一平面镜33镀有对740-890nm光高反的膜；所述第二平面镜34镀有对740-890nm光的透射率为5.5％的膜,所述分束镜8镀有对740-890nm光有微弱反射的膜。

图2为本实施例中实现自动宽调谐的单频连续波全固态钛宝石激光器的控制界面图。图中，区域1显示波长计9的测量图谱；区域2为目标波长设定窗口，当目标波长值设定好后，点击“定位”按钮，本实施例中实现自动宽调谐的单频连续波全固态钛宝石激光器的输出波长就会自动调谐到设定的波长值处；区域3实时显示测量的波长值；区域4记录并显示调谐过程中钛宝石激光器输出频率(波长)的变化曲线；区域5用于手动控制压电旋转电机12；区域6显示波长计不参与反馈控制时，labview程序计算得到的双折射滤波片5所处的角度位置00和达到目标波长时双折射滤波片5所处的角度位置φ(φ为双折射滤波片5光轴方向和入射光偏振方向间的夹角，此处用于表示双折射滤波片5所处的位置)，当波长计参与反馈控制时，此处显示的值均为“0”；区域7中的按钮用于辅助控制，其中，“清空”按钮用于清空记录的数据，“导出”按钮用于将记录的数据导出到指定的文件夹中，“停止”按钮用于停止程序。图2中所示情况为，目标波长值设定为800nm，通过自动调谐，钛宝石激光器最终输出的波长为800.0292nm；

图3为在不同的目标波长下，本实施例中实现自动宽调谐的单频连续波全固态钛宝石激光器的输出功率。从图中可看出，在目标波长为760nm-870nm时，该钛宝石激光器均能获得较大的输出功率。