一种基于Nd:MgO:LN的正交偏振双波长光路交错退压调Q激光器及方法

本发明涉及固体激光器领域，尤其涉及一种基于nd:mgo:ln的正交偏振双波长光路交错退压调q激光器及方法。

背景技术：

掺nd³⁺的激光晶体可获得正交偏振双波长激光输出。同时，只由一块nd³⁺晶体产生的双波长激光器可实现极佳的光斑模式匹配。由于结构简单，激光阈值低，此类同步输出的双波长激光器被广泛应用于激光精度测距，激光医学，光谱分析等领域，特别是波长间隔小于20nm的双波长激光器可用于太赫兹(thz)和差分吸收激光雷达(dial)。

nd:mgo:ln为各向异性晶体，可同步产生正交偏振的1084nm和1093nm激光输出，参见文献“y.h.wang,y.j.yu,etal.studyontheregulationmechanismoforthogonallypolariseddual-wavelengthlaserbasedonnd³⁺dopedmgo:linbo3,optics&lasertechnology,119(2019)105570”。为满足差分吸收激光雷达对近红外激光要求，基于nd:mgo:ln的双波长正交偏振激光器需处于脉冲机制下运转，生成双波长激光脉冲式。此类双波长激光器普遍采取cr:yag晶体作为调q晶体的被动调q技术，参见文献“m.q.fan,t.li,s.z.zhao,etal.,dual-wavelengthlaseroperationina-cutnd:mgo:linbo3,opt.mater.53(2016)209–213”。但被动调q的正交偏振双波长激光器存在脉冲宽度过大，重复频率不可调节，峰值功率过低等诸多缺陷。电光q开关因具有效率高、开关速度快、输出激光脉宽窄和峰值功率高等优点，一直被尝试着应用在nd:mgo:ln的双波长激光器中，以期获得窄脉宽、可调重频、高峰值功率正交偏振的双波长激光输出。但现阶段，电光调q技术仍无法直接应用于nd:mgo:ln双波长激光器，是因为输出双波长激光的偏振态过于复杂。电光调q技术利用ktp、rtp等晶体的电光效应，通过调节加载电压改变谐振腔内激光偏振态。根据其工作原理，电光调q只对单一偏振态进行调节，再配合偏振片实现“开门”与“关门”状态。但nd:mgo:ln双波长激光器输出的1083nm和1094nm激光偏振态处于正交状态，不能直接利用电光调q技术在谐振腔内同时对双波长进行“开门”与“关门”操作，进而无法获得窄脉宽、可调重频、高峰值功率正交偏振的双波长激光输出，最终限制了双波长激光器的发展，影响相关领域的研究进展。

技术实现要素：

为了获得窄脉宽、可调重频、高峰值功率正交偏振的双波长激光输出，本发明提供了一种基于nd:mgo:ln的正交偏振双波长光路交错退压调q激光器及方法。

根据本发明的一方面，提供一种基于nd:mgo:ln的正交偏振双波长光路交错退压调q激光器，所述激光器包括第一泵浦模块、第一耦合镜组、第二泵浦模块、第二耦合镜组、nd:mgo:ln晶体、输出镜、第一腔镜、第二腔镜、第一凸透镜、第三腔镜、偏振分光棱镜、合束镜、偏振片、rtpq开关、λ/4波片、光阑、第四腔镜、第一反射镜、λ/2波片、第二反射镜，其中：

所述输出镜、第一腔镜、第二腔镜、第三腔镜和第四腔镜组成呈m型的激光谐振腔；

所述第一腔镜与第二腔镜之间设置有nd:mgo:ln晶体；

所述第二腔镜与第三腔镜之间设置有第一凸透镜；

所述第三腔镜与第四腔镜之间依次设置有偏振分光棱镜、合束镜、偏振片、rtpq开关、λ/4波片和光阑；

所述第一反射镜处于偏振分光棱镜的正上方，所述第二反射镜处于合束镜的上方，所述第一反射镜与第二反射镜之间设置有λ/2波片；

所述第一腔镜的外侧依次设置有第二耦合镜组和第二泵浦模块，所述第二腔镜的外侧依次设置有第一耦合镜组和第一泵浦模块和第一耦合镜组。

可选地，所述偏振分光棱镜的入射面朝向所述第三腔镜，垂直偏振出射面朝向所述第一反射镜，水平偏振出射面朝向所述合束镜。

可选地，所述偏振片的偏振方向为水平方向。

可选地，所述λ/2波片的快轴与水平方向呈45°角，所述λ/4波片的快轴与水平方向亦呈45°角。

可选地，所述第一泵浦模块和第二泵浦模块的输出波长为813nm。

可选地，所述输出镜、第三腔镜、第一反射镜、第二反射镜为平面镜。

可选地，所述第一腔镜、第二腔镜、第四腔镜为平凹镜。

可选地，所述输出镜镀1084nm和1093nm半透膜；所述第一腔镜、第二腔镜镀813nm增透膜，1083nm和1093nm全反膜；所述第三腔镜、第四腔镜、第一反射镜、第二反射镜镀1083nm和1093nm全反膜。

可选地，所述合束镜镀1084nm高透膜和45°1093nm全反膜。

根据本发明的另一方面，还提供一种利用上述任一所述激光器输出激光的方法，所述方法包括：

步骤s1，第一泵浦模块与第二泵浦模块发射813nm抽运光，813nm抽运光分别经第一耦合镜组、第二腔镜和第二耦合镜组、第一腔镜从nd:mgo:ln晶体两个端面聚焦到晶体中心；

步骤s2，nd:mgo:ln晶体吸收813nm抽运光形成粒子束反转，发生受激辐射现象，生成水平偏振的1084nm激光和垂直偏振的1093nm激光；

步骤s3，所述水平偏振的1084nm激光和垂直偏振的1093nm激光经第二腔镜反射，射入第一凸透镜，经第三腔镜反射入偏振分光棱镜后，垂直偏振的1093nm激光射向第一反射镜，水平偏振的1084nm激光射向偏振片；

步骤s4，垂直偏振的1093nm激光经第一反射镜、λ/2波片后，偏振态转为水平偏振，再经第二反射镜射向合束镜，水平偏振的1093nm激光与直接射向合束镜的水平偏振的1084nm激光由合束镜合为一束激光，通过偏振片；

步骤s5，当无需出射激光时，控制rtpq开关未加载电压，通过偏振片的激光依次经过rtpq开关、λ/4波片、光阑后被第四腔镜反射，再经光阑、λ/4波片、rtpq开关后，1084nm和1093nm激光的偏振态转为垂直偏振，无法通过偏振片；

步骤s6，当需要出射激光时，控制rtpq开关加载λ/4电压，通过偏振片的激光依次经过rtpq开关、λ/4波片、光阑后被第四腔镜反射，再经光阑、λ/4波片、rtpq开关后，1084nm和1093nm激光的偏振态不改变，通过偏振片，水平偏振的1084nm激光经合束镜、偏振分光棱镜，射向第三腔镜，水平偏振的1093nm经合束镜、第二反射镜、λ/2波片，偏振态转为垂直偏振，再通过第一反射镜和偏振分光棱镜，也射向第三腔镜，水平偏振的1084nm和垂直偏振1093nm经第三腔镜、第一凸透镜、第二腔镜，再次射入nd:mgo:ln晶体，之后经第一腔镜反射，再由输出镜射出。：

本发明的有益效果是：正交偏振的1084nm和1094nm由偏振分光棱镜分为两束，竖直偏振的1093nm激光再经过λ/2波片，偏振方向转为水平偏振，水平偏振的1084nm激光偏振态不改变，两束激光在合束镜处进行合束，之后，水平偏振的1084nm和1093nm激光在偏振片、rtpq开关和λ/4波片共同作用下实现主动电光调q。当rtpq开关未加载电压时，已变为垂直偏振1084nm和1093nm激光无法通过偏振片，即呈现“关门”状态，当rtpq开关加载λ/4电压时，1084nm和1093nm激光可在谐振腔振荡，实现了“开门”状态。基于上述方案，通过改变rtpq开关加载电压，对正交偏振的1084nm和1093nm激光同时实现主动电光调q作用，可获得窄脉宽、可调重频、高峰值功率正交偏振的双波长激光输出。这种基于nd:mgo:ln的正交偏振双波长光路交错退压调q激光器具备结构精巧、转换效率、双波长运转等突出特点。

附图说明

图1为根据本发明一实施例的一种基于nd:mgo:ln的正交偏振双波长光路交错退压调q激光器的结构示意图。

图2为根据本发明一实施例的在rtpq开关未加载电压下，正向传播时激光偏振态转换情况示意图。

图3为根据本发明一实施例的在rtpq开关未加载电压下，反向传播时激光偏振态转换情况示意图。

图4为根据本发明一实施例的在rtpq开关加载λ/4电压下，正向传播时激光偏振态转换情况示意图。

图5为根据本发明一实施例的在rtpq开关加载λ/4电压下，反向传播时激光偏振态转换情况示意图。

图1中，各附图标记所指代的结构组件为：

101.第一泵浦模块、201.第一耦合镜组、102.第二泵浦模块、202.第二耦合镜组、3.nd:mgo:ln晶体、4.输出镜、5.第一腔镜、6.第二腔镜、7.第一凸透镜、8.第三腔镜、9.偏振分光棱镜、10.合束镜、11.偏振片、12.rtpq开关、13.λ/4波片、14.光阑、15.第四腔镜、16.第一反射镜、17.λ/2波片、18.第二反射镜。

具体实施方式

下文中，将参考附图详细描述本公开实施例的示例性实施方式，以使本领域技术人员可容易地实现它们。此外，为了清楚起见，在附图中省略了与描述示例性实施方式无关的部分。

在本公开实施例中，应理解，诸如“包括”或“具有”等的术语旨在指示本说明书中所公开的特征、数字、步骤、行为、部件、部分或其组合的存在，并且不欲排除一个或多个其他特征、数字、步骤、行为、部件、部分或其组合存在或被添加的可能性。

另外还需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本公开实施例。

图1为根据本发明一实施例的一种基于nd:mgo:ln的正交偏振双波长光路交错退压调q激光器的结构示意图，如图1所示，本发明提供一种所述基于nd:mgo:ln的正交偏振双波长光路交错退压调q激光器，所述激光器包括：第一泵浦模块101、第一耦合镜组201、第二泵浦模块102、第二耦合镜组202、nd:mgo:ln晶体3、输出镜4、第一腔镜5、第二腔镜6、第一凸透镜7、第三腔镜8、偏振分光棱镜9、合束镜10、偏振片11、rtpq开关12、λ/4波片13、光阑14、第四腔镜15、第一反射镜16、λ/2波片17、第二反射镜18，其中：

所述输出镜4、第一腔镜5、第二腔镜6、第三腔镜8和第四腔镜13组成呈m型的激光谐振腔；

所述第一腔镜5与第二腔镜6之间设置有nd:mgo:ln晶体3；

所述第二腔镜6与第三腔镜8之间设置有第一凸透镜7；

所述第三腔镜8与第四腔镜15之间依次设置有偏振分光棱镜9、合束镜10、偏振片11、rtpq开关12、λ/4波片13和光阑14；

所述第一反射镜16处于偏振分光棱镜9的正上方，所述第二反射镜18处于合束镜10的上方，所述第一反射镜16与第二反射镜18之间设置有λ/2波片17；

所述第一腔镜5的外侧，即远离所述nd:mgo:ln晶体3的一侧依次设置有第二耦合镜组202和第二泵浦模块102，所述第二腔镜6的外侧，即远离所述nd:mgo:ln晶体3的一侧依次设置有第一耦合镜组201和第一泵浦模块101。

其中，所述偏振分光棱镜9的入射面朝向所述第三腔镜8，垂直偏振出射面朝向所述第一反射镜16，水平偏振出射面朝向所述合束镜10，即所述偏振分光棱镜9将入射光依据偏振态分为两束，垂直偏振的光射向所述第一反射镜16，水平偏振的光射向所述合束镜10。

所述偏振片11的偏振方向为水平方向。

所述λ/2波片17的快轴与水平方向呈45°角，所述λ/4波片13的快轴与水平方向亦呈45°角。

进一步地，所述第一泵浦模块101和第二泵浦模块102的输出波长为813nm。

所述输出镜4、第三腔镜8、第一反射镜16、第二反射镜18为平面镜，所述第一腔镜5、第二腔镜6、第四腔镜15为平凹镜。

所述输出镜4镀1084nm和1093nm半透膜。所述第一腔镜5、第二腔镜6镀813nm增透膜，1083nm和1093nm全反膜。所述第三腔镜8、第四腔镜13、第一反射镜16、第二反射镜18镀1083nm和1093nm全反膜。

所述合束镜10镀1084nm高透膜和45°1093nm全反膜。

本发明的一种基于nd:mgo:ln的正交偏振双波长光路交错退压调q激光器的具体实现过程如下：

如图1所示，第一泵浦模块101与第二泵浦模块102发射的813nm抽运光分别经第一耦合镜组201、第二腔镜6和第二耦合镜组202、第一腔镜5从nd:mgo:ln晶体3两个端面聚焦到晶体中心。nd:mgo:ln晶体3吸收813nm抽运光形成粒子束反转，发生受激辐射现象，生成水平偏振的1084nm激光和垂直偏振的1093nm激光，所述水平偏振的1084nm激光和垂直偏振的1093nm激光经第二腔镜6反射，射入第一凸透镜7，经第三腔镜8反射入偏振分光棱镜9后，垂直偏振的1093nm激光射向第一反射镜16，水平偏振的1084nm激光射向偏振片10。图中，点代表垂直偏振，双向箭头代表水平偏振，单向箭头代表45°偏振。垂直偏振的1093nm激光经第一反射镜16、λ/2波片17后，偏振态转为水平偏振，再经第二反射镜18射向合束镜10。水平偏振的1093nm激光与直接射向合束镜10的水平偏振的1084nm激光由合束镜10合为一束激光，通过偏振片11。如图2所示，当rtpq开关12未加载电压时，通过偏振片11的激光依次经过rtpq开关12、λ/4波片13、光阑14、之后被第四腔镜15反射。如图3所示，被第四腔镜15反射的激光经光阑14、λ/4波片13、rtpq开关12后，1084nm和1093nm激光的偏振态转为垂直偏振，无法通过偏振片11，此时激光器处于“关门”状态。如图4所示，当rtpq开关12加载λ/4电压时，通过偏振片11的激光依次经过rtpq开关12、λ/4波片13、光阑14、之后被第四腔镜15反射。如图5所示，被第四腔镜15反射的激光经光阑14、λ/4波片13、rtpq开关12后，1084nm和1093nm激光的偏振态不改变，可以通过偏振片11，此时激光器处于“开门”状态。水平偏振的1084nm激光经合束镜10、偏振分光棱镜9，射向第三腔镜8。水平偏振的1093nm经合束镜10、第二反射镜18、λ/2波片17，偏振态转为垂直偏振，再通过第一反射镜16和偏振分光棱镜9，也射向第三腔镜8。水平偏振的1084nm和垂直偏振1093nm经第三腔镜8、第一凸透镜7、第二腔镜6，再次射入nd:mgo:ln晶体3。之后经第一腔镜5反射，再由输出镜4射出腔外。

相对于水平偏振的1084nm激光，垂直偏振的1093nm激光光路中多设置了一个λ/2波片17，以使其偏振态转为水平偏振，之后再由合束镜10对水平偏振的1084nm和1093nm激光进行合束，以满足rtpq开关12电光调q偏振态需求。当rtpq开关12未加载电压时，1084nm和1093nm激光同时处于“关门”状态，不能形成振荡，获得激光输出。当rtpq开关12加载λ/4电压时，1084nm和1093nm激光偏振不改变，出现“开门”状态，谐振腔内形成振荡，获得正交偏振的1084nm和1093nm激光输出。因此，通过改变rtpq开关12加载电压，控制1084nm和1093nm激光关断，可实现主动电光调q，获得窄脉宽、可调重频、高峰值功率正交偏振的1084nm、1093nm双波长激光输出。

本发明还提供一种利用所述基于nd:mgo:ln的正交偏振双波长光路交错退压调q激光器输出激光的方法，所述方法包括以下步骤：

步骤s1，第一泵浦模块101与第二泵浦模块102发射813nm抽运光，813nm抽运光分别经第一耦合镜组201、第二腔镜6和第二耦合镜组202、第一腔镜5从nd:mgo:ln晶体3两个端面聚焦到晶体中心；

步骤s2，nd:mgo:ln晶体3吸收813nm抽运光形成粒子束反转，发生受激辐射现象，生成水平偏振的1084nm激光和垂直偏振的1093nm激光；

步骤s3，所述水平偏振的1084nm激光和垂直偏振的1093nm激光经第二腔镜6反射，射入第一凸透镜7，经第三腔镜8反射入偏振分光棱镜9后，垂直偏振的1093nm激光射向第一反射镜16，水平偏振的1084nm激光射向偏振片10；

步骤s4，垂直偏振的1093nm激光经第一反射镜16、λ/2波片17后，偏振态转为水平偏振，再经第二反射镜18射向合束镜10，水平偏振的1093nm激光与直接射向合束镜10的水平偏振的1084nm激光由合束镜10合为一束激光，通过偏振片11；

步骤s5，当无需出射激光时，控制rtpq开关12未加载电压，通过偏振片11的激光依次经过rtpq开关12、λ/4波片13、光阑14后被第四腔镜15反射，再经光阑14、λ/4波片13、rtpq开关12后，1084nm和1093nm激光的偏振态转为垂直偏振，无法通过偏振片11；

步骤s6，当需要出射激光时，控制rtpq开关12加载λ/4电压，通过偏振片11的激光依次经过rtpq开关12、λ/4波片13、光阑14后被第四腔镜15反射，再经光阑14、λ/4波片13、rtpq开关12后，1084nm和1093nm激光的偏振态不改变，通过偏振片11，水平偏振的1084nm激光经合束镜10、偏振分光棱镜9，射向第三腔镜8，水平偏振的1093nm经合束镜10、第二反射镜18、λ/2波片17，偏振态转为垂直偏振，再通过第一反射镜16和偏振分光棱镜9，也射向第三腔镜8，水平偏振的1084nm和垂直偏振1093nm经第三腔镜8、第一凸透镜7、第二腔镜6，再次射入nd:mgo:ln晶体3，之后经第一腔镜5反射，再由输出镜4射出。

其中，所述利用所述基于nd:mgo:ln的正交偏振双波长光路交错退压调q激光器输出激光的方法中的技术特征的含义与解释与上文激光器中技术特征的含义与解释相同，此处不再赘述。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。