一种单频高功率的可调谐短腔激光器

本发明属于激光器技术领域，具体涉及一种单频高功率的可调谐短腔激光器。

背景技术：

波长连续可变的可调谐激光器可以在无模式跳变的情况下实现频率调制，同时，短腔激光器具有纵模间隔小的特点，可以有效的抑制边模起振，实现激光的单纵模输出。因此，可调谐的单模短腔激光器被广泛应用在相干光通信、光纤传感、引力波探测和相控阵雷达等领域。

激光器实现调频的方式主要有三种，分别是温度调频、压电调频和光电调频。传统技术中，温度调频的速度慢，响应带宽很窄，大约在1hz的量级。如，t.j.kane等人(thomasj.kane,alanc.nilsson,androbertl.byer,"frequencystabilityandoffsetlockingofalaser-diode-pumpednd:yagmonolithicnonplanarringoscillator,"opt.lett.12,175-177(1987))提出一种nd:yag环形腔激光器，并对其进行了温度调频实验。该实验中使用热电冷却器(tec)来控制整个谐振腔的温度，以此来实现温度调谐，结果显示激光器输出功率为25mw，调谐系数为-3.1ghz/℃。但是由于谐振腔温度变化较慢，所以导致频率调制速率较低，也即响应带宽较窄，仅为1～10hz。

thomas等人(thomasj.kaneandemilya.p.cheng,"fastfrequencytuningandphaselockingofdiode-pumpednd:yagringlasers,"opt.lett.13,970-972(1988))利用压电陶瓷对nd:yag环形激光器进行了调频实验。该方案中将一足够薄的压电陶瓷(0.25μm)粘贴在电光晶体之上，在该压电陶瓷两端加入15v的电压。该方案调频带宽仅为100khz，调频系数为1mhz/v。

而要想提高激光器的调频带宽，往往需要采用电光调谐。p.a.schulz等人(p.a.schulzands.r.henion,"frequency-modulatednd:yaglaser,"opt.lett.16,578-580(1991))提出一中利用litao3实现电光调频的短腔nd:yag激光器。该方案中，增益介质厚度1mm，该增益介质靠近泵浦一侧镀有对809nm增透、对1064nm高反的双色膜，其输出镜为一曲率半径为5cm的平凹镜，谐振腔中插入一3×3×1mm的litao3，通光方向的厚度为3mm，整体腔长为8mm。为了压缩腔长，实现单模输出，该谐振腔中增益介质厚度较薄，因此，激光输出功率较低，仅为20mw，调频系数12mhz/v。i.freitag等人(i.freitag,i.andh.welling,"electro-opticallyfasttunableminiaturediode-pumpednd:yagringoscillator,"inadvancedsolidstatelasers,a.pintoandt.fan,eds.,osaproceedingsseries(opticalsocietyofamerica,1993),paperlm10.)进行了nd:yag环形腔激光器的电光调频实验。该激光器谐振腔由两块nd:yag和一块处于它们中间的电光晶体litao3构成，同时litao3和nd:yag之间插入两片电极以控制电光晶体的折射率，进而实现调频。该激光器输出效率较低，仅为6.9％，这是由于其谐振腔中增益介质被电光晶体所隔开，降低了泵浦光的吸收效率。该方案中，调频系数仅为0.15mhz/v。除此之外，该激光器采用环形结构，大大增加了结构的复杂程度。

综上，如果把电光晶体置于谐振腔内部，势必会增加谐振腔的长度，而谐振腔的长度越长，其纵模间隔就越短，这会导致难以实现单纵模输出；而如果通过降低增益介质厚度的方法来压缩线宽，又会影响到激光器的输出功率。因此，如何实现高功率单纵模输出的同时且能够进行宽带调频就成为了激光器领域的一个研究热点。

技术实现要素：

针对背景技术所存在的问题，本发明的目的在于提供一种单频高功率的可调谐短腔激光器。该激光器通过在电光晶体双侧镀膜，从而替代输出镜的作用，使整个激光器的谐振腔的腔长缩短，能够充分的抑制边模，同时提高激光单频出光的功率；并且采用光电调谐方式，具有频率变化快即频率响应带宽宽的优点，同时结构简单且工作稳定。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种单频高功率的可调谐短腔激光器，包括依次设置的泵浦源、传输光纤、后腔镜、增益介质和电光晶体；

所述泵浦源为半导体激光器，用于产生泵浦光，经传输光纤入射至后腔镜上；

所述后腔镜为平凹镜，用于组成激光器的谐振腔，同时将经传输光纤入射的泵浦光注入至增益介质，平整一侧靠近泵浦，并对其设置双色膜，该双色膜对激光波长高反，对泵浦波长增透；

所述增益介质处于谐振腔内部，泵浦光注入增益介质，产生自发辐射，在激光谐振腔内形成激光震荡，并放大光功率，补偿谐振腔损耗；；

所述电光晶体在通光方向的两侧镀有一定透过率的输出膜，并且在电光晶体的两侧上设置电极，通过改变施加在电极上的电压来改变电光晶体的折射率，进而改变激光器谐振腔的光程长度，用于对经增益介质入射的激光线性调频，并稳定输出激光。

进一步地，所述单模激光器还包括耦合装置，所述耦合装置设置于传输光纤出射口与后腔镜之间，用于对经传输光纤出射的泵浦光进行会聚，当激光增益介质对泵浦功率密度要求不高时，也可使泵浦光直接通过后腔镜入射至增益介质。

进一步地，所述泵浦源发射谱与增益介质的增益谱相匹配。

进一步地，所述增益介质可以是掺钕钒酸钇(nd:yvo4)、掺钕钇铝石榴石(nd:yag)、er玻璃中的任何一种。

进一步地，所述电光晶体可以为litao3晶体、linbo3晶体、晶体磷酸二氢钾晶体(kdp)、磷酸钛氧钾晶体(ktp)和磷酸钛氧铷晶体(rtp)中任一种。

进一步地，所述输出膜的透过率为0.01％～90％，根据不同增益介质的阈值功率进行选择。

进一步地，所述电极设置于电光晶体与通光方向垂直的两侧，或者与通光方向平行的两侧。

进一步地，所述电极设置于电光晶体与通光方向垂直的两侧时，电极中心处应设置圆孔，以保证激光输出光透过电光晶体，该圆孔的半径应为激光输出激光光斑半径的两倍以上，以防止半径过小造成衍射。

本发明的机理为：本发明所公开的电光调频结构中，在电光晶体两侧镀有特定透过率的输出膜，使得电光晶体具有f-p标准具的性质，利用该性质，代替传统电光调频短腔激光器中的输出镜，压缩了谐振腔腔长，增大了纵模间隔，克服了传统技术中由于电光晶体在谐振腔之内而导致激光器谐振腔过长从而难以实现单频输出的难点，有利于实现短腔激光器的单模输出。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1.本发明利用电光晶体实现激光器的频率调制，显著的提高了激光器的调频带宽，可达150mhz以上；并且本发明激光器不仅能实现宽带调频，同时还能借助双侧镀膜之后的电光晶体本身所具有的f-p标准具作用进一步选模，更加有利于激光器的单模输出。

2.本发明采用电光晶体替代传输镜，使得本发明的谐振腔的腔长可缩短至2.0mm，超短的腔长可以充分抑制边模，提高激光的单频输出功率，本发明的最高功率可以达到数百毫瓦。采用本技术方案，当谐振腔为3.2mm时，输出功率为91.1mw，激光输出效率可以达到36.6％以上。

附图说明

图1为本发明实施例1中的单模短腔激光器的结构示意图。

图2为本发明实施例2中的单模短腔激光器的结构示意图。

图3为本发明实施例2中的单模短腔激光器中电光晶体在通光方向上的结构侧视图。

图4为本发明所采用的nd:yvo4增益介质的自发辐射谱线。

图5为本发明中电光晶体的f-p标准具效应所带来的激光透过率和激光波长的关系图。

图6为本发明中输出激光不同纵模在增益介质中的归一化增益。

图7为本发明中不同激光纵模的归一化环程增益和损耗的乘积。

其中，1-半导体激光器，2-传输光纤，3-泵浦光，4-耦合装置，5-后腔膜，6-后腔镜，7-增益介质，8-输出膜，9-电极，10-电光晶体，11输出激光。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施方式和附图，对本发明作进一步地详细描述。

实施例1

一种单频高功率的可调谐短腔激光器，其结构示意图如图1所示，包括依次设置的泵浦源1、传输光纤2、耦合装置3、后腔镜6、增益介质7和电光晶体10。泵浦源1选用半导体激光器，其发出的泵浦光3经传输光纤2入射至耦合装置3，经耦合装置3会聚后入射至后腔镜6，然后注入至增益介质7，最后经增益介质7入射至电光晶体10。

后腔镜6为平凹镜，靠近泵浦一侧的平整镜面镀有后腔膜5，该膜为双色膜：对激光工作波长高反，对泵浦光波长增透；电光晶体10设置于增益介质7后方，其垂直于通光方向的两侧均镀有特定透过率的输出膜8，所述透过率为0.01％至90％；平行于通光方向的两侧设置电极9，电场方向与谐振腔通光方向垂直，通过改变施加在电极9上的电压进行电光调频。本实施例调频结构简单，半波电压较低，调制时所需功率较小，并且当调制信号的频率较高时，调制过程中功率损耗较小。

其中，通过改变施加在电极9上的电压对电光晶体10进行横向调制，来改变电光晶体10的折射率变化，具体过程为：

其中，f为激光输出光的频率，q为整数，c为激光的波速，n为谐振腔的折射率，l为谐振腔的长度(从后腔镜中心至电光晶体中心的距离)；

由上述公式可知，当谐振腔中折射率发生变化时，激光输出光的频率也会发生改变。用电光调频的方式代替温度调频，其响应速率快，可以提高调频带宽，实现快速调频。

在电光晶体两侧进行精密抛光，两侧端面的平行度小于10″，并镀有特定透过率的输出膜，此时电光晶体可以看作为一个f-p标准具，具备选模的作用，有利于实现激光器的单模输出；根据增益介质的不同，在其左右两侧的设置合适透过率的输出膜，可以使其替代作为谐振腔的输出镜，缩短现有技术中谐振腔的腔长(从后腔镜中心至输出镜中心的距离)。

实施例2

本实施例的激光器光路和实施例1相同，如图2所示。与实施例1的区别为电极9设置于电光晶体10垂直于通光方向的两侧，以此来对电光晶体进行纵向调制，纵向调制不同于横向调制，虽然其半波电压较高，但是在调制方式不存在自然双折射，不会造成输出光畸变，能够使激光器工作更稳定。该方案同样是通过改变电光晶体的折射率，进而改变谐振腔的有效腔长，来实现激光的频率调制。

图3为实施例中电光晶体在通光方向上的结构示意图。其中，因为电极覆盖设置于电光晶体10垂直于通光方向的两侧，因此需要在电极中心处设置一圆孔，以保证激光输出光11可以透过电光晶体。该圆孔的半径需要设置为激光输出光斑11半径的两倍以上，以防止半径过小造成衍射。

图4为本发明中激光增益介质选用nd:yvo4时的自发辐射谱线，该增益介质的增益谱线宽度为0.8nm。增益介质nd:yvo4的增益谱较窄，所以其对于不同的纵模有显著的增益差。

图5为本发明中电光晶体的f-p标准具效应所带来的激光透过率和激光波长的关系图。本激光器的谐振腔结构中，对其中的电光晶体的两端面采用了精密的抛光处理，使其两端平行度小于10″。这样该电光晶体本身就具有了f-p标准具效应，因此可以利用该种性质来进行选模，经过计算，可以得到不同波长的激光在litao3晶体中的透过率，从图中可以看到两个相邻的透过率峰值之间的波长间隔为0.33nm，在峰值处，透过率接近100％，表明此时电光晶体可以作为f-p标准具进行选模，最大程度地降低工作波长处的激光损耗，增加激光输出功率。

图6为本发明中激光器不同纵模输出光在增益介质的增益谱之下的归一化增益图。由图4可知，增益介质的增益谱宽度在0.8nm，且中心纵模在1064.3nm。当激光输出纵模落在增益介质增益谱中心时，增益介质能提供最大增益，两侧的纵模增益较小，图中显示，不同纵模之间增益差较大，有利于实现单模输出。

图7为本发明中激光不同纵模的归一化环程增益和损耗的乘积图，即叠加了增益介质的增益效果和电光晶体的f-p标准具的选模效果之后，不同纵模之间的增益对比图。从中可以看出，中心纵模的环程增益和损耗的乘积是其左右两侧边模的三倍以上，由此我们可知，中心纵模的阈值功率只有边模的三分之一，这就使得同样的泵浦功率下，中心纵模优先起振，而此时的边模可以得到有效抑制，更有利于实现高功率单频出光。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。