基于双折射标准具锁定的单频连续波可调谐钛宝石激光器

本发明涉及钛宝石激光器技术领域，特别是涉及一种基于双折射标准具锁定的单频连续波可调谐钛宝石激光器。

背景技术：

基于掺钛蓝宝石晶体研制而成的单频连续波可调谐钛宝石激光器具有强度噪声低、稳定性高、光束质量好且输出激光光谱范围可覆盖钾、铷、铯等碱金属原子的跃迁吸收线(700nm-1000nm的红光和近红外波段)等优良特性，因此被广泛应用于基于原子的冷原子物理及量子光学等科学研究领域。在这些基于原子的研究领域，往往需要精确调节激光器的输出频率，使其与原子跃迁吸收线精确匹配，这就需要钛宝石激光器具有一定的频率连续调谐能力。为了实现钛宝石激光器的连续调谐，通常需要将激光器谐振腔内的标准具与激光谐振腔的振荡模实时锁定在一起并连续扫描谐振腔的腔长。锁定标准具最常用的方法是基于压电陶瓷驱动的调制锁定方法。在这种方法中，标准具锁定的实施方式是：将薄片标准具粘贴在一个安装于支架上的压电陶瓷上，支架固定在振镜电机的转轴上，通过给压电陶瓷施加调制信号使标准具产生微小角度的振动，利用光电探测器探测其反射光信号并转换成电信号，与本地振荡信号混频产生误差信号，控制振镜电机的转轴旋转来控制标准具的角度。在这种锁定装置中，为得到较好的误差信号，施加的调制信号的频率需固定在压电陶瓷的固有频率处，这一调制信号增大了激光器在对应频率处的强度噪声，从而影响激光器在这一频段处的强度噪声的抑制，限制了该类型激光器在精密测量等领域的应用。另外一种实现标准具锁定的方法是基于电光标准具的调制锁定方法，在该方法中，腔内插入的标准具由电光晶体材料制成，调制信号通过电场形式施加在晶体上，利用晶体的电光效应对腔内光场进行调制，利用光电探测器探测这一调制信号，并与本地振荡信号混频产生误差信号，控制旋转振镜电机的转轴来控制标准具的角度，实现标准具的锁定。在这种锁定方式中，由于晶体电光效应与调制信号频率无关，因此，调制信号的频率可以任意选取，通过改变调制信号的频率即可实现对激光器强度噪声的操控。然而，调制信号的存在依然会引入额外的噪声，对后续实验系统产生影响。除了调制锁定标准具的方法外，通过在谐振腔内引入非线性损耗，利用非线性损耗对腔内次振荡模的抑制能力也可以实现钛宝石激光器的频率连续调谐。这种方法不需要调制锁定标准具，因此激光器系统中不存在调制信号的影响，而且在非线性损耗的作用下，激光器低频段强度噪声得到了一定程度降低。然而受到非线性晶体接受带宽的限制，钛宝石激光器只能在特定的频段内实现这一功能，无法覆盖钛宝石激光器的输出光谱范围。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有连续可调谐钛宝石激光器中存在的缺陷，提供一种基于双折射标准具锁定的单频连续波可调谐钛宝石激光器，能够基于无调制锁定标准具方法实现低噪声且宽波段范围内均可连续调谐。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于双折射标准具锁定的单频连续波可调谐钛宝石激光器，包括泵浦源1、位于所述泵浦源1出射光路上的光束耦合系统2以及位于所述光束耦合系统2出射光路上的激光谐振腔3；所述激光谐振腔3内设有与主光路成一定夹角的双折射标准具7；所述双折射标准具7的反射光路上依次设有平面反射镜8、第一透镜9、四分之一波片10和偏振分束器11；所述偏振分束器11的反射光路上设有第二透镜12和第一光电探测器13；所述偏振分束器11的透射光路上设有第三透镜14和第二光电探测器15；所述第一光电探测器13和第二光电探测器15的输出端连接在伺服控制器16上；所述伺服控制器16的信号输出端连接有振镜电机17；所述双折射标准具7粘接在所述振镜电机17的转轴上。

可选的，所述激光谐振腔3采用四镜环形激光谐振腔结构。

可选的，所述激光谐振腔3包括第一平凹镜31、第二平凹镜32、第一平面镜33和第二平面镜34；所述第一平凹镜31和第二平凹镜32之间的光路上设有增益介质钛宝石晶体4，所述第二平凹镜32和第一平面镜33之间的光路上设有双折射滤波片5，所述第一平凹镜31和第二平面镜34之间的光路上设有光学单向器6，所述第一平面镜33上粘接有压电陶瓷18。

可选的，所述双折射标准具7为沿光轴方向即z方向切割并加工成两通光面即x-o-z面平行的薄片双折射晶体，所述双折射标准具7入射光偏振方向与晶体x轴之间的夹角为2°～3°。

可选的，所述第一透镜9的焦点设定在所述双折射标准具7的反射点处；所述第二透镜12的焦点设定在所述第一光电探测器13的有效接收面上；所述第三透镜14的焦点设定在所述第二光电探测器15的有效接收面上。

可选的，所述伺服控制器16包括加减法电路、除法电路和pi控制电路。

可选的，所述双折射晶体为铌酸锂晶体、钽酸锂晶体或石英晶体。

可选的，所述泵浦源1为532nm全固态连续波激光器、520nm半导体激光二极管或450nm半导体激光二极管。

可选的，所述泵浦源1的泵浦方式为端面泵浦。

可选的，所述增益介质钛宝石晶体4是加工成两通光面平行的光学晶体或是以布儒斯特角放置在光路中的光学晶体。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明通过采用双折射标准具获得了一种结构简单、可稳定运转并且在宽波段可调谐范围内均可实现连续调谐的低噪声单频连续波可调谐钛宝石激光器。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的基于双折射标准具锁定的单频连续波可调谐钛宝石激光器结构示意图；

图2为本发明单频连续波可调谐钛宝石激光器中双折射标准具的晶体切割方式及入射光线偏振方向示意图；

图3为本发明单频连续波可调谐钛宝石激光器在780nm附近连续调谐的实验结果；

符号说明：

1-泵浦源、2-光束耦合系统、3-激光谐振腔、4-增益介质钛宝石晶体、5-双折射滤波片、6-宽带光学单向器、7-双折射标准具、8-平面反射镜、9-第一透镜、10-四分之一波片、11-偏振分束器、12-第二透镜、13-第一光电探测器、14-第三透镜、15-第二光电探测器、16-伺服控制器、17-振镜电机、18-压电陶瓷、31-第一平凹镜、32-第二平凹镜、33-第一平面镜、34-第二平面镜、61-磁致旋光晶体、62-自然旋光晶体、71-入射光束的偏振方向、72-双折射标准具的反射光、73-入射光束传播方向、74-晶体z轴方向、75-晶体x轴方向、76-晶体y轴方向、77-次偏振分量、78-夹角、79-主偏振分量。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

本发明的目的是提供一种基于双折射标准具锁定的单频连续波可调谐钛宝石激光器，能够基于无调制锁定标准具方法实现低噪声且宽波段范围内均可连续调谐。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明所提供的基于双折射标准具锁定的单频连续波可调谐钛宝石激光器结构示意图，如图1所示，包括泵浦源1、光束耦合系统2、激光谐振腔3、增益介质钛宝石晶体4、双折射滤波片5、宽带光学单向器6、双折射标准具7、平面反射镜8、第一透镜9、四分之一波片10、偏振分束器11、第二透镜12、第一光电探测器13、第三透镜14、第二光电探测器15、伺服控制器16、振镜电机17、压电陶瓷18。

其中，光束耦合系统2位于泵浦源1出射光路上；激光谐振腔3设在光束耦合系统2的出射光路上，泵浦源1输出的泵浦光束经耦合系统2整形聚焦后入射到激光谐振腔3内的增益介质钛宝石晶体4中心。

激光谐振腔3采用四镜环形激光谐振腔结构；激光谐振腔3包括第一平凹镜31、第二平凹镜32、第一平面镜33、第二平面镜34，增益介质钛宝石晶体4设在第一平凹镜31和第二平凹镜32之间，四镜环形激光谐振腔3内同时设有双折射滤波片5和光学单向器6，第一平面镜33上粘接有压电陶瓷18，其中，改变压电陶瓷18的电压可以改变激光谐振腔3的腔长，实现激光器频率连续调谐。

激光谐振腔3内还设有与主光路成一定夹角的双折射标准具7，双折射标准具7的反射光束与主光路分开，双折射标准具7的反射光路上设有平面反射镜8、第一透镜9、四分之一波片10、偏振分束器11；偏振分束器11的反射光路设有第二透镜12和第一光电探测器13；偏振分束器11的透射光路上设有第三透镜14及第二光电探测器15；第一光电探测器13和第二光电探测器15的输出端连接在伺服控制器16上，伺服控制器16的信号输出端连接有振镜电机17，双折射标准具7粘接在振镜电机17的转轴上。

其中，对双折射标准具7的反射光束进行探测后，经由伺服控制器16提取并产生控制信号作用于振镜电机17控制双折射标准具7的角度，进而将双折射标准具7的透射峰实时锁定在谐振腔的振荡频率处。

增益介质钛宝石晶体4两端面均为布儒斯特角(60.4)切割，c轴垂直于晶体中的通光方向，以使π偏振泵浦光和振荡光几乎无损耗地透射，同时自动抑制σ偏振光；双折射滤波片5由三片光轴平行、厚度比例为1:4:16的石英晶体材料制成，且以布儒斯特角置于谐振腔中；宽带光学单向器6由外加磁场的磁致旋光晶体61和自然旋光晶体62组成，且均以布儒斯特入射角放置在激光谐振腔中，宽带光学单向器6迫使基于内腔双折射标准具锁定的低噪声单频连续波可调谐钛宝石激光器单向运转。

具体的，根据双折射标准具7的双折射特性及标准具反射特性，激光振荡频率与双折射标准具7透射峰匹配与否时，双折射标准具7的反射光束具有不同的偏振态，利用四分之一波片10、偏振分束器11、第一光电探测器13和第二光电探测器15组合对双折射标准具7反射光束的偏振态进行探测可有效提取双折射标准具7透射峰与激光振荡频率之间的偏差值用于反馈锁定双折射标准具7，而无需采用调制解调技术，从而有效避免了额外调制信号对激光器强度噪声的影响，实现低噪声的可调谐钛宝石激光器。

具体的，第一透镜9的焦点设定在双折射标准具7的反射点处，而第二透镜12和第三透镜14的焦点分别设定在第一光电探测器13和第二光电探测器15的有效接收面上，从而保证双折射标准具7绕电机转轴旋转时，双折射标准具7的反射光束始终在四分之一波片10和偏振分束器11的有效传输范围内，并且能始终被第一光电探测器13和第二光电探测器15有效探测。

具体的，伺服控制器16内含加减法电路、除法电路及pi控制电路，用于提取双折射标准具7的透射峰与激光振荡频率之间的偏差信号并产生相应的控制信号。

针对图1的装置，本发明还提供了一种基于上述实施例中实现双折射标准具7锁定及激光器输出波长连续调谐的方法，包括以下步骤：

(1)泵浦源1出射的泵浦光经光束耦合系统2耦合进放置在激光谐振腔3内的增益介质钛宝石晶体4中心，泵浦产生激光，腔内双折射标准具7反射的一小部分激光依次经过平面反射镜8、第一透镜9、四分之一波片10、偏振分束器11后分成反射光和透射光；

(2)反射光束经第二透镜12聚焦后进入第一光电探测器13转化为电信号，透射光束经第三透镜14聚焦后进入第二光电探测器15转化为电信号；

(3)第一光电探测器13和第二光电探测器15的输出信号均进入伺服控制器16分别进行加减及相除运算后提取出双折射标准具7透射峰与激光振荡频率之间的偏差值，即i1和i2分别为第一光电探测器13和第二光电探测器15的输出信号，error为偏差值；

(4)将提取到的偏差值作为控制信号作用于振镜电机17上控制双折射标准具7的角度，实现双折射标准具7的实时锁定；

(5)通过扫描压电陶瓷18的长度改变激光谐振腔3的腔长实现激光器频率的连续调谐。

图2为本发明单频连续波可调谐钛宝石激光器中双折射标准具的一种晶体切割方式及入射光线偏振方向示意图，如图2所示，双折射标准具7沿晶体光轴方向74(晶体z轴方向)切割，入射光束传播方向73为沿晶体y轴方向传播，入射光束的偏振方向71与晶体x轴方向75成2～3°的小角度夹角78。入射光束在晶体内分解为沿晶体x轴方向75的主偏振分量79和沿晶体z轴方向74的次偏振分量77，根据晶体的双折射特性，这两个偏振分量在晶体内经受的折射率不同，再根据标准具的反射特性，当主偏振分量79的光波长或频率与双折射标准具7的共振频率匹配与否时，双折射标准具7的反射光72偏振态不同，通过探测双折射标准具7反射光72偏振态的变化可提取出双折射标准具7透射峰与激光振荡频率之间的偏差值用于锁定双折射标准具7。

激光器正常运转后，沿双折射滤波片5的法线方向调节其角度实现激光器的频率粗调谐，然后旋转细调谐元件双折射标准具7的入射角实现激光器的频率细调谐，最后通过锁定双折射标准具7并扫描与腔镜相连的压电陶瓷18的长度连续改变激光谐振腔3的腔长，实现激光器的频率连续调谐。调节双折射滤波片5使激光器输出波长到780.2nm附近；旋转双折射标准具7的角度使激光器输出波长到780.210nm附近并将双折射标准具7的透射峰实时锁定在激光器振荡频率处；扫描压电陶瓷18的长度，获得如图3所示的连续调谐实验结果。在粗调谐元件双折射滤波片5、细调谐元件双折射标准具7和精调谐元件压电陶瓷18的共同作用下，钛宝石激光器实现了频率连续调谐。

本发明利用双折射晶体的双折射效应并结合标准具的反射特性。当一束偏振方向与晶体主轴成一小角度夹角(2°～3°)的线偏光进入双折射标准具后会分解成平行于晶体主轴和垂直于晶体主轴的两个分量，其中平行于晶体主轴的为主分量，垂直于晶体主轴的为微小次分量。由于两个分量经受的折射率不同，在晶体内往返传输一周后的相位延迟不同，根据标准具的反射特性，双折射标准具的反射光束呈现出不同的偏振态。当主分量与标准具共振频率匹配，即主分量在标准具内往返传输一周后相位延迟为2π的整数倍时，标准具的反射光束为沿次分量方向的线偏光，而当主分量与标准具共振频率不匹配时，其反射光束为不同旋度的椭圆偏光。这一不同偏振态的反射光束可以通过四分之一波片和偏振分束器组合进行鉴别，四分之一波片的光轴与双折射标准具主轴成45°角，偏振分束器光轴与双折射标准具主轴平行。偏振分束器的反射光和透射光分别经光电探测器后转化为电信号，然后对两电信号分别作差和求和并相除，即可提取出标准具透射峰与激光振荡频率之间的偏差值，然后通过控制振镜电机的转轴控制标准具的角度，从而将标准具的透射峰实时锁定在激光器的振荡频率处，这样，当改变激光器谐振腔腔长时，标准具透射峰始终与激光器的振荡频率相对应而不发生跳摸现象，实现了激光器输出频率的连续调谐。

与现有技术相比，本发明还公开了如下技术效果：

1.采用双折射晶体制成的标准具作为腔内选模元件，基于晶体双折射效应通过探测其反射光偏振态变化提取误差信号用于锁定标准具，无需采用调制解调技术，使得锁定系统结构简化，设计简单，更易实现。

2.标准具锁定系统中无需引入额外的低频调制信号，从而有效避免了调制信号对激光器噪声的影响，实现了低噪声的单频连续波宽带可调谐钛宝石激光器。

3.本发明涉及的双折射标准具无调制锁定法适用于任何腔型结构的全固态单频连续波可调谐激光器。

4、本发明利用晶体的双折射效应，通过探测双折射标准具反射光偏振态变化提取误差信号用于锁定标准具，无需引入额外调制信号，有效避免额外调制信号对激光器噪声特性的影响，实现低噪声的可调谐钛宝石激光器。

总之，本发明通过采用双折射标准具获得了一种结构简单，可稳定运转并且在宽波段可调谐范围内均可实现连续调谐的低噪声单频连续波可调谐钛宝石激光器。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。