一种全固态连续波单频激光器

1.本技术涉及激光器技术领域，更具体地，涉及一种全固态连续波单频激光器。


背景技术：

2.全固态连续波单频激光器因其具有光束质量好、功率稳定性高、线宽窄和噪声低等优点，已经被广泛应用于量子光学与量子信息、原子物理、高精度测量等多个领域。利用全固态连续波单频激光器作为基础光源，采用倍频、和频、差频、光学参量振荡以及拉曼等非线性频率转换技术可用于波长扩展以及非经典光场的制备。为了满足科学技术迅速发展的需求，在保证激光器其它优良性能的基础上提高全固态连续波单频激光器的输出功率变得尤为重要。例如在激光干涉仪引力波天探测(ligo)领域，为了将aligo的探测灵敏度提高10倍，要求应用于引力波探测的全固态单频连续波激光器的输出功率达到200w。
3.目前，提高全固态连续波单频激光器的输出功率主要通过激光放大技术来实现，例如光纤放大器、板条放大器、薄片放大器、块状或者棒状固体放大器、单晶光纤放大器等。虽然激光放大技术是获得高功率单频激光的有效方法，但是在此过程中激光器的噪声也被同步放大。为了获得输出功率高，噪声小的连续波单频激光器满足量子光学和精密测量领域的应用，人们希望在单个谐振腔内只需要增加注入的泵浦功率就可以获得高功率的连续波单频激光器。
4.然而，随着注入泵浦功率的增加，激光晶体会产生严重的热透镜效应，导致谐振腔稳区变窄，破坏泵浦光与束腰之间的模式匹配，输出功率受限。另外，随着注入泵浦功率的增加会使模式竞争更加激烈，产生多模振荡以及不规则的跳模现象，影响激光器的稳定性，严重时甚至会损坏晶体。
5.为了克服由增益晶体引起的这些问题，实现高功率的激光输出，通常需要在谐振腔内插入多块增益介质，而且为了实现晶体之间的模式自再现，每两块增益晶体之间需要使用一组由两个相同焦距的平凸镜组成的成像系统。
6.但是，由于使用的是固定焦距的透镜，所以谐振腔的稳区依旧很窄，只能在特定的泵浦功率下正常运行，限制了输出功率的进一步提高。此外，为了实现高功率的激光输出和稳定的单纵模运转，必须精确地调整成像透镜之间的光学长度，这样增加了激光器调试的难度。


技术实现要素：

7.本技术提供一种全固态连续波单频激光器，给对称环形谐振腔内的每个增益晶体单独配置一个泵浦源，降低了每个增益晶体的热透镜效应对谐振腔的稳区的不利影响，使谐振腔的稳区相对较宽；并且在对称环形谐振腔中取消成像系统，利用增益晶体自身的热透镜性质实现模式匹配，并且谐振腔的对称设置实现距离最远的第一增益晶体与第二增益晶体之间的模式自再现，在泵浦功率不受限制的基础上，激光器可以在较宽的泵浦范围内实现稳定的单频运转。
8.本技术提供了一种全固态连续波单频激光器，包括对称环形谐振腔、对称设置在对称环形谐振腔内的第一增益晶体和第二增益晶体，以及对称设置在第一增益晶体与第二增益晶体之间的增益部；
9.对称环形谐振腔包括输出腔镜和与输出腔镜位置对称的第一腔镜，第一增益晶体前端的第二腔镜、输出腔镜、第一腔镜和第二增益晶体前端的第三腔镜形成8字形光路；
10.增益部包括至少一个依次排列的增益晶体，增益部中，与第一增益晶体最近的第三增益晶体和与第二增益晶体最近的第四增益晶体对称设置；
11.每个增益晶体均与一个独立的泵浦源耦合，第二腔镜与输出腔镜之间设有单向器，第一腔镜与输出腔镜之间的束腰处设有非线性晶体；
12.其中，对称位置的两个增益晶体完全相同，每个增益晶体既是增益介质，又是模式匹配元件。
13.优选地，第三增益晶体与第四增益晶体为同一个晶体。
14.优选地，增益部包括第三增益晶体、第四增益晶体以及对称设置在第三增益晶体与第四增益晶体之间的对称排列的至少一个第五增益晶体。
15.优选地，泵浦源为光纤耦合的激光二极管。
16.优选地，第二腔镜和第三腔镜是10度入射的凹凸镜。
17.优选地，第一增益晶体与第三增益晶体之间以及第二增益晶体与第四增益晶体之间均设有第一数量的45度入射的平面镜。
18.优选地，输出腔镜和第一腔镜是10度入射的平凹镜，第一腔镜的平面镀有基频光和倍频高透膜，凹面镀有基频光高反膜和倍频光高透膜，输出腔镜的平面镀有基频光和倍频高透膜，凹面镀有倍频光高透膜和对基频光有预设透射率的透射膜。
19.优选地，对称环形谐振腔内的增益晶体的泵浦源的功率组合不同，全固态连续波单频激光器的输出功率不同。
20.优选地，谐振腔采用端面泵浦或侧面泵浦的泵浦方式。
21.优选地，对称环形谐振腔内的增益介质包括板条状增益介质、块状增益介质、棒状增益介质、单晶光纤中的一种或几种。
22.通过以下参照附图对本技术的示例性实施例的详细描述，本技术的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
23.被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本技术的实施例，并且连同其说明一起用于解释本技术的原理。
24.图1为本技术提供的全固态连续波单频激光器的第一实施例的结构示意图；
25.图2为图1所示的实施例的光斑变化趋势图；
26.图3为图1所示的实施例中各个增益晶体的束腰半径和对称环形谐振腔的稳区随着注入泵浦功率的变化进行变化的情况；
27.图4为图1所示的实施例中单频激光器的输出功率的实验结果；
28.图5为本技术提供的全固态连续波单频激光器的第二实施例的结构示意图；
29.图6为本技术提供的全固态连续波单频激光器的第三实施例的结构示意图；
30.图7为本技术提供的全固态连续波单频激光器的第四实施例的结构示意图；
31.图8为本技术提供的全固态连续波单频激光器的第五实施例的结构示意图。
具体实施方式
32.现在将参照附图来详细描述本技术的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本技术的范围。
33.以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本技术及其应用或使用的任何限制。
34.对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
35.在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。
36.本技术提供一种全固态连续波单频激光器，给对称环形谐振腔内的每个增益晶体单独配置一个泵浦源，虽然谐振腔内总的注入泵浦功率很高，但是被分解到多块增益晶体中，一方面缓解了每个增益晶体的热透镜效应及其损坏风险，另一方面对于特定的激光器输出功率，可以给每个增益晶体注入合适的泵浦功率，因此降低了每个增益晶体的热透镜效应对谐振腔的稳区的不利影响，使谐振腔的稳区相对较宽；并且在对称环形谐振腔中取消成像系统，利用增益晶体自身的热透镜性质实现腔模的变化，从而实现模式匹配，并且谐振腔的对称设置实现距离最远的第一增益晶体与第二增益晶体之间的模式自再现，而且由于不存在固定焦距的成像系统，所以泵浦功率不受限制，因此激光器可以在较宽的泵浦范围内实现稳定的单频运转。
37.本技术的全固态连续波单频激光器包括对称环形谐振腔、对称设置在对称环形谐振腔内的第一增益晶体和第二增益晶体，以及对称设置在第一增益晶体与第二增益晶体之间的增益部。对称环形谐振腔包括输出腔镜和与输出腔镜位置对称的第一腔镜，第一增益晶体前端(泵浦入射端)的第二腔镜、输出腔镜、第一腔镜和第二增益晶体前端(泵浦入射端)的第三腔镜形成8字形光路。
38.增益部设置在8字形光路的外部，增益部包括至少一个依次排列的增益晶体，增益部中，与第一增益晶体最近的第三增益晶体和与第二增益晶体最近的第四增益晶体对称设置。
39.其中，对称位置的两个增益晶体完全相同，每个增益晶体既是增益介质，又是焦距可变的模式匹配元件。每个增益晶体(包括第一增益晶体、第二增益晶体以及增益部中的所有增益晶体)均与一个独立的泵浦源耦合。
40.第二腔镜与输出腔镜之间设有单向器，有效消除空间烧孔效应，迫使激光器实现稳定的单向运转。第一腔镜与输出腔镜之间的束腰处设有非线性晶体，以确保引入的非线性损耗足以抑制激光器的多模振荡以及跳模现象，实现激光器的稳定单频运转。
41.需要说明的是，本技术的全固态连续波单频激光器取消了两块增益晶体之间的成像系统，因此，注入增益晶体的泵浦功率不受限制，激光器可以在较宽的泵浦范围内实现稳定的单频运转。
42.实施例1
43.图1为本技术的第一是实施例的结构示意图。如图1所示，对称环形谐振腔中，输出腔镜12与第一腔镜11位置对称，第二腔镜1与输出腔镜12之间设有单向器14，单向器14允许光线从第二腔镜1传输至输出腔镜12，第一腔镜11与输出腔镜12之间的束腰处设有非线性晶体13，第二腔镜1、输出腔镜12、第一腔镜11和第三腔镜2形成8字形光路。
44.第二腔镜1设置在第一增益晶体l1的前端(泵浦入射端)，第一增益晶体l1与第一泵浦源p1耦合。第三腔镜2设置在第二增益晶体l2的前端(泵浦入射端)，第二增益晶体l2与第二泵浦源p2耦合。第一增益晶体l1和第二增益晶体l2对称设置。
45.在该实施例中，增益部包括第三增益晶体l3和第四增益晶体l4，分别与第三泵浦源p3和第四泵浦源p4耦合。如图1所示，第一增益晶体l1与第三增益晶体l3之间设有用于改变光路的腔镜3、5、7，第二增益晶体l2与第四增益晶体l4之间设有用于改变光路的腔镜4、6、8，第三增益晶体l3与第一增益晶体l1之间的光路和第四增益晶体l4与第二增益晶体l2之间的光路是对称的。第三增益晶体l3与第四增益晶体l4之间通过腔镜9和10改变光路。
46.作为一个实施例，上述泵浦源为光纤耦合的激光二极管。
47.作为另一个实施例，谐振腔采用端面泵浦的泵浦方式，端面泵浦更容易实现精确的模式匹配，也更容易获得高光束质量和高功率激光输出。
48.作为一个实施例，第二腔镜1和第三腔镜2是10度入射的凹凸镜，其泵浦入射端面镀有泵浦光高透膜，另一个端面镀有泵浦光高透膜和基频光高反膜。腔镜9和腔镜10是45度入射的平面镜，其泵浦入射端面镀有泵浦光高透膜，另一个端面镀有泵浦光高透膜和基频光高反膜。腔镜3、5、7、4、6、8是45度入射的平面镜，其反射面上镀有基频光高反膜。第一腔镜11和输出腔镜12是10度入射的平凹镜，第一腔镜11的平面镀有基频光和倍频高透膜，凹面镀有基频光高反膜和倍频光高透膜，输出腔镜12的平面镀有基频光和倍频高透膜，凹面镀有倍频光高透膜和对基频光有预设透射率的透射膜。
49.作为一个实施例，非线性晶体13可以是温度相位匹配，也可以是角度相位匹配。本技术对非线性晶体13的材质不做限制。
50.作为一个实施例，上述增益晶体是固态的增益介质，可以是板条状增益介质、块状增益介质、棒状增益介质、单晶光纤中的一种或几种。
51.作为一个实施例，增益晶体由铟薄包覆并通过真空铟焊置于紫铜控温炉中，采用热电制冷器(tec)进行温度控制，热沉为通有冷却循环水的紫铜块。作为另一个实施例，增益晶体也可以采用直接水冷的方式。
52.优选地，增益晶体的出射端面切有一定的楔角，起到偏振分束器的作用，便于维持激光器偏振态的稳定。
53.每个增益晶体单独配置一个泵浦源，这样，虽然谐振腔内总的注入泵浦功率很高，但是被分解到多块增益晶体中，一方面缓解了每个增益晶体的热透镜效应及其损坏风险，另一方面对于特定的激光器输出功率，可以给每个增益晶体注入合适的泵浦功率，因此降低了每个增益晶体的热透镜效应对谐振腔的稳区的不利影响，使谐振腔的稳区相对较宽。在此基础上，由于增益晶体自身的热透镜性质，因此增益晶体可以作为透镜来辅助模式匹配，如图2所示。同时，由于成像系统的取消，注入增益晶体的泵浦功率不受限制，增益晶体的焦距随着泵浦功率的改变而改变，因此，增益晶体可以作为一个焦距可变的模式匹配元
件。
54.在上述基础上，通过改变每块晶体处注入的泵浦功率，一方面可以实现泵浦模式与每块增益晶体处束腰之间良好的模式匹配，另一方面，通过各个增益晶体的动态变化可以实现对称环形谐振腔的动态自模式匹配，保证高功率输出的模式为tem
00
模，请见下述说明。
55.图3为图1所示的实施例的中各个增益晶体的束腰半径和对称环形谐振腔的稳区随着注入泵浦功率的变化进行变化的情况，图中泵浦功率是基于热透镜公式的转化结果。
56.由于环形谐振腔的对称特性，第一增益晶体l1和第二增益晶体l2处的束腰相等，第三增益晶体l3和第四增益晶体l4处的束腰相等。第一增益晶体l1和第二增益晶体l2的注入泵浦功率同步变化，第三增益晶体l3和第四增益晶体l4的注入泵浦功率同步变化。
57.图3(i)和图3(ii)示出了泵浦源p
1-p4同时增加的情况，图3(i)描述的是第一增益晶体l1和第二增益晶体l2处的束腰半径随着注入的泵浦功率的变化，图3(ii)描述的是第三增益晶体l3和第四增益晶体l4处的束腰半径随着注入的泵浦功率的变化。从图中可以看出，在这种情况下，激光器有一个双稳区的谐振腔，在两个稳区之间，当入射泵浦功率从35w(第一个稳区的最大泵浦功率)增加到68.4w(第二个稳区的最小泵浦功率)的过程中，产生的激光会消失，也就是说，入射泵浦光无法转化成生成的激光，四个增益晶体的温度快速升高。因此，在从第一个稳定范围跃迁到第二个稳定范围的调节过程中，需要快速增加四个增益晶体处注入的泵浦功率，实现快速跃迁。
58.图3(iii)(显示l1和l2)和图3(iv)(显示l3和l4)描述的是当p1和p2的功率分别增加到70w、83w和90w时，增益晶体l
1-l4中心的束腰半径随着泵浦p3和p4的增加而变化的趋势。可以看出，随着泵浦源p1和p2的功率增加，激光器的两个稳区将越来越接近。同时，在p1和p2的不同功率下，增益晶体l1和l2中心处的束腰半径基本相同；相反，增益晶体l3和l4中心处的束腰半径变化明显。
59.图3(v)(显示l1和l2)和图3(vi)(显示l3和l4)描述是当泵浦源p3和p4分别增加到90w、103w和110w时，增益晶体l
1-l4中心的束腰半径随着泵浦源p1和p2的增加而变化的趋势。该结果与图3(iii)和图3(iv)相似，不同的是由于高泵浦功率的泵浦p3和p4提供了足够的热透镜效应，确保激光器可以进入稳区，所以在某一高功率下，谐振腔只出现了一个稳区。从图3(i)-图3(vi)可以说明，通过改变每个增益晶体处注入的泵浦功率就可以很容易地操控谐振腔的稳区和每块增益晶体处的束腰半径，实现自模式匹配，同时使得单频激光器获得高功率的激光输出。
60.图4示出了全固态连续波单频激光器的输出功率的实验结果。根据图3计算结果，将非线性晶体13插入到腔镜11和腔镜12之间的基膜束腰位置处，在泵浦源p
1-p4注入的总的泵浦功率为375.4w(p1＝86.2w，p2＝83.5w，p3＝106w，p4＝99.7w)的情况下，获得了最高输出功率为140w的稳定单频1064nm激光器。其中，图4(a)描述的是当泵浦源p
1-p4的功率同时增加时，单频激光器的输出功率随着总的注入泵浦光功率的增加而变化的功率曲线。在记录输出功率的过程中，可以观察到随着总的注入泵浦光功率的增加，在总的注入泵浦光功率大于阈值功率68.8w后，1064nm激光的输出功率首先是增加的，当总的注入泵浦光功率大于150w时，输出功率随着总的注入泵浦光功率的增加而下降。此时，由于入射泵浦光转化为热，所以每个晶体的温度迅速升高，为了防止由于温度变化梯度大而造成晶体损伤，需要总
与腔镜10之间设有用于改变光路的腔镜18和16，第五增益晶体l5与第三增益晶体l3之间的光路长度与第五增益晶体l5与第四增益晶体l4之间的光路长度相等，使得谐振腔保持对称。
70.实施例5
71.图8为本技术提供的全固态连续波单频激光器的第五实施例的结构示意图。该实施例的原理与实施例1完全相同，二者的区别在于除了第三增益晶体l3和第四增益晶体l4，增益部还包括位于第三增益晶体l3与第四增益晶体l4之间的第五增益晶体l5和第六增益晶体l6，二者位于腔镜9和10之间，第五增益晶体l5与腔镜9之间设有用于改变光路的腔镜17和15，第六增益晶体l6与腔镜10之间设有用于改变光路的腔镜18和16。第五增益晶体l5和第六增益晶体l6在对称环形谐振腔中的位置是对称的，这样的结构使得谐振腔保持对称。
72.需要说明的是，本技术对增益部的数量不做限制，只要满足环形谐振腔的对称特性即可。
73.需要说明的是，本技术的自模式匹配动态操控技术可用于其它波段的全固态连续波单频激光器的高功率输出。
74.本技术提供的全固态连续波单频激光器克服了在谐振腔内插入成像系统带来的谐振腔稳区依旧较窄、激光器输出功率受限的问题，谐振腔内的增益晶体既作为增益介质又作为焦距可调的模式匹配元件，通过改变每个增益晶体处注入的泵浦功率便可操控谐振腔的动态变化，实现谐振腔的动态自模式匹配以及泵浦模式与每块增益晶体处束腰之间良好的模式匹配。
75.虽然已经通过例子对本技术的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本技术的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本技术的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本技术的范围由所附权利要求来限定。