窄线宽连续激光的实现装置及实现方法与流程

1.本发明涉及激光器技术领域，尤其涉及一种窄线宽连续激光的实现装置及实现方法。


背景技术：

2.早在2003年，日本东京大学h.katori教授就已经提出了基于禁戒跃迁和魔术波长的光晶格原子钟。其基本思想就是通过计算来选择合适的晶格光波长（即魔术波长），使得钟频跃迁的上下能级对晶格光具有相同的光频移量，这样就可以消除晶格光引入的大部分频移。对于镱原子光钟而言，其光晶格光的波长为759.3nm，需要的功率在1.5w以上。目前获得759nm连续激光主要通过可调谐钛宝石激光器直接产生，或者利用759nm可调谐的外腔半导体种子注入锁定钛宝石实现，也可以采用759nm种子激光通过半导体锥形放大器放大输出的。然而，对于光纤激光器而言，目前没办法通过直接的倍频获得759nm激光，因为基频光1518nm不在掺铒增益光纤的增益波段，无法直接放大获得1518nm。
3.而且，单频激光凭借其线宽窄、光谱纯度高、相干性好等优点在冷原子物理、激光武器、量子光学、激光雷达和相关通信等领域都有着重要应用价值。但是其中一些领域，因为要去匹配不同的原子分子谱线，往往对单频激光的波长和线宽有着极高的要求，只有当单频激光波长对应的能量正好满足谱线能级差时才可满足应用。其中例如在737-831nm之间的波段范围，因受限于现有技术，获得的单频激光性能和可靠性还无法彻底满足应用需求。


技术实现要素：

4.针对上述技术问题，本发明提供一种窄线宽连续激光的实现装置，所述窄线宽连续激光的实现装置包括：第一种子激光源，用于输出第一单频激光；第一掺铒光纤放大器，用于接受所述第一单频激光并对其进行功率放大，其中所述第一单频激光的波长位于所述第一掺铒光纤放大器的工作波长范围；第一倍频模块，用于接受放大后的所述第一单频激光并对其进行倍频以形成倍频激光；第二种子激光源，用于输出第二单频激光；第二掺铒光纤放大器，用于接受所述第二单频激光并对其进行功率放大，其中所述第二单频激光的波长位于所述第二掺铒光纤放大器的工作波长范围；差频模块，用于接受所述倍频激光以及功率放大后的所述第二单频激光，并对其进行差频以形成第三单频激光；以及第二倍频模块，用于接受所述第三单频激光并对其进行倍频以形成所述窄线宽连续激光，其中，所述窄线宽连续激光的波长范围为737 nm至831nm。
5.作为可选的技术方案，所述差频模块的工作波长为770 nm至1560nm。
6.作为可选的技术方案，所述第一掺铒光纤放大器以及第二掺铒光纤放大器的工作波长范围均为1533 nm至1599nm。
7.作为可选的技术方案，所述第一种子激光源和第二种子激光源均采用固定外腔的半导体种子、猫眼外腔半导体种子或光纤dfb种子。
8.作为可选的技术方案，所述第一倍频模块采用谐振倍频、单通倍频或级联倍频。
9.作为可选的技术方案，所述第一倍频模块基于第一倍频晶体进行倍频，所述第一倍频晶体选自ppln晶体、ppkdp晶体、ppslt晶体、lbo晶体、bbo晶体或ktp晶体。
10.作为可选的技术方案，所述差频模块采用单次通过差频或谐振腔内的差频。
11.作为可选的技术方案，所述差频模块基于差频晶体进行差频，且所述差频晶体选自ppln晶体、ppkdp晶体、ppslt晶体、lbo晶体、bbo晶体或ktp晶体。
12.作为可选的技术方案，所述第二倍频模块包括谐振倍频、单通倍频或级联倍频。
13.本发明还提供一种窄线宽连续激光的实现方法，所述实现方法包括如下步骤：步骤s1，利用第一种子激光源输出第一单频激光，利用第一掺铒光纤放大器接受所述第一单频激光并对其进行功率放大，利用第一倍频模块接受放大后的所述第一单频激光并对其进行倍频以形成倍频激光；利用第二种子激光源输出第二单频激光，利用第二掺铒光纤放大器接受所述第二单频激光并对其进行功率放大；步骤s2，利用差频模块接受所述倍频激光以及功率放大后的所述第二单频激光，并对其进行差频以形成第三单频激光；以及步骤s3，利用第二倍频模块接受所述第三单频激光并对其进行倍频以形成所述窄线宽连续激光，其中，所述窄线宽连续激光的波长范围为737nm至831nm。
14.与现有技术相比，本发明通过将掺铒光纤放大器与倍频、差频技术相结合，采用多次频率变换方法，能够获得波长范围为737 nm至831nm的窄线宽连续激光，解决了现有技术中难以在该波段实现高性能单频连续激光的问题。而且本发明的技术方案采用的三次频率变换，相应的放大器只涉及掺铒波段；本方案涉及的波段范围相对更窄。另外，本发明的整个实现装置结构简单紧凑，稳定性高。
附图说明
15.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
16.图1为本发明的窄线宽连续激光的实现装置的示意图；图2为本发明的实施例1的窄线宽连续激光的实现装置的示意图；图3为本发明一实施例的窄线宽连续激光的实现方法的流程示意图。
具体实施方式
17.为使对本发明的目的、构造、特征、及其功能有进一步的了解，兹配合实施例详细说明如下。
18.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
19.请参见图1，图1为本发明的窄线宽连续激光的实现装置的示意图；本发明提供一
种窄线宽连续激光的实现装置，包括第一种子激光源1、第一掺铒光纤放大器2、第一倍频模块3、第二种子激光源4、第二掺铒光纤放大5、差频模块6以及第二倍频模块7。其中，第一种子激光源1用于输出的第一单频激光。第一掺铒光纤放大器2用于接受所述第一单频激光并对其进行功率放大，且第一种子激光源输出的第一单频激光的波长位于上述第一掺铒光纤放大器2的工作波长范围，例如本实施例中，所述第一掺铒光纤放大器2的工作波长范围均为1533 nm至1599nm。第一倍频模块3用于接受放大后的所述第一单频激光并对其进行倍频以形成倍频激光。第二种子激光源4用于输出第二单频激光。第二掺铒光纤放大器5用于接受所述第二单频激光并对其进行功率放大，且第二种子激光源4输出的第二单频激光的波长位于上述第二掺铒光纤放大器5的工作波长范围，例如本实施例中，所述第二掺铒光纤放大器5的工作波长范围均为1533 nm至1599nm。差频模块6用于接受所述倍频激光以及功率放大后的所述第二单频激光，并对其进行差频以形成第三单频激光，其中，所述差频模块6的工作波长为770nm至1560nm。第二倍频模块7用于接受所述第三单频激光并对其进行倍频以形成第四单频激光，其中，所述第四单频激光即为所述窄线宽连续激光，所述窄线宽连续激光的波长范围为737 nm至831nm。
20.其中，上述各器件之间例如可通过光纤导管连接。
21.而且，上述第一种子激光源1和第二种子激光源4可以是光纤激光器，也可以是半导体激光器或其他类型的激光器，例如均可采用固定外腔的半导体种子、猫眼外腔半导体种子或光纤dfb种子（dfb为分布式反馈的缩写）。
22.上述第一倍频模块3例如采用谐振倍频、单通倍频或级联倍频。倍频晶体应保证对相应波长的激光有足够的透过率，并能实现对该激光的倍频。其中，为提高倍频效率，倍频过程中可采用外腔谐振增强的工作方式。而且第一倍频模块3基于第一倍频晶体进行倍频，这里所述第一倍频晶体可以选自ppln（周期极化铌酸锂）晶体、ppkdp（周期极化磷酸二氢钾）晶体、ppslt（周期极化钽酸锂）晶体、lbo（三硼酸锂）晶体、bbo（偏硼酸钡）晶体或ktp（磷酸钛氧钾）晶体，只要晶体在相应波段通光且存在相位看匹配即可。
23.上述差频模块6采用单次通过差频或谐振腔内的差频，而且差频模块6基于差频晶体进行差频，差频晶体例如可选自ppln晶体、ppkdp晶体、ppslt晶体、lbo晶体、bbo晶体或ktp晶体。
24.上述第二倍频模块7包括谐振倍频、单通倍频或级联倍频。
25.上述第二倍频模块基于第二倍频晶体进行倍频，这里所述第二倍频晶体可以选自ppln晶体、ppkdp晶体、ppslt晶体、lbo晶体、bbo晶体或ktp晶体。
26.具体例如以下实施例。
27.如图2所示，图2为本发明的实施例1的窄线宽连续激光的实现装置的示意图。此实施例1中，第一种子激光源1输出的1540nm种子激光经过1540nm掺铒光纤放大器（即第一掺铒光纤放大器）2放大后产生功率约为15w的1540nm激光。1540nm激光经过第一倍频模块3倍频后获得770nm激光，本实施例中，第一倍频模块3采用周期极化倍频晶体（例如ppln晶体）的外腔谐振倍频。通过第一倍频模块3，可以实现80%的转换效率，产生约12w的770nm激光。
28.第二种子激光源4输出的1560nm种子激光经过1560nm掺铒放大器（即第二掺铒光纤放大器）5放大后产生功率约15w左右的1560nm激光。第一倍频模块输出的770nm激光和1560nm掺铒放大器5输出的1560nm激光在差频模块6内差频产生1518nm激光，所述差频模块
6采用单次通过周期极化晶体（例如ppln晶体）。本实施例中，以50mm长度的ppln晶体为例，在输入12w的770nm的激光和15w 1560nm的激光的情况下，按两个波长以最佳聚焦条件分别汇聚后，ppln晶体的归一化差频转化效率约为0.2% w-1
cm-1
，采用级联倍频后产生的1518nm激光估算为12*15*0.2%*5*2=3.6w。
29.产生的1518nm激光经过第二倍频模块7倍频后获得759nm连续激光。这里第二倍频模块7采用了周期极化倍频晶体（例如ppln晶体）的外腔谐振倍频，谐振腔的精细度在200左右，其转换效率可以达到80%，可以获得约2.9w的759nm。
30.亦即本实施例中，基于掺铒光纤激光放大器，通过多次的频率变化方法，实现了759nm的窄线宽连续激光输出。
31.除了上述实施例1所述情况，实际应用中，可采用本发明的上述技术方案根据实际需求调整输入第一种子激光源以及第二种子激光源的波长，并与掺铒光纤放大器、倍频及差频技术相结合，采用多次频率变换方法，获得相应波长范围的窄线宽连续激光输出。
32.请参见图3，图3为本发明一实施例的窄线宽连续激光的实现方法的流程示意图。本发明还提供一种窄线宽连续激光的实现方法，其中所述实现方法包括如下步骤：步骤s1，利用第一种子激光源输出第一单频激光，利用第一掺铒光纤放大器接受所述第一单频激光并对其进行功率放大，利用第一倍频模块接受放大后的所述第一单频激光并对其进行倍频以形成倍频激光；利用第二种子激光源输出第二单频激光，利用第二掺铒光纤放大器接受所述第二单频激光并对其进行功率放大；步骤s2，利用差频模块接受所述倍频激光以及功率放大后的所述第二单频激光，并对其进行差频以形成第三单频激光；以及步骤s3，利用第二倍频模块接受所述第三单频激光并对其进行倍频以形成所述窄线宽连续激光，其中，所述窄线宽连续激光的波长范围为737nm至831nm。
33.而且，较佳地，上述窄线宽连续激光的实现方法例如可采用上述窄线宽连续激光的实现装置来实现。
34.综上所述，本发明通过将掺铒光纤放大器与倍频、差频技术相结合，采用多次频率变换方法，能够获得波长范围为737nm至831nm的窄线宽连续激光，解决了现有技术中难以在该波段实现高性能单频连续激光的问题。而且本发明的整个实现装置结构简单紧凑，稳定性高。
35.本发明已由上述相关实施例加以描述，然而上述实施例仅为实施本发明的范例。此外，上面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。必需指出的是，已揭露的实施例并未限制本发明的范围。相反地，在不脱离本发明的精神和范围内所作的更动与润饰，均属本发明的专利保护范围。