一种外腔主动调Q的双波长脉冲交替输出激光装置及方法与流程

本发明涉及一种双波长激光装置，尤其涉及一种外腔主动调q的双波长脉冲交替输出激光装置。

背景技术：

双波长激光器是在一个激光器中实现两个波长的激光输出的激光器，在差频thz源，精细激光光谱、差分吸收激光雷达等领域有着广阔的应用前景。

传统的双波长激光器是通过谐振腔的镀膜设计进行选频，实现两个波长的同时振荡，这样的方法难以实现对谐振波长的调谐。或者将色散元件，如棱镜，置于谐振腔内，将两个波长的光路分开。但是色散元件具有一定的插入损耗，影响了激光器的效率和调谐范围。在谐振腔内插入调q器件可以实现脉冲激光输出。一般地，调q器件置于主谐振腔。2009年26卷的《chinesephysicsletters》“experimentalstudyondualwavelengthanddualpulseq-switchedfrequencydoublingonatunablecr:lisaflaser”中公开了一种主谐振腔结构的双波长脉冲输出激光器，可以实现波长调谐。其调q器件置于主谐振腔内，调q器件有两个作用：一是实现脉冲输出，二是分开两个波长的光路。但是调q器件置于主谐振腔使得激光器结构复杂、损耗大、体积大。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于外腔调谐、调q结构的双波长激光装置，两个波长的脉冲激光交替输出，其中一个波长为主腔振荡波长，另一个波长受外腔反馈控制实现调谐，解决了现有双波长激光器结构复杂、损耗大的问题。

本发明的技术解决方案是提供一种外腔主动调q的双波长脉冲交替输出激光装置，包括主谐振腔，其特殊之处在于：还包括设置于主谐振腔输出光路上的外腔，上述外腔包括依次设置的调q器件、光束整形元件和色散单元；

上述主谐振腔接收泵浦光，上述调q器件控制外腔反馈波长(特定波长)至主谐振腔。

本发明装置还包括45°双色镜，泵浦光经双色镜反射至主谐振腔，主谐振腔的出射光透过双色镜出射。

上述主谐振腔包括第一腔镜、第二腔镜及位于第一腔镜和第二腔镜之间的增益介质；

上述主谐振腔可以为为线型腔或v型腔等折叠腔。所述v型腔包括v型腔第一腔镜、v型腔第二腔镜及位于v型腔第一腔镜与v型腔第二腔镜之间的增益介质，还包括位于v型腔第二腔镜反射光路上的v型腔第三腔镜。

外腔中的调q器件，控制外腔是否能将特定波长的光反馈回主谐振腔，上述调q器件在低q高损耗时外腔对主腔没有反馈，激光器输出波长为主腔自由振荡波长，在高q时对主腔有反馈，外腔能够将特定波长的光反馈回主腔，此时激光器的振荡波长受外腔反馈控制。这样，在调q器件的开启和关闭时，激光器就能实现两个波长的脉冲激光交替输出。

外腔中的色散元件实现分光，上述色散单元为光栅或棱镜。

上述光束整形元件包括沿光束依次设置的准直透镜和变形棱镜组，上述变形棱镜组包括两个直角棱镜。

上述调q器件为斩波器或声光、电光调q器件。

本发明还提供一种上述激光装置双波长脉冲交替输出方法，主谐振腔接收泵浦光，调q器件控制外腔反馈特定波长的光，光束整形元件对光束进行准直及扩束，光栅将特定波长的光沿原光路反馈回主谐振腔。

具体的，调q器件在低q高损耗时，q开关关闭，外腔对主腔没有反馈；在高q时，q开关打开，外腔对主腔有反馈。

本发明具有的有益技术效果为：

1、本发明在较紧凑的结构中实现了双波长激光的交替输出。

2、本发明利用光栅或棱镜等色散元件实现对主谐振腔的反馈，并通过合理的腔镜组合和膜系设计，可以对一个波长进行宽谱调谐。

3、本发明可以实现双波长激光沿相同光路输出。

4、本发明的调q、调谐元件置于与主腔隔离的外腔，降低了激光器的损耗，提升了激光器的效率。

附图说明

图1为本发明基于线型腔、端面泵浦的脉冲双波长激光装置的基本原理图。及组成；

图2为本发明基于v型腔、端面泵浦的脉冲双波长激光装置的基本原理

图3为光束整形元件的原理示意图；

图4为实施例激光器结构示意图。

其中：1—线型腔第一腔镜；2—增益介质；3—线型腔第二腔镜；4—调q器件；5—光束整形元件；6—光栅；7—双色镜；8—v型腔第一腔镜；9—v型腔第二腔镜；10—v型腔第三腔镜；11—准直透镜；12—变形棱镜组。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步的描述。

本发明给出了外腔主动调q的脉冲双波长交替输出激光装置结构，将调q和色散元件置于与主腔隔离的外腔，一个波长为主腔振荡波长，另一个波长为外腔调谐波长。激光器结构可以进行多样的变形，但是基本原理不变。

图1所示是主谐振腔为线型腔的一种外腔主动调q的脉冲双波长交替输出激光装置，包括线型腔第一腔镜1、线型腔第二腔镜3和设置在线型腔第一腔镜1和线型腔第二腔镜3之间的增益介质2，线型腔第一腔镜1、线型腔第二腔镜3、增益介质2构成主谐振腔。

在线型腔第二腔镜3的输出光路上设置有调q器件4、光束整形元件5和光栅6，构成外腔。调q器件4控制外腔损耗，低q高损耗时外腔对主腔没有反馈，高q时对主腔有反馈。光束整形元件可以起到光束准直、扩束等作用。光栅6将特定波长的光沿原光路反馈回主谐振腔。通过旋转光栅6可以控制反馈回主腔的激光波长。在腔镜1作为激光输出口和泵浦输入口，45°双色镜7对泵浦光高反、对谐振光高透。

外腔之所以能控制激光器的振荡波长，原理是有了外腔反馈后，对于反馈波长谐振腔的有效反射率增大，腔损耗减小，从而使反馈波长容易起振。下面以图1装置为例分析。设光栅反馈回主腔的波长为λ，设调q器件4处于导通状态时损耗为零，光束整形系统损耗为零。设光栅在波长λ处一级衍射效率为r6，线型腔第二腔镜3在λ处的反射率为r3，则对于激光器来说，外腔光栅6和线型腔第二腔镜3共同作用，在波长λ处的有效反射率为：

式中，则显然有reff＞r3。所以，有了外腔反馈后，谐振腔在波长λ处的有效反射率增大，损耗降低，更容易起振。

在q开关关闭时，外腔对主腔没有反馈，此时主腔自由振荡，设振荡波长为λ1；在q开关导通时，外腔对主腔有反馈，此时激光器振荡受外腔调控，设振荡波长为λ2。则通过控制q开关的导通和关闭，激光器的振荡波长为λ1和λ2交替变化。

图2将主谐振腔由线型腔改为v型腔。外腔位于v型腔第二腔镜9的输出端。

图3列举了一种光束整形元件。光束整形元件5用于对从主腔输出进入外腔的激光束进行扩束和准直。为了光束能够沿原光路反馈回主腔，需要进行光束准直。针对光栅结构，光束的横截面越大，则色散元件的角色散越强、分光能量越强。因而对激光扩束有利于增强光栅的色散能力。光束整形元件5可以是凸面镜和扩束镜的组合，其中扩束镜为两个直角棱镜组成的变形棱镜组，在平行于纸面的方向上对激光扩束。

下面给出实验的具体实施例。

激光器采用图4所示激光器结构，基于图2的结构。选用671nm的泵浦，沿晶体左端面入射；凹面镜m1曲率半径为50mm，镀膜对671nm高透，对800-1000nm波段的透过率为5％；增益介质选用cr:lisaf晶体。cr:lisaf晶体材料能实现780-1110nm的调谐；m2曲率半径为50mm，在800-1000nm波段高反；m3为输出镜，800-1000nm波段的透过率为2％。调q器件为斩波器，频率为10khz；光束整形元件为焦距为50mm的准直透镜；色散元件5选用刻线密度为1800线/mm的闪耀光栅，在850nm处闪耀角为49.9°，在800-1000nm波段的一级衍射效率为60-80％。

结果表明：主腔振荡的波长λ1为865nm，在泵浦功率为500mw的条件下输出峰值功率为80mw；外腔调控波长λ2的调谐范围为830-920nm，将波长调谐至830nm时，在泵浦功率为500mw的条件下输出峰值功率为100mw。波长λ1和λ2的激光脉冲，重复频率均为10khz，脉宽约为0.1ms。