一种高功率单纵模掺钬固体激光器的制作方法

本实用新型属于激光器技术领域，涉及一种高功率单纵模Ho:YAG陶瓷激光器。

背景技术：

单模激光器输出的激光模式既是单纵模又是单横模。单纵模是指谐振腔内只有单一纵模(单一频率)进行振荡，单横模又称基横模，是指光强在光横截面上的分布为高斯分布。单模激光器的优点是没有模式竞争，激光的稳定性、相干性和光束质量都很好。在干涉彩虹全息、精密激光光谱、激光雷达、非线性频率转换、激光医学等多个领域有着广泛的应用。

产生单纵模输出的方法很多，主要方法有：1、短腔长法，缩短谐振腔长使纵模间隔大于增益曲线；2、色散腔法，在谐振腔内加入棱镜或光栅构成色散腔，使只有某一特定频率的纵模能够振荡；3、标准具法，在谐振腔内插入一参数合适的标准具，使只有单一纵模能通过标准具振荡；4、滤光片法，在腔内插入一双折射滤光片，使通过滤光片的光频率间隔大于增益线宽。获得单横模的主要方法是采取适当措施抑制高阶横模，保证谐振腔内只有基横模能够振荡。例如在腔内加人小孔光阑，减小腔菲涅尔数，采用非稳腔或临界腔，使用软边光栏或软边反射镜等。采用短腔长的方法获得单模输出，会使增益介质被限制在很小的长度，进而限制了激光器的输出功率；并且腔长过短，极易导致激光光束质量恶化、稳定性变差。采用色散腔法、标准具法和滤光片法等方法产生单模，会使激光器的结构变得复杂，损耗大，总体效率不高。

为了抑制高阶模式的产生，维持稳定的单纵模输出，以往的单纵模激光器的输出光功率大都维持在激光器工作阈值附近；为了获得高功率的单纵模激光，多数采用了光放大的方式，增加了系统的复杂性和成本。如果想获得高功率稳定的单纵模激光输出，现有的技术已经很难实现或者制造成本剧增。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种高功率单纵模掺钬固体激光器，本实用新型的有益效果是将两个VBG结合使用，输出的激光具有较窄的线宽，然后再通过缩短腔长的方法，实现单纵模输出，并可以实现高功率运转。

本实用新型所采用的技术方案是由泵浦源、掺钬固体增益介质Ho:YAG陶瓷、两个反射式体布拉格光栅(volume Bragg grating，以下简称为VBG)和输出耦合镜组成。第一泵浦源、第二泵浦源、Ho:YAG陶瓷、第一反射式体布拉格光栅VBG1、第二反射式体布拉格光栅VBG2和输出耦合镜；第一泵浦源和第二泵浦源位于Ho:YAG陶瓷横向两侧，Ho:YAG陶瓷纵向输出光路右边放置第一反射式体布拉格光栅VBG1，第一反射式体布拉格光栅VBG1反射的激光正入射到第二反射式体布拉格光栅VBG2上，通过第二反射式体布拉格光栅VBG2的正反射再经过第一反射式体布拉格光栅VBG1反射回Ho:YAG陶瓷的纵向输出光路，从而实现第一反射式体布拉格光栅VBG1和第二反射式体布拉格光栅VBG2的角度调谐方式，使两VBG的反射光谱有重叠，Ho:YAG陶瓷纵向输出光路的左边放置输出耦合镜。

进一步，采用第一泵浦源和第二泵浦源进行侧面泵浦掺钬固体增益介质Ho:YAG陶瓷，Ho:YAG陶瓷吸收第一泵浦源和第二泵浦源辐射的能量后，形成粒子数反转分布，Ho³⁺离子在能级⁵I8～⁵I7之间跃迁，产生2.1微米波段范围的受激辐射，在通过谐振腔的振荡放大形成稳定的激光，在Ho:YAG陶瓷纵向输出光路的左边放置输出耦合镜，右边放置第一反射式体布拉格光栅VBG1，调节第一反射式体布拉格光栅VBG1的角度A，使其反射的激光正入射到宽带介质膜高反射镜上，组成可调谐Ho:YAG固体激光器，使Ho:YAG陶瓷激光器输出波长在2090nm附近，固定第一反射式体布拉格光栅VBG1，取走宽带介质膜高反射镜，以第二反射式体布拉格光栅VBG2替代，通过第二反射式体布拉格光栅VBG2的正反射再经过第一反射式体布拉格光栅VBG1反射回原光路，从而实现第一反射式体布拉格光栅VBG1和第二反射式体布拉格光栅VBG2的角度调谐方式，使两VBG的反射光谱在2090nm附近有重叠，达到窄化掺钬固体激光器的输出激光线宽的目的，再缩短激光器谐振腔长度实现单纵模激光从输出耦合镜输出。

进一步，第一泵浦源和第二泵浦源为半导体激光器，输出波长为1908nm。

进一步，掺钬固体增益基质Ho:YAG陶瓷的Ho³⁺离子掺杂浓度为1.0at.％，截面积为2×3mm²，长度为8mm，Ho:YAG陶瓷采用铜热沉方式进行冷却，抑制对Ho:YAG陶瓷的热损伤。

进一步，第一反射式体布拉格光栅VBG1和第二反射式体布拉格光栅VBG2的反射中心波长分别为2102.00nm和2090.25nm，半波带宽(FWHM)分别小于1.0nm和0.5nm，厚度分别为6.52mm和12.01mm，入射面尺寸分别为9.0×7.5mm²和8×6mm²。

进一步，输出耦合镜为平凹镜，曲率半径为100mm，在1900-1950nm波长范围高反，在2050-2150nm波长范围的透过率为5％。

进一步，宽带介质膜高反射镜为平行平面镜，在1900nm-1950nm波长范围高反，在2050nm-2150nm波长范围内也高反。

本实用新型通过对多个VBG采用角度调谐的方式，是多个VBG的反射光谱部分重叠，从而控制掺铥固体激光器输出的光谱宽度，达到进一步窄化掺铥固体激光器线宽的目的，这样在谐振腔腔长方面就可以灵活控制。

附图说明

图1可调谐固体激光器实验装置示意图；

图2单纵掺铥固体激光器实验装置示意图；

图3Ho:YAG陶瓷的荧光光谱。

图中，1.第一泵浦源，2.第二泵浦源，3.Ho:YAG陶瓷，4.第一反射式体布拉格光栅VBG1，5.第二反射式体布拉格光栅VBG2，6.输出耦合镜，7.宽带介质膜高反射镜。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本实用新型进行详细说明。

本实用新型高功率单纵模掺钬固体激光器如图1和图2所示，包括第一泵浦源(1)、第二泵浦源(2)、Ho:YAG陶瓷(3)、第一反射式体布拉格光栅VBG1(4)、第二反射式体布拉格光栅VBG2(5)和输出耦合镜(6)；第一泵浦源(1)和第二泵浦源(2)位于Ho:YAG陶瓷(3)横向两侧，Ho:YAG陶瓷(3)纵向输出光路右边放置第一反射式体布拉格光栅VBG1(4)，在Ho:YAG陶瓷(3)纵向输出光路的左边放置输出耦合镜(6)，右边放置第一反射式体布拉格光栅VBG1(4)，调节第一反射式体布拉格光栅VBG1(4)的角度A，使其反射的激光正入射到宽带介质膜高反射镜(7)上，组成可调谐Ho:YAG固体激光器，使Ho:YAG陶瓷激光器输出波长在2090nm附近，固定第一反射式体布拉格光栅VBG1(4)，取走宽带介质膜高反射镜(7)，以第二反射式体布拉格光栅VBG2(5)替代，第一反射式体布拉格光栅VBG1(4)反射的激光正入射到第二反射式体布拉格光栅VBG2(5)上，通过第二反射式体布拉格光栅VBG2(5)的正反射再经过第一反射式体布拉格光栅VBG1(4)反射回Ho:YAG陶瓷(3)的纵向输出光路，从而实现第一反射式体布拉格光栅VBG1(4)和第二反射式体布拉格光栅VBG2(5)的角度调谐方式，使两VBG的反射光谱在2090nm附近有重叠。达到窄化掺钬固体激光器的输出激光线宽的目的，再缩短激光器谐振腔长度实现单纵模激光从输出耦合镜(6)输出。此设计由于VBG的插入损耗小，可以在高功率下运转。

体布拉格光栅是由一种特殊组分的光热折射率玻璃制作而成，绝对衍射效率超过99％，温度稳定性高达400℃，且插入损耗小。在近红外区对连续波激光照射的耐受性至少高达每平方厘米数万瓦，在波长为1064nm、脉宽为8ns的脉冲激光辐射下，其损伤阈值约为40J/cm²。体布拉格光栅折射率随温度变化系数非常小，约为dn/dt＝5×10^-8/K，相应于温度每升高一度，布拉格波长漂移7pm；熔化温度接近1000℃，这导致了体布拉格光栅非常高的温度稳定性。这种体布拉格光栅提供窄光谱，最低达20pm，窄角度选择最小达100μrad。

采用两个体布拉格光栅作为Ho:YAG陶瓷激光器的输入耦合镜，并充当窄化输出激光线宽的作用，由于实验所用的两个VBG的反射波长不同，需要先将波长较长的VBG1(2102.00nm)的反射波长调谐到VBG2的正反馈波长(2090.25nm)附近，实验装置中每一个VBG的反射角都可以独立地进行调谐，由于Ho:YAG陶瓷的增益较强处在2090nm附近，如图3所示。我们采用以下方式，首先，把VBG1调谐一个小的角度A，并与宽带介质膜高反射镜组合成反馈回路，使输出波长在2090nm附近，并优化输出激光功率到最高，固定VBG1；然后取走宽带介质膜高反射镜，以VBG2替代，使VBG2与VBG1形成正反馈，两个VBG的反射光谱重叠。应该用双VBG窄化技术后，激光器的输出光谱将得到极大的窄化。再利用合理的激光器谐振腔腔长，可以得到单纵模输出。并且经过试验验证VBG的插入损耗非常小，可以在高功率下运转。

本实用新型采用两个体布拉格光栅作为谐振腔腔镜。对两个光栅的要求是：其所反射的波长处于掺Tm固体增益介质的荧光光谱范围内且通过调谐可获得相同的反射波长。本实用新型所采用的两个VBG波长分别为2090.25nm和2102.00nm，衍射效率均大于99％，光谱宽度(FWHM)分别小于0.5nm和1.0nm。以下叙述中，我们把波长为2061.00nm的VBG称为VBG1，波长2090.25nm的称为VBG2。通过改变VBG2的入射角度，可将其反射波长调整到2090.25nm附近。设计的高功率单纵模激光器，包括泵浦源、Ho:YAG陶瓷、两个反射式体布拉格光栅，输出耦合镜。本实用新型主要通过对VBG2采用角度调谐的方式，使其与VBG1的反射光谱部分重叠，达到窄化Ho:YAG陶瓷激光器输出线宽的目的，使输出波长的线宽限制在小于十几个皮米的宽度以内，再通过选择适当的固体激光器谐振腔长度，就可以实现稳定的单纵模输出。本实用新型适用于固体、光纤及其它多种类型激光器的高功率单模可调谐运行。

本实用新型利用两个VBG作为谐振腔端面反射元件，使两个VBG所对应的反射波长同时起振，使两个VBG的反射光谱部分重叠，达到窄化Ho:YAG陶瓷激光器输出线宽的目的，本实用新型将激光器输出波长的线宽限制在小于十几个皮米的宽度以内；并选择适当的固体激光器谐振腔长度，就可以实现稳定的单纵模输出，且经实验验证VBG的插入损耗较小，所以此激光器适用于高功率运行。

以上所述仅是对本实用新型的较佳实施方式而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本实用新型技术方案的范围内。