可插入式单块环形腔激光装置

1.本发明涉及固体激光技术领域，具体涉及一种可插入式单块环形腔激光装置。


背景技术：

2.高功率单频激光器以其噪声小、相干长度长等优点，广泛应用于非线性光学频率变换、激光雷达、相干通信、引力波探测等领域。目前一般采用扭转模谐振腔、短谐振腔、环形腔、标准具或双折射滤光片等方法获得单频激光输出，但要实现高功率输出、高稳定性运转，环形腔振荡器是比较合适的方案。环形腔激光器包括分立元件激光器和单块非平面激光器两种，然而分立元件激光器采用分立元件形成环形腔振荡器，对实验环境要求严格，环境温度变化和外界噪声都会影响谐振腔腔长变化，导致输出激光频率不稳定；单块非平面激光器是个整体无法插入其他元件，且其输出功率较低，在高功率运转时易出现多纵模激光起振。


技术实现要素：

3.本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的缺陷，提供一种能够获得高稳定性、高功率的单纵模激光的可插入式单块环形腔激光装置。
4.为此，采用的技术方案为一种可插入式单块环形腔激光装置，包括光隔离器，其用于实现线偏振激光束的单向环形振荡，所述光隔离器包括增益介质、磁场和半波片，所述增益介质用于产生激光增益，其包括多个表面，所述表面设为光学窗口，所述增益介质置于磁场中；所述半波片用于激光束的相位延迟；标准具用于抑制多纵模激光，保证高功率单频激光输出，所述标准具与半波片依次设置于两个相邻的所述光学窗口间，该两个相邻的所述光学窗口呈内凹的直角，且所述标准具与半波片均位于激光束传播路径上；泵浦光束入射所述光学窗口被增益介质吸收，激光束经过各个所述光学窗口在所述增益介质内形成闭环的传播路径，目标光学窗口输出激光束。
5.优选的，所述增益介质设为多边形，包括相对的两个大侧面，所述光学窗口包括第一光学窗口、第二光学窗口、第三光学窗口、第四光学窗口和第五光学窗口；所述第一光学窗口、第二光学窗口、第三光学窗口、第四光学窗口和第五光学窗口均设于围合所述增益介质的相对两个大侧面的周边上；所述第一光学窗口、第二光学窗口、第三光学窗口、第四光学窗口和第五光学窗口均设为经过抛光处理的表面。
6.优选的，所述第一光学窗口、第二光学窗口、第三光学窗口、第四光学窗口和第五光学窗口的入射光线、反射光线或折射光线与其法线的夹角均设为不同，第三光学窗口和第四光学窗口之间呈内凹的直角，所述标准具与半波片依次设置于第三光学窗口和第四光学窗口之间。
7.优选的，所述第四光学窗口对激光束的水平偏振分量全部透过、竖直偏振分量具有高反射率，用于选择特定偏振态激光振荡。
8.优选的，所述第一光学窗口上镀有泵浦光增透膜和激光部分透射膜，或者泵浦光
增透膜和激光高反膜；所述第二光学窗口上镀有激光高反膜或不镀膜；所述第三光学窗口上镀有激光增透膜，或者激光部分透射膜；所述第四光学窗口上镀有激光水平偏振增透膜和竖直偏振高反膜；所述第五光学窗口上镀有激光高反膜或不镀膜。
9.优选的，所述增益介质设为具有各向同性，且所述增益介质的材料设为晶体、玻璃或陶瓷；所述增益介质设为整体制作；或所述增益介质包括第一部分和第二部分，所述第一部分和第二部分键合连接为一体。
10.优选的，所述增益介质设为掺钕钇铝石榴石nd:yag、掺钕氟化锂钇nd:ylf或掺铥钇铝石榴石tm:yag。
11.优选的，所述标准具设为石英晶体(sio2)或铽镓石榴石晶体(tgg)；所述标准具的厚度、反射率、控制温度和放置角度可调节控制。
12.优选的，所述半波片设为双折射石英晶体，且所述半波片包含两个主轴，两个主轴相互正交，且两个主轴分别设为快轴和慢轴，旋转两个主轴与水平方向的夹角，用于对所述激光束的偏振方向进行旋转。
13.优选的，所述磁场的方向与所述增益介质的水平中心线l平行；或所述磁场的方向与所述增益介质的水平中心线l垂直；或所述磁场的方向与所述增益介质的水平中心线l的夹角为锐角。
14.优选的，还包括泵浦源，其用于发出泵浦光束，泵浦源发出的泵浦光束入射于所述第一光学窗口；热沉，其用于冷却所述增益介质，所述热沉设于所述增益介质的相对两个大侧面上。
15.本发明技术方案，具有如下优点：
16.1、本发明提供的可插入式单块环形腔激光装置，集激光介质、光学隔离器和输出耦合于一身，因而具有结构紧凑、稳固的优点，能够实现高稳定度的单纵模激光输出；且可向光学窗口间插入标准具和双折射半波片，半波片与偏振窗口和磁场一起使得激光单向运转，消除空间烧孔，实现单模输出，标准具的插入则可实现高功率运转时进一步保证单模输出，抑制多纵模激光振荡，获得高功率单频激光输出，解决了单块非平面激光器无法插入其他光学元件，单模激光输出功率较低的缺点。
17.2、本发明提供的可插入式单块环形腔激光装置，通过将单块增益介质加工有设定角度的多个光学窗口，泵浦光束入射某一光学窗口后，被增益介质吸收后受激辐射产生激光束，进而激光束在增益介质内部被多次反射和折射后可以自然闭环且沿既定的传播路径反复循环，最终从目标光学窗口折射或反射输出，可得到高稳定性、高功率的单纵模激光，解决了分立元件激光器受环境温度和外界噪声都会影响谐振腔腔长变化，导致输出激光频率不稳定的问题。
附图说明
18.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。
19.图1为本发明的第一种实施方式中提供的可插入式单块环形腔激光装置的结构示
意图；
20.图2为增益介质内部激光束的传播路径图；
21.图3为本发明的第二种实施方式中提供的可插入式单块环形腔激光装置的结构示意图；
22.图4为本发明的第三种实施方式中提供的可插入式单块环形腔激光装置的结构示意图；
23.10-增益介质；20-半波片；30-标准具；40-磁场；50-泵浦源；60-热沉；
24.101-第一光学窗口；102-第二光学窗口；103-第三光学窗口；104-第四光学窗口；105-第五光学窗口；
25.001-泵浦光束；002-激光束。
具体实施方式
26.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。
27.实施例1
28.如图1所示，为本发明提供的一种可插入式单块环形腔激光装置，可输出高稳定性、高功率、单纵模1.06μm激光；所述激光装置包括：增益介质10、半波片20、标准具30、磁场40、泵浦源50、热沉60。
29.其中，增益介质10是由单块掺钕钇铝石榴石nd:yag晶体材料切割而成，所述增益介质10设为多边形，加工有预设角度的第一光学窗口101、第二光学窗口102、第三光学窗口103、第四光学窗口104和第五光学窗口105；增益介质10置于磁场40中，半波片20、标准具30置于增益介质10的第三光学窗口103和第四光学窗口104间。半波片20是具有快慢两个正交主轴的双折射石英晶体，假如一束偏振光垂直入射到半波片，其偏振方向和晶体快轴的夹角为θ，则透射出来的线偏振光的振动面从原来的方位顺时针转过2θ角，而光反射后通过时将发生同样大小角度的逆时针旋转，最终回到原始状态；标准具30是厚度1mm的铽镓石榴石(tgg)晶体，两通光面镀有1.06μm激光束部分反射膜，反射率r＝50％，控制温度t＝25℃，垂直光路放置，对激光束进行多纵模振荡抑制和线宽压窄，同时tgg晶体具有较大的磁光常数；磁场40位于所述激光束传播面内，磁场强度约1t，方向与增益介质10的水平中心线l垂直，也与激光束传播路径构成的平面平行。增益介质10和标准具30在磁场40作用下相当于法拉第旋光器，通过法拉第旋光器的线性偏振光会旋转特定角度，不受输入偏振方向的影响，从晶体对侧反射进入的光会继续相对于晶体在相同的方向上旋转，最终变化2倍特定角度。所述泵浦源50对增益介质10进行激励，将激活粒子从基态抽运到高能级，以实现粒子数反转。所述热沉60置于所述益介质10的上下两个大侧面上，由冷却循环水精确控温，用来将激光振荡时增益介质10生成的废热带走。
30.泵浦光束从所述第一光学窗口入射，被增益介质10吸收后受激辐射产生激光束，光学窗口的设定角度为激光束在各个光学窗口的入射光线、反射光线或折射光线与法线的夹角，并且由增益介质10的长度、宽度和折射率以及激光束的传播路径确定。通过改变光学窗口的设定角度，可获得闭环的激光束的传播路径；各个光学窗口在增益介质10的周边设
定位置由入射光线、反射光线或折射光线与法线的夹角所决定。本发明的优选实施例为第一光学窗口101和第二光学窗口102分设于所述增益介质10的大侧面的纵向中心线的两侧且相对设置；第二光学窗口102、第三光学窗口103、第四光学窗口104和第五光学窗口105由上至下依次相连接，且第二光学窗口102和第三光学窗口103之间呈锐角，第三光学窗口103和第四光学窗口104之间呈内凹的直角，第四光学窗口104和第五光学窗口105之间呈锐角。
31.具体地，增益介质10的尺寸可设为20mm
×
12.8mm
×
4mm，其中，所述第三光学窗口103、所述第四光学窗口104宽度分别为5.6mm和8.8mm。所述第一光学窗口101、第二光学窗口102、第三光学窗口103、第四光学窗口104和第五光学窗口105均进行抛光处理。第一光学窗口101镀有808nm泵浦光增透膜和1.06μm激光束部分透射膜，激光透过率t＝5％，第二光学窗口102和第五光学窗口105镀有1.06μm激光束高反膜，第三光学窗口103镀有1.06μm激光束增透膜，第四光学窗口104镀有1.06μm激光束水平偏振增透膜、竖直偏振高反膜。
32.图2为增益介质10内部激光束的传播路径，根据光的反射和折射定律，所述泵浦源50发出的泵浦光束001由第一光学窗口101以与法线夹角θ1＝45
°
入射，以与法线夹角θ2＝22.9
°
折射后沿增益介质10的水平中心线l被吸收；增益介质10内部的激光束002在第二光学窗口102以与法线夹角θ3＝θ4＝37.35
°
发生全反射(全反射角度为33.3
°
，即当反射角度＞33.3
°
激光束就可实现全反射)，在第三光学窗口103以与法线夹角θ5＝15.3
°
、θ6＝28.8
°
发生折射，在第四光学窗口以与法线夹角θ7＝61.2
°
、θ8＝28.8
°
发生折射(此为布鲁斯特角，对所述激光束002的水平偏振分量全部透过、竖直偏振分量具有高反射率，用于选择特定偏振态激光振荡)，在第五光学窗口105以与法线夹角θ9＝θ
10
＝52.75
°
发生全反射，在第一光学窗口101以与法线夹角θ2＝θ
11
＝22.9
°
发生部分反射和部分透射；所述激光束002在所述增益介质10内部被多次反射和折射后可以自然闭环，最终从第一光学窗口101以与法线夹角θ
12
＝45
°
折射输出。
33.本实施例中，利用磁场40引入的增益介质10、标准具30的磁致旋光效应，半波片20的相位延迟和第四光学窗口的偏振特性构成光隔离器，通过旋转半波片20主轴方向与水平方向的夹角，使得增益介质10内的激光束002在逆时针方向损耗小于顺时针方向损耗，实现了逆时针单向环形运转，消除了增益介质10的空间烧孔效应，从而得到高稳定性、高功率的单纵模1.06μm激光。
34.实施例2
35.本实施例与实施例1相同之处不再赘述，不同之处在于：
36.为了能够实现激光束002由目标光学窗口输出，则可在相应的目标光学窗口镀有激光部分透射膜。
37.图3是本发明提供的又一种可插入式单块环形腔激光装置，可输出高稳定性、高功率、单纵模1.3μm激光。增益介质10是由单块掺钕氟化锂钇nd:ylf晶体材料切割而成，尺寸为20mm
×
12.8mm
×
4mm。第一光学窗口101镀有808nm泵浦光增透膜和1.3μm激光束高反膜，第二光学窗口102和第五光学窗口105镀有1.3μm激光束高反膜，第三光学窗口103镀有1.3μm激光束增透膜，第四光学窗口104镀有1.3μm激光束水平偏振增透膜、竖直偏振高反膜。所述第四光学窗口104为激光束002的输出耦合镜，通过旋转半波片20主轴方向与水平方向的夹角，可优化环形腔的最佳输出耦合率；标准具30是厚度1.5mm的石英晶体(sio2)，两通光面镀有1.3μm激光束部分反射膜，反射率r＝20％，控制温度t＝32℃，对激光束002进行多纵
模振荡抑制和线宽压窄，进而得到单频激光输出；磁场40的方向与增益介质10的水平中心线平行，也与激光束传播路径构成的平面平行。泵浦源50用来抽运增益介质10；热沉60用来冷却增益介质10。
38.本实施例中，增益介质10与磁场40、半波片20配合使用，组成光隔离器，实现了激光束002可以按照图2所示的增益介质10内部激光束的传播路径逆时针单向环形运转，并在增益介质10内部被多次反射和折射后可以自然闭环反复循环，消除了增益介质10的空间烧孔效应，激光束002最终从第四光学窗口104以与法线呈61.2
°
的夹角反射输出，得到高稳定性、高功率的单纵模1.3μm激光。
39.实施例3
40.本实施例与实施例1相同之处不再赘述，不同之处在于：
41.图4是本发明提供的另外一种可插入式单块环形腔激光装置，可输出高稳定性、高功率、单纵模2μm激光；增益介质10是由第一部分为一块尺寸20mm
×
4mm
×
4mm的掺铥钇铝石榴石tm:yag陶瓷和第二部分为一块尺寸14.4mm
×
8.8mm
×
4mm的yag陶瓷通过光胶进行键合连接而成。第一光学窗口101镀有785nm泵浦光增透膜和2μm激光束高反膜，第二光学窗口102和第五光学窗口105不镀膜，第三光学窗口103镀有2μm激光部分透射膜，激光束透过率t＝98％，为激光束002的输出耦合镜，第四光学窗口304镀有2μm激光束水平偏振增透膜、竖直偏振高反膜。半波片20对激光束002的偏振方向进行旋转；标准具30是厚度2mm的石英晶体(sio2)，两通光面镀有2μm激光束部分反射膜，反射率r＝10％，控制温度t＝45℃；磁场40的方向与增益介质10的水平中心线l呈夹角45
°
，同时磁场40的方向也与激光束传播路径构成的平面的夹角为45
°
。泵浦源50用来抽运增益介质10；热沉60用来冷却增益介质10。
42.本实施例中，增益介质10与磁场40、半波片20配合使用，组成光隔离器，通过旋转半波片20主轴方向与水平方向的夹角，实现了激光束002可以按照图2所示的增益介质10内部激光束的传播路径顺时针单向环形运转，在增益介质10内部被多次反射和折射后可以自然闭环反复循环，消除了增益介质10的空间烧孔效应，最终从第三光学窗口103以与法线呈28.8
°
的夹角反射输出，得到高稳定性、高功率的单纵模2μm激光。
43.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。