一种全固态掺镨环形腔单频激光装置

1.本发明应用于单频激光领域，具体是一种全固态掺镨环形腔单频激光装置。


背景技术：

2.可见光激光在显示、通讯、生物医学、光学传感、光谱学、高端制造等领域具有重大应用需求；另一方面，相比多纵模激光而言，单纵模(即单频)激光具有更好的相干性，其低噪声的优点也是许多应用所需要的。对于均匀展宽介质来说，多纵模激光产生的主要原因是驻波激光腔产生的空间烧孔效应，环形腔技术通过构造单向运转的激光，避免了驻波效应，从而消除了空间烧孔效应，是一种非常重要的单频激光产生技术。
3.可见光单频激光目前常见的实现手段包括：
4.1、基于环形腔技术的掺钕激光腔内倍频方案实现可见光单频激光，这是当前商业化最成熟的方案。这种方法大多采用的是掺钕激光材料(比如 nd:yag和nd:yvo4等)作为增益介质，通过构造环形腔实现近红外波段的单频基波激光，由于在腔内插入了倍频晶体，因此可以进一步获得可见光波段的单频激光。但是，这种方法由于需要倍频，因此系统复杂、不紧凑、效率低、成本高；而且倍频晶体需要温控才能实现稳定输出，这更增加了系统的复杂性，系统的稳定性也往往欠佳。
5.2、基于其它单频技术结合倍频技术的方案。仍大多采用掺钕激光材料，结合倍频晶体；单频技术还包括超短腔法、双折射滤波法、扭摆腔法、标准具法等，但能与倍频技术有效结合实现可见光单频的只有双折射滤波法和扭摆腔法。缺点与基于环形腔技术的掺钕激光腔内倍频方案实现可见光单频激光的方法相同。
6.3、掺镨单频激光方案。当前已经报道的掺镨可见光波段单频激光包括：
7.(1)掺镨激光腔内插入标准具方法。详见我们团队近期公开发表的学术论文yunshan zhang,lunbin zhou,teng zhang,yaqi cai,bin xu, xiaodong xu,jun xu,“blue diode-pumped single-longitudinal-mode pr:ylflasers in orange spectral region,”optics and laser technology 130,106373 (2020)，激光装置示意图如图5所示。
8.(2)掺镨扭摆腔单频激光方法。详见南京理工大学公开发表的学术论文saiyu luo,zhiping cai,huiying xu,zhe shen,hao chen,li li,yun cao,
ꢀ“
direct oscillation at 640-nm in single longitudinal mode with a diodepumpedpr:ylf solid-state laser,”optics and laser technology 116,112
–
116(2019)，激光装置示意图如图6所示。


技术实现要素：

9.本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种全固态掺镨环形腔单频激光装置。
10.为解决上述技术问题，本发明的一种全固态掺镨环形腔单频激光装置，其包括蓝
光半导体激光器，所述蓝光半导体激光器的光路上依序设有聚焦透镜、第一环形激光腔端面镜、掺镨激光材料和第二环形激光腔端面镜；
11.所述第二环形激光腔端面镜的反射光路上设有第三环形激光腔端面镜，所述第三环形激光腔端面镜的反射光路上依序设有旋光器、半波片、偏振器和第四环形激光腔端面镜，且第一环形激光腔端面镜处于第四环形激光腔端面镜的反射光路上；
12.所述蓝光半导体激光器输出泵浦光经聚焦透镜和第一环形激光腔端面镜入射到掺镨激光材料中，所述掺镨激光材料将泵浦光转化为掺镨可见光激光后在第一环形激光腔端面镜、第二环形激光腔端面镜、第三环形激光腔端面镜和第四环形激光腔端面镜组成的环形激光腔中单向传输输出单频激光，过程中反向传输光经过旋光器和半波片使其偏振发生旋转与偏振器的透光方向不一致，从而造成反向光的高损耗，抑制了反向传输激光的形成。
13.作为一种可能的实施方式，进一步的，所述聚焦透镜为非球面聚焦透镜，且其焦距为100mm。
14.作为一种可能的实施方式，进一步的，所述第一环形激光腔端面镜为曲面镜，且其对泵浦光波长高透，对腔内可见光激光高反。
15.作为一种可能的实施方式，进一步的，所述第二环形激光腔端面镜为曲面镜，且其对腔内可见光激光高反。
16.作为一种可能的实施方式，进一步的，所述第三环形激光腔端面镜为平面镜，且其对腔内可见光激光高反。
17.作为一种可能的实施方式，进一步的，所述第四环形激光腔端面镜为平面镜，且其对腔内可见光激光部分透射。
18.作为一种可能的实施方式，进一步的，所述掺镨激光材料为pr:liyf4晶体。
19.作为一种可能的实施方式，进一步的，所述旋光器为施加磁场的tgg 晶体。
20.本发明采用以上技术方案，具有以下有益效果：
21.本发明可输出良好相干性的单频激光，采用环形腔技术通过构造单向运转的激光，避免了驻波效应，从而消除了空间烧孔效应，同时本发明结构简单，解决了基于环形腔技术的掺钕激光腔内倍频方案实现可见光单频激光的方案需要倍频，以致系统复杂、不紧凑、效率低、成本高的缺点；而且倍频晶体需要温控才能实现稳定输出，这更增加了系统的复杂性，系统的稳定性也往往欠佳。
附图说明
22.下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步详细的说明：
23.图1为本发明实施例1结构示意图；
24.图2为本发明实验中单频激光输出功率随吸收泵浦功率变化示意图；
25.图3为本发明实验中环形腔掺镨单频红光激光光谱示意图；
26.图4为本发明实验中f-p扫描干涉仪测量的单频激光特性图；
27.图5为本发明背景技术掺镨激光腔内插入标准具获得单频激光装置示意图图；
28.图6为本发明背景技术掺镨扭摆腔获得单频激光装置示意图；
29.图7为本发明实施例2结构示意图。
具体实施方式
30.为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述。
31.实施例1
32.如图1所示，本发明提供了一种全固态掺镨环形腔单频激光装置，其包括蓝光半导体激光器1，所述蓝光半导体激光器1的光路上依序设有聚焦透镜2、第一环形激光腔端面镜3.1、掺镨激光材料4和第二环形激光腔端面镜3.2；
33.所述第二环形激光腔端面镜3.2的反射光路上设有第三环形激光腔端面镜3.3，所述第三环形激光腔端面镜3.3的反射光路上依序设有旋光器5、半波片6、偏振器7和第四环形激光腔端面镜3.4，且第一环形激光腔端面镜3.1处于第四环形激光腔端面镜3.4的反射光路上；
34.所述蓝光半导体激光器1输出泵浦光经聚焦透镜2和第一环形激光腔端面镜3.1入射到掺镨激光材料4中，所述掺镨激光材料4将泵浦光转化为掺镨可见光激光后在第一环形激光腔端面镜3.1、第二环形激光腔端面镜3.2、第三环形激光腔端面镜3.3和第四环形激光腔端面镜3.4组成的环形激光腔中单向传输输出单频激光，过程中反向传输光经过旋光器5和半波片6使其偏振发生旋转与偏振器7的透光方向不一致以损耗反向光。
35.其中，所述聚焦透镜2为非球面聚焦透镜2，且其焦距为100mm。所述第一环形激光腔端面镜3.1为曲面镜，且其对泵浦光波长高透，对腔内可见光激光高反。第二环形激光腔端面镜3.2为曲面镜，且其对腔内可见光激光高反。第三环形激光腔端面镜3.3为平面镜，且其对腔内可见光激光高反。第四环形激光腔端面镜3.4为平面镜，且其对腔内可见光激光部分透射。掺镨激光材料4为pr:liyf4晶体。旋光器5为施加磁场的tgg晶体。
36.图1中包括了1蓝光半导体激光器；2非球面聚焦透镜(实验中采用的透镜聚焦为100mm)；3.1/3.2/3.3/3.4环形激光腔端面镜(其中3.1为曲面镜，实验中采用的是曲率半径为100mm的平凹透镜，其镀膜为：对泵浦光波长高透，对腔内可见光激光高反；3.2为曲面镜，实验中采用的是曲率半径为100mm的平凹透镜，其镀膜为：对腔内可见光激光高反；3.3为平面镜，其镀膜为：对腔内可见光激光高反；3.4为平面镜，其镀膜为：对腔内可见光激光部分透射(实验中采用的镜片透过率为3％)，用做输出镜； 4掺镨激光材料(实验中采用的是pr:liyf4晶体)；5旋光器(实验中采用的是施加了磁场的tgg晶体)；6半波片；7偏振器。
37.掺镨激光在蓝光、绿光、橙光、红光和深红光波段都有激射，本专利中我们以掺镨红光为例开展实验研究，涉及的“全固态掺镨环形腔单频激光器”实验研究结果如图2、图3和图4所示；
38.图1中，泵浦源“1”为商用蓝光半导体激光器，泵浦光经由聚焦镜“2”和输入镜“3.1”入射到激光晶体“4”中，激光晶体是激光增益材料，是激光的工作物质。泵浦光被激光晶体吸收，转化为掺镨可见光激光。激光腔为环形结构，由“3.1，3.2，3.3，3.4”四个镀膜的镜片如图所示组成。可见光激光在环形激光腔中的传播如图中箭头所示，由此可见，环形腔的特点是激光在腔内是单向运转。为了完全消除空间烧孔效应，获得单频激光输出，激光腔中还需要插入旋光器“5”、半波片“6”和偏振器“7”，其中“5”和“6”使得反向传输光的偏振发生旋转，从而与偏振器“7”的透光方向不一致，造成对反向光的损耗，使得反向光无法起振，从而完全消除空间烧孔效应，获得单频激光。最终获得的掺镨可见光波段单频激光从平面
镜“3.4”输出。图2为环形腔掺镨单频红光的输出功率和吸收泵浦功率的关系曲线，在吸收泵浦功率为4.1瓦时，获得了365毫瓦的单频激光。图3为实验中获得的红光单频激光的光谱，峰值波长在639.78nm。图4为我们用商用f-p扫描干涉仪(sa200-5b，thorlabs公司)测量的单频激光特性，证明了实验中获得的确实为单纵模激光输出。
39.实施例2
40.提供了一种全固态掺镨环形腔单频激光装置，其主要结构与实施例1 相同，主要区别在于不包括偏振器而是通过将掺镨激光材料4加工成布鲁斯特角(brewster)来实现替代偏振器的功能。
41.以上所述为本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，根据本发明的教导，在不脱离本发明的原理和精神的情况下凡依本发明申请专利范围所做的均等变化、修改、替换和变型，皆应属本发明的涵盖范围。