一种高纯度高偏振消光比的单频激光器的制作方法

本发明涉及激光，更具体地，涉及一种高纯度高偏振消光比的单频激光器。

背景技术：

1、780nm单频激光器是实现铷原子冷却及操控的核心光源，广泛应用于量子频标、量子精密测量、冷原子物理等研究领域。目前，实现瓦级780nm单频激光输出的技术体制主要包括三种：1)钛蓝宝石固体激光器(titanium-sapphire laser，简称ti:sa laser)；2)外腔半导体激光器+锥形半导体放大器(external cavity diode laser+tapered amplifier，简称ecdl+ta)；3)采用1560nm激光倍频技术的光纤激光器。对比上述三种技术体制的780nm单频激光器，可以发现ti:sa激光器需要采用532nm绿光激光器作为泵浦源，成本高，可靠性差，腔体光路需要准直和洁净环境；ecdl+ta体制输出的激光光束质量差，功率稳定性较低，也需要光路准直和洁净环境。而采用1560nm激光倍频技术的光纤激光器，由于可以采用全光纤技术体制，可靠性高、光束质量好、功率稳定性高，虽然在波长可调谐性和输出功率方面略差，但是仍可满足量子频标、量子精密测量、冷原子物理等领域的应用需求，而且功率方面具有较大的增长潜力。综上所述，从工程应用的角度来看，采用1560nm光纤激光倍频技术是获取高可靠、高性价比780nm单频激光输出的有效途径。

2、现有基于1560nm光纤激光直接倍频产生780nm单频激光的原理框图，如图1所示，采用1560nm单频种子源、单频激光放大器和光纤耦合输入输出的倍频模块串联，倍频模块中，在倍频晶体两端分别串联光纤准直器，倍频晶体主要包括两种：周期极化铌酸锂块状晶体和周期极化铌酸锂波导芯片。周期极化铌酸锂块状晶体，其优点为功率损伤阈值高、输出功率潜力大等，其缺点为体积大、倍频效率低；而周期极化铌酸锂波导芯片，其优点为体积小、倍频效率高、易于系统集成、可靠性高，缺点为端面功率损伤阈值偏低、输出功率存在上限、易于激发三倍频。这主要是因为周期极化铌酸锂波导芯片的模场直径为几微米量级，将数瓦的连续1560nm波段激光耦合进入后，产生的功率密度非常高，一方面容易在端面产生功率损伤，另一方面容易激发三倍频。此外，现有光纤耦合输出的倍频模块普遍存在偏振消光比不高的问题，一般不大于20db，这主要因为现有的倍频模块，直接将周期极化铌酸锂波导芯片产生的倍频光耦合进入光纤准直器输出，没有进行偏振态控制与提纯处理。

3、因此，有必要设计一种高纯度高偏振消光比的单频激光实现方法。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种高纯度高偏振消光比的单频激光器，以得到高纯度高消光比的单频激光。

2、本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

3、一种高纯度高偏振消光比的单频激光器，包括沿光路依次串联的单频种子源、单频放大器和波导倍频模块；所述单频种子源用于提供单频种子激光；所述单频放大器用于对单频种子激光进行功率放大以输出单频基频激光；所述波导倍频模块包括沿光路传播方向依次设置的波导芯片、第一分色单元、滤光单元和偏振态提纯单元；

4、所述波导芯片用于对单频基频激光进行倍频，得到二倍频激光；

5、所述第一分色模块用于滤除二倍频激光中残余的单频基频激光；

6、所述滤光模块用于滤除二倍频激光中生成的三倍频激光；

7、所述偏振态提纯单元用于对二倍频激光的p偏振光提纯输出。

8、在上述技术方案的基础上，本发明还可以作出如下改进。

9、优选的，所述第一分色模块包括二色镜和第一吸光盒，所述二色镜包括一个输入端和两个输出端；所述二色镜的输入端对应连接所述波导芯片的输出端，所述二色镜的一个输出端对应连接所述滤光模块，用于输出二倍频激光；所述二色镜的另一个输出端连接所述第一吸光盒，用于输出二倍频激光中残余的单频基频激光；所述第一吸光盒用于吸收二倍频激光中残余的单频基频激光。

10、优选的，所述滤光模块包括窄带滤光片，所述窄带滤光片的中心波长与所述二倍频激光的波长一致。

11、优选的，所述偏振态提纯单元包括二分之一波片、偏振分束器和第二吸光盒；

12、所述二分之一波片的输入端对应连接所述滤光模块的输出端，二分之一波片的输出端对应连接偏振分束器的输入端，用于调节耦合进入偏振分束器的二倍频激光的偏振态；

13、所述偏振分束器的透射端用于输出二倍频激光的p偏振光；

14、所述偏振分束器的反射端耦合连接所述第二吸光盒，用于输出二倍频激光的s偏振光；

15、所述第二吸光盒用于吸收二倍频激光的s偏振光。

16、优选的，所述波导倍频模块还包括第一光纤准直器、第二光纤准直器和光纤输出接头；

17、所述第一光纤准直器的输入端与所述单频放大器的输出端耦合，所述第一光纤准直器的输出端与所述波导芯片的输入端耦合，用于对输入波导芯片的单频基频激光进行准直；

18、所述第二光纤准直器的输入端与所述偏振分束器的透射端耦合，用于对二倍频激光的p偏振光进行准直；

19、所述光纤输出接头与第二光纤准直器的输出端耦合，用于输出平行的二倍频激光中的p偏振光。

20、优选的，所述单频种子源的输出端和单频放大器的输出端分别设有保偏光纤隔离器。

21、优选的，所述波导芯片焊接在金属热沉上，且所述波导芯片的输入端端面镀有单频基频激光增透膜，所述波导芯片的输出端端面镀有二倍频激光增透膜。

22、优选的，所述第一光纤准直器的端面镀有单频基频激光增透膜，所述第二光纤准直器的端面镀有二倍频激光增透膜。

23、优选的，所述单频放大器为掺铒光纤放大器、铒镱共掺光纤放大器、半导体光放大器、固体放大器中任一种单频线偏振光放大器。

24、优选的，所述光纤输出接头为fc/apc接头、sc/apc接头、lc/apc接头或sma905接头中的任一种。

25、本发明提供的一种高纯度高偏振消光比的单频激光器，在现有的激光器的结构基础上，着重对波导倍频模块进行优化设计。优化后的单频激光器通过第一分色模块和滤光模块分离二倍频激光中的多余杂光，解决了现有技术中光纯度不高的问题；通过偏振态提纯单元对二倍频激光的p偏振光提纯后输出，解决了现有技术中偏振消光比不高等问题，对提升单频激光器的长期可靠性，加快其在量子频标、量子精密测量、冷原子物理等领域的工程化应用奠定了坚实基础，具有重要的应用价值和经济价值。

技术特征：

1.一种高纯度高偏振消光比的单频激光器，包括沿光路依次串联的单频种子源(10)、单频放大器(20)和波导倍频模块(30)；所述单频种子源(10)用于提供单频种子激光；所述单频放大器(20)用于对单频种子激光进行功率放大以输出单频基频激光；其特征在于，所述波导倍频模块(30)包括沿光路传播方向依次设置的波导芯片(302)、第一分色单元、滤光单元和偏振态提纯单元；

2.根据权利要求1所述的一种高纯度高偏振消光比的单频激光器，其特征在于，所述第一分色模块包括二色镜(305)和第一吸光盒(309)，所述二色镜(305)包括一个输入端和两个输出端；所述二色镜(305)的输入端对应连接所述波导芯片(302)的输出端，所述二色镜(305)的一个输出端对应连接所述滤光模块(306)，用于输出二倍频激光；所述二色镜(305)的另一个输出端连接所述第一吸光盒(309)，用于输出二倍频激光中残余的单频基频激光；所述第一吸光盒(309)用于吸收二倍频激光中残余的单频基频激光。

3.根据权利要求1所述的一种高纯度高偏振消光比的单频激光器，其特征在于，所述滤光模块(306)包括窄带滤光片，所述窄带滤光片的中心波长与所述二倍频激光的波长一致。

4.根据权利要求1所述的一种高纯度高偏振消光比的单频激光器，其特征在于，所述偏振态提纯单元包括二分之一波片(307)、偏振分束器(308)和第二吸光盒(310)；

5.根据权利要求4所述的一种高纯度高偏振消光比的单频激光器，其特征在于，所述波导倍频模块(30)还包括第一光纤准直器(301)、第二光纤准直器(303)和光纤输出接头(304)；

6.根据权利要求1所述的一种高纯度高偏振消光比的单频激光器，其特征在于，所述单频种子源(10)的输出端和单频放大器(20)的输出端分别设有保偏光纤隔离器。

7.根据权利要求1所述的一种高纯度高偏振消光比的单频激光器，其特征在于，所述波导芯片(302)焊接在金属热沉上，且所述波导芯片(302)的输入端端面镀有单频基频激光增透膜，所述波导芯片(302)的输出端端面镀有二倍频激光增透膜。

8.根据权利要求5所述的一种高纯度高偏振消光比的单频激光器，其特征在于，所述第一光纤准直器(301)的端面镀有单频基频激光增透膜，所述第二光纤准直器(303)的端面镀有二倍频激光增透膜。

9.根据权利要求1所述的一种高纯度高偏振消光比的单频激光器，其特征在于，所述单频放大器(20)为掺铒光纤放大器、铒镱共掺光纤放大器、半导体光放大器、固体放大器中任一种单频线偏振光放大器。

10.根据权利要求5所述的一种高纯度高偏振消光比的单频激光器，其特征在于，所述光纤输出接头(304)为fc/apc接头、sc/apc接头、lc/apc接头或sma905接头中的任一种。

技术总结
本发明提供一种高纯度高偏振消光比的单频激光器，包括沿光路依次串联的单频种子源、单频放大器和波导倍频模块；所述单频种子源用于提供单频种子激光；所述单频放大器用于对单频种子激光进行功率放大以输出单频基频激光；所述波导倍频模块包括沿光路传播方向依次设置的波导芯片、第一分色单元、滤光单元和偏振态提纯单元；所述波导芯片用于对单频基频激光进行倍频，得到二倍频激光；所述第一分色模块用于滤除二倍频激光中残余的单频基频激光；所述滤光模块用于滤除二倍频激光中生成的三倍频激光；所述偏振态提纯单元用于对二倍频激光的P偏振光提纯输出。本发明的激光器可输出高纯度高偏振消光比的单频激光。

技术研发人员：陈炯,杨涛,崔索超,祝涛,朱方顺,周海东,白航宇
受保护的技术使用者：华中光电技术研究所（中国船舶集团有限公司第七一七研究所）
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12