專利名稱：種子光注入的腔內(nèi)倍頻532nm單縱模激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及全固態(tài)激光器，特別是一種種子光注入的腔內(nèi)倍頻532nm單縱模激光器。
背景技術(shù)：
立體大氣風場信息數(shù)據(jù)可以極大地提高軍用及民用區(qū)域數(shù)值天氣預(yù)報的準確性，尤其在軍用和民用航空領(lǐng)域、地対空等有著廣泛的應(yīng)用前景。多普勒激光雷達是測量大氣風速場分布的ー種非常有效的手段，與傳統(tǒng)測風雷達相比有快速準確、分辨率高等特點。多普勒激光雷達中最核心最重要的就是532nm單頻脈沖激光光源，因此發(fā)明出性能可靠結(jié)構(gòu)緊湊的種子光注入的腔內(nèi)倍頻532nm單縱模激光器對于地球科學(xué)研究有著很重要的意義。當前階段，若要獲得532nm單縱模脈沖激光，最常見方法是將1064nm的單縱模脈沖激光進行腔外倍頻，然后利用532nm和1064nm的分光鏡將其分離出來。而對于多普勒激光雷達，1064nm的單縱模脈沖激光是沒有用處的，具體使用中還必須將其吸收掉或者采用其他方法處理棹。此外，腔外倍頻的效率不高，即整個系統(tǒng)的電光效率比較低。而采用在種子注入的單縱模激光器中進行腔內(nèi)倍頻，既可以提高系統(tǒng)的電光效率，還能簡化光學(xué)系統(tǒng)，使整個激光器的結(jié)構(gòu)更加緊湊。但是，到目前為止，還沒有種子光注入的腔內(nèi)倍頻532nm單縱模激光器報道。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于填補上述空白，提供一種種子注入的腔內(nèi)倍頻532nm單縱模脈沖激光器。該激光器具有高效率、高能量、傳導(dǎo)冷卻、窄線寬、高頻率穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)緊湊和エ作穩(wěn)定的特點。本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下
一種種子光注入的腔內(nèi)倍頻532nm單縱模激光器，利用諧振探測方法獲得了種子注入1064nm單頻脈沖激光，并通過腔內(nèi)倍頻得到532nm的單縱模脈沖激光。激光諧振腔采用U形腔，采用兩個高峰值功率的LD從端面泵浦激光晶體，利用高精度的TEC來給激光晶體控溫，利用腔內(nèi)LBO倍頻得到綠光輸出。本發(fā)明利用非平面環(huán)形激光器作為種子激光器，采用種子注入和腔內(nèi)倍頻的方法來實現(xiàn)高效率的532nm單頻調(diào)Q激光輸出。激光器諧振腔選用U型駐波腔，采取雙端泵浦。一種種子光注入的腔內(nèi)倍頻532nm單縱模激光器裝置，特點在于其結(jié)構(gòu)包括腔外種子光路、U形從動諧振腔、電學(xué)控制處理和腔內(nèi)倍頻四部分
所述的腔外種子光路部分依次由種子激光器、隔離器、半波片、第一 1/4波片、耦合透鏡組、第一反射鏡和第二反射鏡組成；
所述的U形從動諧振器腔部分依次由后腔鏡、調(diào)Q晶體、第二 1/4波片、布儒斯特角起偏片、第三1/4波片、第一分光鏡、增益介質(zhì)、第二分光鏡、第四1/4波片、補償負透鏡和前腔鏡組成，該U形從動諧振腔中的増益介質(zhì)采用雙端泵浦，一端依次由第一泵浦源、第一泵浦率禹合系統(tǒng)和第一分光鏡組成，另一端由第二泵浦源、第一泵浦稱合系統(tǒng)和第二分光鏡組成；第一分光鏡和第二分光鏡都是對808nm的泵浦光高透并且對1064nm的振蕩激光高反；所述的電學(xué)控制處理部分由光電二極管、緊固于后腔鏡的第一壓電陶瓷、緊固于所述的全腔鏡的第二壓電陶瓷、壓電陶瓷驅(qū)動電源和時序控制系統(tǒng)組成，所述的壓電陶瓷驅(qū)動電源的輸出端分別與第一壓電陶瓷和第二壓電陶瓷的輸入端連接，所述的時序控制系統(tǒng)的輸入端與所述的光電二極管的輸出端相連，所述的時序控制系統(tǒng)的輸出端分別與所述的壓電陶瓷驅(qū)動電源的輸入端、所述的調(diào)Q晶體KD*P的控制端、第一泵浦源和第二泵浦源的控制端相連接；
所述的腔內(nèi)倍頻部分由半波片、第一分光鏡、倍頻晶體和第二分光鏡組成，所述的第一分光鏡或第二分光鏡為激光輸出鏡。所述的種子激光器是一個連續(xù)輸出的單縱模激光器，線寬在kHz量級，有很高的頻率穩(wěn)定性。所述的耦合透鏡組將種子光進行變換，使其在所述的U形從動腔諧振腔內(nèi)任何地方的光斑大小與振蕩光斑大小一致。所述的增益介質(zhì)為鍵合Nd = YAG晶體，兩端不摻雜，中心摻雜區(qū)長度為30mm，摻雜濃度為O. 3at. %，利用熱電制冷片(TEC)來控制增益介質(zhì)的溫度，以達到高的溫控精度。所述的后腔鏡和前腔鏡都是平鏡，它們對1064nm的透過率分別為5%和O.
所述的第一泵浦源和第二泵浦源是峰值功率為150W中心波長808nm的兩個高功率半導(dǎo)體激光器，都工作在脈沖方式。所述的第三1/4 一波片和第四1/4波片通過合適的旋轉(zhuǎn)角度來消除空間燒孔效應(yīng)，形成各個縱模之間的抑制性競爭。所述的時序控制系統(tǒng)在每個工作周期的起始點給第一泵浦源和第二泵浦源觸發(fā)信號，二者輸出808nm泵浦光到激光晶體上，壓電陶瓷驅(qū)動電源在每個泵浦周期內(nèi)在第二壓電陶瓷上施加一斜坡電壓以改變從動腔腔長，當時序控制系統(tǒng)檢測到光電二極管上的干涉信號的峰值時，打開調(diào)Q開關(guān)，隨即輸出單縱模激光，在每次出光之后所述的壓電陶瓷驅(qū)動電源給所述的第一壓電陶瓷加載一直流電壓，以保持出光時間的穩(wěn)定。所述的倍頻晶體是三硼酸鋰晶體(LB0)，采用一類相位匹配。所述的種子激光器輸出單頻連續(xù)激光，線寬在kHz量級，輸出功率為500 mW。兩個串聯(lián)的隔離器提供大于60 dB的隔離度，防止諧振腔產(chǎn)生的激光從后腔鏡出來進入種子激光器，干擾其正常工作。兩個耦合透鏡對種子激光束進行變換耦合，使得種子激光在諧振腔內(nèi)與其自身的振蕩光束有著同樣光斑大小。緊接著的是半波片和四分之一波片，二者的組合可以產(chǎn)生橢圓偏振光。種子光經(jīng)后腔鏡進入到諧振腔內(nèi)，經(jīng)過布儒斯特角起偏片時s光被反出腔外，透過的P光再經(jīng)過一個來回后在起偏片之前變成了 s光，也被反出腔外。兩次反出的s光相干涉，其干涉信號包含了腔長信息。晶體兩端的四分之一波片是為了消除駐波腔的空間燒孔效應(yīng)，使各個縱模之間形成抑制性競爭。倍頻部分的半波片是為了使基波的以合適的偏振態(tài)進入倍頻晶體LB0。本發(fā)明具有以下優(yōu)點
I、采用LBO腔內(nèi)倍頻技術(shù)，且有兩個532/1064分光鏡，使整個激光器有著高的電光轉(zhuǎn)換效率。、
2、采用低摻雜的鍵合晶體，減小晶體的熱焦距和熱致雙折射，也減小了晶體內(nèi)部的溫度梯度。3、采用U形腔，結(jié)構(gòu)緊湊，體積小。此外，利用雙端泵浦有助于提高泵浦功率且減小縱向溫度梯度，從而提高平均功率和單脈沖能量。
4、該激光器采用主動溫控主動散熱，高精度的熱電制冷片TEC溫控是輸出激光高頻率穩(wěn)定性的主要保障。這使得該激光器不僅能適應(yīng)一般的工作環(huán)境要求，還能適應(yīng)機載和星載要求。
圖I是本發(fā)明激光器的光學(xué)系統(tǒng)框圖。圖2是該激光器的電學(xué)控制處理部分的連接圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本專利做進一步說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護范圍。先請參照圖1，圖I是本發(fā)明激光器的整個光學(xué)系統(tǒng)框圖。由圖可見，本發(fā)明種子光注入的腔內(nèi)倍頻532nm單縱模激光器裝置，其結(jié)構(gòu)包括腔外種子光路I、U形從動諧振腔
2、電學(xué)控制處理3和腔內(nèi)倍頻4四部分
所述的腔外種子光路部分I依次由種子激光器1-1、隔離器1-2、半波片1-3、第一 1/4波片1-4、耦合透鏡組1-5、1-6、第一反射鏡1-7和第二反射鏡1-8組成；
所述的U形從動諧振器腔部分2依次由后腔鏡2-6、調(diào)Q晶體2-7、第二 1/4波片2_8、布儒斯特角起偏片2-9、第三1/4波片2-10、第一分光鏡2-4、增益介質(zhì)2_5、第二分光鏡2_14、第四1/4波片2-11、補償負透鏡2-12和前腔鏡2-13組成，該U形從動諧振腔中的增益介質(zhì)2-5采用雙端泵浦，一端依次由第一泵浦源2-1、第一泵浦耦合系統(tǒng)2-2和2-3和第一分光鏡2-4組成,另一端由第二泵浦源2-17、第一泵浦稱合系統(tǒng)2-16和2_15和第二分光鏡
2-14組成；第一分光鏡2-4和第二分光鏡2-14都是對808nm的泵浦光高透，并且對1064nm的振蕩激光聞反；
所述的電學(xué)控制處理部分3由光電二極管3-1、緊固于后腔鏡2-6的第一壓電陶瓷
3-2、緊固于所述的全腔鏡2-13的第二壓電陶瓷3-3、壓電陶瓷驅(qū)動電源3-4和時序控制系統(tǒng)3-5組成，所述的壓電陶瓷驅(qū)動電源3-4的輸出端分別與第一壓電陶瓷3-2和第二壓電陶瓷3-3的輸入端連接，所述的時序控制系統(tǒng)3-5的輸入端與所述的光電二極管3-1的輸出端相連，所述的時序控制系統(tǒng)3-5的輸出端分別與所述的壓電陶瓷驅(qū)動電源3-4的輸入端、所述的調(diào)Q晶體KD*P2-8的控制端、第一泵浦源2-1和第二泵浦源2-14的控制端相連接;
所述的腔內(nèi)倍頻部分4由半波片4-1、第一分光鏡4-2、倍頻晶體4-3和第二分光鏡4-4組成，所述的第一分光鏡4-2或第二分光鏡4-4為激光輸出鏡。所述的種子激光器1-1是一個連續(xù)輸出的單縱模激光器，線寬在kHz量級，有很高的頻率穩(wěn)定性。所述的耦合透鏡組1-5和1-6將種子光進行變換，使其在所述的U形從動腔諧振腔內(nèi)任何地方的光斑大小與振蕩光斑大小一致。所述的增益介質(zhì)2-5為鍵合Nd: YAG晶體，兩端不摻雜，中心摻雜區(qū)長度為30mm，摻雜濃度為O. 3at. %，利用熱電制冷片(TEC)來控制增益介質(zhì)的溫度，以達到高的溫控精度。所述的后腔鏡2-6和前腔鏡2-13都是平鏡，它們對1064nm的透過率分別為5%和O.
所述的第一泵浦源2-1和第二泵浦源2-17是峰值功率為150W中心波長808nm的兩個高功率半導(dǎo)體激光器，都工作在脈沖方式。所述的第三1/4 一波片2-10和第四1/4波片2_11通過合適的旋轉(zhuǎn)角度來消除空 間燒孔效應(yīng)，形成各個縱模之間的抑制性競爭。所述的時序控制系統(tǒng)3-5在每個工作周期的起始點給第一泵浦源2-1和第二泵浦源2-14觸發(fā)信號，二者輸出808nm泵浦光到激光晶體上，壓電陶瓷驅(qū)動電源在每個泵浦周期內(nèi)在第二壓電陶瓷3-3上施加一斜坡電壓以改變從動腔腔長，當時序控制系統(tǒng)3-5檢測到光電二極管3-1上的干涉信號的峰值時，打開調(diào)Q開關(guān)2-7，隨即輸出單縱模激光，在每次出光之后所述的壓電陶瓷驅(qū)動電源3-4給所述的第一壓電陶瓷3-2加載一直流電壓，以保持出光時間的穩(wěn)定。所述的倍頻晶體4-3是三硼酸鋰晶體(LB0)，采用一類相位匹配。種子激光器1-1輸出單頻連續(xù)激光，線寬在kHz量級，輸出功率為500 mW。兩個串聯(lián)的隔離器1-2提供大于60 dB的隔離度，防止諧振腔產(chǎn)生的激光從后腔鏡出來進入種子激光器而干擾其正常工作。兩個耦合透鏡1-3和1-4對種子激光束進行變換耦合，使種子激光在諧振腔內(nèi)與其自身的振蕩光束光斑大小一致。緊接著的是半波片1-5和四分之一波片1-6，二者的組合可以產(chǎn)生滿足諧振探測所需要的橢圓偏振光。種子光經(jīng)后腔鏡2-6進入到諧振腔內(nèi)，經(jīng)過布儒斯特角起偏片2-9時s光被反出腔外，透過的P光再經(jīng)過一個來回后在起偏片之前變成了 s光，也被反出腔外。兩次反出的s光相干涉，其干涉信號包含了腔長信息。晶體兩端的四分之一波片2-10和2-11是為了消除駐波腔的空間燒孔效應(yīng)，使各個縱模之間形成抑制性競爭，從而實現(xiàn)單縱模振蕩。合適的半波片4-1角度使得倍頻晶體LB04-3有很好的相位匹配，從而實現(xiàn)單縱模綠光脈沖激光的輸出。下面是本發(fā)明一個具體實施例的參數(shù)
所述的第一泵浦源2-1和第二泵浦源2-17采用峰值功率為150 W中心波長808 nm的脈沖運轉(zhuǎn)激光二極管，泵浦周期為I ms，占空比為26 %。增益介質(zhì)2 — 5采用Φ4*40的鍵合晶體棒YAG/Nd: YAG/YAG，中間的30 mm為摻雜區(qū)，摻雜濃度為O. 3at. %，兩端各5mm不摻雜。諧振腔腔長為520 mm,后腔鏡2 — 6和輸出鏡4 一 4或4 一 2都是平鏡，米用磷酸二氣鉀(HfP)做電光調(diào)Q晶體2 — 7。采用I類相位匹配的三硼酸鋰，LiB3O5作倍頻晶體4 一
3。利用改進的諧振探測方法獲得了種子注入單頻脈沖激光，利用腔內(nèi)倍頻實現(xiàn)了高效的綠光輸出。在1000 Hz的脈沖重復(fù)頻率下輸出5 mj脈沖能量的532 nm單頻脈沖激光，輸出激光脈寬(FWHM) 10 ns，并且有著接近極限的頻譜寬度和高的頻率穩(wěn)定性。實驗表明，本發(fā)明具有高重復(fù)頻率、高能量、傳導(dǎo)冷卻、窄線寬、高頻率穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)緊湊和工作穩(wěn)定的特點。
權(quán)利要求
1.一種種子光注入的腔內(nèi)倍頻532nm單縱模激光器裝置，特征在于其結(jié)構(gòu)包括腔外種子光路(1)、U形從動諧振腔(2)、電學(xué)控制處理(3)和腔內(nèi)倍頻(4)四部分 所述的腔外種子光路部分(I)依次由種子激光器(1-1)、隔離器(1-2)、半波片(1-3)、第一 1/4波片(1-4)、耦合透鏡 組(1-5、1-6)、第一反射鏡(1-7)和第二反射鏡(1-8)組成； 所述的U形從動諧振器腔部分(2)依次由后腔鏡(2-6)、調(diào)Q晶體(2-7)、第二 1/4波片(2-8)、布儒斯特角起偏片(2-9)、第三1/4波片(2-10)、第一分光鏡(2-4)、増益介質(zhì)(2-5)、第二分光鏡(2-14)、第四1/4波片(2-11)、補償負透鏡(2-12)和前腔鏡(2-13)組成，該U形從動諧振腔中的増益介質(zhì)(2-5)采用雙端泵浦，一端依次由第一泵浦源(2-1)、第一泵浦耦合系統(tǒng)(2-2和2-3)和第一分光鏡(2-4)組成，另一端由第二泵浦源(2-17)、第一泵浦稱合系統(tǒng)(2-16和2-15)和第二分光鏡(2-14)組成；第一分光鏡(2_4)和第二分光鏡(2-14)都是對808nm的泵浦光高透，并且對1064nm的振蕩激光高反； 所述的電學(xué)控制處理部分(3)由光電ニ極管(3-1)、緊固于后腔鏡(2-6)的第一壓電陶瓷(3-2)、緊固于所述的全腔鏡(2-13)的第二壓電陶瓷(3-3)、壓電陶瓷驅(qū)動電源(3-4)和時序控制系統(tǒng)(3-5)組成，所述的壓電陶瓷驅(qū)動電源(3-4)的輸出端分別與第一壓電陶瓷(3-2)和第二壓電陶瓷(3-3)的輸入端連接，所述的時序控制系統(tǒng)(3-5)的輸入端與所述的光電ニ極管(3-1)的輸出端相連，所述的時序控制系統(tǒng)(3-5)的輸出端分別與所述的壓電陶瓷驅(qū)動電源(3-4)的輸入端、所述的調(diào)Q晶體KD*P (2-8)的控制端、第一泵浦源(2-1)和第二泵浦源(2-14)的控制端相連接； 所述的腔內(nèi)倍頻部分(4)由半波片(4-1)、第一分光鏡(4-2)、倍頻晶體(4-3)和第二分光鏡(4-4)組成,所述的第一分光鏡(4-2)或第二分光鏡(4-4)為激光輸出鏡。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的種子光注入的腔內(nèi)倍頻532nm單縱模激光器，其特征在于所述的種子激光器(1-1)是ー個連續(xù)輸出的單縱模激光器，線寬在kHz量級，有很高的頻率穩(wěn)定性。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的種子光注入的腔內(nèi)倍頻532nm單縱模激光器，其特征在于所述的耦合透鏡組(1-5和1-6)將種子光進行變換，使其在所述的U形從動腔諧振腔內(nèi)任何地方的光斑大小與振蕩光斑大小一致。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的種子光注入的腔內(nèi)倍頻532nm單縱模激光器，其特征在于所述的增益介質(zhì)(2-5)為鍵合Nd:YAG晶體，兩端不摻雜，中心摻雜區(qū)長度為30mm，摻雜濃度為O. 3at. %，利用熱電制冷片(TEC)來控制增益介質(zhì)的溫度，以達到高的溫控精度。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的種子光注入的腔內(nèi)倍頻532nm單縱模激光器，其特征在于所述的后腔鏡(2-6)和前腔鏡(2-13)都是平鏡，它們對1064nm的透過率分別為5%和O。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的種子光注入的腔內(nèi)倍頻532nm單縱模激光器，其特征在于所述的第一泵浦源(2-1)和第二泵浦源(2-17)是峰值功率為150W中心波長808nm的兩個高功率半導(dǎo)體激光器，都工作在脈沖方式。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的種子光注入的腔內(nèi)倍頻532nm單縱模激光器，其特征在于所述的第三1/4 一波片(2-10)和第四1/4波片(2-11)通過合適的旋轉(zhuǎn)角度來消除空間燒孔效應(yīng)，形成各個縱模之間的抑制性競爭。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的種子光注入的腔內(nèi)倍頻532nm單縱模激光器，其特征在于所述的時序控制系統(tǒng)(3-5)在每個工作周期的起始點給第一泵浦源(2-1)和第二泵浦源(2-14)觸發(fā)信號，二者輸出808nm泵浦光到激光晶體上，壓電陶瓷驅(qū)動電源在每個泵浦周期內(nèi)在第二壓電陶瓷(3-3)上施加一斜坡電壓以改變從動腔腔長，當時序控制系統(tǒng)(3-5)檢測到光電ニ極管(3-1)上的干渉信號的峰值時，打開調(diào)Q開關(guān)(2-7)，隨即輸出單縱模激光，在毎次出光之后所述的壓電陶瓷驅(qū)動電源(3-4)給所述的第一壓電陶瓷(3-2)加載ー直流電壓，以保持出光時間的穩(wěn)定。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的種子光注入的腔內(nèi)倍頻532nm單縱模激光器，其特征在于所述的倍頻晶體(4-3)是三硼酸鋰晶體(LBO)，采用ー類相位匹配。
全文摘要
一種種子光注入的腔內(nèi)倍頻532nm單縱模激光器，利用諧振探測方法獲得了種子注入1064nm單頻脈沖激光，并通過腔內(nèi)倍頻得到532nm的單縱模脈沖激光。激光諧振腔采用U形腔，采用兩個高峰值功率的LD從端面泵浦激光晶體，利用高精度的TEC來給激光晶體控溫，利用腔內(nèi)LBO倍頻得到綠光輸出。本發(fā)明有著高效率、高能量、傳導(dǎo)冷卻、窄線寬、高頻率穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)緊湊和工作穩(wěn)定的特點。
文檔編號H01S3/109GK102646920SQ201210097219
公開日2012年8月22日 申請日期2012年4月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月5日
發(fā)明者劉丹, 朱小磊, 王君濤, 臧華國, 陸婷婷 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所