全固态单频可调谐红光激光器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种全固态单频可调谐红光激光器，包括激光二极管、泵浦光整形系统、谐振腔、增益介质、倍频晶体、磁光单向器和频率调谐装置，激光二极管通过光纤与泵浦光整形系统连接，泵浦光整形系统整形后的光斑纵向泵浦到增益介质上，增益介质被激发出红外波段的荧光进入谐振腔。本发明采用F-P标准具和压电陶瓷配合调节来实现671nm红光的频率连续调节，F-P标准具用来粗调，压电陶瓷细调。激光器采用880nm泵浦源，比起传统808nm泵浦源，它可有效地减小晶体的热透镜效应，提高激光的转换效率；激光器采用环形腔结构，运转高效、稳定。
【专利说明】全固态单频可调谐红光激光器
【技术领域】
[0001] 本发明属于一种红光激光器，具体涉及一种全固态单频可调谐红光激光器。
【背景技术】
[0002] 激光二极管（LD)端面泵浦固体激光器近年来受到广泛关注，它具有效率高、结构 紧凑、性能稳定、寿命长和全固化等优点，广泛应用于激光雷达、光谱分析、引力波探测、相 干通讯和量子光学等领域。 在一般的应用中，激光二极管端面泵浦中最为常见的是采用808nm光泵浦，而采用 880nm激光作为泵浦光可以把粒子直接抽运到激光上能级，减少了无辐射跃迁的粒子数，降 低量子缺陷带来的能量损耗，从而有效地减少了激光介质的热负荷。
[0003] 目前现有技术中单频激光器研究较多，但是对于671nm红光波段的可调谐的单频 激光器，因波长的特殊性、窄线宽和可调谐的结构形式，使该种激光器的设计与应用还多处 于研发阶段。
【发明内容】
[0004] 本发明是为了克服现有技术中存在的缺点而提出的，其目的是提供一种全固态单 频可调谐红光激光器。
[0005] 本发明的技术方案是： 一种全固态单频可调谐红光激光器，包括激光二极管、泵浦光整形系统、谐振腔、增益 介质、倍频晶体、磁光单向器和频率调谐装置，所述激光二极管通过光纤与泵浦光整形系统 连接，泵浦光整形系统整形后的光斑纵向泵浦到增益介质上，增益介质被激发出红外波段 的荧光进入谐振腔； 所述谐振腔是由泵浦光输入端面镜、平面腔镜、凹面腔镜和凹面输出腔镜组成的"8"字 环形腔结构；泵浦光输入端面镜、平面腔镜与激光二极管、泵浦光整形系统处于同一光路， 凹面腔镜设置于泵浦光输入端面镜下方，凹面输出腔镜设置于平面腔镜下方，泵浦光输入 端面镜以倾斜角设置于泵浦光整形系统和增益介质之间； 所述磁光单向器是由法拉第旋转器和二分之一波片组成；法拉第旋转器和二分之一波 片设置于泵浦光输入端面镜和平面腔镜之间，且处于同一光路； 所述频率调谐装置是由F-P标准具和压电陶瓷组成；F-P标准具设置于凹面腔镜和 凹面输出腔镜之间，且处于同一光路；压电陶瓷固定于平面腔镜远离二分之一波片的一侧 上； 所述倍频晶体设置于凹面腔镜和凹面输出腔镜之间的激光束腰位置处，且处于F-P标 准具右侧。
[0006] 所述泵浦光整形系统从左至右依次由自聚焦透镜、凹镜、柱面镜和聚焦透镜组成； 凹镜的凹面朝向柱面镜，柱面镜和聚焦透镜（17 )的柱面相对设置。
[0007] 所述法拉第旋转器设置于靠近泵浦光输入端面镜的一侧，二分之一波片设置于靠 近平面腔镜的一侧； 所述凹面腔镜和凹面输出腔镜以倾斜角设置于同一光路，且凹面腔镜的凹面朝向平面 腔镜，凹面输出腔镜的凹面朝向泵浦光输入端面镜。
[0008] 所述泵浦光输入端面镜、平面腔镜、凹面腔镜和凹面输出腔镜对振荡激光1342nm 全反射 所述输入端面镜靠近泵浦光整形系统的一面镀有880nm高透过率膜。
[0009] 所述凹面输出腔镜的凹面镀有671nm红光高透过率膜。
[0010] 所述增益介质为YV04-Nd:YV04键合晶体，增益介质的两端面均镀880nm减反膜、 1342nm减反膜和1064nm减反膜。
[0011] 所述倍频晶体采用以I类角度匹配方式切割的LB0晶体，两端面均镀有1342nm和 671nm双色增透膜。
[0012] 本发明的有益效果是： 本发明提供一种可调谐，输出功率较高，稳定可靠的671nm红光单频激光器，采用F-P 标准具和压电陶瓷配合调节来实现671nm红光的频率连续调节，F-P标准具用来粗调，压电 陶瓷细调。激光器采用880nm泵浦源，比起传统808nm泵浦源，它可有效地减小晶体的热透 镜效应，提高激光的转换效率；激光器采用环形腔结构，运转高效、稳定。
【专利附图】
【附图说明】
[0013] 图1是本发明全固态单频可调谐红光激光器的结构示意图； 图2是本发明中泵浦光整形系统的结构示意图。
[0014] 其中： 1激光二极管 2光纤 3泵浦光整形系统 4泵浦光输入端面镜 5平面腔镜 6凹面腔镜 7凹面输出腔镜 8增益介质 9法拉第旋转器 10二分之一波片 11倍频晶体 12 F-P标准具 13压电陶瓷 14自聚焦透镜 15凹镜 16柱面镜 17聚焦透镜。
【具体实施方式】
[0015] 下面结合说明书附图及实施例对本发明全固态单频可调谐红光激光器进行详细 说明： 如图1、2所示，一种全固态单频可调谐红光激光器，包括激光二极管1、泵浦光整形系 统3、谐振腔、增益介质8、倍频晶体11、磁光单向器和频率调谐装置，所述激光二极管1通 过光纤2与泵浦光整形系统3连接，泵浦光整形系统3整形后的光斑纵向泵浦到增益介质 8上，增益介质8被激发出红外波段的荧光进入谐振腔； 所述谐振腔是由泵浦光输入端面镜4、平面腔镜5、凹面腔镜6和凹面输出腔镜7组成 的"8"字环形腔结构；输入端面镜4、平面腔镜5与激光二极管1、泵浦光整形系统3处于同 一光路，凹面腔镜6设置于泵浦光输入端面镜4下方，凹面输出腔镜7设置于平面腔镜5下 方，泵浦光输入端面镜4以倾斜角设置于泵浦光整形系统3和增益介质8之间； 所述磁光单向器是由法拉第旋转器9和二分之一波片10组成；法拉第旋转器9和二分 之一波片10设置于泵浦光输入端面镜4和平面腔镜5之间，且处于同一光路；所述法拉第 旋转器9设置于靠近泵浦光输入端面镜4的一侧，二分之一波片10设置于靠近平面腔镜5 的一侧； 所述频率调谐装置是由F-P标准具12和压电陶瓷13组成；F-P标准具12设置于凹面 腔镜6和凹面输出腔镜7之间，且处于同一光路；压电陶瓷13固定于平面腔镜5远离二分 之一波片10的一侧上； 所述倍频晶体11设置于凹面腔镜6和凹面输出腔镜7之间的激光束腰位置处，且处于 F-P标准具12右侧。
[0016] 所述泵浦光整形系统3从左至右依次由自聚焦透镜14、凹镜15、柱面镜16和聚焦 透镜17组成；凹镜15的凹面朝向柱面镜16,柱面镜16和聚焦透镜17的柱面相对设置。
[0017] 所述凹面腔镜6和凹面输出腔镜7以倾斜角设置于同一光路，且凹面腔镜6的凹 面朝向平面腔镜5,凹面输出腔镜7的凹面朝向泵浦光输入端面镜4。
[0018] 所述泵浦光输入端面镜4、平面腔镜5、凹面腔镜6和凹面输出腔镜7对振荡激光 1342nm全反射 所述输入端面镜4靠近泵浦光整形系统3的一面镀有880nm高透过率膜。
[0019] 所述凹面输出腔镜7的凹面镀有671nm红光高透过率膜。
[0020] 所述增益介质8为YV04-Nd: YV04键合晶体，增益介质8的两端面均镀880nm减反 膜、1342nm减反膜和1064nm减反膜。
[0021] 所述倍频晶体11采用以I类角度匹配方式切割的LB0晶体，两端面均镀有1342nm 和67 lnm双色增透膜。
[0022] 本发明的泵浦源为激光二极管1高功率光纤耦合输出的LD激光器，它具有系统 抽运效率高、结构稳定等特点，中心波长880nm，光纤端面直径为400um，数值孔径N. A.为 0. 22,最高输出功率为50W。采用880nm直接抽运的方式把粒子直接抽运到激光上能，能减 少用于无辐射跃迁的粒子数，降低量子缺陷带来的能量损耗，有效地减少了激光介质的热 量堆积，提高激光器的斜效率。
[0023] 增益介质8为YV04-Nd:YV04键合晶体，比起传统单一 Nd:YV04晶体，它有以下优 点：消除了由端面变形引起的热透镜效应；避免了端面膜层因高温和热应力而遭到破坏， 提高了抗光伤阐值；提高了光一光转换效率，改善了激光的输出光束质量；特别适用于高 功率半导体泵浦的激光器。
[0024] 由于泵浦光整形系统3是由一自聚焦透镜、两正交柱面镜和聚焦透镜组成，此系 统透镜的球差小，收光角大，聚光能力强，可获得较小的聚焦光斑尺寸和合适的工作聚焦长 度，以达到在增益介质处与腔模束腰的较好模式匹配。
[0025] 本发明的谐振腔采用四镜"8"字环形腔结构，由两个平面镜和两个凹面镜组成，这 样光束在腔内可形成两个腰斑，分别满足了泵浦和倍频模式匹配的要求。为了获得高功率 的基模激光输出，在设计谐振腔时满足以下设计准则：（i )ΤΕΜμ模的直径必须受到激活材 料的限制，满足模式匹配因子（约0.8);采用合适的谐振腔结构以获得大直径的ΤΕΜμ，从而 达到高的光束填充因子，进而保证高效基模激光输出。（ii)谐振腔应是动态稳定的，既谐振 腔对由泵浦引起的热焦距变化不灵敏。（iii)腔模对机械不对准必须相当不灵敏。（iv)选择 合适的倍频晶体处束腰，提高倍频效率。
[0026] 激光器的调谐机构由腔内插入的F-P标准具12和压电陶瓷13配合调谐组成。通 过改变F-P标准具的倾斜角来改变激光器的输出频率，以达到对激光频率的粗调。由于F-P 标准具是通过选模来实现的调谐，因此不能实现连续调谐。为此将F-P标准具12和压电陶 瓷13 -起配合调节，对固定在谐振腔镜上的压电陶瓷13上施加电压来改变谐振腔的腔长， 最终实现频率连续精确调谐。
[0027] 激光器的工作过程如下：激光二级管1出射的880nm泵浦光耦合到光纤2里，由光 纤2传输到泵浦整形系统3内，880nm泵浦光经泵浦整形系统3整形到合适光斑大小后纵 向泵浦到增益介质8上，泵浦源激光二极管1的中心波长880nm与增益介质8的吸收带重 合，增益介质8被激发出红外波段的荧光。荧光经由输入端面镜4、平面腔镜5、凹面腔镜6 和凹面输出腔镜7组成的谐振腔振荡后产生1342nm红外光。增益介质8为YV0 4-Nd:YV04 键合晶体，晶体的两端面除了镀880nm、1342nm减反膜外，还需镀1064nm减反膜用于防止 1064nm光在激光晶体内起振。谐振腔内由法拉第旋转器9和1/2波片10组成的单向器 使激光器单向运转。倍频晶体11放置在凹面腔镜6和凹面输出腔镜7之间的激光束腰位 置处，使1342nm红外光倍频为671nm红光，倍频晶体11采用以I类角度匹配方式切割（
【权利要求】
1. 一种全固态单频可调谐红光激光器，包括激光二极管（1)、泵浦光整形系统（3)、谐 振腔、增益介质（8)、倍频晶体（11)、磁光单向器和频率调谐装置，其特征在于：所述激光二 极管（1)通过光纤（2)与泵浦光整形系统（3)连接，泵浦光整形系统（3)整形后的光斑纵向 泵浦到增益介质（8)上，增益介质（8)被激发出红外波段的荧光进入谐振腔；所述谐振腔是 由泵浦光输入端面镜（4)、平面腔镜（5)、凹面腔镜（6)和凹面输出腔镜（7)组成的"8"字环 形腔结构；泵浦光输入端面镜（4)、平面腔镜（5)与激光二极管（1)、泵浦光整形系统（3)处 于同一光路，凹面腔镜（6)设置于泵浦光输入端面镜（4)下方，凹面输出腔镜（7)设置于平 面腔镜（5)下方，泵浦光输入端面镜（4)以倾斜角设置于泵浦光整形系统（3)和增益介质 (8) 之间；所述磁光单向器是由法拉第旋转器（9)和二分之一波片（10)组成；法拉第旋转器 (9) 和二分之一波片（10)设置于泵浦光输入端面镜（4)和平面腔镜（5)之间，且处于同一 光路；所述频率调谐装置是由F-P标准具（12)和压电陶瓷（13)组成；F-P标准具（12)设 置于凹面腔镜（6)和凹面输出腔镜（7)之间，且处于同一光路；压电陶瓷（13)固定于平面腔 镜（5)远离二分之一波片（10)的一侧上；所述倍频晶体（11)设置于凹面腔镜（6)和凹面输 出腔镜（7)之间的激光束腰位置处，且处于F-P标准具（12)右侧。
2. 根据权利要求1所述的一种全固态单频可调谐红光激光器，其特征在于：所述泵浦 光整形系统（3)从左至右依次由自聚焦透镜（14)、凹镜（15)、柱面镜（16)和聚焦透镜（17) 组成；凹镜（15)的凹面朝向柱面镜（16)，柱面镜（16)和聚焦透镜（17)的柱面相对设置。
3. 根据权利要求1所述的一种全固态单频可调谐红光激光器，其特征在于：所述法拉 第旋转器（9)设置于靠近泵浦光输入端面镜（4)的一侧，二分之一波片（10)设置于靠近平 面腔镜（5)的一侧。
4. 根据权利要求1所述的一种全固态单频可调谐红光激光器，其特征在于：所述凹面 腔镜（6)和凹面输出腔镜（7)以倾斜角设置于同一光路，且凹面腔镜（6)的凹面朝向平面腔 镜（5)，凹面输出腔镜（7)的凹面朝向泵浦光输入端面镜（4)。
5. 根据权利要求1所述的一种全固态单频可调谐红光激光器，其特征在于：所述泵浦 光输入端面镜（4)、平面腔镜（5)、凹面腔镜（6)和凹面输出腔镜（7)对振荡激光1342nm全 反射。
6. 根据权利要求1所述的一种全固态单频可调谐红光激光器，其特征在于：所述输入 端面镜（4)靠近泵浦光整形系统（3)的一面镀有880nm高透过率膜。
7. 根据权利要求1所述的一种全固态单频可调谐红光激光器，其特征在于：所述凹面 输出腔镜（7)的凹面镀有671nm红光高透过率膜。
8. 根据权利要求1所述的一种全固态单频可调谐红光激光器，其特征在于：所述增益 介质（8 )为YV04-Nd: YV04键合晶体，增益介质（8 )的两端面均镀880nm减反膜、1342nm减反 膜和1064nm减反膜。
9. 根据权利要求1所述的一种全固态单频可调谐红光激光器，其特征在于：所述倍频 晶体（11)采用以I类角度匹配方式切割的LBO晶体，两端面均镀有1342nm和671nm双色 增透膜。
【文档编号】H01S3/0941GK104283101SQ201410633186
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2014年11月12日 优先权日:2014年11月12日
【发明者】孙桂侠, 刘涛, 钱金宁, 王鑫 申请人:核工业理化工程研究院