專利名稱：一種新型的正交偏振雙波長激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種新型的能輸出兩種偏振態(tài)相互正交的雙波長激光的固體雙波長激光器，屬于光電子器件領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
固體雙波長激光可廣泛應(yīng)用于非線性頻率轉(zhuǎn)換、激光雷達(dá)、衛(wèi)星測距、環(huán)境監(jiān)測、 光動(dòng)力學(xué)醫(yī)療以及光譜學(xué)研究等領(lǐng)域，特別是在非線性頻率轉(zhuǎn)換方面，近年來利用固體雙波長激光進(jìn)行和頻或差頻已成為獲得具有特殊用途新波長激光的重要技術(shù)途徑，如利用1 微米和1. 3微米雙波長激光通過和頻產(chǎn)生黃光和橙黃光；若采用波長相近的雙波長激光通過差頻技術(shù)還可獲得相干THz輻射波。因此，固體雙波長激光的研究日益受到人們的重視， 已成為國內(nèi)外較為熱門的研究課題。迄今為止，所報(bào)道的固體雙波長激光就偏振特性而言，主要有兩種類型，一種是利用各向同性的激光晶體獲得的無偏雙波長激光，如Nd:YAG晶體發(fā)射的1357nm和1444nm 雙波長激光；另一種是利用各向異性的激光晶體獲得的單一偏振方向雙波長激光，如 NdiYAlO3 (NdiYAP)晶體發(fā)射的1079nm和1341nm雙波長激光。上述無偏或是單一偏振方向的固體雙波長激光，在應(yīng)用中有其局限和不足。如無偏雙波長激光，在入射到非線性光學(xué)晶體進(jìn)行頻率轉(zhuǎn)換時(shí)，無論是采用I類(e+e=o或0+0=e)還是II類(Ο+Θ=Ο或e+o=e)相位匹配，只有滿足相位匹配的激光偏振分量參與和頻(或差頻)作用，導(dǎo)致頻率轉(zhuǎn)換效率較低。尤其是有些非線性光學(xué)晶體，如中小功率方面最具代表性的非線性光學(xué)晶體KTP，在進(jìn)行頻率轉(zhuǎn)換時(shí)，只能采用II類(o+e=o或e+o=e)相位匹配，無偏或單一偏振方向的固體雙波長激光的頻率轉(zhuǎn)換效率更是有待于進(jìn)一步提高。此外，對單一偏振方向的雙波長激光進(jìn)行和頻時(shí)，產(chǎn)生和頻光的同時(shí)，還會(huì)產(chǎn)生各自的倍頻光，直接影響了和頻的效率及變頻光的光譜純度。近期我們利用Nd:YAG晶體同時(shí)發(fā)射的1319nm和1338nm雙波長激光進(jìn)行和頻實(shí)驗(yàn)時(shí)，不管1319nm和1338nm雙波長激光起偏與否，都觀察到了 664nm和頻光以及 659. 5nm 和 669nm 倍頻光，三者的比例為 23:16:11 (H. Y. Zhu, G. Zhang, C. H. Huang, Y. Wei, L.X.Huang，Α. H. Li and Ζ. Q. Chen. "1318. 8nm/1338. 2 nm simultaneous dual-wavelength Q-switched Nd:YAG laser，，，App 1. Phys. B, 90(2008)451-454)。因此，如何提高頻率轉(zhuǎn)換效率及變頻光的光譜純度，是固體雙波長激光在非線性頻率轉(zhuǎn)換過程中一個(gè)亟待解決的問題。為此，我們設(shè)想如果輸出的雙波長激光的偏振方向相互正交，頻率轉(zhuǎn)換時(shí)可以采用II類匹配，各偏振分量均能充分參與到和頻(或差頻)過程中，將有效提高頻率轉(zhuǎn)換效率；尤其是在和頻時(shí)，避免了各自倍頻光的產(chǎn)生，可大大提高光譜純度。此外，雙波長激光在光纖通信方面應(yīng)用廣泛。近年來，通信行業(yè)發(fā)展迅速，信息高速公路正在全球范圍內(nèi)以驚人的速度建立起來。光纖通信技術(shù)向著速度高、容量大、可伸縮性好的方向發(fā)展。為了增大網(wǎng)絡(luò)吞吐的容量和速率，有效的解決途徑就是采用波分復(fù)用 (Wavelength Division Multiplex，WDM)技術(shù)。應(yīng)用這種技術(shù)可以在同一根光纖中同時(shí)傳輸兩個(gè)或多個(gè)不同波長光信號(hào)。正交偏振雙波長激光在光纖波分復(fù)用技術(shù)中提供了一種新的信號(hào)載波激光光源。由于同光路同時(shí)發(fā)射且偏振方向相互正交，正交偏振雙波長激光應(yīng)用于光纖通信，則不同的光載波信號(hào)不僅在發(fā)送端容易復(fù)合接入，而且在接收端也容易解碼分離，這無疑有利于降低光纖通信的成本，有著潛在的應(yīng)用前景。據(jù)我們所知，目前國內(nèi)外尚未見到有關(guān)正交偏振雙波長激光輸出的研究報(bào)道，只有通過頻率分裂技術(shù)實(shí)現(xiàn)同一波長內(nèi)的大頻差正交偏振雙頻激光的研究。大頻差正交偏振雙頻激光器在絕對距離干涉測量和激光通信等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。然而，該雙頻激光實(shí)質(zhì)上是同一激光輻射波長的兩個(gè)分裂頻率模，受增益線寬限制，這種方法獲得的正交偏振雙頻激光的頻差最多只能達(dá)到固體激光器增益線寬的極限。采用不同能級(jí)或分裂子能級(jí)躍遷產(chǎn)生的正交偏振雙波長激光，不受固體激光器單一譜線增益線寬的限制，可產(chǎn)生更大的頻差，拓展其應(yīng)用。相比各向同性的固體激光材料，各向異性的固體激光材料天然的各向異性躍遷能級(jí)結(jié)構(gòu)為研究并獲得正交偏振雙波長固體激光提供了便利。利用各向異性激光晶體不同能級(jí)及其子能級(jí)之間的躍遷產(chǎn)生不同偏振的不同波長所具有的正交偏振特性，可以實(shí)現(xiàn)多種組合的正交偏振雙波長激光輸出。以b軸切割的Nd:YAP晶體為例，Nd3+離子常用的兩個(gè)能級(jí)躍遷4Fv2-4Iiv2和4Fv2-4Iiv2由于斯塔克能級(jí)分裂，可產(chǎn)生c偏振的IOSOnm和1341nm輻射以及a偏振的1064nm和1339nm輻射。利用這4條躍遷譜線，可開展4種組合的正交偏振雙波長激光研究，分別為 1064nm 與 1341nm、1080nm 與 1339nm、106^m 與 1080nm、1339nm 與134Inm正交偏振雙波長激光。如果不加任何選偏裝置，各向異性的激光晶體輸出的雙波長激光是線偏振激光， 而通過分光和偏振控制，實(shí)現(xiàn)正交偏振雙波長激光同時(shí)同光路輸出是完全可能的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是利用目前廣泛使用的各向異性的固體激光材料能發(fā)射多種不同偏振不同波長輻射的特性，通過合理的腔型設(shè)計(jì)和偏振控制，開發(fā)出一種新型的正交偏振雙波長激光器，在一臺(tái)激光器上實(shí)現(xiàn)水平偏振的波長一和垂直偏振的波長二兩種偏振方向相互正交的雙波長激光同時(shí)同光路輸出。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案
1. 一種新型的正交偏振雙波長激光器，其特征在于該激光器包括各向異性的摻釹激光晶體；用于泵浦所述激光晶體以使所述激光晶體中的激活離子(Nd3+離子)形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的泵浦系統(tǒng)；激活離子躍遷發(fā)射水平偏振的波長一和垂直偏振的波長二雙波長輻射在其中諧振的光學(xué)諧振腔；以及激光裝置的冷卻系統(tǒng)。2.如項(xiàng)1所述的新型的正交偏振雙波長激光器，其特征在于所述的光學(xué)諧振腔包括諧振腔一和諧振腔二，諧振腔一由分光鏡(3)和輸出耦合鏡(5)組成，諧振腔二由反射鏡(1)和輸出耦合鏡(5)組成；輸出耦合鏡(5)鍍對波長一和波長二均部分透過的介質(zhì)膜； 分光鏡(3)鍍對波長一全反、對波長二高透的介質(zhì)膜；反射鏡(1)鍍對波長二全反的介質(zhì)膜；偏振元件(2)插入反射鏡(1)與分光鏡(3)之間，對垂直偏振的激光透過；水平偏振的波長一激光在諧振腔一內(nèi)振蕩；垂直偏振的波長二激光透過分光鏡(3)和偏振元件(2)在諧振腔二內(nèi)振蕩；水平偏振的波長一和垂直偏振的波長二正交偏振雙波長激光均由輸出耦合鏡(5)同時(shí)同光路輸出。
3.如項(xiàng)1所述的新型的正交偏振雙波長激光器，其特征在于所述的各向異性的摻釹激光晶體為 Nd:YA103、NchYLiF4 (Nd YLF)、Nd YVO4 或 NdGdVO4 等晶體。4.如項(xiàng)1所述的新型的正交偏振雙波長激光器，其特征在于所述的泵浦系統(tǒng)的泵浦源包括能連續(xù)改變輸入功率或能量的連續(xù)、脈沖或重復(fù)率脈沖驅(qū)動(dòng)源和作為泵浦燈的氪燈或氙燈。5.如項(xiàng)1所述的新型的正交偏振雙波長激光器，其特征在于所述的泵浦系統(tǒng)的泵浦源為激光二極管及其驅(qū)動(dòng)源。6.如項(xiàng)1所述的新型的正交偏振雙波長激光器，其特征在于包括調(diào)Q和鎖模元件，產(chǎn)生ns和ps級(jí)的調(diào)Q和鎖模激光。7.如項(xiàng)1所述的新型的正交偏振雙波長激光器，其特征在于包括腔內(nèi)或腔外光路上放置的非線性光學(xué)晶體，產(chǎn)生和頻激光或差頻激光。激光晶體(4)吸收泵浦系統(tǒng)(6)的泵浦光，處于激發(fā)態(tài)，產(chǎn)生水平偏振的波長一激光在分光鏡(3)和輸出耦合鏡(5)之間振蕩；產(chǎn)生垂直偏振的波長二激光透過分光鏡(3)和偏振元件(2)在反射鏡(1)和輸出耦合鏡(5)之間振蕩，最終偏振方向相互正交的波長一和波長二雙波長激光由輸出耦合鏡(5)同時(shí)同光路輸出。配以不同模式的驅(qū)動(dòng)源，即可同時(shí)同光路輸出連續(xù)、脈沖或重復(fù)率脈沖的波長一和波長二正交偏振雙波長激光，滿足不同的需求。如需產(chǎn)生ns或ps級(jí)的正交偏振雙波長激光，只需在腔內(nèi)插入調(diào)Q或鎖模元件。如果在腔內(nèi)或腔外光路上放置非線性光學(xué)晶體(如KTP、LBO等)，正交偏振雙波長激光即可進(jìn)行非線性頻率轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生和頻激光或差頻激光。對于不同泵浦系統(tǒng)泵浦激光晶體產(chǎn)生的熱量，則采用相應(yīng)的冷卻系統(tǒng)來抽取。通過調(diào)整諧振腔一和諧振腔二的腔長、腔鏡對不同波長的耦合率，可以獲得均衡的正交偏振雙波長激光輸出。采用這種設(shè)計(jì)，一臺(tái)激光器輸出偏振方向相互正交的雙波長激光。相比兩臺(tái)激光器輸出線偏振的不同單波長激光，正交偏振雙波長激光器僅采用了一根激光棒和一套泵浦及冷卻系統(tǒng)，減小了體積，節(jié)省了成本。同時(shí)，正交偏振雙波長激光作為一種新型的激光光源，彌補(bǔ)傳統(tǒng)雙波長激光由于偏振特性局限導(dǎo)致的不足，為獲得高功率、高相干和頻或差頻 (THz輻射波)激光提供新的技術(shù)途徑，能夠拓展雙波長激光的應(yīng)用，在非線性頻率轉(zhuǎn)換、光纖通信等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景和使用價(jià)值。


附圖1，為一種新型的正交偏振雙波長激光器裝置的結(jié)構(gòu)示意圖1，反射鏡；2，偏振元件；3，分光鏡；4，激光晶體；5，輸出耦合鏡；6，泵浦系統(tǒng)。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步說明，圖中 1為反射鏡，鍍對波長二全反的介質(zhì)膜。2為偏振元件，對垂直偏振的激光透過。3為分光鏡，鍍對波長一全反、對波長二高透的介質(zhì)膜。
4為激光晶體，如Nd: YAP、Nd: YLF, NdiYVO4, NdiGdVO4等各向異性的摻釹激光晶體中的一種，激光晶體兩端拋光且鍍波長一和波長二增透的介質(zhì)膜。5為輸出耦合鏡，鍍對波長一和波長二均部分透過的介質(zhì)膜。6為泵浦系統(tǒng)，包括泵浦光源及其驅(qū)動(dòng)電源，可以是能連續(xù)改變輸入功率或能量的連續(xù)、脈沖或重復(fù)率脈沖驅(qū)動(dòng)源和作為泵浦燈的氪燈或氙燈、或者是多個(gè)激光二極管(LD) 側(cè)面泵浦及其驅(qū)動(dòng)源。下面以b軸切割的Nd:YAP激光棒產(chǎn)生c偏振的1341nm和a偏振的1064nm正交偏振雙波長激光為例說明本發(fā)明的具體實(shí)施方式
(1341nm譜線的偏振方向平行于Nd:YAP 晶體的c軸，在此例中定義1341nm譜線為水平偏振的波長一 ；1064nm譜線的偏振方向平行于Nd: YAP晶體的a軸，在此例中定義1064nm譜線為垂直偏振的波長二)。反射鏡(1)鍍對1064nm全反的介質(zhì)膜。偏振元件(2)插入反射鏡(1)與分光鏡(3) 之間，對垂直偏振的1064nm激光透過。分光鏡(3)鍍對1341nm全反、對1064nm增透的介質(zhì)膜。激光晶體(4)采用b軸切割的Nd:YAP激光棒，兩端拋光且鍍對1341nm和1064nm的增透膜，放置時(shí)讓激光棒的a軸方向與偏振元件(2)透過激光的方向一致。輸出耦合鏡(5) 鍍對1341nm和1064nm均部分透過的介質(zhì)膜。泵浦系統(tǒng)(6)采用氪燈、或氙燈泵浦、或者是多個(gè)808nm激光二極管(LD)側(cè)面泵浦。Nd:YAP激光棒吸收泵浦系統(tǒng)(6)的泵浦光，處于激發(fā)態(tài)，產(chǎn)生水平偏振的1341nm激光在分光鏡(3)和輸出耦合鏡(5)之間振蕩；產(chǎn)生垂直偏振的1064nm激光經(jīng)分光鏡(3)并透過偏振元件(2)在反射鏡(1)和輸出耦合鏡(5)之間振蕩，最終1341nm和1064nm正交偏振雙波長激光由輸出耦合鏡(5)同時(shí)同光路輸出。配以不同模式的驅(qū)動(dòng)源，即可同時(shí)同光路輸出不同模式的1341nm和1064nm正交偏振雙波長激光。 如需產(chǎn)生ns或ps級(jí)的正交偏振雙波長激光，只需在各諧振腔內(nèi)分別插入1341nm和1064nm 波長的調(diào)Q或鎖模元件。如果在腔內(nèi)或腔外光路上放置非線性光學(xué)晶體(如KTP、LBO等)， 1341nm和1064nm正交偏振雙波長激光即可進(jìn)行非線性頻率轉(zhuǎn)換，如和頻產(chǎn)生593nm激光。
權(quán)利要求
1.一種新型的正交偏振雙波長激光器，其特征在于該激光器包括各向異性的摻釹激光晶體；用于泵浦所述激光晶體以使所述激光晶體中的激活離子，Nd3+離子，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的泵浦系統(tǒng)；激活離子躍遷發(fā)射水平偏振的波長一和垂直偏振的波長二雙波長輻射在其中諧振的光學(xué)諧振腔；以及激光裝置的冷卻系統(tǒng)。
2.如權(quán)利要求1所述的新型的正交偏振雙波長激光器，其特征在于所述的光學(xué)諧振腔包括諧振腔一和諧振腔二，諧振腔一由分光鏡(3)和輸出耦合鏡(5)組成，諧振腔二由反射鏡(1)和輸出耦合鏡(5)組成；輸出耦合鏡(5)鍍對波長一和波長二均部分透過的介質(zhì)膜；分光鏡(3)鍍對波長一全反、對波長二高透的介質(zhì)膜；反射鏡(1)鍍對波長二全反的介質(zhì)膜；偏振元件(2)插入反射鏡(1)與分光鏡(3)之間，對垂直偏振的激光透過；水平偏振的波長一激光在諧振腔一內(nèi)振蕩；垂直偏振的波長二激光透過分光鏡(3)和偏振元件(2)在諧振腔二內(nèi)振蕩；水平偏振的波長一和垂直偏振的波長二正交偏振雙波長激光均由輸出耦合鏡(5)同時(shí)同光路輸出。
3.如權(quán)利要求1所述的新型的正交偏振雙波長激光器，其特征在于所述的各向異性的摻釹激光晶體為Nd:YA103、Nd:YLiF4、Nd:YV04或Nd = GdVO4等晶體。
4.如權(quán)利要求1所述的新型的正交偏振雙波長激光器，其特征在于所述的泵浦系統(tǒng)的泵浦源包括能連續(xù)改變輸入功率或能量的連續(xù)、脈沖或重復(fù)率脈沖驅(qū)動(dòng)源和作為泵浦燈的氪燈或氙燈。
5.如權(quán)利要求1所述的新型的正交偏振雙波長激光器，其特征在于所述的泵浦系統(tǒng)的泵浦源為激光二極管及其驅(qū)動(dòng)源。
6.如權(quán)利要求1所述的新型的正交偏振雙波長激光器，其特征在于包括調(diào)Q和鎖模元件，產(chǎn)生ns和ps級(jí)的調(diào)Q和鎖模激光。
7.如權(quán)利要求1所述的新型的正交偏振雙波長激光器，其特征在于包括腔內(nèi)或腔外光路上放置的非線性光學(xué)晶體，產(chǎn)生和頻激光或差頻激光。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種新型的正交偏振雙波長激光器，能實(shí)現(xiàn)波長相近的水平偏振的波長一和垂直偏振的波長二正交偏振雙波長激光均由同一輸出耦合鏡同時(shí)同光路輸出，屬于光電子器件領(lǐng)域。該激光器包括各向異性的摻釹激光晶體；用于泵浦所述激光晶體以使所述激光晶體中的激活離子(Nd3+離子)形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的泵浦系統(tǒng)；以及激活離子躍遷發(fā)射水平偏振的波長一和垂直偏振的波長二雙波長輻射在其中諧振的光學(xué)諧振腔。正交偏振雙波長激光器提供一種新型的激光光源，為獲得高功率、高相干和頻或差頻(THz輻射波)激光提供新的技術(shù)途徑，能夠拓展雙波長激光的應(yīng)用，在非線性頻率轉(zhuǎn)換、光纖通信等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景和使用價(jià)值。
文檔編號(hào)H01S3/16GK102468600SQ201110242659
公開日2012年5月23日 申請日期2011年8月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月18日
發(fā)明者張戈, 朱海永, 魏勇, 黃凌雄, 黃呈輝 申請人:中國科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所