一種使用二次曲面鏡的高功率窄線寬可調(diào)諧激光器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種使用二次曲面鏡的高功率窄線寬可調(diào)諧激光器，涉及激光【技術(shù)領(lǐng)域】。本發(fā)明包括RBG、光柵轉(zhuǎn)臺(tái)、準(zhǔn)直器、增益介質(zhì)、輸出耦合鏡、二向色鏡、泵浦源、平面全反鏡和二次曲面鏡；RBG固定在光柵轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)軸上；RBG的法線與光柵轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)軸垂直；光柵轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)軸與二次曲面鏡的焦點(diǎn)軸重合；平面全反鏡的法線與光柵轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)軸垂直，與二次曲面鏡的軸線平行；二向色鏡與水平方向呈45°角；泵浦源發(fā)射的泵浦光依次通過二向色鏡、輸出耦合鏡、增益介質(zhì)進(jìn)入準(zhǔn)直器，準(zhǔn)直器輸出的準(zhǔn)直光與RBG的光柵轉(zhuǎn)軸共面，并且準(zhǔn)直光的方向與光柵轉(zhuǎn)軸垂直。采用RBG作為選頻元件，搭配全反鏡組合裝置，達(dá)到高功率、窄線寬、可調(diào)諧的目的。
【專利說明】—種使用二次曲面鏡的高功率窄線寬可調(diào)諧激光器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及激光【技術(shù)領(lǐng)域】，具體是一種使用二次曲面鏡的高功率窄線寬可調(diào)諧激光器。
【背景技術(shù)】
[0002]高功率窄線寬可調(diào)諧激光器主要應(yīng)用于相干并束、相干檢測(cè)、相干光通信、諧波產(chǎn)生、重力波探測(cè)等，目前已廣泛應(yīng)用于外差傳感、光譜探測(cè)、大氣監(jiān)測(cè)、光通信等領(lǐng)域。這些應(yīng)用不僅需要較高的激光功率，而且要求激光具有比較窄的光譜帶寬，較高的波長(zhǎng)穩(wěn)定性。
[0003]高功率可調(diào)諧激光器，目前廣泛采用的腔體結(jié)構(gòu)由平面衍射光柵和高反鏡組成。平面衍射光柵作為選頻元件，常作為端反鏡，通過改變光柵法線與諧振腔軸線的夾角(入射角)實(shí)現(xiàn)激光頻率的調(diào)諧。要實(shí)現(xiàn)高功率可調(diào)諧激光器的窄線寬輸出，目前采取的方案主要有兩種:1、光柵的入射角為掠入射；2、通過加大平面光柵的尺寸，在諧振腔內(nèi)假如擴(kuò)束鏡，從而提高光柵的分辨率。進(jìn)一步壓縮帶寬的方法可以是把兩個(gè)或多個(gè)平面光柵進(jìn)行組合，利用它們反射光譜的重疊來實(shí)現(xiàn)窄線寬輸出。但這種方法無(wú)疑會(huì)使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜化、諧振腔損耗更大(單個(gè)平面閃耀光柵的衍射效率往往只能達(dá)到飛0%)，進(jìn)一步將導(dǎo)致輸出功率下降。除此之外，多平面光柵結(jié)構(gòu)的窄線寬可調(diào)諧激光器體積較大、封裝困難，穩(wěn)定性不高。
[0004]構(gòu)建高功率窄線寬可調(diào)諧激光器，體布拉格光柵替代傳統(tǒng)的平面光柵可以很好地解決系統(tǒng)體積龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、光柵插入損耗較大等問題，同時(shí)可提供帶寬小于0.5nm的激光輸出(Laser Phys Lett.2010(6): 450-453，Opt.Express 2008(16): 9507-9512，Opt.Lett.2008(22): 1204-1206)。作為一種新型的選頻元件，反射式體布拉格光柵(RBG)絕對(duì)衍射效率超過99% ;光柵損耗小于2.5% ;光譜選擇最低可達(dá)20pm，角度選擇最低可達(dá)100μ rad ;溫度穩(wěn)定性達(dá)400°C,在近紅外區(qū)對(duì)連續(xù)激光照射的耐受性高達(dá)每平方厘米數(shù)萬(wàn)瓦。因此，反射式體布拉格光柵是一種非常理想的高功率窄線寬可調(diào)諧激光器的選頻器件，最近幾年在激光系統(tǒng)中的應(yīng)用吸引了越來越多激光工作人員的關(guān)注。(作為波長(zhǎng)選擇和光譜窄化元件，體布拉格光柵目前已被應(yīng)用于半導(dǎo)體激光器，光學(xué)參量振蕩器和固體激光器的窄線寬輸出方面)
因此，基于體布拉格光柵，設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)緊湊、性能優(yōu)越的高功率窄線寬可調(diào)諧激光器具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。但是，在使用R B G進(jìn)行波長(zhǎng)調(diào)諧的過程中發(fā)現(xiàn)，輸出光束的方向會(huì)隨著光柵轉(zhuǎn)動(dòng)而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，這給實(shí)際使用帶來了新的麻煩。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的是提供一種使用二次曲面鏡的高功率窄線寬可調(diào)諧激光器，不僅能夠?qū)挿秶牟ㄩL(zhǎng)調(diào)諧，而且輸出激光穩(wěn)定、光譜帶寬可始終小于0.5nm，整個(gè)調(diào)諧過程僅需轉(zhuǎn)動(dòng)光柵轉(zhuǎn)臺(tái)即可完成。
[0006]本發(fā)明是以如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:一種使用二次曲面鏡的高功率窄線寬可調(diào)諧激光器，包括反射式體布拉格光柵、光柵轉(zhuǎn)臺(tái)、準(zhǔn)直器、增益介質(zhì)、輸出I禹合鏡、二向色鏡、泵浦源、平面全反鏡和二次曲面鏡；所述的反射式體布拉格光柵固定在光柵轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)軸上；反射式體布拉格光柵的法線與光柵轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)軸垂直；光柵轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)軸與二次曲面鏡的焦點(diǎn)軸重合；平面全反鏡的法線與光柵轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)軸垂直，與二次曲面鏡的軸線平行；二向色鏡與水平方向呈45°角；泵浦源發(fā)射的泵浦光依次通過二向色鏡、輸出耦合鏡、增益介質(zhì)進(jìn)入準(zhǔn)直器，準(zhǔn)直器輸出的準(zhǔn)直光與反射式體布拉格光柵的光柵轉(zhuǎn)軸共面，并且準(zhǔn)直光的方向與光柵轉(zhuǎn)軸垂直；反射式體布拉格光柵的光譜選擇最低可達(dá)20pm、角度選擇最低可達(dá)100 μ rad、絕對(duì)衍射效率超過99%、光柵損耗小于2.5%、同時(shí)溫度穩(wěn)定性達(dá)400°C，在近紅外區(qū)對(duì)連續(xù)激光的耐受性高達(dá)每平方厘米數(shù)萬(wàn)瓦；所述的反射式體布拉格光柵、光柵轉(zhuǎn)臺(tái)和二次曲面鏡構(gòu)成激光器的光柵選頻結(jié)構(gòu)，放在激光器的內(nèi)部或外部。
[0007]本發(fā)明的有益效果是:
1、能夠保證在聞功率調(diào)諧運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中，光譜帶覽始終小于0.5nm ；
2、在整個(gè)功率調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，具有較高的效率、輸出波長(zhǎng)穩(wěn)定、可重復(fù)性好；
3、體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、抗干擾能力強(qiáng)、調(diào)諧精度高，整個(gè)調(diào)諧過程僅需對(duì)光柵轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，操作簡(jiǎn)單便捷。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]圖1是本發(fā)明的一種結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是本發(fā)明的另一種結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0009]一種使用二次曲面鏡的高功率窄線寬可調(diào)諧激光器包括反射式體布拉格光柵1、光柵轉(zhuǎn)臺(tái)2、準(zhǔn)直器3、增益介質(zhì)4、輸出耦合鏡5、二向色鏡6、泵浦源7、二次曲面鏡8和平面全反鏡9 ;所述的反射式體布拉格光柵I固定在光柵轉(zhuǎn)臺(tái)2的旋轉(zhuǎn)軸上；反射式體布拉格光柵I的法線與光柵轉(zhuǎn)臺(tái)2的旋轉(zhuǎn)軸垂直；光柵轉(zhuǎn)臺(tái)2的旋轉(zhuǎn)軸與二次曲面鏡8的焦點(diǎn)軸重合；所述的二次曲面鏡8為圓柱面曲面全反鏡，如圖1 ;或拋物柱曲面全反鏡，如圖2。平面全反鏡9的法線與光柵轉(zhuǎn)臺(tái)2的旋轉(zhuǎn)軸垂直，與二柱曲面曲面鏡的曲面橫截面平行或者與拋物柱曲面橫截面的拋物線的對(duì)稱軸平行；二向色鏡6與水平方向呈45°角；泵浦源7發(fā)射的泵浦光依次通過二向色鏡6、輸出耦合鏡5、增益介質(zhì)4進(jìn)入準(zhǔn)直器3，準(zhǔn)直器3輸出的準(zhǔn)直光與反射式體布拉格光柵的光柵轉(zhuǎn)軸共面，并且準(zhǔn)直光的方向與光柵轉(zhuǎn)軸垂直。在圖1和圖2的結(jié)構(gòu)中，激光被反射垂直照射在平面全反鏡，經(jīng)反射原路返回。
[0010]所述的光柵轉(zhuǎn)臺(tái)2可以由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，或由微機(jī)電系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)；
所述的準(zhǔn)直器3為球面鏡或非球面鏡或透鏡組合。
[0011]所述的增益介質(zhì)4為固體增益介質(zhì)或氣體增益介質(zhì)或液體增益介質(zhì)或半導(dǎo)體激光器。
[0012]所述的輸出耦合鏡5是平面鏡、或者是平凹鏡、或者是柱面鏡。
[0013]所述的泵浦源7的泵浦方式是端面泵浦或側(cè)面泵浦。
[0014]其中，反射式體布拉格光柵I在諧振腔中起濾波選頻的作用，在諧振腔中接收準(zhǔn)直器3輸出的平行入射光，反射輸出窄線寬選頻激光。準(zhǔn)直器3在諧振腔中作用是將腔內(nèi)激光準(zhǔn)直，盡可能降低腔內(nèi)激光在反射式體布拉格光柵I處的發(fā)散角，提高反射式體布拉格光柵I的選頻精度。圓二次曲面鏡與平面全反鏡組合或者拋物二次曲面鏡與平面全反鏡組合，在本諧振腔中的作用是解決輸出光束的方向隨著光柵轉(zhuǎn)動(dòng)而發(fā)生偏轉(zhuǎn)的問題，在光柵轉(zhuǎn)動(dòng)的方向上，即頻率調(diào)諧的自由度上將從反射式體布拉格光柵I得到的選頻光按照入射光的路線使其原路返回，使諧振腔形成振蕩。由于反射式體布拉格光柵I優(yōu)異的選頻特性以及本發(fā)明針對(duì)反射式體布拉格光柵所設(shè)計(jì)的諧振腔結(jié)構(gòu)，本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)高功率、窄線寬、寬調(diào)諧激光運(yùn)轉(zhuǎn)。
[0015]本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)高功率、窄線寬、寬調(diào)諧激光運(yùn)轉(zhuǎn)的原因主要有三點(diǎn):1、反射式體布拉格光柵(RBG)絕對(duì)衍射效率超過99%、光柵損耗小于2.5%、同時(shí)溫度穩(wěn)定性達(dá)400°C、在近紅外區(qū)對(duì)連續(xù)激光的耐受性高達(dá)每平方厘米數(shù)萬(wàn)瓦，因此適于高功率激光高效運(yùn)轉(zhuǎn)；
2、通過RBG的設(shè)計(jì),光柵的光譜選擇最低可達(dá)20pm、角度選擇最低可達(dá)100 μ rad,因此該激光器可實(shí)現(xiàn)窄線寬輸出；3、本發(fā)明設(shè)計(jì)了針對(duì)RBG進(jìn)行選頻的結(jié)構(gòu)，較好的解決了輸出光束方向隨光柵轉(zhuǎn)動(dòng)而發(fā)生偏轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，整個(gè)激光波長(zhǎng)可調(diào)諧過程僅需轉(zhuǎn)動(dòng)光柵轉(zhuǎn)臺(tái)即可完成，操作簡(jiǎn)單靈活。
[0016]工作流程:增益介質(zhì)受泵浦光激發(fā)，吸收泵浦能量形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，產(chǎn)生受激輻射，通過諧振腔振蕩放大形成穩(wěn)定的激光。其中形成窄線寬的過程可描述為:諧振腔形成激光振蕩，腔內(nèi)產(chǎn)生的激光鏡準(zhǔn)直器3準(zhǔn)直,假設(shè)以6角(入射光與反射式體布拉格光柵法線的夾角)入射到反射式體布拉格光柵I表面，由于反射式體布拉格光柵I的波長(zhǎng)的選擇特性，滿足、反射式體布拉格光柵I選頻條件的激光被窄化后反射到二次曲面鏡組合。根據(jù)幾何圖形的特征，經(jīng)過圓二次曲面鏡與平面全反鏡或者拋物二次曲面鏡與平面全反鏡反射的激光將按照入射光的路線原路返回，在諧振腔中形成振蕩，最終與反射式體布拉格光柵入射角相匹配的選頻光的到放大，其他受激輻射產(chǎn)生的激光被抑制。由于反射式體布拉格光柵的選頻帶寬非常小，因此配合本發(fā)明所涉及的諧振腔結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)高功率窄線寬可調(diào)諧激光運(yùn)轉(zhuǎn)。
[0017]本實(shí)施例中，反射式體布拉格光柵I的法線、光柵轉(zhuǎn)臺(tái)2和二次曲面鏡8構(gòu)成激光器的光柵選頻結(jié)構(gòu)，放在激光器的內(nèi)部，通過內(nèi)腔選頻的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)激光波長(zhǎng)的調(diào)諧，構(gòu)成可實(shí)現(xiàn)高功率、窄線寬、寬調(diào)諧的內(nèi)腔光柵可調(diào)諧激光器。
[0018]光柵選頻結(jié)構(gòu)也可以放在激光器的外部，通過外腔選頻的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)激光波長(zhǎng)的調(diào)諧，構(gòu)成可實(shí)現(xiàn)高功率、窄線寬、寬調(diào)諧的外腔光柵可調(diào)諧激光器。
【權(quán)利要求】
1.一種使用二次曲面鏡的高功率窄線寬可調(diào)諧激光器，其特征在于:包括反射式體布拉格光柵(I)、光柵轉(zhuǎn)臺(tái)(2)、準(zhǔn)直器(3)、增益介質(zhì)(4)、輸出耦合鏡(5)、二向色鏡(6)、泵浦源(7)、二次曲面鏡(8)和平面全反鏡(9);所述的反射式體布拉格光柵(I)固定在光柵轉(zhuǎn)臺(tái)(2)的旋轉(zhuǎn)軸上；反射式體布拉格光柵(I)的法線與光柵轉(zhuǎn)臺(tái)(2)的旋轉(zhuǎn)軸垂直；光柵轉(zhuǎn)臺(tái)(2)的旋轉(zhuǎn)軸與二次曲面鏡(8)的焦點(diǎn)軸重合；平面全反鏡(9)的法線與光柵轉(zhuǎn)臺(tái)(2)的旋轉(zhuǎn)軸垂直，與二次曲面鏡的軸線平行；二向色鏡(6)與水平方向呈45°角；泵浦源(7)發(fā)射的泵浦光依次通過二向色鏡(6)、輸出耦合鏡(5)、增益介質(zhì)(4)進(jìn)入準(zhǔn)直器(3)，準(zhǔn)直器(3)輸出的準(zhǔn)直光與RBG的光柵轉(zhuǎn)軸共面，并且準(zhǔn)直光的方向與光柵轉(zhuǎn)軸垂直；所述的反射式體布拉格光柵的光譜選擇最低可達(dá)20pm、角度選擇最低可達(dá)100 μ rad、絕對(duì)衍射效率超過99%、光柵損耗小于2.5%、同時(shí)溫度穩(wěn)定性達(dá)400°C，在近紅外區(qū)對(duì)連續(xù)激光的耐受性高達(dá)每平方厘米數(shù)萬(wàn)瓦；所述的反射式體布拉格光柵(I)、光柵轉(zhuǎn)臺(tái)(2)和二次曲面鏡(8)構(gòu)成激光器的光柵選頻結(jié)構(gòu)，放在激光器的內(nèi)部或外部。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種使用二次曲面鏡的高功率窄線寬可調(diào)諧激光器，其特征在于:所述的準(zhǔn)直器(3)為球面鏡或非球面鏡或透鏡組合。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種使用二次曲面鏡的高功率窄線寬可調(diào)諧激光器，其特征在于:所述的增益介質(zhì)(4)為固體增益介質(zhì)或氣體增益介質(zhì)或液體增益介質(zhì)或半導(dǎo)體激光器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種使用二次曲面鏡的高功率窄線寬可調(diào)諧激光器，其特征在于:所述的輸出耦合鏡(5)是平面鏡、或者是平凹鏡、或者是柱面鏡。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種使用二次曲面鏡的高功率窄線寬可調(diào)諧激光器，其特征在于:所述的泵浦源(7)的泵浦方式是端面泵浦或側(cè)面泵浦。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種使用二次曲面鏡的高功率窄線寬可調(diào)諧激光器，其特征在于:所述的二次曲面鏡(8)為圓柱面曲面全反鏡或拋物柱曲面全反鏡。
【文檔編號(hào)】H01S3/105GK103794978SQ201410017838
【公開日】2014年5月14日 申請(qǐng)日期:2014年1月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月15日
【發(fā)明者】陳浩, 王利, 沈德元, 黃海濤, 劉曉蘭 申請(qǐng)人:江蘇師范大學(xué)