連續(xù)可調(diào)諧單頻鈦寶石激光器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種連續(xù)可調(diào)諧單頻鈦寶石激光器，包括泵浦源（3)、鈦寶石晶體（2)、激光諧振腔、單向器、雙折射濾波片（4)、標(biāo)準(zhǔn)具（5)以及壓電陶瓷（14);在構(gòu)成激光諧振腔的第三平凹鏡（11)和第四平凹鏡（12)之間插入非線性晶體(1)，所述的非線性晶體（1)是加工成兩通光面不平行的光學(xué)晶體或者是以布儒斯特角放置在光路中的光學(xué)晶體；而且所述的非線性晶體（1)是以臨界位相匹配或非臨界位相匹配方式實(shí)現(xiàn)激光器基頻光的二次諧波產(chǎn)生。本發(fā)明使基頻光主振蕩模所經(jīng)受的非線性損耗是非振蕩模的一半，有效抑制基頻光非振蕩模起振，使激光器在有效的增益帶寬內(nèi)實(shí)現(xiàn)頻率的連續(xù)可調(diào)諧。該激光器結(jié)構(gòu)緊湊，操作方便。
【專利說(shuō)明】連續(xù)可調(diào)諧單頻鈦寶石激光器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及鈦寶石激光器，具體屬于一種能在較寬范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)頻率連續(xù)調(diào)諧的高 穩(wěn)定性單頻鈦寶石激光器。

【背景技術(shù)】
[0002] 摻鈦藍(lán)寶石激光器的輸出激光光譜覆蓋了 700-1000nm的紅光和近紅外波段，是 迄今為止調(diào)諧范圍最寬的固體激光器。作為原子冷卻與原子俘獲的優(yōu)質(zhì)光源，連續(xù)單頻 可調(diào)諧鈦寶石激光器在冷原子物理以及量子光學(xué)等領(lǐng)域發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。其中 780nm和795nm激光波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)于銣原子躍遷線，可以用來(lái)俘獲銣原子并將之冷卻；同時(shí)，利 用波長(zhǎng)為780nm的激光作為泵浦光，通過(guò)0P0技術(shù)還可獲得1560nm糾纏源，它位于光通信 的第三個(gè)窗口，與當(dāng)前的通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)匹配兼容，可用于量子保密通信的研究。
[0003] 1988年，Schulz利用氬離子激光器作為泵浦源獲得了鈦寶石激光器的連續(xù)單頻 運(yùn)轉(zhuǎn)，其波長(zhǎng)調(diào)諧范圍為：750-850nm。1991年，Harrison等利用腔內(nèi)倍頻的Nd:YAG激光 器作為泵浦源獲得了 150mW的鈦寶石激光輸出，首次實(shí)現(xiàn)了全固化的鈦寶石激光器。隨后， 隨著泵浦源的功率不斷提高，連續(xù)單頻鈦寶石激光器主要向高功率，高穩(wěn)定性，寬調(diào)諧范圍 等方向發(fā)展。這些早期對(duì)鈦寶石激光器的研究很少關(guān)注激光器的連續(xù)調(diào)諧特性。隨著冷原 子物理的興起和發(fā)展，鈦寶石激光器的連續(xù)調(diào)諧能力開(kāi)始受到了人們的關(guān)注。到目前為止， 市面上已經(jīng)有幾種連續(xù)單頻可調(diào)諧鈦寶石激光器供科技工作者選擇。最具代表性的是美國(guó) 相干公司生產(chǎn)的MBR系列鈦寶石激光器和光譜物理公司生產(chǎn)的Matisse系列可調(diào)諧鈦寶石 激光器。還有俄羅斯Tekhnoscan推出的TiS-SF-007以及英國(guó)M Square Lasers公司生 產(chǎn)的SolsTiS系列鈦寶石激光器。這些鈦寶石激光器為了實(shí)現(xiàn)頻率連續(xù)調(diào)諧，均需要將諧 振腔內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)具的透射峰鎖定在激光器的工作頻率上，使得激光器在進(jìn)行頻率連續(xù)掃描的時(shí) 候，腔內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)具的透射峰始終與激光器的工作頻率相對(duì)應(yīng)而不發(fā)生跳?，F(xiàn)象。標(biāo)準(zhǔn)具鎖定 環(huán)路的存在不僅增加了激光器的成本，而且使激光器在調(diào)試和使用過(guò)程中有相當(dāng)難度。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明目的在于克服現(xiàn)有連續(xù)可調(diào)諧鈦寶石激光器存在的缺點(diǎn)，提供一種調(diào)試和 操作簡(jiǎn)單，便于實(shí)現(xiàn)而且能滿足實(shí)驗(yàn)室需求的具有一定調(diào)諧范圍的高穩(wěn)定性全固態(tài)連續(xù)可 調(diào)諧單頻鈦寶石激光器。該激光器在保證激光器單頻運(yùn)轉(zhuǎn)和有一定的頻率連續(xù)調(diào)諧范圍的 基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)和使用更加方便簡(jiǎn)單。
[0005] 本發(fā)明所提供的一種連續(xù)可調(diào)諧單頻鈦寶石激光器，包括泵浦源、鈦寶石晶體、由 四個(gè)平凹鏡和兩個(gè)平面鏡組成的激光諧振腔、單向器、粗調(diào)諧元件雙折射濾波片、細(xì)調(diào)諧元 件標(biāo)準(zhǔn)具以及精調(diào)諧元件腔鏡上的壓電陶瓷，在構(gòu)成激光諧振腔的第三平凹鏡和第四平凹 鏡之間插入非線性晶體，所述的非線性晶體是加工成兩通光面不平行的光學(xué)晶體或者是以 布儒斯特角放置在光路中的光學(xué)晶體；而且所述的非線性晶體是以臨界位相匹配或非臨界 位相匹配方式實(shí)現(xiàn)激光器基頻光的二次諧波產(chǎn)生。
[0006] 本發(fā)明利用在諧振腔內(nèi)插入非線性晶體，使得激光器的振蕩模所經(jīng)受的非線性損 耗是非振蕩模的一半而使激光器在非線性晶體的光譜接受帶寬內(nèi)實(shí)現(xiàn)激光器的頻率連續(xù) 調(diào)諧；取代了之前通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)具鎖定實(shí)現(xiàn)激光器的連續(xù)調(diào)諧，從而實(shí)現(xiàn)高調(diào)諧精度、高穩(wěn)定性 的連續(xù)可調(diào)諧鈦寶石激光器。以ΒΙΒ0晶體為例，當(dāng)連續(xù)鈦寶石激光器的工作波長(zhǎng)為795nm 時(shí)，BIBO晶體采用I類臨界相位匹配方式切割（Θ = 90°，φ=157° )，便可將795nm的基頻 光變換到倍頻光397. 5nm。假如諧振腔內(nèi)有兩個(gè)模λ ρ λ」同時(shí)起振，強(qiáng)度分別為I ( λ J 和Ι(λρ。二者在增益譜內(nèi)相距很近，基頻光經(jīng)過(guò)非線性晶體作用后，模λρ λ』所經(jīng)受 的非線性損耗分別為 zLossdi) =1^1(1)2+21^1(1)1(1.)和 L〇SS(lj) =1^1(1/+21^1(10 1(1」），這樣，我們就可以知道模λρ λ」所經(jīng)受的相對(duì)非線性損耗分別為= klaj+Skia」.）和 lossd」.）=1^1(1」.)+21^1(1)。當(dāng) 1(入）》1(入」.）時(shí)，可以得到：21088(1) =loss (ip。也就是說(shuō)，主振蕩模所經(jīng)受的非線性損耗是次模的一半，從而使得次模難以起 振，進(jìn)而激光器可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的單縱模運(yùn)轉(zhuǎn)。這個(gè)結(jié)果適合于激光器有效增益帶寬內(nèi)的所 有振蕩模，因此，在激光器的有效增益帶寬內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)激光器的頻率連續(xù)調(diào)諧。
[0007] 所述的鈦寶石晶體是加工成兩通光面不平行的光學(xué)晶體或者是以布儒斯特角放 置在光路中的光學(xué)晶體。
[0008] 所述的泵浦源的輸出波長(zhǎng)為400-600nm，優(yōu)選532nm。
[0009] 所述的泵浦源的泵浦方式是端面泵浦。
[0010] 所述的單向器是由外加磁場(chǎng)的磁致旋光晶體和自然旋光晶體組成的寬帶光學(xué)單 向器。
[0011] 所述的非線性晶體的材料是BIBO、ΒΒ0、LB0或PPKTP。
[0012] 所述的粗調(diào)諧元件雙折射濾波片是由厚度成一定比例的石英晶體片組成。雙折射 濾波片的存在不僅能實(shí)現(xiàn)激光器的頻率粗調(diào)諧，而且能壓窄激光器的線寬。雙折射濾波片 的自由光譜區(qū)由最薄一片的厚度決定，而雙折射濾波片的透射峰寬度則由最厚一片決定。
[0013] 所述的細(xì)調(diào)諧元件標(biāo)準(zhǔn)具是加工成通光面相互平行的光學(xué)晶體薄片。通過(guò)改變其 在光路中放置的角度或改變其工作溫度可以實(shí)現(xiàn)激光器的頻率細(xì)調(diào)諧。
[0014] 所述的壓電陶瓷與諧振腔腔鏡粘接在一起，通過(guò)掃描壓電陶瓷的電壓可以實(shí)現(xiàn)激 光器諧振腔腔長(zhǎng)的改變，最終實(shí)現(xiàn)激光器的頻率連續(xù)精確調(diào)諧。
[0015] 本發(fā)明所設(shè)計(jì)的連續(xù)可調(diào)諧鈦寶石激光器與已報(bào)道的同類激光器相比較有以下 優(yōu)點(diǎn)：
[0016] 1、利用在諧振腔內(nèi)引入非線性晶體的方法實(shí)現(xiàn)了激光器的穩(wěn)定單頻運(yùn)轉(zhuǎn)，有效克 服了多模和跳模現(xiàn)象的發(fā)生。
[0017] 2、非線性晶體的存在使得激光器不需要腔內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)具鎖定就可以實(shí)現(xiàn)激光器的頻 率連續(xù)調(diào)諧。
[0018] 3、非線性晶體的引入可以有效抑制激光器的弛豫振蕩頻率處及其以下頻率段的 強(qiáng)度噪聲。
[0019] 4、不需要在諧振腔內(nèi)插入額外的光學(xué)元件，只是通過(guò)掃描腔鏡上的壓電陶瓷實(shí)現(xiàn) 激光器的頻率連續(xù)調(diào)諧，降低了激光器的腔內(nèi)損耗，提高了激光器的轉(zhuǎn)化效率。
[0020] 總之，本發(fā)明通過(guò)引入非線性晶體的方法獲得了能單頻運(yùn)轉(zhuǎn)的可調(diào)諧鈦寶石激光 器。該激光器具有頻率連續(xù)可調(diào)，穩(wěn)定單頻運(yùn)轉(zhuǎn)以及低強(qiáng)度噪聲等特點(diǎn)，因而在實(shí)際使用中 具有極高的應(yīng)用價(jià)值。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0021] 圖1本發(fā)明的一種連續(xù)可調(diào)諧單頻鈦寶石激光器光路圖，圖中：1_非線性晶體， 2-鈦寶石晶體，3-泵浦源，4-雙折射濾波片，5-標(biāo)準(zhǔn)具，6-磁致旋光晶體，7-自然旋光 晶體，8-第一平凹鏡，9-第二平凹鏡，11-第三平凹鏡，12-第四平凹鏡，10-第一平面鏡， 13-第二平面鏡，14-壓電陶瓷。
[0022] 圖2雙折射濾波片的調(diào)諧實(shí)驗(yàn)結(jié)果
[0023] 圖3標(biāo)準(zhǔn)具的調(diào)諧實(shí)驗(yàn)結(jié)果
[0024] 圖4壓電陶瓷的調(diào)諧實(shí)驗(yàn)結(jié)果

【具體實(shí)施方式】
[0025] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說(shuō)明：
[0026] 圖1為本發(fā)明所設(shè)計(jì)的一種連續(xù)可調(diào)諧單頻鈦寶石激光器。泵浦源3發(fā)出的激光 經(jīng)耦合系統(tǒng)整形聚焦后入射到放置在六鏡環(huán)形諧振腔中的增益介質(zhì)鈦寶石晶體2上。泵浦 源3的發(fā)射光的中心波長(zhǎng)為532nm，而且泵浦源3發(fā)射激光的線偏振方向是水平偏振，滿足 了增益介質(zhì)鈦寶石晶體2對(duì)泵浦光偏振吸收的需求。諧振腔采用六鏡環(huán)行諧振腔結(jié)構(gòu)，由 四個(gè)平凹鏡（第一平凹鏡8、第二平凹鏡9、第三平凹鏡11、第四平凹鏡12)和兩個(gè)平面鏡 (第一平面鏡10、第二平面鏡13)構(gòu)成。第一平凹鏡8鍍有對(duì)泵浦光增透，對(duì)振蕩光高反 膜；第二平凹鏡9和第一平面鏡10鍍有對(duì)振蕩光高反膜；第三平凹鏡11和第四平凹鏡12 鍍有對(duì)振蕩光高反膜和倍頻光增透膜；第二平面鏡13對(duì)振蕩光的透射率為2. 95%。所述 的增益介質(zhì)鈦寶石晶體2放置在第一平凹鏡8和第二平凹鏡9之間，其兩端面均布儒斯特 角（60.4° )切割，c軸垂直于晶體中的通光方向，以使π偏振泵浦光和振蕩光幾乎無(wú)損耗 地透射，同時(shí)自動(dòng)抑制σ偏振。所述的非線性晶體1是ΒΙΒ0晶體，兩端面同樣以布儒斯特 角切割。ΒΙΒ0晶體采用I類臨界相位匹配方式切割（Θ = 90°，φ=157° )，將795nm的基 頻光變換為倍頻光397. 5nm。激光諧振腔內(nèi)的由外加磁場(chǎng)的磁致旋光晶體6和自然旋光晶 體7組成的寬帶光學(xué)單向器迫使激光器單向運(yùn)轉(zhuǎn)。非線性晶體ΒΙΒ0引入了非線性損耗，從 而有效地抑制了非振蕩模起振，進(jìn)而獲得穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的連續(xù)單頻鈦寶石激光器。
[0027] 鈦寶石激光器的頻率調(diào)諧裝置由粗調(diào)諧元件雙折射濾波片4、細(xì)調(diào)諧元件標(biāo)準(zhǔn)具 5和精調(diào)諧元件壓電陶瓷14組成。雙折射濾波片4由三片光軸平行、厚度比例為1 : 2 : 4的石英晶體材料制成。
[0028] 在激光器正常工作后，通過(guò)調(diào)整粗調(diào)諧元件雙折射濾波片4的光軸與入射光偏振 方向之間的角度實(shí)現(xiàn)激光器頻率的粗略調(diào)諧，調(diào)諧結(jié)果見(jiàn)圖2。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)旋轉(zhuǎn)細(xì)調(diào) 諧元件標(biāo)準(zhǔn)具5與入射光之間的角度實(shí)現(xiàn)激光器的頻率細(xì)調(diào)諧，調(diào)諧結(jié)果見(jiàn)圖3 ;最后，通 過(guò)掃描與腔鏡相連的壓電陶瓷14進(jìn)而連續(xù)改變諧振腔腔長(zhǎng)，最終實(shí)現(xiàn)激光器的頻率精調(diào) 諧及連續(xù)調(diào)諧，調(diào)諧結(jié)果見(jiàn)圖4。在粗調(diào)諧元件雙折射濾波片4、細(xì)調(diào)諧元件標(biāo)準(zhǔn)具5和精 調(diào)諧元件壓電陶瓷14的共同作用下，鈦寶石激光器實(shí)現(xiàn)了頻率的精確連續(xù)調(diào)諧。
【權(quán)利要求】
1. 一種連續(xù)可調(diào)諧單頻鈦寶石激光器，包括泵浦源（3)、鈦寶石晶體（2)、由四個(gè)平凹 鏡和兩個(gè)平面鏡組成的激光諧振腔、單向器、雙折射濾波片（4)、標(biāo)準(zhǔn)具（5)以及壓電陶瓷 (14)，其特征在于在構(gòu)成激光諧振腔的第三平凹鏡（11)和第四平凹鏡（12)之間插入非線 性晶體（1)，所述的非線性晶體（1)是加工成兩通光面不平行的光學(xué)晶體或者是以布儒斯 特角放置在光路中的光學(xué)晶體；而且所述的非線性晶體（1)是以臨界位相匹配或非臨界位 相匹配方式實(shí)現(xiàn)激光器基頻光的二次諧波產(chǎn)生。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的連續(xù)可調(diào)諧鈦寶石激光器，其特征在于所述的鈦寶石晶體 (2)是加工成兩通光面不平行的光學(xué)晶體或者是以布儒斯特角放置在光路中的光學(xué)晶體。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的連續(xù)可調(diào)諧鈦寶石激光器，其特征在所述的泵浦源（3) 的輸出波長(zhǎng)為400-600nm。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的連續(xù)可調(diào)諧鈦寶石激光器，其特征在所述的泵浦源（3)的輸 出波長(zhǎng)為532nm。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的連續(xù)可調(diào)諧鈦寶石激光器，其特征在于所述的泵浦源（3)的 泵浦方式是端面泵浦。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的連續(xù)可調(diào)諧鈦寶石激光器，其特征在于所述的單向器是由外 加磁場(chǎng)的磁致旋光晶體（6)和自然旋光晶體（7)組成的寬帶光學(xué)單向器。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的連續(xù)可調(diào)諧鈦寶石激光器，其特征在于所述的非線性晶體 (1)的材料是 BIBO、BBO、LBO 或 PPKTP。
【文檔編號(hào)】H01S3/109GK104218444SQ201410486214
【公開(kāi)日】2014年12月17日 申請(qǐng)日期:2014年9月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月22日
【發(fā)明者】盧華東, 孫雪俊, 王美紅, 石柱, 蘇靜, 彭堃墀 申請(qǐng)人:山西大學(xué)