一種使用二次曲面鏡的高功率窄線寬可調諧激光器的制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種使用二次曲面鏡的高功率窄線寬可調諧激光器，涉及激光【技術領域】。本發明包括RBG、光柵轉臺、準直器、增益介質、輸出耦合鏡、二向色鏡、泵浦源、平面全反鏡和二次曲面鏡；RBG固定在光柵轉臺的旋轉軸上；RBG的法線與光柵轉臺的旋轉軸垂直；光柵轉臺的旋轉軸與二次曲面鏡的焦點軸重合；平面全反鏡的法線與光柵轉臺的旋轉軸垂直，與二次曲面鏡的軸線平行；二向色鏡與水平方向呈45°角；泵浦源發射的泵浦光依次通過二向色鏡、輸出耦合鏡、增益介質進入準直器，準直器輸出的準直光與RBG的光柵轉軸共面，并且準直光的方向與光柵轉軸垂直。采用RBG作為選頻元件，搭配全反鏡組合裝置，達到高功率、窄線寬、可調諧的目的。
【專利說明】—種使用二次曲面鏡的高功率窄線寬可調諧激光器
【技術領域】
[0001]本發明涉及激光【技術領域】，具體是一種使用二次曲面鏡的高功率窄線寬可調諧激光器。
【背景技術】
[0002]高功率窄線寬可調諧激光器主要應用于相干并束、相干檢測、相干光通信、諧波產生、重力波探測等，目前已廣泛應用于外差傳感、光譜探測、大氣監測、光通信等領域。這些應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，較高的波長穩定性。
[0003]高功率可調諧激光器，目前廣泛采用的腔體結構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)實現激光頻率的調諧。要實現高功率可調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，在諧振腔內假如擴束鏡，從而提高光柵的分辨率。進一步壓縮帶寬的方法可以是把兩個或多個平面光柵進行組合，利用它們反射光譜的重疊來實現窄線寬輸出。但這種方法無疑會使系統結構復雜化、諧振腔損耗更大(單個平面閃耀光柵的衍射效率往往只能達到飛0%)，進一步將導致輸出功率下降。除此之外，多平面光柵結構的窄線寬可調諧激光器體積較大、封裝困難，穩定性不高。
[0004]構建高功率窄線寬可調諧激光器，體布拉格光柵替代傳統的平面光柵可以很好地解決系統體積龐大、結構復雜、光柵插入損耗較大等問題，同時可提供帶寬小于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)絕對衍射效率超過99% ;光柵損耗小于2.5% ;光譜選擇最低可達20pm，角度選擇最低可達100μ rad ;溫度穩定性達400°C,在近紅外區對連續激光照射的耐受性高達每平方厘米數萬瓦。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諧激光器的選頻器件，最近幾年在激光系統中的應用吸引了越來越多激光工作人員的關注。(作為波長選擇和光譜窄化元件，體布拉格光柵目前已被應用于半導體激光器，光學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，設計一種結構緊湊、性能優越的高功率窄線寬可調諧激光器具有很強的現實意義。但是，在使用R B G進行波長調諧的過程中發現，輸出光束的方向會隨著光柵轉動而發生偏轉，這給實際使用帶來了新的麻煩。
【發明內容】
[0005]為了克服上述現有技術的缺點，本發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諧激光器，不僅能夠寬范圍的波長調諧，而且輸出激光穩定、光譜帶寬可始終小于0.5nm，整個調諧過程僅需轉動光柵轉臺即可完成。
[0006]本發明是以如下技術方案實現的:一種使用二次曲面鏡的高功率窄線寬可調諧激光器，包括反射式體布拉格光柵、光柵轉臺、準直器、增益介質、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臺的旋轉軸上；反射式體布拉格光柵的法線與光柵轉臺的旋轉軸垂直；光柵轉臺的旋轉軸與二次曲面鏡的焦點軸重合；平面全反鏡的法線與光柵轉臺的旋轉軸垂直，與二次曲面鏡的軸線平行；二向色鏡與水平方向呈45°角；泵浦源發射的泵浦光依次通過二向色鏡、輸出耦合鏡、增益介質進入準直器，準直器輸出的準直光與反射式體布拉格光柵的光柵轉軸共面，并且準直光的方向與光柵轉軸垂直；反射式體布拉格光柵的光譜選擇最低可達20pm、角度選擇最低可達100 μ rad、絕對衍射效率超過99%、光柵損耗小于2.5%、同時溫度穩定性達400°C，在近紅外區對連續激光的耐受性高達每平方厘米數萬瓦；所述的反射式體布拉格光柵、光柵轉臺和二次曲面鏡構成激光器的光柵選頻結構，放在激光器的內部或外部。
[0007]本發明的有益效果是:
1、能夠保證在聞功率調諧運轉的過程中，光譜帶覽始終小于0.5nm ；
2、在整個功率調節范圍內，具有較高的效率、輸出波長穩定、可重復性好；
3、體積小、結構簡單緊湊、抗干擾能力強、調諧精度高，整個調諧過程僅需對光柵轉臺進行轉動，操作簡單便捷。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0008]圖1是本發明的一種結構示意圖；
圖2是本發明的另一種結構示意圖。
【具體實施方式】
[0009]一種使用二次曲面鏡的高功率窄線寬可調諧激光器包括反射式體布拉格光柵1、光柵轉臺2、準直器3、增益介質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固定在光柵轉臺2的旋轉軸上；反射式體布拉格光柵I的法線與光柵轉臺2的旋轉軸垂直；光柵轉臺2的旋轉軸與二次曲面鏡8的焦點軸重合；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的法線與光柵轉臺2的旋轉軸垂直，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稱軸平行；二向色鏡6與水平方向呈45°角；泵浦源7發射的泵浦光依次通過二向色鏡6、輸出耦合鏡5、增益介質4進入準直器3，準直器3輸出的準直光與反射式體布拉格光柵的光柵轉軸共面，并且準直光的方向與光柵轉軸垂直。在圖1和圖2的結構中，激光被反射垂直照射在平面全反鏡，經反射原路返回。
[0010]所述的光柵轉臺2可以由步進電機驅動，或由微機電系統驅動；
所述的準直器3為球面鏡或非球面鏡或透鏡組合。
[0011]所述的增益介質4為固體增益介質或氣體增益介質或液體增益介質或半導體激光器。
[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，在諧振腔中接收準直器3輸出的平行入射光，反射輸出窄線寬選頻激光。準直器3在諧振腔中作用是將腔內激光準直，盡可能降低腔內激光在反射式體布拉格光柵I處的發散角，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動而發生偏轉的問題，在光柵轉動的方向上，即頻率調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優異的選頻特性以及本發明針對反射式體布拉格光柵所設計的諧振腔結構，本發明可實現高功率、窄線寬、寬調諧激光運轉。
[0015]本發明能夠實現高功率、窄線寬、寬調諧激光運轉的原因主要有三點:1、反射式體布拉格光柵(RBG)絕對衍射效率超過99%、光柵損耗小于2.5%、同時溫度穩定性達400°C、在近紅外區對連續激光的耐受性高達每平方厘米數萬瓦，因此適于高功率激光高效運轉；
2、通過RBG的設計,光柵的光譜選擇最低可達20pm、角度選擇最低可達100 μ rad,因此該激光器可實現窄線寬輸出；3、本發明設計了針對RBG進行選頻的結構，較好的解決了輸出光束方向隨光柵轉動而發生偏轉的現象，整個激光波長可調諧過程僅需轉動光柵轉臺即可完成，操作簡單靈活。
[0016]工作流程:增益介質受泵浦光激發，吸收泵浦能量形成粒子數反轉分布，產生受激輻射，通過諧振腔振蕩放大形成穩定的激光。其中形成窄線寬的過程可描述為:諧振腔形成激光振蕩，腔內產生的激光鏡準直器3準直,假設以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。根據幾何圖形的特征，經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，因此配合本發明所涉及的諧振腔結構可實現高功率窄線寬可調諧激光運轉。
[0017]本實施例中，反射式體布拉格光柵I的法線、光柵轉臺2和二次曲面鏡8構成激光器的光柵選頻結構，放在激光器的內部，通過內腔選頻的方式，實現對激光波長的調諧，構成可實現高功率、窄線寬、寬調諧的內腔光柵可調諧激光器。
[0018]光柵選頻結構也可以放在激光器的外部，通過外腔選頻的方式，實現對激光波長的調諧，構成可實現高功率、窄線寬、寬調諧的外腔光柵可調諧激光器。
【權利要求】
1.一種使用二次曲面鏡的高功率窄線寬可調諧激光器，其特征在于:包括反射式體布拉格光柵(I)、光柵轉臺(2)、準直器(3)、增益介質(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)固定在光柵轉臺(2)的旋轉軸上；反射式體布拉格光柵(I)的法線與光柵轉臺(2)的旋轉軸垂直；光柵轉臺(2)的旋轉軸與二次曲面鏡(8)的焦點軸重合；平面全反鏡(9)的法線與光柵轉臺(2)的旋轉軸垂直，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)發射的泵浦光依次通過二向色鏡(6)、輸出耦合鏡(5)、增益介質(4)進入準直器(3)，準直器(3)輸出的準直光與RBG的光柵轉軸共面，并且準直光的方向與光柵轉軸垂直；所述的反射式體布拉格光柵的光譜選擇最低可達20pm、角度選擇最低可達100 μ rad、絕對衍射效率超過99%、光柵損耗小于2.5%、同時溫度穩定性達400°C，在近紅外區對連續激光的耐受性高達每平方厘米數萬瓦；所述的反射式體布拉格光柵(I)、光柵轉臺(2)和二次曲面鏡(8)構成激光器的光柵選頻結構，放在激光器的內部或外部。
2.根據權利要求1所述的一種使用二次曲面鏡的高功率窄線寬可調諧激光器，其特征在于:所述的準直器(3)為球面鏡或非球面鏡或透鏡組合。
3.根據權利要求1所述的一種使用二次曲面鏡的高功率窄線寬可調諧激光器，其特征在于:所述的增益介質(4)為固體增益介質或氣體增益介質或液體增益介質或半導體激光器。
4.根據權利要求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.根據權利要求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面泵浦。
6.根據權利要求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】H01S3/105GK103794978SQ201410017838
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2014年1月15日 優先權日:2014年1月15日
【發明者】陳浩, 王利, 沈德元, 黃海濤, 劉曉蘭 申請人:江蘇師范大學