一種新型的正交偏振雙波長雷射器的製作方法

2023-06-12 03:54:26 1

專利名稱：一種新型的正交偏振雙波長雷射器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種新型的能輸出兩種偏振態相互正交的雙波長雷射的固體雙波長雷射器，屬於光電子器件領域。
背景技術：
固體雙波長雷射可廣泛應用於非線性頻率轉換、雷射雷達、衛星測距、環境監測、 光動力學醫療以及光譜學研究等領域，特別是在非線性頻率轉換方面，近年來利用固體雙波長雷射進行和頻或差頻已成為獲得具有特殊用途新波長雷射的重要技術途徑，如利用1 微米和1. 3微米雙波長雷射通過和頻產生黃光和橙黃光；若採用波長相近的雙波長雷射通過差頻技術還可獲得相干THz輻射波。因此，固體雙波長雷射的研究日益受到人們的重視， 已成為國內外較為熱門的研究課題。迄今為止，所報導的固體雙波長雷射就偏振特性而言，主要有兩種類型，一種是利用各向同性的雷射晶體獲得的無偏雙波長雷射，如Nd:YAG晶體發射的1357nm和1444nm 雙波長雷射；另一種是利用各向異性的雷射晶體獲得的單一偏振方向雙波長雷射，如 NdiYAlO3 (NdiYAP)晶體發射的1079nm和1341nm雙波長雷射。上述無偏或是單一偏振方向的固體雙波長雷射，在應用中有其局限和不足。如無偏雙波長雷射，在入射到非線性光學晶體進行頻率轉換時，無論是採用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雷射偏振分量參與和頻(或差頻)作用，導致頻率轉換效率較低。尤其是有些非線性光學晶體，如中小功率方面最具代表性的非線性光學晶體KTP，在進行頻率轉換時，只能採用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雷射的頻率轉換效率更是有待於進一步提高。此外，對單一偏振方向的雙波長雷射進行和頻時，產生和頻光的同時，還會產生各自的倍頻光，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晶體同時發射的1319nm和1338nm雙波長雷射進行和頻實驗時，不管1319nm和1338nm雙波長雷射起偏與否，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，如何提高頻率轉換效率及變頻光的光譜純度，是固體雙波長雷射在非線性頻率轉換過程中一個亟待解決的問題。為此，我們設想如果輸出的雙波長雷射的偏振方向相互正交，頻率轉換時可以採用II類匹配，各偏振分量均能充分參與到和頻(或差頻)過程中，將有效提高頻率轉換效率；尤其是在和頻時，避免了各自倍頻光的產生，可大大提高光譜純度。此外，雙波長雷射在光纖通信方面應用廣泛。近年來，通信行業發展迅速，信息高速公路正在全球範圍內以驚人的速度建立起來。光纖通信技術向著速度高、容量大、可伸縮性好的方向發展。為了增大網絡吞吐的容量和速率，有效的解決途徑就是採用波分復用 (Wavelength Division Multiplex，WDM)技術。應用這種技術可以在同一根光纖中同時傳輸兩個或多個不同波長光信號。正交偏振雙波長雷射在光纖波分復用技術中提供了一種新的信號載波雷射光源。由於同光路同時發射且偏振方向相互正交，正交偏振雙波長雷射應用於光纖通信，則不同的光載波信號不僅在發送端容易複合接入，而且在接收端也容易解碼分離，這無疑有利於降低光纖通信的成本，有著潛在的應用前景。據我們所知，目前國內外尚未見到有關正交偏振雙波長雷射輸出的研究報導，只有通過頻率分裂技術實現同一波長內的大頻差正交偏振雙頻雷射的研究。大頻差正交偏振雙頻雷射器在絕對距離幹涉測量和雷射通信等領域具有重要應用。然而，該雙頻雷射實質上是同一雷射輻射波長的兩個分裂頻率模，受增益線寬限制，這種方法獲得的正交偏振雙頻雷射的頻差最多只能達到固體雷射器增益線寬的極限。採用不同能級或分裂子能級躍遷產生的正交偏振雙波長雷射，不受固體雷射器單一譜線增益線寬的限制，可產生更大的頻差，拓展其應用。相比各向同性的固體雷射材料，各向異性的固體雷射材料天然的各向異性躍遷能級結構為研究並獲得正交偏振雙波長固體雷射提供了便利。利用各向異性雷射晶體不同能級及其子能級之間的躍遷產生不同偏振的不同波長所具有的正交偏振特性，可以實現多種組合的正交偏振雙波長雷射輸出。以b軸切割的Nd:YAP晶體為例，Nd3+離子常用的兩個能級躍遷4Fv2-4Iiv2和4Fv2-4Iiv2由於斯塔克能級分裂，可產生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雷射研究，分別為 1064nm 與 1341nm、1080nm 與 1339nm、106^m 與 1080nm、1339nm 與134Inm正交偏振雙波長雷射。如果不加任何選偏裝置，各向異性的雷射晶體輸出的雙波長雷射是線偏振雷射， 而通過分光和偏振控制，實現正交偏振雙波長雷射同時同光路輸出是完全可能的。

發明內容
本發明的目的是利用目前廣泛使用的各向異性的固體雷射材料能發射多種不同偏振不同波長輻射的特性，通過合理的腔型設計和偏振控制，開發出一種新型的正交偏振雙波長雷射器，在一臺雷射器上實現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雷射同時同光路輸出。為了實現上述目的，本發明採用如下技術方案
1. 一種新型的正交偏振雙波長雷射器，其特徵在於該雷射器包括各向異性的摻釹雷射晶體；用於泵浦所述雷射晶體以使所述雷射晶體中的激活離子(Nd3+離子)形成粒子數反轉分布的泵浦系統；激活離子躍遷發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諧振腔；以及雷射裝置的冷卻系統。2.如項1所述的新型的正交偏振雙波長雷射器，其特徵在於所述的光學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膜； 分光鏡(3)鍍對波長一全反、對波長二高透的介質膜；反射鏡(1)鍍對波長二全反的介質膜；偏振元件(2)插入反射鏡(1)與分光鏡(3)之間，對垂直偏振的雷射透過；水平偏振的波長一雷射在諧振腔一內振蕩；垂直偏振的波長二雷射透過分光鏡(3)和偏振元件(2)在諧振腔二內振蕩；水平偏振的波長一和垂直偏振的波長二正交偏振雙波長雷射均由輸出耦合鏡(5)同時同光路輸出。
3.如項1所述的新型的正交偏振雙波長雷射器，其特徵在於所述的各向異性的摻釹雷射晶體為 Nd:YA103、NchYLiF4 (Nd YLF)、Nd YVO4 或 NdGdVO4 等晶體。4.如項1所述的新型的正交偏振雙波長雷射器，其特徵在於所述的泵浦系統的泵浦源包括能連續改變輸入功率或能量的連續、脈衝或重複率脈衝驅動源和作為泵浦燈的氪燈或氙燈。5.如項1所述的新型的正交偏振雙波長雷射器，其特徵在於所述的泵浦系統的泵浦源為雷射二極體及其驅動源。6.如項1所述的新型的正交偏振雙波長雷射器，其特徵在於包括調Q和鎖模元件，產生ns和ps級的調Q和鎖模雷射。7.如項1所述的新型的正交偏振雙波長雷射器，其特徵在於包括腔內或腔外光路上放置的非線性光學晶體，產生和頻雷射或差頻雷射。雷射晶體(4)吸收泵浦系統(6)的泵浦光，處於激發態，產生水平偏振的波長一雷射在分光鏡(3)和輸出耦合鏡(5)之間振蕩；產生垂直偏振的波長二雷射透過分光鏡(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雷射由輸出耦合鏡(5)同時同光路輸出。配以不同模式的驅動源，即可同時同光路輸出連續、脈衝或重複率脈衝的波長一和波長二正交偏振雙波長雷射，滿足不同的需求。如需產生ns或ps級的正交偏振雙波長雷射，只需在腔內插入調Q或鎖模元件。如果在腔內或腔外光路上放置非線性光學晶體(如KTP、LBO等)，正交偏振雙波長雷射即可進行非線性頻率轉換，產生和頻雷射或差頻雷射。對於不同泵浦系統泵浦雷射晶體產生的熱量，則採用相應的冷卻系統來抽取。通過調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雷射輸出。採用這種設計，一臺雷射器輸出偏振方向相互正交的雙波長雷射。相比兩臺雷射器輸出線偏振的不同單波長雷射，正交偏振雙波長雷射器僅採用了一根雷射棒和一套泵浦及冷卻系統，減小了體積，節省了成本。同時，正交偏振雙波長雷射作為一種新型的雷射光源，彌補傳統雙波長雷射由於偏振特性局限導致的不足，為獲得高功率、高相干和頻或差頻 (THz輻射波)雷射提供新的技術途徑，能夠拓展雙波長雷射的應用，在非線性頻率轉換、光纖通信等領域具有廣泛的應用前景和使用價值。


附圖1，為一種新型的正交偏振雙波長雷射器裝置的結構示意圖1，反射鏡；2，偏振元件；3，分光鏡；4，雷射晶體；5，輸出耦合鏡；6，泵浦系統。
具體實施例方式以下結合附圖對本發明做進一步說明，圖中 1為反射鏡，鍍對波長二全反的介質膜。2為偏振元件，對垂直偏振的雷射透過。3為分光鏡，鍍對波長一全反、對波長二高透的介質膜。
4為雷射晶體，如Nd: YAP、Nd: YLF, NdiYVO4, NdiGdVO4等各向異性的摻釹雷射晶體中的一種，雷射晶體兩端拋光且鍍波長一和波長二增透的介質膜。5為輸出耦合鏡，鍍對波長一和波長二均部分透過的介質膜。6為泵浦系統，包括泵浦光源及其驅動電源，可以是能連續改變輸入功率或能量的連續、脈衝或重複率脈衝驅動源和作為泵浦燈的氪燈或氙燈、或者是多個雷射二極體(LD) 側面泵浦及其驅動源。下面以b軸切割的Nd:YAP雷射棒產生c偏振的1341nm和a偏振的1064nm正交偏振雙波長雷射為例說明本發明的具體實施方式
(1341nm譜線的偏振方向平行於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於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雷射透過。分光鏡(3)鍍對1341nm全反、對1064nm增透的介質膜。雷射晶體(4)採用b軸切割的Nd:YAP雷射棒，兩端拋光且鍍對1341nm和1064nm的增透膜，放置時讓雷射棒的a軸方向與偏振元件(2)透過雷射的方向一致。輸出耦合鏡(5) 鍍對1341nm和1064nm均部分透過的介質膜。泵浦系統(6)採用氪燈、或氙燈泵浦、或者是多個808nm雷射二極體(LD)側面泵浦。Nd:YAP雷射棒吸收泵浦系統(6)的泵浦光，處於激發態，產生水平偏振的1341nm雷射在分光鏡(3)和輸出耦合鏡(5)之間振蕩；產生垂直偏振的1064nm雷射經分光鏡(3)並透過偏振元件(2)在反射鏡(1)和輸出耦合鏡(5)之間振蕩，最終1341nm和1064nm正交偏振雙波長雷射由輸出耦合鏡(5)同時同光路輸出。配以不同模式的驅動源，即可同時同光路輸出不同模式的1341nm和1064nm正交偏振雙波長雷射。 如需產生ns或ps級的正交偏振雙波長雷射，只需在各諧振腔內分別插入1341nm和1064nm 波長的調Q或鎖模元件。如果在腔內或腔外光路上放置非線性光學晶體(如KTP、LBO等)， 1341nm和1064nm正交偏振雙波長雷射即可進行非線性頻率轉換，如和頻產生593nm雷射。
權利要求
1.一種新型的正交偏振雙波長雷射器，其特徵在於該雷射器包括各向異性的摻釹雷射晶體；用於泵浦所述雷射晶體以使所述雷射晶體中的激活離子，Nd3+離子，形成粒子數反轉分布的泵浦系統；激活離子躍遷發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諧振腔；以及雷射裝置的冷卻系統。
2.如權利要求1所述的新型的正交偏振雙波長雷射器，其特徵在於所述的光學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膜；分光鏡(3)鍍對波長一全反、對波長二高透的介質膜；反射鏡(1)鍍對波長二全反的介質膜；偏振元件(2)插入反射鏡(1)與分光鏡(3)之間，對垂直偏振的雷射透過；水平偏振的波長一雷射在諧振腔一內振蕩；垂直偏振的波長二雷射透過分光鏡(3)和偏振元件(2)在諧振腔二內振蕩；水平偏振的波長一和垂直偏振的波長二正交偏振雙波長雷射均由輸出耦合鏡(5)同時同光路輸出。
3.如權利要求1所述的新型的正交偏振雙波長雷射器，其特徵在於所述的各向異性的摻釹雷射晶體為Nd:YA103、Nd:YLiF4、Nd:YV04或Nd = GdVO4等晶體。
4.如權利要求1所述的新型的正交偏振雙波長雷射器，其特徵在於所述的泵浦系統的泵浦源包括能連續改變輸入功率或能量的連續、脈衝或重複率脈衝驅動源和作為泵浦燈的氪燈或氙燈。
5.如權利要求1所述的新型的正交偏振雙波長雷射器，其特徵在於所述的泵浦系統的泵浦源為雷射二極體及其驅動源。
6.如權利要求1所述的新型的正交偏振雙波長雷射器，其特徵在於包括調Q和鎖模元件，產生ns和ps級的調Q和鎖模雷射。
7.如權利要求1所述的新型的正交偏振雙波長雷射器，其特徵在於包括腔內或腔外光路上放置的非線性光學晶體，產生和頻雷射或差頻雷射。
全文摘要
本發明提供了一種新型的正交偏振雙波長雷射器，能實現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雷射均由同一輸出耦合鏡同時同光路輸出，屬於光電子器件領域。該雷射器包括各向異性的摻釹雷射晶體；用於泵浦所述雷射晶體以使所述雷射晶體中的激活離子(Nd3+離子)形成粒子數反轉分布的泵浦系統；以及激活離子躍遷發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諧振腔。正交偏振雙波長雷射器提供一種新型的雷射光源，為獲得高功率、高相干和頻或差頻(THz輻射波)雷射提供新的技術途徑，能夠拓展雙波長雷射的應用，在非線性頻率轉換、光纖通信等領域具有廣泛的應用前景和使用價值。
文檔編號H01S3/16GK102468600SQ201110242659
公開日2012年5月23日 申請日期2011年8月22日 優先權日2010年11月18日
發明者張戈, 朱海永, 魏勇, 黃凌雄, 黃呈輝 申請人:中國科學院福建物質結構研究所