雙波長雙脈衝諧波可調諧雷射器及雙波長諧波產生方法

2023-05-27 13:05:21 5

專利名稱：雙波長雙脈衝諧波可調諧雷射器及雙波長諧波產生方法
技術領域：
本發明涉及雷射技術領域，具體涉及一種雙波長雙脈衝可調諧雷射器的製作，也涉及非線性二次諧波和三次諧波產生的技術領域。
雙波長雙脈衝諧波可調諧雷射器及其諧波裝置是檢測大氣汙染的差分吸收雷射雷達中的必不可少的關鍵設備。中國科學院安徽光機所於99年7月15日提出了名稱為《調Q可調諧倍頻雷射器》的專利申請(CN99228926.2)。該申請中，公開了一種調Q可調諧倍頻雷射器技術，它是在雷射器光軸上有雷射器晶體，該雷射晶體的一端依次是有調諧元件、調Q晶體、全反射鏡，另一端置有與光軸成45°放置的分色鏡，經該分色鏡反射後的光軸上置有二次諧波晶體和對基波及二次諧波高反射的全反射鏡；所述的分色鏡對基波光高反射，對二次諧波光高透射，所述的雷射晶體為摻鉻氟化鋁鍶鋰等可調諧晶體。該方案的特點在於將腔外倍頻改為腔內倍頻提高了倍頻效率；用了45°放置的分色鏡使腔內倍頻由單程作用變為雙程作用，使倍頻雷射的能量提高了近一倍。其不足之處在於它只能產生單一波長的倍頻光，不能產生兩個波長(即雙波長)的倍頻光。另外，1994年義大利的E.Nava等人在歐洲雷射學術會議上發表了一篇題目為「用於車載差分吸收雷射雷達的紫外到近紅外的固體窄帶雷射器」(E.Nava，et al，『UV to near IRsolid-state narrow-band laser for a mobile differential absorption lidar』，CLLO/Europe』94，CMA3)的論文，該文中描述了讓鈦寶石雷射器輸出的兩個在900nm附近基波波長的光脈衝交替地通過非線性晶體與另一路雷射器輸出的1.064μm的光脈衝混頻產生282到450nm波長的光脈衝。該技術中，不同波長的光脈衝在非線性晶體中產生諧波時所要求的位相匹配角(即光線行進方向與非線性晶體光軸之間的夾角)不相同，因此一個波長的光脈衝和另一個波長的光脈衝先後通過非線性晶體時，該晶體的取向(即俯仰和方位角度)必須快速調節，它要求由高精度角度調節和自動控制系統來完成，系統比較複雜，這便是它的不足之處。
本發明的目的在於克服前述兩種現有技術的不足之處，提供一種能在比較方便的情況下產生雙波長雙脈衝的諧波可調諧雷射器，並提供能使兩個波長在共用的非線性晶體中產生它們各自的諧波的方法。
本發明的目的通過以下方式來實現。
本發明的雙波長雙脈衝諧波可調諧雷射器，包括由現有技術中的球面反射鏡、Q開關晶體、色散稜鏡組、雷射晶體棒、45°斜置分色鏡、非線性晶體和腔端鏡組成的兩路調Q可調諧雷射器，其中使用的雷射晶體棒為同一種雷射晶體，如摻鉻氟化鋁鍶鋰等可調諧晶體，兩雷射晶體棒的軸線相互平行，並在同一水平面上，其特徵在於，其中一路的雷射晶體棒與45°斜置分色鏡之間的光路上設有一反射鏡合束器，兩路調Q可調諧雷射器共用同一塊45°斜置的分色鏡、共用同一塊非線性晶體或共用兩塊非線性晶體；所述的反射鏡合束器由45°斜置的平面反射鏡和斜置的帶尖稜的平面反射鏡構成，其中帶尖稜的平面反射鏡的尖稜頂角大於等於5°，小於45°，兩鏡面之間的夾角按照兩個波長在非線性晶體中所需的位相匹配角的差值調節△θ=θλ1-θλ2，其中θλ1，θλ2分別表示波長λ1和λ2的位相匹配角，它們能夠由現有二次諧波技術中的位相匹配角公式求得定值，即sin2=n1o-2-n2o-2n2e-2-n2o-2,]]>式中的n1o和n2o分別表示為尋常光的基波(λ)和二次諧波(λ/2)的折射率，n2e為非尋常光的二次諧波(λ/2)的折射率；或者是由三次諧波的位相匹配角公式求得定值，即△θ=θλ1＇-θλ2＇，3n3on3e(n3o2-n3e2)sin23e+n3e2=2n2o+n1on1e(n1o2-n1e2)sin2+n1e2,]]>其中n1o，n1e和n3o，n3c分別為基波(λ)和三次諧波(λ/3)的尋常光非常光的折射率，n2o為二次諧波(λ/2)的尋常光折射率；所述不含有反射鏡合束器的一路調Q可調諧雷射器中，其腔端鏡為平面反射鏡，所述含有反射鏡合束器的第二路調Q可調諧雷射器中，其腔端鏡為帶尖稜的平面反射鏡，它的尖稜頂角大於等於5°，小於45°；其腔端帶尖稜的平面反射鏡位於腔端平面反射鏡的腔內側，並使尖稜線位於腔端平面反射鏡的中部。
使用上述雷射器產生雙波長諧波的方法是，包括現有技術中的調整方法(1)調節第一路雷射器使其產生二次諧波的光脈衝。該二次諧波的光脈衝由基波光脈衝經45°分色鏡反射後通過非線性晶體時產生，該諧波的波長為雷射基波波長λ1的二分之一，即λ1/2；(2)通過非線性晶體後的波長為λ1的基波經腔端的平面反射鏡反射後又通過非線性晶體再次產生二次諧波，它和所述(1)產生的二次諧波合在一起由45°分色鏡輸出雷射腔外，其特徵在於，(3)第二路雷射器產生另一個波長λ2的二次諧波(λ2/2)的步驟為(a)在具有反射鏡合束器的第二路雷射器中的雷射晶體和反射鏡合束器的45°斜置平面反射鏡中間插入一塊調整用平面鏡，使其產生波長λ2的光脈衝，調節反射鏡合束器中帶尖稜的平面反射鏡的位置和取向，使所述的調整用平面鏡輸出的光脈衝的圓形光斑與第一路雷射器的圓形光斑合攏到兩個圓斑相切，調節兩光脈衝行進方向之間的夾角等於所述的波長λ1和λ2在非線性晶體中位相匹配角的差值；(b)調節反射鏡合束器的帶尖稜的平面反射鏡的俯仰和方位角度，改變波長λ2的光脈衝在非線性晶體中的行進方向，使其產生波長為λ2/2的二次諧波，並使其最強；(c)調節第二路雷射器腔端帶尖稜的平面反射鏡的取向，使基波λ2和二次諧波λ2/2的光脈衝按原路返回，撤去調整用平面鏡，則此時第二路雷射器便和第一路雷射器一樣在腔內產生二次諧波，波長為λ2的基波在45°分色鏡和腔端帶尖稜的平面反射鏡之間一個往返，兩次通過非線性晶體產生的二次諧波合在一起也由45°分色鏡輸出雷射腔外；(4)產生雙波長三次諧波的方法是(d)利用現有技術中的調整方法將第二塊非線性晶體放入45°斜置分色鏡和第一塊非線性晶體的中間，調節第二塊非線性晶體的俯仰和方位角度，使得它的光軸與雷射束方向的夾角等於產生三次諧波的位相匹配角θ＇λ，θ＇λ由現有三次諧波技術中的位相匹配角公式求得定值，第一路雷射器中的波長為λ1的基波和波長為λ1/2的二次諧波通過兩塊非線性晶體後共同產生波長為λ1/3的三次諧波，並由45°分色鏡輸出雷射腔外；(e)在第二路雷射器中依次重複所述的方法(a)、(b)和(c)的調節，第二路雷射器中的波長為λ2的基波和波長為λ2/2的二次諧波通過所述的兩塊非線性晶體後共同產生了波長為λ2/3的三次諧波，並也由45°分色鏡輸出雷射腔外。
本發明中，當分屬不同波長的兩個基波光脈衝先後通過共用的一塊非線性晶體產生二次諧波時，它們所要求的位相匹配角度不相同，這些位相匹配角能由前面所述公式來計算，這兩個波長λ1和λ2在非線性晶體所需的位相匹配角θλ1和θλ2之間的差值恰好由第二路雷射器中的反射鏡合束器和腔端帶尖稜的平面反射鏡來產生，這時λ1和λ2的光脈衝都能以最大的效率來產生二次諧波，而非線性晶體本身的取向在兩個不同波長的光脈衝先後通過時無須角度調節，便省去了前述現有技術中所要求的對非線性晶體的高精度角度調節和自動控制系統，又能共用同一塊非線性晶體產生不同波長的二次諧波，克服了前述兩個現有技術的不足。本發明中，當分屬不同波長的兩個基波光脈衝先後通過共用的兩塊非線性晶體產生它們各自的三次諧波光脈衝時，不同波長所要求的位相匹配角度不相同，這些位相匹配角也能由前面所述的公式來計算，這兩個波長λ1和λ2在非線性晶體所需位相匹配角θλ1＇和θλ2＇之間的差值恰好由第二路雷射器中的反射鏡合束器和腔端帶尖稜的平面反射鏡來產生，這時λ1和λ2的光脈衝都能以最大的效率來產生三次諧波，而非線性晶體本身的取向在兩個不同波長的光脈衝先後通過時無須角度調節，省去了前述現有技術中所要求的對第二塊非線性晶體的高精度角度調節和自動控制系統，又能共用兩塊非線性晶體產生不同波長的三次諧波，克服了前述兩個現有技術的不足。
下面通過附圖及實施例進一步描述本發明所述的雷射器，並敘述由其產生雙波長的二次和三次諧波的調整方法。


圖1是本發明所述雷射器實施例的整體結構示意圖。
圖中，(1)、(8)為球面全反射鏡，(2)、(9)為Q開關晶體，(3)、(10)為色散稜鏡組，(4)、(11)為雷射晶體棒，(5)、(12)為氙燈，(6)為45°斜置分色鏡，(7)為腔端平面全反射鏡，(13)為45°斜置平面反射鏡，(14)為斜置帶尖稜的平面全反射鏡，((13)、(14)組成合束器)，(15)為腔端帶尖稜的平面全反射鏡，(16)為產生二次諧波的非線性晶體，(17)為產生三次諧波的非線性晶體，(18)為調整用平面鏡。
參見圖1，球面全反射鏡(1)、Q開關晶體(2)、色散稜鏡組(3)、雷射晶體(4)、45°斜置分色鏡(6)和腔端平面全反射鏡(7)構成第一路雷射器，它產生的雷射波長λ1的值可由球面反射鏡(1)的方位角來調節。氙燈(5)閃光泵浦雷射晶體(4)，Q開關晶體(2)瞬間導通該雷射器光路形成波長為λ1的光脈衝。球面反射鏡(1)對λ1附近波長的光為全反射，45°斜置的分色鏡(6)對基波光為高反射率，對諧波光為高透射率，腔端平面鏡(7)對基波和諧波光都為全反射。將產生二次諧波的非線性晶體(16)放入腔內，插在45°分色鏡(6)和腔端平面全反射鏡(7)之間，用現有雷射領域的腔內倍頻技術，調節非線性晶體的俯仰和方位角使波長為λ1/2的二次諧波最大。波長為λ1的雷射基波由45°分色鏡(6)反射後通過非線性晶體時產生了二次諧波，此後雷射基波和它所產生的二次諧波由腔端平面反射鏡(7)反射後又一次通過非線性晶體，這時雷射基波再次產生二次諧波，這兩次的二次諧波合在一起由45°分色鏡(6)輸出腔外。
參見圖1，球面全反射鏡(8)、Q開關晶體(9)、色散稜鏡組(10)、雷射晶體棒(11)、反射鏡合束器(13)和(14)、45°斜置分色鏡和腔端帶尖稜的平面全反射鏡(15)構成第二路雷射器。它的調整方法如下如前面所述在獲得了第一路雷射器的二次諧波輸出最大之後，在雷射晶體棒(11)和合束器的反射鏡(13)之間插入一塊調整用平面鏡(18)，調節球面反射鏡(8)和這塊平面鏡(18)，使第二路雷射器產生波長為λ2的雷射脈衝，並由這塊調整用的平面鏡輸出，讓此雷射脈衝經合束器(13)和(14)以及45°分色鏡反射後通過前述的非線性晶體，合束器的反射鏡(13)為45°斜置，調節合束器中帶尖稜的平面反射鏡(14)的俯仰和方位角來逐漸改變λ2的光脈衝在非線性晶體中的行進方向，使其產生波長為λ2/2的二次諧波最強，即波長為λ2的基波光束在非線性晶體中處在位相匹配角上。在所述的調節中，要邊調節合束器的反射鏡(14)的位置，使它的尖稜逐步靠近第一路雷射器的光束，邊觀察第一路雷射器的二次諧波輸出光斑的變化情況，直至反射鏡(14)的尖稜位置再靠近第一路雷射器的光束，它的二次諧波的輸出光斑的邊緣將被切去時為止。此後調節腔端帶尖稜的平面全反射鏡(15)，讓通過非線性晶體的光脈衝按原方向返回，撤走先前放置的調整用平面鏡(18)。第二路雷射器便和第一路雷射器一樣，以最高效率來產生二次諧波。兩個波長λ1和λ2的二次諧波λ1/2和λ2/2的光脈衝都由45°分色鏡輸出。
將第二塊非線性晶體放入45°分色鏡(6)和第一塊非線性晶體的中間，用現有的腔內諧波技術，調節第二塊非線性晶體的俯仰和方位角度，使第一路雷射器的基波(λ1)和二次諧波(λ1/2)產生的三次諧波(λ1/3)最強，此時第一路雷射器的光束在兩塊非線性晶體中都處在位相匹配的角度上。此後在雷射晶體棒(11)和反射鏡(13)之間插入一塊調整用的平面鏡(18)，調節球面反射鏡(8)和這塊調整用的平面鏡(18)使第二路雷射器產生波長為λ2的光脈衝，並使其達到輸出最大；該路雷射器由這塊調整用的平面鏡輸出的光束經合束器的反射鏡(13)和(14)以及45°分色鏡反射後通過所述的兩塊非線性晶體，反射鏡(13)如前面所述為45°斜置，調節合束器帶尖稜的平面反射鏡(14)的俯仰和方位角度，使波長為λ2的光束產生其三次諧波(λ2/3)，使其達到最大；調節腔端反射鏡(15)，讓波長為λ2的光束按原路返回，撤去所述的調整用的平面鏡，這時第二路雷射器產生了波長為λ2／3的三次諧波，它也由45°分色鏡輸出；如前面所述，調節中也要使反射鏡(14)的尖稜與波長λ1的光斑邊緣相切；在雙波長的二次和三次諧波產生中，腔端反射鏡(15)的尖稜也要調節到與波長λ1的光斑邊緣相切的位置上。因此本發明共用兩塊非線性晶體產生兩個不同的波長λ1和λ2光束的三次諧波，它們的波長分別為λ1/3和λ2/3。波長λ1和λ2的兩光束的方向在非線性晶體中都同時滿足位相匹配角。
例如，在本發明實施例所述光路研製成的調Q摻鉻氟化鈣鍶鋰雙波長雙脈衝可調諧雷射器中，所用反射鏡合束器中帶尖稜的平面反射鏡(14)和腔端帶尖稜的平面反射鏡(15)中的尖稜頂角都是35°，實驗中已獲得了λ1=896.2nm和λ2=899.6nm的一對基波的二次諧波的雙脈衝，其中一個脈衝的波長為λ1/2=448.1nm，另一個脈衝的波長為λ2/2=449.8nm，波長λ1和λ2產生二次諧波所需的位相匹配角分別是θλ1=26.1670°和θλ2=26.077°，△θ=θλ1-θλ2=0.0893°，這兩個二次諧波是差分吸收雷射雷達用於測量大氣中NO2汙染物濃度所必備的雙波長。在實驗中還獲得了λ1=897.9nm和λ2=900.18nm的一對基波的三次諧波的雙脈衝，其中一個脈衝的波長為λ1/3=299.3nm，另一個脈衝的波長為λ/3=300.06nm，波長λ1和λ2產生三次諧波所需的位相匹配角分別是θ＇λ1=47.0147°和θ＇λ2=47.1687°，△θ=θ＇λ1-θ＇λ2=0.154°，這兩個三次諧波是差分吸收雷射雷達用於測量大氣中SO2汙染物濃度所必備的雙波長。
權利要求
1．一種雙波長雙脈衝諧波可調諧雷射器，包括由現有技術中的球面反射鏡、Q開關晶體、色散稜鏡組、雷射晶體棒、45°斜置的分色鏡、非線性晶體和腔端鏡組成的兩路調Q可調諧雷射器，其中使用的雷射晶體棒為同一種雷射晶體，如摻鉻氟化鋁鍶鋰等可調諧晶體，兩雷射晶體棒的軸線相互平行，並在同一水平面上，其特徵在於，其中一路的雷射晶體棒與45°斜置的分色鏡之間的光路上設有一反射鏡合束器，兩路調Q可調諧雷射器共用同一塊45°斜置分色鏡，及共用一塊非線性晶體或共用兩塊非線性晶體；所述不含有反射鏡合束器的一路調Q可調諧雷射器中，其腔端鏡為平面反射鏡，所述含有反射鏡合束器的第二路調Q可調諧雷射器中，其腔端鏡為帶尖稜的平面反射鏡，它的尖稜頂角大於等於5°，小於45°；其腔端帶尖稜的平面反射鏡位於腔端平面反射鏡的腔內側，並使尖稜線位於腔端平面反射鏡的中部。
2．如權利要求1所述的雙波長雙脈衝諧波可調諧雷射器，其特徵在於，所述的反射鏡合束器由45°斜置的平面反射鏡和斜置的帶尖稜的平面反射鏡構成，兩鏡面之間的夾角△θ按照兩個波長在非線性晶體中所需的位相匹配角的差值調節△θ=θλ1-θλ2，在產生二次諧波時這個差值是△θ=θλ1-θλ2，其中θλ1和θλ2分別表示波長λ1和λ2的位相匹配角，它們可由現有二次諧波技術中的位相匹配角公式來算得；在產生三次諧波時這個差值是△θ=θ＇λ1-θ＇λ2，其中θ＇λ1和θ＇λ2分別表示波長λ1和λ2的位相匹配角，它們可由現有三次諧波技術中的位相匹配角公式來算得。
3．如權利要求2所述的雙波長雙脈衝諧波可調諧雷射器，其特徵在於，所述的反射鏡合束器中帶尖稜的平面反射鏡的尖稜頂角大於等於5°，小於45°。
4．使用權利要求1所述的雷射器產生雙波長諧波的方法是包括現有技術中的調整方法(1)調節第一路雷射器使其產生二次諧波的光脈衝，該二次諧波的光脈衝由基波光脈衝經45°分色鏡反射後通過非線性晶體時產生，該諧波的波長為雷射基波波長λ1的二分之一，即λ1/2；(2)通過非線性晶體後的波長為λ1的基波，經腔端的平面反射鏡反射後又通過非線性晶體時再次產生二次諧波，它和所述(1)產生的二次諧波合在一起由45°分色鏡輸出雷射腔外，其特徵在於(3)第二路雷射器產生另一個波長為λ2的二次諧波(λ2/2)的步驟為(a)在具有反射鏡合束器的第二路雷射器中的雷射晶體和反射鏡合束器的45°斜置平面反射鏡中間插入一塊調整用的平面鏡，使其產生波長λ2的光脈衝，調節反射鏡合束器中帶尖稜的平面反射鏡的位置和取向，使所述的調整用平面鏡輸出的光脈衝的圓形光斑與第一路雷射器的圓形光斑合攏到兩個圓斑相切，調節兩光脈衝行進方向之間的夾角等於所述波長λ1和λ2在非線性晶體中位相匹配角的差值；(b)調節反射鏡合束器的帶尖稜的平面反射鏡的俯仰和方位角度，改變波長λ2的光脈衝在非線性晶體中的行進方向，使其產生波長為λ2/2的二次諧波，並使其最強(c)調節第二路雷射器腔端帶尖稜的平面反射鏡的取向，使基波λ2和二次諧波λ2/2的光脈衝按原路返回，撤去調整用的平面鏡，則此時第二路雷射器便和第一路雷射器一樣在腔內產生二次諧波，波長為λ2的基波在45°分色鏡和腔端帶尖稜的平面反射鏡之間一個往返，兩次通過非線性晶體所產生的二次諧波合在一起也由45°分色鏡輸出雷射腔外；(4)產生雙波長三次諧波的方法是(d)利用現有技術中的調整方法將第二塊非線性晶體放入45°斜置分色鏡和第一塊非線性晶體的中間，調節第二塊非線性晶體的俯仰和方位角度，使得它的光軸與雷射束方向的夾角等於產生三次諧波的位相匹配角θλ1，使第一路雷射器中的波長為λ1的基波和波長為λ1/2的二次諧波通過兩塊非線性晶體後共同產生波長為λ1/3的三次諧波，並由45°分色鏡輸出雷射腔外；(e)在第二路雷射器中依次重複所述的方法(a)(b)(c)的調節，第二路雷射器中的波長為λ2的基波和波長為λ2/2的二次諧波通過所述的兩塊非線性晶體後則共同產生波長為λ2/3的三次諧波，並也由45°分色鏡輸出雷射腔外。
全文摘要
本發明涉及雙波長雷射及其諧波技術,在兩路調Q可調諧雷射器之一的光路上設置有一個由一塊平面反射鏡和一塊帶尖稜的平面反射鏡構成的合束器,它將兩路雷射束合攏到兩圓光斑相切,在其後的光路上設有共用的一塊45°斜置分色鏡及共用的一塊或兩塊非線性晶體。調節合束器的反射鏡和腔端鏡的取向,兩路雷射產生各自的二次諧波或三次諧波,其結構較簡單,方法精巧,波長可調諧,適用於檢測大氣汙染程度的差分吸收雷射雷達中。
文檔編號H01S3/00GK1285636SQ9910877
公開日2001年2月28日 申請日期1999年8月19日 優先權日1999年8月19日
發明者謝建平, 王佩琳, 陳長水 申請人:中國科學技術大學