一种小型化低噪声全固态单频连续波激光器

摘要

本发明涉及一种小型化低噪声全固态单频连续波激光器，所述小型化低噪声全固态单频连续波激光器包括：光纤耦合激光二极管，用于输出初始泵浦光；激光整形透镜组，设置在所述初始泵浦光的光路上，用于对所述初始泵浦光进行整形并聚焦，并输出整形聚焦后的泵浦光；单频激光器，设置在所述泵浦光的光路上，用于接收所述泵浦光，并输出激光；所述单频激光器包括两个平面激光腔镜、两个平凹激光腔镜及激光增益晶体；所述激光增益晶体用于对所述泵浦光产生增益，形成增益光，所述激光增益晶体的受激发射截面小于2×10‑19cm2。本发明所提供的激光器操作简单，且利用激光增益晶体的小发射截面特性即可实现小型化紧凑型低噪声激光输出。

说明书

技术领域

本发明涉及激光技术领域，特别是涉及一种小型化低噪声全固态单频连续波激光器。

背景技术

由于全固态连续波单频激光器具有线宽窄、光束质量高、噪声低等优点，现已广泛应用于科学研究、生物医学、国防建设等各个领域。特别是近些年来量子信息领域的进一步发展对激光器光源的强度噪声提出了更高的要求。研究表明激光器的强度噪声谱达到散粒噪声基准的频率越小，该波长的激光即可实现在更宽频率范围的更高压缩度的压缩光，进而有效推进量子信息的发展。目前已经发展的强度噪声抑制技术包括光电负反馈技术、种子光注入锁定技术以及插入模式清洁器等技术。

其中，光电负反馈中的光电伺服系统会不可避免的引入额外电噪声。种子光注入锁定技术需要多套电光伺服系统实现从动激光器与主动激光器频率精确锁定，不仅增加了系统的复杂性，而且与光电负反馈类似，会将额外的电噪声不可避免地引入系统。插入模式清洁器的技术在过滤激光器高频段噪声的同时会不可避免地过滤掉部分输出激光，而且随着模式清洁器精细度的进一步提高，该类插入损耗也会进一步增大。

近期发展的通过在谐振腔内插入非线性晶体的方式来抑制激光强度噪声仅仅是在弛豫振荡频率处会有较好的抑制作用。在之前的工作中(YongruiGuo，Huadong Lu，WeinaPeng，Jing Su，AND KunchiPeng，“Intensity noise suppression of a high-powersingle-frequency CW laser by controlling thestimulated emission rate”Opticsletters，Vol.44，No.24，6033-36，(2019))，已经研究了通过操控激光器腔长来改变受激辐射速率，进而抑制激光器强度噪声的方法，但想要使得截止频率在1MHz处达到散粒噪声基准，激光器的腔长必须拉长到1m左右，使得整个激光器系统较为庞大。

综上，亟需一种新的抑制激光强度噪声的方法或者系统，解决上述存在的缺陷。

发明内容

本发明的目的是提供一种小型化低噪声全固态单频连续波激光器，可对激光器的强度噪声在宽范围内进行整体性的抑制，有效实现低噪声输出，且激光器内部结构紧凑，操作简便。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种小型化低噪声全固态单频连续波激光器，所述小型化低噪声全固态单频连续波激光器包括：

光纤耦合激光二极管，用于输出初始泵浦光；

激光整形透镜组，设置在所述初始泵浦光的光路上，用于对所述初始泵浦光进行整形并聚焦，并输出整形聚焦后的泵浦光；

单频激光器，设置在所述泵浦光的光路上，用于接收所述泵浦光，并输出激光；所述单频激光器包括第一平面激光腔镜、第二平面激光腔镜、第一平凹激光腔镜、第二平凹激光腔镜及激光增益晶体；

所述第一平面激光腔镜用于接收所述泵浦光并反射腔内振荡激光，形成第一出射光；

所述第二平面激光腔镜设置在所述第一出射光的光路上，所述第二平面激光腔镜用于接收并反射所述第一出射光，形成第二出射光；

所述第一平凹激光腔镜设置在所述第二出射光的光路上，所述第一平凹激光腔镜用于接收并反射所述第二出射光，形成第三出射光；

所述第二平凹激光腔镜设置在所述第三出射光的光路上，所述第二平凹激光腔镜用于将所述第三出射光反射至所述第一平面激光腔镜，并对所述第三出射光进行透射，输出激光；

所述激光增益晶体设置在所述第一平面激光腔镜和所述第二平面激光腔镜之间的光路上，所述激光增益晶体用于对所述第一出射光提供增益；所述激光增益晶体的受激发射截面小于2×10

可选地，所述单频激光器还包括：

倍频晶体，设置在所述第一平凹激光腔镜及所述第二平凹激光腔镜的腰斑处，用于对所述第三出射光的波长进行变频。

可选地，所述单频激光器还包括：

光学单向器，设置在所述激光增益晶体及所述第二平面激光腔镜之间的光路上。

可选地，所述光学单向器包括：

磁致旋光晶体，设置在所述激光增益晶体与所述第二平面激光腔镜之间的光路上；

半波片，设置在所述磁致旋光晶体与所述第二平面激光腔镜之间的光路上。

可选地，所述单频激光器还包括：

光学单向器，设置在所述第一平面激光腔镜与所述第二平凹激光腔镜之间的光路上。

可选地，所述光学单向器包括：

磁致旋光晶体，设置在所述第一平面激光腔镜与所述第二平凹激光腔镜之间的光路上；

半波片，设置在所述磁致旋光晶体与所述第一平面激光腔镜之间的光路上。

可选地，所述单频激光器还包括：第三平面激光腔镜和第四平面激光腔镜；

所述第三平面激光腔镜设置在所述第二平面激光腔镜与所述第一平凹激光腔镜之间的光路上，所述第三平面激光腔镜用于将所述第二出射光反射至所述第一平凹激光腔镜；

所述第四平面激光腔镜设置在所述第一平面激光腔镜与所述第二平凹激光腔镜之间，所述第四平面激光腔镜用于将所述第二平凹激光腔镜的出射光反射至所述第一平面激光腔镜。

可选地，所述第三平面激光腔镜镀有基频光高反膜。

可选地，所述第四平面激光腔镜镀有基频光高反膜。

可选地，所述第一平面激光腔镜镀有泵浦光高透膜和基频光高反膜；所述第二平面激光腔镜镀有基频光高反膜；所述第一平凹激光腔镜镀有基频光高反膜；所述第二平凹激光腔镜镀有基频光部分透射膜和倍频光高透膜。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：通过利用具有小的受激发射截面的激光增益晶体实现小型低噪声输出的全固态单频连续波激光器，可对激光器的强度噪声在宽频范围内进行整体性的抑制作用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明四镜环形谐振腔的结构示意图；

图2为本发明六镜环形谐振腔的结构示意图；

图3为理论计算的单频连续波激光器输出噪声的截止频率(SNL cutofffrequency)与激光增益晶体受激发射截面(SECS of the laser crystal)之间的关系图；

图4为实际测量的以Nd:CaYAlO

符号说明：

1-光纤耦合激光二极管，2-激光整形透镜组，3-单频激光器，4-第一平面激光腔镜，5-第二平面激光腔镜，6-第一平凹激光腔镜，7-第二平凹激光腔镜，8-激光增益晶体，9-倍频晶体，10-磁致旋光晶体，11-半波片，12-第三平面激光腔镜，13-第四平面激光腔镜。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种小型化低噪声全固态单频连续波激光器，通过利用具有小的受激发射截面的激光增益晶体实现小型低噪声输出的全固态单频连续波激光器，可对激光器的强度噪声在宽频范围内进行整体性的抑制作用。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1和图2所示，本发明所提供的小型化低噪声全固态单频连续波激光器包括：光纤耦合激光二极管1、激光整形透镜组2、单频激光器3以及激光增益晶体8。

其中，所述光纤耦合激光二极管1用于输出初始泵浦光；

具体地，所述光纤耦合激光二极管1的泵浦方式为端面泵浦或者侧面泵浦。所述光纤耦合激光二极管1的泵浦方式为单端泵浦或者双端泵浦。

进一步地，所述光纤耦合激光二极管1的中心波长为808nm，光纤芯径为400μm，数值孔径为0.22，最大输出功率为15W。

所述激光整形透镜组2设置在所述初始泵浦光的光路上，所述激光整形透镜组2用于对所述初始泵浦光进行整形并聚焦，并输出整形聚焦后的泵浦光。

具体地，激光整形透镜组2包括焦距30mm透镜以及焦距为80mm透镜。

所述初始泵浦光经过焦距30mm透镜的整形作用及焦距为80mm透镜的聚焦作用将所述整形聚焦后的泵浦光聚焦在激光增益晶体8处。

所述单频激光器3设置在所述泵浦光的光路上，所述单频激光器3用于接收所述泵浦光，并输出激光；所述单频激光器3的腔型为单向运转的环形谐振腔。

具体地，所述单频激光器3包括：第一平面激光腔镜4、第二平面激光腔镜5、第一平凹激光腔镜6、第二平凹激光腔镜7及激光增益晶体8。

所述第一平面激光腔镜4用于接收所述泵浦光并反射腔内振荡激光，形成第一出射光；

所述第二平面激光腔镜5设置在所述第一出射光的光路上，所述第二平面激光腔镜5用于接收并反射所述第一出射光，形成第二出射光；

所述第一平凹激光腔镜6设置在所述第二出射光的光路上，所述第一平凹激光腔镜6用于接收并反射所述第二出射光，形成第三出射光；

所述第二平凹激光腔镜7设置在所述第三出射光的光路上，所述第二平凹激光腔镜7用于将所述第三出射光反射至所述第一平面激光腔镜4，并对所述第三出射光进行透射，输出激光；

所述激光增益晶体8设置在所述第一平面激光腔镜4和所述第二平面激光腔镜5之间的光路上，所述激光增益晶体8用于对所述第一出射光提供增益；所述激光增益晶体8的受激发射截面小于2×10

具体地，具有小的受激发射截面的激光增益晶体有Nd:CaYAlO

具体地，在实验中，通过铟箔将所述激光增益晶体8包裹，并真空铟焊放置于导热性能良好的紫铜炉中，且采用热电致冷器(TEC)和冷却循环水配合制冷的紫铜热沉，精准控制所述激光增益晶体8温度，控制的精度为0.01℃。

进一步地，所述单频激光器3还包括倍频晶体9。所述倍频晶体9设置在所述第一平凹激光腔镜6及所述第二平凹激光腔镜7的腰斑处，用于对所述第三出射光的波长进行变频。具体地，将所述倍频晶体9设置在所述第一平凹激光腔镜6及所述第二平凹激光腔镜7的腰斑处保证了该倍频晶体9的非线性效应最大。

具体地，所述倍频晶体9的材料为三硼酸锂晶体、硼酸铋晶体、偏硼酸钡晶体、周期极化磷酸钛氧钾晶体或者周期极化钽酸锂晶体。

进一步地，在本实施例中，所述倍频晶体9采用Ⅰ类非临界相位匹配的三硼酸锂晶体晶体；实验中，将所述倍频晶体9放置在紫铜保温炉中，相位匹配温度为136.9℃，晶体控温精度为0.1℃。

进一步地，所述单频激光器3还包括光学单向器。所述光学单向器设置在所述激光增益晶体8及所述第二平面激光腔镜5之间的光路上。

具体地，所述光学单向器包括：磁致旋光晶体10及半波片11。

所述磁致旋光晶体10设置在所述激光增益晶体8与所述第二平面激光腔镜5之间的光路上；

所述半波片11设置在所述磁致旋光晶体10与所述第二平面激光腔镜5之间的光路上。

此外，本发明还提供另一种光学单向器位置的实施例；具体地，所述光学单向器设置在所述第一平面激光腔镜4与所述第二平凹激光腔镜7之间的光路上；

所述光学单向器包括：磁致旋光晶体10及半波片11。所述磁致旋光晶体10设置在所述第一平面激光腔镜4与所述第二平凹激光腔镜7之间的光路上；所述半波片11设置在所述磁致旋光晶体10与所述第一平面激光腔镜4之间的光路上。

具体地，外加磁场的磁致旋光晶体10和振荡激光波长对应的半波片11构成光学单向器，可消除空间烧孔效应，保证腔内振荡激光在激光器环形谐振腔内稳定单向运转。

进一步地，所述单频激光器3还包括：第三平面激光腔镜12和第四平面激光腔镜13。

其中，所述第三平面激光腔镜12设置在所述第二平面激光腔镜5与所述第一平凹激光腔镜6之间的光路上，所述第三平面激光腔镜12用于将所述第二出射光反射至所述第一平凹激光腔镜6；

所述第四平面激光腔镜13设置在所述第一平面激光腔镜4与所述第二平凹激光腔镜7之间，所述第四平面激光腔镜13用于将所述第二平凹激光腔镜7的出射光反射至所述第一平面激光腔镜4。

具体地，所述第三平面激光腔镜12镀有基频光高反膜。所述第四平面激光腔镜13镀有基频光高反膜。

进一步地，所述第一平面激光腔镜4镀有泵浦光高透膜和基频光高反膜；所述第二平面激光腔镜5镀有基频光高反膜；所述第一平凹激光腔镜6镀有基频光高反膜；所述第二平凹激光腔镜7镀有基频光部分透射膜和倍频光高透膜。

进一步地，本发明所提供的一种小型化低噪声全固态单频连续波激光器的一种实施例，如图1所示，本发明小型化低噪声全固态单频连续波激光器为四镜环形谐振腔实现低噪声输出的全固态单频连续波激光器。具体地。所述四镜环形谐振腔实现低噪声输出的全固态单频连续波激光器包括光纤耦合激光二极管1、激光整形透镜组2以及单频激光器3。所述单频激光器3包括第一平面激光腔镜4、第二平面激光腔镜5、第一平凹激光腔镜6、第二平凹激光腔镜7、具有小的受激发射截面的激光增益晶体8、倍频晶体9、外加磁场的磁致旋光晶体10以及振荡激光波长对应的半波片11。其中，光纤耦合激光二极管1的中心波长为808nm，光纤芯径和数值孔径分别为400μm和0.22，最大输出功率为15W。光纤耦合输出的泵浦光经过焦距30mm透镜的整形作用及焦距为80mm透镜的聚焦作用聚焦在激光增益晶体8处。本实施例中的光学谐振腔为四镜环形腔，其中第一平面激光腔镜4镀泵浦光高透膜和基频光高反膜；第二平面激光腔镜5镀基频光高反膜；第一平凹激光腔镜6镀基频光高反膜；第二平凹激光腔镜7镀基频光部分透射膜和倍频光高透膜。激光增益晶体8为具有小的受激发射截面的Nd:CaYAlO

进一步地，本发明所提供的一种小型化低噪声全固态单频连续波激光器的另一种实施例，如图2所示，本发明小型化低噪声全固态单频连续波激光器为六镜环形谐振腔实现低噪声输出的全固态单频连续波激光器。具体地，所述六镜环形谐振腔实现低噪声输出的全固态单频连续波激光器包括光纤耦合激光二极管1、激光整形透镜组2以及单频激光器3。其中所述单频激光器包括第一平面激光腔镜4、第二平面激光腔镜5、第三平面激光腔镜12、第四平面激光腔镜13、第一平凹激光腔镜6、第二平凹激光腔镜7、具有小的受激发射截面的激光增益晶体8、倍频晶体9、外加磁场的磁致旋光晶体10以及振荡激光波长对应的半波片11。光纤耦合激光二极管1的中心波长为808nm，光纤芯径和数值孔径分别为400μm和0.22，最大输出功率为15W。光纤耦合输出的泵浦光经过焦距30mm透镜的整形作用及焦距为80mm透镜的聚焦作用将泵浦光聚焦在激光增益晶体8处。本实施例设计的光学谐振腔为六镜环形腔，其中第一平面激光腔镜4镀泵浦光高透膜和基频光高反膜；第二平面激光腔镜5镀基频光高反膜；第三平面激光腔镜12镀基频光高反膜；第四平面激光腔镜13镀基频光高反膜；第一平凹激光腔镜6镀基频光高反膜；第二平凹激光腔镜7镀基频光部分透射膜和倍频光高透膜。激光增益晶体8为具有小的受激发射截面的Nd:CaYAlO

本发明中，当激光腔型参数和泵浦条件一定时，只需利用激光增益晶体8的小发射截面特性即可改善现有全固态连续波激光器在宽频范围内具有较高强度噪声的问题，当激光增益晶体8受激发射截面的小于2×10

本发明提供的一种小型化低噪声全固态单频连续波激光器，其原理为：

单频连续波激光器的强度噪声谱函数可以表示为：

V

其中，k

γ

其中，α

其中，σ

由上述强度噪声谱函数公式可以看出激光器的强度噪声与驰豫振荡频率以及驰豫振荡的阻尼速率成正比。将强度噪声谱V

如图3，理论计算的单频连续波激光器输出噪声的截止频率(SNL cutofffrequency)与激光增益晶体受激发射截面(SECS of the laser crystal)之间的关系图表明单频连续波激光器输出强度噪声的截止频率与激光增益晶体受激发射截面成正比关系，当Nd

如图4为实际测量的以Nd:CaYAlO

本发明在实现低噪声全固态单频连续波激光器输出时，操作简便，不需要额外增加光电伺服系统，因此不会引入额外的电噪声以及增加锁定系统对环境的灵敏性，且不需要额外插入滤除激光器噪声的装置，因此不会额外损耗激光器功率以及引入噪声，当激光腔型参数和泵浦条件一定时，只需利用激光增益晶体的小发射截面特性即可改善现有全固态连续波激光器在宽频范围内具有较高强度噪声的问题，对激光器的强度噪声在宽频范围内进行整体性的抑制作用，当激光增益晶体受激发射截面的小于2×10

本发明的核心是利用具有小的受激发射截面的激光增益晶体实现低噪声输出的全固态单频连续波激光器，凡是使用激光增益晶体小的受激发射截面特性减小G参数(原子跃迁与激光腔模之间的耦合辐射速率)以实现低噪声全固态单频连续波激光输出都属于本发明的保护范围。上述实施方式只是几种典型结构。具有小发射截面的激光增益晶体种类还有很多，因此具体实施方案还有很多种。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。