基于双角锥谐振腔的1.6μm注入锁定固体激光器及发生方法

摘要

本发明涉及一种基于双角锥谐振腔的1.6μm注入锁定固体激光器及发生方法，由非平面环形腔提供种子激光，由两个角锥棱镜构成谐振腔，采用补偿透镜对双角锥激光器的稳定性进行补偿，采用声光Q开关作为调Q元件，二分之一波片对双角锥激光器的输出功率进行调节，采用粘有压电陶瓷的双楔镜对双角锥激光器腔长进行调节，进而与1.6μm单频连续种子激光的谐振频率匹配，谐振信号由InGaAs探测器反馈到控制电路中，控制电路控制声光Q开关完成种子光注入，从而实现单频大能量1.6μm脉冲激光输出。本发明采用双角锥激光器进行注入锁定，利用角锥棱镜的反射特性，增强谐振腔的稳定性，避免受环境干扰，本发明能够保证激光器谐振腔的抗失谐特性。

说明书

技术领域

本发明属于激光器技术领域，具体涉及一种基于双角锥谐振腔的1.6μm注入锁定固体激光器及发生方法。

背景技术

由于1.6μm激光位于大气传输窗口，同时其接收器件发展较成熟，与2μm激光相比，人眼安全阈值高出10倍。因此单频、大能量1.6μm脉冲激光器在相干多普勒测风雷达、差分吸收激光雷达、激光成像雷达等领域有着极其重要的应用。

目前，实现单频、大能量脉冲激光输出主要采用注入锁定技术。注入锁定技术的工作原理是将单频、窄线宽的种子激光注入进输出功率较高的从激光器内，实现窄线宽、高功率激光输出，适合于相干激光雷达应用。

但是，由于振动、环境温度变化、空气干扰等因素的影响，从激光器极易产生失谐，失谐会明显影响从激光器稳定运行，而从激光器失谐的主要原因是腔内振荡光由于腔镜法线有倾角受到调制影响而偏出腔外，而且腔镜失谐角只要达到角秒量级，就会导致激光器输出模式不稳定，输出能量降低，导致1.6μm单频脉冲激光器无法长时间稳定工作在各种应用中。因此，如何改善1.6μm单频固体激光器的抗失谐能力，成为了实现单频1.6μm激光器工程化应用的研究重点。

发明内容

本发明旨在提高单频、大能量1.6μm固体激光器的抗失谐能力。结合角锥谐振腔具有抗失谐、稳定性强等特点，本发明提出了一种基于双角锥谐振腔的1.6μm注入锁定固体激光器，该激光器兼具单频、大能量、抗失谐能力强、能长时间稳定运行等特点。

本发明通过以下技术方案实现：

基于双角锥谐振腔的1.6μm注入锁定固体激光器，包括1.6μm单频连续种子激光源、双角锥激光器、InGaAs探测器以及控制电路；

双角锥激光器包括：双角锥激光器泵浦源；底面平行相对放置的第一角锥棱镜和第二角锥棱镜构成的环形谐振腔，环形谐振腔内有两个平行的光路，第一光路上依次包括二分之一波片、第一偏振片、Er:YAG晶体、第二偏振片，第一偏振片和第二偏振片相对称的倾斜45度；第二光路上依次包括声光Q开关、补偿透镜、双楔镜、取谐振信号镜；

双角锥激光器泵浦源发出的光路垂直于环形谐振腔内的第一光路，入射到第一偏振片，经第一偏振片反射至Er:YAG晶体中心；

双楔镜上设有压电陶瓷；取谐振信号镜的反射光路上设有InGaAs探测器；InGaAs探测器与控制电路连接，控制电路分别控制连接压电陶瓷、声光Q开关；

1.6μm单频连续种子激光源采用非平面环形腔(NPRO)结构获得，通过反射镜14注入进双角锥激光器的第一偏振片。

第一偏振片朝向Er:YAG晶体一侧的为正面，正面的膜系为对1.5μm泵浦光高反、对1.6μm输出激光高透，第一偏振片另一侧为反面，反面的膜系为对1.6μm垂直偏振光高反、对1.6μm水平偏振光高透；双角锥激光器泵浦源发出的光路入射到第一偏振片的正面，1.6μm单频连续种子激光源的光路进入到第一偏振片的反面；第二偏振片的镀膜参数与第一偏振片对称。

Er:YAG晶体长度为40mm，截面尺寸为1.7*5.5mm，晶体掺杂浓度为0.5％，Er:YAG晶体的双端镀有对1.5μm和1.6μm高透膜。

声光Q开关的射频功率为20W，材料为熔融石英。

第一角锥棱镜和第二角锥棱镜结构相同，直径为40mm，高度35mm，材质为熔融石英，入射面镀有对1.5μm和1.6μm高透膜。

上述基于双角锥谐振腔的1.6μm注入锁定固体激光器的发生方法，由非平面环形腔(NPRO)提供种子激光，由两个角锥棱镜构成谐振腔，采用补偿透镜对双角锥激光器的稳定性进行补偿，采用声光Q开关作为调Q元件，二分之一波片对双角锥激光器的输出功率进行调节，采用粘有压电陶瓷的双楔镜对双角锥激光器腔长进行调节，进而与1.6μm单频连续种子激光的谐振频率匹配，谐振信号由InGaAs探测器反馈到控制电路中，控制电路控制声光Q开关完成种子光注入，从而实现单频大能量1.6μm脉冲激光输出。

具体的发生方法为，双角锥激光器泵浦源发出的光入射到第一偏振片，经第一偏振片反射，双角锥激光器泵浦源发出的光被反射至Er:YAG晶体中心；Er:YAG晶体在双角锥激光器泵浦源的抽运下，两端分别产生一个方向相反的1645nm激光，两个1645nm激光均在环形谐振腔内的第一光路上，并且分别入射到第一偏振片和第二偏振片；

在1.6μm单频连续种子激光源的注入下，双角锥激光器内1.6μm单频连续种子激光模式占主导地位，双角锥激光器实现与1.6μm单频连续种子激光运转方向相同的单向1645nm激光运转，即同为入射到第一偏振片的方向；入射到第一偏振片方向运转的1645nm激光经第一偏振片透射至二分之一波片，二分之一波片用来调节注入的1.6μm单频连续种子激光的功率以及调节双角锥激光器输出功率；经二分之一波片调节后到达第一角锥棱镜，在第一角锥棱镜内经过三次全反射；全反射后进入环形谐振腔内的第二光路上，首先到达声光Q开关，声光Q开关的作用是配合1.6μm单频连续种子激光源信号的打开和关断，实现注入锁定后单频脉冲光的输出；1645nm激光经声光Q开关透射后，经补偿透镜透射，补偿透镜的作用是保证双角锥激光器稳定运转；再经粘有压电陶瓷的双楔镜透射，通过周期变化的锯齿波电压驱动压电陶瓷，使得压电陶瓷的厚度周期性改变，从而实现对双角锥激光器腔长的周期性改变，导致双角锥激光器的固有频率发生周期性改变，当注入的1.6μm单频连续种子激光的频率与双角锥激光器固有频率相同时，两者发生干涉，干涉信号经取谐振信号镜反射，进入InGaAs探测器，进而反馈给控制电路，控制电路控制声光Q开关工作；经第二角锥棱镜反射后，进入环形谐振腔内的第一光路上，再经第二偏振片反射后实现单频、大能量激光输出。

本发明所述双角锥激光器可以有效避免振动、环境干扰等因素导致的谐振腔失谐，从而影响谐振腔稳定运行。由于以空间任何角度入射到角锥棱镜的激光都能平行入射光线反向输出，因此无论角锥棱镜发生怎样的失谐，谐振腔中的振荡光路始终保持不变，激光器模体积也不会发生改变，对输出激光不会有任何影响。

本发明的有益效果如下：

本发明采用双角锥激光器进行注入锁定，利用角锥棱镜的反射特性，增强谐振腔的稳定性，避免受环境干扰，本发明能够保证激光器谐振腔的抗失谐特性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为1645μm激光在角锥棱镜内三次全反射示意图。

具体实施方式

结合附图和实施例说明本发明的具体技术方案。

如图1所示，基于双角锥谐振腔的1.6μm注入锁定固体激光器，包括1.6μm单频连续种子激光源15、双角锥激光器、InGaAs探测器8以及控制电路9；

双角锥激光器包括：双角锥激光器泵浦源16；底面平行相对放置的第一角锥棱镜1和第二角锥棱镜2构成的环形谐振腔，环形谐振腔内有两个平行的光路，第一光路上依次包括二分之一波片3、第一偏振片4、Er:YAG晶体5、第二偏振片6，第一偏振片4和第二偏振片6相对称的倾斜45度；第二光路上依次包括声光Q开关13、补偿透镜12、双楔镜10、取谐振信号镜7；

双角锥激光器泵浦源16发出的光路垂直于环形谐振腔内的第一光路，入射到第一偏振片4，经第一偏振片4反射至Er:YAG晶体5中心；

双楔镜10上设有压电陶瓷(PZT)11；取谐振信号镜7的反射光路上设有InGaAs探测器8；InGaAs探测器8与控制电路9连接，控制电路9分别控制连接压电陶瓷(PZT)11、声光Q开关13；

1.6μm单频连续种子激光源15采用非平面环形腔(NPRO)结构获得，通过反射镜14注入进双角锥激光器的第一偏振片4。

第一偏振片4朝向Er:YAG晶体5一侧的为正面，正面的膜系为对1.5μm泵浦光高反、对1.6μm输出激光高透，第一偏振片4另一侧为反面，反面的膜系为对1.6μm垂直偏振光高反、对1.6μm水平偏振光高透；双角锥激光器泵浦源16发出的光路入射到第一偏振片4的正面，1.6μm单频连续种子激光源15的光路进入到第一偏振片4的反面；第二偏振片6的镀膜参数与第一偏振片4对称。

Er:YAG晶体5长度为40mm，截面尺寸为1.7*5.5mm，晶体掺杂浓度为0.5％，Er:YAG晶体5的双端镀有对1.5μm和1.6μm高透膜。

声光Q开关13的射频功率为20W，材料为熔融石英。

第一角锥棱镜1和第二角锥棱镜2结构相同，直径为40mm，高度35mm，材质为“康宁7979”熔融石英，入射面镀有对1.5μm和1.6μm高透膜。

基于双角锥谐振腔的1.6μm注入锁定固体激光器的发生方法，由非平面环形腔(NPRO)提供种子激光，由两个角锥棱镜构成谐振腔，采用补偿透镜对双角锥激光器的稳定性进行补偿，采用声光Q开关13作为调Q元件，二分之一波片3对双角锥激光器的输出功率进行调节，采用粘有压电陶瓷(PZT)11的双楔镜10对双角锥激光器腔长进行调节，进而与1.6μm单频连续种子激光的谐振频率匹配，谐振信号由InGaAs探测器8反馈到控制电路9中，控制电路9控制声光Q开关13完成种子光注入，从而实现单频大能量1.6μm脉冲激光输出。

其中种子激光为1.6μm单频连续种子激光源15，从激光器为双角锥激光器。

如图1所示，双角锥激光器泵浦源16的光路由a方向以45°角入射第一偏振片4，第一偏振片4将双角锥激光器泵浦源反射至Er:YAG晶体5中心。第二偏振片6将Er:YAG晶体5未吸收的泵浦光反射出腔外，第二偏振片6的镀膜参数与第一偏振片4相同，Er:YAG晶体5在双角锥激光器泵浦源的抽运下，产生波长为1645nm激光，向b和c两个方向同时振荡，在由非平面环形腔(NPRO)产生的1.6μm单频连续种子激光源15的光路注入下，双角锥激光器内单频连续种子激光模式占主导地位，因此双角锥激光器实现与1.6μm单频连续种子激光运转方向相同的b方向激光运转。

双角锥激光器产生的1645nm激光经第一偏振片4透射至二分之一波片3，通过调节二分之一波片3与光轴的夹角，调节注入的1.6μm单频连续种子激光源15的功率以及改变谐振腔的输出功率；双角锥激光器产生的1645nm激光经二分之一波片3透射后，出射光到达第一角锥棱镜1，在第一角锥棱镜1内经过三次全反射后到达声光Q开关，三次全反射示意图如图2所示。

1645nm激光经声光Q开关透射后到达补偿透镜12，补偿透镜12焦距为100mm，与Er:YAG晶体5关于谐振腔对称放置，补偿透镜12的作用是保证双角锥激光器稳定运转；粘有压电陶瓷(PZT)11的双楔镜10用来控制双角锥激光器腔长的改变，从而使双角锥激光器具有周期性变化的谐振频率，当双角锥激光器的谐振频率与注入的1.6μm单频连续种子激光频率相同时，双角锥激光器获得锁频信号，经取谐振信号镜7反射后由InGaAs探测器8探测，InGaAs探测器8接模拟信号放大器对锁频信号进行放大，然后将放大后的电压信号输入到控制电路9当中的比较器，通过设置合适的比较电平，当检测到的电压信号大于比较电平时，声光Q开关13打开，从而输出单频大能量脉冲激光。