[發明專利]高功率內腔倍頻單頻激光器

有效

• 申請號: 201510040593.9
• 申請日: 2015-01-27
• 公開（公告）號: CN104577695B
• 公開（公告）日: 2018-04-03
• 發明（設計）人: 盧華東;尹祺巍;彭堃墀
• 申請（專利權）人: 山西大學
• 主分類號: H01S3/109
• 分類號: H01S3/109;H01S3/10
• 代理公司: 山西五維專利事務所(有限公司)14105
• 代理人: 張福增

技術領域

本發明涉及單頻激光器，具體屬于一種能實現高功率輸出的內腔倍頻單頻激光器。

背景技術

全固態內腔倍頻單頻激光器因其能獲得較高的輸出功率、較好的光束質量、較低的強度噪聲等優點而被廣泛應用于量子光學、量子通訊、全息攝影、超精細光譜和冷原子物理等領域。目前已有多種方法可實現激光器的單頻運轉，例如扭轉模腔、短諧振腔、標準具選模及雙折射濾光片選模。但是要想獲得高輸出功率的全固態連續內腔倍頻單頻激光器，通常采用包含有光學單向器的環形諧振腔，通過消除空間燒孔效應進行選模，最終使激光器穩定地單頻運轉。光學單向器包含有法拉第旋轉器和半波片，而法拉第旋轉器則由永磁體和置于其通光孔徑內的磁光介質組成。很多光學玻璃可以用作磁光介質，如Tb-10、Tb-12、Tb-15等。但相對于其他的磁光介質，單晶TGG(Terbium Gallium Garnet)因在可見光到近紅外波段具有較高的Verdet常數、良好的導熱性、較低的透射損耗以及較高的抗激光損傷閾值等優點，從而成為制作法拉第旋轉器和隔離器的最佳磁光材料。

TGG晶體因其對腔內激光的吸收系數遠小于激光晶體對泵浦光的吸收系數，所以它的熱透鏡效應對激光器的影響并未得到充分重視。然而在高功率內腔倍頻的單頻激光器的研制中，為了使諧振腔內基頻光的功率密度最大，諧振腔腔鏡均需要鍍有對基頻光高反的膜。從而使得腔內基頻光的功率高達數百瓦甚至上千瓦，并且基模光束在TGG晶體中的束腰又很小，約為0.5mm，即使TGG晶體對基頻光的吸收系數較小，但產生的熱效應同樣是不可忽略的。TGG晶體對腔內激光的吸收導致其橫截面上出現不均勻的溫度分布，從而產生三種對激光器性能有影響的物理效應：熱透鏡，熱致雙折射和Verdet常數隨溫度變化導致的偏振旋轉角度的不均勻。前者會導致腔模光束畸變，后兩者會導致法拉第旋轉角度的變化進而影響隔離比，從而使得激光器不能單向運轉，最終影響了激光器的單頻運轉特性。

發明內容

本發明目的在于克服TGG晶體的熱效應對單頻內腔倍頻激光器的不利影響，提供一種調試和操作簡單，便于實現而且能獲得高功率輸出的全固態連續單頻內腔倍頻激光器。該激光器在保證高輸出功率的基礎上，運轉更加穩定。

本發明所提供的一種高功率內腔倍頻單頻激光器，包括泵浦源、增益晶體、環形諧振腔、單向器以及倍頻晶體；所述的環形諧振腔的第一平凹鏡鍍有對基頻光有一定透射率而對倍頻光高透的膜，以在保證倍頻光功率的前提下，拓寬穩區從而獲得平滑的輸出功率曲線。所述的第一平凹鏡一方面組成了激光器的諧振腔，另一方面通過鍍膜可以調控激光器的腔內功率密度進而調控組成單向器的TGG晶體的熱透鏡效應，實現激光器的高效高功率的單頻運轉。

所述的光學單向器是由外加磁場的磁致旋光晶體和半波片組成；所述的磁致旋光晶體是TGG晶體。所述的環形諧振腔是單向運行的行波腔。

所述的泵浦源的泵浦方式是端面泵浦。

所述的泵浦源的數量為1個或1個以上。

所述的泵浦源的泵浦功率大于50W。

本發明利用對基頻光鍍有一定透射率膜的平凹腔鏡，可以有效操控單頻高功率激光器的腔內功率密度，進而調控組成單向器的TGG晶體因吸收腔內基頻光而導致的熱透鏡效應，最終擴大激光器的工作穩區，使激光器工作在較寬的熱不靈敏區域，從而獲得高穩定度的高效高功率單頻腔內倍頻激光器。例如，在通常情況下，第一平凹鏡鍍有對基頻光高反而對倍頻光高透的膜，在泵浦功率為80W時，激光器諧振腔腔內的功率密度在TGG晶體處可達567W/mm²，TGG晶體對1064nm激光的吸收系數為0.002/cm，這樣導致的TGG晶體的熱透鏡焦距為408mm；而當輸出耦合鏡對基頻光的透射率為2％時，激光器諧振腔腔內的功率密度在TGG晶體處只有505W/mm²，這樣導致的TGG晶體的熱透鏡焦距為458mm。也就是說，通過操控輸出耦合鏡的透射率可有效操控激光器諧振腔的腔內功率密度進而改善TGG晶體因吸收腔內基頻光而導致的熱透鏡效應，最終改善激光器的單頻運轉特性，從而獲得高效高功率單頻腔內倍頻激光器。

本發明所設計的高功率內腔倍頻單頻激光器與已報道的同類激光器相比較有以下優點：

1、通過在輸出耦合鏡上鍍有對基頻光有一定透射率的膜，可以實現對激光器諧振腔內的功率密度進行操控，進而減小TGG晶體的熱透鏡效應，最終實現激光器高效穩定的單頻運轉。

2、通過在輸出耦合鏡上鍍有對基頻光有一定透射率的膜，可以獲得一種單頻運轉的雙波長激光器，滿足不同用戶的需求。