[發(fā)明專利]一種新型的直接產(chǎn)生脈沖調(diào)Q的倍頻復(fù)雜橫模輸出的微型激光器裝置

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011182989.4
• 申請(qǐng)日: 2020-10-29
• 公開（公告）號(hào): CN112290367A
• 公開（公告）日: 2021-01-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張子龍;高原;趙長(zhǎng)明;張海洋;趙蘇怡
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京理工大學(xué)
• 主分類號(hào): H01S3/109
• 分類號(hào): H01S3/109;H01S3/11;H01S3/16
• 代理公司: 暫無(wú)信息
• 代理人: 暫無(wú)信息

本發(fā)明專利是一款新型的直接產(chǎn)生脈沖調(diào)Q的倍頻復(fù)雜橫模輸出的微型激光器裝置。該裝置包括增益晶體、可飽和吸收體、倍頻晶體和熱沉四部分。其中增益晶體為Nd:YAG晶體，用以產(chǎn)生基頻光，可飽和吸收體為Cr:YAG晶體，用以實(shí)現(xiàn)被動(dòng)調(diào)Q產(chǎn)生脈沖輸出，倍頻晶體為L(zhǎng)iTaO₃晶體，用以對(duì)基頻光倍頻并倍增橫模階數(shù)。增益晶體和倍頻晶體的一側(cè)鍍膜構(gòu)成了諧振腔，外側(cè)均貼有銅熱沉以增加微片導(dǎo)熱效率保證裝置正常工作。本裝置能夠有效得到高階橫模激光輸出，并且裝置簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)緊湊穩(wěn)定。

技術(shù)領(lǐng)域：

本發(fā)明涉及微片脈沖激光技術(shù)和倍頻激光技術(shù)，特別是涉及可直接產(chǎn)生復(fù)雜橫模模式的微片脈沖激光技術(shù)。

背景技術(shù)：

復(fù)雜橫模輸出的激光光束在粒子操縱、光通信和3D打印等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。在粒子操縱中，激光光斑形狀是影響粒子定向操縱的主要因素；而在光通信領(lǐng)域中，渦旋光束中光子攜帶的軌道角動(dòng)量同光束階數(shù)l成正比。常見的獲得高階橫模激光輸出的方法主要是通過(guò)在諧振腔內(nèi)添加相位元件或吸收環(huán)等元件來(lái)得到高階橫模輸出，我們的方法和它們完全不同，并且更加簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)更加緊湊和穩(wěn)定。

發(fā)明內(nèi)容：

本發(fā)明利用微片結(jié)構(gòu)的增益介質(zhì)產(chǎn)生初始頻率激光。由于可飽和吸收體，僅當(dāng)初始頻率激光功率足夠高時(shí)才能穿過(guò)可飽和吸收體，經(jīng)過(guò)倍頻晶體實(shí)現(xiàn)第一類相位匹配倍頻得到脈沖激光輸出。在激光倍頻的過(guò)程中，不僅激光的頻率變?yōu)樵l率的二倍，激光的橫模階數(shù)也變?yōu)樵A數(shù)的二倍，從而實(shí)現(xiàn)高階復(fù)雜橫模模式輸出。

本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題采用的技術(shù)方案如下：

激光器諧振腔由三種晶體組成：其中兩個(gè)為增益介質(zhì)和可飽和吸收體，用來(lái)產(chǎn)生脈沖激光。另一個(gè)為倍頻晶體，使微片激光器的輸出倍頻并使橫模模式階數(shù)翻倍。為了減小激光器的體積，方便激光器的可集成化，三種晶體都采用微片結(jié)構(gòu)。厚度均不超過(guò)1mm，橫截面積為5mm*5mm。

當(dāng)腔內(nèi)初始1064nm波長(zhǎng)的激光功率較低時(shí)，激光無(wú)法通過(guò)可飽和吸收體。當(dāng)激光峰值功率足夠高時(shí)，初始1064nm波長(zhǎng)激光通過(guò)可飽和吸收體并經(jīng)過(guò)倍頻晶體得到532nm波長(zhǎng)的倍頻脈沖激光輸出，同時(shí)輸出激光的橫模模式階數(shù)翻倍。從而實(shí)現(xiàn)倍頻脈沖高階橫模模式激光輸出。增益晶體和倍頻晶體外都貼有銅熱沉，用以加速微片熱傳導(dǎo)，保證晶體溫度恒定，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的頻率變換。

本發(fā)明具有的有益效果是：

本技術(shù)不需要特殊的泵浦源與光束控制元件，可以直接產(chǎn)生脈沖高階橫模模式光束。另外，具有微片結(jié)構(gòu)的增益晶體、可飽和吸收體和倍頻晶體，橫截面積與厚度都可以控制在毫米量級(jí)，極大的縮小了產(chǎn)生激光器的體積，有利于集成化。

附圖說(shuō)明：

圖1為由增益介質(zhì)和倍頻晶體的結(jié)構(gòu)三視圖，主要結(jié)構(gòu)為：增益介質(zhì)、可飽和吸收體、倍頻晶體、諧振腔鏡。

圖1符號(hào)說(shuō)明如下：1，增益介質(zhì)；2，可飽和吸收體；3，倍頻晶體；4，諧振腔鏡1；5，諧振腔鏡2；6，熱沉1；7，熱沉2。

具體實(shí)施方式：

微片激光器的諧振腔由增益晶體Nd:YAG晶體、可飽和吸收體Cr:YAG晶體和倍頻晶體LiTaO₃晶體復(fù)合而成。三者采用微片結(jié)構(gòu)，厚度不超過(guò)1mm，橫截面積為5mm*5mm。以光膠的形式貼合在一起。在增益晶體端面鍍膜形成諧振腔鏡1，其對(duì)泵浦光808nm高透，對(duì)基頻光1064nm和倍頻光532nm高反。在倍頻晶體端面鍍膜形成諧振腔鏡2，其對(duì)基頻光1064nm高反，對(duì)倍頻光532nm激光高透。增益介質(zhì)、可飽和吸收體和倍頻晶體與諧振腔鏡1、諧振腔鏡2構(gòu)成了諧振腔。可飽和吸收體可以近似為二能級(jí)系統(tǒng)，其吸收系數(shù)隨光強(qiáng)的增加而減小，光強(qiáng)很大時(shí)，吸收系數(shù)為零，入射光幾乎全部透過(guò)。泵浦光剛從諧振腔鏡1端面入射時(shí)，由于可飽和吸收體吸收系數(shù)大，諧振腔損耗很大，激光器不能起振。隨著激光工作物質(zhì)中反轉(zhuǎn)集局?jǐn)?shù)的積累，放大的自發(fā)輻射逐漸增加，當(dāng)光強(qiáng)增大后，可飽和吸收體吸收系數(shù)顯著減小，激光增益大于損耗，激光器開始起振。隨著光強(qiáng)增加，吸收系數(shù)繼續(xù)減小，促使激光更迅速的增加。當(dāng)光強(qiáng)達(dá)到飽和時(shí)，增益系數(shù)下降，最終導(dǎo)致激光熄滅。這個(gè)周期重復(fù)進(jìn)行，產(chǎn)生脈沖序列。脈沖激光傳播進(jìn)倍頻晶體后，在達(dá)成第一類相位匹配條件(oo-e)后，發(fā)生倍頻效應(yīng)，激光頻率變?yōu)樵l率的二倍，并且橫模模式階數(shù)變?yōu)樵A數(shù)的二倍，LG_p,l(1064nm)光束l變?yōu)?l，波長(zhǎng)變?yōu)?32nm，其中l(wèi)為初始光束的橫模階數(shù)，實(shí)現(xiàn)了脈沖倍頻高階橫模激光輸出。在增益晶體和倍頻晶體外都貼有一層銅熱沉，熱沉中心有3mm直徑的孔徑用以通光，熱沉用以加速微片的熱傳導(dǎo)，保證晶體溫度恒定，降低晶體熱效應(yīng)的影響并實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的頻率變換。