技术领域
[0001] 本
发明涉及全固态激光技术领域，尤其涉及一种结构紧凑的瓦级连续波内腔倍频单频激光器，激光
谐振腔采用直腔
驻波腔结构。
背景技术
[0002] 在量子光学、冷
原子物理、原子分子
光谱等
基础科学研究中，可见光波段的瓦级连续单频激光器是必不可少的。通常采用对
二极管泵浦的固体激光器进行内腔倍频来获得可见光。但是，二极管泵浦的固体激光器通常多纵模运转，在腔内倍频过程中，腔内各振荡纵模的和频过程和空间烧孔效应引起的各纵模交叉饱和两个非线性过程共同作用，导致光
能量在各个纵模间不断转换，产生绿光输出功率的
波动，即所谓的“绿光问题”。解决“绿光问题”的一个直接方法就是迫使激光器单频运转。
[0003] 当前，实现全固态连续波内腔倍频单频激光器运转的方法通常采用行波腔和微片激光器，采用行波腔设计可以获得几瓦甚至数十瓦的高功率单频激光，但是其体积过于庞大、结构复杂，不易于调节谐振腔的闭合，且其成本较高，即行波腔激光器的输出功率高，但系统复杂，光路调整难度较大。微片激光器的结构简单，但不能获得高功率输出，且其转化效率很低。实际应用中通常需要全固态内腔倍频激光器输出数百毫瓦到数瓦的单频倍频激光，而这类激光通常采用行波腔，这样系统复杂、造价昂贵（数十万元），且调谐性能较差。本发明将寻找一种内腔倍频单频激光的新设计方案，旨在降低系统的复杂度和成本（万元以内），同时单频激光输出激光功率达到数瓦级，且
波长易于调谐。
发明内容
[0004] 针对内腔倍频激光器系统的复杂度较高、结构和尺寸较大的技术问题，本发明提出一种结构紧凑的瓦级连续波内腔倍频单频激光器，是一种简易全固态内腔倍频单频激光稳定高效的产生方法，实现内腔倍频单频激光器的高效、稳定、可调谐运转，且结构简单，成本低。
[0005] 为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种结构紧凑的瓦级连续波内腔倍频单频激光器，包括依次设置的LD泵浦源、聚焦透镜、驻波腔和
准直透镜，驻波腔内依次设有激光晶体、光阑、倍频晶体、双折射滤波片和输出耦合镜，LD泵浦源、激光晶体、倍频晶体和双折射滤波片均设有TEC制冷片；LD泵浦源发射的泵浦光经聚焦透镜聚焦到驻波腔内的激光晶体上，驻波腔对基频光振荡，经倍频晶体倍频后的倍频光经
准直透镜准直后输出。
[0006] 所述激光晶体的左侧端面为驻波腔的入射面；所述LD泵浦源、聚焦透镜、激光晶体、光阑、倍频晶体、双折射滤波片、输出耦合镜和准直透镜的中心在同一直线上。
[0007] 所述LD泵浦源、聚焦透镜、驻波腔、准直透镜和TEC制冷片均安装在导热性能良好的
铝板上；所述TEC制冷片包括第一TEC制冷片上、第二TEC制冷片和第三TEC制冷片，LD泵浦源设置在第一TEC制冷片上，激光晶体、光阑、倍频晶体设置在第二TEC制冷片上，双折射滤波片设置在第三TEC制冷片上。
[0008] 所述双折射滤波片为采用布儒斯特
角入射的双折射晶体，双折射晶体包括第一双折射晶体和第二双折射晶体，第一双折射晶体和第二双折射晶体均设置在第三TEC制冷片上。
[0009] 所述双折射滤波片包括双折射晶体和布儒斯特窗片，双折射晶体包括第一双折射晶体和第二双折射晶体，布儒斯特窗片包括第一布儒斯特窗片和第二布儒斯特窗片；第一布儒斯特窗片和第二布儒斯特窗片设置在第一双折射晶体和第二双折射晶体之间，第一双折射晶体、第二双折射晶体、第一布儒斯特窗片和第二布儒斯特窗片的中心在同一直线上、均设置在第三TEC制冷片上。
[0010] 所述第一布儒斯特窗片和第二布儒斯特窗片由厚度相同的同种材料构成，第一布儒斯特窗片和第二布儒斯特窗片的布儒斯特角分两个方向设置。
[0011] 当入射光以布儒斯特角入射到采用布儒斯特角入射的双折射晶体或布儒斯特窗片上时，P偏振激光的反射率为零、透射最大，调整激光晶体的方向使其发射截面最大的偏振激光的偏振方向正好对应采用布儒斯特角入射的第一双折射晶体和第二双折射晶体或第一布儒斯特窗片和第二布儒斯特窗片的P偏振激光，当P偏振激光经过第一双折射晶体和第二双折射晶体时，在第一双折射晶体和第二双折射晶体的快轴和慢轴将会产生不同的
相位差，从而改变入射的P偏振激光的偏振，只有快轴和慢轴产生的
相位差为2π的整数倍时，回到采用布儒斯特角入射的第一双折射晶体或第一布儒斯特窗片和第二布儒斯特窗片的激光的偏振仍然是P偏振激光，损耗最小；采用第三TEC制冷片调节第一双折射晶体和第二双折射晶体的
温度，从而改变不同纵模的激光在第一双折射晶体和第二双折射晶体中相位差，实现纵模的选择，进而对输出激光的波长进行调谐。
[0012] 所述激光晶体的入射面对泵浦光
镀高透膜、对基频光镀高反膜，激光晶体的出射面对基频光镀高透膜、对倍频光镀高反膜；所述激光晶体内掺杂有稀土离子。
[0013] 所述激光晶体的稀土离子为Nd3+，激光晶体为Nd3+掺杂浓度1at%-2at%的Nd:YVO4晶体或Nd:GdYVO4晶体，其长度不长于2mm。
[0014] 所述倍频晶体为周期极化晶体，周期极化晶体为MgO:PPLN晶体、MgO:sPPLT晶体或PPKTP晶体；倍频晶体的入射面和出射面对基频光和倍频光都镀减反膜，其长度不长于5mm。
[0015] 本发明的有益效果：在驻波腔中利用布儒斯特窗片+双折射晶体迫使激光单纵模运转，同时采用周期极化晶体内腔倍频来提高转化效率，从而减小激光器的体积、提供一种性价比高的单频激光。本发明的谐振腔结构紧凑，通过采用驻波腔结构同时采用短程吸收和双折射滤波片来消除驻波腔空间烧孔效应的影响，迫使激光器基频光单纵模运转；改变光阑的孔径大小实现单横模的选择，利用周期极化晶体的大非线性系数，实现倍频的高效运转；通过制冷片进行各部分精细控温，实现激光器的调谐和稳定运转。本发明降低了内腔倍频激光器的复杂度，减小了全固态连续波内腔倍频单频激光器的结构（传统的瓦级单频激光需要采用行波腔，并在其中插入单向器和选模器件）和尺寸大小，同时能够获得较高功率和转化效率的倍频激光输出，对传统的微片激光器进行了改进，使得其转化效率和输出功率都得到提高，实现了输出倍频激光的稳定和高效运转，连续运转的单频激光输出功率>1 W，转化效率>20%，即输出单频倍频激光功率可达数百毫瓦至几瓦；转化效率更高，性价比高。
附图说明
[0016] 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，下面将对实施例或现有技术描述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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0017] 图1为本发明实施例2结构示意图。
[0018] 图2为本发明实施例3的结构示意图。
[0019] 图中，1为LD泵浦源，2为聚焦透镜，3为激光晶体，4为光阑，5为倍频晶体，6为双折射晶体，61为第一双折射晶体，62为第二双折射晶体，71为第一布儒斯特窗片，72为第二布儒斯特窗片，8为输出耦合镜，9为准直透镜，101为第一TEC制冷片，102为第二TEC制冷片，103为第三TEC制冷片。
具体实施方式
[0020] 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付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。
[0021] 如图1所示，实施例1，一种结构紧凑的瓦级连续波内腔倍频单频激光器，包括依次设置的LD泵浦源1、聚焦透镜2、驻波腔和准直透镜9，驻波腔是主要由激光晶体的入射端面和输出耦合镜构成的直腔，驻波腔内依次设有激光晶体3、光阑4、倍频晶体5、双折射滤波片和输出耦合镜8，光阑、倍频晶体、双折射滤波片设置在激光晶体和输出耦合镜之间。驻波腔结构简单、易于调节。LD泵浦源1前端、驻波腔和双折射滤波片下部均设有TEC制冷片，采用TEC制冷片对它们进行控温。LD泵浦源1为是
激光二极管泵浦源，C-mount封装，中心波长808 nm。激光晶体3的左侧端面为驻波腔的入射面，激光晶体左端面与输出耦合镜构成谐振腔，总尺寸更小，结构更紧凑。输出耦合镜8为双色镜，对基频光高反，对倍频光高透。LD泵浦源1发射的泵浦光经聚焦透镜2聚焦到驻波腔内的激光晶体3上，驻波腔对基频光振荡，经倍频晶体5倍频后的倍频光经准直透镜9准直后输出。
[0022] LD泵浦源1、聚焦透镜2、驻波腔、准直透镜9和TEC制冷片均安装在导热性能良好的航空铝板上，整个激光器结构紧凑。所述TEC制冷片包括第一TEC制冷片101上、第二TEC制冷片102和第三TEC制冷片103，LD泵浦源1设置在第一TEC制冷片101上，激光晶体3、光阑4、倍频晶体5设置在第二TEC制冷片102上，双折射滤波片设置在第三TEC制冷片103上。LD泵浦源1的热沉、放置于晶体控温炉中的激光晶体3和倍频晶体5、放置与控温炉中的双折射滤波片均采用TEC进行控温。第一TEC制冷片101、第二TEC制冷片102和第三TEC制冷片103均为
热电制冷片，实现
控制器对晶体温度的控制，通过TEC制冷片精细调节各晶体的温度，实现倍频光的高效单纵模输出。
[0023] 双折射滤波片为采用布儒斯特角入射的双折射晶体6，实现纵模的选择，提高选纵模的能
力。双折射晶体6包括第一双折射晶体61和第二双折射晶体62，第一双折射晶体61和第二双折射晶体62均设置在第三TEC制冷片103上。第一双折射晶体61和第二双折射晶体62用于实现纵模的选择，该设计同时减小了光学谐振腔的腔长。通常选择II类匹配的倍频晶体如KTP（
磷酸钛氧钾）或LBO（三
硼酸锂）晶体作为双折射晶体6，同时其可以充当倍频晶体的角色，进一步提高倍频效率。
[0024] 所述LD泵浦源1、聚焦透镜2、激光晶体3、光阑4、倍频晶体5、双折射滤波片、输出耦合镜8和准直透镜9的中心在同一直线上，保证激光谐振腔的闭合，实现激光器高效输出。
[0025] 激光晶体3的入射面对泵浦光镀高透膜、对基频光镀高反膜，激光晶体3的出射面对基频光镀高透膜、对倍频光镀高反膜；激光晶体3内掺杂有稀土离子，掺杂浓度高对泵浦光的吸收系数大，其尺寸可以小于≤2mm。所述激光晶体3的稀土离子为Nd3+，激光晶体3为3+
Nd 掺杂浓度1at%-2at%的Nd:YVO4（掺钕
钒酸钇）晶体和Nd:GdYVO4（掺钕钒酸钆）晶体，对
808 nm的π偏振激光的吸收，且在1064 nm处π偏振激光的发射截面大，选择较短光的激光晶体3，激较短的光晶体的选择使驻波腔中的空间烧孔效应导致的模式竞争会减弱。
[0026] 倍频晶体5设置在第一双折射晶体61和激光晶体3之间。倍频晶体5选择为有效非线性系数极高的晶体，倍频晶体5为周期极化晶体如MgO:PPLN（氧化镁掺杂的周期极化的铌酸锂）晶体、MgO:sPPLT（氧化镁掺杂的周期极化的钽酸锂）晶体或PPKTP（周期极化的磷酸钛氧钾）晶体；倍频晶体5的入射面和出射面对基频光和倍频光都镀减反膜。倍频晶体5长度一般不超过5 mm，通常长度在1-2 mm 便能实现高效的倍频输出。
[0027] 当入射光以布儒斯特角入射到采用布儒斯特角入射的双折射晶体6上时，P偏振激光的反射率为零，透射最大，损耗最小，调整激光晶体3方向使其发射截面最大的偏振激光的偏振方向正好对应采用布儒斯特角入射的第一双折射晶体61和第二双折射晶体62的P偏振激光。选择双折射晶体的光轴与P偏振激光成45°（II类匹配的倍频晶体如KTP（磷酸钛氧钾）是双折射晶体，通常采用II类匹配的晶体倍频即可实现这一条件）。当P偏振激光经过第一双折射晶体61和第二双折射晶体62时，在第一双折射晶体61和第二双折射晶体62的快轴和慢轴将会产生不同的相位差，从而改变入射的P偏振激光的偏振，只有快轴和慢轴产生的相位差为2π的整数倍时，回到采用布儒斯特角入射的第一双折射晶体61的偏振仍然是P偏振激光，损耗最小；采用第三TEC制冷片103调节第一双折射晶体61和第二双折射晶体62的温度，从而改变不同纵模的激光在第一双折射晶体61和第二双折射晶体62中相位差，实现纵模的选择，进而对输出激光的波长进行调谐。改变光阑4的尺寸，可以改变谐振腔内基频光的横模特性，实现基频光基横模运转。
[0028] 本实施例可以得到一台输出功率>1 W的连续内腔倍频单频671nm红光激光器；采用808 nm的LD泵浦源1通过聚焦透镜2端面泵浦Nd离子掺杂浓度为1 at%-2at%的Nd:GdVO4作为激光晶体3，激光晶体3的长度为1-2mm，其左端面
镀膜为HR@ 1342nm&671 nm、HT@ 1064 nm和AR@808 nm，右端面镀膜为AR@1342nm&1064 nm和HR@671 nm；紧挨着激光晶体3放置光阑4和倍频晶体5，倍频晶体5为周期极化晶体MgO:sPPLT，倍频晶体5长度为1-2 mm，用于实现1342→671nm激光的倍频；其后放置布儒斯特角切割的双折射晶体LBO作为双折射滤波片，这里LBO除了作为双折射片，还可对1342 nm基频光倍频；其后再放置输出耦合镜8和准直透镜9。LD泵浦源1单独由第一TEC制冷片101控温，控制其温度使其发射峰与激光增益介质的吸收峰对应；激光晶体3和倍频晶体5由第二TEC制冷片102控温，精确控制其温度来获得最大的倍频转化效率；布儒斯特切割的双折射晶体（LBO）6单独由第三TEC制冷片103控温，精确控制该部分的温度使特定波长的基频激光单纵模运转。
[0029] 本发明在激光
振荡器中，通过高掺杂的、薄片激光晶体+双折射片与布儒斯特片构成的双折射滤波片实现倍频基频光单纵模运转；通过泵浦光聚焦透镜的焦距的选择来调节激光晶体内的泵浦光斑以及选择合适的光阑孔径两种方法结合来使激光单横模运转，通过周期极化晶体实现基频激光的高效倍频激光。
[0030] 实施例2，如图2所示，一种结构紧凑的瓦级连续波内腔倍频单频激光器，所述双折射滤波片包括双折射晶体和布儒斯特窗片，双折射晶体包括第一双折射晶体61和第二双折射晶体62，布儒斯特窗片包括第一布儒斯特窗片71和第二布儒斯特窗片72；第一布儒斯特窗片71和第二布儒斯特窗片72设置在第一双折射晶体61和第二双折射晶体62之间，第一双折射晶体61设置在第一布儒斯特窗片71的前部，第二双折射晶体62设置在第二双折射晶体72的后部，第一双折射晶体61、第二双折射晶体62、第一布儒斯特窗片71和第二布儒斯特窗片72的中心在同一直线上。采用双折射晶体和布儒斯特窗构成的双折射滤波片来迫使基频激光单纵模运转，通过精细控制第一双折射晶体61和第二双折射晶体62的温度，可以选择特别的波长让其损耗最小，从而在谐振腔内起振。
[0031] 采用两
块双折射晶体分别放置于布儒斯特窗片的两侧并要求其光轴方向一致，是为了增加选纵模的能力，迫使基频光在高功率泵浦下仍然单纵模运转。若只在布儒斯特窗片后侧放置双折射晶体，选模能力会减弱，保持单纵模运转所能承受的最大泵浦功率较低。第一双折射晶体61、第二双折射晶体62、第一布儒斯特窗片71和第二布儒斯特窗片72由第三TEC制冷片103控温，精确控制该部分的温度使激光器单纵模运转。
[0032] 优选地，所述第一布儒斯特窗片71和第二布儒斯特窗片72由厚度相同的两种同种材料，如K9玻璃构成，第一布儒斯特窗片71和第二布儒斯特窗片72的布儒斯特角分两个方向设置，从而保证传播的激光光束的轴线不变。
[0033] 当入射光以布儒斯特角入射到布儒斯特窗片上时，P偏振激光的反射率为零，透射最大，从而损耗最小，调整激光晶体3的方向使其发射截面最大的偏振激光的偏振方向正好对应第一布儒斯特窗片71和第二布儒斯特窗片72的P偏振激光。选择双折射晶体的光轴与P偏振激光成45°（通常采用II类匹配的晶体倍频即可实现这一条件），当P偏振激光经过第一双折射晶体61和第二双折射晶体62时，在第一双折射晶体61和第二双折射晶体62的快轴和慢轴将会产生不同的相位差，从而改变入射的P偏振激光的偏振，只有快轴和慢轴产生的相位差为2π的整数倍时，回到第一布儒斯特窗片71和第二布儒斯特窗片72的激光的偏振仍然是P偏振激光，损耗最小，这样就实现了纵模的抑制与选择，实现激光器单纵模运转；通过TEC制冷片调节第一双折射晶体61和第二双折射晶体62的温度，从而改变不同纵模的激光在第一双折射晶体61和第二双折射晶体62中的相位差，实现纵模的选择，进而对输出激光的波长进行调谐。
[0034] 本实施例可以实现一台输出功率>1.5 W的连续内腔倍频单频532绿光激光器，该激光器采用808 nm的LD泵浦源1通过聚焦透镜2端面泵浦Nd离子掺杂浓度为1 at%-2at%的Nd:YVO4的激光晶体3，激光晶体3的晶体长度为1-2 mm，其左侧入射端面镀膜为HR@ 1064nm&532 nm，AR@808 nm，右侧出射面镀膜为AR@1064nm& HR@532 nm；紧挨着激光晶体3放置光阑4和倍频晶体5，周期极化晶体MgO:PPLN作为倍频晶体5，倍频晶体5的晶体长度为
1-2 mm，用于实现1064→532 nm激光的倍频；倍频晶体5后放置双折射晶体KTP1作为第一双折射晶体61，其后再放置一对3 mm厚的K9玻璃布儒斯特窗片分别作为第一布儒斯特窗片71和第二布儒斯特窗片72，其后再放置双折射晶体KTP2作为第二双折射晶体62，这里双折射晶体KTP1和KTP2除了作为双折射晶体，还可以对1064 nm基频光倍频。第二双折射晶体62后再放置输出耦合镜8和准直透镜9等其他光学元件。
[0035] 其他结构与实施例1相同。
[0036] 本发明采用
半导体LD端面泵浦钕（Nd）离子掺杂的激光晶体，采用掺杂浓度较高的短激光晶体来实现短程吸收，通过采用多片双折射滤波片来实现纵模的选择，通过短程吸收和双折射滤波片选择纵模来迫使激光单纵模运转，通过选择合适的泵浦光斑以及调节光阑的孔径来使激光单横模运转，从而实现基频激光单频（单横模单纵模）运转，同时采用周期极化晶体内腔倍频，获得瓦级可调谐单频532 nm绿光激光和单频671 nm红光激光。
[0037] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何
修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
