阅读说明：本技术 覆盖全部增益谱线的连续可调谐钛宝石激光器及其方法 (Continuously tunable titanium gem laser covering all gain spectral lines and method thereof ) 是由 卢华东 曹雪辰 苏静 彭堃墀 于 2020-04-24 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种覆盖全部增益谱线的连续可调谐钛宝石激光器及其方法,该连续可调谐钛宝石激光器包括泵浦源、望远镜系统、光学谐振腔、钛宝石晶体和双折射滤波片。由泵浦源出射的激光光束经望远镜系统聚焦后作用于光学谐振腔内的钛宝石晶体上,经钛宝石的受激辐射过程产生荧光,通过光学谐振腔的选模和放大过程产生激光,在光学谐振腔内震荡后经第二平面镜透射形成激光输出；同时,通过电机控制器驱动电机驱动旋转台调整双折射滤波片光轴在通光面投影与激光入射面的夹角,从起始角度18.4°扫描至36.2°,以获得覆盖全部增益谱线的输出激光。通过本发明,能够在不改变干涉级的情况下可实现均匀连续的700至1000nm波长调谐,同时不会影响激光器的运行稳定性。(The invention relates to a continuously tunable titanium sapphire laser covering all gain spectral lines and a method thereof. Laser beams emitted by the pumping source are focused by the telescope system and then act on the titanium sapphire crystal in the optical resonant cavity, fluorescence is generated through the stimulated radiation process of the titanium sapphire, laser is generated through the mode selection and amplification processes of the optical resonant cavity, and the laser is transmitted through the second plane mirror after being oscillated in the optical resonant cavity to form laser output; meanwhile, a motor controller drives a motor to drive a rotating table to adjust the included angle between the projection of the optical axis of the birefringent filter on the light-passing surface and the laser incidence surface, and the included angle is scanned from 18.4 degrees to 36.2 degrees from the initial angle so as to obtain output laser covering all gain spectral lines. By the invention, uniform and continuous 700-1000 nm wavelength tuning can be realized without changing the interference level, and the operation stability of the laser is not influenced.)

覆盖全部增益谱线的连续可调谐钛宝石激光器及其方法

技术领域

本发明涉及激光器技术领域，更具体地说，涉及一种覆盖全部增益谱线的连续可调谐钛宝石激光器及其覆盖全部增益谱线的方法。

背景技术

钛宝石晶体具有很宽的荧光光谱范围（700nm~1000nm），可以覆盖钾、铷、铯等碱金属原子的吸收峰，因此由钛宝石作为增益介质的全固态连续可调谐激光器可应用于原子俘获与冷却、光谱分析、精密测量及量子计算等量子科学方面的研究。此外，利用倍频技术获得蓝紫光可应用于光钟、光存储、医学等方面科学研究；利用光学参量下转换技术将输出波长拓展至1550nm，该波长恰好处于单模光纤的第三低损耗传输窗口，可应用于量子保密通讯的研究。

为了使激光器的输出波长连续可调谐，需要在腔内插入合适的调谐元件。双折射滤波片因具有插入损耗小、方便调谐等优点，常作为激光器的粗调谐元件。2010年，山西大学光电研究所利用厚度比为1:2:4的双折射滤波片，通过确定腔内损耗和输出镜最佳透射率，在实验上实现了100 nm的宽调谐。

截止目前，已有四款商用连续可调谐钛宝石激光器可供科研使用，分别为美国Coherent公司的MBR系列、美国Spectra-physics公司生产的Matisse 2系列、英国M square公司的SolsTis系列和俄罗斯Tekhnoscan公司生产的TiS-SF系列。以上几种激光器在调谐过程中需要调整谐振腔的腔镜或改变激光器的运转模式，这无疑增加了激光器的复杂程度和不稳定性，会对激光器的输出光束产生影响。

发明内容

目的在于拓宽现有连续可调谐钛宝石激光器的调谐范围，在无需改变腔内任何元件以及运转模式的情况下，仅转动双折射滤波片的情况下覆盖全部增益谱线的连续可调谐钛宝石激光器及其覆盖全部增益谱线的方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种覆盖全部增益谱线的连续可调谐钛宝石激光器，包括：

泵浦源、望远镜系统、光学谐振腔、钛宝石晶体和双折射滤波片；泵浦源输出的泵浦光经望远镜系统射入光学谐振腔的第一平凹镜；光学谐振腔为四镜8字环形谐振腔结构，包括第一平凹镜、第二平凹镜、第一平面镜和第二平面镜，以布氏角在第一平凹镜和第二平面镜之间的光路上设置双折射滤波片，在第一平凹镜和第二平凹镜之间的光路上设置钛宝石晶体；双折射滤波片是由厚度分别为0.5mm、1.0mm、2.5mm、4.5mm的石英晶体与垫片光胶粘接而成，晶体通光面之间相互平行，光轴方向相互平行，且光轴方向与通光面的夹角为29.4°；双折射滤波片连接一电机驱动旋转台，电机驱动旋转台通过电机控制器进行控制；第二平面镜的输出光路上设置光学单向装置。

其中，双折射滤波片中各晶体之间粘接的垫片光胶厚度设置为2mm。

其中，泵浦源的输出波长为400-600nm，偏振方向为水平偏振，泵浦方式为端面泵浦。

其中，光学单向装置是外加磁场的磁致旋光晶体和自然旋光晶体组成光学单向器，或者是由在第二平面镜后的反向光路中垂直放置的第三平面镜构成的腔外反射装置。

其中，第一平凹镜的凹面、第二平凹镜的凹面、第一平面镜的反射面镀有680-1030nm波段的高反膜，第二平面镜的反射面镀有对680-1030nm波段具有5%透射率的介质膜。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种通过连续可调谐钛宝石激光器覆盖全部增益谱线的方法，包括：

由泵浦源出射的激光光束经望远镜系统聚焦后作用于光学谐振腔内的钛宝石晶体上，经钛宝石的受激辐射过程产生荧光，通过光学谐振腔的选模和放大过程产生激光，反向光路经第一平凹镜、双折射滤波片、第二平面镜、第一平面镜、第二平凹镜、钛宝石晶体、第一平凹镜形成的光路，光学单向装置的引入被损耗掉，最终经第二平凹镜、第一平面镜、第二平面镜、双折射滤波片、第一平凹镜、钛宝石晶体、第二平凹镜形成的振荡光路经第二平面镜透射形成激光输出；

激光在光学谐振腔中振荡的同时，通过电机控制器驱动电机驱动旋转台，调整双折射滤波片光轴在通光面投影与激光入射面的夹角至18.4°；

利用电机控制器驱动电机驱动旋转台，扫描双折射滤波片光轴在通光面投影与激光入射面的夹角，从起始角度18.4°扫描至36.2°，以获得覆盖全部增益谱线的输出激光。

与现有技术相比，本发明的优点：

1) 本发明中所实现的可覆盖全部增益谱线的连续可调谐钛宝石激光器，结构简单；通过双折射滤波片，在不改变干涉级的情况下可实现均匀连续的700至1000nm波长调谐；

2) 本发明中所实现的可覆盖全部增益谱线的连续可调谐钛宝石激光器的方法，在仅操控电机控制器的基础上，实现了波长的连续调谐，此过程不会影响激光器的运行稳定性。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明提供的一种覆盖全部增益谱线的连续可调谐钛宝石激光器的结构示意图。

图2是本发明提供的一种覆盖全部增益谱线的连续可调谐钛宝石激光器的双折射滤波片的结构示意图。

图3是本发明提供的一种覆盖全部增益谱线的连续可调谐钛宝石激光器的调谐实验结果示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

参阅图1，本发明提供了一种覆盖全部增益谱线的连续可调谐钛宝石激光器，包括：

泵浦源1、望远镜系统2、光学谐振腔3、钛宝石晶体4和双折射滤波片5；泵浦源1输出的泵浦光经望远镜系统2射入光学谐振腔3的第一平凹镜9；光学谐振腔3为四镜8字环形谐振腔结构，包括第一平凹镜9、第二平凹镜10、第一平面镜11和第二平面镜12，以布氏角在第一平凹镜9和第二平面镜12之间的光路上设置双折射滤波片5，在第一平凹镜9和第二平凹镜10之间的光路上设置钛宝石晶体4；双折射滤波片5是由厚度分别为0.5mm、1.0mm、2.5mm、4.5mm的石英晶体与垫片光胶粘接而成，晶体通光面之间相互平行，光轴方向相互平行，且光轴方向与通光面的夹角为29.4°；双折射滤波片5连接一电机驱动旋转台6，电机驱动旋转台6通过电机控制器7进行控制；第二平面镜12的输出光路上设置光学单向装置13。

四镜8字环形谐振腔结构中，四个镜子分上下两排设置，上排设置第一平凹镜9和第二平凹镜10，下排设置第一平面镜11和第二平面镜12，第一平凹镜9和第二平凹镜10的凹面相对；四个镜子的角度设置，不仅确保谐振腔闭合共振，而且要很好补偿钛宝石晶体4由于布氏角度放置而引入的像散。

其中，双折射滤波片5中各晶体之间粘接的垫片光胶厚度设置为2mm。

其中，泵浦源1的输出波长为400-600nm，偏振方向为水平偏振，泵浦方式为端面泵浦。

其中，光学单向装置13是外加磁场的磁致旋光晶体和自然旋光晶体组成光学单向器，或者是由在第二平面镜12后的反向光路中垂直放置的第三平面镜8构成的腔外反射装置。

其中，第一平凹镜9的凹面、第二平凹镜10的凹面、第一平面镜11的反射面镀有680-1030nm波段的高反膜，第二平面镜12的反射面镀有对680-1030nm波段具有5%透射率的介质膜。

泵浦源1输出光束通过望远镜系统2耦合进入光学谐振腔3，作用于钛宝石晶体4，为获得高的泵浦效率，选用偏振方式为水平偏振的532nm激光，经过钛宝石晶体4的受激辐射和光学谐振腔3的选模和放大过程，以及利用第三平面镜8对反向光路经第一平凹镜9、双折射滤波片5、第二平面镜12、第一平面镜11、第二平凹镜10、钛宝石晶体4、第一平凹镜9形成的光路的激光进行回注，最终获得了稳定的输出激光。

图2所示的双折射滤波片5由四片晶体光轴与通光面呈29.4°，厚度分别为0.5mm、1.0mm、2.5mm、4.5mm的石英晶体与月牙形状的垫片光胶而成，晶体通光面之间相互平行，四片晶体的光轴方向相互平行，且光轴方向与通光面的夹角为29.4°。

本发明提供了一种通过连续可调谐钛宝石激光器覆盖全部增益谱线的方法，包括：

由泵浦源1出射的激光光束经望远镜系统2聚焦后作用于光学谐振腔3内的钛宝石晶体4上，经钛宝石的受激辐射过程产生荧光，通过光学谐振腔3的选模和放大过程产生激光，反向光路经第一平凹镜9、双折射滤波片5、第二平面镜12、第一平面镜11、第二平凹镜10、钛宝石晶体4、第一平凹镜9形成的光路，光学单向装置13的引入被损耗掉，最终经第二平凹镜10、第一平面镜11、第二平面镜12、双折射滤波片5、第一平凹镜9、钛宝石晶体4、第二平凹镜10形成的振荡光路经第二平面镜12透射形成激光输出；

激光在光学谐振腔3中振荡的同时，通过电机控制器7驱动电机驱动旋转台6，调整双折射滤波片5光轴在通光面投影与激光入射面的夹角至18.4°；

利用电机控制器7驱动电机驱动旋转台6，扫描双折射滤波片5光轴在通光面投影与激光入射面的夹角，从起始角度18.4°扫描至36.2°，以获得覆盖全部增益谱线的输出激光。

将双折射滤波片5以布氏角放置在光学谐振腔3的第二平面镜12与第一平凹镜9之间，调整双折射滤波片5光轴在通光面投影与激光入射面的夹角至18.4°。利用电机控制器7驱动电机驱动旋转台6，扫描双折射滤波片5光轴在通光面投影与激光入射面的夹角，从起始角度18.4°扫描至36.2°最终获得了700nm至1000nm连续调谐的输出激光。如图3所示，输出波长为705nm至935nm范围内，功率高于1.5W泵浦功率为12W，并且光束具有较好的光学特性。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。