具体实施方式

以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。

在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。

图1示意性示出了根据本公开第一实施例的固体激光器的结构示意图。

如图1所示，本公开实施例的固体激光器100包括种子光源101、光纤放大器102第一倍频晶体103。

其中，种子光源101用于发射红外种子光。该种子光源101具体例如可以包括控制器和激光源，其中控制器用于控制激光源发射的红外种子光的功率大小和频率等参数。

根据本公开的实施例，其中的激光源例如可以是可调谐激光器，具体例如可以是连续调谐10-20GHz不跳模的半导体激光器。其可调谐波长例如为±17.5nm，发射的红外种子光例如为例如可以是波长为1212nm的种子光。该种子光源101的输出功率例如可以为100mW左右。可以理解的是，上述激光源的类型及各参数仅作为示例以利于理解本公开，本公开对此不作限定。其中，种子光源101的类型和参数可以由所需的倍频光的波长来确定。

根据本公开的实施例，为了保证该种子光源101发射的种子光的稳定性，该种子光源101例如可以放置在减震台上，以隔离外部震动对种子光源101发射的种子光的稳定性的影响。

其中，光纤放大器102例如可以通过输入光纤104与种子光源101连接，以收集种子光源101发射的种子光。其中，在种子光源101的输出功率为100mW时，经由该输入光纤收集到的种子光的功率大约为65mW。其中，所述输入光纤例如可以是保偏光纤(Polarizationmaintaining optical fibre)，以保持传输的放大器所需要的红外种子光的特殊偏振。可以理解的是，该输入光纤例如可以也可以是普通光纤，则为了保持种子光的特殊偏振，例如可以在该普通光纤与光纤放大器102之间放置偏振片，同时还需要固定该光纤。

根据本公开的实施例，该光纤放大器102例如可以利用受激拉曼散射对种子光进行放大。相应地，该光纤放大器102包括有泵浦源和拉曼光纤放大器。泵浦源用于为拉曼光纤放大器提供激励源，其中的拉曼光纤放大器中的光纤例如可以为掺稀土元素的光纤。其中，掺杂稀土元素的光纤的类型(掺杂稀土元素的种类)具体例如可以根据种子光的波长来确定，即该稀土掺杂光纤掺杂的稀土元素与种子光源101发射的种子光的波长相匹配，以实现对该种子光的放大。例如，在种子光的波长为1212nm的情况下，可以选用掺杂镱(Yb)元素的光纤。根据本公开的实施例，在种子光源101发射的红外种子光输入给放大器的功率为40mW的情况下，经由该光纤放大器放大后，得到的放大后的红外种子光的功率例如可以高达30.5W，相较于现有技术中采用锥形放大器放大后功率仅能达到3.5W的技术方案，可以有效提高放大倍率，从而利于提高后续倍频得到的倍频光的输出功率。

根据本公开的实施例，为了保证经由该光纤放大器放大后的种子光的光斑质量，该光纤放大器的输出光纤例如可以采用单模光纤。

其中，第一倍频晶体103用于将放大后的种子光倍频以得到倍频光。其中，该第一倍频晶体103例如可以是非线性晶体。对于参考图1中的固体激光器结构而言，该第一倍频晶体103可以选择周期性极化晶体，例如可以包括周期性极化铌酸锂(PPLN)晶体、周期性极化磷酸氧钛钾(PPKTP)晶体或周期性极化化学计量比钽酸锂(PPSLT)晶体等。。

根据本公开的实施例，为了便于该经由第一倍频晶体103倍频得到的倍频光的输出，该第一倍频晶体103的后端例如可以设置光纤准直器，用于收集倍频光后输出，以方便使用。

根据本公开的实施例，为了提高倍频晶体的倍频效率，该第一倍频晶体103的温度应满足相位匹配条件。而为了使该温度满足相位匹配条件，该第一倍频晶体103例如设置在温度可控组件中，以对该第一倍频晶体103进行温度控制，使该第一倍频晶体103的温度能够使该晶体实现非线性效应所需的准相位匹配，实现相位匹配。

根据本公开的实施例，上述的温度可控组件具体设置有通光孔，以用于使种子光能够射入第一倍频晶体。该温度可控组件具体例如可以是控温炉，该控温炉的温度例如可以通过温度控制仪来控制，其中，选用的温度控制仪的精度例如可以为±0.01K。

根据本公开的实施例，该第一倍频晶体103具体例如可以采用PPSLT晶体，通过该PPSLT晶体的倍频效率最低例如为14.6％，则在放大后的红外种子光功率为30.5W的情况下，经由该第一倍频晶体103倍频后得到的倍频光的功率则最低为4.4W。

综上可知，本公开实施例的固体激光器，通过采用将红外种子光通过光纤放大器放大后，再通过倍频晶体倍频的技术方案，可以获得几瓦到几十瓦量级的输出功率，从而获得高功率的可见光激光。

图2A示意性示出了根据本公开第二实施例的固体激光器的结构框图；图2B示意性示出了参考图2A描述的固体激光器的具体结构示意图。

如图2A～图2B所示，本公开实施例的固体激光器200，除了包括种子光源201、光纤放大器202及第一倍频晶体203外，例如还可以包括有第一分束器204，锁频反馈组件205。

其中，第一分束器204设置在经由第一倍频晶体203倍频后得到的倍频光的传播方向上，用于将该倍频光划分为至少两束光。如图2A-图2B所示，其中的第一束光作为反馈光射入锁频反馈组件中，除第一束光外的至少一束光作为该固体激光器200的输出光。

根据本公开的实施例，上述第一分束器204例如可以是偏振分束器，该分束器的具体类型可以根据倍频后得到的倍频光的波长决定，以将该倍频光经由反射和透射后分为两束光。

其中，如图2A所示，上述的锁频反馈组件205设置于反馈光的传播方向上，用于根据该反馈光的线宽向种子光源201反馈误差信号，以实现对种子光源201发射的种子光的频率的调节。

其中，如图2A～图2B所示，本公开实施例的固体激光器200还可以包括噪声过滤组件206。该噪声过滤组件206设置于输出光的传播方向上，用于过滤输出光中因光纤放大器202而带来的强度噪声和频率噪声，使得输出光的频率和功率更为稳定。

根据本公开的实施例，上述噪声过滤组件206例如可以是一个环形法布里-珀罗腔(环形FP腔)。如图2B所示，该环形FP腔例如可以由两个凹面镜和一个平面镜组成。

如图2B所示，该锁频反馈组件205具体可以包括法布里-珀罗腔(FP腔)2051、第二分束器2052、探测器2053和反馈器2054。

其中，FP腔2051可以用作光学参考腔，这是由于只有波长等于该FP腔2051的腔长的整数倍的光才会被透射出该FP腔2051，而波长不等于该FP腔2051的腔长的整数倍的光则会被反射出该FP腔。因此，通过该FP腔2051透射的光为固定波长(即固定频率)的光，因此该FP腔2051可用于作为判断该反馈光的频率是否为稳定频率的参考。

根据本公开的实施例，考虑到当该FP腔采用平平腔时，往往需要保证构成FP腔的两个平面镜的精准平行，才能保证FP腔作为参考腔的稳定性。本实施例为了使得该FP腔更加稳定，如图2B所示，该FP腔可以采用平凹FP腔，即该FP腔2051由平面镜和凹面镜构成。其中，平面镜一端作为输入端，凹面镜一端作为输出端。因此，在反馈光的频率与该FP腔共振时，该反馈光即可从凹面镜透射出该FP腔2051。

根据本公开的实施例，为了进一步地提高FP腔2051的稳定性，避免外界温度变化对FP腔2051的腔长或其他参数的影响，可以将该FP腔2051置于恒温组件中，具体例如可以是设置于温度控制器内，其保证该FP腔2051在恒温环境中。其中，该恒温组件设置有相对设置的一组透光窗口，以用于使反馈光射入或射出上述的FP腔2051。

根据本公开的实施例，上述平凹FP腔2051具体可以包括两个高反射率的腔镜(一个为平面镜、一个为凹面镜)，其精细度(模间隔与谱宽的比值)为10000，自由光谱范围为1.5GHz。以用于对最终输出平凹FP腔的反馈光的带宽进行标定。

其中，上述第二分束器2052设置于反馈光的传播方向上位于该FP腔前端的位置，用于透过由第一分束器204划分得到的反馈光，使得该反馈光射入FP腔。同时，为了便于探测器2053对该反馈光中经由FP腔后未透射而是反射得到的反射光进行检测，该第二分束器2052例如还可以再次反射该经由法布里-珀罗腔的反射光，实现该反射光传播方向的改变(具体例如改变90°)。

相应地，上述探测器2053设置于经由第二分束器2052反射后的反射光的传播方向上，用于探测该反射光。根据本公开的实施例，该探测器2053例如可以通过电连接实现与反馈器2054的连接，以将探测结果反馈给反馈器2054。

其中，上述反馈器2054则用于根据探测器的探测结果，确定上述反射光(即反射的反馈光)的线宽，并根据反馈光的线宽向种子光源反馈误差信号。去其中，该线宽例如可以是根据探测结果直接测量得到的，且该线宽包括整个固体激光器系统中所有环节可能引起的线宽噪声。

具体地，考虑到通过FP腔2051的光与FP腔2051的共振频率相等，因此根据该反射的反馈光的线宽和频率，以及FP腔2051的共振频率，由反馈器2054经过一系列计算即可确定该反馈光(即种子光源201发射的种子光)的频率与共振频率的误差信号，则利用该误差信号即可驱动对种子光源201的参数的调节，最终使得该固体激光器的输出光的频率锁定在与FP腔2051共振的共振频率上。

根据本公开的实施例，参考图2B中锁频反馈系统205具体例如可以是采用基于PDH(Pound-Drever-Hall)锁频方法实现高速的反馈运算控制，以实现对种子光源201发射的种子光的频率的调节的。上述实施例中FP腔作为稳定的频率标准仅作为示例以利于理解本公开，本公开对此不作限定。例如，本公开实施例采用的反馈方式例如还可以包括原子线吸收线等稳定的频率标准。

根据本公开的实施例，上述的误差信号具体例如可以是反馈给种子光源201中的控制器的，以经由控制器控制激光源发射的种子光的频率。在本公开实施例中，上述的误差信号具体例如可以通过高速通道和/或低速通道反馈给种子光源201。其中，通过高速通道反馈可以将该误差信号反馈到种子光源201的控制器，并改变该控制器提供的激励电流。通过低速通道反馈可以将误差信号反馈到种子光源201的控制器，并改变该控制器中压电陶瓷电压，以改变激光源的腔长，或者改变控制该激光源的温度。

根据本公开的实施例，考虑到只有频率与FP腔2051的共振频率相同的反馈光才会透过FP腔2051，因此，如图2B所示，锁频反馈组件205在FP腔2051的输出侧还可以设置有另一探测器2055，用于对透过该FP腔2051的反馈光进行探测，并将探测结果反馈给反馈器2054。则反馈器2054即可根据探测结果得到当前反馈光的锁频状态、线宽，并因此得到FP腔2051的共振频率。从而便于该反馈器2054根据该共振频率，确定并发射误差信号。

综上可知，本公开实施例通过上述第一分束器与锁频反馈组件的设置，可以有效控制种子光源发射的种子光的频率，即实现良好的锁频效果。具体地，本公开实施例的固体激光器，通过上述锁频反馈组件的设置，可以使得最终输出的可见光的线宽被压窄到KHz量级及以下，从而使得本公开实施例的固体激光器输出的可见光的频率与功率均有很好的稳定性。

根据本公开的实施例，通过上述锁频反馈组件205和噪声过滤组件206的设置，可以使得固体激光器的输出光的频率和功率更为稳定。其中，上述的锁频反馈组件205相当于用于主动降低红外种子光的噪声，而噪声过滤组件206相当于用于被动过滤光纤放大器202产生的噪声。

图3示意性示出了根据本公开第三实施例的固体激光器的结构示意图。

如图3所示，本公开实施例的固体激光器300包括种子光源301、光纤放大器302、第一倍频晶体303、第一分束器304及锁频反馈组件305和噪声过滤组件306。该锁频反馈组件305由FP腔3051、第二分束器3052、探测器3053、反馈器3054及另一探测器3055组成。其中，上述器件结构与参考图2A-图2B中描述的固体激光器300的结构相同或相似，在此不再赘述。

根据本公开的实施例，如图3所示，上述固体激光器300还可以包括第一光隔离器307。该第一光隔离器307设置于放大后的种子光的传播方向上光纤放大器302与第一倍频晶体303之间的位置处，用于防止放大后的种子光反射后再次进入光纤放大器302。从而避免反射至光纤放大器302的光对光纤放大器302的损害。其中，该第一光隔离器307的具体型号及参数可以根据种子光的波长来选择，以实现对种子光的有效隔离。

根据本公开的实施例，如图3所示，固体激光器300例如还可以包括第二光隔离器308，该第二光隔离器308设置于倍频光的传播方向上第一倍频晶体303后端的位置，用于防止该倍频光反射至第一倍频晶体303，甚至反射至光纤放大器302。并因此避免反射的光对该第一倍频晶体303和光纤放大器302的损害。其中，该第二光隔离器308的具体型号及参数可以根据倍频光的波长来选择，以实现对倍频光的有效隔离。

根据本公开的实施例，考虑到第一倍频晶体303的倍频效率一般为14％左右。经由光纤放大器302放大后的种子光，在经过该第一倍频晶体303倍频时部分未倍频的残余种子光射出后，会对最终输出的可见光的纯度造成影响。为了防止这种影响，如图3所示，本公开实施例的固体激光器300还可以包括有带通滤波片309。该带通滤波片309设置于倍频光的传播方向上第一分束器304前端的位置，用于滤除上述通过第一倍频晶体的残余种子光，而仅允许与倍频光相同波长的光通过后进入第一分束器304。因此该带通滤波片309的设置，可以在一定程度上提高最终输出的可见光的纯净度。

根据本公开的实施例，为了有效将通过第一倍频晶体303的残余种子光与倍频光分束，从而便于实现对残余种子光的回收利用。则如图3所示，上述固体激光器300例如还可以包括有二相色镜310，该二相色镜310例如可以为一个，该一个二相色镜设置于经由第一倍频晶体303射出的倍频光的传播方向上，以透射经由第一倍频晶体303实现了倍频的倍频光，而反射经由第一倍频晶体303未实现倍频的残余种子光。

相应地，如图3所示，上述固体激光器300除了该二相色镜310外，还包括第二倍频晶体311，该第二倍频晶体311设置于经由二相色镜310反射的残余种子光的传播方向上二相色镜310后端的位置，以用于对该残余种子光再次倍频得到倍频光，则该倍频光也可以作为该固体激光器300的输出。此种情况下，为了使得经由第二倍频晶体311输出的倍频光的频率和功率也较为稳定，如图3所示，可以在第二倍频晶体311的后端也设置噪声过滤组件306，以对第二倍频晶体311输出的倍频光进行过滤，过滤掉第二倍频晶体311带来的强度噪声和频率噪声。

可以理解的是，为了避免经由该第二倍频晶体311倍频的残余种子光中，还存在未实现倍频的第二残余种子光，则在该第二倍频晶体311的后端还可以设置二相色镜与倍频晶体的组合结构，以实现对第二残余种子光的回收利用。

综上可知，本公开实施例通过二相色镜与第二倍频晶体的设置，可以对残余种子光再次倍频，实现对种子光的有效利用，并因此进一步提高最终输出的可见光的功率。

图4示意性示出了根据本公开第四实施例的固体激光器的结构示意图。

如图4所示，本公开实施例的固体激光器400包括的二相色镜410为一个，且该二相色镜410用于反射经由第一倍频晶体403实现了倍频的倍频光，而透射经由第一倍频晶体403未实现倍频的残余种子光。

再者，本公开实施例考虑到在为了实现对残余种子光的回收利用，而设置第二倍频晶体及额外的二相色镜与倍频晶体的组合结构可能会影响该固体激光器整体结构的稳定性。因此，本公开实施例未设置第二倍频晶体，而是在残余种子光的传播方向上，二相色镜410的后端的位置设置了吸光板(Beam Block)411，以用于吸收经由二相色镜透射后的残余种子光，从而防止透射后的残余种子光损害其他物品，或对用户造成伤害。

需要说明的是，该实施例中的平凹FP腔4051例如选用的是精细度为10000，自由光谱范围为1.5GHz的腔。

图5A示意性示出了参考图4中平凹法布里-珀罗腔的频率带宽的测量结果；以及图5B示意性示出了参考图5A中频率带宽的测量结果的部分结果放大图。

如图5A-图5B所示为通过参考图4中的另一探测器4055探测得到的经由平凹FP腔4051透射的反馈光的频率带宽的测量结果。

在测量过程中，将透射的反馈光的测量结果接入示波器即可得到该频率带宽的测量结果图。如图5A所示，该反馈光的中心频率为右侧峰值大的主峰表征的频率大小，该右侧峰左侧的边带是通过在参考图4中固体激光器的倍频光的光路上加载一个谐振型的电光调制器产生的，该电光调制器的工作频率为15MHz，所以主峰与边带之间的间距为15MHz。根据参考图5B中的频率带宽的测量结果可以计算得到该主峰的半高宽为158KHz，这与根据FP腔4051的参数精细度10000及自由光谱范围1.5GHz推算得到的半高宽150KHz相匹配。同时，通过测量锁频之后的透射光强的涨落，可以计算得出锁频后的可见光的线宽小于1.44KHz。

综上可知，本公开提供的固体激光器，可以输出功率大于3.2W、线宽小于1.44KHz的可见光，相较于现有技术中的可见光固体激光器，具有更广泛的应用场景。且由于该固体激光器内部的各器件都是通用性的器件，因此装置稳定性高，且易于组装。

图6示意性示出了本公开第四实施例的固体激光器输出的可见光和商用激光器的输出光的拍频测量结果示意图。

采用图4中固体激光器和Toptica公司的商用激光器(窄线宽、功率小于1W的激光器)进行测试，对固体激光器的输出光与商用激光器的输出光进行拍频测量，得到如图6所示的测量结果。其中，测量结果中两个激光器的拍频结果满足以下关系：

其中Δ_FWHM是测量的拍频线宽，Δ₁和Δ₂分别对应两个激光器的线宽。由于测量得到的拍频线宽为2.71KHz，所以则可以说明图4中固体激光器的线宽和Toptica公司的商用激光器的线宽均小于2.71kHz。因此，图4中的固体激光器相较于Toptica公司的商用激光器，在保证与该商用激光器具有相同的窄线宽的同时，还可以保证输出功率远高于Toptica公司的商用激光器的输出功率。

本领域技术人员可以理解，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本公开中。特别地，在不脱离本公开精神和教导的情况下，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本公开的范围。

尽管已经参照本公开的特定示例性实施例示出并描述了本公开，但是本领域技术人员应该理解，在不背离所附权利要求及其等同物限定的本公开的精神和范围的情况下，可以对本公开进行形式和细节上的多种改变。因此，本公开的范围不应该限于上述实施例，而是应该不仅由所附权利要求来进行确定，还由所附权利要求的等同物来进行限定。