[发明专利]电致变折射率晶体可调谐双频激光器

说明书

技术领域

本发明属于固体激光技术领域，涉及一种变折射率晶体可调谐双频激光器，具体涉及一种腔内设置电致变折射率晶体，通过对变折射率晶体施加电压，改变e光在晶体中的折射率，使得激光通过晶体时，o光与e光产生光程差，实现双频激光输出。通过调节晶体电压，实现可调谐双频激光的输出。

背景技术

目前的双频激光器主要分为双频He-Ne激光器，双频Nd:YAG激光器和双频半导体激光器。

最早由W.Holzapfel发现由应力双折射效应可以产生激光频率的分裂，通过应力双折射效应产生了可调谐He-Ne激光器，在单频激光谐振腔内放置应力双折射元件，对其施加横向作用力，产生应力双折射，原来的单频激光分裂为偏振方向正交的线偏振光，从而获得双频激光输出，应力双折射双频激光器的特点是能实现频差的可连续调谐，但是，对外部加载装置的设计合理性及其结构稳定性有较高的要求。在实验中，一般采用螺纹调谐加载应力，但是，采用这种方法容易导致激光增益管颈部被折断，且不能精细的调谐频差。

由于Ne的光谱线宽比较小，基于频率分裂原理，He-Ne双频激光器的最大频差不超过1GHz，Nd:YAG激光器的增益带宽比较大，针对Nd:YAG双频激光器，主要有空间分离型大频差可调谐双频Nd:YAG激光器，石英晶体双折射双频Nd:YAG激光器，应力双折射双频Nd:YAG激光器。法国Rennes大学F.Bretenakerr等采用两束相距约为1mm的正交线偏振钦宝石激光纵向抽运Nd:YAG晶体，激光晶体两侧各有一只四分之一波片以消除空间烧孔效应，通过改变两波片快轴(或慢轴)之间的夹角，并辅以融石英法布里-珀罗标准具调谐角度，频差可达26GHz。但是，该双频激光振荡输出，腔内元件较多，结构复杂，频差调谐过程繁琐。对于石英晶体双折射Nd:YAG激光器，在激光二极管(LD)泵浦Nd:YAG激光器谐振腔内，插入一只集纵模选择和纵模分裂于一体的多功能光学元件--石英晶体双折射法布里-珀罗标准具，可获得频差约为GHz的1064nm正交线偏振双纵模激光束同时振荡输出。该方案的优点是结构简单，频差大。但是对石英晶体双折射法布里-珀罗标准具的设计、加工和调整要求较高，并且频差不能连续调谐。对于应力双折射双频Nd:YAG激光器，在驻波腔单纵模Nd:YAG激光腔内造成应力双折射，使激光纵模产生分裂，获得正交线偏振双频激光输出，频差大小随外部所加压力的改变而变化。该方案的优点是频差大，并且可以连续调谐，但是频差的稳定性不够高，不能获得大功率双频激光输出。对于双频半导体激光器，S.Pajarola等使用脊型波导结构的InGaAsP/InP芯片作为激光器，利用偏振分光镜将TE模与TM模分离，达到各自的光栅反馈回来，分别形成不同的两个谐振腔，不同的腔长就会导致不同的谐振频率。但是，该种外腔式结构的激光器加剧了整个系统的复杂性和不稳定性。2000年，美国IIioist大学的A.Hsu等采用具有惆啾光栅和双调制器的分布反馈式双纵模双频半导体激光器，实现激光器双频运转，获得频差分别为63GHz和175GHz的双纵模双频激光。该方案的优点是可以获得几十GHz，乃至上百GHz的超大频差双频激光，而且频差可调谐(但不能连续调谐)，通过增大光栅的惆啾量及改变光栅的祸合系数，还可进一步扩大频差调谐范围。但是缺点是，由空间烧孔效应增加了模竞争和祸合腔反馈，随着激光器偏置电流的增大，引起两个纵模输出功率的波动。

双频激光技术是指在一个激光谐振腔中同时产生两个不同频率的激光，基本思想是利用技术手段微小改变激光腔中光学谐振腔长，微小变化的腔长对应微小变化的激光频率，实现双频激光输出。

应力改变频差的原理为：Δυ＝8υλF/LπDf₀，其中，L为谐振腔腔长，D为光学元件的直径，f₀为光学材料的条纹值，F为外力，λ为激光波长，通过改变外力F，就可实现频差的调节。

光程改变频差的原理为：Δυ＝υδ/L，其中δ为两束激光的光程差，δ＝(n₁-n₂)l，n₁和为变折射率晶体的两个折射率，l为变折射率晶体的厚度，υ为激光器的中心频率，L为激光器谐振腔长。通过改变n₁和n₂之间的距离，可以实现Δυ的连续调谐。比如，现在通过实现两互相正交的线偏振光，即n_o和n_e，根据公式δ＝(n_e-n_o)l，形成光程差，带入频差公式Δυ＝υδ/L，即可以得到频差Δυ。