[发明专利]基于非平面环形腔结构的单纵模变频全固态激光器

说明书

技术领域

本发明属于激光器件领域，特别涉及一种基于非平面环形腔结构的单纵模变频全固态激光器。

背景技术

可见光波段的单纵模激光在激光干涉测量、激光显示、相干激光雷达、空间通信等领域具有重要应用。目前获得单纵模激光的技术方案主要包括短腔法(微片腔)、腔内插入色散元件法(腔内插入F-P标准具等色散元件)、扭转模腔法、单向环形腔法等，例如文献1(周炳坤、高以智等，《激光原理》第五版，国防工业出版社，2004，212-213页)。短腔法是最简单的获得单纵模激光输出的方法，其增益介质为非常薄的微片，在微片两端分别镀全反射和部分反射的介质膜形成谐振腔。由于微片激光器的腔长很短，在输出功率较高时容易振出高阶横模，单纵模激光的输出功率受到限制。腔内标准具法是利用标准具产生的多光束干涉效应，是谐振腔具有与频率有关的选择性损耗的一种单纵模选模方法。扭转模腔法是通过在谐振腔内加入两个快轴方向相对垂直的λ/4波片，消除空间烧孔效应，激光器最终振荡于某一模式来实现单纵模运转。腔内标准具法和扭转模腔法都需要在谐振腔内插入光学元器件，由于分立元件的存在，影响了激光器的频率和功率稳定性。

单向行波环形腔是另一种实现单纵模激光输出的有效方法。在各种单向行波环形腔中，单块结构的非平面环形腔激光器由于采用了一体化的单块结构，具有较高的频率和功率稳定性，同时由于谐振腔增益体积较大，可以获得高功率的单纵模基横模激光输出。斯坦福大学Byer研究小组最早研制出了LD抽运的1064nm Nd:YAG单块非平面单向行波环形腔单频固体激光器，参考文献2(Thomas J.Kane and RoberL.Byer，Monolithic，unidirectional single-mode Nd:YAG ring laser，OPTICSLETTERS，VOL.10，NO.2，February 1985)。

然而，前文所述的单纵模激光器无法直接得到可见光波段的激光，只能输出近红外单纵模激光，如波长为1064nm的激光和波长为1319nm的激光。要想获得波长更短的可见光波段激光还需要通过变频手段(包括倍频、和频、光参量等)。

在一份专利申请号为201010159919.7的专利中，中国科学院理化技术研究所与山东大学发明了一种单频可见光激光器；这种激光器将自变频晶体切割成非平面环形腔结构，其自身可以产生激光，还可以通过自身的非线性光学效应，对基频激光进行非线性频率变换获得倍频激光输出。但是由于自倍频晶体的低对称性和较强的复合功能性，大大增加了激光器的设计难度，并且只能获得有限的几种波长激光输出。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，而提供一种基于非平面环形腔结构的单纵模变频全固态激光器，该基于非平面环形腔结构的单纵模变频全固态激光器将激光晶体与变频晶体结合在一起来构成非平面环形腔结构，并外加磁场，利用光波在非平面环形腔内不同空间取向的全反射面上的相位延迟、外加磁场作用下激光晶体产生的法拉第旋光效应及输入输出耦合面对偏振光不同反射特性构成光学单向器，使得非平面环形腔内只有沿顺时针或逆时针的一个偏振态的基频光起振，并且该基频光多次通过变频晶体产生腔内变频效应，从而得到可见光波段的单纵模变频激光输出。

为达上述目的，本发明的技术解决方案为：

本发明提供的基于非平面环形腔结构的单纵模变频全固态激光器，其包括：泵浦源、泵浦光耦合装置、激光晶体、外加磁场装置和温度控制装置；所述激光晶体制成由BC、CD、DE和EF构成单块非平面环形腔结构，C是非平面环形腔的第一反射点，D是非平面环形腔的第二反射点，E是非平面环形腔的第三反射点；其特征在于，还包括变频晶体，所述变频晶体键合在所述激光晶体的一端面上，所述激光晶体与键合于其端面上的变频晶体构成的具有非平面环形腔结构的组合晶体；所述变频晶体的非键合面作为光的输入输出耦合面；所述温度控制装置用于固定并控制组合晶体温度；所述外加磁场装置放置于所述组合晶体的上下方、侧面或四周；泵浦源发出的泵浦光经泵浦光耦合装置后对准输入输出耦合面上的A点折射进入变频晶体并沿AB方向传输，在B点折射进入激光晶体而被吸收，在激光晶体的非平面环形腔内依次沿BC、CD、DE和EF传输，之后经过变频晶体沿FA方向发生变频效应得到单纵模运转的变频激光，然后由输入输出耦合面的A点输出；或者