一种固体激光器及用于固体激光器的腔内光学偏振元件

1.本发明涉及激光技术领域，更具体的说是涉及一种固体激光器及用于固体激光器的腔内光学偏振元件。


背景技术：

2.线偏振激光在光电检测、光谱测量、光子纠缠、信息处理和存储等方面有着广泛应用。作为拓宽激光波长的重要手段，非线性光学频率变换对于基频光的偏振特性具有特殊要求，只有沿特定线偏振方向的激光能够实现有效转换。但遗憾的是，一些重要的激光晶体是各向同性的(如nd:yag)，所发射激光不是单一线偏振的，因此在应用之前需要采取一定方法将其变为单一线偏振光。另外，对于各向异性激光晶体，被激发激光的增益系数、偏振态以及波长都会随晶体方向发生变化，这又会带来两种不便：(1)当偏振态正交的两个激光波长的发射截面相近时，在稍高的泵浦功率下往往同时起振，难以获得单一偏振、单一波长激光。如nd:yap晶体，c偏振发射峰位于1065nm，b偏振发射峰位于1079nm，两者往往同时输出，无法单独应用。(2)当偏振态正交的两个激光波长的发射截面相差很大时，即使在很高的泵浦功率下也无法使发射截面较小的偏振激光起振并输出，从而无法利用相应波长。如nd:yvo4晶体，c偏振发射峰位于1064nm，b偏振发射峰位于1067nm，对于人们常用的a切晶体，现实中很难获得发射截面较小的b偏振1067nm输出。虽然c切晶体可以部分解决这一问题，但获得的1067nm输出又非单一线偏振的。因此，无论上述哪种情况，都需要简单、灵活的手段对激光偏振加以控制，这对于充分利用激光晶体偏振光谱的特性差异、丰富激光波长以及实现激光的特殊应用具有重要意义。
3.目前常用的腔内控制激光偏振的方案大致可以分为两类。一类是在激光腔内放置偏振分光棱镜，利用棱镜对偏振光束的筛选作用，使一个偏振方向的激光能在腔内振荡并形成输出。这种方法造价高、尺寸大、光学损耗大，分光棱镜前后两部分之间受热后容易开胶，因而寿命有限。另一类是在激光腔内以布儒斯特角摆放玻璃片，这种方法虽然可以起到选偏作用，但倾斜放置的玻璃片大大增加了谐振腔尺寸，不适用于小型化、高集成度的激光器件。其次，输出功率对玻璃片的摆放角度非常敏感，因而对装配精度提出了较高要求。再者，不同激光波长的布儒斯特角也是不同的，进一步增加了装配难度。第四，玻璃片的热导率较低，远远小于晶体光学元件，不利于高功率激光的稳定运行。
4.因此，如何提供一种固体激光器及用于固体激光器的腔内光学偏振元件，能够避免现有技术中的两类激光器的局限性是本领域技术人员亟需解决的问题。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提供了一种固体激光器及用于固体激光器的腔内光学偏振元件，能够控制1μm激光振荡、实现线偏振输出，提供了一种腔内简便、灵活地控制激光偏振的新方法和新器件，避免了由分光棱镜带来的光学大损耗和寿命问题，并且无需进行倾斜放置，有利于节约谐振腔的腔内空间。
6.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
7.一种用于固体激光器的腔内光学偏振元件，包括sm:gdca4o(bo3)3偏振晶片，偏振晶片用于实现1μm波段偏振激光输出。
8.进一步的，偏振晶片中的sm
3+
浓度为1-50at.％。
9.进一步的，偏振晶片的通光方向沿折射率主轴nz，通光面经抛光处理，通光厚度为0.1-20mm。
10.进一步的，偏振晶片的通光面镀有1020～1130nm波段的增透膜。
11.一种固体激光器，采用了上述的任一种用于固体激光器的腔内光学偏振元件，包括激光泵浦装置以及与激光泵浦装置相邻接的谐振腔，谐振腔内安置有激光晶体和偏振元件。
12.进一步的，激光泵浦装置包括泵浦源和聚焦系统，谐振腔包括入射镜和出射镜，入射镜镀有对泵浦光的增透膜和1.05-1.1μm的高反膜；出射镜镀有对1.05-1.1μm波段部分透过介质膜，部分透过介质膜在1.064μm波段的透过率为5％。
13.进一步的，在谐振腔内还安置有腔内倍频晶体，用于对选偏后的激光进行倍频，输出连续倍频激光。
14.进一步的，出射镜镀有1.06μm高反膜、0.53μm增透膜以替换部分透过介质膜。
15.进一步的，谐振腔内还安置有调q开关，调q开关位于偏振元件之后，用于调制产生脉冲激光。
16.进一步的，在谐振腔之后，与谐振腔邻接且沿光路依次设置有凸透镜、腔外倍频晶体和滤光片，脉冲激光经凸透镜聚焦后，作为基频光入射到满足相位匹配条件的腔外倍频晶体内，从腔外倍频晶体出射的倍频光经滤光片滤除剩余基频光后，输出纯净的脉冲倍频光。
17.本发明的有益效果：
18.经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明克服了传统腔内选偏光学元件的诸多缺点，与偏振分光棱镜相比造价低、尺寸小、光学损耗小、无胶的一体化设计、寿命长。与布儒斯特角摆放的玻璃片相比，尺寸小、易集成、易装配、即插即用、对角度变化不敏感、旋转选偏、热导率高、高功率运行稳定。本发明的sm:gdcob晶体可用提拉法生长，生长速度快，周期短，偏振元件成本低廉、性质稳定、偏振度高、易加工，易批量化生产，易推广。除上述优点外，如附图3所示，sm:gdcob晶体在1μm附近的较宽波段内(1020～1130nm)都表现出明显的偏振吸收各向异性，因此本发明的腔内偏振元件适用于多种激光材料、激光波长，甚至是宽带激光，具有十分重要和广阔的应用前景。
附图说明
19.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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
20.图1为经过定向确定的本发明sm:gdcob晶体光学主轴与结晶学轴的位置分布图；
21.图2为本发明的nz切向的sm:gdcob偏振元件加工图；
22.图3为3at.％、1mm厚sm:gdcob晶体的偏振透过光谱图；
23.图4为本发明实施例提供的一种固体激光器的结构图；
24.图5为本发明另一实施例提供的腔内倍频固体激光器结构图；
25.图6为本发明另一实施例提供的腔外倍频固体激光器结构图；
26.其中，1-泵浦源，2-聚焦系统，3-入射镜，4-激光晶体，5-偏振元件，6-出射镜，7-调q开关，8-凸透镜，9-倍频晶体，10-滤光片，11-倍频输出腔镜。
具体实施方式
27.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做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。
28.实施例1
29.本发明实施例公开一种用于固体激光器的腔内光学偏振元件的加工方法，如图1所示，元件材料为sm:gdca4o(bo3)3晶体，沿主轴nz方向加工成有一定厚度的晶片。
30.具体的，采用x射线定向仪对sm:gdca4o(bo3)3晶体的结晶学轴定向；用偏光显微镜定向sm:gdca4o(bo3)3得到结晶学轴与光学主轴的夹角，结果为(a,nz)＝26.7
°
，(c,n
x
)＝15.4
°
，结晶学轴b与光学主轴ny反向，光学主轴n
x
,ny,nz遵循右手螺旋法则；沿sm:gdca4o(bo3)3晶体光学主轴nz方向加工晶片制成偏振元件，偏振元件侧面法线方向分别为n
x
和ny。
31.实施例2
32.如图2和图3，本发明实施例公开一种用于固体激光器的腔内光学偏振元件，包括sm:gdca4o(bo3)3偏振晶片，偏振晶片用于实现1020～1130nm的偏振激光输出。在1μm波段，sm:gdcob晶体对于不同线偏振光的透过率相差极大(t
nx
《《t
nz
《t
ny
)。因此，沿nz方向加工的晶片器件，其截面上两个线偏振方向n
x
、ny具有最大的透过率差，并且对于ny方向的线偏振光基本上不吸收。基于这一独特性质，在波长为1μm的固体激光器的谐振腔内放置该元件，可以起到偏振选择作用，使输出激光的偏振只沿透过率较大的ny方向。本发明具有生产成本低、加工便利、尺寸小、偏振度高、易调节、易推广等优点。
33.在一种实施例中，sm:gdcob晶体的sm
3+
浓度为1-50at.％，晶片双面抛光，通光方向的厚度为0.1-20mm。优选的，晶片两个通光面镀以1μm波段的增透膜，以减小腔内的整体损耗，降低泵浦阈值，提高转换效率。
34.实施例3
35.本发明实施例公开一种固体激光器，包括激光泵浦装置以及与激光泵浦装置相邻接的谐振腔，谐振腔内安置有激光晶体和偏振元件。其中，偏振元件可采用实施例2中的偏振元件。
36.在一种实施例中，激光泵浦装置包括泵浦源和聚焦系统，谐振腔包括入射镜和出射镜，入射镜镀有对泵浦光的增透膜和1.05-1.1μm的高反膜；出射镜镀有对1.05-1.1μm波段部分透过介质膜，部分透过介质膜在1.064μm波段的透过率为5％。
37.具体的，泵浦源1、泵浦聚焦系统2、入射镜3、激光晶体4、sm:gdcob偏振元件5、出射镜6依次排列组成凹平谐振腔，泵浦源1发射的激光波长为808nm。聚焦系统2的光束压缩比
为1:1。入射镜3镀有对泵浦光的增透膜和1.06μm的高反膜。激光晶体4为nd
3+
掺杂0.5at.％、尺寸3
×3×
10mm3的长方体，两端镀1.06μm增透膜。偏振元件5为sm
3+
浓度3at.％的sm:gdcob晶片，切向为nz，尺寸为3
×3×
1mm3，双面抛光。出射镜6镀有对1.05-1.1μm波段部分透过的介质膜，在1.064μm的透过率为5％。
38.当激光晶体4为[111]切向nd:yag晶体时，泵浦源1发射的泵浦光经过聚焦系统2入射到nd:yag晶体4内部，产生激光振荡及放大，经过元件5的选偏，实现偏振沿sm:gdcob晶片ny方向的1064nm激光输出。
[0039]
当激光晶体4为x切nd:lyso晶体时，泵浦源1发射的泵浦光经过聚焦系统2入射到nd:lyso晶体4内部，产生激光振荡及放大，经过元件5的选偏，实现偏振沿sm:gdcob晶片ny方向的激光输出。当偏振元件ny方向与激光晶体z轴重合时，输出激光波长为1076nm与1080nm。当偏振元件ny方向与激光晶体y轴重合时，输出激光波长为1069nm与1076nm。
[0040]
当激光晶体4为y切nd:lyso晶体时，泵浦源1发射的泵浦光经过聚焦系统2入射到nd:lyso晶体4内部，产生激光振荡及放大，经过元件5的选偏，实现偏振沿sm:gdcob晶片ny方向的激光输出。当偏振元件ny方向与激光晶体z轴重合时，输出激光波长为1076nm与1080nm。当偏振元件ny方向与激光晶体x轴重合时，输出激光波长为1060nm与1080nm。
[0041]
当激光晶体4为z切nd:lyso晶体时，泵浦源1发射的泵浦光经过聚焦系统2入射到nd:lyso晶体4内部，产生激光振荡及放大，经过元件5的选偏，实现偏振沿sm:gdcob晶片ny方向的激光输出。当偏振元件ny方向与激光晶体y轴重合时，输出激光波长为1076nm。当偏振元件ny方向与激光晶体x轴重合时，输出激光波长为1061nm、1076nm与1080nm。
[0042]
在另一实施例中，谐振腔内还安置有腔内倍频晶体，用于对选偏后的激光进行倍频，输出连续倍频激光。出射镜镀有1.06μm高反膜、0.53μm增透膜以替换部分透过介质膜。
[0043]
具体的，激光器结构如附图5所示。泵浦源1、泵浦聚焦系统2、入射镜3、激光晶体4、sm:gdcob偏振元件5、倍频晶体9、倍频输出腔镜11沿光路依次排列：泵浦源1发射的激光波长为808nm。聚焦系统2的光束压缩比为1:1。入射镜3镀有对泵浦光的增透膜和1.06μm、0.53μm的高反膜。激光晶体4为[111]切向、0.5at.％、3
×3×
10mm3的nd:yag晶体，两端镀1.06μm、0.53μm增透膜。偏振元件5为sm
3+
浓度3at.％的sm:gdcob晶片，切向为nz，尺寸为3
×3×
1mm3，双面抛光。倍频晶体9满足相位匹配条件，可以是lbo，或者ycob、bibo。倍频输出腔镜11镀有1.06μm高反膜、0.53μm增透膜。当泵浦源1发射的泵浦光经过聚焦系统2入射到nd:yag晶体4内部，产生1064nm激光振荡及放大，经过元件5的选偏，倍频晶体9的倍频，从腔镜11处输出连续倍频光。
[0044]
在另一实施例中，谐振腔内还安置有调q开关，调q开关位于偏振元件之后，用于调制产生脉冲激光。在谐振腔之后，与谐振腔邻接且沿光路依次设置有凸透镜、腔外倍频晶体和滤光片，脉冲激光经凸透镜聚焦后，作为基频光入射到满足相位匹配条件的腔外倍频晶体内，从腔外倍频晶体出射的倍频光经滤光片滤除剩余基频光后，输出纯净的脉冲倍频光。
[0045]
具体的，激光器结构如附图6所示。泵浦源1、泵浦聚焦系统2、入射镜3、激光晶体4、sm:gdcob偏振元件5、调q开关7、出射镜6、聚焦凸透镜8、倍频晶体9、滤光片10沿光路依次排列，其特征在于：泵浦源1发射的激光波长为808nm。聚焦系统2的光束压缩比为1:1。入射镜3镀有对泵浦光的增透膜和1.06μm的高反膜。激光晶体4为[111]切向、0.5at.％、3
×3×
10mm3的nd:yag晶体，两端镀1.06μm增透膜。偏振元件5为sm3+浓度3at.％的sm:gdcob晶片，
切向为nz，尺寸为3
×3×
1mm3，双面抛光。调q开关7为主动或被动的脉冲波调制器，如电光q开关、声光q开关、以及由具有可饱和吸收性质的晶体或二维材料制成的被动q开关等。出射镜6镀有对1.05-1.1μm波段部分透过的介质膜，在1.064μm的透过率为5％。当泵浦源1发射的泵浦光经过聚焦系统2入射到nd:yag晶体4内部，产生激光振荡及放大，经过元件5的选偏，调q开关7的调制，实现偏振沿sm:gdcob晶片ny方向的1064nm脉冲激光输出。输出激光经凸透镜8聚焦后，作为基频光入射到满足相位匹配条件的倍频晶体9内，从9出射的倍频光经滤光片10滤除剩余基频光后，输出纯净的532nm脉冲光。
[0046]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0047]
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

技术特征：
1.一种用于固体激光器的腔内光学偏振元件，其特征在于，包括sm:gdca4o(bo3)3偏振晶片，偏振晶片用于实现1μm波段的偏振激光输出。2.根据权利要求1的一种用于固体激光器的腔内光学偏振元件，其特征在于，偏振晶片中的sm
3+
浓度为1-50at.％。3.根据权利要求1的一种用于固体激光器的腔内光学偏振元件，其特征在于，偏振晶片的通光方向沿折射率主轴nz，通光面经抛光处理，通光厚度为0.1-20mm。4.根据权利要求3的一种用于固体激光器的腔内光学偏振元件，其特征在于，偏振晶片的通光面镀有1μm波段的增透膜。5.一种固体激光器，其特征在于，采用了权利要求1-4所述的任一种用于固体激光器的腔内光学偏振元件，包括激光泵浦装置以及与激光泵浦装置相邻接的谐振腔，谐振腔内安置有激光晶体和偏振元件。6.根据权利要求5的一种固体激光器，其特征在于，激光泵浦装置包括泵浦源和聚焦系统，谐振腔包括入射镜和出射镜，入射镜镀有对泵浦光的增透膜和1.05-1.1μm的高反膜；出射镜镀有对1.05-1.1μm波段部分透过介质膜，部分透过介质膜在1.064μm波段的透过率为5％。7.根据权利要求5的一种固体激光器，其特征在于，在谐振腔内还安置有腔内倍频晶体，用于对选偏后的激光进行倍频，输出连续倍频激光。8.根据权利要求7的一种固体激光器，其特征在于，出射镜镀有1.06μm高反膜、0.53μm增透膜以替换部分透过介质膜。9.根据权利要求5的一种固体激光器，其特征在于，谐振腔内还安置有调q开关，调q开关位于偏振元件之后，用于调制产生脉冲激光。10.根据权利要求9的一种固体激光器，其特征在于，在谐振腔之后，与谐振腔邻接且沿光路依次设置有凸透镜、腔外倍频晶体和滤光片，脉冲激光经凸透镜聚焦后，作为基频光入射到满足相位匹配条件的腔外倍频晶体内，从腔外倍频晶体出射的倍频光经滤光片滤除剩余基频光后，输出纯净的脉冲倍频光。

技术总结
本发明公开了一种固体激光器及用于固体激光器的腔内光学偏振元件，该偏振元件包括，Sm:GdCa4O(BO3)3偏振晶片，偏振晶片用于实现1μm波段激光的偏振输出；该激光器包括激光泵浦装置以及与激光泵浦装置相邻接的谐振腔，谐振腔内安置有激光晶体和偏振元件；本发明能够控制1μm波段的激光振荡、实现线偏振输出，提供了一种腔内简便、灵活地控制激光偏振的新方法和新器件，避免了由分光棱镜带来的光学大损耗和寿命问题，并且无需进行倾斜放置，有利于节约谐振腔的腔内空间。节约谐振腔的腔内空间。节约谐振腔的腔内空间。


技术研发人员：王正平 于平章 许心光 刘彦庆
受保护的技术使用者：山东大学
技术研发日：2023.05.23
技术公布日：2023/8/13