《窄线宽可调谐半导体纵向单端泵浦铷蒸气激光光路系统.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《窄线宽可调谐半导体纵向单端泵浦铷蒸气激光光路系统.pdf（7页珍藏版）》请在专利查询网上搜索。
1、(10)申请公布号 CN 103036139 A (43)申请公布日 2013.04.10 CN 103036139 A *CN103036139A* (21)申请号 201210547469.8 (22)申请日 2012.12.17 H01S 3/0941(2006.01) H01S 3/081(2006.01) H01S 3/22(2006.01) H01S 3/13(2006.01) (71)申请人 浙江大学 地址 310027 浙江省杭州市西湖区浙大路 38 号 (72)发明人 杨静 潘佰良 沈炳林 杨亚男 罗静波 钱爱青 (74)专利代理机构 杭州求是专利事务所有限公 司 33200。
2、 代理人 林怀禹 (54) 发明名称 窄线宽可调谐半导体纵向单端泵浦铷蒸气激 光光路系统 (57) 摘要 本发明公开了一种窄线宽可调谐半导体纵向 单端泵浦铷蒸气激光光路系统。由可调谐半导体 激光功率放大系统、 光束耦合系统和谐振腔系统 组成。 使用窄线宽可调谐的泵浦光源， 将其波长调 至铷蒸气吸收线的中心波长， 使铷蒸气对泵浦光 的单程吸收高达 97%。在铷池内充入 600Torr 的 乙烷气体， 增加铷原子从泵浦上能级到激光上能 级的弛豫速率， 保障铷蒸气激光产生的条件。 通过 在凹面全反镜与控温箱间加入 1/4 波片， 将凹面 全反镜与平面输出耦合镜调至同轴， 构成稳定的 平凹谐振腔。 使。
3、用可控的温度控制方法， 使铷蒸气 池窗口的温度高于其中间 5 度， 避免了铷蒸气在 窗口的沉积， 在保持最小功率损耗的同时延长了 铷池的使用寿命， 保证了激光的稳定输出。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 1 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 1 页 1/1 页 2 1. 一种窄线宽可调谐半导体纵向单端泵浦铷蒸气激光光路系统， 其特征在于 ： ECL801 型窄线宽半导体激光器 (1) 发出的种子激光依次经第一隔离器 (2)、 第一平面全反镜 (3)、 第一半波片 (4)、 第二平面全反镜 。
4、(5) 后通过 TAL100 型半导体激光放大器 (6) 放大入射至 第二隔离器 (7) 后， 再经第二半波片 (8)、 聚焦透镜 (9)、 偏振分束镜 (10) 至温控箱 (11) 中 的铷蒸气池 (12)， 铷蒸气池 (12) 中的基态铷原子吸收泵浦光后被激发到泵浦上能级， 再与 铷蒸气池 (12) 中的乙烷碰撞被转移到激光上能级， 产生铷蒸气激光， 未被吸收的泵浦光与 产生的铷蒸气激光传输至凹面全反镜 (13) 后， 经铷蒸气池 (12) 被反射至偏振分束镜 (10) 的光被分为两路， 一路为被反射的水平偏振的泵浦光， 透过偏振分束镜 (10) 依次经聚焦透 镜 (9)、 第二半波片 (。
5、8) 传输至第二隔离器 (7) 处被隔离， 另一路是被反射的垂直偏振的铷 蒸气激光， 经偏振分束镜 (10) 被反射至反射率为 22% 的平面输出耦合镜 (14) 后至功率计 (15) 以探测铷蒸气激光功率， 或放置光纤光谱仪以探测铷蒸气激光光谱 ； 在同一直线上的 各光学元件的中心在同一光轴上。 2. 根据权利要求 1 所述的一种窄线宽可调谐半导体纵向单端泵浦铷蒸气激光光路系 统， 其特征在于 ： 所述 ECL801 型 Littrow 结构外腔半导体激光器 (1) 输出波长可调谐、 线 宽小于 1MHz 的种子激光， 通过调节半导体激光电源中的压电陶瓷驱动模块， 将种子激光的 波长调至铷原。
6、子的吸收中心波长 780.24nm， 出射种子激光的偏振状态为水平偏振 ； 种子激 光水平出射后进TAL100型半导体激光放大器(6)进行功率放大， 通过调节激光放大器的工 作电流调节输出泵浦光功率。 3. 根据权利要求 1 所述的一种窄线宽可调谐半导体纵向单端泵浦铷蒸气激光光路系 统， 其特征在于 ： 所述第一平面全反镜 (3) 与第二平面全反镜 (5) 垂直， 调整第一隔离器 (2) 和第二隔离器 (7) 的角度使隔离度 60 dB ； 聚焦透镜 (9) 的焦距为 15cm。 4. 根据权利要求 1 所述的一种窄线宽可调谐半导体纵向单端泵浦铷蒸气激光光路系 统， 其特征在于 ： 所述铷蒸气。
7、池(12)置于温控箱(11)内， 铷蒸气池(12)中心置于聚焦透镜 (9) 的焦点处。 5. 根据权利要求 1 所述的一种窄线宽可调谐半导体纵向单端泵浦铷蒸气激光光路系 统， 其特征在于 ： 所述铷蒸气池 (12) 内充有 600Torr 的乙烷气体 ； 凹面全反镜 (13) 与平面 输出耦合镜 (14) 构成 “L” 型平凹谐振腔， 平凹谐振腔 “L” 的长度小于凹面全反镜 (13) 的 焦距 50cm。 权 利 要 求 书 CN 103036139 A 2 1/4 页 3 窄线宽可调谐半导体纵向单端泵浦铷蒸气激光光路系统 技术领域 0001 本发明涉及一种铷蒸气激光光路系统， 尤其是涉及一。
8、种窄线宽可调谐半导体纵向 单端泵浦铷蒸气激光光路系统。 背景技术 0002 半导体激光泵浦碱金属蒸气激光 DPALs(diode-pumped alkali vopor lasers) 是具有高光束质量的高效高功率近红外激光输出的新型激光器件， 这些近红外激光在激光 冷却、 定向能量传输、 材料处理等方面有广泛的应用前景， 近些年来引起了研究人员的极大 兴趣和深入研究， 并取得了重大进展。 为了获得稳定高效的铷蒸气激光输出， 除需要达到泵 浦阈值功率和阈值温度外， 还需要满足以下条件 ： 一是要有波长与铷原子 D2 吸收线中心波 长吻合的泵浦光， 将铷原子从基态泵浦到吸收线上能级， 并且需要泵。
9、浦源的输出波长无漂 移无跳模 ； 二是需要将被泵浦到吸收线上能级的铷原子快速弛豫到激光上能级， 以抑制 吸收线上能级到基态的自发辐射， 当原子在激光上能级聚集到一定程度后， 在激光上能级 和基态间形成粒子数反转， 产生受激辐射， 进而产生铷蒸气激光 ； 三是要有提供激光振荡的 谐振腔， 若是使用稳定腔， 则腔镜必须保持良好的同轴， 并要求腔模和耦合到铷池中的泵浦 光束有良好的模式匹配 ； 四是有精确的铷蒸气池温度控制， 温度控制有两个侧重点， 其一是 温度不能超过 130， 防止铷原子与缓冲气体的化学反应产生， 其二是蒸气池窗口温度要比 其中间温度高5， 避免铷蒸气在窗口的沉积。 这些条件的满。
10、足是制约半导体泵浦铷蒸气激 光出光及稳定输出的技术难题。 发明内容 0003 为解决背景技术中存在的问题， 本发明的目的在于提供一种窄线宽可调谐半导体 纵向单端泵浦铷蒸气激光光路系统， 该系统使用窄线宽可调谐的泵浦光源， 将种子激光的 波长精确调至铷原子的吸收中心波长 780.24nm， 调波长时尽量锁定电流模块， 这样便于泵 浦光的稳定输出 ； 在铷池内充入 600Torr 的乙烷气体， 增加铷原子从泵浦上能级到激光上 能级的弛豫速率 ； 通过在凹面全反镜与控温箱间加入 1/4 波片， 将凹面全反镜与平面输出 耦合镜精确调至同轴， 构成稳定的平凹谐振腔 ； 使用可控的温度控制方法， 使铷蒸气。
11、池窗口 的温度高于其中间 5 度， 避免了铷蒸气在窗口的沉积。 0004 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是 ： ECL801 型窄线宽半导体激光器发出的种子激光依次经第一隔离器、 第一平面全反镜、 第一半波片、 第二平面全反镜后通过 TAL100 型半导体激光放大器放大入射至第二隔离器 后， 再经第二半波片、 聚焦透镜、 偏振分束镜至温控箱中的铷蒸气池， 铷蒸气池中的基态铷 原子吸收泵浦光后被激发到泵浦上能级， 再与铷蒸气池中的乙烷碰撞被转移到激光上能 级， 产生铷蒸气激光， 未被吸收的泵浦光与产生的铷蒸气激光传输至凹面全反镜后， 经铷蒸 气池被反射至偏振分束镜的光被分为两路， 一路为被。
12、反射的水平偏振的泵浦光， 透过偏振 分束镜依次经聚焦透镜、 第二半波片传输至第二隔离器处被隔离， 另一路是被反射的垂直 说 明 书 CN 103036139 A 3 2/4 页 4 偏振的铷蒸气激光， 经偏振分束镜被反射至反射率为 22% 的平面输出耦合镜后至功率计以 探测铷蒸气激光功率， 或放置光纤光谱仪以探测铷蒸气激光光谱 ； 在同一直线上的各光学 元件的中心在同一光轴上。 0005 所述 ECL801 型 Littrow 结构外腔半导体激光器输出波长可调谐、 线宽小于 1MHz 的种子激光， 通过调节半导体激光电源中的压电陶瓷驱动模块， 将种子激光的波长调至铷 原子的吸收中心波长 780。
13、.24nm， 出射种子激光的偏振状态为水平偏振 ； 种子激光水平出射 后进 TAL100 型半导体激光放大器进行功率放大， 通过调节激光放大器的工作电流调节输 出泵浦光功率。 0006 所述第一平面全反镜与第二平面全反镜垂直， 调整第一隔离器和第二隔离器的角 度使隔离度 60 dB ； 聚焦透镜的焦距为 15cm。 0007 所述铷蒸气池置于温控箱内， 铷蒸气池中心置于聚焦透镜的焦点处。 0008 所述铷蒸气池内充有 600Torr 的乙烷气体 ； 凹面全反镜与平面输出耦合镜构成 “L” 型平凹谐振腔， 平凹谐振腔 “L” 的长度小于凹面全反镜的焦距 50cm。 0009 本发明具有的有益效果。
14、是 ： 本发明使用窄线宽可调谐的泵浦光源， 将其波长调至铷蒸气吸收线的中心波长， 使铷 蒸气对泵浦光的单程吸收高达97%。 在铷池内充入600Torr的乙烷气体， 增加铷原子从泵浦 上能级到激光上能级的弛豫速率， 保障了铷蒸气激光产生的条件。通过在凹面全反镜与控 温箱间加入 1/4 波片， 将凹面全反镜与平面输出耦合镜精确调至同轴， 构成稳定的平凹谐 振腔。使用可控的温度控制方法， 使铷蒸气池窗口的温度高于其中间 5 度， 避免了铷蒸气在 窗口的沉积， 在保持最小功率损耗的同时延长了铷池的使用寿命， 保证了激光的稳定输出。 附图说明 0010 附图是本发明的光路图。 0011 图中 ： 1、 。
15、ECL801 型半导体激光器， 2、 第一隔离器， 3、 第一平面全反镜， 4、 第一半波 片， 5、 第二平面全反镜， 6、 TAL100 型半导体激光放大器， 7、 第二隔离器， 8、 第二半波片， 9、 聚 焦透镜， 10、 偏振分束镜， 11、 温控箱， 12、 铷蒸气池， 13、 凹面全反镜， 14、 反射率为 22% 的平 面输出耦合镜， 15、 功率计。 具体实施方式 0012 下面结合附图对本发明的实施方式做进一步说明。 0013 如附图所示， ECL801 型窄线宽半导体激光器 1 发出的种子激光依次经第一隔离器 2、 第一平面全反镜 3、 第一半波片 4、 第二平面全反镜 。
16、5 后通过 TAL100 型半导体激光放大器 6 放大入射至第二隔离器 7 后， 再经第二半波片 8、 聚焦透镜 9、 偏振分束镜 10 至温控箱 11 中的铷蒸气池 12， 铷蒸气池 12 中的基态铷原子吸收泵浦光后被激发到泵浦上能级， 再与铷 蒸气池 12 中的乙烷碰撞被转移到激光上能级， 产生铷蒸气激光， 未被吸收的泵浦光与产生 的铷蒸气激光传输至凹面全反镜 13 后， 经铷蒸气池 12 被反射至偏振分束镜 10 的光被分为 两路， 一路为被反射的水平偏振的泵浦光， 透过偏振分束镜 10 依次经聚焦透镜 9、 第二半波 片8传输至第二隔离器7处被隔离， 另一路是被反射的垂直偏振的铷蒸气激。
17、光， 经偏振分束 镜 10 被反射至反射率为 22% 的平面输出耦合镜 14 后至功率计 15 以探测铷蒸气激光功率， 说 明 书 CN 103036139 A 4 3/4 页 5 或放置光纤光谱仪以探测铷蒸气激光光谱 ； 在同一直线上的各光学元件的中心在同一光轴 上。 0014 ECL801 型 Littrow 结构外腔半导体激光器 1 输出波长可调谐、 线宽小于 1MHz 的 种子激光， 通过调节半导体激光电源中的压电陶瓷驱动模块， 将种子激光的波长调至铷原 子的吸收中心波长 780.24nm， 出射种子激光的偏振状态为水平偏振 ； 种子激光水平出射后 进TAL100型半导体激光放大器6进。
18、行功率放大， 通过调节激光放大器的工作电流调节输出 泵浦光功率。 0015 第一平面全反镜 (3) 与第二平面全反镜 5 垂直， 调整第一隔离器 2 和第二隔离器 7 的角度使隔离度 60 dB ； 聚焦透镜 9 的焦距为 15cm。 0016 铷蒸气池 12 置于温控箱 11 内， 铷蒸气池 12 中心置于聚焦透镜 9 的焦点处。 0017 铷蒸气池 12 内充有 600Torr 的乙烷气体 ； 凹面全反镜 13 与平面输出耦合镜 14 构 成 “L” 型平凹谐振腔， 平凹谐振腔 “L” 的长度小于凹面全反镜 13 的焦距 50cm。 0018 本发明公开的窄线宽可调谐半导体纵向单端泵浦铷蒸。
19、气激光的光路系统， 包括可 调谐半导体激光功率放大系统、 光束耦合系统、 谐振腔系统， 其中 ： 1) 可调谐半导体激光功率放大系统 ： 包括 ECL801 型半导体激光器 1， TAL100 型半导 体激光放大器 6。ECL801 型 Littrow 结构外腔半导体激光器 1 输出波长可调谐、 线宽小于 1MHz 的种子激光 ； 种子激光水平出射后经光束耦合系统耦合进 TAL100 型半导体激光放大 器 6 进行功率放大， 通过调节激光放大器的工作电流调节输出激光功率。 0019 2) 光束耦合系统 ： 包括第一隔离器 2， 第一平面全反镜 3， 第一半波片 4， 第二平面 全反镜 5， 第。
20、二隔离器 7， 第二半波片 8， 聚焦透镜 9。选择使用的聚焦透镜 9 的焦距为 15cm。 实验前将隔离器的角度调至最佳， 使隔离度 60 dB。 0020 3) 谐振腔系统 ： 包括偏振分束镜 10， 温控箱 11， 铷蒸气池 12， 凹面全反镜 13， 反射 率为 22% 的平面输出耦合镜 14。铷蒸气池 12 置于温控箱 11 内， 铷蒸气池 12 的中心置于聚 焦透镜 9 的焦点处。凹面全反镜 13 置于温控箱 11 右端近处以提供良好的模式匹配。 0021 可调谐半导体激光功率放大系统 ： ECL801 型 Littrow 结构外腔半导体激光器 利用光栅的色散选择作用， 使得激光增。
21、益中频率很窄的一部分发射谱反馈至激光管内， 增 加了出射激光模式的竞争性， 使得激光更容易工作在单纵模与窄线宽状态。波长范围为 780785nm， 输出激光线宽 1000:1， 作 为对比， 反射光束的消光比为 100:1， 波长为 780.24nm 的泵浦光与 795nm 的铷激光的偏振 方向是正交的， 因此偏振分束镜能将两者分束 ； 控温箱使蒸气池两端的温度比中间的温度 高 5 度， 以避免蒸气在蒸气池窗口的沉积， 为避免缓冲气体乙烷与铷原子的化学反应而带 来的窗口污染和铷与乙烷的损耗， 加热最高温度不超过 130 ； 蒸气池是 2.5cm2.5cm 的 圆柱体， 窗口镀有 780.24n。
22、m 的抗反膜， 池内充有 600Torr 的乙烷气体以加速泵浦上能级到 激光上能级的弛豫速率 ； 凹面全反镜焦距为 50cm， 平面输出耦合镜的反射率为 22%， 两者组 成 “L” 型平凹谐振腔 ； 两腔镜是否同轴至关重要， 只有同轴， 才有可能出射激光， 调同轴时， 在凹面全反镜与控温箱间加入 1/4 波片， 780.24nm 的泵浦光第一次经过 1/4 波片后被转成 椭圆偏振光， 在到达凹面全反镜被反射后第二次经过1/4波片， 由于选择的1/4波片的光轴 与椭圆偏振光的主轴并不平行， 所以第二次经过 1/4 波片后， 被凹面全反镜反射的泵浦光 仍为椭圆偏振光， 则在偏振分束镜处椭圆偏振光的垂直分量会被反射至平面输出耦合镜， 被平面输出耦合镜反射的泵浦光到达偏振分束镜后仍会被反射至蒸气池， 此时在偏振分束 镜与控温箱间有 3 个光斑， 分别为入射光斑， 凹面全反镜的反射光斑和平面输出耦合镜的 反射光斑， 将此 3 斑调至精确重合， 则两腔镜即为同轴， 且均与入射光同轴 ； 平凹谐振腔 “L” 的长度小于凹面全反镜的焦距。 说 明 书 CN 103036139 A 6 1/1 页 7 附图 说 明 书 附 图 CN 103036139 A 7 。