一种单向行波环形2μm单频可调谐固体激光器，它涉及一种单频固体激光器，属于光学领域，解决现有2μm单频固体激光器输出功率下降、光束质量劣化以及频率稳定性不高的问题。本发明入射至耦合系统的泵浦光经耦合系统耦合后依次入射至泵浦光输入镜、F‑P标准具及晶体中，晶体在泵浦光的抽运下产生顺时针和逆时针方向传播的振荡光，逆时针方向传播的振荡光入射至F‑P标准具、泵浦光输入镜及输出镜，部分振荡光经输出镜透射出去，剩余部分的逆时针方向传播的振荡光经过二分之一波片和旋光器，入射至二色镜上、第三平凸透镜、反射镜、晶体、F‑P标准具、泵浦光输入镜及输出镜，最后形成增益从输出镜透射出去成为2μm单频激光。
1.一种单向行波环形2μm单频可调谐固体激光器，其特征在于一种单向行波环形2μm单频可调谐固体激光器包括第一平凸透镜(1-1)、第二平凸透镜(1-2)、第三平凸透镜(1-3)、泵浦光输入镜(2)、F-P标准具(3)、Tm:YAG晶体(4)、反射镜(5)、二色镜(6)、旋光器(7)、二分之一波片(8)及输出镜(9)；
所述的第一平凸透镜(1-1)和第二平凸透镜(1-2)的凸面相对，构成耦合系统；
入射至耦合系统的785nm泵浦光经耦合系统耦合后以45°入射至泵浦光输入镜(2)；泵浦光输入镜(2)透过的785nm泵浦光入射至F-P标准具(3)，经F-P标准具(3)透过的785nm泵浦光入射至Tm:YAG晶体(4)中，Tm:YAG晶体(4)在785nm泵浦光的抽运下产生顺时针方向传播的振荡光和逆时针方向传播的振荡光，然后785nm泵浦光以45°入射至反射镜(5)，并由反射镜(5)反射至第三平凸透镜(1-3)的平面，穿过第三平凸透镜(1-3)的785nm泵浦光经过二色镜(6)后透射出去；
顺时针方向传播的振荡光以45°入射至反射镜(5)，并由反射镜(5)反射至第三平凸透镜(1-3)的平面，穿过第三平凸透镜(1-3)的顺时针方向传播的振荡光以45°入射至二色镜(6)上，顺时针方向传播的振荡光经二色镜(6)反射后继续顺时针方向传播，经过旋光器(7)和二分之一波片(8)后偏振态由垂直偏振变为水平偏振，水平偏振的顺时针方向传播的振荡光入射至输出镜(9)后部分透射出去，剩余部分无法形成增益输出；
逆时针方向传播的振荡光入射至F-P标准具(3)，经F-P标准具(3)透过的逆时针方向传播的振荡光以45°入射至泵浦光输入镜(2)，经泵浦光输入镜(2)反射的逆时针方向传播的振荡光以45°入射至输出镜(9)，部分逆时针方向传播的振荡光经输出镜(9)上透射出去，剩余部分的逆时针方向传播的振荡光经过二分之一波片(8)和旋光器(7)后成为逆时针方向传播的单频振荡光；
逆时针方向传播的单频振荡光以45°入射至二色镜(6)上，由二色镜(6)反射至第三平凸透镜(1-3)的凸面，穿过第三平凸透镜(1-3)的逆时针方向传播的单频振荡光以45°入射至反射镜(5)上，并由反射镜(5)反射继续经过Tm:YAG晶体(4)、F-P标准具(3)、泵浦光输入镜(2)及输出镜(9)，最后形成增益从输出镜(9)透射出去成为2μm单频激光。
2.根据权利要求1所述的一种单向行波环形2μm单频可调谐固体激光器，其特征在于所述的第一平凸透镜(1-1)及第二平凸透镜(1-2)表面均镀有785nm高透膜，焦距为5mm～
200mm，直径为1mm～50mm；所述的第三平凸透镜(1-3)表面镀有2μm高透膜，焦距为5mm～
3.根据权利要求1所述的一种单向行波环形2μm单频可调谐固体激光器，其特征在于所述的泵浦光输入镜(2)一面同时镀有对785nm泵浦光高透膜和对2μm振荡光高反膜。
4.根据权利要求1所述的一种单向行波环形2μm单频可调谐固体激光器，其特征在于所述的F-P标准具(3)对2μm振荡光的透过率为90％～100％，厚度为0.01mm～15mm。
5.根据权利要求1所述的一种单向行波环形2μm单频可调谐固体激光器，其特征在于所述的Tm:YAG晶体(4)采用单掺铥晶体，晶体长度为1mm～20mm，且所述的Tm:YAG晶体(4)中Tm离子掺杂的原子百分数为0.1％～6％，所述的Tm:YAG晶体(4)表面镀有对785nm～2.1μm高透膜。
6.根据权利要求1所述的一种单向行波环形2μm单频可调谐固体激光器，其特征在于所述的反射镜(5)一面同时镀有对785nm泵浦光高反膜和对2μm振荡光高反膜。
7.根据权利要求1所述的一种单向行波环形2μm单频可调谐固体激光器，其特征在于所述的二色镜(6)一面同时镀有对785nm泵浦光高透膜和对2μm振荡光高反膜。
8.根据权利要求1所述的一种单向行波环形2μm单频可调谐固体激光器，其特征在于所述的二分之一波片(8)表面镀有2μm高透膜。
9.根据权利要求1所述的一种单向行波环形2μm单频可调谐固体激光器，其特征在于所述的输出镜(9)一面同时镀有对垂直偏振的2μm振荡光透过率为1％-10％的膜和对水平偏振的2μm振荡光透过率为5％～50％的膜。
一种单向行波环形2μm单频可调谐固体激光器
技术领域
[0001] 本发明涉及一种单频固体激光器，属于光学领域。
背景技术
[0002] 2μm单频激光覆盖了水分子和CO2分子等分子的吸收带，具有大气吸收较弱，对雨雾的穿透能力强和对人眼安全的优点，使得其在激光测距、各种用途的激光雷达以及医疗诊断等多方面发挥着重要作用。2μm单频激光器在大气遥感、高分辨率光谱、光学频率标定和光学参量振荡器等领域有着重要作用。另外2μm单频激光可以作为多普勒相干测风雷达、高精度的光学干涉仪、测量地球大气温度和浓度变化的差分吸收雷达的首选光源。
[0003] 目前的2μm单频固体激光器存在输出功率下降、光束质量劣化以及频率稳定性不高的问题。在采用全固态固体激光器实现2μm单频激光的研究上，目前研究重心在环形腔和腔内插入轴模选择元件两种方法上。
发明内容
[0004] 本发明目的是为了解决现有2μm单频固体激光器存在输出功率下降、光束质量劣化以及频率稳定性不高的问题，提供了一种单向行波环形2μm单频可调谐固体激光器。
[0005] 一种单向行波环形2μm单频可调谐固体激光器包括第一平凸透镜、第二平凸透镜、第三平凸透镜、泵浦光输入镜、F-P标准具、Tm:YAG晶体、反射镜、二色镜、旋光器、二分之一波片及输出镜；
[0006] 所述的第一平凸透镜和第二平凸透镜的凸面相对，构成耦合系统；
[0007] 入射至耦合系统的785nm泵浦光经耦合系统耦合后以45°入射至泵浦光输入镜；泵浦光输入镜透过的785nm泵浦光入射至F-P标准具，经F-P标准具透过的785nm泵浦光入射至Tm:YAG晶体中，Tm:YAG晶体在785nm泵浦光的抽运下产生顺时针方向传播的振荡光和逆时针方向传播的振荡光，然后785nm泵浦光以45°入射至反射镜，并由反射镜反射至第三平凸透镜的平面，穿过第三平凸透镜的785nm泵浦光经过二色镜后透射出去；
[0008] 顺时针方向传播的振荡光以45°入射至反射镜，并由反射镜反射至第三平凸透镜的平面，穿过第三平凸透镜的顺时针方向传播的振荡光以45°入射至二色镜上，顺时针方向传播的振荡光经二色镜反射后继续顺时针方向传播，经过旋光器和二分之一波片后偏振态由垂直偏振变为水平偏振，水平偏振的顺时针方向传播的振荡光入射至输出镜后部分透射出去，剩余部分无法形成增益输出；
[0009] 逆时针方向传播的振荡光入射至F-P标准具，经F-P标准具透过的逆时针方向传播的振荡光以45°入射至泵浦光输入镜，经泵浦光输入镜反射的逆时针方向传播的振荡光以45°入射至输出镜，部分逆时针方向传播的振荡光经输出镜上透射出去，剩余部分的逆时针方向传播的振荡光经过二分之一波片和旋光器后成为逆时针方向传播的单频振荡光；
[0010] 逆时针方向传播的单频振荡光以45°入射至二色镜上，由二色镜反射至第三平凸透镜的凸面，穿过第三平凸透镜的逆时针方向传播的单频振荡光以45°入射至反射镜上，并由反射镜反射继续经过Tm:YAG晶体、F-P标准具、泵浦光输入镜及输出镜，最后形成增益从输出镜透射出去成为2μm单频激光。
[0011] 本发明因为输出镜对水平偏振的光透过率高，因此水平偏振的顺时针方向传播的振荡光入射至输出镜后部分透射出去，剩余部分无法形成增益输出。
[0012] 本发明的优点：本发明提供了针对2μm单频固体激光器的新的设计方案。采用旋光器与二分之一波片结合的方法实现单向传输，可以实现高稳定性、输出功率高的2μm单频激光输出；同时作为种子光输出进行下一级放大时，旋光器与二分之一波片的使用可以避免种子源的反馈问题；第三平凸透镜可以平衡腔内热效应，使输出功率和模式更加稳定；F-P标准具可以使输出波长在2μm附近可调谐输出；
[0013] 本发明所使用晶体除了Tm:YAG晶体外，还可以采用其他类单掺Tm的激光晶体，比如Tm:YAP、Tm:YLF、Tm:LuVO4等，对应的泵浦光也要采用适合不同晶体的中心波长的泵浦源。
[0014] 基于单向环形腔制造2μm单频固体激光器，其用于泵浦掺Tm的固体激光器的激励源可以采用商业上非常成熟的785nm的光纤激光器。采用四腔镜环形结构，避免了泵浦反馈的不良问题。整体具有成本低、插入损耗低、输出功率高，转换效率高和结构简单等优点。
[0015] 本发明提供的2μm单频可调谐固体激光器输出波长范围调谐在2010.5nm～2017.5nm；最大单频输出功率为850.5mW；对应的光学质量M2范围在1.05～1.2之间。利用该
2μm单频可调谐固体激光器作为种子源进行后续放大可输出更高功率的2μm单频激光。
附图说明
[0016] 图1是本发明所述的一种单向行波环形2μm单频可调谐固体激光器的结构示意图。
具体实施方式
[0017] 具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式一种单向行波环形2μm单频可调谐固体激光器包括第一平凸透镜1-1、第二平凸透镜1-2、第三平凸透镜1-3、泵浦光输入镜2、F-P标准具3、Tm:YAG晶体4、反射镜5、二色镜6、旋光器7、二分之一波片8及输出镜9；
[0018] 所述的第一平凸透镜1-1和第二平凸透镜1-2的凸面相对，构成耦合系统；
[0019] 入射至耦合系统的785nm泵浦光经耦合系统耦合后以45°入射至泵浦光输入镜2；泵浦光输入镜2透过的785nm泵浦光入射至F-P标准具3，经F-P标准具3透过的785nm泵浦光入射至Tm:YAG晶体4中，Tm:YAG晶体4在785nm泵浦光的抽运下产生顺时针方向传播的振荡光和逆时针方向传播的振荡光，然后785nm泵浦光以45°入射至反射镜5，并由反射镜5反射至第三平凸透镜1-3的平面，穿过第三平凸透镜1-3的785nm泵浦光经过二色镜6后透射出去；
[0020] 顺时针方向传播的振荡光以45°入射至反射镜5，并由反射镜5反射至第三平凸透镜1-3的平面，穿过第三平凸透镜1-3的顺时针方向传播的振荡光以45°入射至二色镜6上，顺时针方向传播的振荡光经二色镜6反射后继续顺时针方向传播，经过旋光器7和二分之一波片8后偏振态由垂直偏振变为水平偏振，水平偏振的顺时针方向传播的振荡光入射至输出镜9后部分透射出去，剩余部分无法形成增益输出；
[0021] 逆时针方向传播的振荡光入射至F-P标准具3，经F-P标准具3透过的逆时针方向传播的振荡光以45°入射至泵浦光输入镜2，经泵浦光输入镜2反射的逆时针方向传播的振荡光以45°入射至输出镜9，部分逆时针方向传播的振荡光经输出镜9上透射出去，剩余部分的逆时针方向传播的振荡光经过二分之一波片8和旋光器7后成为逆时针方向传播的单频振荡光；
[0022] 逆时针方向传播的单频振荡光以45°入射至二色镜6上，由二色镜6反射至第三平凸透镜1-3的凸面，穿过第三平凸透镜1-3的逆时针方向传播的单频振荡光以45°入射至反射镜5上，并由反射镜5反射继续经过Tm:YAG晶体4、F-P标准具3、泵浦光输入镜2及输出镜9，最后形成增益从输出镜9透射出去成为2μm单频激光。
[0023] 工作原理总结如下：Tm:YAG晶体4在785nm泵浦光的抽运下产生顺时针方向传播的振荡光和逆时针方向传播的振荡光。顺时针方向传播的振荡光经过反射镜5入射至二色镜6上，经由二色镜6反射后继续顺时针方向传播，经过旋光器7和二分之一波片8后偏振态由垂直偏振变为水平偏振。因为输出镜9对水平偏振的光透过率高，因此水平偏振的顺时针方向传播的振荡光入射至输出镜9后部分透射出去，剩余部分无法形成增益输出。逆时针方向传播的振荡光经过F-P标准具3后入射至泵浦光输入镜2，然后反射传播至输出镜9上，部分振荡光从输出镜9上透射出去，剩余部分的逆时针方向传播的振荡光经过二分之一波片8和旋光器7后成为逆时针方向传播的单频振荡光。逆时针方向传播的单频振荡光继续逆时针传播至二色镜6上，然后被二色镜6反射最后从输出镜9透射出去，因为单向环形行波可以抑制消除空间烧孔效应，因此单向传输的逆时针方向传播的单频振荡光增益输出成为2μm单频激光。
[0024] 本具体实施方式的有益效果是：本具体实施方式提供了针对2μm单频固体激光器的新的设计方案。采用旋光器7与二分之一波片8结合的方法实现单向传输，可以实现高稳定性、输出功率高的2μm单频激光输出；同时作为种子光输出进行下一级放大时，旋光器7与二分之一波片8的使用可以避免种子源的反馈问题；第三平凸透镜1-3可以平衡腔内热效应，使输出功率和模式更加稳定；F-P标准具3可以使输出波长在2μm附近可调谐输出；
[0025] 本具体实施方式所使用晶体除了Tm:YAG晶体外，还可以采用其他类单掺Tm的激光晶体，比如Tm:YAP、Tm:YLF、Tm:LuVO4等，对应的泵浦光也要采用适合不同晶体的中心波长的泵浦源。
[0026] 基于单向环形腔制造2μm单频固体激光器，其用于泵浦掺Tm的固体激光器的激励源可以采用商业上非常成熟的785nm的光纤激光器。采用四腔镜环形结构，避免了泵浦反馈的不良问题。整体具有成本低、插入损耗低、输出功率高，转换效率高和结构简单等优点。的本具体实施方式提供的2μm单频可调谐固体激光器输出波长范围调谐在2010.5nm～2
2017.5nm；最大单频输出功率为850.5mW；对应的光学质量M范围在1.05～1.2之间。利用该
2μm单频可调谐固体激光器作为种子源进行后续放大可输出更高功率的2μm单频激光。
[0027] 具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述的第一平凸透镜1-1、第二平凸透镜1-2及第三平凸透镜1-3表面均镀有2μm高透膜，焦距在5mm～200mm，直径在1mm～50mm。其它与具体实施方式一相同。
[0028] 具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同的是：所述的泵浦光输入镜2一面同时镀有对785nm泵浦光高透膜和对2μm振荡光高反膜。其它与具体实施方式一或二相同。
[0029] 具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述的F-P标准具3对2μm振荡光的透过率为90％～100％，厚度为0.01mm～15mm。其它与具体实施方式一至三相同。
[0030] 具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述的Tm:YAG晶体4采用单掺铥晶体，晶体长度为1mm～20mm，且所述的Tm:YAG晶体4中Tm离子掺杂的原子百分数为0.1％～6％，所述的Tm:YAG晶体4表面镀有对785nm～2.1μm高透膜。其它与具体实施方式一至四相同。
[0031] 具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：所述的反射镜5一面同时镀有对785nm泵浦光高反膜和对2μm振荡光高反膜。其它与具体实施方式一至五相同。
[0032] 具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：所述的二色镜6一面同时镀有对785nm泵浦光高透膜和对2μm振荡光高反膜。其它与具体实施方式一至六相同。
[0033] 具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：所述的二分之一波片8表面镀有2μm高透膜。其它与具体实施方式一至七相同。
[0034] 具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：所述的输出镜9一面同时镀有对垂直偏振的2μm振荡光透过率为1％-10％的膜和对水平偏振的2μm透过率为5％～50％的膜。其它与具体实施方式一至八相同。
[0035] 采用以下实施例验证本发明的有益效果：
[0036] 实施例一：
[0037] 结合图1具体说明本实施例，一种单向行波环形2μm单频可调谐固体激光器包括第一平凸透镜1-1、第二平凸透镜1-2、第三平凸透镜1-3、泵浦光输入镜2、F-P标准具3、Tm:YAG晶体4、反射镜5、二色镜6、旋光器7、二分之一波片8及输出镜9；
[0038] 所述的第一平凸透镜1-1和第二平凸透镜1-2的凸面相对，构成耦合系统；
[0039] 入射至耦合系统的785nm泵浦光经耦合系统耦合后以45°入射至泵浦光输入镜2；泵浦光输入镜2透过的785nm泵浦光入射至F-P标准具3，经F-P标准具3透过的785nm泵浦光入射至Tm:YAG晶体4中，Tm:YAG晶体4在785nm泵浦光的抽运下产生顺时针方向传播的振荡光和逆时针方向传播的振荡光，然后785nm泵浦光以45°入射至反射镜5，并由反射镜5反射至第三平凸透镜1-3的平面，穿过第三平凸透镜1-3的785nm泵浦光经过二色镜6后透射出去；
[0040] 顺时针方向传播的振荡光以45°入射至反射镜5，并由反射镜5反射至第三平凸透镜1-3的平面，穿过第三平凸透镜1-3的顺时针方向传播的振荡光以45°入射至二色镜6上，顺时针方向传播的振荡光经二色镜6反射后继续顺时针方向传播，经过旋光器7和二分之一波片8后偏振态由垂直偏振变为水平偏振，水平偏振的顺时针方向传播的振荡光入射至输出镜9后部分透射出去，剩余部分无法形成增益输出；
[0041] 逆时针方向传播的振荡光入射至F-P标准具3，经F-P标准具3透过的逆时针方向传播的振荡光以45°入射至泵浦光输入镜2，经泵浦光输入镜2反射的逆时针方向传播的振荡光以45°入射至输出镜9，部分逆时针方向传播的振荡光经输出镜9上透射出去，剩余部分的逆时针方向传播的振荡光经过二分之一波片8和旋光器7后成为逆时针方向传播的单频振荡光；
[0042] 逆时针方向传播的单频振荡光以45°入射至二色镜6上，由二色镜6反射至第三[0043] 平凸透镜1-3的凸面，穿过第三平凸透镜1-3的逆时针方向传播的单频振荡光以45°
[0044] 入射至反射镜5上，并由反射镜5反射继续经过Tm:YAG晶体4、F-P标准具3、泵[0045] 浦光输入镜2及输出镜9，最后形成增益从输出镜9透射出去成为2μm单频激光。
[0046] 所述的第一平凸透镜1-1、第二平凸透镜1-2及第三平凸透镜1-3表面均镀有2μm高透膜，焦距分别为7.8mm、120mm及150mm，直径分别为4mm、10mm及10mm。
[0047] 所述的泵浦光输入镜2一面同时镀有对785nm泵浦光高透膜和对2μm振荡光高反膜。
[0048] 所述的F-P标准具3对2μm振荡光的透过率为90％～100％，厚度为0.01mm～15mm。
[0049] 所述的Tm:YAG晶体4采用单掺铥晶体，晶体长度为7mm，且所述的Tm:YAG晶体4中Tm离子掺杂的原子百分数为3.5％，所述的Tm:YAG晶体4表面镀有对785nm～2.1μm高透膜。
[0050] 所述的反射镜5一面同时镀有对785nm泵浦光高反膜和对2μm振荡光高反膜。
[0051] 所述的二色镜6一面同时镀有对785nm泵浦光高透膜和对2μm振荡光高反膜。
[0052] 所述的二分之一波片8表面镀有2μm高透膜。
[0053] 所述的输出镜9一面同时镀有对垂直偏振的2μm振荡光透过率为3.5％的膜和对水平偏振的2μm振荡光透过率为15％的膜。
[0054] 在环境温度为20℃和湿度为54％RH的环境下，控制晶体温度为15℃，本实施例提供的2μm单频可调谐固体激光器输出波长范围调谐在2010.5nm～2017.5nm；最大单频输出功率为850.5mW；对应的光学质量M2范围在1.05～1.2之间。利用该2μm单频可调谐固体激光器作为种子源进行后续放大可输出更高功率的2μm单频激光。
