本發(fā)明涉及一種易于集成的波長可調(diào)諧固體激光器，屬于激光技術領域。

背景技術：

波長可調(diào)諧激光器是光通信網(wǎng)絡與系統(tǒng)的關鍵器件?？烧{(diào)諧激光器可以實現(xiàn)通信設備小型化、多功能、集成化、低功耗，并有擴展網(wǎng)絡靈活性、控制流量、減少備用激光器數(shù)量、降低成本等優(yōu)點。在提供精確光波長標準、充分利用全部光纖帶寬、提高網(wǎng)絡容量和效率、提高系統(tǒng)功能性等方面有著重要應用價值。

目前波長可調(diào)諧激光器主要分為兩大類：

第一類是通過在激光腔內(nèi)加入選縱膜的光學元件，通過對光學元件的調(diào)制來實現(xiàn)不同縱模激光的輸出。比較常用的光學元件有衍射光柵、體布拉格光柵、標準具、棱鏡等機械調(diào)整式，以及電光器件、磁光器件、聲光器件等物理學方式。例如，CN104201553A通過了一種雙波長可調(diào)諧固體激光器，包括泵浦源和諧振腔，所述諧振腔包括后腔鏡、固體激光介質(zhì)、偏振器、第一利特曼光柵結(jié)構和第二利特曼光柵結(jié)構；所述激光經(jīng)偏振器后分為水平偏振方向和豎直偏振方向射出，在所述水平偏振方向設置有第一利特曼光柵結(jié)構；在所述垂直偏振方向設置有二分之一波片和第二利特曼光柵結(jié)構。該激光器兩個波長可以獨立的調(diào)諧。再如，CN105470799A公開了一種利用雙F-P標準具調(diào)諧固體激光器輸出波長的方法，包括厚標準具A及薄標準具B，采用雙F-P標準具結(jié)構，通過改變兩個F-P標準具的厚度、材料、角度，達到固體激光器輸出波長可調(diào)諧的目的。該類波長調(diào)諧激光器因為需要額外加設光學選模元件，會增加器件成本，同時插入的光學元件不可避免的會引入插入損耗，降低激光效率。不利于集成。

第二類波長可調(diào)諧激光器是通過改變激光器外界環(huán)境，例如溫度、壓強等來改變激光增益介質(zhì)激活離子的玻爾茲曼能級分布活著改變光柵的發(fā)射特性，從而實現(xiàn)輸出激光波長的變化。例如CN102668419A提供了一種用于調(diào)整光網(wǎng)絡元件的可調(diào)諧激光器的方法和裝置，其中通過相對于環(huán)境溫度改變可調(diào)諧激光器或者其至少一部分的溫度調(diào)整可調(diào)諧激光器的波長。該類激光器對外界環(huán)境依賴性比較大，控制難度大、成本較高且穩(wěn)定性也有待提高。

技術實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術波長可調(diào)諧激光器的不足及技術缺陷，本發(fā)明提供了一種易于集成的波長可調(diào)諧固體激光器；尤其是一種基于輸出鏡透過率調(diào)節(jié)實現(xiàn)波長可調(diào)諧輸出的激光器。該激光器通過調(diào)整輸出鏡透過率實現(xiàn)激光波長可調(diào)諧輸出，具有調(diào)諧速度快、穩(wěn)定性高等特點。

術語說明：

透過率，簡寫通用表示為T。

透過率之差，簡寫通用表示為ΔT。

透過率變化范圍，是指在一個輸出鏡上，最小透過率區(qū)域的透過率和最大透過率區(qū)域的透過率的數(shù)值范圍，例如最小透過率為1％，最大透過率為50％，中間還有若干不同的透過率區(qū)域，則該輸出鏡上全部區(qū)域的透過率變化范圍為1％-50％。該透過率變化范圍也即可調(diào)諧范圍。

Ho:LuAG：Ho:Lu₃Al₅O₁₂的通用簡寫；

Tm:LuYAG：Tm:(Lu_xY_1-x)₃Al₅O₁₂的通用簡寫，其中x＝0.1-0.9。

本發(fā)明的技術方案如下：

一種波長可調(diào)諧固體激光器，依次包括泵浦源、光學耦合系統(tǒng)、輸入鏡、增益介質(zhì)、輸出鏡，其中，所述輸出鏡是有不同透過率區(qū)域的透過率可變輸出鏡，一驅(qū)動裝置帶動所述輸出鏡運動至所述不同透過率區(qū)域，實現(xiàn)輸出鏡透過率的調(diào)整，所述輸出鏡透過率是輸出鏡對輸出激光波長的透過率，通過調(diào)整輸出鏡透過率實現(xiàn)激光波長可調(diào)諧輸出。

根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述輸出鏡為平面鏡。

根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述輸出鏡不同透過率區(qū)域的透過率變化范圍為1％-50％；進一步優(yōu)選為1％-20％。

根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述的輸出鏡不同透過率區(qū)域數(shù)n≥2，進一步優(yōu)選的，所述的輸出鏡不同透過率區(qū)域數(shù)n＝3-10。

根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述輸出鏡為圓形，所述的輸出鏡不同透過率區(qū)域圍繞輸出鏡中心等角度分布在輸出鏡鏡面上。此時形成的不同透過率區(qū)域是扇形區(qū)域。進一步優(yōu)選，所述輸出鏡不同透過率區(qū)域的兩相鄰區(qū)域的透過率之差為ΔT＝0.5％-10％，特別優(yōu)選為ΔT＝3％或5％。

根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述輸出鏡為圓形時，所述的驅(qū)動裝置為可360°旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)器，旋轉(zhuǎn)間隔角度為360°/n，其中n為輸出鏡不同透過率區(qū)域數(shù)目。所述的輸出鏡不同透過率區(qū)域的分布角度與旋轉(zhuǎn)器的旋轉(zhuǎn)間隔角度相適配。一個優(yōu)選的方案是，所述旋轉(zhuǎn)器為光學馬達。

根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述輸出鏡為圓形，所述輸出鏡靠近中心的位置設有2-4個孔，以使輸出鏡固定到驅(qū)動裝置上。所述輸出鏡與驅(qū)動裝置接觸區(qū)域的面積與輸出鏡的面積相差越大越好，盡量減小輸出鏡被遮擋的區(qū)域。一種優(yōu)選的方案是，所述輸出鏡直徑為Ф60～90mm，所述輸出鏡與驅(qū)動裝置接觸區(qū)域的直徑為20～40mm。

根據(jù)本發(fā)明，另一種實施方案為，所述輸出鏡為方形，所述的輸出鏡不同透過率區(qū)域等間距平行分布在輸出鏡鏡面上。此時形成的不同透過率區(qū)域是條形區(qū)域。相應地，此時所述的驅(qū)動裝置為使輸出鏡上下移動的機構。例如，將方形輸出鏡上下邊固定于拉動桿上。

根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述輸出鏡是通過不同透過率的鏡片粘合而成，或者在鏡面上分區(qū)域鍍以不同透過率的膜。所述輸出鏡直徑為Ф60～90mm。

根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述的增益介質(zhì)為具有寬帶發(fā)射譜的摻雜型激光材料。優(yōu)選為增益帶寬≥10nm的摻雜型激光材料；所述增益材料中激活離子的能級結(jié)構為二能級激光系統(tǒng)或準三能級系統(tǒng)，且摻雜離子具有寬帶(≥10nm)增益發(fā)射特性，其可以是Yb³⁺、Er³⁺、Tm³⁺、Ho³⁺中的一種，或者是過渡金屬離子Ti³⁺、Cr²⁺、Fe²⁺中的一種。進一步優(yōu)選Tm³⁺離子的³F₄→³H₆能級摻雜型激光材料，Ho³⁺離子的⁵I₇→⁵I₈能級摻雜型激光材料。優(yōu)選的方案為：1-3at.％Ho³⁺摻雜的Ho:LuAG陶瓷作為增益介質(zhì)，或者3-5at.％Tm³⁺摻雜的Tm:LuYAG晶體作為增益介質(zhì)。

所述增益介質(zhì)兩通光端面只拋光或鍍以對泵浦光和輸出光的增透膜，透過率≥90％，優(yōu)選透過率為99.5％。

根據(jù)本發(fā)明，所述增益介質(zhì)為圓柱體或長方體，長度方向為通光方向，通光方向長度為1-50mm；為減小諧振腔長度及可調(diào)諧激光器整體體積，增益介質(zhì)的通光方向長度優(yōu)選為10-20mm。

根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述泵浦源為半導體激光二極管(LD)、全固態(tài)激光器(SSL)或光纖激光器(FL)。所述泵浦源波長優(yōu)選為增益介質(zhì)的吸收峰波長。

根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述的光學耦合系統(tǒng)包括兩個構成開普勒望遠鏡系統(tǒng)的透鏡，雙透鏡對泵浦光實現(xiàn)縮束或擴束以便使泵浦光與激光達到模式匹配。進一步優(yōu)選的，以上所述的光學耦合系統(tǒng)所用的雙透鏡鍍以對泵浦光的增透膜，透過率≥90％，優(yōu)選99％。

本發(fā)明中，所述的輸入鏡與輸出鏡構成光學諧振腔。優(yōu)選的，所述的輸入鏡是平面鏡或者凹面鏡，在泵浦光入射面鍍以對泵浦光高透的介質(zhì)膜，透過率≥90％，優(yōu)選≥95％；同時在輸入鏡另一側(cè)鍍以對輸出激光波長≥99％的反射膜，特別優(yōu)選反射膜對輸出激光波長的反射率為99.5％。

本發(fā)明的技術特點及優(yōu)良效果：

本發(fā)明的技術特點主要在于，用一個輸入鏡、一個增益介質(zhì)、一個透過率可調(diào)節(jié)的輸出鏡和一個旋轉(zhuǎn)器實現(xiàn)波長可調(diào)諧的激光輸出。其原理是在不同透過率下，激光腔內(nèi)的激光功率密度不同，則在二能級激光系統(tǒng)或準三能級激光系統(tǒng)的增益材料中對應的再吸收效應不同。在低透過率情況下，腔內(nèi)功率密度大，再吸收效應嚴重，則發(fā)射的激光被吸收后轉(zhuǎn)化為長波長激光輸出；相反的，當旋轉(zhuǎn)裝置帶動輸出鏡旋轉(zhuǎn)到大透過率時，再吸收效應減弱導致激光波長發(fā)生“藍移”，從而實現(xiàn)短波長激光輸出。實際應用時，根據(jù)需要設置不同的透過率，可實現(xiàn)了波長的可調(diào)諧輸出。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果是：

1.結(jié)構簡單，易于集成。本發(fā)明的波長可調(diào)諧固體激光器采用簡單兩鏡腔，長度尺寸在厘米量級，比目前通過外加光學元件實現(xiàn)波長調(diào)諧的商用激光器少了2個數(shù)量級，易于集成到其他應用器件。

2.本發(fā)明的波長可調(diào)諧固體激光器具有激光效率高、成本低、操作簡單、調(diào)諧速度快、高穩(wěn)定性等優(yōu)勢。因為本發(fā)明的激光器無需額外插入其它波長調(diào)節(jié)光學元件，激光轉(zhuǎn)化效率高且省去外加光學元件的成本。只需要通過旋轉(zhuǎn)裝置轉(zhuǎn)動輸出鏡便可獲得不同的激光波長輸出，調(diào)諧速度快，為激光器領域提供了一類新產(chǎn)品。

3.應用范圍廣。本發(fā)明的新型波長可調(diào)諧固體激光器只需通過旋轉(zhuǎn)輸出鏡便可實現(xiàn)不同激光波長選擇輸出，波長調(diào)諧范圍可覆蓋整個增益譜寬，本發(fā)明的激光器操作極為方便，無需依賴操作人員的個人專業(yè)經(jīng)驗便可實現(xiàn)，可以應用到光通訊、光化學、同位素分離、遠距離診斷、光生物學以及光譜學等眾多領域，具有重要的應用前景及極高的商用價值。

附圖說明

圖1為本發(fā)明激光器的結(jié)構示意圖。其中：1-泵浦源，2-光學耦合系統(tǒng)，3-輸入鏡，4-激光介質(zhì)，5-輸出鏡，6-旋轉(zhuǎn)器。

圖2為實施例1中不同透過率輸出鏡的俯視示意圖，圖中，T＝5％，T＝10％和T＝20％表示三種不同透過率，每個區(qū)域為夾角120°的扇形。

圖3為實施例1中不同透過率輸出鏡的側(cè)向視圖，圖中，鏡面厚度為3mm，鏡面直徑為80mm。

圖4為實施例1中可調(diào)諧激光器的輸出波長圖，旋轉(zhuǎn)輸出鏡到三種不同透過率T＝5％、T＝10％、T＝20％區(qū)域，實現(xiàn)了2100.7nm,2110nm和2124.5nm三種波長的調(diào)諧輸出。

圖5為實施例2中不同透過率輸出鏡的示意圖，輸出鏡是由8片夾角為45°的扇形鏡片粘合而成，相鄰兩扇形鏡片對激光波長的透過率差ΔT為3％，整體透過率范圍為T＝2％-23％。

圖6為實施例2中可調(diào)諧激光器的輸出波長圖，旋轉(zhuǎn)輸出鏡到不同的透過率，實現(xiàn)了八種波長的調(diào)諧輸出。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步說明，但不限于此。

本發(fā)明的波長可調(diào)諧激光器，如圖1所示，包括泵浦源1，泵浦源1順序連接有光學耦合系統(tǒng)2、輸入鏡3、激光增益介質(zhì)4，輸出鏡5以及旋轉(zhuǎn)器6。所述泵浦源1可以是半導體激光二極管(LD)、光纖激光器(FL)或固體激光器(SSL)，其輸出波長對應激光介質(zhì)材料的吸收波長。所述光學耦合系統(tǒng)2包括兩個構成開普勒望遠鏡系統(tǒng)的透鏡，所述兩個透鏡對泵浦光斑進行縮束或擴束。所述輸入鏡3是平面鏡或者凹面鏡，在泵浦光入射面鍍以對泵浦光高透的介質(zhì)膜，透過率優(yōu)選≥95％；并同時在輸入鏡3另外一側(cè)鍍以對輸出激光波長反射率≥99.5％的介質(zhì)膜，泵浦方式是端面泵浦。所述激光介質(zhì)4為二能級激光系統(tǒng)或準三能級系統(tǒng)的離子摻雜激光增益材料，優(yōu)選Ho:LuAG或Tm:LuYAG。所述的輸出鏡5是有不同透過率區(qū)域的透過率可變輸出鏡，透過率變化范圍為1％-20％，也即透過率可調(diào)諧范圍為1％-20％。其中輸入鏡3和輸出鏡5組成激光諧振腔，通過旋轉(zhuǎn)輸出鏡5來改變激光諧振腔的透過率，當旋轉(zhuǎn)至某一透過率區(qū)域時，即由此透過率區(qū)域的鏡面與輸出鏡3組成激光諧振腔。所述的旋轉(zhuǎn)器6是光學馬達，主要用于協(xié)助輸出鏡5運動至所述不同透過率區(qū)域，實現(xiàn)透過率的調(diào)諧。根據(jù)激光振蕩過程中，二能級或三能級系統(tǒng)摻雜離子的再吸收效應，當調(diào)節(jié)不同的透過率時，同一泵浦強度下激光諧振腔內(nèi)光子密度不同，則吸收強弱不同，致使輸出激光波長改變，從而實現(xiàn)不同激光波長諧振，實現(xiàn)調(diào)諧輸出。

實施例1：一種三波長可調(diào)諧Ho:LuAG陶瓷固體激光器

激光器結(jié)構如圖1所示。其中，采用的泵浦源1為Tm光纖激光器，輸出波長為1.91μm對應于Ho:LuAG陶瓷的吸收波長；光學耦合系統(tǒng)2是對1.91μm泵浦光透過率≥99.5％透鏡組，可以達到對泵浦光束腰縮束擴束的作用。增益介質(zhì)4是Ho:LuAG長方體陶瓷，其通光端面均鍍以對泵浦光和輸出光透過率≥99％的增透膜；輸入鏡3兩鏡面均鍍以對泵浦光透過率≥99％的介質(zhì)膜，同時其靠近激光介質(zhì)的一端鍍以對輸出光反射率≥99.5％的介質(zhì)膜；輸出鏡5是對輸出激光有三種不同透過率區(qū)域(n＝3)的透過率可調(diào)變光學平面鏡片。

所述的增益介質(zhì)4是1at.％Ho³⁺摻雜的Ho:LuAG陶瓷，尺寸為3×3×20mm³，通光端面鍍增透膜膜波段為1850-2250nm。所述的輸入鏡3為平面鏡，雙面增透膜的鍍膜波段為1550-1950nm，高反膜的波段范圍是1950-2250nm。

所述的輸出鏡5等角度分布有三種不同透過率區(qū)域，其分布圖如圖2所示，三種不同透過率區(qū)域的面積相等，透過率分別為5％、10％、20％，三種透過率區(qū)域均勻占據(jù)整個輸出鏡，整個輸出鏡的尺寸為Ф80mm×3mm。整個輸出鏡由三塊不同透過率的鏡片通過光膠粘合而成，每塊透過率鏡片為夾角120°的扇形鏡片。圍繞輸出鏡中心工藝孔均勻分布有3個Ф4mm的工藝孔用于將輸出鏡5固定到旋轉(zhuǎn)器6上。所述的與輸出鏡5連接的旋轉(zhuǎn)器6為光學馬達，可實現(xiàn)角度為120°的旋轉(zhuǎn)間隔，以便帶動輸出鏡5旋轉(zhuǎn)至不同的透過率區(qū)域。旋轉(zhuǎn)器6遮擋輸出鏡5部分的直徑為36mm。

所述輸出鏡在旋轉(zhuǎn)到不同透過率區(qū)域時對應的三種輸出波長分別為2100.7nm，2110nm，2124.5nm，如圖4所示，。當輸出鏡5旋轉(zhuǎn)至透過率5％區(qū)域時，激光諧振腔內(nèi)光子密度大，Ho:LuAG的再吸收效應強，此時Ho³⁺⁵I₈基態(tài)離子吸收腔內(nèi)激光光子躍遷到⁵I₇激發(fā)態(tài)，當激發(fā)態(tài)離子再次躍遷會基態(tài)時，發(fā)射較長波長的激光，從而激光波長產(chǎn)生紅移輸出2124.5nm的激光。當輸出鏡5旋轉(zhuǎn)至透過率20％的區(qū)域時，再吸收效應弱，激光紅移不明顯，實現(xiàn)2100.7nm較短波長激光輸出。而當輸出鏡5旋轉(zhuǎn)至透過率10％的區(qū)域時，實現(xiàn)2110nm中等波長激光輸出。由此實現(xiàn)三波長可調(diào)諧激光輸出。

實施例2：八種波長可調(diào)諧Tm:LuYAG固體激光器

該實施例所采用的激光腔裝置示意圖同樣如圖1所示。所述的泵浦源1是輸出波長為785nm的半導體激光二極管LD；光學耦合系統(tǒng)2是對785nm泵浦光透過率≥99.5％透鏡組，可以達到對泵浦光束腰縮束擴束的作用。增益介質(zhì)4是Tm:LuYAG柱狀晶體，其通光端面均鍍以對泵浦光和輸出光透過率≥99％的增透膜；輸入鏡3兩面均鍍以對泵浦光透過率≥99％，稱為雙面增透膜，同時輸入鏡3靠近增益介質(zhì)4的一端鍍以對輸出光反射率≥99.5％的介質(zhì)膜，稱為高反膜；輸出鏡5是對輸出激光透過有八種不同透過率區(qū)域(n＝8)的可調(diào)節(jié)變化的光學鏡片。

所述的增益介質(zhì)4是4at.％Tm³⁺摻雜的Tm:LuYAG晶體，尺寸為Ф3mm×12mm，通光端面增透膜鍍膜為兩個波段，分別為700-900nm、1850-2150nm。其中700-900nm鍍膜是為了實現(xiàn)泵浦光增透，而1850-2150nm是為了保證輸出光增透。

所述的輸入鏡3為平鏡，雙面增透膜的鍍膜波段為700-900nm，高反膜的波段范圍是1850-2150nm。

所述的輸出鏡5為圓形平面鏡，其上均勻分布八種不同透過率區(qū)域，如圖5所示，八種透過率范圍T＝2％～23％，相鄰兩區(qū)域的透過率之差ΔT為3％；八種不同透過率區(qū)域的面積相等，均為夾角45°的扇形，透過率分別為2％、5％、8％、11％、14％、17％、20％、23％，所述輸出鏡5是由8片上述八種不同透過率的夾角為45°的扇形鏡片粘合而成。整個輸出鏡5的尺寸及工藝孔如實施例1所述。所述的與輸出鏡5連接的旋轉(zhuǎn)器6為光學馬達，可實現(xiàn)角度為45°的旋轉(zhuǎn)，以便帶動輸出鏡5旋轉(zhuǎn)至八種不同透過率區(qū)域。

該實施例2旋轉(zhuǎn)輸出鏡至不同透過率區(qū)域所對應的八種調(diào)諧輸出波長如圖6所示，按透過率由小到大的區(qū)域激光輸出波長依次為2020.3nm,2020nm,2019.3nm,2018.4nm,2017.5nm,2017.1nm,2016.5nm,2015.8nm。與實施例1中的原理相同，當輸出鏡5的透過率旋轉(zhuǎn)至較低時，激光諧振腔內(nèi)光子密度較大，Tm:LuYAG中從基態(tài)³H₆到激發(fā)態(tài)³F₄的再吸收效應強，此時激光器發(fā)射較長波長的激光。而當輸出鏡5旋轉(zhuǎn)至透過率較高時，Tm³⁺的再吸收效應弱，輸出較短的激光波長。由此實現(xiàn)了八種波長的調(diào)諧輸出，激光器操作簡單，效果明顯。