本發(fā)明涉及激光器技術(shù)領(lǐng)域，更具體地說，涉及一種超窄線寬、可調(diào)諧的高功率激光系統(tǒng)及激光的產(chǎn)生方法。

背景技術(shù)：

激光是現(xiàn)代社會生產(chǎn)、生活和科學(xué)研究的重要工具，激光的應(yīng)用已經(jīng)從工業(yè)生產(chǎn)覆蓋到了人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€方面。由于波長為532nm的激光具有穩(wěn)定性良好、功率高和單頻輸出等特點(diǎn)，已經(jīng)在臨床醫(yī)學(xué)、工業(yè)切割、精密測量、成像和光譜學(xué)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。隨著技術(shù)的發(fā)展和激光應(yīng)用的深入，人們對激光的頻率線寬、是否可調(diào)諧以及可調(diào)諧范圍等都提出了更高的要求。

現(xiàn)有技術(shù)中，高功率單頻532nm激光的產(chǎn)生主要通過以下方式實(shí)現(xiàn)：首先用波長為808nm的高功率半導(dǎo)體激光泵浦固態(tài)激光晶體，產(chǎn)生寬波段的激光；然后通過外腔對寬波段的激光進(jìn)行選頻和放大，使得波長為1064nm的激光在腔內(nèi)共振；最后，對腔的共振模式進(jìn)行倍頻，實(shí)現(xiàn)單頻高功率532nm激光的輸出。但是，由于808nm激光泵浦產(chǎn)生的1064nm激光是多縱模激光，因此在對其進(jìn)行倍頻產(chǎn)生532nm激光時容易出現(xiàn)模式之間的串?dāng)_，造成光強(qiáng)抖動(也就是所謂的“綠光問題”)，需要復(fù)雜的技術(shù)手段才能盡可能緩解這一現(xiàn)象。同時由于泵浦激光頻率寬，因此輸出的532nm激光無法實(shí)現(xiàn)小于10khz的超窄線寬。此外，現(xiàn)有的532nm激光頻率可調(diào)諧范圍也很窄，無法用于需要頻率大范圍可調(diào)諧的場合，如光譜分析等。

因此，亟需一種能夠在避免“綠光問題”的基礎(chǔ)上，產(chǎn)生超窄線寬、高功率并且可調(diào)諧的532nm激光的系統(tǒng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明提供了一種超窄線寬、可調(diào)諧的高功率激光系統(tǒng)及激光的產(chǎn)生方法，以實(shí)現(xiàn)在解決輸出激光光強(qiáng)抖動這一問題的基礎(chǔ)上，產(chǎn)生超窄線寬、高功率并且可調(diào)諧激光的目的。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明基于激光放大與倍頻的方式提供如下技術(shù)方案：

一種超窄線寬、可調(diào)諧的高功率激光系統(tǒng)，包括激光泵浦單元、光纖放大器和倍頻單元；

所述激光泵浦單元包括泵浦源和頻率鎖定模塊，所述泵浦源用于出射種子激光，所述頻率鎖定模塊用于將所述種子激光的頻率鎖定在預(yù)設(shè)的中心頻率；同時通過鎖定，將輸出激光線寬進(jìn)行壓窄；

光纖放大器，用于對所述泵浦源出射的激光進(jìn)行放大，并將放大后的激光傳輸至所述倍頻單元；

所述倍頻單元用于對所述放大后的激光進(jìn)行倍頻，以使輸出的激光的頻率為所述預(yù)設(shè)頻率的二倍。

優(yōu)選的，所述頻率鎖定模塊包括第一極化分束器、電光調(diào)制器、第二極化分束器、超穩(wěn)腔、光電探測器和頻率控制模塊；

所述第一極化分束器位于所述泵浦源和所述光纖放大器之間的光路上，用于將所述泵浦源出射的部分激光反射至所述的電光調(diào)制器，而讓剩余激光透射至所述的光纖放大器；

所述電光調(diào)制器在所述頻率控制模塊輸出的調(diào)制信號的控制下，對所述被第一個極化分束器反射的激光進(jìn)行相位調(diào)制，并將調(diào)制后的激光透射至所述第二極化分束器；

所述第二極化分束器將所述調(diào)制后的激光反射至所述超穩(wěn)腔，并將所述超穩(wěn)腔出射的激光透射至所述光電探測器；

所述光電探測器將所述超穩(wěn)腔出射的激光的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，并將所述電信號輸出至所述頻率控制模塊；

所述頻率控制模塊根據(jù)所述光電探測器輸出的電信號和所述調(diào)制信號混頻生成反饋信號，并根據(jù)所述反饋信號調(diào)節(jié)所述泵浦源出射激光的頻率，以將其鎖定在預(yù)設(shè)的中心頻率。

優(yōu)選的，所述頻率控制模塊包括信號源、鑒相器、濾波器和第一控制器；

所述信號源用于向所述電光調(diào)制器和所述鑒相器輸出所述調(diào)制信號；

所述鑒相器將所述光電探測器輸出的電信號和所述調(diào)制信號進(jìn)行鑒相，根據(jù)鑒相結(jié)果生成反饋信號，并將所述反饋信號傳輸至所述濾波器；

所述濾波器對所述反饋信號進(jìn)行濾波后，將濾波后的反饋信號傳輸至所述第一控制器；

所述第一控制器根據(jù)所述反饋信號調(diào)節(jié)所述泵浦源出射激光的頻率，以將其鎖定在預(yù)設(shè)的中心頻率。

優(yōu)選的，所述頻率鎖定模塊還包括第一半波片、第二半波片和第一個1/4波片；

所述第一半波片位于所述泵浦源和所述第一極化分束器之間；

所述第二半波片位于所述第一極化分束器和所述電光調(diào)制器之間；

所述第一個1/4波片位于所述超穩(wěn)腔和所述第二極化分束器之間。

優(yōu)選的，所述超穩(wěn)腔包括第一平面鏡和第一凹面鏡；

所述第一平面鏡背離所述超穩(wěn)腔的一側(cè)具有壓電陶瓷元件，所述第一控制器通過所述壓電陶瓷元件設(shè)置所述超穩(wěn)腔的腔長。

優(yōu)選的，所述倍頻單元包括倍頻腔和倍頻控制模塊；

所述倍頻腔包括第二平面鏡、第三平面鏡、第二凹面鏡、第三凹面鏡和倍頻晶體，所述倍頻晶體位于所述第二凹面鏡和第三凹面鏡之間的聚焦點(diǎn)上，所述倍頻腔用于對所述激光進(jìn)行倍頻；

所述倍頻控制模塊用于對所述倍頻腔的腔長進(jìn)行調(diào)節(jié)，以將所述倍頻腔的共振頻率鎖定在種子激光頻率；

其中，所述第三平面鏡和所述第二凹面鏡背離所述倍頻腔的一側(cè)具有壓電陶瓷元件，所述倍頻控制模塊通過控制所述壓電陶瓷元件調(diào)節(jié)所述倍頻腔的腔長。

優(yōu)選的，所述倍頻控制模塊包括第三極化分束器、第二光電探測器、第三光電探測器和倍頻控制模塊；

所述第三極化分束器用于將所述倍頻腔出射的激光部分透射至所述第二光電探測器、部分反射至所述第三光電探測器；

所述第二光電探測器和第三光電探測器用于將探測到的部分激光的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，并分別將所述電信號傳輸至所述倍頻控制模塊；

所述倍頻控制模塊用于將所述第二光電探測器輸出的電信號和所述第三光電探測器輸出的電信號做差，根據(jù)做差的結(jié)果生成誤差反饋信號，并根據(jù)所述誤差反饋信號調(diào)節(jié)所述倍頻腔的腔長。

優(yōu)選的，所述倍頻控制模塊包括減法器和第二控制器；

所述減法器用于將所述第二光電探測器輸出的電信號和所述第三光電探測器輸出的電信號做差，根據(jù)做差的結(jié)果生成誤差反饋信號，并將所述誤差反饋信號傳輸至所述第二控制器；

所述第二控制器用于根據(jù)所述誤差反饋信號調(diào)節(jié)所述倍頻腔的腔長。

優(yōu)選的，所述倍頻控制模塊還包括反射鏡和第二個1/4波片，所述反射鏡用于將未進(jìn)入倍頻腔的部分激光和腔內(nèi)從第二凹面鏡透射的激光反射至所述第三極化分束器，所述第二個1/4波片位于所述反射鏡和所述第三極化分束器之間。

一種超窄線寬、可調(diào)諧的高功率激光的產(chǎn)生方法，包括：

采用泵浦源產(chǎn)生種子激光，并通過頻率鎖定模塊將所述種子激光的頻率鎖定在預(yù)設(shè)的中心頻率；

采用光纖放大器對所述泵浦源出射的激光進(jìn)行放大；

采用倍頻單元對所述放大后的激光進(jìn)行倍頻，以使輸出的激光的頻率為所述預(yù)設(shè)頻率的二倍。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所提供的技術(shù)方案具有以下優(yōu)點(diǎn)：

本發(fā)明所提供的超窄線寬、可調(diào)諧的高功率激光系統(tǒng)及激光的產(chǎn)生方法，采用泵浦源激光器直接產(chǎn)生預(yù)設(shè)波長如1064nm的激光，然后通過倍頻產(chǎn)生波長為預(yù)設(shè)波長一半的激光，如532nm的激光，而不是采用激光器對固態(tài)激光晶體進(jìn)行泵浦產(chǎn)生多縱模1064nm的激光，因此，本發(fā)明在產(chǎn)生的波長為532nm的激光時沒有模式之間的串?dāng)_，也不會造成輸出光強(qiáng)抖動的問題，即沒有“綠光問題”。其次本方案中泵浦激光通過與穩(wěn)定且可調(diào)諧的頻率參考鎖定，可以實(shí)現(xiàn)輸出激光的超窄線寬，同時頻率穩(wěn)定；同時該激光系統(tǒng)可以在滿足上述技術(shù)特點(diǎn)的前提下，輸出高激光功率(典型大于20w)。

進(jìn)一步的，所述激光系統(tǒng)可以通過調(diào)節(jié)所述頻率鎖定模塊的超穩(wěn)腔的中心共振頻率來調(diào)節(jié)泵浦激光的中心頻率，從而實(shí)現(xiàn)對輸出激光的中心頻率的調(diào)節(jié)。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)提供的附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的可調(diào)諧的激光系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的倍頻腔的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的空間模式匹配原理圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的倍頻腔內(nèi)功率與反射鏡反射率的變化曲線關(guān)系圖；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例提供的可調(diào)諧的激光系統(tǒng)產(chǎn)生激光的方法的流程圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

本發(fā)明實(shí)施例提供了一種超窄線寬、可調(diào)諧的高功率激光系統(tǒng)，如圖1所示，該激光系統(tǒng)包括激光泵浦單元10、光纖放大器11和倍頻單元12。

其中，激光泵浦單元10包括泵浦源101和頻率鎖定模塊。其中，泵浦源101用于出射種子激光，如出射波長為1064nm的激光，頻率鎖定模塊用于將泵浦源101出射的激光的頻率鎖定在預(yù)設(shè)的中心頻率，所述預(yù)設(shè)的中心頻率可以精確調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)激光頻率的可調(diào)諧。同時通過鎖定，將輸出激光的線寬進(jìn)行壓窄。

需要說明的是，通常情況下，激光系統(tǒng)的功率超過2w就可稱之為高功率的激光系統(tǒng)，激光線寬小于10khz就可以稱之為超窄線寬激光。

可選的，泵浦源101為窄線寬可調(diào)諧的泵浦激光器，也就是說，該泵浦源101需滿足線寬窄和可調(diào)諧的要求。具體地，泵浦源101出射的激光的線寬應(yīng)小于100khz，該泵浦源101的調(diào)節(jié)反饋帶寬應(yīng)大于1khz?？蛇x的，泵浦源101可以采用單頻可調(diào)諧的oem激光器，該激光器采用分布式反饋技術(shù)，使得輸出激光的線寬小于10khz，輸出功率大于10mw，反饋帶寬大于10khz。其中可以采用溫度調(diào)節(jié)和壓電陶瓷調(diào)節(jié)兩種方式快速改變該激光器的輸出激光的頻率。

光纖放大器11，用于對泵浦源101出射的激光進(jìn)行放大，并將放大后的激光傳輸至倍頻單元12。其中，光纖放大器11是可對入射的光信號進(jìn)行放大的器件。倍頻單元12用于對放大后的激光進(jìn)行倍頻，以使輸出的激光的頻率為預(yù)設(shè)頻率的二倍。如當(dāng)種子激光為1064nm時，倍頻單元12輸出的激光為532nm激光。

由于本實(shí)施例中的波長為1064nm的激光是由泵浦源激光器直接產(chǎn)生的，而不是采用強(qiáng)激光泵浦固態(tài)激光晶體產(chǎn)生的，因此，本實(shí)施例中最終產(chǎn)生波長為532nm的激光時沒有模式之間的串?dāng)_，也不會造成輸出光的強(qiáng)抖動，即沒有“綠光問題”。

具體地，如圖1所示，頻率鎖定模塊包括第一半波片102、第一極化分束器103、第二半波片104、電光調(diào)制器105、第二極化分束器106、第一個1/4波片107、超穩(wěn)腔108、光電探測器109和頻率控制模塊110。

其中，第一半波片102位于泵浦源101和第一極化分束器103之間。第一極化分束器103位于泵浦源101和光纖放大器11之間的光路上，具體地，第一極化分束器103位于第一半波片102和光纖放大器11之間，用于將泵浦源101出射的一部分激光反射至電光調(diào)制器105，而剩余激光透射至光纖放大器11?？蛇x的，第一極化分束器103為偏振分束器，其透射一部分激光、反射另一部分激光，并且，透射的激光的出射方向和反射的激光的出射方向呈90°夾角。

第二半波片104位于第一極化分束器103和電光調(diào)制器105之間，同樣，第二半波片104的作用是對第一極化分束器103反射的激光進(jìn)行偏振調(diào)制。透過第二半波片104的激光入射到電光調(diào)制器105中，該電光調(diào)制器105在頻率控制模塊110輸入的調(diào)制信號的控制下，對入射的激光進(jìn)行相位調(diào)制，并將調(diào)制后的激光透射至第二極化分束器106。

第二極化分束器106將電光調(diào)制器105調(diào)制后的激光反射至超穩(wěn)腔108，并將超穩(wěn)腔108出射的激光透射至光電探測器109。其中，第一個1/4波片107位于超穩(wěn)腔108和第二極化分束器106之間，用于對第二極化分束器106反射的激光或超穩(wěn)腔108出射的激光進(jìn)行偏振調(diào)制。其中，超穩(wěn)腔108包括第一平面鏡l1和第一凹面鏡m1。若激光的頻率與超穩(wěn)腔108的共振頻率相同，則它通過第一凹面鏡m1進(jìn)入超穩(wěn)腔108，并在超穩(wěn)腔108內(nèi)往返振蕩，小部分通過m1泄露出來；若該激光的頻率與超穩(wěn)腔108的共振頻率不同，則該激光會被第一凹面鏡m1反射。從腔內(nèi)泄露的激光和m1反射的激光會互相干涉，并光電探測器109探測到。光電探測器109將接收到的激光的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，并將電信號輸出至頻率控制模塊110。頻率控制模塊110根據(jù)光電探測器109輸出的電信號和輸入給電光調(diào)制器105的調(diào)制信號混頻生成反饋信號，并根據(jù)反饋信號調(diào)節(jié)泵浦源101出射的激光的頻率，以將泵浦源101的頻率鎖定在預(yù)設(shè)的中心頻率。

進(jìn)一步地，頻率控制模塊110包括信號源110a、鑒相器110b、濾波器110c和第一控制器110d。其中，信號源110a用于向電光調(diào)制器105輸出調(diào)制信號，并且，信號源110a也會將該調(diào)制信號輸入鑒相器110b，以便鑒相器110b將光電探測器109輸出的電信號和該調(diào)制信號進(jìn)行鑒相，根據(jù)鑒相結(jié)果生成反饋信號，并將反饋信號傳輸至濾波器110c；濾波器110c對反饋信號進(jìn)行濾波后，將濾波后的反饋信號傳輸至第一控制器110d；第一控制器110d根據(jù)反饋信號調(diào)節(jié)泵浦源101出射的激光的頻率，以將泵浦源101的頻率鎖定在預(yù)設(shè)的中心頻率，將泵浦源101出射的激光的波長鎖定在1064nm。

本實(shí)施例中，通過鎖定，預(yù)設(shè)的中心頻率與超穩(wěn)腔108的共振頻率相同。由于108是超穩(wěn)腔，其共振頻率變化非常小，因此泵浦源101出射的激光的頻率將穩(wěn)定在一個固定值。并且，本實(shí)施例中，第一平面鏡l1背離超穩(wěn)腔108的一側(cè)具有壓電陶瓷元件p1，第一控制器110d通過向壓電陶瓷元件p1施加電壓來使壓電陶瓷元件p1產(chǎn)生微小的形變，進(jìn)而可以調(diào)節(jié)超穩(wěn)腔108的腔長與共振頻率。此時，對于按照調(diào)節(jié)前與腔共振的激光光束，腔的反射率會增加，探測器109接收到的光信號會有變化。根據(jù)109探測到的電信號和調(diào)制信號生成的反饋信號可以實(shí)現(xiàn)對泵浦源101頻率的調(diào)節(jié)，最終使其與腔共振。通過這一方式可以實(shí)現(xiàn)輸出的波長為532nm的激光的頻率的調(diào)諧。

泵浦源101輸出的大部分激光會透過第一極化分束器103入射到光纖放大器11中，光纖放大器11對激光進(jìn)行放大后，將放大后的激光傳輸至倍頻單元12。本實(shí)施例中的光纖放大器11需要滿足輸出功率高、頻率色散小和放大倍數(shù)大等要求。在一個具體實(shí)施例中，光纖放大器11可以為單頻光纖激光放大器。該激光放大器在輸入的激光的功率為5mw時，輸出的激光的功率最大能達(dá)到50w。且該激光放大器輸出的激光是空間單模，為后續(xù)的倍頻部分的光學(xué)設(shè)計(jì)提供了很好的基礎(chǔ)。

本實(shí)施例中，如圖1所示，倍頻單元12包括倍頻腔120和倍頻控制模塊。該倍頻腔120包括第二平面鏡l2、第三平面鏡l3、第二凹面鏡m2、第三凹面鏡m3和倍頻晶體13，用于對激光進(jìn)行倍頻。本實(shí)施例中，為了能夠提升基頻光的利用率和等效的倍頻效率，將共振行波腔作為倍頻腔120來實(shí)現(xiàn)基頻激光的功率增強(qiáng)。如圖3所示，第二平面鏡l2、第三平面鏡l3、第二凹面鏡m2和第三凹面鏡m3構(gòu)成一個四鏡八字環(huán)形腔，倍頻晶體13位于第二凹面鏡m2和第三凹面鏡m3之間的聚焦點(diǎn)上。

倍頻控制模塊用于對倍頻腔120的腔長進(jìn)行調(diào)節(jié)，以使倍頻腔120的共振頻率與入射激光的中心頻率相同。此外，由于機(jī)械、熱變化等的影響，腔長會不斷變化，無法一直滿足上述條件，因此，必須采用反饋的方式對倍頻腔120的腔長進(jìn)行動態(tài)補(bǔ)償，以使得腔的本振頻率始終跟隨入射激光的中心頻率。本實(shí)施例中，第三平面鏡l3和第二凹面鏡m2背離倍頻腔120的一側(cè)具有壓電陶瓷元件p2和p3，該倍頻控制模塊通過向壓電陶瓷元件p2和p3施加電壓使壓電陶瓷元件p2和p3發(fā)生微小形變，來調(diào)節(jié)倍頻腔120的腔長。

進(jìn)一步地，倍頻控制模塊包括第三極化分束器121a、第二光電探測器121b、第三光電探測器121c和倍頻控制模塊。其中，第三極化分束器121a用于將倍頻腔120出射的激光部分透射至第二光電探測器121b、部分反射至第三光電探測器121c；第二光電探測器121b和第三光電探測器121c用于將探測到的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，并分別將電信號傳輸至倍頻控制模塊；該倍頻控制模塊用于將第二光電探測器121b輸出的電信號和第三光電探測器121c輸出的電信號做差，根據(jù)做差的結(jié)果生成誤差信號，并根據(jù)誤差信號調(diào)節(jié)倍頻腔120的腔長。

可選的，倍頻控制模塊包括減法器121d和第二控制器121e。該減法器121d用于將第二光電探測器121b輸出的電信號和第三光電探測器121c輸出的電信號做差，根據(jù)做差的結(jié)果生成誤差信號，并將誤差信號傳輸至第二控制器121e。第二控制器121e用于根據(jù)誤差信號調(diào)節(jié)倍頻腔120的腔長?？蛇x的，本實(shí)施例中的第一控制器110d和第二控制器121e都為比例-積分-微分控制器。

本實(shí)施例中，產(chǎn)生誤差信號的原理是利用倍頻晶體13中o光和e光的延時不一樣，當(dāng)倍頻需要的激光e光與倍頻腔120共振時，o光不會跟倍頻腔120共振，o光成分基本被腔全反射，而e光的反射率隨著腔是否共振而改變，且當(dāng)e光跟腔共振或者部分共振的時候，從第二凹面鏡m2出射的e光會帶來倍頻腔120內(nèi)光場的相位信息。通過對第二凹面鏡m2出射光的偏振分析，即通過對第二光電探測器121b和第三光電探測器121c探測的偏振光的分析，我們可以得到入射激光頻率是否與倍頻腔120的本振頻率有偏差，以及偏差的大小和方向，然后根據(jù)偏差生成的誤差信號對倍頻腔120的腔長進(jìn)行調(diào)節(jié)，以鎖定出射的532nm激光的頻率和波長。

可選的，倍頻控制模塊還包括反射鏡121f、第二個1/4波片121g、第三個1/4波片121h和透鏡121i，該反射鏡121f用于將未進(jìn)入倍頻腔120的部分激光和腔內(nèi)從第二凹面鏡m2透射的激光反射至第三極化分束器121a，第二個1/4波片121g位于反射鏡121f和第三極化分束器121a之間，進(jìn)行相位的調(diào)制。第三個1/4波片121h位于光纖放大器11和第二凹面鏡m2之間，透鏡121i位于第三個1/4波片121h和第二凹面鏡m2之間。

本實(shí)施例中，如圖2所示，在設(shè)計(jì)倍頻腔120時，假設(shè)第二平面鏡l2和第三平面鏡l3的反射率和透射率分別為r1、t1，r2、t2，第二凹面鏡m2和第三凹面鏡m3的曲率半徑分別為r1和r2，反射率和透射率分別為r3、t3，r4、t4，倍頻晶體為三硼酸鋰晶體晶體，并且，激光從第二凹面鏡m2反射進(jìn)入腔體，則光場繞腔一周，腔內(nèi)所有的光學(xué)元件對光的等效變換為：

其中，欲使倍頻腔120能夠穩(wěn)定，則需要滿足：(1/2)*|a+d|≤1。

在滿足倍頻腔120穩(wěn)定且共振的前提下，腔內(nèi)的共振模式由倍頻腔120的腔長和凹面鏡的曲率來決定，通常有多個模式可以滿足共振的要求，具體與各個參量的選取有關(guān)。在倍頻腔120的實(shí)際設(shè)計(jì)中，通常為了考慮最佳的倍頻效率，先是確定腔內(nèi)倍頻晶體處的束腰大小ω0，且設(shè)定束腰位置為倍頻晶體13正中心所在位置；然后根據(jù)空間的幾何構(gòu)型，選擇合適的長度d1和d2；選擇合適曲率的凹面鏡匹配腔長，最終實(shí)現(xiàn)腔的共振。最終總的腔長l為：l＝d1+d2+l+d3。

其中，l為倍頻晶體13的長度，d1為倍頻晶體13到第三凹面鏡m3的距離，d2為倍頻晶體13到第二凹面鏡m2的距離。d3＝d31+d32+d33，d31是指第二平面鏡l2和第三凹面鏡m3之間的距離，d32是指第二凹面鏡m2和第三平面鏡l3之間的距離，d33是指第二平面鏡l2和第三平面鏡l3之間的距離。在一個具體實(shí)施例中，當(dāng)腔內(nèi)束腰大小ω0為27.5um時，倍頻晶體13的長度l＝20mm，d1＝82.7mm，d2＝61.7mm，d3＝481.6mm，r1＝132mm，r2＝100mm。

此外，在設(shè)計(jì)倍頻腔120時，需要考慮模式的匹配。其中，模式匹配包括兩個方面：一是空間模式匹配，即入射激光的光束參量與腔內(nèi)共振光的光束參量之間的匹配，二是入射腔鏡反射率與腔內(nèi)功率密度的匹配。

關(guān)于空間模式匹配，欲使入射激光的基頻光能夠盡可能地進(jìn)入腔體中，需要入射激光經(jīng)過入射腔鏡即第二凹面鏡m2變換后的模式與腔內(nèi)的共振模式一致?？臻g模式匹配的原理如圖3所示，假設(shè)倍頻晶體13的中心處z＝0，同時也是光束的束腰位置，束腰大小為ω0，此時，高斯光束的q參量為q0＝iz0，由q0描述的高斯光束沿著-z方向傳播，經(jīng)過半個倍頻晶體13的長度之后，在面f1的右側(cè)，q參量為經(jīng)過界面f2之后，在f2左側(cè)的q參量變成：再經(jīng)過距離d1之后，在f2右側(cè)的q參量變成：經(jīng)過第二凹面鏡m2的內(nèi)表面f2之后，在f2面的左側(cè)，q參量變換為其中，z4和z40均為n0，n1，n2，l，d1，z0的實(shí)函數(shù)，n0為空氣中基頻光的折射率，n1為倍頻晶體13中基頻光的折射率，n2為第二凹面鏡m2中基頻光的折射率，l為倍頻晶體13的長度，而d1為倍頻晶體13右端面f1到第二凹面鏡m2反射面f2之間的距離。

由于第二凹面鏡m2具有一定的厚度dm，因此，光相當(dāng)于走過了距離dm，所以，在面f3的右側(cè)，q參量為：q5＝q5+dm＝z4+dm+iz40，經(jīng)過第二凹面鏡m2的入射界面f3之后，在面f3的左側(cè)，光束的q參量為：由于上述的所有的計(jì)算都是可逆的，因此，將計(jì)算過程反轉(zhuǎn)可以得到：一個在面f3左側(cè)由q5參量描述的高斯光束，向右沿著z正方向的經(jīng)過第二凹面鏡m2和倍頻晶體13之后，會形成束腰位置在倍頻晶體13正中間且大小為ω0的高斯光束，而正是腔的共振模式。

此外，入射腔鏡即第二凹面鏡m2的反射率需要與腔內(nèi)功率密度進(jìn)行匹配。由于腔的存在是為了提升基頻光的功率密度，因此，要選擇合適的入射腔鏡反射率，使得整個腔體中能量密度最大。

通過對腔內(nèi)場強(qiáng)的分析，我們可以得到腔內(nèi)場強(qiáng)等效的功率為：

其中，pcav為腔內(nèi)場強(qiáng)等效功率，pin為輸入腔的功率。η為單次通過時倍頻晶體13的倍頻效率。由此可知，當(dāng)tr2r3r4越大時，越大，但是，對于入射腔鏡的反射率，則并不是越大越好，因?yàn)閞1越大，t1則越小。對于特定的輸入功率pin，總能夠找到合適的r1，使得腔內(nèi)功率最大。

在本發(fā)明一個實(shí)施例中，第二凹面鏡m2反射率取值為r2＝r3＝r4＝0.999，而t＝0.98，η＝0.01％，入射功率為pin＝40w，且考慮第二凹面鏡m2無損耗，即有t1＝1-r1，基于此，我們可以得到腔內(nèi)功率pcav隨著入射腔鏡反射率r1的變化關(guān)系曲線，如圖4所示，腔內(nèi)功率最大的時候?qū)?yīng)的入射腔鏡的反射率大約為0.955。

通過上述對腔體的分析可知，各個偏振分量(o光和e光)從第二凹面鏡m2上反射的場強(qiáng)為：而四分之一波片121g對光的偏振的變換可以用瓊斯矩陣來描述：旋轉(zhuǎn)變換為：所以，旋轉(zhuǎn)角度θ對光的偏振的變換為：

hc(θ)＝r(-θ)mqwpr(θ)，兩個探測器121b和121c分別探測到的光場強(qiáng)度為：

epda(δlcav)＝hc0,0(θ)er0(δlcav)-hc0,1(δlcav)；

epdb(δlcav)＝hc1,0(θ)er0(δlcav)-hc1,1(δlcav)，

對應(yīng)的光功率為：

ppda(δlcav)＝[q0hc0,0(θ)er0(δlcav)-qehc0,1(δlcav)]²pin；

ppdb(δlcav)＝[q0hc1,0(θ)er0(δlcav)-qehc1,1(δlcav)]²pin，

最終得到的誤差信號為：δuhc(δlcav)＝g[ppda(δlcav)-ppdb(δlcav)]。

根據(jù)該誤差信號對倍頻腔120的腔長進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以鎖定產(chǎn)生的532nm激光的頻率和波長。

本發(fā)明所提供的超窄線寬、可調(diào)諧的高功率激光系統(tǒng)，采用泵浦源激光器直接產(chǎn)生波長為1064nm的激光，而不是采用激光器對固態(tài)激光晶體進(jìn)行泵浦的方式產(chǎn)生的，因此，本發(fā)明的技術(shù)方案產(chǎn)生波長為532nm的激光時沒有模式之間的串?dāng)_，也不會造成輸出光的強(qiáng)抖動的問題，即沒有“綠光問題”。并且，本發(fā)明的提供的激光系統(tǒng)產(chǎn)生的波長為532nm的激光的線寬較窄、功率較高。

本發(fā)明實(shí)施例還提供了一種超窄線寬、可調(diào)諧的高功率激光的產(chǎn)生方法，如圖5所示，該方法包括：

s101：采用泵浦源產(chǎn)生種子激光，并通過頻率鎖定模塊將所述種子激光的頻率鎖定在預(yù)設(shè)的中心頻率；

s102：采用光纖放大器對所述泵浦源出射的激光進(jìn)行放大；

s103：采用倍頻單元對所述放大后的激光進(jìn)行倍頻，以使輸出的激光的頻率為所述預(yù)設(shè)頻率的二倍。

具體地，參考圖1，泵浦源101出射波長為1064nm激光后，激光透過第一半波片102入射到第一極化分束器103上，第一極化分束器103將泵浦源101出射的一部分激光透射至光纖放大器11，將另一部分激光反射至第二半波片104，并透過第二半波片104入射到電光調(diào)制器105。該電光調(diào)制器105在頻率控制模塊110輸入的調(diào)制信號的控制下，對入射的激光進(jìn)行相位調(diào)制，并將調(diào)制后的激光透射至第二極化分束器106。第二極化分束器106將電光調(diào)制器105調(diào)制后的激光反射至第一個1/4波片107，透過第一個1/4波片107后激光入射到超穩(wěn)腔108，第二極化分束器106還用于將超穩(wěn)腔108出射的激光透射至光電探測器109。光電探測器109將超穩(wěn)腔108逸出的激光的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，并將電信號輸出至頻率控制模塊110。頻率控制模塊110根據(jù)光電探測器109輸出的電信號和輸入給電光調(diào)制器105的調(diào)制信號混頻生成反饋信號，并根據(jù)反饋信號調(diào)節(jié)泵浦源101出射的激光的頻率，以將泵浦源101的頻率鎖定在預(yù)設(shè)的中心頻率。

同時，泵浦源101輸出的一部分激光會透過第一極化分束器103入射到光纖放大器11中，光纖放大器11對激光進(jìn)行放大后，將放大后的激光傳輸至倍頻單元12中的倍頻腔120，以使倍頻腔120對放大后的激光進(jìn)行倍頻，得到波長為532nm的激光。其中，倍頻腔120中的部分激光會從第二凹面鏡m2出射，經(jīng)過反射鏡121反射和第二個1/4波片121g后，進(jìn)入第三極化分束器121a，該第三極化分束器121a將倍頻腔120出射的激光部分透射至第二光電探測器121b、部分反射至第三光電探測器121c；第二光電探測器121b和第三光電探測器121c將探測到的部分激光的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，并分別將電信號傳輸至倍頻控制模塊；該倍頻控制模塊用于將第二光電探測器121b輸出的電信號和第三光電探測器121c輸出的電信號做差，根據(jù)做差的結(jié)果生成誤差信號，并根據(jù)誤差信號調(diào)節(jié)倍頻腔120的腔長。

本發(fā)明所提供的超窄線寬、可調(diào)諧的高功率激光系統(tǒng)及激光的產(chǎn)生方法，采用泵浦源激光器直接產(chǎn)生波長為1064nm的激光，而不是采用激光器對固態(tài)激光晶體進(jìn)行泵浦的方式產(chǎn)生的，倍頻過程中沒有模式串?dāng)_，因此，本發(fā)明的技術(shù)方案產(chǎn)生的波長為532nm的激光沒有模式之間的串?dāng)_，也不會造成輸出光的強(qiáng)抖動的問題，即沒有“綠光問題”。其次本方案中泵浦激光通過與穩(wěn)定且可調(diào)諧的頻率參考鎖定，在實(shí)現(xiàn)超窄線寬激光輸出的同時，輸出激光的頻率穩(wěn)定且可調(diào)諧；同時該激光系統(tǒng)可在滿足上述技術(shù)特點(diǎn)的前提下，輸出高激光功率。

本說明書中各個實(shí)施例采用遞進(jìn)的方式描述，每個實(shí)施例重點(diǎn)說明的都是與其他實(shí)施例的不同之處，各個實(shí)施例之間相同相似部分互相參見即可。對于實(shí)施例公開的裝置而言，由于其與實(shí)施例公開的方法相對應(yīng)，所以描述的比較簡單，相關(guān)之處參見方法部分說明即可。

對所公開的實(shí)施例的上述說明，使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本發(fā)明。對這些實(shí)施例的多種修改對本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，在其它實(shí)施例中實(shí)現(xiàn)。因此，本發(fā)明將不會被限制于本文所示的這些實(shí)施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點(diǎn)相一致的最寬的范圍。