一种切换输出连续正交偏振激光的装置和方法

1.本发明属于激光技术领域，涉及一种切换输出连续正交偏振激光的装置和方法，特别是一种自注入环形腔实现切换输出连续正交偏振激光的装置和方法。


背景技术：

2.波长为2μm的激光处于大气传输窗口可应用于激光雷达，其中差分吸收雷达需要作为光源的激光器能够输出两个不同偏振态的激光，这时正交偏振固体激光技术可以满足这一条件。目前固态激光器对正交偏振技术已经有很深的研究，但是每种正交偏振技术方案还存在许多瑕疵。目前为止，固体激光器要实现偏振输出多是采用偏振片或双布儒斯特镜等偏振器件，但是这只能实现单一偏振态输出，很难实现双偏振输出并且输出偏振光的消光比也很低，很难达到理想效果。虽然目前可以采用半波片实现两束垂直-水平偏振光的切换，但是由于切换过程中存在时间延迟，这会极大地加剧相位不稳定度，极大地降低激光偏振特性。也可在特殊电光晶体(如掺杂氧化镁铌酸锂晶体)上施加横向半波电压，可实现光束偏振态的改变，但是这需要电光晶体要具有很高的抗损伤阈值，同时晶压不能过高以免损伤晶体。
3.专利号为cn201920037577.8的“一种基于mgo：ln晶体电光腔倒空全固态脉冲激光器”中仅实现单偏振输出而且加入起偏器，不能实现正交偏振交替输出，而且光-光转换效率低，同时需要mgo：ln晶体要具有良好的抗损伤性。专利号为cn201611253656.x的“一种激光偏振态控制稳定装置的控制稳定方法”中采用偏振控制器、起偏器、分束器等器件，增加成本并且添加了器件对光功率的损耗，而且增加了光路的复杂性。专利号为cn201611087525.9的“正交偏振双波长同步谐振锁模激光器”使用键合晶体价格昂贵而且晶体存在严重热效应。目前采用特殊的激光晶体如yb:gdal3(bo3)4[dual-polarization and dual-wavelength diode-pumped laser operation from a birefringent yb
3 -doped gdal3(bo3)4nonlinear crystal]、yb:yca4o(bo3)3[output-coupling-dependent polarization state of a continuous-wave yb:yca4o(bo3)3laser]，通过调整输出镜位置或输出镜透过率等方式实现正交偏振输出，但是其结构复杂、输出功率效率低等因素限制其使用价值。
[0004]
国内已开展针对自注入反馈的研究，通过对正交偏振注入的光反馈作用下vcsel非线性特性[光电反馈下光注入vcsels的动力学特性]，在一定的反馈强度和失谐频率条件实现偏振模式切换，光纤激光器通过特定的周期调制以及不同方式的光反馈可以实现在激光混沌系统中的稳定控制[chaotic behavior in erbium-doped fiber-ring lasers]。但这种非线性研究大都集中在半导体激光器与光纤激光器中，对固体激光器的自注入延时反馈的研究较少。专利号为cn111446608a，也采用的是光纤式自注入而非固体激光器的自注入，同时要使用光纤激光器获得2μm激光这需要对光纤材料提出更高的要求。
[0005]
ho:llf晶体具有明显的各向异性，是自然双折射晶体，将其用作固体激光器中的激光晶体，通过一定的技术手段可以实现两个不同偏振态的输出光。同时ho:llf吸收峰集
中在1.9μm波段，而掺tm
3
激光器的输出波长就是1.9μm波段，这对实现高效率的带内泵浦非常有利，最终可以2μm波长激光的输出。


技术实现要素：

[0006]
针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题是提供一种自注入环形腔实现切换输出连续正交偏振激光的装置和方法。
[0007]
为解决上述技术问题，本发明一种切换输出连续正交偏振激光的装置，包括：1.9μm水平线偏振连续光激光器、谐振腔输入腔镜、布儒斯特镜、ho:llf激光晶体、2μm激光输出耦合镜、2μm半透射半反射镜、自动闭合开关、第一全反射镜、光延时器、光衰减器、第二全反射镜、半波片和信号同步控制器；当信号同步控制器控制自动闭合开关断开时，1.9μm水平线偏振连续光激光器产生的1.9μm水平线偏振光依次通过谐振腔输入腔镜和布儒斯特镜，通过控制激光器的泵浦功率，使1.9μm水平线偏振光通过ho:llf激光晶体产生2μm水平线偏振光，2μm水平线偏振光经过2μm激光输出耦合镜后，部分2μm水平线偏振光经过2μm半透射半反射镜后输出；当信号同步控制器控制自动闭合开关闭合时，经2μm半透射半反射镜反射的2μm水平线偏振光经第一全反射镜反射后通过光延时器调节光路时间延时，通过光衰减器调节光功率，经过第二全反射镜反射的2μm水平偏振光通过半波片变成2μm垂直偏振光，2μm垂直线偏振光依次经过布儒斯特镜、ho:llf激光晶体、2μm激光输出耦合镜后经2μm半透射半反射镜输出。
[0008]
本发明还包括一种切换输出连续正交偏振激光的装置，包括：1.9μm水平线偏振连续光激光器和ho:llf激光晶体构成的2μm激光源、布儒斯特镜、2μm激光输出耦合镜、2μm半透射半反射镜、自动闭合开关、第一全反射镜、光延时器、光衰减器、第二全反射镜、半波片和信号同步控制器；当信号同步控制器控制自动闭合开关断开时，2μm激光源产生的2μm的水平线偏振光经过2μm激光输出耦合镜后，部分2μm水平线偏振光经过2μm半透射半反射镜后输出；当信号同步控制器控制自动闭合开关闭合时，经2μm半透射半反射镜反射的2μm水平线偏振光经第一全反射镜反射后通过光延时器调节光路时间延时，通过光衰减器调节光功率，经过第二全反射镜反射的2μm水平偏振光通过半波片变成2μm垂直偏振光，2μm垂直线偏振光依次经过布儒斯特镜、ho:llf激光晶体、2μm激光输出耦合镜后经2μm半透射半反射镜输出。
[0009]
本发明还包括一种切换输出连续正交偏振激光的装置，包括808nm半导体激光器、谐振腔输入腔镜、布儒斯特镜、nd:yag激光晶体、偏振切换开关、1064nm激光输出耦合镜、1064nm半透射半反射镜、自动闭合开关、第一全反射镜、光延时器、光衰减器、第二全反射镜、半波片、信号同步控制器、偏振切换开关；当信号同步控制器控制自动闭合开关断开时，808nm半导体激光器产生的808nm激光依次通过谐振腔输入腔镜和布儒斯特镜，通过控制激光器的泵浦功率，使808nm激光通过nd:yag激光晶体产生1064nm非偏振光，1064nm非偏振光经过处于水平偏振态的偏振切换开关，获得1064nm水平线偏振光，1064nm水平线偏振光经过1064nm激光输出耦合镜后，部分1064nm水平线偏振光经过1064nm半透射半反射镜后输出；当信号同步控制器控制自动闭合开关闭合时，经1064nm半透射半反射镜反射的1064nm水平线偏振光经第一全反射镜反射后通过光延时器调节光路时间延时，通过光衰减器调节光功率，经过第二全反射镜反射的1064nm水平偏振光通过半波片变成1064nm垂直偏振光，
1064nm垂直线偏振光依次经过布儒斯特镜、nd:yag激光晶体和处于垂直偏振态的偏振切换开关，1064nm激光经1064nm输出耦合镜后由1064nm半透射半反射镜输出垂直偏振的1064nm激光。
[0010]
本发明还包括一种采用第一种装置的切换输出连续正交偏振激光方法，当信号同步控制器控制自动闭合开关断开时，1.9μm水平线偏振连续光激光器产生的1.9μm水平线偏振光依次通过谐振腔输入腔镜和布儒斯特镜，通过控制激光器的泵浦功率，使1.9μm水平线偏振光通过ho:llf激光晶体产生2μm水平线偏振光，2μm水平线偏振光经过2μm激光输出耦合镜后，部分2μm水平线偏振光经过2μm半透射半反射镜后输出；当信号同步控制器控制自动闭合开关闭合时，经2μm半透射半反射镜反射的2μm水平线偏振光经第一全反射镜反射后通过光延时器调节光路时间延时，通过光衰减器调节光功率，经过第二全反射镜反射的2μm水平偏振光通过半波片变成2μm垂直偏振光，2μm垂直线偏振光依次经过布儒斯特镜、ho:llf激光晶体、2μm激光输出耦合镜后经2μm半透射半反射镜输出。
[0011]
本发明还包括一种采用第二种装置的切换输出连续正交偏振激光方法，控制信号同步控制器断开自动闭合开关，2μm激光源产生的2μm的水平线偏振光经过2μm激光输出耦合镜后，部分2μm水平线偏振光经过2μm半透射半反射镜后输出；控制信号同步控制器关闭自动闭合开关，经2μm半透射半反射镜反射的2μm水平线偏振光经第一全反射镜反射后通过光延时器调节光路时间延时，通过光衰减器调节光功率，经过第二全反射镜反射的2μm水平偏振光通过半波片变成2μm垂直偏振光，2μm垂直线偏振光依次经过布儒斯特镜、ho:llf激光晶体、2μm激光输出耦合镜后经2μm半透射半反射镜输出。
[0012]
本发明还包括一种采用第三种装置的切换输出连续正交偏振激光方法，当信号同步控制器控制自动闭合开关断开时，808nm半导体激光器产生的808nm激光依次通过谐振腔输入腔镜和布儒斯特镜，通过控制激光器的泵浦功率，使808nm激光通过nd:yag激光晶体产生1064nm非偏振光，1064nm非偏振光经过处于水平偏振态的偏振切换开关，获得1064nm水平线偏振光，1064nm水平线偏振光经过1064nm激光输出耦合镜后，部分1064nm水平线偏振光经过1064nm半透射半反射镜后输出；当信号同步控制器控制自动闭合开关闭合时，经1064nm半透射半反射镜反射的1064nm水平线偏振光经第一全反射镜反射后通过光延时器调节光路时间延时，通过光衰减器调节光功率，经过第二全反射镜反射的1064nm水平偏振光通过半波片变成1064nm垂直偏振光，1064nm垂直线偏振光依次经过布儒斯特镜、nd:yag激光晶体和处于垂直偏振态的偏振切换开关，1064nm激光经1064nm输出耦合镜后由1064nm半透射半反射镜输出垂直偏振的1064nm激光。
[0013]
本发明有益效果：本发明是采用线型激光谐振腔和环形自注入光路组成，通过调整自注入光路上的自动闭合开关以及光延时器和光衰减器实现正交偏振连续激光输出，该自注入环形激光器不仅能够实现2μm水平单偏振光输出，还可以通过适当调节光延时器和光衰减器实现垂直偏振的连续光输出，并且通过调节电路控制系统可实时切换正交偏振的连续光输出。基于自注入实现正交偏振切换连续光输出，具有切换效高效率、偏振态可控，光路结构简单，使用器件少、低费用等优点。通过高度集成的电路控制系统，可以实现对正交两束偏振光的输出时间进行精确控制，可自选偏振光的输出时间。
附图说明
[0014]
图1为本发明实施例1的光路图；
[0015]
图2为本发明实施例1的电路控制系统；
[0016]
图3为本发明实施例1的电路控制系统流程图；
[0017]
图4为本发明实施例2侧面泵浦光路图；
[0018]
图5为本发明实施例3的光路图。
具体实施方式
[0019]
下面结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
[0020]
实施例1：
[0021]
结合图1、图2，1为1.9μm水平线偏振连续光激光器；2为谐振腔输入腔镜(1.9μm波段抗反射，2μm波段全反射)；3为布儒斯特镜；4为ho:llf激光晶体；5为2μm激光输出耦合镜；6为2μm半透射半反射镜；7为自动闭合开关；8为第一全反射镜；9为光延时器；10为光衰减器；11为第二全反射镜；12为半波片；13为信号同步控制器；
[0022]
激光器主要包括线性输出腔和自注入环形光路两部分。
[0023]
线型激光腔：线型激光腔依次包括1.9μm水平线偏振连续光激光器1、谐振腔输入腔镜2、布儒斯特镜3、ho:llf激光晶体4、2μm激光输出耦合镜5；
[0024]
环形自注入光路：自注入环形光路依次包括2μm半透射半反射镜6、自动闭合开关7、第一全反射镜8、光延时器9、光衰减器10、第二全反射镜11、半波片12、布儒斯特镜3、ho:llf激光晶体4、2μm激光输出耦合镜5；
[0025]
线型激光腔：将1.9μm水平线偏振连续光激光器1产生1.9μm的水平线偏振光，先通过谐振腔输入腔镜2，其中谐振腔输入腔镜2镀1.9μm增透膜，1.9μm水平线偏振光通过布儒斯特镜3。通过控制激光器的泵浦功率，使1.9μm的水平线偏振光通过ho:llf激光晶体4产生2μm水平线偏振光。2μm水平线偏振光从2μm激光输出耦合镜5输出，再通过2μm半透射半反射镜6部分线偏振激光直线输出。(线型腔单光路振荡2-3-4-5)
[0026]
自注入环形光路：在激光稳定输出后，自动闭合开关闭合7。经2μm半透射半反射镜6后的2μm水平线偏振光被第一全反射镜8反射至光延时器9。2μm水平线偏振光经过光延时器9调节光路时间延时和光衰减器10光功率调节，再反射至第二全反射镜11。经过11反射的2μm水平偏振光被半波片12变成2μm垂直偏振光。2μm垂直偏振光经布儒斯特镜3反射至ho:llf激光晶体4，最后经光输出镜5完成自注入光回路。(自注入环形光回路6-7-8-9-10-11-12-3-4-5)。
[0027]
正交偏振连续光输出的电路控制系统：
[0028]
电路控制系统：信号同步控制器13分别控制自动闭合开关7、光延时器9、光衰减器10，其中自动闭合开关7主要是实现自注入回路的开或关；光延时器9为调节偏振模式在腔中传输的延迟时间；光衰减器10为调节偏振模式反馈强度与输出强度之比。通过精密控制电路控制系统可实现正交偏振连续光的输出。
[0029]
结合图3，当电路控制系统控制自动闭合开关7断时，2μm水平偏振光不能通过自注入回路，只能在线型谐振腔内振荡，输出2μm水平偏振态的连续光；当电路控制系统7控制自动闭合开关闭合时，水平偏振光通过自注入回路，进入环形腔，通过调节光延时器9和光衰
减器10后，水平偏振光被半波片12变成垂直偏振光，垂直偏振光经布儒斯特镜3进入线性腔，由于模式竞争垂直偏振态光起振水平偏振态光抑制，即会输出2μm垂直偏振态的连续光。
[0030]
电路控制系统控制自动闭合开关开启和光延时器调节注入光路的反馈(例：延时为2.3μs)：当光衰减器反馈系数较高(例：ka＝0.5)时，通过自注入环形光路产生的垂直偏振光才能在线性腔内起振，达到抑制水平偏振光的目的；当光衰减器反馈系数较低(例：ka＝0.001)时，垂直偏振光不能抑制水平偏振光，则从激光输出镜输出的光仍为水平偏振光。
[0031]
实施例2：
[0032]
实施例2与实施例1结构区别在于实施例1中采用端面泵浦模式，实施例2中采用侧面泵浦也同样适用。将图1中的器件2撤掉，在器件3上镀制2μm波段全反射膜，其侧面泵浦模式光路图如图4所示，包括：1.9μm水平线偏振连续光激光器1和ho:llf激光晶体4构成的2μm激光源、布儒斯特镜3(镀膜：2μm波段全反射)、2μm激光输出耦合镜5、2μm半透射半反射镜6、自动闭合开关7、第一全反射镜8、光延时器9、光衰减器10、第二全反射镜11、半波片12和信号同步控制器13；当信号同步控制器13控制自动闭合开关7断开时，2μm激光源产生的2μm的水平线偏振光经过2μm激光输出耦合镜5后，部分2μm水平线偏振光经过2μm半透射半反射镜6后输出；当信号同步控制器13控制自动闭合开关7闭合时，经2μm半透射半反射镜6反射的2μm水平线偏振光经第一全反射镜8反射后通过光延时器9调节光路时间延时，通过光衰减器10调节光功率，经过第二全反射镜11反射的2μm水平偏振光通过半波片12变成2μm垂直偏振光，2μm垂直线偏振光依次经过布儒斯特镜3、ho:llf激光晶体4、2μm激光输出耦合镜5后经2μm半透射半反射镜6输出。
[0033]
实施例3：
[0034]
本发明不止能实现2μm波段的光，对于其它波段也同样可以适用，例如1064nm正交偏振切换输出连续激光也同样可以实现，如图5所示。其中1为808nm半导体激光器；2为谐振腔输入腔镜(808nm波段抗反射，1064nm波段全反射)；3为布儒斯特镜；4为nd:yag激光晶体；5为1064nm激光输出耦合镜；6为1064nm半透射半反射镜；7为自动闭合开关；8为第一全反射镜；9为光延时器；10为光衰减器；11为第二全反射镜；12为半波片；13为信号同步控制器；14为偏振切换开关。
[0035]
器件14为偏振切换开关，当自动闭合开关7处于断开状态时，偏振切换开关14为水平偏振态，经过偏振切换开关14的光变为水平偏振态；当自动闭合开关7处于闭合状态时，偏振切换开关14为垂直偏振态，经过偏振切换开关14的光变为垂直偏振态；且每完成一次自注入回路偏振切换开关都会由垂直偏振态切换为水平偏振态；当信号同步控制器控制自动闭合开关7断开时，808nm半导体激光器1产生的808nm激光依次通过谐振腔输入腔镜2和布儒斯特镜3，通过控制激光器的泵浦功率，使808nm激光通过nd:yag激光晶体4产生1064nm非偏振光，1064nm非偏振光经过处于水平偏振态的偏振切换开关14，获得1064nm水平线偏振光，1064nm水平线偏振光经过1064nm激光输出耦合镜5后，部分1064nm水平线偏振光经过1064nm半透射半反射镜6后输出；当信号同步控制器控制自动闭合开关7闭合时，经1064nm半透射半反射镜6反射的1064nm水平线偏振光经第一全反射镜反射后通过光延时器调9节光路时间延时，通过光衰减器调10节光功率，经过第二全反射镜11反射的1064nm水平偏振光通过半波片12变成1064nm垂直偏振光，1064nm垂直线偏振光依次经过布儒斯特镜3、nd:
yag激光晶体4和处于垂直偏振态的偏振切换开关14，1064nm激光经1064nm输出耦合镜5后由1064nm半透射半反射镜6输出垂直偏振的1064nm激光。