CN100345346C - 多波长同时输出全固态可调谐激光光源 - Google Patents

Abstract

一种多波长同时输出全固态可调谐激光光源，包括一级泵浦源，一级耦合系统，二级泵浦源，二级耦合系统，光学参量振荡腔。一级泵浦源包括由第一平面镜和第二平面镜(M2)构成的平—平腔结构，在第一平面镜和第二平面镜之间自第一平面镜开始依次设有对基频光进行调制的开关器件、最初光学泵浦源、谐波反射镜和倍频晶体。二级泵浦源的谐振腔由第三、第四两个平面镜和第五平面镜构成，在上述第一耦合透镜的焦点处设置钛宝石晶体，在第三、第四两个平面镜和钛宝石晶体之间设有棱镜。光学参量振荡腔由后镜和输出镜构成，在第二耦合透镜焦点附近设置PPLN晶体。本发明的多波长同时输出可调谐激光光源可获得0.7～5μm的高功率、高光束质量的10波长同时输出可调谐光源，可作为光通信波分复用系统中的信号源、信号转换器或放大器。

Description

多波长同时输出全固态可调谐激光光源

技术领域

本发明涉及一种激光光源，尤其涉及一种多波长同时输出全固态可调谐激光光源。

背景技术

目前的可调谐光源多为单波长、双波长或宽谱带运转，但是，在光通讯、光动力学医疗、光计算、非线性频率变换、军事对抗、环境监测、激光遥感、激光雷达及光谱学研究等许多重要领域，往往希望一台激光器能够同时输出两种或两种以上波长的可调谐激光。

申请号为94119042，名称为“多波长光参量激光器”的专利，利用非线性光学晶体在光参量过程中的角度调谐相位区配折返现象。调节非线性晶体的匹配角度，产生不同频率的参量激光。根据该专利提供的技术方案，在折反区内只能同时得到四个不同频率的相干光构成多波长光参量激光器。

申请号为01106708，名称为“全固体多波长激光器”是一种全固态激光器，具有结构紧凑、性能稳定、操作简单、转换效率高的优点，但其能实现的415nm及倍频得到的208nm紫外光在大气污染检测方面没有应用价值。

申请号为01119589，名称为“一种声光调Q的多波长激光器”，采用了五块激光晶体来实现多个基频光输出，还需要另外采用倍频晶体，这会给系统构造复杂，增加不稳定性，不易于操作。

申请号为03125088，名称为“多波长同时运转的连续激光器”的专利公开了一种多波长同时运转的连续激光器，使用一台激光器同时实现三种基频波长的运转，进而通过倍频方式在同一台激光器上同时实现红、绿、蓝三基色激光输出。该专利仅实现红、绿、蓝三个可见光波长，而且由于一种连续运转的激光器，输出功率受到限制。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提出一种全固态激光器功率水平高、结构简单紧凑而体积小，多波长同时输出的全固态可调谐激光光源。

本发明采用的技术方案是：一种多波长同时输出全固态可调谐激光光源，包括一级泵浦源，一级耦合系统，二级泵浦源，二级耦合系统，光学参量振荡腔。一级泵浦源包括由第一平面镜(M1)和第二平面镜(M2)构成的平-平腔结构，在第一平面镜(M1)和第二平面镜(M2)之间自第一平面镜(M1)开始依次设有对基频光进行调制的开关器件(Q)、最初光学泵浦源、谐波反射镜和倍频晶体。一级耦合系统包括第一耦合透镜，用以将一级泵浦源产生的泵浦光耦合进二级泵浦源的谐振腔。二级泵浦源的谐振腔由第三、第四两个平面镜(M3，M4)和第五平面镜(M5)构成，在上述第一耦合透镜(L1)的焦点处设置钛宝石晶体，在第三、第四两个平面镜(M3，M4)和钛宝石晶体之间设有棱镜。二级耦合系统包括第二耦合透镜(L2)，用以将二级泵浦源产生的泵浦光耦合进光学参量振荡腔。光学参量振荡腔由后镜(M6)和输出镜(M7)构成，在第二耦合透镜(L2)焦点附近设置PPLN(周期极化铌酸锂)晶体

其中，

最初光学泵浦源为按照等边三角形排列、采用侧向泵浦方式泵浦激光介质的激光二极管阵列，激光介质为Nd:YAG，尺寸为φ3×80mm，两端磨成平面，镀基频光的增透膜，由流动的冷却水对激光二极管阵列和激光介质提供冷却。

倍频晶体为KTP晶体，采用II类相位匹配，切割角为θ＝90°，φ＝23.6°，尺寸为6×6×10mm，两面镀基频光和倍频光的增透膜。

钛宝石晶体的中心轴线垂直于晶轴，具有两个以布儒斯特角切割的通光端面，且所述两个通光端面的法线均与晶轴处于同一平面内，在布儒斯特入射面内的泵浦光的偏振方向与晶轴一致。

钛宝石晶体通光方向长度为15mm，截面是边长为5mm的正方形。

构成二级泵浦源谐振腔的第三和第四两个平面镜(M3，M4)的空间位置均可以调节。

PPLN晶体的极化周期为20.5um，其端面镀750～850nm和OPO输出波段镀增透膜，固定在温控炉中，温控炉温度在常温到473K可以连续变化。

作为更进一步的优化方案：

第一平面镜(M1)镀1064nm高反膜；

开关器件(Q)的重复频率为5kHz，镀1064nm增透膜；

谐波反射镜镀1064nm增透膜和532nm高反膜；

构成谐振腔的第三和第四两个平面镜(M3，M4)镀700～900nm高反膜；

构成谐振腔的第五平面镜(M5)镀532nm高反膜，镀700～900nm的半透膜，透过率为20％；

后镜(M6)镀750～850nm以及OPO输出波段的高反膜；

输出镜(M6)，曲率半径为60mm，镀750～850nm高反膜和OPO输出波段的半透膜，透过率约为15％。

本发明所带来的有益效果：

(1)本发明全部采用全固态器件，其结构紧凑、牢固耐用、价格较低。

(2)一级泵浦装置采用LD作为原始泵浦源，倍频晶体为KTP，用声光Q开关进行频率调制以实现高峰值功率的准连续运转。

(3)二级泵浦装置所产生的钛宝石激光的脉宽与一级泵浦源所产生的泵浦光相比可降低一个数量级，极大地提高了峰值功率，是PPLN参量振荡器的理想泵浦源。

(4)利用钛宝石双波长激光器波长泵浦PPLN-OPO，利用波长调谐曲线具有ε型回转的特性，不改变PPLN的极化周期，双波长泵浦可实现4组信号光和闲频光共八个波长，再考虑两束泵浦光，获得覆盖0.7～5μm的高功率、高光束质量的10波长同时输出可调谐光源。

附图说明

图1为本发明的整体结构图

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步的详细说明。

本发明的整体结构图如图1所示。M1是1064nm全反镜，M2是钛宝石激光器的532nm泵浦光输出镜，对1064nm光全反，对532nm光高透。M1，M2组成钛宝石激光器的绿光泵浦源，采用具有增益高、激光介质内部模体积大的传统直腔型平-平腔结构，整个谐振腔长定为330mm。采用中科院半导体所生产的高功率半导体阵列激光器作为最初光学泵浦源，为按照等边三角形排列、采用侧向泵浦方式泵浦激光介质的激光二极管阵列，四组三条激光二极管条对称地排列在YAG棒周围，能够均匀地泵浦激活介质YAG棒。每组二极管条由100个功率为200mW的二极管组成，二极管连续工作，总的最大泵浦功率为240W。整个泵浦组件(包括激光二极管和YAG棒)由流动的冷却水提供冷却。激光介质的尺寸为φ3×80mm，两端磨成平面，镀1064nm的增透膜。声光Q开关由英国GOOCH公司生产，其中晶体为φ8×10×50mm的熔石英，驱动功率为100W，工作频率为27MHz，衍射效率为20％，其调制频率为1～50kHz，有效通光口径15×15mm，镀1064nm增透膜。谐波反射镜对1064nm光高透，对532nm光高反，以提高倍频转换效率。KTP晶体采用II类相位匹配角切割(θ＝90°，φ＝23.6°)，尺寸为6×6×10mm，两面镀532nm和1064nm的增透膜。

为了使532nm泵浦光与钛宝石振荡光模式更好的匹配，获得更高的功率密度，使用一个焦距为150mm的聚焦透镜L1把泵浦光汇聚到钛宝石腔中，钛宝石晶体放在泵浦光光束的焦点处。钛宝石晶体通光方向长度为15mm，截面是边长为5mm的正方形。使钛宝石棒的中心轴线垂直于晶轴c，两通光端面以布儒斯特角切割，且使两通光表面的法线与晶轴c处于同一平面内。在布儒斯特入射面内的泵浦光的偏振方向与c轴一致。采用平平腔组成钛宝石激光的谐振腔，腔长约200mm，晶体大概放在腔的中心位置。M3、M4全反镜为700～900nmHR，输出镜镀膜在700～900nm，透过率为25％。通过调整M3、M4全反镜的位置，实现可调谐的双波长同步输出。

M，M’是钛宝石波段的全反镜，以减小整个实验装置的体积。L2是焦距100mm的聚焦透镜，以提高钛宝石泵浦光的功率密度。M6为OPO后镜，对钛宝石运转波段750～850nm和OPO输出波段镀高反膜。M7为OPO输出镜，曲率半径为60mm，对钛宝石波段镀高反膜，对OPO输出波段的透过率约为15％。整个光学参量振荡器腔长约为80mm。采用的PPLN晶体的极化周期为20.5um，使其工作温度在200℃下。PPLN晶体端面对泵浦光750～850nm和OPO输出波段镀增透膜。利用波长调谐曲线具有ε型回转的特性，钛宝石激光器输出的双泵浦波长泵浦PPLN-OPO，实现4组信号光和闲频光共八个波长，再考虑两束泵浦光，获得覆盖0.7～5μm的高功率、高光束质量的10波长同时输出可调谐光源。此种波长范围的多波长可调谐光源，对于应用在大气污染检测等方面尤其具有优势。

需要说明的是，这里以本发明的实施例为中心展开了详细的说明，所描述的优选方式或某些特性的具体体现，应当理解为本说明书仅仅是通过给出实施例的方式来描述发明，实际上在组成、构造和使用的某些细节上会有所变化，包括部件的组合和组配，这些变形和应用都应该属于本发明的范围内。

本实施例采用二极管激光器泵浦的全固态、准连续532nm倍频Nd:YAG激光器(一级装置)作为最初光学泵浦源，脉冲宽度小于80ns，重复频率5kHz，泵浦钛宝石晶体作为激光介质的谐振腔(二级装置)，采用棱镜作为调谐元件，构成全固态、准连续可调谐钛宝石激光器，重复频率5kHz，线宽2nm，激光脉冲宽度小于20ns。用可调谐钛宝石激光泵浦PPLN光学参量振荡器(三级装置)，采用改变泵浦波长的新型调谐方式，利用PPLN光学参量振荡器调谐曲线的ε型折回特性，得到1～3um宽调谐输出。

根据对本实施例实现的多波长同时输出全固态可调谐激光光源的理论计算，当采用全固态钛宝石激光器增益中心波长(795nm)附近770～820nm范围的双波长输出可调谐激光，泵浦极化周期为20.5μm的一阶共线PPLN-OPO时，采用改变泵浦波长的新型调谐方式，其波长调谐曲线具有ε型回转特性，即在极化周期不变的情况下，1个泵浦光可以使2组信号和闲频光满足相位匹配条件，可获得4个波长的相干光输出，双波长泵浦即可实现8个波长输出，其光谱覆盖范围为0.9～5μm，若考虑到双波长运转钛宝石激光器的可调谐性，整个系统可获得0.7～5μm的高功率、高光束质量的10波长同时输出可调谐光源。

本发明的多波长同时输出可调谐激光光源可作为光通信波分复用系统中的信号源、信号转换器或放大器；在环境监测方面，多种波长同时输出的可调谐光源可充分满足大气窗口条件，能够对准不同大气成分的吸收峰，以此来获得优化的高信噪比，进行高精度大气成分检测；在空间遥感、大气光学等领域，基于多种波长同时输出的可调谐激光光源研制的差分吸收激光雷达(DIAL)具有很高的分辨率；在军事方面，多波长同时输出可调谐激光光源已成为光电对抗、激光致盲、激光通信等军事前沿领域的关键性技术。

Claims (8)

1、一种多波长同时输出全固态可调谐激光光源，包括一级泵浦源，一级耦合系统，二级泵浦源，二级耦合系统，光学参量振荡腔，其特征是：

所述一级泵浦源包括由第一平面镜(M1)和第二平面镜(M2)构成的平—平腔结构，在第一平面镜(M1)和第二平面镜(M2)之间自第一平面镜(M1)开始依次设有对基频光进行调制的开关器件(Q)、最初光学泵浦源、谐波反射镜和倍频晶体；

所述一级耦合系统包括第一耦合透镜，用以将一级泵浦源产生的泵浦光耦合进二级泵浦源的谐振腔；

所述二级泵浦源的谐振腔由第三平面镜(M3)、第四平面镜(M4)和第五平面镜(M5)构成，在上述第一耦合透镜(L1)的焦点处设置钛宝石晶体，在第三、第四两个平面镜(M3，M4)和钛宝石晶体之间设有棱镜；

所述二级耦合系统包括第二耦合透镜(L2)，用以将二级泵浦源产生的泵浦光耦合进光学参量振荡腔；

所述光学参量振荡腔由后镜(M6)和输出镜(M7)构成，在第二耦合透镜(L2)焦点附近设置PPLN晶体。

2、根据权利要求1所述的多波长同时输出全固态可调谐激光光源，其特征在于，所述最初光学泵浦源为按照等边三角形排列、采用侧向泵浦方式泵浦激光介质的激光二极管阵列，激光介质为Nd:YAG，尺寸为φ3×80mm，两端磨成平面，镀基频光的增透膜，由流动的冷却水对激光二极管阵列和激光介质提供冷却。

3、根据权利要求1所述的多波长同时输出全固态可调谐激光光源，其特征在于，所述倍频晶体为KTP晶体，采用II类相位匹配，切割角为θ＝90°，φ＝23.6°，尺寸为6×6×10mm，两面镀基频光和倍频光的增透膜。

4、根据权利要求1所述的多波长同时输出全固态可调谐激光光源，其特征在于，所述钛宝石晶体的中心轴线垂直于晶轴，具有两个以布儒斯特角切割的通光端面，且所述两个通光端面的法线均与晶轴处于同一平面内，在布儒斯特入射面内的泵浦光的偏振方向与晶轴一致。

5、根据权利要求1所述的多波长同时输出全固态可调谐激光光源，其特征在于，钛宝石晶体通光方向长度为15mm，截面是边长为5mm的正方形。

6、根据权利要求1所述的多波长同时输出全固态可调谐激光光源，其特征在于，构成所述二级泵浦源谐振腔的第三平面镜(M3)和第四平面镜(M4)的空间位置均可以调节。

7、根据权利要求1所述的多波长同时输出全固态可调谐激光光源，其特征在于，所述PPLN晶体的极化周期为20.5um，其端面镀有750～850nm以及OPO输出波段的增透膜，固定在温控炉中，温控炉温度的温度连续变化范围是常温到473K之间。

8、根据权利要求1至7任意一项所述的多波长同时输出全固态可调谐激光光源，其特征在于，

所述第一平面镜(M1)镀1064nm高反膜；

所述开关器件(Q)的重复频率为5kHz，镀1064nm增透膜；

所述谐波反射镜镀1064nm增透膜和532nm高反膜；

构成所述谐振腔的第三平面镜(M3)和第四平面镜(M4)镀700～900nm高反膜；

构成所述谐振腔的第五平面镜(M5)镀532nm高反膜，镀700～900nm的半透膜，透过率为20％；

后镜(M6)镀750～850nm以及OPO输出波段的高反膜；

输出镜(M7)，曲率半径为60mm，镀750～850nm高反膜和OPO输出波段的半透膜，透过率约为15％。