CN101614928B - 中红外光参量振荡器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种中红外光参量振荡器,属于激光技术领域。它包括一个1.06μm激光器和两级光参量振荡器及聚光腔;所述1.06μm激光器的激光谐振腔与第一级光参量振荡器共用一个谐振腔镜,第一级光参量振荡器与第二级光参量振荡器共用一个谐振腔镜。本发明两级光参量振荡器都为内腔式非临界相位匹配光参量振荡器,其光参量转换接收角大,走离角小,能充分利用泵浦光腔内光功率密度以及利用光参量转换偏振匹配条件衍生多种结构,降低了对光参量振荡器泵浦光的技术要求,因此光参量转换效率高,可获得高功率中红外激光;激光器结构较为简单、体积小、成本低、整体性价比高。
Description
技术领域
本发明涉及一种中红外光参量振荡器,属于激光技术领域,具体涉及固体激光技术中光参量振荡器腔型设计,适用于光电对抗、生化威胁探测、成像激光雷达等军用和微量气体探测,如:天然气管道泄漏探测、煤矿井中甲烷探测等民用领域。
背景技术
光参量振荡器是产生中红外激光的装置,是利用频率下转换技术,将近红外Nd:YAG 1.06μm激光转换成1.5~5μm激光。光参量振荡器由泵浦激光器、非线性晶体、振荡器光学谐振腔组成,在强的泵浦光场作用下,非线性晶体中产生的信号光、闲频光由噪声功率水平逐渐建立起来,形成与泵浦光相当的功率输出。3~5μm波段激光是大气的一个窗口,对大雾、烟尘等具有较强的穿透力,在海平面上传输受到气体分子吸收和悬浮物散射小,而且对多数重要的碳氢气体及其它有毒气体分子具有强的吸收特性,因此,利用这些特性,3~5μm波段激光光源参量振荡器被应用于多个技术领域。特别是:在众多非线性晶体中,KTA(砷酸钛氧钾)晶体具有高的损伤阈值(>500MW/cm2,1064nm 10ns),透光范围为350nm~5000nm,3~5μm波段光参量振荡具有合适的相位匹配角,而中国KTA晶体生长技术比较成熟,价格合理,可以说KTA晶体是实现高功率中红外激光输出性价比最高的非线性晶体,因此,KTA光参量振荡器具有更广泛的应用前景。但现有的光参量振荡器技术方案仍存在不少缺点:
1、文献“Design of a tunable mid-IR光参量振荡器source for DIALdetection of trace gases”(Proc of SPIE Vol.6406,64091B,(2006))利用1.06μmNd:YAG激光泵浦临界相位匹配KTA光参量振荡器实现了2.3μm~4.5μm的激光输出,转换效率小于4.4%,从文献KTA在X-Z面的角度调谐曲线可以看出3~5μm激光以闲频光的形式输出,相对应的信号光为1.4μm~1.6μm,但由于光参量振荡相位匹配角θ=41°~49°远离非临界相位匹配角,致使光参量振荡器具有较大的走离角、小的泵浦光接收角和有效 非线性系数,这对泵浦光的光束质量提出了更高的要求,也降低了参量光的转换效率,而且信号光子能量和闲频光子能量之间具有大的量子数亏损,在产生光子数相同的情况下,3~5μm闲频光能量比信号光1.4μm~1.6μm的能量低很多,因此通过此装置很难获得高功率中红外激光。
2、文献“中红外砷酸钛氧钾光参变振荡器的实验研究”(激光技术,第31卷,第3期,2007年6月)中,利用电光调Q灯抽运1064nm Nd:YAG抽运复合腔砷酸钛氧钾光学参变振荡器实现了中红外激光输出,其中KTA晶体沿X轴切割,切割角θ=90°,φ=0°,为非临界相外匹配,信号光1547nm能量为36mJ,闲频光3407nm能量为11mJ,从中可以看出由于信号光子能量和闲频光子能量之间的量子数亏损,中红外闲频光能量比信号光低很多。由上所述可见通过1.06μm直接泵浦KTA光参量振荡器获得高功率中红外激光是比较困难的。
3、美国专利“monolithic serial optical parametric oscillator”(专利号US6344920B1)采用1.06μm激光泵浦第一级非临界相位匹配KTA光参量振荡器产生1.53μm人眼安全激光,然后用1.53μm人眼安全激光泵浦第二级非临界相位匹配KTA光参量振荡器实现2.59μm信号光和3.76μm闲频光输出,此方法通过增加泵浦光波长,使信号光和闲频光之间的量子数亏损减小,从而提高了中红外闲频光的转换效率,但专利中第一级光参量振荡器为外腔式,为了增加1.06μm泵浦光功率密度,常常需要用光学系统压缩泵浦光光斑,反而增加了泵浦光发散角,根据光参量振荡器特性,第一级和第二级光参量振荡器参量光发散角都将增加,最终为了压缩参量光的发散角,压缩望远镜的放大倍率将增加,导致整个激光器的复杂性和体积大大增加,同时也提高了激光器的调试难度,另外剩余的1.06μm泵浦光有可能反馈到1.06μm激光器内影响其性能,为了防止这种情况发生,常在1.06μm激光器和光参量振荡器之间加光隔离器,这无疑也增加了整个激光器的复杂性和体积,而且增加元器件也将提高激光器成本。
发明内容
本发明的目的在于,克服上述现有技术的的缺点,充分利用内腔式非临界相位匹配光参量振荡器易起振、易偏振匹配和结构简单等优点,提供一种充分利用泵浦光腔内光功率密度以及利用光参量偏振匹配条件衍生多种结构、降低对光参量振荡器泵浦光的技术要求,参量光转换效率高、获得高功率中红外激光、激光器结构较为简单、体积小、成本低、整体性价 比高的中红外光参量振荡器。
本发明的技术方案是:一种中红外光参量振荡器,它有一个1.06μm激光器和两级光参量振荡器及聚光腔;所述1.06μm激光器的激光谐振腔与第一级光参量振荡器共用第一级输出腔镜,第一级光参量振荡器与第二级光参量振荡器共用第二级输出腔镜;聚光腔内安装有氙灯和激光晶体。
所述的第一级光参量振荡器为1.06μm泵浦内腔式非临界相位匹配KTA光参量振荡器,第二级光参量振荡器为1.53μm泵浦内腔式非临界相位匹配KTA光参量振荡器。
所述的1.06μm激光器是调Q激光器,其激光谐振腔包括1.06μm全反腔镜和第一级光参量振荡器输出腔镜及调Q组件;该调Q组件为电光调Q组件、或声光调Q组件,或被动调Q组件。
所述第一级光参量振荡器包括与第二级参量振荡器共用的第二级输出腔镜,还有第一级第一KTA晶体、第一级泵浦光输入镜以及与1.06μm激光器共用的第一级输出腔镜;第一级第一KTA晶体、第一级泵浦光输入镜安装在1.06μm激光器的激光谐振腔内;第一级输出腔镜与第二级泵浦光输入镜形成第一级光参量振荡器谐振腔;所述第一级第一KTA晶体沿x轴切割,采用II类非临界相位匹配,两端面镀1.06μm、1.53μm、3.46μm增透膜,其y轴方向和1.06μm泵浦光偏振方向一致满足光参量振荡偏振匹配要求;第一级泵浦光输入镜左端面镀1.06μm 45°高透,右端面镀1.06μm 45°高透,1.53μm 45°高反膜,使1.06μm激光透过泵浦第一级光参量振荡器,同时使第一级光参量振荡器谐振腔折叠。
所述的第二级光参量振荡器包括第二级泵浦光输入镜、第二级第一KTA晶体以及与第一级光参量振荡器共用的第二级输出腔镜;第二级泵浦光输入镜、第二级第一KTA晶体安装在第一级光参量振荡器内;第二级泵浦光输入镜和第二级输出腔镜形成第二级光参量振荡器谐振腔;第二级第一KTA晶体沿x轴切割,采用II类非临界相位匹配,两端面镀1.53μm、2.59μm、3.76μm增透膜,其y轴方向和1.53μm泵浦光偏振方向一致满足光参量振荡偏振匹配要求。
所述第一级输出腔镜、第二级输出腔镜和第二级泵浦光输入镜为CaF2镜片;第一级输出腔镜一面镀1.06μm、1.53μm高反和3.46μm增透膜,另一面镀3.46μm增透膜;第二级输出腔镜一面镀1.53μm、2.59μm高反膜和3.76μm增透膜,另一面镀3.76μm增透膜;第二级泵浦光输入镜(11)一面镀1.53μm增透、2.59μm高反、3.76μm高反膜,另一 面镀1.53μm增透;第一级光参量振荡器和第二级光参量振荡器都为信号光单谐振光参量振荡器。
所述的1.06μm激光器是1.06μm电光调Q激光器;所述的调Q组件包括有偏振元件、电光晶体(3)和1/4 1.06μm波片,用于实现1.06μm激光经过偏振元件(4)向右传播为线偏振光。
所述1.06μm激光器是1.06μm电光调Q激光器;调Q组件由两套电光晶体和1/4 1.06μm波片与一个偏振元件组成;偏振元件有两个偏振光路,每个偏振光路上均有1.06μm全反腔镜、电光晶体和1/4 1.06μm波片,两路偏振光经全反腔镜分别反射后在偏振元件合成并成非线偏振光向右传播;第一级光参量振荡器加入第一级第二KTA晶体,该第一级第二KTA晶体与第一级第一KTA晶体切割角度、镀膜相同,其y轴方向与偏振元件的另一偏振方向一致;第二级光参量振荡器加入第二级第二KTA晶体,该第二级第二KTA晶体与第二级第一KTA晶体切割角度、镀膜相同,其y轴方向与第一级第二KTA晶体产生的信号光偏振方向一致。
所述1.06μm激光器是1.06μm被动调Q或声光调Q激光器,1.06μm激光谐振腔内有偏振元件使1.06μm为线偏振光,被动调Q元件或声光调Q元件在偏振元件和激光晶体之间、或在全反腔镜和偏振元件之间,或在激光晶体和第一级泵浦光输入镜之间。
所述1.06μm激光器是1.06μm被动调Q或声光调Q激光器,为非线偏振光激光器,两级光参量振荡器通过双块KTA晶体满足泵浦光两个偏振方向光参量振荡偏振匹配条件;被动调Q元件或声光调Q元件在激光晶体和全反腔镜之间或放在激光晶体和第一级泵浦光输入镜之间。
本发明技术效果显著:
1、两级光参量振荡器都为内腔式非临界相位匹配光参量振荡器,其光参量转换接收角大,走离角小,能充分利用泵浦光腔内功率密度以及利用光参量振荡器偏振匹配特性衍生多种结构,降低了对光参量振荡器泵浦光的要求;2、中红外激光转换效率高,可获得高功率中红外激光;3、激光器的结构较为简单,容易装调;4、体积小,成本低,中红外激光器性价比高。
附图说明
图1是本发明的一个实施例示意图,调Q组件由偏振元件、电光晶体和波片组成;
图2是本发明的第二个实施例示意图,调Q组件由两套电光晶体和波片与一个偏振元件组成;
图3是本发明的第三个实施例示意图,1.06μm激光谐振腔内有偏振元件,被动调Q元件或声光调Q元件在1.06μm激光谐振腔内不同位置;
图4是本发明的第四个实施例示意图,1.06μm激光谐振腔内无偏振元件,被动调Q元件或声光调Q元件在1.06μm激光谐振腔内不同位置。
图中:1-全反腔镜;2-波片;3-电光晶体;4-偏振元件;5-聚光腔;6-氙灯;7-激光晶体;8-第一级泵浦光输入镜;9-第一级第一KTA晶体;10-第一级输出腔镜;11-第二级泵浦光输入镜;12-第二级第一KTA晶体;13-第二级输出腔镜;14-第一级第KTA晶体;15-第二级第二KTA晶体;16-被动调Q元件或声光调Q元件。
具体实施方式
结合附图和实施例对本发明作进一步说明如下:
实施例1:
如图1所示:一种中红外光参量振荡器,它有一个1.06μm激光器和两级光参量振荡器及聚光腔5;所述1.06μm激光器的激光谐振腔与第一级光参量振荡器共用第一级输出腔镜10,第一级光参量振荡器与第二级光参量振荡器共用第二级输出腔镜13;聚光腔5内安装有氙灯6和激光晶体7。第一级光参量振荡器为1.06μm泵浦内腔式非临界相位匹配KTA光参量振荡器,第二级光参量振荡器为1.53μm泵浦内腔式非临界相位匹配KTA光参量振荡器。所述的1.06μm激光器是调Q激光器,其激光谐振腔包括1.06μm全反腔镜1和第一级光参量振荡器输出腔镜10及调Q组件;该调Q组件为电光调Q组件、或声光调Q组件,或被动调Q组件。所述第一级光参量振荡器包括与第二级参量振荡器共用的第二级输出腔镜13,还有第一级第一KTA晶体9、第一级泵浦光输入镜8以及与1.06μm激光器共用的第一级输出腔镜10;第一级第一KTA晶体9、第一级泵浦光输入镜8安装在1.06μm激光器的激光谐振腔内;第一级输出腔镜10与第二级泵浦光输入镜11形成第一级光参量振荡器谐振腔;所述第一级第一KTA晶体9沿x轴切割,采用II类非临界相位匹配,两端面镀1.06μm、1.53μm、3.46μm增透膜,其y轴方向和1.06μm泵浦光偏振方向一致满足光参量振荡偏振匹配要求;第一级泵浦光输入镜8左端面镀1.06μm 45°高透,右端面镀1.06μm 45°高透,1.53μm 45°高反膜,使1.06μm激光透过泵浦第一级光参量振荡器,同时使第一级光参量振荡器谐振腔折叠。所述的第二级光参量振荡器包括第二级泵浦光输入镜11、第二级第一KTA晶体12以及与第一级光参量振荡器共用的第二级输出腔镜13;第二级泵浦光输入镜11、第二级第一KTA晶体12安装在第一级光参量振荡器内;第二级泵浦光输入镜11和第二级输出腔镜13形成第二级光参量振荡器谐振腔;第二级第一KTA晶体12沿x轴切割,采用II类非临界相位匹配,两端面镀1.53μm、2.59μm、3.76μm增透膜,其y轴方向和1.53μm泵浦光偏振方向一致满足光参量振荡偏振匹配要求。所述第一级输出腔镜10、第二级输出腔镜13和第二级泵浦光输入镜11为CaF2镜片;第一级输出腔镜10一面镀1.06μm、1.53μm高反和3.46μm增透膜,另一面镀3.46μm增透膜;第二级输出腔镜13一面镀1.53μm、2.59μm高反膜和3.76μm增透膜,另一面镀3.76μm增透膜;第二级泵浦光输入镜11一面镀1.53μm增透、2.59μm高反、3.76μm高反膜,另一面镀1.53μm增透;第一级光参量振荡器和第二级光参量振荡器都为信号光单谐振光参量振荡器。所述的1.06μm激光器是1.06μm电光调Q激光器;所述的调Q组件包括有偏振元件4、电光晶体3和1/41.06μm波片2,用于实现1.06μm激光经过偏振元件4向右传播为线偏振光。第一级光参量振荡器和第二级光参量振荡器都为信号光单谐振光参量振荡器。第一级光参量振荡器通过第一级输出腔镜10输出3.46μm中红外激光,第二级光参量振荡器通过第二级输出腔镜13输出3.76μm中红外激光。所述的调Q组件由偏振元件4、电光晶体3和1/4波片2组成,用于实现1.06μm激光经过偏振元件4向右传播为线偏振光;偏振元件4是偏振片、也可以选PBS、Glan laser棱镜;电光晶体2是KD*P,也可以选LiNbO3、BBO或RTP。
实施例2:
如图2所示,与上述实施例1不同的是:所述1.06μm激光器调Q组件由两套电光晶体3和1/4波片2与一个偏振元件4组成;即:偏振元件4有两个偏振光路,每个偏振光路上均有全反腔镜1、电光晶体3和波片2,两路光经全反腔镜1在偏振元件4合成并成非偏振光向右传播;第一级光参量振荡器加入第一级第二KTA晶体14,该第一级第二KTA晶体14与第一级第一KTA晶体9切割角度、镀膜相同,其y轴方向与偏振元件4的另一偏振方向一致;第二级光参量振荡器加入第二级第二KTA晶体15,该第二级第二KTA晶体15与第二级第一KTA晶体12切割角度、镀膜相同,其y轴方向与第一级第二KTA晶体14产生的信号光偏振方向一 致。本实施例产品充分利用光参量振荡器偏振匹配特性,使非线偏振泵浦光充分转换。
实施例3:
如图3所示,与上述实施例1不同的是:所述1.06μm激光器是1.06μm被动调Q激光器或声光调Q激光器,1.06μm谐振腔内有偏振元件4,被动调Q元件或声光调Q元件在1.06μm激光谐振腔内不同位置,如被动调Q元件或声光调Q元件16在偏振元件4和激光晶体7之间、也可在全反腔镜1和偏振元件4之间,或在激光晶体7和泵浦光输入镜8之间。
实施例4:
如图4所示,与上述实施例3不同的是:所述1.06μm激光器是1.06μm被动调Q激光器,无偏振元件4,为非线偏振光激光器;两级光参量振荡器通过双块KTA晶体满足泵浦光两个偏振方向光参量振荡偏振匹配条件;被动调Q元件或声光调Q元件16可在1.06μm激光谐振腔内不同位置,如可放在激光晶体7和全反腔镜1之间也可放在激光晶体7和泵浦光输入镜8之间。
Claims (7)
1.一种中红外光参量振荡器,其特征在于:它包括一个1.06μm激光器和两级光参量振荡器及聚光腔(5);所述1.06μm激光器的激光谐振腔与第一级光参量振荡器共用第一级输出腔镜(10),第一级光参量振荡器与第二级光参量振荡器共用第二级输出腔镜(13);聚光腔(5)内安装有氙灯(6)和激光晶体(7);所述的第一级光参量振荡器为1.06μm泵浦内腔式非临界相位匹配KTA光参量振荡器,第二级光参量振荡器为1.53μm泵浦内腔式非临界相位匹配KTA光参量振荡器;所述第一级光参量振荡器包括与第二级参量振荡器共用的第二级输出腔镜(13),还有第一级第一KTA晶体(9)、第一级泵浦光输入镜(8)以及与1.06μm激光器共用的第一级输出腔镜(10);第一级第一KTA晶体(9)、第一级泵浦光输入镜(8)安装在1.06μm激光器的激光谐振腔内;第一级输出腔镜(10)与第二级泵浦光输入镜(11)形成第一级光参量振荡器谐振腔;所述第一级第一KTA晶体(9)沿x轴切割,采用II类非临界相位匹配,两端面镀1.06μm、1.53μm、3.46μm增透膜,其y轴方向和1.06μm泵浦光偏振方向一致满足光参量振荡偏振匹配要求;第一级泵浦光输入镜(8)靠近激光晶体(7)一面为左端面,该左端面镀1.06μm 45°高透膜,另一面为右端面,该右端面镀1.06μm 45°高透膜,1.53μm 45°高反膜,使1.06μm激光透过泵浦第一级光参量振荡器,同时使第一级光参量振荡器谐振腔折叠;所述第二级光参量振荡器包括第二级泵浦光输入镜(11)、第二级第一KTA晶体(12)以及与第一级光参量振荡器共用的第二级输出腔镜(13);第二级泵浦光输入镜(11)、第二级第一KTA晶体(12)安装在第一级光参量振荡器内;第二级泵浦光输入镜(11)和第二级输出腔镜(13)形成第二级光参量振荡器谐振腔;第二级第一KTA晶体(12)沿x轴切割,采用II类非临界相位匹配,两端面镀1.53μm、2.59μm、3.76μm增透膜,其y轴方向和1.53μm泵浦光偏振方向一致满足光参量振荡偏振匹配要求;所述第一级输出腔镜(10)一面镀1.06μm、1.53μm高反膜和3.46μm增透膜,另一面镀3.46μm增透膜;第二级输出腔镜(13)一面镀1.53 μm、2.59μm高反膜和3.76μm增透膜,另一面镀3.76μm增透膜;第二级泵浦光输入镜(11)一面镀1.53μm增透膜、2.59μm高反膜、3.76μm高反膜,另一面镀1.53μm增透膜;第一级光参量振荡器和第二级光参量振荡器都为信号光单谐振光参量振荡器。
2.根据权利要求1所述的中红外光参量振荡器,其特征在于:所述的1.06μm激光器是调Q激光器,其激光谐振腔包括1.06μm全反腔镜(1)和第一级光参量振荡器输出腔镜(10)及调Q组件;该调Q组件为电光调Q组件、或声光调Q组件,或被动调Q组件。
3.根据权利要求1所述的中红外光参量振荡器,其特征在于:所述第一级输出腔镜(10)、第二级输出腔镜(13)和第二级泵浦光输入镜(11)为CaF2镜片。
4.根据权利要求2所述的中红外光参量振荡器,其特征在于:所述的1.06μm激光器是1.06μm电光调Q激光器;所述的调Q组件包括有偏振元件(4)、电光晶体(3)和1/41.06μm波片(2),用于实现1.06μm激光经过偏振元件(4)向右传播至激光晶体(7)为线偏振光。
5.根据权利要求2所述的中红外光参量振荡器,其特征在于:所述1.06μm激光器是1.06μm电光调Q激光器;调Q组件由两套电光晶体(3)和1/41.06μm波片(2)与一个偏振元件(4)组成;偏振元件(4)有两个偏振光路,每个偏振光路上均有1.06μm全反腔镜(1)、电光晶体(3)和1/41.06μm波片(2),两路偏振光经全反腔镜(1)分别反射后在偏振元件(4)合成并成非线偏振光向右传播至激光晶体(7);第一级光参量振荡器加入第一级第K TA晶体(14),该第一级第二KTA晶体(14)与第一级第一KTA晶体(9)切割角度、镀膜相同,其y轴方向与偏振元件(4)的另一偏振方向一致;第二级光参量振荡器加入第二级第KTA晶体(15),该第二级第KTA晶体(15)与第二级第一KTA晶体(12)切割角度、镀膜相同,其y轴方向与第一级第KTA晶体(14)产生的信号光偏振方向一致。
6.根据权利要求2所述的中红外光参量振荡器,其特征在于:所述1.06μm激光器是1.06μm被动调Q或声光调Q激光器,1.06μm激光谐振腔内有偏振元件(4)使1.06μm为线偏振光,被动调Q元件 或声光调Q元件(16)在偏振元件(4)和激光晶体(7)之间、或在全反腔镜(1)和偏振元件(4)之间,或在激光晶体(7)和第一级泵浦光输入镜(8)之间。
7.根据权利要求2所述的中红外光参量振荡器,其特征在于:所述1.06μm激光器是1.06μm被动调Q或声光调Q激光器,为非线偏振光激光器,两级光参量振荡器通过双块KTA晶体满足泵浦光两个偏振方向光参量振荡偏振匹配条件;被动调Q元件或声光调Q元件(16)在激光晶体(7)和全反腔镜(1)之间或放在激光晶体(7)和第一级泵浦光输入镜(8)之间。
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