CN101673917A - 端面泵浦中红外kta参量振荡器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于参量振荡器技术领域，涉及一种端面泵浦中红外KTA参量振荡器，包括泵浦源，耦合透镜组，Nd:YVO4激光器和设置在Nd:YVO4激光器内的内腔光学参量振荡器，泵浦源采用输出波长为808nm的半导体激光器，其输出经过经耦合透镜组后端面泵浦激光晶体Nd:YVO4激光晶体；Nd:YVO4激光器为产生线偏振1064nm激光的平凹腔结构，其内依次设置激光晶体Nd:YVO4、声光Q开关和内腔光学参量振荡器；Nd:YVO4激光晶体两端镀808nm和1064nm的增透膜；内腔光学参量振荡器的输入镜对1064nm高透，1.5～1.6μm高反，腔镜内设置KTA晶体，两端镀对基频光1064nm、信号光1.5～1.6μm以及闲频光3.5μm增透的介质膜。本发明可获得低阈值、高效率、高重复频率的中红外激光输出。
Description
技术领域
本发明涉及一种二极管端面泵浦的高效率高重复频率Nd:YVO4激光器泵浦的中红外KTA参量振荡器，属于参量振荡器技术领域。
技术背景
3～5μm是最理想的大气窗口，在环境监测、遥感、医疗诊断和治疗、激光光谱学研究、材料处理、数据通信、光电测量、激光测距、激光雷达、红外对抗等方面具有广泛的应用价值和前景。利用全固态激光器泵浦的光学参量振荡器将1～2μm的近红外激光频率下转换到3～5μm的中红外激光是获得该波段全固态、可调谐、高功率、窄线宽激光输出最有效，也是目前为止发展最成熟、应用最广的方法。
常用于3～5μm波段的非线性晶体如利用双折射实现相位匹配的晶体LiNbO3(LN)、KTP、KTA、ZnGeP2(ZGP)、AgGaS2(AGS)等，以及用于准相位匹配技术的周期极化晶体PPLN等。LN一般只用于低重复频率的脉冲中红外激光源，KTP在3μm以上吸收系数较大，ZGP、AGS等中红外晶体国内的生长技术尚不成熟，而周期极化晶体受限于晶体的尺寸大小，一般用于中小峰值功率的中红外激光源中。在某些中红外激光的应用场合如成像激光雷达等必须使用重复频率大于10kHz的高功率激光源，利用KTA参量振荡器可以很好的满足这一需求。
国内也有对中红外KTA参量振荡器的研究报道，但只局限于几赫兹到几十赫兹的低重复频率脉冲运转方式。对于重复频率数千赫兹以上的中红外KTA参量振荡器，国外利用内腔参量振荡器(IOPO)方案，已经实现了超过4W的3.5μm激光输出，但是由于采用的半导体侧面泵浦方式，从二极管输出的808nm激光到中红外激光的光-光转换效率不足1％，而且重复频率只限制在10kHz；也有采用端面泵浦方式的IOPO，光-光转换效率接近4％，但由于采用的是可饱和吸收体被动调Q，其重复频率随着泵浦功率变化而变化，不适用于对重复频率有要求的使用场合。本发明技术方案所采用的利用二极管端面泵浦声光Q开关主动调Q的激光器作为泵浦源的方案在中红外KTA参量振荡器的相关专利和文献中未见报道。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种小型化端面泵浦低阈值高效率高重复频率的全固态3.5μm中红外激光源，利用高效的端面泵浦Nd:YVO4激光器泵浦KTA内腔参量振荡器，阈值泵浦功率约为0.8W，中红外平均输出功率500mW，光-光转换效率4.4％，单脉冲能量14.5μJ，脉冲峰值功率超过4kW，重复频率1～50kHz可调。
本发明通过下述技术方案加以实现：
一种端面泵浦中红外KTA参量振荡器，包括泵浦源，耦合透镜组，Nd:YVO4激光器和设置在Nd:YVO4激光器内的内腔光学参量振荡器，其中，泵浦源采用输出波长为808nm的半导体激光器1，其输出经过经耦合透镜组3后端面泵浦激光晶体Nd:YVO4激光晶体5；Nd:YVO4激光器为产生线偏振1064nm激光的平凹腔结构，其腔镜为平凹镜4和输出镜9，其内依次设置激光晶体Nd:YVO4、声光Q开关6和内腔光学参量振荡器；平凹镜4对808nm高透，1064nm高反；输出镜9为平平镜，作为Nd:YVO4激光器腔镜的同时也是内腔光学参量振荡器的输出镜，对1064nm、1.5～1.6μm高反，对3～5μm高透；Nd:YVO4激光晶体5两端镀808nm和1064nm的增透膜；内腔光学参量振荡器的输入镜7对1064nm高透，1.5～1.6μm高反，腔镜内设置非临界相位匹配切割(相位匹配角θ＝90°，
)的KTA晶体，两端镀对基频光1064nm、信号光1.5～1.6μm以及闲频光3.5μm增透的介质膜。
作为优选实施方式，本发明的端面泵浦中红外KTA参量振荡器，泵浦源产生的光，经纤芯直径为400μm，数值孔径为0.22的光纤2耦合输出；耦合透镜组3的倍率为1∶1；平凹镜4的曲率半径300mm，两面对808nm高透，凹面对1064nm高反；输出镜9的基底采用CaF2材料；声光Q开关6，工作频率为27MHz，调制频率为1～50kHz；在输出镜之后，还设置有1064nm和1.5～1.6μm高反，3～5μm高透的滤波镜10。
本发明利用半导体激光器端面泵浦、声光调Q、内腔参量振荡器方案可以获得低阈值、高效率、高重复频率的中红外激光输出，阈值泵浦功率约为0.8W，输出中红外激光的平均功率500mW，光-光转换效率4.4％，脉冲峰值功率超过4kW，脉冲重复频率1～50kHz可调，适用于各种该波段中红外激光的应用场合。本发明的优点在于，参量振荡器的阈值低，转换效率高，可以高脉冲重复频率运转而且频率1～50kHz可调，整个装置实现全固态结构紧凑。本发明可实现3.5μm中红外激光输出，平均功率500mW，光-光转换效率4.4％，单脉冲能量14.5μJ，脉冲峰值功率超过4kW。该中红外激光源可以应用于遥感、光电测量、光电对抗、激光雷达等领域。
附图说明
图1为中红外参量振荡器装置的结构示意图。
图2为1064nm激光器的结构示意图。
其中，1.输出波长为808nm的半导体激光器；2.光纤；3.耦合透镜组；4.平凹镜(808nm高透，1064nm高反)；5.Nd:YVO4晶体；6.声光Q开关；7.平镜(1064nm高透，1.5～1.6μm高反)；8.KTA晶体；9.中红外输出镜(CaF2，1064nm、1.5～1.6μm高反，3～5μm高透)；10.滤波镜(1064nm、1.5～1.6μm高反，3～5μm高透)；11.1064nm激光器输出镜(1064nm透过率为30％)。
具体实施方式
参见图1，本发明的端面泵浦中红外KTA参量振荡器采用波长为808nm，输出功率30W半导体激光器1作为泵浦源，经纤芯直径为400μm，数值孔径为0.22的光纤2耦合输出，经过倍率为1∶1的耦合透镜组3，聚焦到掺杂浓度0.3％，尺寸大小为3×3×10mm3的Nd:YVO4晶体5中，Nd:YVO4晶体5两端镀808nm和1064nm的增透膜。Nd:YVO4激光器为平凹腔结构，谐振腔由平凹镜4和平平镜9构成，可以产生线偏振的1064nm激光，平凹镜4曲率半径300mm，两面对808nm高透，凹面对1064nm高反，平镜9作为1064nm激光器腔镜的同时也是内腔OPO的输出镜，对1064nm、1.5～1.6μm高反，对3～5μm高透。腔内加入声光Q开关6实现高重复频率准连续运转，声光Q开关的驱动功率为100W，声光晶体长度为45mm，工作频率为27MHz，调制频率为1～50kHz。内腔光学参量振荡器的谐振腔为平平腔结构，OPO谐振腔腔型为平平腔，一腔镜7对1064nm高透、对1.5～1.6μm高反，另一腔镜也就是Nd:YVO4激光器的输出镜9非线性晶体采用长度20mm的KTA晶体8，II类非临界相位匹配切割(相位匹配角θ＝90°，
其中θ为晶体主轴坐标系中波矢与z轴的夹角，
为波矢在xoy平面的投影与x轴的夹角)，两端镀对基频光1064nm、信号光1.5～1.6μm以及闲频光3.5μm增透的介质膜。输出镜9的基底采用CaF2材料，防止对中红外激光的吸收。经滤波镜10滤去输出的1064nm基频光及1536nm信号光可以实现3.5μm中红外激光平均输出功率500mW。激光晶体与非线性晶体均由铟片包裹后固定在金属热沉上与声光Q开关一起通过恒温的循环水冷却。
在不加入KTA晶体时，首先测试Nd:YVO4激光器的输出特性，采用同样的平凹腔型，如附图2所示。其808nm的阈值泵浦功率为0.225W，随这泵浦功率增加，连续以及声光调Q的1064nm激光输出功率均随着电流增加线性升高。当808nm的泵浦功率为9.9W时，连续1064nm激光的输出功率为5.7W，光-光转换效率57.6％；在调Q运转重复频率为10、20、30和40kHz时，1064nm激光的输出功率分别为2.6W、3.75W、4.46W和5W。
在Nd:YVO4激光器腔内加入非线性晶体8和镜片7，仔细调节各个镜片以及晶体的角度，以获得最佳实验结果。在重复频率10、20、30和40kHz时分别进行实验，测试了中红外输出功率时在功率计探头前面放置一个对1064nm和1.4～1.6μm高反，3～5μm高透的镜片以滤掉近红外激光。在重复频率为30kHz时，参量振荡器的阈值约为0.8W，输出3.5μm中红外激光的最高功率可达500mW，对应光-光转换效率4.4％，脉冲宽度3.5ns，单脉冲能量14.5μJ，脉冲峰值功率超过4kW。每隔1分钟记录一次输出功率值，利用均方差方法计算出一小时的功率不稳定度约为5％。
采用上述实施方案，可以获得低阈值，高转换效率，高脉冲重复频率运转的3.5μm中红外激光输出，该方案具有以下优点：1、端面泵浦的Nd:YVO4激光器作为参量振荡器的泵浦源，效率高而且可以直接产生线偏振的激光；2、采用声光Q调制可以实现高重复频率脉冲运转，而且可以根据不同需求对激光器的工作频率实现1～50kHz的调节；3、非线性晶体KTA8采用非临界相位匹配方式，有效非线性系数大、允许角大、无走离；4、Nd:YVO4激光器采用平凹腔，可以使基频光的光腰在输出镜9处，将KTA晶体8置于此处可以降低OPO的阈值、提高转换效率；5、参量振荡器采用腔内泵浦方式，可以充分利用腔内1064nm的高功率密度；6、OPO输出镜对1064nm、1.5～1.6μm高反，对3～5μm高透，从而实现信号光单谐振而且单程损耗很小，大大降低了阈值，同时闲频光可以有效充分输出。
Claims (6)
1.一种端面泵浦中红外KTA参量振荡器，其特征在于，包括泵浦源，耦合透镜组，Nd:YVO4激光器和设置在Nd:YVO4激光器内的内腔光学参量振荡器，其中，泵浦源采用输出波长为808nm的半导体激光器(1)，其输出经过经耦合透镜组(3)后端面泵浦激光晶体Nd:YVO4激光晶体(5)；Nd:YVO4激光器为产生线偏振1064nm激光的平凹腔结构，其腔镜为平凹镜(4)和输出镜(9)，其内依次设置激光晶体Nd:YVO4、声光Q开关(6)和内腔光学参量振荡器；平凹镜(4)对808nm高透，1064nm高反；输出镜(9)为平平镜，作为Nd:YVO4激光器腔镜的同时也是内腔光学参量振荡器的输出镜，对1064nm、1.5～1.6μm高反，对3～5μm高透；Nd:YVO4激光晶体(5)两端镀808nm和1064nm的增透膜；内腔光学参量振荡器的输入镜(7)对1064nm高透，1.5～1.6μm高反，腔镜内设置非临界相位匹配切割(相位匹配角θ＝90°，
)的KTA晶体，两端镀对基频光1064nm、信号光1.5～1.6μm以及闲频光3.5μm增透的介质膜。
2.根据权利要求1所述的端面泵浦中红外KTA参量振荡器，其特征在于，所述的泵浦源产生的光，经纤芯直径为400μm，数值孔径为0.22的光纤(2)耦合输出。
3.根据权利要求1所述的端面泵浦中红外KTA参量振荡器，其特征在于，所述的耦合透镜组(3)的倍率为1∶1。
4.根据权利要求1所述的端面泵浦中红外KTA参量振荡器，其特征在于，所述的平凹镜(4)的曲率半径300mm，两面对808nm高透，凹面对1064nm高反。
5.根据权利要求1所述的端面泵浦中红外KTA参量振荡器，其特征在于，所述的输出镜(9)的基底采用CaF2材料。
6.根据权利要求1所述的端面泵浦中红外KTA参量振荡器，其特征在于，所述的声光Q开关(6)，工作频率为27MHz，调制频率为1～50kHz。
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