CN101895054A - 一种波长转化系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种波长转化系统及方法，该系统包括级联的激光泵浦源、拉曼激光器和KTA晶体，激光泵浦源，用于产生泵浦光并输入到拉曼激光器；拉曼激光器，用于接收泵浦光后进行拉曼变换并输出激光到KTA晶体；KTA晶体，用于在接收拉曼激光器输出的激光后采用非临界匹配或90°的临界匹配方式进行光参量转化过程。本发明扩展了晶体对激光频率变化的范围，该转化系统便于利用非线性晶体更大的有效非线性系数，避免走离效应，简化了光参量转换器的设计，提高了转化效率和稳定性；系统具有结构紧凑，光束质量好，效率高的优点。
Description
技术领域
本发明涉及激光器技术领域，具体涉及一种基于拉曼效应和光参量变换效应的波长转化系统及方法。
背景技术
实现激光频率变换的手段有很多种，常用的有光参量发生、振荡、放大、和频、差频、拉曼频移等手段。
如果激光在非线性晶体中传播，满足相位匹配的条件(能量守恒+动量守恒)，就可以发生光参量的转化，光参量振荡、放大、和频、差频等都是利用了这个原理。在光参量振荡器中，通过调节晶体的匹配条件(例如匹配角度)，可以调节参量光的波长，从而得到波长可调谐的激光光源。常用的非线性晶体有KTP(Potassium titanyl phosphate)、KDP(Potassium dihydrogen phosphate)、LN(congruent Lithium niobate)、KTA(Potassium titanyl arsenate)、ZGP(Zinc germanium phosphide)等等，近些年，这些晶体派生的周期性极化的晶体也得到越来越多的应用。在相位匹配(非准相位匹配)条件下的光参量振荡器，调节匹配角度可以得到不同波长的参量光；如果固定匹配角度，改变泵浦光的波长，同样也可以得到不同波长的参量光。
拉曼激光器是利用晶体对泵浦波长激光的吸收和再次受激辐射，得到另一频率的激光。利用拉曼变换，可以得到更宽范围的光谱。专利US5796761利用拉曼激光器改变泵浦光的频率，然后泵浦非线性晶体，得到倍频的激光。1994年，Amimoto，Sherwin T.等人发表了用拉曼频移TAG晶体得到1.9μm的激光，然后泵浦AgGaSe2晶体得到中红外的激光(Report，Sep.1990-Oct.1991Aerospace Corp.，El Segundo，CA.Technology Operations)。
3～5μm波长处于大气的通光范围之内，因此这个波长的激光光源在激光探测、激光通信以及激光对抗等领域具有重要的应用。常用的非线性变换晶体中，由于KTA晶体具有较高的损伤域值、较大的有效非线性系数、较宽的透光范围、以及相对比较生长的特点，在非线性频率变化光参量振荡器OPO中得到青睐，常用来得到3-5μm的激光。但是从1.06μm经一级OPO得到波长大于3.7μm的激光非常困难，因此常用级联方式利用KTP晶体作为光参量振荡器来得到3-5μm的激光。这种方案的缺点是KTP晶体产生2μm左右的参量光很难获得较好的光束质量，导致ZGP产生的3-5μm的激光光束质量较差。
发明内容
本发明的目的是提供一种波长转化系统及方法，扩展了晶体对激光频率变化的范围，该转化系统便于利用非线性晶体更大的有效非线性系数，避免走离效应，简化了光参量转换器的设计，提高了转化效率和稳定性。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明提供了一种波长转化系统，该系统包括级联的激光泵浦源、拉曼激光器和KTA晶体，其中：
激光泵浦源，用于产生泵浦光并输入到拉曼激光器；
拉曼激光器，用于接收泵浦光后进行拉曼变换并输出激光到KTA晶体；
KTA晶体，用于在接收拉曼激光器输出的激光后采用非临界匹配或90°的临界匹配方式进行光参量转化过程。
优选地，所述KTA构成光参量发生器，KTA晶体所进行的参量转化过程为参量发生过程；
或所述KTA晶体构成光参量振荡器，KTA晶体所进行的参量转化过程为参量振荡过程；
或所述KTA晶体构成光参量放大器，KTA晶体所进行的参量转化过程为参量放大过程；
或所述KTA晶体构成差频器，KTA晶体所进行的参量转化过程为参量差频过程；
或所述KTA晶体构成光参量发生器、光参量振荡器、光参量放大器和差频器的任意组合，KTA晶体所进行的参量转化过程为参量发生过程、参量振荡过程、参量放大过程、参量差频过程的任意组合。
优选地，所述激光泵浦源由第一谐振腔和激光晶体组成；
拉曼激光器由第二谐振腔和拉曼变换介质组成；
KTP晶体连接第三谐振腔构成光参量振荡器。
优选地，所述第一谐振腔、第二谐振腔、第三谐振腔相互嵌套耦合组成复合式或内腔式谐振腔。
优选地，第一谐振腔、第二谐振腔、第三谐振腔中的每一个内部或外部附加有辅助元件。
优选地，所述辅助元件为光栅、波片、隔离器、透镜、反射镜、光阑、偏振片或调Q器件。
优选地，所述激光泵浦源为输出1.06μm波长泵浦光的泵浦源，所述拉曼激光器为输出1.07～1.3μm波长激光的拉曼激光器。
优选地，所述拉曼激光器可以是拉曼振荡器或者拉曼放大器。
优选地，所述拉曼激光器中所采用的拉曼介质为固体、液体或气体介质。
本发明还提供了一种波长转化方法，该方法包括步骤：
利用激光泵浦源产生泵浦光并输入到拉曼激光器；
拉曼激光器接收泵浦光后进行拉曼变换并输出激光到KTA晶体；
KTA晶体在接收拉曼激光器输出的激光后采用非临界匹配或90°的临界匹配方式进行光参量转化过程。
优选地，所述光参量转化过程为参量发生过程、参量振荡过程、参量放大过程或参量差频过程，或为参量发生过程、参量振荡过程、参量放大过程、参量差频过程的任意组合。
优选地，所述激光泵浦源和拉曼激光器运行在连续激光环境或运行在脉冲激光环境。
本发明提出的基于拉曼效应和光参量变换效应的波长转化系统及方法，扩展了晶体对激光频率变化的范围，该转化系统便于利用非线性晶体更大的有效非线性系数，避免走离效应，简化了光参量转换器的设计，提高了转化效率和稳定性；系统具有结构紧凑，光束质量好，效率高的优点。
附图说明
图1为本发明实施例1中波长转化系统结构图；
图2为本发明实施例2中波长转化系统结构图；
图3为本发明实施例3中波长转化系统结构图。
图中：1、第一腔镜；2、第二腔镜；3、第三腔镜；4、第四腔镜；5、第五腔镜；6、第六腔镜。
具体实施方式
本发明提出的波长转化系统及方法，结合附图和实施例详细说明如下。
本发明提出的波长转化系统为基于拉曼效应和光参量变换效应的波长转化系统，该系统包括级联的激光泵浦源、拉曼激光器和KTA晶体，其中：激光泵浦源，用于产生泵浦光并输入到拉曼激光器；拉曼激光器，用于接收泵浦光后进行拉曼变换并输出激光到KTA晶体；KTA晶体，用于在接收拉曼激光器输出的激光后采用非临界匹配或90°的临界匹配方式进行光参量转化过程。现有技术中利用拉曼激光器泵浦的非线性晶体没有采用KTA这种方案。本发明采用KTA晶体可以兼顾有效非线性系数高、晶体损伤域值高、透光范围宽的优点。
由于KTA晶体通过不同设置可以同时构成光参量发生器(OPG)、光参量振荡器(OPO)和光参量放大器(OPA)及其任意组合，如通过将KTA晶体与腔镜连接设置振荡腔构成光参量振荡器(OPO)，KTA晶体构成光参量振荡器的情况下，拉曼激光器输出的激光作为光参量振荡器的泵浦源，经光参量转化过程得到频率下转换的两个参量光(信号光+闲频光)；在晶体中同时输入参量光与泵浦光使晶体构成光参量放大器(OPA)，KTA晶体构成光参量振荡器的情况下，拉曼激光器输出的激光作为参量光输入到KTA晶体，同时向KTA晶体引入泵浦光，经光参量放大过程得到频率下转换的两个参量光(信号光+闲频光)。
因此在具体实施实施时，KTA晶体优选构成光参量发生器，KTA晶体所进行的参量转化过程为参量发生过程；或KTA晶体构成光参量振荡器，KTA晶体所进行的参量转化过程为参量振荡过程；或KTA晶体构成光参量放大器，KTA晶体所进行的参量转化过程为参量放大过程；或KTA晶体构成差频器，KTA晶体所进行的参量转化过程为参量差频过程；或KTA晶体构成光参量发生器、光参量振荡器、光参量放大器和差频器的任意组合，KTA晶体所进行的参量转化过程为参量发生过程、参量振荡过程、参量放大过程、参量差频过程的任意组合。
另外，激光泵浦源优选由第一谐振腔和激光晶体组成；拉曼激光器由第二谐振腔和拉曼变换介质组成；KTP晶体连接第三谐振腔构成光参量振荡器。第一谐振腔、第二谐振腔、第三谐振腔可以设计成各种腔型，相互嵌套耦合组成复合式或内腔式谐振腔。第一谐振腔、第二谐振腔、第三谐振腔中的每一个内部或外部附加有辅助元件。辅助元件可以采用光栅、波片、隔离器、透镜、反射镜、光阑、偏振片或调Q器件等等。
常用激光泵浦源输出的泵浦光波长1μm左右的泵浦光，本发明优选采用1.06μm波长的泵浦源，拉曼激光器经拉曼变换对泵浦光频率的改变为输出1.07～1.3μm波长激光。拉曼激光器可以是拉曼振荡器或者拉曼放大器。拉曼介质可以采用固体、液体或气体介质。激光泵浦源、拉曼激光器既可以运行在连续激光环境，也可以运行在脉冲激光环境中。
本发明提供的波长转化方法包括步骤：利用激光泵浦源产生泵浦光并输入到拉曼激光器；拉曼激光器接收泵浦光后进行拉曼变换并输出激光到KTA晶体；KTA晶体在接收拉曼激光器输出的激光后采用非临界匹配或90°的临界匹配方式进行光参量转化过程。该方法中的光参量转化过程为参量发生过程、参量振荡过程、参量放大过程或参量差频过程，或为参量发生过程、参量振荡过程、参量放大过程、参量差频过程的任意组合。
实施例1
如图1所示，波长转化系统包括级联的激光泵浦源、拉曼激光器和KTA晶体，其中激光泵浦源由第一谐振腔和激光晶体组成，连接在激光晶体两端的第一腔镜1和第二腔镜2形成第一谐振腔；拉曼激光器由第二谐振腔和拉曼变换介质(即拉曼晶体)组成，连接在拉曼晶体两端的第三腔镜3和第四腔镜4形成所述第二谐振腔；KTA晶体两端分别连接第五腔镜5和第六腔镜6构成光参量振荡器，第五腔镜5和第六腔镜6形成第三谐振腔。其中第一谐振腔和第二谐振腔之间、第二谐振腔和第三谐振腔之间分别连接有辅助元件，该辅助元件可以采用光栅、波片、隔离器、透镜、反射镜、光阑、偏振片或调Q器件等等。激光泵浦源产生的泵浦光波长为1.06μm左右，拉曼激光器频移得到1.06μm左右到1.18μm左右的激光，再泵浦非临界匹配或接近90°的临界匹配的KTA晶体，得到波长大于3.7μm的激光。
本实施例中的第五腔镜5和第六腔镜6也可以省略，KTA晶体采用其它的参量转化过程如参量发生过程、参量放大过程、参量差频过程。
实施例2
如图2所示，波长转化系统包括级联的激光泵浦源、拉曼激光器和KTA晶体，其中激光泵浦源由第一谐振腔和激光晶体组成，连接在激光晶体两端的第一腔镜1和第三腔镜3形成第一谐振腔；拉曼激光器由第二谐振腔和拉曼变换介质(即拉曼晶体)组成，连接在拉曼晶体两端的第三腔镜3和第四腔镜4形成所述第二谐振腔；KTA晶体两端分别连接第五腔镜5和第六腔镜6构成光参量振荡器，第五腔镜5和第六腔镜6形成第三谐振腔。其中第二谐振腔和第三谐振腔之间分别连接有辅助元件，该辅助元件可以采用光栅、波片、隔离器、透镜、反射镜、光阑、偏振片或调Q器件等等。本实施例中的第一谐振腔和第二谐振腔由于共用第三腔镜，因此第一谐振腔和第二谐振腔相互嵌套耦合组成内腔式谐振腔。
本实施例中的第五腔镜5和第六腔镜6也可以省略，KTA晶体采用其它的参量转化过程如参量发生过程、参量放大过程、参量差频过程。
实施例3
如图3所示，波长转化系统包括级联的激光泵浦源、拉曼激光器和KTA晶体，其中激光泵浦源由第一谐振腔和激光晶体组成，连接在激光晶体两端的第一腔镜1和第二腔镜2形成第一谐振腔；拉曼激光器由第二谐振腔和拉曼变换介质(即拉曼晶体)组成，连接在拉曼晶体两端的第三腔镜3和第五腔镜5形成所述第二谐振腔；KTA晶体两端分别连接第五腔镜5和第六腔镜6构成光参量振荡器，第五腔镜5和第六腔镜6形成第三谐振腔。其中第一谐振腔和第二谐振腔之间连接有辅助元件，该辅助元件可以采用光栅、波片、隔离器、透镜、反射镜、光阑、偏振片或调Q器件等等。激光泵浦源产生的泵浦光波长为1.06μm左右，拉曼激光器频移得到1.07μm左右到1.3μm左右的激光，再泵浦非临界匹配或接近90°的临界匹配的KTA晶体，得到波长大于3.7μm的激光。本实施例中的第二谐振腔和第三谐振腔由于共用第五腔镜5，因此所述第二谐振腔和第三谐振腔相互嵌套耦合组成内腔式谐振腔。
本实施例中的第五腔镜5和第六腔镜6也可以省略，KTA晶体采用其它的参量转化过程如参量发生过程、参量放大过程、参量差频过程
上述实施例中拉曼激光器可以与激光泵浦源组成内腔放置拉曼变换晶体的激光泵浦源(图2所示的情况)；拉曼激光器也可以与光参量转化过程结合(图3所示的情况)，将非线性晶体内置于拉曼激光器内组成内腔式光参量转换器(是指拉曼晶体与谐振腔组成的情况)；也可以将三者的谐振腔相互嵌套耦合组成复合式谐振腔。各激光谐振腔可以设计成各种腔型。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。
Claims (12)
1.一种波长转化系统，其特征在于，该系统包括级联的激光泵浦源、拉曼激光器和KTA晶体，其中：
激光泵浦源，用于产生泵浦光并输入到拉曼激光器；
拉曼激光器，用于接收泵浦光后进行拉曼变换并输出激光到KTA晶体；
KTA晶体，用于在接收拉曼激光器输出的激光后采用非临界匹配或90°的临界匹配方式进行光参量转化过程。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，
所述KTA构成光参量发生器，KTA晶体所进行的参量转化过程为参量发生过程；
或所述KTA晶体构成光参量振荡器，KTA晶体所进行的参量转化过程为参量振荡过程；
或所述KTA晶体构成光参量放大器，KTA晶体所进行的参量转化过程为参量放大过程；
或所述KTA晶体构成差频器，KTA晶体所进行的参量转化过程为参量差频过程；
或所述KTA晶体构成光参量发生器、光参量振荡器、光参量放大器和差频器的任意组合，KTA晶体所进行的参量转化过程为参量发生过程、参量振荡过程、参量放大过程、参量差频过程的任意组合。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，
所述激光泵浦源由第一谐振腔和激光晶体组成；
拉曼激光器由第二谐振腔和拉曼变换介质组成；
KTP晶体连接第三谐振腔构成光参量振荡器。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述第一谐振腔、第二谐振腔、第三谐振腔相互嵌套耦合组成复合式或内腔式谐振腔。
5.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，第一谐振腔、第二谐振腔、第三谐振腔中的每一个内部或外部附加有辅助元件。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述辅助元件为光栅、波片、隔离器、透镜、反射镜、光阑、偏振片或调Q器件。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述激光泵浦源为输出1.06μm波长泵浦光的泵浦源，所述拉曼激光器为输出1.07～1.3μm波长激光的拉曼激光器。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述拉曼激光器可以是拉曼振荡器或者拉曼放大器。
9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述拉曼激光器中所采用的拉曼介质为固体、液体或气体介质。
10.一种波长转化方法，其特征在于，该方法包括步骤：
利用激光泵浦源产生泵浦光并输入到拉曼激光器；
拉曼激光器接收泵浦光后进行拉曼变换并输出激光到KTA晶体；
KTA晶体在接收拉曼激光器输出的激光后采用非临界匹配或90°的临界匹配方式进行光参量转化过程。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述光参量转化过程为参量发生过程、参量振荡过程、参量放大过程或参量差频过程，或为参量发生过程、参量振荡过程、参量放大过程、参量差频过程的任意组合。
12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述激光泵浦源和拉曼激光器运行在连续激光环境或运行在脉冲激光环境。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C12 | Rejection of a patent application after its publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Open date: 20101124 |