CN101923265B

CN101923265B - 中红外光参量转换器

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Publication number: CN101923265B
Application number: CN2010102172771A
Authority: CN
Inventors: 刘在洲; 杨长城; 孙峰; 赵翔; 张熙; 东芳
Original assignee: WUHAN NATIONAL LABORATORY FOR OPTOELECTRONICS; 717th Research Institute of CSIC
Current assignee: WUHAN NATIONAL LABORATORY FOR OPTOELECTRONICS; 717th Research Institute of CSIC
Priority date: 2010-06-25
Filing date: 2010-06-25
Publication date: 2012-05-02
Anticipated expiration: 2030-06-25
Also published as: CN101923265A

Abstract

本发明涉及一种中红外光参量转换器，属于激光技术领域，适用于光电对抗、生化威胁探测、成像激光雷达、微量气体探测等。其主光路上依次排列的构件有：激光器、分光装置、中红外光参量振荡器、双色耦合镜、中红外光参量放大器；所述的分光装置包括波片、偏振器件、分光反射镜；所述的激光器为泵浦激光器，分光装置将泵浦光分成两路：一路至泵浦中红外光参量振荡器产生中红外光参量种籽光，另一路至泵浦人眼安全光参量转换器产生人眼安全激光；中红外光参量种籽光与人眼安全激光时间同步后通过双色耦合镜耦合进入中红外光参量放大器。本发明优点是提供了一种高光束质量、高能量中红外激光输出的中红外光参量转换器。

Description

中红外光参量转换器

技术领域

本发明涉及一种中红外光参量转换器，属于激光技术领域，具体涉及到中红外非线性频率转换技术、光参量振荡器/放大器技术，适用于光电对抗、生化威胁探测、成像激光雷达、微量气体探测等。

背景技术

3～5μm波段中红外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分子具有腔的吸收特性。因此，利用中红外激光的这些特性，3～5μm波段可应用光电对抗、生化威胁探测、成像激光雷达、微量气体探测等技术领域。光参量振荡器(OPO)是产生3～5μm激光最常用的装置，其利用非线性晶体频率下转换技术，将近红外1.06μm激光转换成2～5μm激光。在众多中红外光参量振荡器使用的非线性晶体中，KTA(砷酸钛氧钾)晶体具有高的损伤阈值(≥500MW/cm²，1064nm，10ns)，透光范围合适(350nm～5000nm)，且在3～5μm波段光参量转换具有合适的相位匹配角，可直接将1.06μm激光通过光参量转换到2～5μm激光。另外，目前可以说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，中红外KTA光参量转换技术具有广泛的应用前景。但是，现有的光参量转换技术方案仍存在不少缺点。

1、文献“Design of a tunable mid-IR source for DIAL detectionof trace gases”(Pro of SPIE vol 6406，64091B，(2006))利用1.06μmNd:YAG激光泵浦临界相位匹配光参量振荡器实现2.3μm～4.5μm，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，通过此方法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，在该专利中，将两级光参量振荡器通过镜片镀膜的方法共用一个谐振腔，简化了结构，但增加了镀膜的难度。目前，镀膜水平有限，膜层的激光损伤阈值很难满足高能量激光泵浦光参量振荡器的需要。

4、以上的1、2和3所述的光参量振荡器还具有如下共同点：根据光参量振荡器的特性可知，由于光参量振荡器的阈值效应，只有泵浦光功率密度超过阈值才能进行有效的光参量转换，这将导致泵浦光脉冲能量一部份被损失；另外，在高能量光参量振荡器中，为了避免激光损坏腔镜膜层和非线性晶体，泵浦光的光斑必须足够的大，这将导致光参量振荡器谐振腔具有高的菲列尔数，从而引起高阶横模参量光振荡致使输出激光光束质量变差。

发明内容

在中红外激光很多应用领域特别是激光定向红外对抗中，要求激光器输出高光束质量、高能量中红外激光，本发明的目的在于，克服上述现有技术缺点，提供一种高光束质量、高能量中红外激光输出的中红外光参量转换器。

本发明的技术方案是：

一种中红外光参量转换器，其主光路上依次排列的构件有：激光器、分光装置、中红外光参量振荡器、双色耦合镜、中红外光参量放大器；所述的分光装置包括波片、偏振器件、分光反射镜；在分光反射镜光路传送方向上依次有人眼安全光参量转换器、人眼安全激光反射镜、人眼安全激光延时装置；所述的激光器为泵浦激光器，分光装置将泵浦光分成两路：一路至泵浦中红外光参量振荡器产生中红外光参量种籽光，另一路至泵浦人眼安全光参量转换器产生人眼安全激光；中红外光参量种籽光与经过人眼安全激光延时装置的人眼安全激光时间同步后通过双色耦合镜耦合进入中红外光参量放大器。

本发明所述的激光器为1.06μm线偏振输出脉冲固体激光器，或1.06μm线偏振输出调Q本振激光器加激光放大器组合激光系统；调Q方式是主动电光调Q，或声光调Q，或被动调Q方式；泵浦方式是氙灯泵浦，或半导体激光泵浦，或氙灯泵浦与半导体激光泵浦两者组合方式；激光介质选自于Nd；YAG或Nd:YVO₄或Nd:YLF。

本发明所述的分光装置为1.06μm分光装置，包括1.06μm 1/2λ分光波片、1.06μm偏振器件和1.06μm分光反射镜；该偏振器件为偏振片，1.06μm分光反射镜为56.7°反射镜，或偏振器件为偏振分光棱镜PBS，1.06μm分光反射镜为45°反射镜。

本发明所述的中红外光参量振荡器为低能量、窄光束1.06μm激光泵浦临界相位匹配KTA光参量振荡器，其激光输出波长为3.76μm。

本发明所述的人眼安全光参量转换器，由人眼安全光参量振荡器和人眼安全光参量放大器组成；人眼安全光参量振荡器为非临界相位匹配KTA光参量振荡器，人眼安全光参量放大器为非临界相位匹配KTA光参量放大器，KTA晶体切割角都为θ＝90°，Φ＝0°。

本发明所述的人眼安全光参量振荡器为直线谐振腔人眼安全光参量振荡器，其谐振腔为1.06μm单向泵浦直线谐振腔；KTA人眼安全光参量振荡器剩余的泵浦光和产生的人眼安全信号光1.53μm一起进入人眼安全光参量放大器。

本发明所述的人眼安全光参量振荡器为环形谐振腔KTA光参量振荡器，其谐振腔为1.06μm泵浦环形谐振腔；该人眼安全光参量振荡器剩余的泵浦光和产生的人眼安全信号光1.53μm一起进入人眼安全光参量放大器。

本发明所述的人眼安全激光反射镜为45°倾斜角的激光反射镜，其左端面、即反射面镀为45°1.06μm增透、1.4～1.6μm全反膜，用于将1.53μm激光光路方向改变90°入射到双色耦合镜，同时消除剩余的1.06μm泵浦光：所述的双色耦合镜将1.53μm人眼安全激光和3.76μm中红外光参量种籽光耦合成共线光束进入中红外光参量放大器。

本发明所述的中红外光参量放大器，有一个中红外45°增透镜，该增透镜主光路上入光一侧为前置光参量放大器晶体，增透镜主光路上输出光一侧为后置光参量放大器晶体；前置光参量放大器晶体和后置光参量放大器晶体各有一个，或两个KTA晶体；KTA晶体切割角都为θ＝90°，Φ＝0；中红外光参量放大器输出波长为3.76μm和2.59μm。。

本发明所述的中红外光参量振荡器、人眼安全光参量转换器和中红外光参量放大器，其中的中红外光参量振荡器为临界相位匹配KTA光参量振荡器，其激光输出波长为3.95μm；人眼安全光参量转换器和中红外光参量放大器的KTA晶体切割角换成θ＝90°，Φ＝90°；人眼安全光参量转换器输出波长为1.5μm，中红外光参量放大器输出波长为3.95μm和2.42μm。

本发明技术效果显著：

1.本发明转换器采用光参量振荡器/放大器技术，其中光参量振荡器决定中红外激光光束质量，光参量放大器决定中红外激光能量，两者配合可获得高光束质量、高能量中红外激光；

2.本发明其中的中红外光参量放大器的种籽光采用低能量窄光束激光泵浦光参量振荡器，这降低了对腔镜中红外激光膜激光损伤阈值的要求，而中红外光参量放大器泵浦光为1.5×μm人眼安全激光，按人眼安全光参量转换技术可获得较高能量的泵浦光，因此，中红外光参量放大器可输出高能量中红外激光，同时输出2.59μm或2.42μm激光在一些领域具有较大的用途；

3.本发明其中的中红外光参量放大器无阈值效应，其非线性晶体采用非临界相位匹配方式切割，具有较大的接收角、较高的非线性系数以及小的走离角，且泵浦光波长为1.5×μm，相比1.06μm激光降低了种籽光和泵浦光之间的量子数亏损，从而中红外光参量放大器有较高的转换效率。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的中红外光参量振荡器的一个实施例示意图。

图3是本发明的中红外光参量放大器的示意图。

图4是本发明的直线腔人眼安全光参量振荡器的示意图。

图5是本发明的环形腔人眼安全光参量振荡器的示意图。

图中各附图标记的相应名称为：1-激光器；2-分光装置；2.1-波片；2.2-偏振器件；2.3-分光反射镜；

3-中红外光参量振荡器；3.1-中红外光输入镜；3.2-光参量振荡器晶体；3.21-光参量振荡器第1晶体；3.22-光参量振荡器第2晶体；3.3-中红外光输出镜；4-双色耦合镜；

5-中红外光参量放大器；5.1-前置光参量放大器晶体；5.11-前置光参量放大器第1晶体；5.12-前置光参量放大器第2晶体；5.2-中红外45°增透镜；5.3-后置光参量放大器晶体；5.31-后置光参量放大器第1晶体；5.32-后置光参量放大器第2晶体；

6-人眼安全光参量转换器；6.1-人眼安全光参量振荡器；6.2-人眼安全光参量放大器；6.11-直线腔人眼安全光参量振荡器输入镜；6.12-KTA晶体；6.13-直线腔人眼安全光参量振荡器输出镜；6.14-环形腔人眼安全光参量振荡器输入镜；6.15-环形腔人眼安全光参量振荡器输出镜；6.16-环形腔人眼安全光参量振荡器反射镜一；6.17-环形腔人眼安全光参量振荡器反射镜二；

7-人眼安全激光反射镜；8-人眼安全激光延时装置。

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：

如图所示：一种中红外光参量转换器，其主光路上依次排列的构件有：激光器1、分光装置2、中红外光参量振荡器3、双色耦合镜4、中红外光参量放大器5；所述的分光装置2包括波片2.1、偏振器件2.2、分光反射镜2.3；在分光反射镜2.3光路传送方向上依次有人眼安全光参量转换器6、人眼安全激光反射镜7、人眼安全激光延时装置8；所述的激光器1为泵浦激光器，分光装置2将泵浦光分成两路：一路至泵浦中红外光参量振荡器3产生中红外光参量种籽光，另一路至泵浦人眼安全光参量转换器6产生人眼安全激光；中红外光参量种籽光与经过人眼安全激光延时装置8的人眼安全激光时间同步后通过双色耦合镜4耦合进入中红外光参量放大器5。所述的激光器为1.06μm线偏振输出脉冲固体激光器，或1.06μm线偏振输出调Q本振激光器加激光放大器组合激光系统；调Q方式是主动电光调Q，也可以选为声光调Q，或被动调Q方式；泵浦方式是氙灯泵浦，也可选为半导体激光泵浦，或氙灯泵浦与半导体激光泵浦两者组合方式；激光介质选自于Nd；YAG，也可选为Nd:YVO₄，或Nd:YLF。所述的分光装置2为1.06μm分光装置，由1.06μm 1/2λ分光波片2.1、1.06μm偏振器件2.2和1.06μm分光反射镜2.3组成；该偏振器件2.2为偏振片，1.06μm分光反射镜2.3为56.7°反射镜；偏振器件2.2也可以为偏振分光棱镜PBS，1.06μm分光反射镜2.3也可以为45°反射镜。所述的中红外光参量振荡器3为低能量、窄光束1.06μm激光泵浦临界相位匹配KTA光参量振荡器，其激光输出波长为3.76μm。所述的人眼安全光参量转换器6，由人眼安全光参量振荡器6.1和人眼安全光参量放大器6.2组成；人眼安全光参量振荡器6.1为非临界相位匹配KTA光参量振荡器，人眼安全光参量放大器6.2为非临界相位匹配KTA光参量放大器，KTA晶体切割角都为θ＝90°，Φ＝0°。如图4所示，所述的人眼安全光参量振荡器6.1为直线谐振腔人眼安全光参量振荡器，其谐振腔为1.06μm单向泵浦直线谐振腔；KTA人眼安全光参量振荡器6.1剩余的泵浦光和产生的人眼安全信号光1.53μm一起进入人眼安全光参量放大器6.2。如图5所示，所述的人眼安全光参量振荡器6.1为环形谐振腔KTA光参量振荡器，其谐振腔为1.06μm泵浦环形谐振腔；该人眼安全光参量振荡器6.1剩余的泵浦光和产生的人眼安全信号光1.53μm一起进入人眼安全光参量放大器6.2。所述的人眼安全激光反射镜7为45°倾斜角的激光反射镜，其左端面、即反射面镀为45°1.06μm增透、1.4～1.6μm全反膜，用于将1.53μm激光光路方向改变90°入射到双色耦合镜4，同时消除剩余的1.06μm泵浦光：所述的双色耦合镜4将1.53μm人眼安全激光和3.76μm中红外光参量种籽光耦合成共线光束进入中红外光参量放大器5。如图3所示，所述的中红外光参量放大器5，有一个中红外45°增透镜5.2，该增透镜5.2主光路上入射光一侧为前置光参量放大器晶体5.1，增透镜5.2主光路上输出光一侧为后置光参量放大器晶体5.3；前置光参量放大器晶体5.1和后置光参量放大器晶体5.3各有一个，或两个KTA晶体，本实施例前置光参量放大器晶体5.1有两个KTA晶体，后置光参量放大器晶体5.3有一个KTA晶体；所述KTA晶体切割角都为θ＝90°，Φ＝0；中红外光参量放大器5输出波长为3.76μm和2.59μm。如图2所示，中红外光参量振荡器3中，其中红外输入镜3.1和中红外输出镜3.3形成中红外光参量振荡器3的谐振腔，非线性晶体为两块KTA晶体，两晶体切割角为θ＝41.1°，Φ＝0°，两端面镀1.06μm，1.4～1.6μm，3.4～4μm增透膜，Z轴方向相对放置，即采用走离角补偿技术，可提高中红外光参量振荡器的接收角和转换效率。

实施例2：

与实施例1不同的是，如附图5所示，所述的人眼安全光参量振荡器6.1为环形谐振腔KTA光参量振荡器，其谐振腔为1.06μm泵浦环形谐振腔，谐振腔由环形腔人眼安全光参量振荡器输入镜6.14、环形腔人眼安全光参量振荡器输入镜6.15、环形腔人眼安全光参量振荡器反射镜一6.16和环形腔人眼安全光参量振荡器反射镜二6.17组成，该人眼安全光参量振荡器6.1剩余的泵浦光和产生的人眼安全信号光1.53μm一起进入人眼安全光参量放大器6.2。信号光1.53μm被放大输出，人眼安全光参量振荡器6.1和人眼安全光参量放大器6.2中的KTA晶体切割角为θ＝90°，Φ＝0°，两端面镀有1.06μm，1.4～1.6μm增透膜，且KTA晶体Y轴方向与1.06μm泵浦光偏振方向平行满足偏振匹配条件。

实施例3

与实施例1不同的是：所述的中红外光参量振荡器3、人眼安全光参量转换器6和中红外光参量放大器5，其中的中红外光参量振荡器3为临界相位匹配KTA光参量振荡器，其激光输出波长为3.95μm；人眼安全光参量转换器6和中红外光参量放大器5的KTA晶体切割角换成θ＝90°，Φ＝90°；人眼安全光参量转换器6输出波长为1.5μm，中红外光参量放大器5输出波长为3.95μm和2.42μm。

本发明专利权保护范围不限于上述实施例。

Claims

1.一种中红外光参量转换器，其特征在于：主光路上依次排列的构件包括：激光器(1)、分光装置(2)、中红外光参量振荡器(3)、双色耦合镜(4)、中红外光参量放大器(5)；所述的分光装置(2)包括波片(2.1)、偏振器件(2.2)、分光反射镜(2.3)；在分光反射镜(2.3)光路传送方向上依次有人眼安全光参量转换器(6)、人眼安全激光反射镜(7)、人眼安全激光延时装置(8)；所述的激光器(1)为泵浦激光器，分光装置(2)将泵浦光分成两路：一路至泵浦中红外光参量振荡器(3)产生中红外光参量种籽光，另一路至泵浦人眼安全光参量转换器(6)产生人眼安全激光；中红外光参量种籽光与经过人眼安全激光延时装置(8)的人眼安全激光时间同步后通过双色耦合镜(4)耦合进入中红外光参量放大器(5)；所述的中红外光参量振荡器(3)为低能量、窄光束1.06μm激光泵浦临界相位匹配KTA光参量振荡器；所述的人眼安全光参量转换器(6)，由人眼安全光参量振荡器(6.1)和人眼安全光参量放大器(6.2)组成；人眼安全光参量振荡器(6.1)为非临界相位匹配KTA光参量振荡器，人眼安全光参量放大器(6.2)为非临界相位匹配KTA光参量放大器；所述的中红外光参量放大器(5)，有一个中红外45°增透镜(5.2)，该增透镜(5.2)主光路上入光一侧为前置光参量放大器晶体(5.1)，增透镜(5.2)主光路上输出光一侧为后置光参量放大器晶体(5.3)。

2.根据权利要求1所述的中红外光参量转换器，其特征在于：所述的激光器(1)为1.06μm线偏振输出脉冲固体激光器，或1.06μm线偏振输出调Q本振激光器加激光放大器组合激光系统；调Q方式是主动电光调Q，或声光调Q，或被动调Q方式；泵浦方式是氙灯泵浦，或半导体激光泵浦，或氙灯泵浦与半导体激光泵浦两者组合方式；激光介质选自于Nd:YAG或Nd:YVO₄或Nd:YLF。

3.根据权利要求1所述的中红外光参量转换器，其特征在于：所述的分光装置(2)为1.06μm分光装置，包括1.06μm 1/2λ分光波片(2.1)、1.06μm偏振器件(2.2)和1.06μm分光反射镜(2.3)；该偏振器件(2.2)为偏振片，1.06μm分光反射镜(2.3)为56.7°反射镜，或偏振器件(2.2)为偏振分光棱镜PBS，1.06μm分光反射镜(2.3)为45°反射镜。

4.根据权利要求1所述的中红外光参量转换器，其特征在于：所述的中红外光参量振荡器(3)其激光输出波长为3.76μm。

5.根据权利要求1所述的中红外光参量转换器，其特征在于：所述的人眼安全光参量振荡器(6.1)和人眼安全光参量放大器(6.2)KTA晶体切割角都为θ＝90°，Φ＝0°。

6.根据权利要求5所述的中红外光参量转换器，其特征在于：所述的人眼安全光参量振荡器(6.1)为直线谐振腔人眼安全光参量振荡器，其谐振腔为1.06μm单向泵浦直线谐振腔；KTA人眼安全光参量振荡器(6.1)剩余的泵浦光和产生的人眼安全信号光1.53μm一起进入人眼安全光参量放大器(6.2)。

7.根据权利要求5所述的人眼安全光参量转换器，其特征在于：所述的人眼安全光参量振荡器(6.1)为环形谐振腔KTA光参量振荡器，其谐振腔为1.06μm泵浦环形谐振腔；该人眼安全光参量振荡器(6.1)剩余的泵浦光和产生的人眼安全信号光1.53μm一起进入人眼安全光参量放大器(6.2)。

8.根据权利要求1所述的中红外光参量转换器，其特征在于：所述的人眼安全激光反射镜(7)为45°倾斜角的激光反射镜，其左端面、即反射面镀为45°1.06μm增透、1.4～1.6μm全反膜，用于将1.53μm激光光路方向改变90°入射到双色耦合镜(4)，同时消除剩余的1.06μm泵浦光；所述的双色耦合镜(4)将1.53μm人眼安全激光和3.76μm中红外光参量种籽光耦合成共线光束进入中红外光参量放大器(5)。

9.根据权利要求1所述的中红外光参量转换器，其特征在于：所述的前置光参量放大器晶体(5.1)和后置光参量放大器晶体(5.3)各有一个，或两个KTA晶体；KTA晶体切割角都为θ＝90°，Φ＝0°；中红外光参量放大器(5)输出波长为3.76μm和2.59μm。

10.根据权利要求1所述的中红外光参量转换器，其特征在于：所述的中红外光参量振荡器(3)、人眼安全光参量转换器(6)和中红外光参量放大器(5)，其中的中红外光参量振荡器(3)为临界相位匹配KTA光参量振荡器，其激光输出波长为3.95μm；人眼安全光参量转换器(6)和中红外光参量放大器(5)的KTA晶体切割角换成θ＝90°，Φ＝90°；人眼安全光参量转换器(6)输出波长为1.5μm，中红外光参量放大器(5)输出波长为3.95μm和2.42μm。