CN102842847B - 一种内腔单谐振光学参量振荡器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种内腔单谐振光学参量振荡器，880nm激光二极管发出泵浦光，经传能光纤传输和耦合透镜组聚焦后泵浦激光增益介质Nd:YVO₄晶体，产生1064nm激光在谐振腔反射镜和激光增益介质Nd:YVO₄晶体端面的1064nm高反膜构成的激光谐振腔内振荡；谐振腔反射镜、平-平分束镜和信号光输出镜构成光学参量振荡器的信号光谐振腔，1064nm激光经过聚焦透镜聚焦在非线性光学晶体中，产生的信号光在信号光谐振腔内振荡，并经信号光输出镜输出，产生的闲频光经谐振腔反射镜输出。本发明通过更换不同信号光透过率的信号光输出镜，使SRO能够在较大泵浦功率范围内均保持高下转换效率，并提高总提取效率。

Description

一种内腔单谐振光学参量振荡器

技术领域

本发明涉及激光技术领域中的激光器，特别涉及一种在由低到高的较大泵浦功率范围内均能保持高转换效率的内腔单谐振光学参量振荡器。

背景技术

单谐振光学参量振荡器（SRO）是拓展激光相干辐射波长范围，获得可调谐相干光源的重要非线性光学频率变换技术之一。内腔单谐振光学参量振荡器（ICSRO）将非线性介质置于泵浦激光谐振腔内，利用腔内的高功率密度，能够在较低的外界泵浦功率下实现SRO的高效率连续波运转。在外界泵浦功率等于SRO阈值的平方除以激光阈值，即P_in=(P_th-SRO)²/P_th-laser时，ICSRO的下转换效率的理论值达到100%，而后随着泵浦功率的继续增加，在逆转换过程的作用下，能量由信号光场和闲频光场耦合回泵浦光场，导致下转换效率逐渐下降。因此，为了实现ICSRO的高效运转，需要通过设计使SRO阈值为泵浦激光阈值和外界泵浦功率的几何平均值，即

对此，文献“Continuous-wave,intracavity optical parametric oscillators:an analysis of power characteristics，Appl.Phys.B，66，701-710,1998”中给出了详尽的论述。

近年来，外界泵浦源能够提供的泵浦功率越来越高，甚至需要将SRO谐振腔适当调偏以提高阈值，例如文献“Stable,continuous-wave,intracavity,opticalparametric oscillator pumped by a semiconductor disk laser(VEC SEL)，Opt.Express，17，10648-10658，2009”中，在最高泵浦功率下对谐振腔重新准直，使阈值提高后以抑制逆转换后，非振荡闲频光的输出功率相比按照最低SRO阈值准直情况下提高一倍以上。

发明人在实现本发明的过程中，发现现有技术中至少存在以下的缺点和不足：

为使SRO在较大泵浦功率范围内都保持高下转换效率，通常需要经常对谐振腔进行重新准直，这在实际应用中是非常不利的；而通过调偏谐振腔单纯的引入准直损耗以提高阈值，显然也是很低效的。

发明内容

本发明提供了一种内腔单谐振光学参量振荡器，本发明实现了在较大泵浦功率范围内都保持高下转换效率，避免了对SRO谐振腔的重新准直，详见下文描述：

一种内腔单谐振光学参量振荡器，所述内腔单谐振光学参量振荡器包括：880nm激光二极管泵浦源、传能光纤、耦合透镜组、激光增益介质Nd:YVO₄晶体、聚焦透镜、平-平分束镜、非线性光学晶体、谐振腔反射镜、2至4片对信号光透过率不同的信号光输出镜和可旋转圆盘，其中，

所述激光增益介质Nd:YVO₄晶体一端镀880nm增透膜和1064nm高反膜，另一端镀1064nm增透膜；所述聚焦透镜双面镀1064nm增透膜；所述平-平分束镜双面镀1064nm增透膜，一面镀1.5μm高反膜；非线性光学晶体8为PPLN晶体，极化周期29μm，双面镀1064nm、1.5μm和3.66μm增透膜；所述谐振腔反射镜为凹镜，镀1064nm、1.5μm高反膜和3.66μm增透膜；所述信号光输出镜为凹镜，镀1.5μm部分透过膜；所述信号光输出镜安装在所述可旋转圆盘上；

所述880nm激光二极管泵浦源发出泵浦光，经所述传能光纤传输和所述耦合透镜组聚焦后对所述激光增益介质Nd:YVO₄晶体进行泵浦；所述激光增益介质Nd:YVO₄晶体产生粒子数反转，在所述谐振腔反射镜和所述激光增益介质Nd:YVO₄晶体端面的1064nm高反膜构成的谐振腔的反馈作用下产生波长为1064nm激光；所述谐振腔反射镜、所述平-平分束镜和所述信号光输出镜构成光学参量振荡器的信号光谐振腔，所述1064nm激光经过所述聚焦透镜聚焦在所述非线性光学晶体中，产生的信号光在所述信号光谐振腔的正反馈作用下形成振荡；产生的闲频光经所述谐振腔反射镜输出，所述信号光经所述信号光输出镜输出。

所述内腔单谐振光学参量振荡器还包括：固定装置，

通过所述固定装置配合所述可旋转圆盘，对所述信号光输出镜进行更换。

所述内腔单谐振光学参量振荡器还包括：声光Q开关，

所述声光Q开关双面镀有1064nm增透膜，通过所述声光Q开关使所述1064nm激光实现脉冲运转。

本发明提供的技术方案的有益效果是：本发明通过更换不同透过率的信号光输出镜替代通常的重新准直谐振腔，在只需较低闲频光输出功率的情况时，可使用对信号光高反的信号光输出镜，降低阈值，在低泵浦功率下即得到所需的输出；在需要较高输出功率时，可以简便地换用对信号光具有耦合输出透过率的信号光输出镜，一方面能够抑制逆转换、使得SRO保持较高的下转换效率，避免了高泵浦功率下为获得高闲频光输出功率而需要对谐振腔重新准直的问题；另一方面能够获得有用的1.5μm信号光输出，满足对信号光输出的需求，明显提高总提取效率，对高泵浦功率进行充分利用。

附图说明

图1为本发明提供的一种内腔单谐振光学参量振荡器的结构示意图；

图2为本发明提供的信号光输出镜、可旋转圆盘及固定装置的示意图；

图3为本发明提供的一种内腔单谐振光学参量振荡器的另一结构示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1：880nm激光二极管泵浦源；         2：传能光纤；

3：耦合透镜组；                    4：激光增益介质Nd:YVO₄晶体；

5：聚焦透镜；                      6：声光Q开关；

7：平-平分束镜；                   8：非线性光学晶体；

9：谐振腔反射镜；                  10：信号光输出镜；

11：可旋转圆盘；                   12：固定装置。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

为了实现较大泵浦功率范围内都保持高下转换效率，避免对SRO谐振腔的重新准直，本发明实施例提供了一种内腔单谐振光学参量振荡器，参见图1、图2和图3，本发明实施通过对SRO的信号光输出镜进行简便的更换，控制SRO的阈值。这样做的好处是：使得无需对SRO谐振腔进行重新准直即能使其在由低到高的较大的泵浦功率范围内均保持高下转换效率，同时获得有用的振荡信号光输出，提高总提取效率，对高泵浦功率进行充分利用，详见下文描述：

一种内腔单谐振光学参量振荡器，包括：880nm激光二极管泵浦源1、传能光纤2、耦合透镜组3、激光增益介质Nd:YVO₄晶体4、聚焦透镜5、平-平分束镜7、非线性光学晶体8、谐振腔反射镜9、2至4片对信号光透过率不同的信号光输出镜10和可旋转圆盘11，其中，

激光增益介质Nd:YVO₄晶体4一端镀880nm增透膜和1064nm高反膜，另一端镀1064nm增透膜；聚焦透镜5双面镀1064nm增透膜；平-平分束镜7双面镀1064nm增透膜，一面镀1.5μm高反膜；非线性光学晶体8为周期极化铌酸锂（PPLN）晶体，极化周期29μm，双面镀1064nm、1.5μm和3.66μm增透膜；谐振腔反射镜9为凹镜，镀1064nm、1.5μm高反膜和3.66μm增透膜；信号光输出镜10为凹镜，镀1.5μm部分透过膜；信号光输出镜10安装在可旋转圆盘11上；

880nm激光二极管泵浦源1发出泵浦光，经传能光纤2传输和耦合透镜组3聚焦后对激光增益介质Nd:YVO₄晶体4进行泵浦；激光增益介质Nd:YVO₄晶体4产生粒子数反转，在谐振腔反射镜9和激光增益介质Nd:YVO₄晶体4端面的1064nm高反膜构成的谐振腔的反馈作用下产生波长为1064nm激光；谐振腔反射镜9、平-平分束镜7和信号光输出镜10构成光学参量振荡器的信号光谐振腔，1064nm激光经过聚焦透镜5聚焦在非线性光学晶体8中，产生的信号光在信号光谐振腔的正反馈作用下形成振荡；产生的闲频光经谐振腔反射镜9输出，信号光经信号光输出镜10输出。

进一步地，为了避免更换信号光输出镜10后重新进行准直，该内腔单谐振光学参量振荡器还包括：固定装置12；

通过固定装置12配合可旋转圆盘11，能够对信号光输出镜10进行简便的更换。

其中，参见图2，例如：固定装置12由底座和伸缩杆构成，当伸缩杆顶入可旋转圆盘11上对应信号光输出镜10位置的缺口时，即固定相应信号光输出镜10的中心与光路垂直，处于最佳准直状态。

具体实现时，固定装置12还可以为其他的结果，本发明实施例对此不做限制。

当闲频光输出功率需求较低时，使用对信号光高反的信号光输出镜10降低阈值，实现低泵浦功率下的高转换效率；在需要较高输出功率时，转动可旋转圆盘11并配合固定装置12以换用对信号光具有耦合输出透过率的信号光输出镜10，提高阈值、抑制逆转换、提高下转换效率，同时获得有用的信号光输出，提高总提取效率。

具体实现时，激光增益介质Nd:YVO₄晶体4还可以是Nd:GdVO₄晶体或Nd:YAG晶体等常用激光晶体，并镀有相应的不同波长的增透膜和高反膜（其中，增透膜和高反膜的波长为本领域人员所公知，本发明实施例在此不做赘述），本发明实施例对此不做限制。

其中，波长为1064nm激光可以是连续运转、脉冲运转或调制运转，具体实现时，本发明实施例对此不做限制。

其中，为了实现波长为1064nm激光的脉冲运转，本发明实施例中的光学参量振荡器，还包括：声光Q开关6，声光Q开关6双面镀有1064nm增透膜，通过声光Q开关使1064nm激光实现脉冲运转。

其中，非线性光学晶体8可以是极化周期为29μm的PPLN晶体，也可以是其他极化周期的PPLN晶体或者周期极化钽酸锂PPLT和磷酸氧钛钾KTP等其他常用非线性光学晶体，并镀有相应不同波长的增透膜（其中，增透膜的波长为本领域人员所公知，本发明实施例在此不做赘述），分别对应不同的信号光和闲频光波长，具体实现时，本发明实施例对此不做限制。

其中，在激光增益介质Nd:YVO₄晶体4或者非线性光学晶体8改变，导致激光、信号光和闲频光波长改变后，各个镜片等其他元件的镀膜也发生相应改变，本发明实施例在此不做赘述。

其中，信号光输出镜10为凹镜，镀1.5μm部分透过膜，具体实现时，根据实际应用中的需要确定镀膜的透过率，本发明实施例对此不做限制。

其中，信号光谐振腔可以是图1和图3中的三镜折叠腔（即谐振腔反射镜9、平-平分束镜7和信号光输出镜10）也可以是多镜腔，具体实现时，本发明实施例对此不做限制。

下面以一个实验来验证本发明实施例提供的一种内腔光学参量振荡器的可行性，其中，880nm激光二极管泵浦源1的最大输出功率为50W；传能光纤2的芯径400μm，数值孔径为0.22；耦合透镜组3由两块平凸镜组成，构成1:1成像系统；激光增益介质Nd:YVO₄晶体4规格为3×3×10mm³，掺杂浓度为0.5%，对入射的880nm非偏振泵浦光吸收约85%；聚焦透镜5焦距100mm；声光Q开关6起到使1064nm激光实现脉冲运转得作用；平-平分束镜7起到分开激光谐振腔和SRO信号光谐振腔的作用；非线性光学晶体PPLN8长度24mm，极化周期29μm；谐振腔反射镜9和四片信号光输出镜10均为凹面曲率半径100mm的平凹镜，即可旋转圆盘11上装有四片对信号光透过率分别为0.01%（高反膜）、约2%、约5%和约10%的信号光输出镜10，上述器件构成了光学参量振荡器的一种具体形式，工作原理详见下文描述：

880nm激光二极管泵浦源1发出Nd:YVO₄晶体吸收带内的泵浦光，经传能光纤2传输和耦合透镜组3聚焦后对激光增益介质Nd:YVO₄晶体4进行泵浦；激光增益介质Nd:YVO₄晶体4产生粒子数反转，在谐振腔反射镜9和激光增益介质Nd:YVO₄晶体4端面的1064nm高反膜构成的谐振腔的反馈作用下产生波长为1064nm激光；谐振腔反射镜9、平-平分束镜7和信号光输出镜10构成光学参量振荡器的信号光谐振腔，产生的1064nm激光经过聚焦透镜5聚焦在非线性光学晶体PPLN8中，产生1.5μm信号光在谐振腔的正反馈作用下形成振荡；产生的3.66μm闲频光经谐振腔反射镜9输出，产生的信号光经信号光输出镜10输出。

当使用对信号光高反的信号光输出镜10时，激光阈值0.5W，SRO阈值0.8W（均为典型值），根据文献“Continuous-wave,intracavity optical parametricoscillators:an analysis of power characteristics，Appl.Phys.B，66，701-710,1998”中给出方法进行计算，可知理论下转化效率在泵浦功率为1.28W时即达到100%，而在逆转换过程的作用下，25W泵浦功率下的理论下转换效率降至49%。在此情况下，通过转动可旋转圆盘11并使用固定装置12即能够简便地换用对信号光具有不同透过率的信号光输出镜10，使得SRO阈值升至1W、1.5W和3W，在25W泵浦功率下的理论下转换效率分别为76%、85%和99%，即能够使得闲频光输出分别提高55%、73%和一倍左右。考虑10%左右的耦合输出透过率和2%左右的腔损典型值，还有望同时得到近10W的1.5μm信号光输出，极大提高了总提取效率。

综上所述，本发明实施例提供了一种内腔单谐振光学参量振荡器，本发明实施例通过在只需较低闲频光输出功率的情况时，可使用对信号光高反的信号光输出镜，降低阈值，在低泵浦功率下即得到所需的输出；在需要较高输出功率时，可以简便地换用对信号光具有耦合输出透过率的信号光输出镜，一方面能够抑制逆转换、使得SRO保持较高的下转换效率，避免了高泵浦功率下为获得高闲频光输出功率而需要对谐振腔重新准直的问题；另一方面能够获得有用的1.5μm信号光输出，满足对信号光输出的需求，明显提高总提取效率，对高泵浦功率进行充分利用。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种内腔单谐振光学参量振荡器，其特征在于，所述内腔单谐振光学参量振荡器包括：880nm激光二极管泵浦源、传能光纤、耦合透镜组、激光增益介质Nd:YVO₄晶体、聚焦透镜、平-平分束镜、非线性光学晶体、谐振腔反射镜、2至4片对信号光透过率不同的信号光输出镜和可旋转圆盘，所述信号光输出镜安装在所述可旋转圆盘上；其中，

所述激光增益介质Nd:YVO₄晶体一端镀880nm增透膜和1064nm高反膜，另一端镀1064nm增透膜；所述聚焦透镜双面镀1064nm增透膜；所述平-平分束镜双面镀1064nm增透膜，一面镀1.5μm高反膜；非线性光学晶体为PPLN晶体，极化周期29μm，双面镀1064nm、1.5μm和3.66μm增透膜；所述谐振腔反射镜为凹镜，镀1064nm、1.5μm高反膜和3.66μm增透膜；所述信号光输出镜为凹镜，镀1.5μm部分透过膜；

所述880nm激光二极管泵浦源发出泵浦光，经所述传能光纤传输和所述耦合透镜组聚焦后对所述激光增益介质Nd:YVO₄晶体进行泵浦；所述激光增益介质Nd:YVO₄晶体产生粒子数反转，在所述谐振腔反射镜和所述激光增益介质Nd:YVO₄晶体端面的1064nm高反膜构成的谐振腔的反馈作用下产生波长为1064nm激光；所述谐振腔反射镜、所述平-平分束镜和所述信号光输出镜构成光学参量振荡器的信号光谐振腔，所述1064nm激光经过所述聚焦透镜聚焦在所述非线性光学晶体中，产生的信号光在所述信号光谐振腔的正反馈作用下形成振荡；产生的闲频光经所述谐振腔反射镜输出，所述信号光经所述信号光输出镜输出。

2.根据权利要求1所述的一种内腔单谐振光学参量振荡器，其特征在于，所述内腔单谐振光学参量振荡器还包括：固定装置，

通过所述固定装置配合所述可旋转圆盘，对所述信号光输出镜进行更换。

3.根据权利要求1所述的一种内腔单谐振光学参量振荡器，其特征在于，所述内腔单谐振光学参量振荡器还包括：声光Q开关，

所述声光Q开关双面镀有1064nm增透膜，通过所述声光Q开关使所述1064nm激光实现脉冲运转。

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