CN102983489A - 一种基于光纤激光器做非线性差频而产生的中红外激光源 - Google Patents

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房强
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Abstract

本发明公开了一种基于光纤激光器做非线性差频而产生的中红外激光源，包括光纤激光器I（1）、光纤激光器II（2）、激光合束器（3）、非线性光学晶体（4）、中红外双色镜（5），其特征在于光纤激光器I（1）和光纤激光器II（2）两束光纤激光束通过激光合束器（3）在空间上叠加到一块，合束后的激光束入射到非线性光学晶体（4）上，通过非线性差频产生的中红外激光（6）经一个中红外双色镜（5）输出，本发明实现了一种基于光纤激光器的获得全固态中红外激光源的方法，结构简单，易于小型化，工作可靠，便于操作，相干性好，可在室温下稳定运转。

Description

一种基于光纤激光器做非线性差频而产生的中红外激光源
技术领域
本发明涉及一种中红外激光源，尤其是一种基于光纤激光器通过非线性光参量过程而产生的中红外激光源。
背景技术
众所周知，中红外激光技术在国防，空间探索，医疗，科学研究等领域有广泛应用潜力，最近十几年，中红外激光技术成为一个研究热点，其中对中红外激光源产生的研究又是重中之重，是推动中红外激光技术发展和广泛应用的关键。
应用非线性差频效应可产生工作可靠、便于操作、相干性好并且可在室温下稳定运转的全固态中红外激光源。YAG等传统固态激光器常常被用作此类非线性差频系统的泵浦源，然而这些固态激光器一般结构复杂，体积较大，价格昂贵，而且需要定期维护。近年来，光纤激光器凭借其体积小，重量轻，光斑优，散热易，成本低，免维护等优秀特质成为激光器领域一个研究热点并得到迅速发展，目前已能提供万瓦级平均功率和超过80mJ的单脉冲能量。
发明内容
本发明的目的是提供通过非线性光学参量过程实现结构简单、易于小型化的一种基于光纤激光器做非线性差频而产生的中红外激光源。  
 本发明是通过以下技术方案加以实现的。
一种基于光纤激光器做非线性差频而产生的中红外激光源，包括光纤激光器I（1）、光纤激光器II（2）、激光合束器（3）、非线性光学晶体（4）、中红外双色镜（5），其特征在于光纤激光器I（1）和光纤激光器II（2）两束光纤激光束通过激光合束器（3）在空间上叠加到一块，合束后的激光束入射到非线性光学晶体（4）上，通过非线性差频产生的中红外激光（6）经一个中红外双色镜（5）输出。
本发明中如果光纤激光器I（1）、光纤激光器II（2）是两束脉冲激光，可以通过添加延时光路实现两束脉冲激光在时间域上的重合叠加，再通过激光合束器（3）在空间上叠加到一块，合束后的激光束入射到非线性光学晶体（4）上，通过非线性差频产生的中红外激光（6）经一个中红外镜（5）输出。
本发明使用两束频率差在中红外频域的光纤激光，在某种（比如磷锗锌，硒化镓等）非线性光学晶体中作非线性差频产生中红外激光源，其波长可以通过调节光纤激光的波长来相应调节。
本发明所述的光纤激光可以是连续型的，也可以是脉冲型的，所使用光纤激光器的光频差在中红外频域，只须根据波长选取合适的非线性光学晶体即可，选取晶体的基本标准是光纤激光及产生的中红外激光在非线性晶体中传输损耗小同时晶体具备尽可能高的二阶非线性系数和损伤阈值。在所选取的非线性晶体中，两个光频差在中红外频域的入射光子(光纤激光器I，光纤激光器II）通过二阶非线性混频过程产生新的光场，三个光场需满足能量守恒定律和相位匹配条件（动量守恒）： 
Figure 2012104938801100002DEST_PATH_IMAGE002
              （一）
             
Figure 2012104938801100002DEST_PATH_IMAGE004
              （二）
Figure DEST_PATH_IMAGE006
分别是光纤激光I，光纤激光II和中红外激光的光子频率；
Figure DEST_PATH_IMAGE008
，
Figure 51064DEST_PATH_IMAGE010
，
Figure 966936DEST_PATH_IMAGE012
分别是光纤激光I，光纤激光II和中红外激光的波动量。
本发明所选用的非线性光学晶体有很多种，可以是块状晶体，比如硒化镓（GaSe），磷锗锌（ZGP）等，在这些块状晶体中，相位匹配条件是利用晶体的双折射特性实现的。也可以是有周期性调制结构的晶体，比如周期性极化铌酸锂（PPLN），磷酸钛氧钾（KTP）和准相位匹配（quasi-phase-matching）的砷化镓（QPM-GaAs）等等，在这些晶体中，参与非线性混频的光波易于实现准相位匹配（quasi-phase-matching），也可以利用到晶体较大的非线性系数，对光波的传播方向和偏振态要求也没有那么严格。
本发明具有结构简单，易于小型化，工作可靠，便于操作，相干性好，并且能够实现单频、宽带、可调谐、可在室温下稳定运转的全固态中红外激光源等优点，在国防，空间探索，医疗，科学研究等领域有广泛应用潜力。
附图说明
图1是本发明的一种结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
一种基于光纤激光器做非线性差频而产生的中红外激光源，包括光纤激光器I（1）、光纤激光器II（2）、激光合束器（3）、非线性光学晶体（4）、中红外双色镜（5），其特征在于光纤激光器I（1）和光纤激光器II（2）两束光纤激光束通过激光合束器（3）在空间上叠加到一块，合束后的激光束入射到非线性光学晶体（4）上，通过非线性差频产生的中红外激光（6）经一个中红外双色镜（5）输出。
本发明中如果光纤激光器I（1）、光纤激光器II（2）是两束脉冲激光，可以通过添加延时光路实现两束脉冲激光在时间域上的重合叠加，再通过激光合束器（3）在空间上叠加到一块，合束后的激光束入射到非线性光学晶体（4）上，通过非线性差频产生的中红外激光（6）经一个中红外双色镜（5）输出。
本发明使用两束频率差在中红外频域的光纤激光，在某种（比如磷锗锌，硒化镓等）非线性光学晶体中作非线性差频产生中红外激光源，其波长可以通过调节光纤激光的波长来相应调节。
本发明所述的光纤激光可以是连续型的，也可以是脉冲型的，所使用光纤激光器的光频差在中红外频域，只须根据波长选取合适的非线性光学晶体即可，选取晶体的基本标准是光纤激光及产生的中红外激光在非线性晶体中传输损耗小同时晶体具备尽可能高的二阶非线性系数和损伤阈值。在所选取的非线性晶体中，两个光频差在中红外频域的入射光子(光纤激光器I，光纤激光器II）通过二阶非线性混频过程产生新的光场，三个光场需满足能量守恒定律和相位匹配条件（动量守恒）： 
                       （一）
                  
Figure 12570DEST_PATH_IMAGE004
              （二）
Figure 440009DEST_PATH_IMAGE006
分别是光纤激光I，光纤激光II和中红外激光的光子频率；
Figure 328331DEST_PATH_IMAGE008
，
Figure 741994DEST_PATH_IMAGE010
，
Figure 281429DEST_PATH_IMAGE012
分别是光纤激光I，光纤激光II和中红外激光的波动量。
本发明所选用的非线性光学晶体有很多种，可以是块状晶体，比如硒化镓（GaSe），磷锗锌（ZGP）等，在这些块状晶体中，相位匹配条件是利用晶体的双折射特性实现的。也可以是有周期性调制结构的晶体，比如周期性极化铌酸锂（PPLN），磷酸钛氧钾（KTP）和准相位匹配（quasi-phase-matching）的砷化镓（QPM-GaAs）等等，在这些晶体中，参与非线性混频的光波易于实现准相位匹配（quasi-phase-matching），也可以利用到晶体较大的非线性系数，对光波的传播方向和偏振态要求也没有那么严格。
本发明具有结构简单，易于小型化，工作可靠，便于操作，相干性好，并且能够实现单频、宽带、可调谐、可在室温下稳定运转的全固态中红外激光源等优点，在国防，空间探索，医疗，科学研究等领域有广泛应用潜力。

Claims (4)

1.一种基于光纤激光器做非线性差频而产生的中红外激光源，包括光纤激光器I（1）、光纤激光器II（2）、激光合束器（3）、非线性光学晶体（4）、中红外双色镜（5），其特征在于光纤激光器I（1）和光纤激光器II（2）两束光纤激光束通过激光合束器（3）在空间上叠加到一块，合束后的激光束入射到非线性光学晶体（4）上，通过非线性差频产生的中红外激光（6）经一个中红外双色镜（5）输出。
2.权利要求1所述的一种基于光纤激光器做非线性差频而产生的中红外激光源，其特征在于光纤激光器I（1）、光纤激光器II（2）是两束脉冲激光，通过添加延时光路实现两束脉冲激光在时间域上的重合叠加，再通过激光合束器（3）在空间上叠加到一块，合束后的激光束入射到非线性光学晶体（4）上，通过非线性差频产生的中红外激光（6）经一个中红外双色镜（5）输出。
3.权利要求1所述的一种基于光纤激光器做非线性差频而产生的中红外激光源，其特征在于光纤激光器I（1）、光纤激光器II（2）两束频率差在中红外频域的激光，在非线性光学晶体中作非线性差频产生中红外激光源，其波长通过调节光纤激光的波长来调节。
4.权利要求1所述的一种基于光纤激光器做非线性差频而产生的中红外激光源，其特征在于光纤激光器I（1）、光纤激光器II（2）通过二阶非线性差频过程产生新的光场，三个光场需满足能量守恒定律和相位匹配条件： 
Figure 2012104938801100001DEST_PATH_IMAGE001
             （一）
            
Figure 633406DEST_PATH_IMAGE002
              （二）
分别是光纤激光I，光纤激光II和中红外激光的光子频率；
Figure 468507DEST_PATH_IMAGE004
，
Figure 274789DEST_PATH_IMAGE005
，
Figure 324784DEST_PATH_IMAGE006
分别是光纤激光I，光纤激光II和中红外激光的波动量。
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