CN103199423A - 一种基于内腔式光学参量振荡器的2μm激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于内腔式光学参量振荡器的2μm激光器，其包括1μm激光器和光学参量振荡器。该1μm激光器在同一光路上依序包括第一平面镜，激光晶体、声光Q开关和第三平面镜；该光学参量振荡器在同一光路上依序包括第二平面镜、非线性晶体和第三平面镜。该光学参量振荡器设置于1μm激光器谐振腔内，该激光晶体主平面处具有大光束半径；该第一平面镜对1μm激光具有高反射率；该第二平面镜对2μm激光具有高反射率且对1μm激光具有高透射率；该第三平面镜对1μm激光具有高反射率且对2μm激光部分透射及部分反射；该非线性晶体设置在1μm激光束共焦参数最大的位置。本发明的2μm激光器可输出高光束质量及较大功率的2μm激光，其结构简单，成本低廉。

Description

一种基于内腔式光学参量振荡器的2μm激光器
技术领域
本发明属于激光技术领域，尤其是涉及一种基于内腔式光学参量振荡器的2μm激光器。
背景技术
2μm激光源在军事上有重要的应用价值，且它是泵浦磷锗锌光学参量振荡器（OPO，Optical Parametric Oscillator）产生中红外激光（3-5μm激光）的理想光源。进一步，在医疗、遥感和材料科学等领域，2μm激光源也都有巨大的潜力。因此，2μm激光源一直是国内外研究的热点。
目前，产生2μm激光的方法主要有三种：1）使用掺Tm或掺Ho的固体激光器产生2μm激光；2）使用掺Tm光纤激光器产生2μm激光；3）使用掺铷的1μm固体激光器，泵浦KTPOPO或PPLN OPO等，将1μm激光转换成2μm激光。对于前两种激光器直接产生2μm激光的技术尚未十分成熟，其设备昂贵，成本较高。而第三种利用1μm固体激光器泵浦OPO产生2μm激光的结构简单，技术成熟，成本较低廉，且能够产生较高的功率输出，因此其应用较为广泛。
光学参量振荡器（OPO）技术是一种能够产生宽带连续可调谐激光的技术，其利用非线性晶体的二阶非线性效应，在非线性晶体内传播的泵浦光与两个参量光发生三波耦合相互作用，从而实现光能量从高频泵浦光转换成两个低频参量光，其非常适合用于产生红外及中、远红外波段的激光。
利用光学参量振荡器产生2μm激光的激光器的结构可以采用外腔式或内腔式。外腔式结构是指光学参量振荡器设置在1μm激光器的外部，内腔式结构是指光学参量振荡器设置在1μm激光器的内部。相对于外腔式，基于内腔式光学参量振荡器的激光器能够充分利用1μm激光器谐振腔内的高功率密度；并且，1μm激光在谐振腔内来回振荡，多次通过光学参量振荡器内的非线性晶体，增加了非线性相互作用的有效长度，从而进一步提高光学参量振荡器从1μm到2μm的转换效率。因此，使用1μm激光器泵浦内腔式光学参量振荡器是目前产生2μm激光的最有效的方法。
另外，光束质量因子是激光光束质量的评估和控制理论基础。其定义为
M 2 = R × θ R 0 × θ 0
其中：R为实际光束的束腰半径，R0为基模高斯光束的束腰半径，θ为实际光束的远场发散角，θ0为基模高斯光束的远场发散角。光束质量因子为1时，具有最好的光束质量。
请参阅图1，其是现有技术的一种基于内腔式光学参量振荡器的2μm激光器的结构示意图。该2μm激光器依序包括设置在同一光路上的第一平面镜1、声光Q开关2、激光晶体3、第二平面镜4、非线性晶体5和第三平面镜6。该激光晶体3具体为Nd:YALO激光棒。该激光晶体3产生的激光在第一平面镜1和第三平面镜6之间来回振荡，期间光束不断地被激光晶体3放大，从而产生1μm激光。1μm激光在透过非线性晶体5的期间，当1μm功率足够高的时候，由于非线性效应，有部分能量转换到2μm。2μm激光在第二平面镜4和第三平面镜6之间振荡，且在非线性晶体5中不断放大，2μm激光从第三平面镜6中透射输出。为了获得大功率的2μm激光，其采用了紧凑的设计，即第一平面镜1与第三平面镜6之间的距离为22.5cm。但是，该基于内腔式光学参量振荡器的2μm激光器产生的光束质量并不理想。请参阅图2，其是该基于内腔式光学参量振荡器的2μm激光器的光束质量测量图。由图可看出，其1μm的光束质量为16.15和20.02，2μm的光束质量为8.54和16.2，均与光束质量理想值1相差甚远。
事实上，目前内腔式光学参量振荡器产生大功率2μm激光的光束质量与理想情况还有较大差距，仍未能完全满足目前应用的需要。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的缺点与不足，提供一种大功率高光束质量的基于内腔式光学参量振荡器的2μm激光器。
本发明是通过以下技术方案实现的：一种基于内腔式光学参量振荡器的2μm激光器，其包括1μm激光器和光学参量振荡器。该1μm激光器在同一光路上依序包括第一平面镜，激光晶体、声光Q开关和第三平面镜；该光学参量振荡器在同一光路上依序包括第二平面镜、非线性晶体和第三平面镜。该光学参量振荡器设置于1μm激光器谐振腔内，该激光晶体主平面处具有大光束半径；该第一平面镜对1μm激光具有高反射率；该第二平面镜对2μm激光具有高反射率且对1μm激光具有高透射率；该第三平面镜对1μm激光具有高反射率且对2μm激光部分透射及部分反射；该非线性晶体设置在1μm激光束共焦参数最大的位置。
进一步，该1μm激光器还包括偏振片，该第一平面镜、激光晶体和声光Q开关设置在第一光轴上，该第二平面镜、非线性晶体和第三平面镜设置在第二光轴上，该第一光轴和第二光轴垂直，该偏振片为45°偏振片，其分别与第一光轴和第二光轴成45度角。
当该激光晶体的主平面的模半径值为0.7mm，该激光晶体激光棒的热透镜焦距为300mm时，该第一镜片到激光晶体的距离为350mm，该第三镜片到激光晶体的距离为720mm。
当该激光晶体的主平面的模半径值为1.0mm，该激光晶体激光棒的热透镜焦距为300mm时，该第一镜片到激光晶体的距离为330mm，该第三镜片到激光晶体的距离为1480mm。
或，进一步，该1μm激光器还包括凹透镜和凸透镜，该第一平面镜、凹透镜、凸透镜、声光Q开关、激光晶体、第二平面镜、非线性晶体和第三平面镜依序设置在同一光轴上。
当该激光晶体的主平面的模半径值为1.0mm，该激光晶体激光棒的热透镜焦距为300mm时，该第一平面镜到凹透镜的距离为40mm，该凹透镜到凸透镜的距离为20mm，该凸透镜到激光晶体的距离为140mm，该激光晶体到第三平面镜的距离为160mm。
相对于现有技术，本发明的基于内腔式光学参量振荡器的2μm激光器可输出高光束质量及较大功率的2μm激光，其结构简单，成本低廉。
为了能更清晰的理解本发明，以下将结合附图说明阐述本发明的具体实施方式。
附图说明
图1是现有技术的一种基于内腔式光学参量振荡器的2μm激光器的结构示意图。
图2是图1所示的激光器的光束质量测量图。
图3是本发明的基于内腔式光学参量振荡器的2μm激光器的实施例1的结构示意图。
图4是图3所示2μm激光器中的1μm激光器的模半径分布图。
图5是3所示2μm激光器输出的2μm激光光束质量测量图。
图6是3所示2μm激光器输出的2μm激光功率测量图。
图7是本发明的基于内腔式光学参量振荡器的2μm激光器的实施例2的结构示意图。
图8是图7所示2μm激光器中的1μm激光器的模半径分布图。
具体实施方式
发明人经过研究发现，为了获得大功率高光束质量的2μm激光输出，需通过以下方式设置2μm激光器：首先要保证1μm泵浦激光器采用大基模体积设计，即，1μm激光在激光棒主平面处的光束半径尽可能设计得较大，这样，才能使1μm的光束质量达到较高的水平；其次，是要使光学参量振荡器放置在1μm激光束共焦参数最大的位置，即光学参量振荡器的非线性晶体设置在1μm激光束共焦参数最大的位置，以降低相位失配的量，从而提高1μm至2μm转换效率，且保持较好的光束质量。以下，通过具体实施例进行详细说明。
实施例1：
请参阅图3，其是本发明的实施例1的基于内腔式光学参量振荡器的2μm激光器的结构示意图。本发明的2μm激光器依序包括第一平面镜11、激光晶体12、声光Q开关13、偏振片14、第二平面镜15、非线性晶体16和第三平面镜17。其中，该第一平面镜11、激光晶体12、声光Q开关13、偏振片14和第三平面镜17构成1μm激光器10；该第二平面镜15、非线性晶体16和第三平面镜17构成光学参量振荡器20；即该1μm激光器10和光学参量振荡器20共用第三平面镜17，从而形成该光学参量振荡器20设置在该激光器10内腔的结构。该第一平面镜11、激光晶体12和声光Q开关13设置在第一光轴上，该第二平面镜15、非线性晶体16和第三平面镜17设置在第二光轴上，该第一光轴和第二光轴垂直。该偏振片14为45度偏振片，因此，该偏振片14分别与第一光轴和第二光轴成45度角。
该第一平面镜11为1μm高反镜，即对1μm的激光具有高反射率的反射镜。
该激光晶体12为Nd:YAG激光棒，其放置于一个激光模块的内部。该激光模块为激光二极管泵浦模块，其包括泵浦、冷却系统等副配装置。在本实施例中，该Nd:YAG激光棒直径为4mm，长度为110mm，在电流为24A时有最大泵浦功率500W。
该声光Q开关13以固定的频率周期性地开和关，用以使激光器产生脉冲输出。
该偏振片14为1μm偏振片，其入射角度设置为45度，对1μm的激光进行起偏，使1μm激光线偏振输出。
该第二平面镜15对1μm激光具有高透射率，对2μm激光具有高反射率。
该非线性晶体16为非线性晶体，在本实施例中，为周期极化铌酸锂（PPLN）。
该第三平面镜17对1μm激光具有高反射率且对2μm激光部分透射及部分反射，在本实施例中，对2μm激光具有40%的透射率。
以下详细说明本发明的2μm激光器的工作原理：
首先，当该1μm激光器10开启时，激光晶体12（在本实施例中为Nd:YAG激光棒）在激光二极管的泵浦下，激光晶体的工作物质从低能态被激发到高能态，产生粒子数反转。此时，该声光Q开关13为关闭状态。该声光Q开关13以固定的频率周期性地开和关。当该声光Q开关13突然打开后，从噪声里面产生的微弱光在该激光晶体12的放大下增强，并在第一平面镜11和第三平面镜17之间来回振荡，期间光束不断地被激光晶体12放大，从而产生1μm激光。1μm激光在透过非线性晶体16的期间，由于光学参量振荡器是在1μm激光器的内部，在非线性晶体16处的1μm激光的功率非常大，当1μm功率足够高的时候，由于非线性效应，有部分能量转换到2μm。2μm激光在第二平面镜15和第三平面镜17之间振荡，且在非线性晶体16中不断放大，2μm激光从第三平面镜17中透射输出。
为了使本发明的2μm激光器输出的2μm激光的光束质量提高且保持较大功率，需对本发明2μm激光器的结构参数做进一步的设置：
首先，为获得功率较高的1μm激光，激光器的工作电流设定在激光晶体2所在的激光模块允许的较大值21A。此时，测量得到激光晶体2激光棒的热透镜焦距为f=300mm。
而为了获得高光束质量，首先应保证1μm泵浦激光有接近基模（TM00模）的光束质量，即光束质量因子M2≈1，因此，泵浦激光器采用大基模体积设计。即，1μm激光在激光棒主平面的模半径尽可能设计得较大，由于激光棒热效应的限制，激光棒主平面的模半径的最小值一般可以取0.7mm－1.0mm或接近激光棒半径的值，这样既充分利用了激光棒的有效增益，又能以激光棒的孔径作为光阑，限制高阶模振荡，从而让泵浦激光器在近基模状态下运转。在本实施例中，激光器为平平腔结构，激光棒主平面上的光束半径wrod为
w rod 2 = λ π | 2 x L 1 L 2 + L 1 + L 2 | [ ( 1 - g 1 g 2 ) g 1 g 2 ] 1 / 2 .
其中，
g 1 = 1 - L 2 f
g 2 = 1 - L 1 f
x = 1 f - 1 L 1 - 1 L 2
假设L1>L2，在L1和L2确定的情况下，wrod值随热透镜焦距f变化而变化，wrod有最小值w0
w 0 2 = 2 λ π L 1 ,
此最小值对应的热透镜焦距记为f0。因此，在f=f0的位置，wrod对f的导数为零。说明此状态下，光束的模半径变化缓慢，激光器比较稳定。通常选择此处为激光器的稳定工作点。只要分别给出稳定工作点处的热透镜焦距f0和最小光束半径w0就可以通过上述公式计算出谐振腔的结构。
令f0=300mm，w0=0.7mm，利用上述两式子可以计算出镜片到激光棒主平面的距离L1和L2分别为720mm和350mm。
令f0=300mm，w0=1.0mm，利用上述两式子可以计算出镜片到激光棒主平面的距离L1和L2分别为1480mm和330mm。
请参阅图4，其是本发明2μm激光器中的1μm激光器10的模半径分布图。谐振腔结构在热透镜焦距f=300mm时，光束半径在靠近第三平面镜17位置比在第一平面镜11位置大，则靠近第三平面镜17位置一侧的高斯光束的共焦参数较大，光束比较平缓，这样可以避免由于光束半径变化剧烈而引起OPO的相位失配并降低其转换效率和输出激光的光束质量。因此，光学参量振荡器20应放置于靠近第三平面镜17位置的一端。即当激光棒主平面的模半径的最小值为0.7mm时，该激光晶体6到第一平面镜1沿光轴的距离为350mm，该激光晶体6到第三平面镜7沿光轴的距离为720mm；当激光棒主平面的模半径的最小值为1.0mm时，该激光晶体6到第一平面镜1沿光轴的距离为330mm，该激光晶体6到第三平面镜7沿光轴的距离为1480mm。
另外，该声光Q开关的重复频率为10kHz量级，脉冲宽度为10ns～1000ns量级，输出功率为10W量级。
请参阅图5，其是本发明2μm激光器输出的2μm激光光束质量测量图。由图可看到，该2μm激光在竖直方向和水平方向的光束质量分别为3.2和3.3，较现有技术的光束质量有了很大的提高。
进一步，请参阅图6，其是本发明2μm激光器输出的2μm激光功率测量图。由图可以看到，在泵浦电流为21.8时，2μm激光输出功率为8W。
实施例2：
请参阅图7，其是本发明的实施例2的基于内腔式光学参量振荡器的2μm激光器的结构示意图。本实施例的2μm激光器依序包括设置在同一光轴上的第一平面镜21、凹透镜22、凸透镜23、声光Q开关24、激光晶体25、第二平面镜26、非线性晶体27和第三平面镜28。其中，该第一平面镜21、凹透镜22、凸透镜23、声光Q开关24、激光晶体25和第三平面镜28构成1μm激光器100；该第二平面镜26、非线性晶体27和第三平面镜28构成光学参量振荡器200；即该1μm激光器100和光学参量振荡器200共用第三平面镜28，从而形成该光学参量振荡器200设置在该激光器100内腔的结构。
该第一平面镜21为1μm高反镜，即对1μm的激光具有高反射率的反射镜。
该凹透镜22为镀有1μm增透膜的聚焦透镜，对1μm的激光具有高的透过率，起聚焦作用。该凸透镜23为镀有1μm增透膜的凹透镜，对1μm的激光具有高的透过率。该凹透镜22与凸透镜23组成望远镜系统，对谐振腔内光束起调控的作用。
该声光Q开关24以固定的频率周期性地开和关，用以使激光器产生脉冲输出。
该激光晶体25为Nd:YAG激光棒，其放置于一个激光模块的内部。该激光模块为激光二极管泵浦模块，其包括泵浦、冷却系统等副配装置。在本实施例中，该Nd:YAG激光棒直径为4mm，长度为110mm，在电流为24A时有最大泵浦功率500W。
该第二平面镜26对1μm激光具有高透射率，对2μm激光具有高反射率。
该非线性晶体27为光学非线性晶体，在本实施例中，为周期极化铌酸锂（PPLN）。
该第三平面镜28对1μm激光具有高反射率，对2μm激光具有40%的透射率。
为了使本发明的2μm激光器输出的2μm激光的光束质量提高，需对本发明2μm激光器的结构参数做进一步的设置：
设激光器的工作点处，激光晶体2激光棒的热透镜焦距为f=300mm。为保证1μm泵浦激光有接近基膜（TM00模）的光束质量，泵浦激光器采用大基模体积设计。凹透镜22的焦距为200mm，凸透镜23的焦距为300mm。令wrod的最小半径w0=0.9mm，利用谐振腔设计软件进行优化调整，获得如图8的结构。第一平面镜21到凹透镜22的距离为40mm，凹透镜22到凸透镜23的距离为20mm，凸透镜23到激光晶体25的距离为140mm，激光晶体25到第三平面镜28的距离为160mm。
从图8的光束半径分布可以看出，激光束在第三平面镜28一侧光束半径变化很平缓，光束半径比较大。把2μm光学参量振荡器200放置于该位置，在泵浦功率足够大的时候，将可以获得大功率高光束质量的2μm激光。
此外，本发明的基于内腔式光学参量振荡器的2μm激光器还有多种变形结构，主要是1μm激光器可以有多种变形结构，如1μm激光器由第一平面镜、激光晶体、声光Q开关和第三平面镜组成，该激光晶体具体为Nd：YALO激光棒。由于该激光晶体为各向异性晶体，对光束的偏振态有选择作用，因此使用该激光晶体的激光器可以直接输出线偏振激光而不需用起偏片，从而可省去偏振片。相对于现有技术，本发明的2μm激光器可输出高光束质量及较大功率的2μm激光，其结构简单，成本低廉。
本发明并不局限于上述实施方式，如果对本发明的各种改动或变形不脱离本发明的精神和范围，倘若这些改动和变形属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变形。

Claims (9)

1.一种基于内腔式光学参量振荡器的2μm激光器，其特征在于：包括 
——1μm激光器，其在同一光路上依序包括第一平面镜，激光晶体、声光Q开关和第三平面镜； 
——光学参量振荡器，其在同一光路上依序包括第二平面镜、非线性晶体和第三平面镜；该光学参量振荡器设置于1μm激光器谐振腔内，该激光晶体主平面处具有大光束半径；该第一平面镜对1μm激光具有高反射率；该第二平面镜对2μm激光具有高反射率且对1μm激光具有高透射率；该第三平面镜对1μm激光具有高反射率且对2μm激光部分透射及部分反射；该非线性晶体设置在1μm激光束共焦参数最大的位置。 
2.根据权利要求1所述的2μm激光器，其特征在于：该1μm激光器还包括偏振片，该第一平面镜、激光晶体和声光Q开关设置在第一光轴上，该第二平面镜、非线性晶体和第三平面镜设置在第二光轴上，该第一光轴和第二光轴垂直，该偏振片为45°偏振片，其分别与第一光轴和第二光轴成45度角。 
3.根据权利要求1所述的2μm激光器，其特征在于：该1μm激光器还包括凹透镜和凸透镜，该第一平面镜、凹透镜、凸透镜、声光Q开关、激光晶体、第二平面镜、非线性晶体和第三平面镜依序设置在同一光轴上。 
4.根据权利要求2所述的2μm激光器，其特征在于：该激光晶体的主平面的模半径值为0.7mm，该激光晶体激光棒的热透镜焦距为300mm，该第一镜片到激光晶体的距离为350mm，该第三镜片到激光晶体的距离为720mm。 
5.根据权利要求2所述的2μm激光器，其特征在于：该激光晶体的主平面的模半径值为1.0mm，该激光晶体激光棒的热透镜焦距为300mm，该第一镜片到激光晶体的距离为330mm，该第三镜片到激光晶体的距离为1480mm。 
6.根据权利要求2所述的2μm激光器，其特征在于：第三平面镜对1μm激光具有高反射率且对2μm激光具有40%的透射率。 
7.根据权利要求3所述的2μm激光器，其特征在于：该激光晶体的主平面的模半径值为1.0mm，该激光晶体激光棒的热透镜焦距为300mm，该第一平面镜到凹透镜的距离为40mm，该凹透镜到凸透镜的距离为20mm，该凸透镜到激光晶体的距离为140mm，该激光晶体到第三平面镜的距离为160mm。 
8.根据权利要求1～6中任意一权利要求所述的2μm激光器，其特征在于：该激光晶体为Nd:YAG激光棒。 
9.根据权利要求7所述的2μm激光器，其特征在于：该非线性晶体为周期极化铌酸锂。 
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