CN103199427A - 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激光二极管泵浦源发出泵浦光，经传能光纤传输和耦合透镜组聚焦后对激光增益介质进行泵浦；产生粒子数反转，在第一谐振腔反射镜、第二谐振腔反射镜及第一平面耦合输入镜、第二平面耦合输入镜、第一平面反射镜、第二平面反射镜构成的激光谐振腔的反馈作用下产生波长为1064nm激光；第三谐振腔反射镜、第四谐振腔反射镜及第一平-平分束镜、第二平-平分束镜构成光学参量振荡器的信号光谐振腔；1064nm激光经非线性光学晶体产生1.5μm信号光和3.66μm闲频光，1.5μm信号光在信号光谐振腔的正反馈作用下形成振荡经布儒斯特板或格兰棱镜输出，3.66μm闲频光通过第三谐振腔反射镜输出。

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，特别涉及一种在较大泵浦功率范围内均能保持高下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(VECSEL)，Opt.Express，17，10648-10658，2009”中，在最高泵浦功率下对谐振腔重新准直，阈值提高抑制逆转换后，非振荡闲频光的输出功率比最低SRO阈值准直情况下提高一倍以上；而文献“Continuous-wave intra-cavity singly resonant opticalparametric oscillator with resonant wave output coupling，Opt.Express，20，27953，2012”中，在高泵浦功率下换用透过率较高的信号光输出镜，也使得下转换效率和总提取效率明显提升。

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，需要经常对谐振腔进行重新准直或换用不同透过率的振荡信号光输出镜，这在实际应用中是非常不利的；通过引入准直损耗来提高谐振腔的阈值，得到的总提取效率也很低。

发明内容

本发明提供了一种内腔单谐振光学参量振荡器，使得SRO在较大泵浦功率范围内均能抑制逆转换以保持高下转换效率，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、传能光纤、耦合透镜组、激光增益介质、第一平面耦合输入镜、第二平面耦合输入镜、第一平面反射镜、第二平面反射镜、第一平-平分束镜、第二平-平分束镜、非线性光学晶体、第一谐振腔反射镜、第二谐振腔反射镜、第三谐振腔反射镜、第四谐振腔反射镜、λ/2波片、TGG晶体、布儒斯特板或格兰棱镜、其中，

所述第一平面耦合输入镜、所述第二平面耦合输入镜均镀880nm增透、1064nm高反膜；所述第一平面反射镜、所述第二平面反射镜均镀1064nm高反膜；所述第一谐振腔反射镜、所述第二谐振腔反射镜、所述第三谐振腔反射镜、所述第四谐振腔反射镜均为凹镜，所述第一谐振腔反射镜、所述第二谐振腔反射镜镀1064nm高反膜，所述第三谐振腔反射镜、所述第四谐振腔反射镜镀1.5μm高反膜和3.66μm增透膜；所述第一平-平分束镜、所述第二平-平分束镜双面镀1064nm增透膜，靠近所述非线性光学晶体的一面镀1.5μm高反膜；所述λ/2波片和所述TGG晶体构成光学单向器；

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进行泵浦；所述激光增益介质产生粒子数反转，在所述第一谐振腔反射镜、所述第二谐振腔反射镜及所述第一平面耦合输入镜、所述第二平面耦合输入镜、所述第一平面反射镜、所述第二平面反射镜构成的激光谐振腔的反馈作用下产生波长为1064nm激光；所述第三谐振腔反射镜、所述第四谐振腔反射镜及所述第一平-平分束镜、所述第二平-平分束镜构成SRO信号光谐振腔；所述1064nm激光经所述非线性光学晶体产生1.5μm信号光和3.66μm闲频光，所述1.5μm信号光在信号光谐振腔的正反馈作用下形成振荡经所述布儒斯特板或格兰棱镜输出，所述3.66μm闲频光通过所述第三谐振腔反射镜输出。

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：本发明实现了谐振腔阈值的连续改变，抑制逆转换、使得SRO保持较高的下转换效率，避免了泵浦功率变化范围较大时需要对谐振腔重新准直或换用不同透过率的输出耦合镜问题；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为一种内腔单谐振光学参量振荡器的结构示意图。

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；

5：第一平面耦合输入镜；                       6：第二平面耦合输入镜；

7：λ/2波片；                                 8：TGG晶体；

9：第一平面反射镜；                           10：第二平面反射镜；

11：第一谐振腔反射镜；                        12：第二谐振腔反射镜；

13：第一平-平分束镜；                         14：第二平-平分束镜；

15：非线性光学晶体；                          16：第三谐振腔反射镜；

17：第四谐振腔反射镜；                        18：布儒斯特板或格兰棱镜；

19：声光Q开关。

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。

为了解决SRO高泵浦功率下逆转换导致下转换效率下降的问题，本发明实施例提供了一种内腔单谐振光学参量振荡器，本发明通过调整布儒斯特板（或格兰棱镜）的角度简便地改变信号光的耦合输出。这样做的好处是：无需对SRO谐振腔进行重新准直或换用不同透过率的耦合输出镜，即可简便地根据泵浦功率来改变信号光的耦合输出，调节SRO阈值，使之与泵浦功率满足最佳关系，从而在较大的泵浦功率范围内均能抑制逆转换，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4、第一平面耦合输入镜5、第二平面耦合输入镜6、第一平面反射镜9、第二平面反射镜10、第一平-平分束镜13、第二平-平分束镜14、非线性光学晶体15、第一谐振腔反射镜11、第二谐振腔反射镜12、第三谐振腔反射镜16、第四谐振腔反射镜17、λ/2波片7、TGG晶体8、布儒斯特板或格兰棱镜18、其中，

第一平面耦合输入镜5、第二平面耦合输入镜6均镀880nm增透、1064nm高反膜；第一平面反射镜9、第二平面反射镜10均镀1064nm高反膜；第一谐振腔反射镜11、第二谐振腔反射镜12、第三谐振腔反射镜16、第四谐振腔反射镜17均为凹镜，第一谐振腔反射镜11、第二谐振腔反射镜12镀1064nm高反膜，第三谐振腔反射镜16、第四谐振腔反射镜17镀1.5μm高反膜和3.66μm增透膜；第一平-平分束镜13、第二平-平分束镜14双面镀1064nm增透膜，靠近非线性光学晶体15的一面镀1.5μm高反膜；λ/2波片7和TGG晶体8构成光学单向器；

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4进行泵浦；激光增益介质4产生粒子数反转，在第一谐振腔反射镜11、第二谐振腔反射镜12及第一平面耦合输入镜5、第二平面耦合输入镜6、第一平面反射镜9、第二平面反射镜10构成的激光谐振腔的反馈作用下产生波长为1064nm激光；第三谐振腔反射镜16、第四谐振腔反射镜17及第一平-平分束镜13、第二平-平分束镜14构成SRO信号光谐振腔；1064nm激光经非线性光学晶体15产生1.5μm信号光和3.66μm闲频光，1.5μm信号光在信号光谐振腔的正反馈作用下形成振荡经布儒斯特板或格兰棱镜18输出，3.66μm闲频光通过第三谐振腔反射镜16输出。

其中，当对3.66μm闲频光输出功率需求较低且不需要1.5μm信号光输出时，可使布儒斯特板以高透过率的角度放置，即与光路成布儒斯特角放置时，透过率为100%，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，旋转布儒斯特板或格兰棱镜18的角度来改变信号光的透过率，改变其耦合输出，从而提高阈值、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。

其中，当选择格兰棱镜时，偏振的信号光以不同角度入射，按不同比例被分解为o光和e光，e光被全反射输出，通过旋转格兰棱镜即可改变信号光的耦合输出。

具体实现时，激光增益介质4可以为Nd:YVO₄晶体或Nd:GdVO₄晶体等常用激光晶体，并镀有相应的不同波长的增透膜。例如：激光增益介质4为Nd:YVO₄晶体时，两端均镀880nm、1064nm增透膜。

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。

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19，声光Q开关19双面镀有1064nm增透膜，通过声光Q开关19使1064nm激光实现脉冲运转。

其中，非线性光学晶体15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，例如：双面镀1064nm、1.5μm和3.66μm增透膜，分别对应不同的信号光和闲频光波长。

其中，激光增益介质4或者非线性光学晶体15改变，导致激光、信号光和闲频光波长改变后，各个镜片等元件的镀膜也发生相应改变，本发明实施例在此不做赘述。

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%；第一平面耦合输入镜5、第二平面耦合输入镜6、第一平面反射镜9、第二平面反射镜10、第一谐振腔反射镜11、第二谐振腔反射镜12起到构成激光器谐振腔的作用；λ/2波片7、TGG晶体8构成光学单向器，起到使振荡激光在谐振腔内单向运转的作用；声光Q开关19起到使1064nm激光实现脉冲运转的作用；第一平-平分束镜13、第二平-平分束镜14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PPLN15长度24mm，极化周期29μm；第一谐振腔反射镜11、第二谐振腔反射镜12镀1064nm高反膜，第三谐振腔反射镜16、第四谐振腔反射镜17均为凹面曲率半径100mm的平凹镜；布儒斯特板或格兰棱镜18起到改变信号光透过率、耦合输出的作用，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，在第一谐振腔反射镜11、第二谐振腔反射镜12及第一平面耦合输入镜5、第二平面耦合输入镜6、第一平面反射镜9、第二平面反射镜10构成的激光谐振腔作用下产生波长为1064nm激光；第三谐振腔反射镜16、第四谐振腔反射镜17及第一平-平分束镜13、第二平-平分束镜14构成信号光谐振腔；1064nm激光经非线性介质PPLN晶体15，产生1.5μm信号光在信号光谐振腔的正反馈作用下形成振荡，经布儒斯特板或格兰棱镜18反射输出；产生3.66μm闲频光经第三谐振腔反射镜16输出。

由于在外界泵浦功率为SRO阈值的平方除以激光阈值的商，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。在此情况下，可以通过调整布儒斯特板或格兰棱镜18简便地改变信号光的耦合输出。例如：当布儒斯特板以布儒斯特角放置时，其透过率为100%，便可根据所用泵浦功率来旋转布儒斯特板的角度，改变其耦合输出，使得SRO阈值满足其与泵浦功率间的最佳关系，从而提高下转换效率，极大提高总提取效率。

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，本发明实施例通过调整布儒斯特板或格兰棱镜，以改变振荡信号光耦合输出来改变SRO的阈值。在对闲频光输出功率需求较低且不需要信号光输出时，可使布儒斯特板或格兰棱镜以高透过率的角度放置，降低阈值，在低泵浦功率下即得到所需的输出；在需要较高功率输出时，可以简便的根据泵浦功率的不同旋转布儒斯特板或格兰棱镜的角度来改变信号光的透过率，增加信号光的耦合输出，提高阈值，使之与泵浦功率满足最佳关系，一方面能够实现谐振腔阈值的连续改变，抑制逆转换、使得SRO保持较高的下转换效率，避免了泵浦功率变化范围较大时需要对谐振腔重新准直或换用不同透过率的输出耦合镜问题；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 (2)

1.一种内腔单谐振光学参量振荡器，其特征在于，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、第一平面耦合输入镜、第二平面耦合输入镜、第一平面反射镜、第二平面反射镜、第一平-平分束镜、第二平-平分束镜、非线性光学晶体、第一谐振腔反射镜、第二谐振腔反射镜、第三谐振腔反射镜、第四谐振腔反射镜、λ/2波片、TGG晶体、布儒斯特板或格兰棱镜、其中，

所述第一平面耦合输入镜、所述第二平面耦合输入镜均镀880nm增透、1064nm高反膜；所述第一平面反射镜、所述第二平面反射镜均镀1064nm高反膜；所述第一谐振腔反射镜、所述第二谐振腔反射镜、所述第三谐振腔反射镜、所述第四谐振腔反射镜均为凹镜，所述第一谐振腔反射镜、所述第二谐振腔反射镜镀1064nm高反膜，所述第三谐振腔反射镜、所述第四谐振腔反射镜镀1.5μm高反膜和3.66μm增透膜；所述第一平-平分束镜、所述第二平-平分束镜双面镀1064nm增透膜，靠近所述非线性光学晶体的一面镀1.5μm高反膜；所述λ/2波片和所述TGG晶体构成光学单向器；

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进行泵浦；所述激光增益介质产生粒子数反转，在所述第一谐振腔反射镜、所述第二谐振腔反射镜及所述第一平面耦合输入镜、所述第二平面耦合输入镜、所述第一平面反射镜、所述第二平面反射镜构成的激光谐振腔的反馈作用下产生波长为1064nm激光；所述第三谐振腔反射镜、所述第四谐振腔反射镜及所述第一平-平分束镜、所述第二平-平分束镜构成光学参量振荡器的信号光谐振腔；所述1064nm激光经所述非线性光学晶体产生1.5μm信号光和3.66μm闲频光，所述1.5μm信号光在信号光谐振腔的正反馈作用下形成振荡经所述布儒斯特板或格兰棱镜输出，通过旋转所述布儒斯特板或格兰棱镜的角度即可简便地改变信号光的耦合输出，所述3.66μm闲频光通过所述第三谐振腔反射镜输出。

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：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1064nm激光实现脉冲运转。

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