CN103513490B

CN103513490B - 单纵模光参量振荡放大器及其自动锁定方法

Info

Publication number: CN103513490B
Application number: CN201210208782.9A
Authority: CN
Inventors: 肖春雷; 汪涛; 杨天罡; 戴东旭; 杨学明
Original assignee: Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Current assignee: Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Priority date: 2012-06-21
Filing date: 2012-06-21
Publication date: 2016-03-02
Anticipated expiration: 2032-06-21
Also published as: CN103513490A

Abstract

本发明提供一种单纵模极窄带宽的超稳频可调谐高效率光参量振荡-放大器。该光参量激光器采用带种子光注入的固体激光器泵浦，振荡级使用环形腔结构设计，有连续稳定单纵模种子光注入，并且用程序自动控制腔长锁模；该光参量激光器可以输出单纵模（带宽<200MHz）的激光，能量转化效率最高接近40%，输出波长可覆盖430-3500nm（受种子光波长范围限制）范围，利用程序控制自反馈系统可实现激光器波长的稳定和种子光不跳模极限内的波长连续扫描。

Description

单纵模光参量振荡放大器及其自动锁定方法

技术领域

本发明涉及一种光参量激光器，属于光电技术领域，具体的说是一种单纵模极窄带宽的超稳频可调谐高效率光参量振荡放大器。

背景技术

自从1960年世界上第一台红宝石激光器问世，50多年来，激光技术发展迅猛，已与多个学科相结合形成多个应用技术领域，比如激光加工技术，激光检测与计量技术，激光光谱分析技术，非线性光学，超快激光学，激光化学，激光雷达等。为了适应不同的需求，激光器也向着更高能量，更宽覆盖波长，更窄线宽，更短脉宽等的方向发展。

设计不同特点的激光器取决于实际研究和应用的需要。研究分子的振动激发对化学反应的影响实验需要窄线宽，高峰值功率的激光。因为首先在分子束中分子振转吸线峰很窄约为100MHz，这就需要单纵模激光器，并且波长输出稳定。其次，分子振动激发截面很小，例如氢气Q1支截面只有0.69×10-30cm2。因此需要激光的峰值功率足够高才能达到饱和激发。实际上波长在600-700nm区域，染料激光器是很好的选择。但问题在于，分子束实验需要100MHz左右线宽，并且中心波长稳定的激光器。

满足这一要求的商品化配置是:带种子光注入的YAG泵浦激光器+环形染料激光器（CW）+脉冲YAG泵浦激光器+脉冲染料放大器（PulsedDyeAmplifier）。这种配置能产生50mJ/pluse的单纵模激光，光斑也很好。但是成本要高很多，系统也复杂很多；并且，需要增加另外的非线性晶体，才能把波长从可见波段扩展到红外波段。相比之下，OPO/OPA（光参量振荡放大器）可以直接出可见光或者红外。而且染料分子的使用寿命不长，有剧毒，染料激光器自发放大辐射不能完全消除，所以这两年全固态OPO得到了很快的发展，但是目前世界上还没有同时满足如本发明一样的同时具有单纵模，窄带宽，超稳频，高转化效率的光参量激光器。

发明内容

针对上述问题，基于分子束实验需要和对国内OPO/OPA技术的推动，本发明设计了一种单纵模极窄带宽的超稳频可调谐高效率光参量振荡放大器。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种单纵模光参量振荡放大器，在光路系统中包括：

泵浦光半波片1：对应泵浦光波长，将入射的泵浦光调节至与非线性晶体匹配的偏振；

缩束透镜对：由一个凸透镜和一个凹透镜组成，调节泵浦光大小至适合使用的非线性晶体的尺寸；

分束镜：把缩束透镜对透射的光束分成两部分，一部分用以供OPO使用，另一部分供OPA使用；

环形腔：输入供OPO使用的这部分泵浦光，包括四个镜子M1，M2，M3，M4，镜子之间有非线性晶体，由步进马达控制，产生信号光和闲散光，信号光在环形腔中不断放大输出；

楔形镜：透过大部分环形腔输出的信号光，反射出微量至光电探测器中供控制系统使用；

半导体二极管激光器：在中央电脑的控制下输出连续种子光；

一维整形棱镜对：对连续种子光进行整形，整形后的种子光通过高反镜反馈给镜子M2；

输出光半波片：对应信号光波长，改变输出的信号光的偏振；

泵浦光半波片2：接收供OPA使用的泵浦光，改变这部分光的偏振，并通过一组高反镜透射到合束镜；

合束镜：使信号光和之前供OPA使用的泵浦光重合到一起；

非线性晶体组：由多个非线性晶体构成，每个非线性晶体由一个步进马达控制，通过调整非线性晶体的角度来实现信号光的光参量放大；

在控制系统中包括：

压电陶瓷：置于镜子M4背面，通过压电陶瓷的电压控制镜子M4的进退以控制环形腔的腔长；

中央电脑：用以对压电陶瓷进行自锁反馈控制；

电压放大器：对中央电脑输出给压电陶瓷的电压信号进行放大；

延时产生器：产生脉冲以触发中央电脑。

所述入射的泵浦光由带种子注入的固体激光器输出。

所述环形腔的镜子M1输入供OPO使用的这部分泵浦光，透射到镜子M1和镜子M2之间的非线性晶体1上；非线性晶体1由步进马达1控制，产生信号光和闲散光；镜子M2反射泵浦光和部分信号光、闲散光到镜子M2和镜子M3之间的非线性晶体2上，透射部分信号光、闲散光到楔形镜上；非线性晶体2由步进马达2控制，将泵浦光转换为信号光和闲散光；镜子M3透射泵浦光和闲散光，反射信号光到镜子M4；镜子M4反射信号光到镜子M1。

所述镜子M2的光学参数为：入光面对泵浦光的反射率大于99%，透射率小于1%；对信号光的反射率为40%±10%，透射率为60%±10%；对闲散光的反射率小于40%，透射率大于60%；出光面镀信号光的防反膜；

所述镜子M1，M3，M4的光学参数为：入光面对泵浦光的反射率大于80%，透射率小于20%；对信号光的反射率大于99%，透射率小于1%；对闲散光的反射率小于40%，透射率大于60%；出光面镀泵浦光的防反膜。

所述镜子M3透射的泵浦光和闲散光由废光吸收器吸收。

一种单纵模光参量振荡放大器的自动锁定方法，包括以下步骤：

半导体二极管激光器输出连续种子光，经一维整形棱镜对整形和高反镜反射，通过环形腔的镜子M2射入环形腔；

种子光依次经环形腔放大后，从镜子M2射出经楔形镜反射后微量种子光经光电探测器反馈至中央电脑；

延时产生器触发中央电脑扫描压电陶瓷电压；

中央电脑搜索种子光的能量最小值及相应的压电陶瓷电压，并保存该电压值；

中央电脑通过电压放大器输出该电压值至压电陶瓷，使振荡腔上压电陶瓷的长度锁定在光电探测器反馈能量最小值的状态，并保持若干毫秒；

在上述若干毫秒内，延时产生器触发中央电脑接收泵浦光的输入，种子光经楔形镜透过的信号光与经OPA输出的泵浦光重合并经非线性晶体组输出；

中央电脑返回到扫描压电陶瓷电压步骤重新扫描并进行下一循环，使压电陶瓷的振荡腔腔长是种子光波长的整数倍。

所述种子光为单纵模光。

所述中央电脑扫描压电陶瓷电压的扫描频率与泵浦光的频率相同。

本发明具有以下优点：

1.单模输出，线宽非常窄，接近傅立叶变换极限；

2.由于每个脉冲都是新产生的，所以难免每次都有点不一样，本发明有连续种子光，每次都和种子光一致，使输出非常稳定；

3.效率高，本发明光路设计的OPO本身由于有种子，最初的增益就比没种子来的快，然后压制了其他不要的模，而且腔也和种子匹配，这都导致效率高；再加上本发明集成的OPA放大，让总效率变得非常高。

附图说明

图1是本发明的原理图；

图2A是线性扫描压电陶瓷电压和光电二极管信号随之变化的示波器截图；

图2B是锁腔时经历扫描、锁定、保持、回复四个阶段的压电陶瓷电压和光电二极管信号的示波器截图；

其中，CH1（上面）显示压电陶瓷电压变化，CH2（下面）显示光电二极管反馈信号；

图3是本发明实施例的3D光路图；

其中AP-光阑，APP-整形棱镜对，BD-吸光器，CB-合束镜，HR-高反镜，LP-缩束透镜对，PB-分束镜，PD-光电二极管，PZT-压电陶瓷，RS-转台，W-窗片，WP-半波片，WS-楔形镜，λ-meter-波长计探头；

图4环形腔结构图；

图5KTA晶体的非线性参数，晶体沿XZ平面切割，沿Y轴旋转；

图6KTA晶体透光曲线图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示，本发明的光参量振荡放大器分为光参量振荡器（OPO）和光参量放大器（OPA）两个模块，有光路系统和控制系统两大部分。

首先是光路系统，在这里我们使用的是带种子注入的固体激光器的输出作为OPO/OPA的泵浦光。泵浦光进入OPO/OPA之后首先经过一个对应泵浦光波长（与泵浦光波长一致）的半波片调节至合适的偏振，然后经过由一个凸透镜和一个凹透镜组成的缩束镜对，用以调节光束大小至适合OPO与OPA使用的非线性晶体的尺寸。然后再由一个分束镜把泵浦光分成两部分，一部分用以泵浦OPO，另一部分供OPA后来使用。供OPO使用的这部分泵浦光会进入一个由四个镜子组成的环形腔，如图在M4和M1，M1和M2之间会有两块非线性晶体，他们都是按照适合最终输出波长的切割角切割的，当泵浦光经过非线性晶体时，由于非线性效应，泵浦光会产生信号光和闲散光。该环形腔的4块镜子是特殊设计的，分为两类，M2是一类，M1、M3和M4是另一类，它们的参数如下表所示：

表1.M2输出耦合镜光学参数

表2.M1、M3和M4的光学参数

当泵浦光进入环形腔后，调节用步进马达控制的非线性晶体的转角使得OPO产生所需波长的信号光，信号光在环形腔中经过不断放大输出。同时这套系统中还提供连续的种子激光，它是由半导体二极管激光器产生，经过棱镜对整形之后注入这个环腔的，在腔内它的光路和信号光必须重合。信号光在过M2之后会遇到一个楔形镜，这个镜会反射微量的信号光至光电探测器中供控制系统使用。过楔形镜之后用一个对应信号光波长的半波片来改变OPO输出的信号光的偏振，然后通过一个合束镜使信号光和之前供OPA使用的泵浦光重合到一起。然后泵浦光和信号光一起经过由步进马达控制的非线性晶体（图中是两级，可根据实际需求加至更多级），调整非线性晶体的角度来实现信号光的光参量放大。这里需要注意的是，当泵浦光经过分束镜之后会遇到一个对应于泵浦光的半波片，这个可以配合信号光的半波片以及OPA的两个非线性晶体一起沿光的传播方向转动，来优化最终OPA输出光的光束质量。

然后是控制系统。如图1中的OPO的环形腔的M4镜片是安装在一个带压电陶瓷的底座上的，可以控制加在压电陶瓷上的电压来控制M4的进退，进而控制环形腔的腔长。在这套系统中，我们用的泵浦光是纳秒脉冲激光,脉宽一般约10ns，在m毫秒（取决于泵浦光激光频率）内只有10ns左右有泵浦光，其他时间只有由半导体激光器产生的种子光。OPO系统的设计要实现单纵模输出，就要有一个稳定的伺服系统保证可以补偿光学、机械、热等外界因素引起的波动。当谐振腔长是注入种子光波长整数倍的时候，种子光的注入才是有效的。如果不是精确匹配会影响出光的效率和模式，而且为了可以单纵模连续扫描波长，也需要一个反馈的伺服系统可以保证腔长随之移动。锁腔我们采用的是能量最低点方法，在这套OPO运行过程中，我们不断用找电脑扫描压电陶瓷的电压，使得腔长随之扫描，我们可以从光电二极管里监测连续的种子光经过谐振腔振荡后输出的信号，如图2A所示，是我们在扫压电陶瓷电压时，示波器记录的光电二极管读出的信号，实验上已经证实这些低谷和OPO的最大输出能量相一致，也和种子光的注入效率一致，也就是调制谷越深，效率越高。所以我们的目的是让腔长锁在光电二极管探测信号的波谷处。锁腔的每个循环经历四个阶段。首先，延迟产生器（DG535SRS,Inc）产生一个脉冲触发给装在电脑上的DAQ板卡（NationalInstrumentsCorp.NIPCI-6025E）开始我们的一次锁腔循环。然后程序控制电脑的板卡线性输出电压，DAQ可输出-10V到10V的模拟电压，此模拟信号经过一个电压放大器（0–30×,30–150V，Piezomechanik,GmbHSVR150/1）放大后把电压输给压电陶瓷。光电二极管同时记录经过谐振腔后的光调制信号，并把信号送进DAQ板卡的读端口，这是第一个阶段，线性扫描腔长，如图2B所示；第二阶段程序找到输出光调制信号的最小值和对应的压电陶瓷电压，并返回此电压值；第三阶段，保持腔长锁定在二极管信号最小值处数毫秒的时间，泵浦光在这个时候进来，然后最后一个阶段程序返回到最开始扫描电压的起始点准备开始下一次扫描，程序扫描频率和泵浦光频率相同。由此我们实现OPO/OPA输出的激光有单模、稳定以及高效，配合前面所述的OPA光学系统，使得这套光参量激光器达到非常高的转换效率和好的光束质量。

图3是整套系统的3D光路图。使用这套OPO/OPA可在150mJ532nm泵浦的情况下出60mJ单模的线宽好于200Mhz不跳摸的660nm激光，转换效率接近40%。

OPO/OPA由一台种子光注入的Nd:YAG激光器(ContinuumPowerlite8000)的二倍频532nm光泵浦，重复频率15Hz。可提供单纵模的532nm光输出，光脉冲的半高全宽7.5ns，经过缩束后光斑直径4.5mm，能量约为150mJ/pulse。OPO注入的种子光是由二极管激光器提供，能量可达50mw，连续单纵模输出（TopticaPhotonics,Inc.DL100），二极管激光器波长可调范围655-667nm，线宽好于30MHz，20GHz范围内波长扫描不跳模。一般来讲种子注入能量2-5mW就足够，光斑大小要扩展到5mm比泵浦光斑略大一点。我们用波长计(HighFinesseWS-7L)实时监测泵浦光，种子光和产生的OPO信号光束质量和波长。光电二极管和压电陶瓷配合工作使谐振腔长和种子光波长匹配。

环形腔结构图如图4所示，四个腔镜为特殊设计（LaserOptik,GmbH）的，参数如表3、4所示，M2为输出耦合镜，参数不同于其它三块。M4镜固定在一个压电传感器上（Piezomechanik,GmbH,HPSt150/20–15/12VS35）可以在一定范围扫描腔长，OPO运行时通过程序控制使腔长可以实时的与种子光波长匹配。所有的反射镜直径1英寸，每个共振臂4.5cm长，受镜子和晶体大小限制能做的最小程度，谐振腔腔长大约19cm，自由光谱范围1.58GHz。

表3M2输出耦合镜光学参数

表4M1、M3、M4光学参数

两个KTA晶体（福建福晶）以截止角补偿形式放在环形腔内。15mm长，7×7mm2口径，双面镀532nm，630-683nm增透膜，晶体在XZ平面切割θ=42度，φ=0度，第二类匹配晶体。满足相匹配方程ω_泵浦光(o)=ω_信号光(e)+ω_闲散光(o)，其中泵浦光532nm，信号光655-667nm，闲散光为2833-2628nm。图5为KTA晶体的非线性参数。晶体在一个转台（NewportCorp.AG-PR100）上沿水平Y轴转动，旋转过程中保证φ=0度，为了满足相匹配方程，要求泵浦光532水平偏振，种子光660竖直偏振。图6所示为KTP晶体透光曲线，在我们所要求的出光范围KTA晶体的透光率接近100%，可以很好的满足我们这套OPO/OPA系统的设计需求（当用到其他波长时可以选用KTP或者BBO晶体）。

对于此套OPO系统，在不转KTP晶体角度的前提下也可以实现20GHz的不跳模自由扫描，也是我们种子激光器不跳模扫描极限。然而更大的波长改变需要调整KTP晶体的角度来保证OPO相匹配增益包络在种子光附近。锁腔我们采用的是能量最低点方法，当我们扫PZT电压时，腔长随之扫描，我们可以从光电二极管里监测连续的种子光经过谐振腔振荡后输出的信号，如图2A所示，是我们在扫PZT电压时，示波器记录的光电二极管读出的信号。实验上已经证实这些低谷和OPO的最大输出能量相一致，也和种子光的注入效率一致，也就是调制谷越深，效率越高。所以我们的目的是让腔长锁在光电二极管（Thorlabs,Inc.DET100A）探测信号的波谷处。首先，延迟产生器（DG535SRS,Inc）产生一个脉冲触发给装在电脑上的DAQ板卡（NationalInstrumentsCorp.NIPCI-6025E）开始我们的一次锁腔循环。然后程序控制电脑的板卡线性输出电压，DAQ可输出-10V到10V的模拟电压，此模拟信号经过一个电压放大器（0–30×,30–150V，Piezomechanik,GmbHSVR150/1）放大后把电压输给PZT。光电二极管同时记录经过谐振腔后的光调制信号，并把信号送进DAQ板卡的读端口，这是第一个阶段，线性扫描腔长，如图2B所示。第二阶段程序找到输出光调制信号的最小值和对应的PZT电压，并返回此电压值。第三阶段，保持腔长锁定在二极管信号最小值处数毫秒的时间，泵浦光在这个时候进来，然后最后一个阶段程序返回到最开始扫描电压的起始点准备开始下一次扫描，程序扫描频率和泵浦光频率一样是15Hz。波长扫描程序通过DAQ写给二极管激光器电压并用波长计做反馈来扫描种子光的波长，当种子光波长改变时，锁腔程序会自动将腔长匹配到新的波长上，保证OPO在扫描波长时不跳模。

Claims

1.一种单纵模光参量振荡放大器，其特征在于，在光路系统中包括：

分束镜：把缩束透镜对透射的光束分成两部分，一部分用以供光参量振荡OPO使用，另一部分供光参量放大OPA使用；

合束镜：使信号光和之前供OPA使用的泵浦光重合到一起；

在控制系统中包括：

中央电脑：用以对压电陶瓷进行自锁反馈控制；

延时产生器：产生脉冲以触发中央电脑。

2.根据权利要求1所述的单纵模光参量振荡放大器，其特征在于，所述入射的泵浦光由带种子注入的固体激光器输出。

3.根据权利要求1所述的单纵模光参量振荡放大器，其特征在于，所述环形腔的镜子M1输入供OPO使用的这部分泵浦光，透射到镜子M1和镜子M2之间的非线性晶体1上；非线性晶体1由步进马达1控制，产生信号光和闲散光；镜子M2反射泵浦光和部分信号光、闲散光到镜子M2和镜子M3之间的非线性晶体2上，透射部分信号光、闲散光到楔形镜上；非线性晶体2由步进马达2控制，将泵浦光转换为信号光和闲散光；镜子M3透射泵浦光和闲散光，反射信号光到镜子M4；镜子M4反射信号光到镜子M1。

4.根据权利要求3所述的单纵模光参量振荡放大器，其特征在于，所述镜子M2的光学参数为：入光面对泵浦光的反射率大于99％，透射率小于1％；对信号光的反射率为40％±10％，透射率为60％±10％；对闲散光的反射率小于40％，透射率大于60％；出光面镀信号光的防反膜；

所述镜子M1，M3，M4的光学参数为：入光面对泵浦光的反射率大于80％，透射率小于20％；对信号光的反射率大于99％，透射率小于1％；对闲散光的反射率小于40％，透射率大于60％；出光面镀泵浦光的防反膜。

5.根据权利要求3所述的单纵模光参量振荡放大器，其特征在于，所述镜子M3透射的泵浦光和闲散光由废光吸收器吸收。

6.一种单纵模光参量振荡放大器的自动锁定方法，其特征在于，包括以下步骤：

延时产生器触发中央电脑扫描压电陶瓷电压；

7.根据权利要求6所述的单纵模光参量振荡放大器的自动锁定方法，其特征在于，所述种子光为单纵模光。

8.根据权利要求6所述的单纵模光参量振荡放大器的自动锁定方法，其特征在于，所述中央电脑扫描压电陶瓷电压的扫描频率与泵浦光的频率相同。