CN103633544A

CN103633544A - 基于多通道光学超晶格的多波长可调谐激光器

Info

Publication number: CN103633544A
Application number: CN201310625979.7A
Authority: CN
Inventors: 宁建; 张百涛; 刘善德; 何京良; 赵刚; 吕新杰
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Precilasers Co ltd
Priority date: 2013-11-28
Filing date: 2013-11-28
Publication date: 2014-03-12
Anticipated expiration: 2033-11-28
Also published as: CN103633544B

Abstract

基于多通道光学超晶格的多波长可调谐激光器，属非线性激光技术领域，包括泵浦源激光器、光束整形系统等，该激光器是通过将泵浦源出射的光偏振分束为多束偏振光，分束后的多束偏振光进行转换聚焦后，共同入射到多通道光参量谐振腔中，产生多波长可调谐的中红外相干光。本发明可以有效地提高泵浦光的能量利用率，且可以同时产生多波长相干光，具体的波长的数量取决于偏振分束的光束数量与一块光学超晶格晶体上的通道数数量，波长的范围和具体数值取决于泵浦光和光学超晶格的周期，这些共同输出的波长可同时进行温度调谐。

Description

基于多通道光学超晶格的多波长可调谐激光器

技术领域

本发明涉及激光和非线性光学频率变换技术领域，具体涉及一种基于多通道光学超晶格的多波长可调谐激光器。

背景技术

3～5μm波段激光是大气传播的一个窗口，对大雾、烟尘等具有较强的穿透力，在海平面上传输受到气体分子吸收和悬浮物散射小。而且研究表明，许多重要碳氢气体及其它有毒气体分子（如CH₄，C₂H₄，CO，NH₃，NO_x，SO_x等）在该波段存在强烈的基带吸收，其吸收强度比在近红外波段高2～3个数量级。此基带吸收可反应气体的本征谱学性质，具有指纹特征。并且许多雷达在该波段也具有很强的吸收特性，此波段在光电对抗等军事领域也具有重要应用。由于中红外激光在大气遥感探测、分子和固态光谱、临床诊断、光电对抗等具有非常重要的应用，近年来得到了广泛关注，其中双波长或多波长同时输出的可调谐中红外激光器成为研究热点。

中红外波段相干光源可以通过Ho³⁺、Er³⁺、Tm³⁺、Dy³⁺等稀土离子发射直接产生。但对于适合于上述激活离子的氧化物和氟化物玻璃或晶体基体，由于其声子能量较高，掺杂的稀土离子在中红外区域的能级结构复杂，无辐射跃迁几率较大，导致发光效率很低，而且通过激光工作物质直接产生的波段目前被限制在3μm以下。对1.5～5μm波段其它激光器，虽然中红外铅盐激光器和半导体量子级联激光器已经有产品，但是这些激光器的输出功率较低，调谐范围较窄，光束质量较差，有的还需在低温下工作，在远距离遥感探测和光电对抗等领域限制了其应用。从技术上来说，一种可行的解决办法是利用非线性晶体的光参量振荡（OPO），将技术上十分成熟的1μm波段固体激光转换成覆盖1.5～5μm波段光源，从而实现中红外固体相干辐射出。

目前，利用ZnGeP和AsGaS等非线性材料的光参量振荡是可以获得3-5μm固体中红外大功率激光。但是这些晶体生长困难，外国对我们实行禁运，目前国内还难以得到高质量的晶体，更重要的是由于2μm存在着很强的吸收，不能使用以下常用的近红外激光泵浦。光学超晶格材料（如周期极化铌酸锂（PPLN）、钽酸锂（PPLT）晶体）具有非线性系数大、调谐范围宽、波长调谐方式多样化和结构紧凑等优点，将其应用到中红外光参量振荡技术中，可实现宽调谐、窄线宽、高功率的中红外激光输出，是中红外大功率激光器件的最佳选择。1997年美国Aculight公司首次推出脉冲超晶格OPO产品，德国ELS公司于2004年报道了连续单频中红外OPO(2～5μm)(Spectro Star),在2.954μm最大功率3W。近期，英国Conversion公司推出了波长可调的中红外激光器SSOPO系列，波长覆盖1400-4150nm。国内对中红外OPO研究起步较晚，仅限于实验室水平，没有产品。中科院物理所于2004年用超晶格OPO在3.14μm输出466mW，浙江大学于2007年利用超晶格OPO实现了信号光和闲频光总输出4.8W，南京大学利用超晶格OPO实现了信号光和闲频光总输出超过4.2W,闲频光可调谐范围超过200nm。中国工程物理研究院于2008年利用超晶格OPO实现了11.2W的中红外输出。基于PPLT或PPLN的光参量振荡器大多都采用温度调谐的方式对其输出波长进行调节，对于一个固定的周期（通道），其温度调谐的范围有限。因此要获得更宽的调谐范围需要在一块晶体中极化形成不同的周期，通过调节不同的周期来扩大波长调谐的范围。然而，截至目前，尚未有超晶格晶体材料多通道同时OPO输出多波长中红外激光的报道。另外，在基于PPLT或PPLN晶体的OPO需采用偏振光进行泵浦，而当使用一些非偏振的光纤激光器或YAG等固体激光器时就会有一半的能量得不到利用，造成很大程度的浪费。

发明内容

本发明针对上述背景技术的不足，提供了一种充分利用泵浦光能量的基于多通道光学超晶格的多波长可调谐激光器。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于多通道光学超晶格的多波长可调谐激光器，包括泵浦源激光器、光束整形系统、偏振分束系统、多个偏振转换及光束聚焦系统、光束集合系统、多通道光参量谐振腔，其特征在于泵浦源激光器位于光束整形系统之前，偏振分束系统位于光束整形系统之后，经偏振分束系统后能将来自泵浦源激光器的激光分为多路光束，其一路光路中放置偏振转换及光束聚焦系统D2，其它路光路中分别放置偏振转换及光束聚焦系统D1、D3、……Dn和光束集合系统，多路光路输出端均置于多通道光参量谐振腔的前面，经多通道光参量谐振腔输出激光，其中：光束整形系统是由顺序放置的两个整形透镜组成；偏振分束系统由二分之一波片、偏振分束器和45°反射镜顺序放置而成，偏振分束器将经过二分之一波片的激光束分为多路光束，一路直接进入放置偏振转换及光束聚焦系统D2，另外的光束经45°反射镜后分别进入偏振转换及光束聚焦系统D1、D3、……Dn中；偏振转换及光束聚焦系统D1、D2、……Dn各自包括二分之一波片、光隔离器、二分之一波片、光程延迟片及聚焦透镜，上述光学器件沿光路顺序放置；光束集合系统由2*(n-1)个45°反射镜组成，n为光束的数量，其中每两个45°反射镜构成一组被平行放置于一个光路中且两个45°反射镜跟光路呈45°角，从而组成(n-1)个光路通道，分别和偏振转换及光束聚焦系统D1、D3、……Dn的输出端连接，能改变光束空间上分离的距离，从而能使分离的多路光束同时入射到谐振腔里的光学超晶格的多个通道中，实现多通道多波长的同时振荡；多通道光参量谐振腔由输入镜和OPO输出镜组成，光学超晶格放置在谐振腔中间。

所述的泵浦源激光器是脉冲式或连续式的，选用光纤激光器、全固态激光器半导体激光器、气体激光器、染料激光器或是灯泵激光器中的一种。

所述的光学超晶格为周期性极化的非线性晶体，如PPLN、PPLT、PPKTP或PPKDP晶体中的一种。

上述输入镜和输出镜在采用OPO时，为OPO输入镜和OPO输出镜，输入镜和输出镜的曲率及镀膜情况可以根据需求更改，在一些特殊场合，也可采用多个镜子组成的折叠腔的结构；也可采用OPG，在采用OPG时，则不需要输入镜和输出镜。

上述偏振分束系统和偏振转换及光束聚焦系统D1、D2……Dn的结构可以相互融合交换，以两路光束为例，其中偏振分束系统由三个二分之一波片、偏振分束器、45°反射镜和两个光隔离器组成，偏振分束器位于二分之一波片之后，经二分之一波片的激光束分为两路光路，一路光路后面顺序放置二分之一波片和光隔离器而后直接进入放置偏振转换及光束聚焦系统D2，另一路后面顺序放置二分之一波片、45°反射镜和光隔离器，而后进入放置偏振转换及光束聚焦系统D1；偏振转换及光束聚焦系统D1、D2各自由二分之一波片、光程延迟片及聚焦透镜顺序放置而成。

本发明所述泵浦源激光器的输出光进入光束整形系统进行光束整形；偏振分束系统将整形后的泵浦光分离成不同光束分别导入不同的偏振转换及光束聚焦系统，而在光束集合系统中将所有的光束整合到一起入射到多通道光参量谐振腔。

所述光束整形系统可以实现将泵浦源发生器的光斑转化为所需的大小，可以采用各种商用或自制的变换系统，且为非必要器件。

所述偏振分束系统采用一级或多级偏振分束器（PBS）将经过变换后的光束均等或不均等的分为两束或多束偏振光，其中的二分之一波片根据入射光偏振状态和出射光束路数的要求做适量的删减。偏振分束系统在不包含隔离部分时主要采用二分之一波片和偏振分束器将泵浦光分成多束，根据所需光束路数的多少，在需要两路光束时，只需使用一级分束装置，更多路光束的光时则需使用两级或更多级的分束装置。其中一级分束装置仅需使用一个二分之一波片（如图1中的4）、一个偏振分束器（如图1中的5）和一个45°反射镜（如图1中的6），需两级分束为三束光时则需二个二分之一波片（如图4中的4和25）、二个偏振分束器（如图4中的5和26）和二个45°反射镜（如图4中的6和27），同理，需要跟多级的分束装置时即需要更多个二分之一波片、偏振分束器和45°反射镜；若偏振分束系统（C）中包含隔离部分，则需要在第一级分束后的每一束光的光路中加入一个由二分之一波片（如图3中的7或12）和光隔离器（如图3中的8或13）组成的光隔离系统。

所述基于多通道光学超晶格的多波长可调谐激光器中，偏振转换及光束聚焦系统实现泵浦光的单向隔离，且最终将光束的偏振态转换至泵浦光学超晶格晶体的匹配方向上，其内部器件的位置相对灵活。偏振转换及光束聚焦系统在不包含隔离部分时包括二分之一波片（如图3中的9、14或28）、光程延迟片（如图3中的10、15或29）和聚焦透镜（如图3中的11、16或30）；在包含光隔离部分时在每一束光的偏振转换及光束聚焦系统中需加入一个由二分之一波片（如图4中的7、12或33）和光隔离器（如图4中的8、13或34）组成的光隔离系统；光程延迟片为非必要器件，在连续泵浦和一些要求不严格的场合可以省略。

所述基于多通道光学超晶格的多波长可调谐激光器中，光束集合系统是改变光束空间上分离的距离，从而能使所有的光束同时入射到光学超晶格晶体的多个通道中，实现多通道多波长的同时振荡。主要是由2*(n-1)个45°反射镜组成，其中n为光束的数量。

所述基于多通道光学超晶格的多波长可调谐激光器中，多通道光参量谐振腔可采用平平腔、平凹腔甚至折叠腔结构，保证泵浦光斑与振荡光斑的模式匹配；非线性晶体采用多通道的光学超晶格晶体，放置在温度可以控制的温控炉中。

所述基于多通道光学超晶格的多波长可调谐激光器中，可以通过改变多通道光参量谐振腔输出镜的镀膜情况，实现多波长中红外激光同时输出。

本发明的有益效果如下：

本发明在使用非偏振泵浦光时可以有效地提高能量利用率，输出更高功率的中红外激光，同时可以获得多波长的相干光，且可同时调谐，满足一些特殊的应用需求。

附图说明

图1是本发明激光器实施例1的结构示意图，其所示为利用两个通道的双波长或四波长可调谐中红外激光器，其中光隔离器处在偏振转换及光束聚焦系统内；

图2是本发明激光器实施例2的结构示意图，其所示为利用两个通道的双波长或四波长可调谐中红外激光器，其中光隔离器处在偏振分束系统内；

图3是本发明可调谐激光器实施例3的结构示意图，其所示为利用三个通道的多波长可调谐中红外激光器，其中光隔离器处在偏振分束系统内；

图4是是本发明可调谐激光器实施例4的结构示意图，其所示为利用三个通道的多波长可调谐中红外激光器，其中光隔离器处在偏振转换及光束聚焦系统内；

其中图1-4中各元件表示如下：A-泵浦源激光器；B-光束整形系统；C-偏振分束系统；D1、D2-偏振转换及光束聚焦系统；E-光束集合系统；F-多通道光参量谐振腔：其中1-泵浦源激光器；2-整形透镜；3-整形透镜；4-二分之一波片；5-偏振分束器；6-45°反射镜；7-二分之一波片；8-光隔离器；9-二分之一波片；10-光程延迟片；11-聚焦透镜；12-二分之一波片；13-光隔离器；14-二分之一波片；15-光程延迟片；16-聚焦透镜；17-45°反射镜；18-45°反射镜；19-OPO输入镜；20-周期性极化的非线性晶体；21-OPO输出镜；25-二分之一波片；26-偏振分束器；27-45°反射镜；28-二分之一波片；29-光程延迟片；30-聚焦透镜；31-45°反射镜；32-45°反射镜；33-二分之一波片；34-光隔离器。

图5是本发明激光器中光学超晶格选取未掺杂MgO的PPSLT晶体，在160℃下双波长（信号光）同时输出时的光谱图。

图6本发明激光器中光学超晶格选取未掺杂MgO的PPSLT晶体，在190℃下双波长（信号光）同时输出时的光谱图。

图7表示在光学超晶格选取未掺杂MgO的PPSLT晶体时两个不同周期的通道同时进行温度调谐（四波长同时输出）时周期为30.0μm的通道信号光和闲频光的调谐曲线。

图8表示在光学超晶格选取未掺杂MgO的PPSLT晶体时两个不同周期的通道同时进行温度调谐（四波长同时输出）时周期为30.5μm的通道信号光和闲频光的调谐曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不限于此。

实施例1：

本发明实施例1如图1所示，一种基于多通道光学超晶格的多波长可调谐激光器，包括泵浦源激光器A、光束整形系统B、偏振分束系统C、两个偏振转换及光束聚焦系统D1和D2、光束集合系统E、多通道光参量谐振腔F，其特征在于泵浦源激光器A位于光束整形系统B之前，偏振分束系统C位于光束整形系统B之后，经偏振分束系统C后能将来自泵浦源激光器A的激光分为两路光束，其一路光路中放置偏振转换及光束聚焦系统D1，另一路光路中放置偏振转换及光束聚焦系统D2和光束集合系统E，两路光路输出端均置于多通道光参量谐振腔F的前面，经多通道光参量谐振腔F输出激光，其中：光束整形系统B是由顺序放置的两个整形透镜2和3组成；偏振分束系统C由二分之一波片4、偏振分束器5和45°反射镜6顺序放置而成，偏振分束器C将经过二分之一波片4的激光束分为两路光束，一路直接进入放置偏振转换及光束聚焦系统D2，另一光束经45°反射镜6后进入放置偏振转换及光束聚焦系统D1；偏振转换及光束聚焦系统D1、D2各自包括二分之一波片7和12、光隔离器8和13、二分之一波片9和14、光程延迟片10和15及聚焦透镜11和16，上述光学器件沿光路顺序放置；光束集合系统E由两个45°反射镜17和18构成被平行放置于光路中且两个45°反射镜17和18跟光路呈45°角，能改变直接进入D2的一路光束的空间上分离的距离，从而能使分离的两路光束同时入射到谐振腔F里的光学超晶格20的两个通道中，实现两通道多波长的同时振荡；多通道光参量谐振腔由OPO输入镜19和OPO输出镜21组成，谐振腔中间放置光学超晶格20。

所述的泵浦源激光器A是脉冲式光纤激光器。

所述的光学超晶格20为周期性极化的未掺MgO的PPSLT晶体。

实施例2：

如图2所示，包括泵浦源激光器A、光束整形系统B、偏振分束系统C、两个偏振转换及光束聚焦系统D1和D2、光束集合系统E、多通道光参量谐振腔F，其特征在于泵浦源激光器A位于光束整形系统B之前，偏振分束系统C位于光束整形系统B之后，经偏振分束系统C后能将来自泵浦源激光器A的激光分为两路光束，其一路光路中放置偏振转换及光束聚焦系统D1，另一路光路中放置偏振转换及光束聚焦系统D2和光束集合系统E，两路光路输出端均置于多通道光参量谐振腔F的前面，经多通道光参量谐振腔F输出激光，其中：光束整形系统B是由顺序放置的两个整形透镜2和3组成；偏振分束系统C由二分之一波片4、偏振分束器5、二分之一波片7和12、45°反射镜6和光隔离器8和13顺序放置而成，偏振分束器C将经过二分之一波片4的激光束分为多路光束，一路经过二分之一波片12和光隔离器13后直接进入放置偏振转换及光束聚焦系统D2，另一光束经二分之一波片7、45°反射镜和光隔离器8后进入放置偏振转换及光束聚焦系统D1；偏振转换及光束聚焦系统D1、D2各自包括二分之一波片9和14、光程延迟片10和15及聚焦透镜11和16，上述光学器件沿光路顺序放置；光束集合系统E由两个45°反射镜17和18构成被平行放置于光路中且两个45°反射镜17和18跟光路呈45°角，能改变光束空间上分离的距离，从而能使分离的两路光束同时入射到谐振腔F里的晶体20的两个通道中，实现两通道多波长的同时振荡；多通道光参量谐振腔由OPO输入镜19和OPO输出镜21组成，谐振腔中间放置光学超晶格20。

所述的泵浦源激光器A是全固态单频激光器。

所述的光学超晶格20为周期性极化的掺MgO的PPLN晶体。

与实施例1的不同在于将二分之一波片7和12和隔离器8和13前移至偏振分束系统C。

实施例3：

本发明实施例3如图3所示，包括泵浦源激光器A、光束整形系统B、偏振分束系统C、三个偏振转换及光束聚焦系统D1、D2和D3、光束集合系统E、多通道光参量谐振腔F，其特征在于泵浦源激光器A位于光束整形系统B之前，偏振分束系统C位于光束整形系统B之后，经偏振分束系统C后能将来自泵浦源激光器A的激光分为3路光束，其中一路光路是经偏振分束系统C中的二分之一波片4、偏振分束器5、二分之一波片7、光隔离器8、45°反射镜6、二分之一波片25、偏振分束器26和45°反射镜27形成的，第二路光路是经由二分之一波片4、偏振分束器5、二分之一波片7、光隔离器8、45°反射镜6、二分之一波片25和偏振分束器26形成的，第三路光路是经由二分之一波片4、偏振分束器5、二分之一波片12和光隔离器13形成的；三路光路分别进入位于偏振分束系统C之后的三个偏振转换及光束聚焦系统D1、D2和D3，D1、D2和D3各自包括二分之一波片9、28和14、光程延迟片10、29和15及聚焦透镜11、30和16，其位于光束集合系统E及处于后面的多通道光参量谐振腔F之前，第一路光束经光束集合系统E中的45°反射镜31和32后入射到谐振腔F之前，第三路光束经光束集合系统E中的45°反射镜17和18后入射到多通道光参量谐振腔F之前，第二路光束直接入射到多通道光参量谐振腔F之前，三路光束同时入射到多通道光参量谐振腔F里的光学超晶格20的3个通道中，实现3通道多波长的同时振荡；多通道光参量谐振腔F由OPO输入镜19和OPO输出镜21组成，谐振腔中间放置光学超晶格20。

所述的泵浦源激光器A是灯泵激光器。

所述的光学超晶格20为周期性极化的掺MgO的PPLT晶体。

实施例4：

本发明实施例4如图4所示，包括泵浦源激光器A、光束整形系统B、偏振分束系统C、三个偏振转换及光束聚焦系统D1、D2和D3、光束集合系统E、多通道光参量谐振腔F，其特征在于泵浦源激光器A位于光束整形系统B之前，偏振分束系统C位于光束整形系统B之后，经偏振分束系统C后能将来自泵浦源激光器A的激光分为3路光束，其中一路光路是经偏振分束系统C中的二分之一波片4、偏振分束器5、45°反射镜6、二分之一波片25、偏振分束器26和45°反射镜27形成的，第二路光路是经由二分之一波片4、偏振分束器5、45°反射镜6、二分之一波片25和偏振分束器26形成的，第三路光路是经由二分之一波片4和偏振分束器5和形成的；三路光路分别进入位于偏振分束系统C之后的三个偏振转换及光束聚焦系统D1、D2和D3，D1、D2和D3各自包括二分之一波片7、12和33、光隔离器8、13和34、二分之一波片9、14和28、光程延迟片10、15和29及聚焦透镜11、16和30，其位于光束集合系统E及处于后面的多通道光参量谐振腔F之前，第一路光束经光束集合系统E中的45°反射镜31和32后入射到谐振腔F之前，第三路光束经光束集合系统E中的45°反射镜17和18后入射到多通道光参量谐振腔F之前，第二路光束直接入射到多通道光参量谐振腔F之前，三路光束同时入射到多通道光参量谐振腔F里的光学超晶格20的3个通道中，实现3通道多波长的同时振荡；多通道光参量谐振腔F由OPO输入镜19和OPO输出镜21组成，谐振腔中间放置光学超晶格20

所述的泵浦源激光器A是全固态脉冲激光器。

所述的光学超晶格20为周期性极化的未掺MgO的PPLN晶体。

Claims

1.一种基于多通道光学超晶格的多波长可调谐激光器，包括泵浦源激光器、光束整形系统、偏振分束系统、多个偏振转换及光束聚焦系统、光束集合系统、多通道光参量谐振腔，其特征在于泵浦源激光器位于光束整形系统之前，偏振分束系统位于光束整形系统之后，经偏振分束系统后能将来自泵浦源激光器的激光分为多路光束，其一路光路中放置偏振转换及光束聚焦系统D2，其它路光路中分别放置偏振转换及光束聚焦系统D1、D3、……Dn和光束集合系统，多路光路输出端均置于多通道光参量谐振腔的前面，经多通道光参量谐振腔输出激光，其中：光束整形系统是由顺序放置的两个整形透镜组成；偏振分束系统由二分之一波片、偏振分束器和45°反射镜顺序放置而成，偏振分束器将经过二分之一波片的激光束分为多路光束，一路直接进入放置偏振转换及光束聚焦系统D2，另外的光束经45°反射镜后分别进入偏振转换及光束聚焦系统D1、D3、……Dn中；偏振转换及光束聚焦系统D1、D2、……Dn各自包括二分之一波片、光隔离器、二分之一波片、光程延迟片及聚焦透镜，上述光学器件沿光路顺序放置；光束集合系统由2*(n-1)个45°反射镜组成，n为光束的数量，其中每两个45°反射镜构成一组被平行放置于一个光路中且两个45°反射镜跟光路呈45°角，从而组成(n-1)个光路通道，分别和偏振转换及光束聚焦系统D1、D3、……Dn的输出端连接，能改变光束空间上分离的距离，从而能使分离的多路光束同时入射到谐振腔里的光学超晶格的多个通道中，实现多通道多波长的同时振荡；多通道光参量谐振腔由输入镜和OPO输出镜组成，光学超晶格放置在谐振腔中间。

2.如权利要求1所述的一种基于多通道光学超晶格的多波长可调谐激光器，其特征在于所述的泵浦源激光器是脉冲式或连续式的，选用光纤激光器、全固态激光器半导体激光器、气体激光器、染料激光器或是灯泵激光器中的一种。

3.如权利要求1所述的一种基于多通道光学超晶格的多波长可调谐激光器，其特征在于所述的光学超晶格为周期性极化的非线性晶体，如PPLN、PPLT、PPKTP或PPKDP晶体中的一种。