CN103872564A - 一种紧凑化宽调谐中红外内腔光参量振荡器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种紧凑化宽调谐中红外内腔光参量振荡器的技术方案，该方案通过将泵浦激光增益模块与OPO系统一体化设计与集成，并简化的OPO谐振腔的结构，能够解决目前外腔OPO体积过大、系统过于复杂、电光效率偏低等问题，以及目前内腔OPO波长调谐范围有限、阈值过高、转换效率较低等问题。
Description
技术领域
本发明涉及的是激光器技术，尤其是一种紧凑化宽调谐中红外内腔光参量振荡器。
背景技术
在现有技术中，高功率、宽调谐、结构紧凑的中红外固体激光在光电对抗、大气监测、太赫兹场产生、自由空间光通信等诸多领域具有迫切的应用需求。而基于频率变换的光参量振荡技术（OPO）是产生3-5μm波段中红外激光的有效途径之一。
OPO系统通常由泵浦激光源、耦合隔离系统、非线性晶体和腔镜组成。为了解决外腔OPO体积过大、系统过于复杂、电光效率偏低等问题，提出了一种紧凑化的内腔OPO技术，通过非线性晶体参数的变化以及OPO谐振腔的设计，可以实现覆盖1~5μm的近红外和中红外波长调谐。
由于受到腔内OPO谐振模式的限制，通常需要选择通光口径大的非线性晶体作为波长变换的器件，例如KTP晶体等。但基于这类晶体的内腔OPO的波长调谐范围有限，而且非线性极化系数小、走离效应、长波吸收等难以克服的问题使得整个系统的效率偏低。
近年来，随着生长工艺的进步，一些大通光口径、高非线性极化系数、通光范围宽、无走离效应的新型非线性晶体逐渐成熟，将其应用于内腔OPO中，可以实现覆盖整个近红外和中红外波段的波长调谐，以及低阈值、高效率运行。结构紧凑、功率指标满足应用需求的小型化中红外固体激光器具有巨大的发展潜力。
发明内容
本发明的目的，就是针对现有技术所存在的不足，而提供一种紧凑化宽调谐中红外内腔光参量振荡器的技术方案，该方案能够解决目前外腔OPO体积过大、系统过于复杂、电光效率偏低等问题，以及目前内腔OPO波长调谐范围有限、阈值过高、转换效率较低等问题。
本方案是通过如下技术措施来实现的：一种紧凑化宽调谐中红外内腔光参量振荡器，包括有安装在整机外壳内的反射镜、Q开关、OPO谐振腔、泵浦激光增益模块、电源系统接口和温控系统接口；泵浦激光增益模块设置在OPO谐振腔和Q开关之间； Q开关设置在反射镜和泵浦激光增益模块之间；整机外壳上固定设置有电源系统接口和温控系统接口。
作为本方案的优选：OPO谐振腔内设置有OPO反射镜、OPO输出镜和非线性晶体；非线形晶体设置于OPO反射镜和OPO输出镜之间； OPO反射镜设置谐振腔内于靠近泵浦激光增益模块的一侧。
本方案的有益效果可根据对上述方案的叙述得知，由于在该方案中泵浦激光增益模块与OPO系统一体化设计与集成，采用内腔OPO结构，避免了外腔OPO中复杂的耦合隔离系统，结构简单紧凑，体积小、重量轻；激光器元器件较少，仅由三块腔镜、一个泵浦激光增益模块、一个Q开关和一个非线性晶体组成，安装、调节和维护容易，激光器系统具有较好的可靠性、稳定性和环境适应性，适用于一些复杂环境平台的应用；利用腔内高平均功率密度的泵浦激光，获取较高的增益转换，实现较高的OPO效率；内腔OPO波长调谐范围宽，可以设计非线性晶体的参数，以及更换泵浦增益模块，实现整个近红外、中红外，甚至远红外的波长调谐；激光器仅需要外接电控和温控系统就能正常运行，易于整个系统的集成化和小型化，提高整个系统的可移动性。
由此可见，本发明与现有技术相比，具有突出的实质性特点和显著地进步，其实施的有益效果也是显而易见的。
附图说明
图1为本发明具体实施方式的结构示意图。
图中，1为反射镜，2为Q开关，3为OPO谐振腔，4为非线性晶体，5为OPO输出镜，6为OPO反射镜，7为泵浦激光增益模块，8为电源系统接口，9为温控系统接口，10为整机外壳。
具体实施方式
为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过一个具体实施方式，并结合其附图，对本方案进行阐述。
通过附图可以看出，本方案包括有安装在整机外壳内的反射镜、Q开关、OPO谐振腔、泵浦激光增益模块、电源系统接口和温控系统接口；泵浦激光增益模块设置在OPO谐振腔和Q开关之间；Q开关设置在反射镜和泵浦激光增益模块之间；整机外壳上固定设置有电源系统接口和温控系统接口。OPO谐振腔内设置有OPO反射镜、OPO输出镜和非线性晶体；非线形晶体设置于OPO反射镜和OPO输出镜之间；OPO反射镜设置谐振腔内于靠近泵浦激光增益模块的一侧。
泵浦激光谐振腔由反射镜、Q开关、泵浦激光增益模块、OPO输出镜组成，对泵浦激光增益模块进行抽运，在Q开关作用下，形成脉冲泵浦激光。OPO反射镜对脉冲泵浦激光具有高透射率，透过的脉冲泵浦激光在通过非线性晶体时，发生频率下转换，生产近红外信号光和中红外闲频光，OPO输出镜对生成的参量光部分透过，而对脉冲泵浦激光具有很高的反射率，因此OPO腔内有很高的泵浦功率密度，可获得高功率中红外激光输出。
本发明的具体实施例：
具体实施方式一：
泵浦激光增益模块7采用808nm侧泵浦的Nd掺杂的固体激光器（如Nd:YAG、Nd:YVO4、Nd:YLF等），Q开关2采用1mm的声光Q开关，可以实现1~10kHz的重复频率调谐，非线性晶体4采用大通光口径的PPLN晶体（Periodically Poled Lithium Niobate，周期极化铌酸锂），反射镜1对1mm激光具有高反射率，OPO反射镜6对1mm激光具有高透射率，对近红外信号光和中红外闲频光具有高反射率，OPO输出镜5对1mm激光具有高反射率，对近红外信号光和中红外闲频光的其中一种激光具有高透射率，另一种激光具有部分反射，或对两种激光均具有部分反射。若OPO输出镜5对1mm激光具有高反射率，对近红外信号光具有高透射率，对中红外闲频光具有部分反射，即构成闲频光单谐振OPO。若OPO输出镜5对1mm激光具有高反射率，对近红外信号光具有部分反射，对中红外闲频光具有高透射率，即构成信号光单谐振OPO。若OPO输出镜5对1mm激光具有高反射率，对近红外信号光和中红外闲频光均具有部分反射，即构成双谐振OPO。
通过设计PPLN晶体的极化周期（单周期、多周期、扇形周期、混合周期）、入射角度和工作温度（通常室温到200℃）等，在满足相位匹配条件和PPLN吸收截止波段内，可以实现1~4mm附近的连续高精度调谐，并且有望实现多波段（≥2）甚至超连续谱的中红外激光输出。
系统集成后，整机外壳10的体积可以控制在150mm×150mm×300mm以内，双波段输出功率达到数十瓦。
具体实施方式二：
结合图1说明本实施方式，本实施方式与实施方式一所述的区别在于，泵浦激光增益模块7产生的泵浦激光的波长为1.319mm，相应的Q开关2采用1.319mm的声光Q开关，反射镜1、OPO输出镜5、OPO反射镜6，以及非线性晶体4的PPLN晶体参数也随着改变，以满足OPO的相位匹配条件。
具体实施方式三：
结合图1说明本实施方式，本实施方式与实施方式一所述的区别在于，非线性晶体4采用两块大通光口径的KTP晶体，已进行双折射相位匹配的走离效应补偿。通过设计KTP晶体的切割角度等参数，可以实现输出波长的调谐。反射镜1、OPO输出镜5、OPO反射镜6参数也随着改变，以满足OPO的相位匹配条件。
具体实施方式四：
结合图1说明本实施方式，本实施方式与实施方式一所述的区别在于，泵浦激光增益模块7不是采用侧泵浦结构，而采用端泵浦结构。将808nm的LD通过光纤耦合输出后，经反射镜1泵浦Nd:YAG增益介质，反射镜1对1.064mm激光具有高反射率，对808nm激光具有高透射率。泵浦激光增益模块7不再采用棒状结构，而采用块状结构。
具体实施方式五：
结合图1说明本实施方式，本实施方式与实施方式四所述的区别在于，泵浦激光增益模块7产生的泵浦激光的波长为1.319mm，相应的Q开关2采用1.319mm的声光Q开关，反射镜1、OPO输出镜5、OPO反射镜6，以及非线性晶体4的PPLN晶体参数也随着改变，以满足OPO的相位匹配条件。
具体实施方式六：
结合图1说明本实施方式，本实施方式与实施方式四所述的区别在于，泵浦激光增益模块7选择792nm的LD泵浦的Tm:YLF块状增益模块，产生1.91mm附近的泵浦激光，再内腔泵浦PPLN OPO。相应的Q开关2采用1.91mm的声光Q开关，反射镜1对1.91mm激光具有高反射率，对792nm激光具有高透射率。OPO反射镜6对1.91mm激光具有高透射率，对近红外信号光和中红外闲频光具有高反射率，对792nm激光具有高反射率，OPO输出镜5对1.91mm激光具有高反射率，对近红外信号光和中红外闲频光的其中一种激光具有高透射率，另一种激光具有部分反射，或对两种激光均具有部分反射。
具体实施方式七：
结合图1说明本实施方式，本实施方式与实施方式四所述的区别在于，泵浦激光增益模块7选择792nm的LD泵浦的Tm,Ho块状增益模块，产生2.0mm附近的泵浦激光，再内腔泵浦PPLN OPO。相应的Q开关2采用2.0mm的声光Q开关，反射镜1对2.0mm激光具有高反射率，对792nm激光具有高透射率。OPO反射镜6对2.0mm激光具有高透射率，对近红外信号光和中红外闲频光具有高反射率，对792nm激光具有高反射率，OPO输出镜5对2.0mm激光具有高反射率，对近红外信号光和中红外闲频光的其中一种激光具有高透射率，另一种激光具有部分反射，或对两种激光均具有部分反射。
具体实施方式八：
结合图1说明本实施方式，本实施方式与实施方式七所述的区别在于，非线性晶体选择ZGP晶体（ZnGeP2，磷锗锌）。反射镜1对2.0mm激光具有高反射率，对792nm激光具有高透射率。OPO反射镜6对2.0mm激光具有高透射率，对4mm附近的激光具有高反射率，对792nm激光具有高反射率，OPO输出镜5对2.0mm激光具有高反射率，对4mm附近的激光具有部分反射率。通过改变ZGP晶体的角度，可以实现输出波长的调谐。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
Claims (2)
1.一种紧凑化宽调谐中红外内腔光参量振荡器，其特征是：包括有安装在整机外壳内的反射镜、Q开关、OPO谐振腔、泵浦激光增益模块、电源系统接口和温控系统接口；所述泵浦激光增益模块设置在OPO谐振腔和Q开关之间；所述Q开关设置在反射镜和泵浦激光增益模块之间；所述整机外壳上固定设置有电源系统接口和温控系统接口。
2. 根据权利要求1所述的一种紧凑化宽调谐中红外内腔光参量振荡器，其特征是：所述OPO谐振腔内设置有OPO反射镜、OPO输出镜和非线性晶体；所述非线形晶体设置于OPO反射镜和OPO输出镜之间；所述OPO反射镜设置谐振腔内于靠近泵浦激光增益模块的一侧。
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