CN104300355A

CN104300355A - 一种基于硅酸镓镧晶体的光参量振荡激光器

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Publication number: CN104300355A
Application number: CN201410620704.9A
Authority: CN
Inventors: 于浩海; 路大治; 王继扬; 张怀金
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2014-11-06
Filing date: 2014-11-06
Publication date: 2015-01-21
Anticipated expiration: 2034-11-06
Also published as: CN104300355B

Abstract

本发明涉及一种基于硅酸镓镧晶体的光参量振荡激光器。该光参量振荡激光器依次包括激励源、输入镜、LGS晶体和输出镜；所述LGS晶体沿其光参量振荡的相位匹配方向进行切割，通光面镀以对激励光、信频光和闲频光高透过的介质膜，激励源是全固态脉冲激光器；输入镜两个通光面镀以对激励光高透过且对信频光和闲频光高反射的介质膜，输出镜镀以对信频光高反射且对闲频光部分透过的介质膜。本发明利用LGS晶体作为非线性介质，实现1.51μm-3.59μm光参量振荡激光输出，可输出能量高、结构简单、透过范围连续可调。

Description

一种基于硅酸镓镧晶体的光参量振荡激光器

技术领域

本发明涉及一种基于硅酸镓镧(La₃Ga₅SiO₁₄，以下简称LGS)晶体的光参量振荡激光器，属于激光技术领域，涉及非线性晶体器件。

背景技术

光参量振荡器(简称OPO)振荡过程是目前产生中远红外激光的重要技术，因其输出波长可在覆盖近红外到中远红外之内的几百纳米范围内连续调谐，已经在众多领域得到了广泛应用。OPO过程是物质对高能量激光的非线性光学响应，因此具有大的非线性系数、双折射适中、光损伤阈值高的晶体是其首选。目前OPO常用晶体为磷酸钛氧铷(简称KTA)和铌酸锂(简称LN)晶体，但KTA晶体生长周期长，LN晶体光损伤阈值低，限制了OPO技术和器件的发展。

硅酸镓镧(简称LGS)晶体是一种性能优良的激光非线性等多功能晶体，具有良好的热稳定性、高的透过率、高的抗损伤阈值(是LN的近10倍)、适中的双折射率以及大的非线性系数，是潜在的激光和非线性光学材料。该类晶体主要用于激光、电光以及压电领域，受限于人们对于LGS晶体的研究局限，迄今为止尚未见有LGS作为非线性晶体在非线性光学的OPO领域的应用和光参量振荡激光器器件方面的报道。

因此对于LGS晶体OPO器件的设计和应用，可以推动OPO技术和器件的发展，并为激光技术的发展提供重要的可用材料。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种基于硅酸镓镧(LGS)晶体的光参量振荡激光器，特别是基于LGS晶体的中红外激光器。

本发明的技术方案如下：

基于硅酸镓镧(LGS)晶体的光参量振荡激光器，沿光路依次包括激励源(1)、输入镜(2)、LGS晶体(3)和输出镜(4)；LGS晶体通光方向为光参量振荡的相位匹配方向，所述激励源(1)是全固态脉冲激光器；所述输入镜(2)两个通光面镀以对激励光高透过且对信频光和闲频光高反射的介质膜，输出镜(4)镀以对信频光高反射且对闲频光部分透过的介质膜；产生1.51μm-3.59μm的中红外激光输出。

所述LGS晶体为光学级单晶体，是沿其光参量振荡的相位匹配方向切割而成，通光方向的两个表面镀膜或不镀膜；所述表面镀膜是在LGS晶体通光面镀以对激励光、信频光和闲频光高透过的介质膜。

根据本发明优选的，所述LGS晶体通光方向与光轴成71.1°-90°夹角。该晶体的光学主轴是Z轴。

所述LGS晶体通光方向的长度为0.5mm-50mm。根据光参量振荡激光器的规格而定。优选的，所述LGS晶体通光方向的长度为10mm-40mm。

所述的输入镜(2)是平面镜或凹面镜，所述输出镜(4)为平面镜或凹面镜，其中，凹面镜的曲率为20mm-1000mm，其凹面面对LGS晶体。

所述的输出镜镀膜是在两个通光面都镀有所述的介质膜。

输入镜和输出镜之间的距离可按现有技术进行计算确定，使其有利于信频光振荡，该计算方法为本领域所熟知。本发明优选，输入镜和输出镜之间距离为1mm-100mm之间。

根据本发明优选的，所述的激励源是产生波长为1.06μm的全固态脉冲激光器，进一步优选激励源是发射波长为1.06μm调Q激光器或1.06μm锁模激光器。例如：激励源为发射波长为1.06μm的Nd:YAG(掺钕钇铝石榴石，Nd³⁺掺杂浓度为1at.％)调Q激光器；或激励源是发射波长为1.06μm的Nd:YVO₄(掺钕钒酸钇晶体，Nd³⁺掺杂浓度为1at.％)锁模激光器。

根据本发明优选的，所述光参量振荡激光器产生1.51μm-3.59μm的中红外激光输出。进一步优选的，所述光参量振荡激光器产生1.51μm、1.85μm、3.26μm、3.59μm的中红外激光输出。

根据本发明优选的，所述镀在LGS晶体通光面对激励光、信频光和闲频光高透过的介质膜选自对1.06μm、1.51μm和3.59μm高透过介质膜，对1.06μm、1.57μm及3.26μm高透过的介质膜和对1.06μm、1.85μm以及2.5μm高透过介质膜。

根据本发明优选的，所述镀在输入镜(2)两个通光面对激励光高透过且对信频光和闲频光高反射的介质膜选自对1.06μm高透过、对1.51μm和3.59μm高反射的介质膜，对1.06μm高透过、对1.57μm和3.26μm高反射的介质膜和对1.06μm高透过、1.85μm和2.5μm高反射的介质膜。

根据本发明优选的，所述镀在输出镜(4)通光面对信频光高反射且对闲频光部分透过的介质膜选自对1.57μm高反射且对3.26μm透过率为80％的介质膜、对3.26μm高反射且对1.57μm透过率为50％的介质膜、对1.51μm高反射和对3.59μm透过率为80％介质膜、对3.59μm高反射和对1.51μm光透过率为50％介质膜。

根据本发明优选的方案之一如下：

1、激励源为发射波长为1.06μm的Nd³⁺掺杂浓度为1at.％的掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)调Q激光器；输入镜为平面镜，且两个通光面上均镀以对1.06μm高透过、对1.57μm和3.26μm高反射的介质膜；LGS晶体通光方向与光轴成79.6°，通光方向晶体长度为30mm，两个通光面抛光并镀以对1.06μm、1.57μm及3.26μm高透过介质膜；输出镜为平面镜，其两个通光面上均镀以1.57μm高反射且对3.26μm透过率为80％的介质膜。输入镜和输出镜之间的距离为50mm。开启激励源并加大泵浦功率至超过其阈值，得到3.26μm中红外OPO激光输出。

2、激励源是发射波长为1.06μm的Nd³⁺掺杂浓度为1at.％的掺钕钒酸钇晶体(Nd:YVO₄)锁模激光器；输入镜为平面镜，输出镜为凹面镜，曲率半径为1000mm；输入镜两个通光面镀以对1.06μm高透过、对1.51μm和3.59μm高反射的介质膜，LGS晶体的通光方向与光轴成90°，通光方向晶体长度为10mm，两个通光面抛光并镀以对1.06μm、1.51μm和3.59μm高透过的介质膜，输出镜两个通光面镀以对1.51μm高反射和对3.59μm光透过率为80％介质膜。开启激励源并加大泵浦功率至超过其阈值，，获得3.59μm中红外OPO激光输出。

根据本发明，通过改变通光方向与光轴的夹角，可以获得连续可调的中红外激光输出。

术语解释：本发明中的“高反射”、“高透过”、“部分反射”具有本领域的公知含义。

上述“高反射”是指对特定波长或波段入射光的反射率大于99％。

上述“高透过”是指对特定波长或波段入射光的透过率大于80％。

上述“部分透过”是指对特定波长或波段入射光的透过率在1％-80％。

有益效果：

本发明以硅酸镓镧(LGS)晶体作为非线性光学介质，形成有效的光参量振荡输出，入射和出射端面与所需的相位匹配方向垂直。本发明利用LGS晶体的OPO非线性光学效应产生1.51μm-3.59μm的中红外激光输出。

本发明的光参量振荡器除了具有可调谐范围宽等优势外，还以LGS晶体作为非线性光学介质产生中红外激光，该LGS晶体材料具有如良好的热稳定性、高的透过率、小的膨胀系数、大的比热、高的抗损伤阈值等性质，因此在高能量密度激光下不易损坏。

本发明的光参量振荡器可输出能量高、结构简单、透过范围连续可调。

本发明的优良效果还在于，本发明的光参量振荡激光器结构简单紧凑，易于装调，体积小成本低，可提供性价比高的中红外激光器。

附图说明

图1为本发明的光参量振荡激光器结构及光路示意图。其中，

1是激励源；2是入射镜，通光端面镀以对激励光5高透过且对信频光6及闲频光7高反射的介质膜；3是LGS晶体，沿相位匹配方向切割，镀有对激励光5、闲频光7以及信频光6高透的介质膜；4是输出镜，镀以对信频光6高反射以及对闲频光7部分透过的介质膜；

5是激励光，6是信频光，7是闲频光，其中箭头方向表示光的传播方向。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例1：

光参量振荡激光器结构如图1所示，由激励源1、输入镜2、LGS晶体3和输出镜4依次沿光路顺序排列组成，其中：激励源1为发射波长为1.06μm的Nd:YAG(掺钕钇铝石榴石，Nd³⁺掺杂浓度为1at.％)调Q激光器；输入镜2为平面镜，且其两个通光面上镀以对1.06μm高透过、对1.57μm和3.26μm高反射的介质膜；LGS晶体3通光方向与光轴成79.6°，通光方向晶体长度为30mm，两个通光面抛光并镀以对1.06μm、1.57μm及3.26μm高透过介质膜；输出镜4为平面镜，其两个通光面上均镀以1.57μm高反射且对3.26μm部分透过(透过率为80％)的介质膜。输入镜和输出镜之间的距离为50mm。

开启激励源并加大泵浦功率至超过其阈值，得到3.26μm中红外OPO激光输出。

实施例2：

如实施例1所述，所不同的是通光方向晶体长度为0.5mm，输入镜和输出镜之间的距离为20mm。

实施例3：

如实施例1所述，所不同的是通光方向晶体长度为50mm，输入镜和输出镜之间的距离为100mm。

实施例4：

如实施例1所述，所不同的是输出镜4两个通光面上镀以3.26μm高反射且对1.57μm部分透过(透过率为50％)的介质膜，输入镜和输出镜之间的距离为80mm。

开启激励源并加大泵浦功率至超过其阈值，可以实现1.57μm中红外OPO激光输出。

实施例5：

如实施例1所述，所不同的是输出镜4为曲率半径为50mm的凹面镜，输入镜和输出镜之间的距离为80mm，开启激励源并加大泵浦功率至超过其阈值，得到3.26μm的中红外OPO激光输出。

实施例6：

如实施例1所述，所不同的是输入镜2为曲率半径为100mm的凹面镜，输入镜和输出镜之间的距离为90mm。开启激励源并加大泵浦功率至超过其阈值，得到3.26μm的中红外OPO激光输出。

实施例7：

光参量振荡激光器结构如图1所示，激励源1是发射波长为1.06μm的Nd:YVO₄(掺钕钒酸钇晶体，Nd³⁺掺杂浓度为1at.％)锁模激光器；输入镜2为平面镜，且其两个通光面上镀以对1.06μm高透过、对1.57μm和3.26μm高反射的介质膜；LGS晶体3通光方向与光轴成成79.6°，通光方向晶体长度为30mm，两个通光面抛光并镀以对1.06μm、1.57μm及3.26μm高透过的介质膜；输出镜4为凹面镜，曲率半径为1000mm，其凹面面对LGS晶体放置，其两个通光面上镀以1.57μm高反射且对3.26μm部分透过(透过率为80％)的介质膜。输入镜和输出镜之间距离为100mm。

实施例8：

如实施例7所述，所不同的是通光方向晶体长度为0.5mm，输入镜和输出镜之间的距离为20mm。开启激励源并加大泵浦功率至超过其阈值，得到3.26μm中红外OPO激光输出。

实施例9：

如实施例7所述，所不同的是通光方向晶体长度为50mm，输入镜和输出镜之间的距离为100mm。开启激励源并加大泵浦功率至超过其阈值，得到3.26μm中红外OPO激光输出。

实施例10：

如实施例7所述，所不同的是输入镜2的两个通光面上镀以对1.06μm高透过、对1.51μm和3.59μm高反射的介质膜，LGS晶体3的通光方向与光轴成90°，通光方向晶体长度为10mm，两个通光面抛光并镀以对1.06μm、1.51μm和3.59μm高透过的介质膜，输出镜4的两个通光面上镀以对1.51μm高反射和对3.59μm光透过率为80％介质膜。开启激励源并加大泵浦功率至超过其阈值，获得3.59μm中红外激光输出。

实施例11：

如实施例10所述，所不同的是输出镜4镀以对3.59μm高反射和对1.51μm光透过率为50％介质膜。开启激励源并加大泵浦功率至超过其阈值，获得1.51μm中红外激光输出。

实施例12：

如实施例10所述，所不同的是输入镜2镀以对1.06μm高透过，对1.85μm、2.5μm高反射的介质膜，LGS晶体3的通光方向与光轴成72°，通光方向晶体长度为40mm，两个通光面抛光并镀以对1.06μm、1.85μm以及2.5μm高透过介质膜，输出镜4的两个通光面上镀以对1.85μm有50％透过、对2.5μm高反射介质膜。开启激励源并加大泵浦功率至超过其阈值，获得1.85μm的中红外OPO激光输出。

实施例13：

如实施例12所述，所不同的是输出镜4的两个通光面上镀以对2.5μm有80％高透过、对1.85μm高反射介质膜。开启激励源并加大泵浦功率至超过其阈值，获得2.5μm的中红外OPO激光输出。

Claims

1.一种基于硅酸镓镧晶体的光参量振荡激光器，沿光路依次包括激励源(1)、输入镜(2)、硅酸镓镧晶体(3)和输出镜(4)；硅酸镓镧晶体通光方向为光参量振荡的相位匹配方向，所述激励源(1)是全固态脉冲激光器；所述输入镜(2)两个通光面镀以对激励光高透过且对信频光和闲频光高反射的介质膜，输出镜(4)镀以对信频光高反射且对闲频光部分透过的介质膜；产生1.51μm-3.59μm的中红外激光输出。

2.如权利要求1所述的基于硅酸镓镧晶体的光参量振荡激光器，其特征在于所述基于硅酸镓镧晶体的光参量振荡激光器晶体通光方向与光轴成71.1°-90°夹角。

3.如权利要求1所述的基于硅酸镓镧晶体的光参量振荡激光器，其特征在于所述硅酸镓镧晶体为光学级单晶体，通光方向的两个表面镀膜或不镀膜；所述表面镀膜是在LGS晶体通光面镀以对激励光、信频光和闲频光高透过的介质膜。

4.如权利要求1所述的基于硅酸镓镧晶体的光参量振荡激光器，其特征在于所述LGS晶体通光方向的长度为0.5mm-50mm；优选的，所述LGS晶体通光方向的长度为10mm-40mm。

5.如权利要求1所述的基于硅酸镓镧晶体的光参量振荡激光器，其特征在于所述的输入镜(2)是平面镜或凹面镜，所述输出镜(4)为平面镜或凹面镜，其中，凹面镜的曲率为20mm-1000mm，其凹面面对LGS晶体。

6.如权利要求1所述的基于硅酸镓镧晶体的光参量振荡激光器，其特征在于所述的激励源是产生波长为1.06μm的全固态脉冲激光器。

7.如权利要求1或6所述的基于硅酸镓镧晶体的光参量振荡激光器，其特征在于所述的激励源是发射波长为1.06μm调Q激光器或1.06μm锁模激光器。

8.如权利要求1所述的基于硅酸镓镧晶体的光参量振荡激光器，其特征在于所述光参量振荡激光器产生1.51μm、1.85μm、3.26μm、3.59μm的中红外激光输出。

9.如权利要求1所述的基于硅酸镓镧晶体的光参量振荡激光器，其特征在于所述光参量振荡激光器，由激励源、输入镜、LGS晶体和输出镜依次沿光路排列组成，其中激励源为发射波长为1.06μm的Nd³⁺掺杂浓度为1at.％的掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)调Q激光器；输入镜为平面镜，且两个通光面上均镀以对1.06μm高透过、对1.57μm和3.26μm高反射的介质膜；LGS晶体通光方向与光轴成79.6°，通光方向晶体长度为30mm，两个通光面抛光并镀以对1.06μm、1.57μm及3.26μm高透过介质膜；输出镜为平面镜，其两个通光面上均镀以1.57μm高反射且对3.26μm透过率为80％的介质膜；输入镜和输出镜之间的距离为50mm；开启激励源并加大泵浦功率至超过其阈值，得到3.26μm中红外OPO激光输出。

10.如权利要求1所述的基于硅酸镓镧晶体的光参量振荡激光器，其特征在于所述光参量振荡激光器，由激励源、输入镜、LGS晶体和输出镜依次沿光路排列组成，其中激励源是发射波长为1.06μm的Nd³⁺掺杂浓度为1at.％的掺钕钒酸钇晶体(Nd:YVO₄)锁模激光器；输入镜为平面镜，两个通光面上均镀以对1.06μm高透过、对1.51μm和3.59μm高反射的介质膜；LGS晶体的通光方向与光轴成90°，通光方向晶体长度为10mm，两个通光面抛光并镀以对1.06μm、1.51μm和3.59μm高透过的介质膜；输出镜为凹面镜，曲率半径为1000mm，凹面面对LGS晶体，输出镜两个通光面镀以对1.51μm高反射和对3.59μm光透过率为80％介质膜；输入镜和输出镜之间的距离为100mm；开启激励源并加大泵浦功率至超过其阈值，获得3.59μm中红外激光输出。