CN104779514A - 宽调谐的光学参量振荡器及调谐装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于激光技术中的固体激光器及非线性光学频率变换领域,为实现光学参量振荡器的宽范围调谐,以满足不同应用场合对激光光源波长的要求。为此,本发明采取的技术方案是,宽调谐的光学参量振荡器及调谐装置,包括泵浦源、会聚系统、3个谐振腔镜、非线性晶体、滤波片、激光探测器、激光吸收体;泵浦源为脉冲运转的激光器,发出的泵浦光入射到会聚系统进行缩束或聚焦以增强泵浦光功率密度,然后入射到由3个谐振腔镜组成的环形谐振腔内,通过非线性晶体产生非线性效应,发生光学参量振荡过程,非线性晶体位于第1、2个谐振腔镜中间位置。本发明主要应用于激光技术中的固体激光器及非线性光学频率变换。
Description
技术领域
本发明属于激光技术中的固体激光器及非线性光学频率变换领域,特别涉及一种宽调谐的光学参量振荡器及调谐装置。
技术背景
光学参量振荡器(OPO)是利用非线性晶体进行频率变换来实现的器件。自1965年科学家首次观察到三波非线性过程中的参量增益后,关于光学参量振荡器的相关研究也被广泛开展。光学参量振荡器的发展与非线性晶体的发展密不可分。20世纪80年代中后期,损伤阈值高、透明范围宽、有效非线性系数大的非线性晶体的出现,对光学参量振荡器的发展起到了巨大的推动作用,也使得光学参量振荡器的发展走向实用阶段。光学参量振荡的谐振方式主要有单谐振与双谐振两种,并可以实现连续或脉冲宽度为纳秒、皮秒甚至飞秒量级的脉冲运转。光学参量振荡器具有结构简单、工作性能可靠、分辨率高、重复频率高、转换效率高以及调谐范围宽等优点,作为调谐范围较宽的固体激光器,光学参量振荡器已经应用于航空航天、生物医疗、化学检测、大气检测与军事等领域。
目前,光学参量振荡的调谐方式主要分为以下几种:温度调谐,利用温控装置实现对晶体温度的精确控制,通过不同温度下晶体性质的改变实现输出波长的连续调谐(参考Yabai He等2001年发表在Applied Optics的文章Tunable single-mode operation of a pulsed opticalparametric oscillator pumped by a multimode laser);角度调谐,通过旋转晶体实现晶体与泵浦光之间的角度改变,利用不同条件的相位匹配实现波长的调谐输出(参考姚宝权等2000年发表在“中国激光”的文章“利用KTP光学参量振荡器获得可调谐人眼安全激光”);泵浦波长调谐,通过改变泵浦波长大小,实现闲频光的调谐输出(参考M.E.Klein等2000年发表在Optical Letters的文章Diode-pumped singly resonant continuous-wave optical parametricoscillator with wide continuous tuning of the near-infrared idler wave);如果利用周期极化晶体,还可以通过改变极化晶体的周期结构来实现波长的调谐输出(参考Hong-Yi Lin等2014年发表在Optik-International Journal for Light and Electron Optics的文章Mid-infrared,wide-tunable,continuous-wave Nd:YVO4/PPMgLN intracavity optical parametric oscillator);外场调谐,对非线性晶体施加外场,例如直流电场或磁场,利用晶体折射率的电光效应或磁光效应,改变晶体折射率,实现可调的光学参量振荡器。
对于一般均匀块状非线性晶体构成的光学参量振荡器,调谐方式通常采用:(1)临界相位匹配时采用调谐晶体角度来调谐输出波长;(2)非临界相位匹配时采用改变晶体工作温度来调谐输出波长。其中非临界相位匹配方式非线性晶体沿主轴方向切割通光,具有无走离角、允许角大、非线性系数高、适合多模泵浦等优点,近年来日益受到重视,尤其是以KTP及其同类化合物晶体KTA、RTA等作为非线性晶体的非临界相位匹配光参量振荡器,其信号光输出波长在1.5-1.6μm人眼安全波段,闲频光在3-5μm中红外波段,这两个波段在激光测距、激光雷达、光电对抗及污染气体检测、光谱分析等领域均具有非常重要的价值。然而,由于KTP类晶体的折射率对温度变化很不敏感,无法利用温度控制来实现输出波长的大范围调谐以满足不同需要。而且至今国内外尚没有其他方法实现非临界相位匹配KTP类晶体参量振荡器大范围调谐的相关报道,限制了这类参量振荡器的应用范围。
发明内容
为克服现有技术的不足,通过改变相位匹配条件,实现光学参量振荡器的宽范围调谐,以满足不同应用场合对激光光源波长的要求。为此,本发明采取的技术方案是,宽调谐的光学参量振荡器及调谐装置,包括泵浦源、会聚系统、3个谐振腔镜、非线性晶体、滤波片、激光探测器、激光吸收体;泵浦源为脉冲运转的激光器,发出的泵浦光入射到会聚系统进行缩束或聚焦以增强泵浦光功率密度,然后入射到由3个谐振腔镜组成的环形谐振腔内,通过非线性晶体产生非线性效应,发生光学参量振荡过程,非线性晶体位于第1、2个谐振腔镜中间位置,来自会聚系统的激光依次经第1个谐振腔镜、非线性晶体、第2个谐振腔镜反射到第3个谐振腔镜,再经第3个谐振腔镜反射回第1个谐振腔镜形成三角形回路;参量过程新产生的参量光与泵浦光同时从第2个谐振腔镜输出,泵浦光经滤波片反射到激光收集器中,而产生的参量光则透过滤波片入射到激光探测器中对能量或功率进行探测;第3个谐振腔镜的偏转角度能够进行调节,使泵浦光与振荡光之间所夹角度发生改变,即改变了相位匹配条件,从而实现光学参量振荡器输出参量光的波长调谐。
通过手动或者计算机驱动马达实现第3个谐振腔镜的偏转角度的调节。
所属泵浦源为脉冲运转Nd:YAG激光器,重复频率为100Hz,输出激光的中心波长为1064nm单脉冲能量为300mJ,脉冲宽度为10ns,光斑直径为9mm。
会聚系统为一个凸透镜与一个凹透镜构成的缩束望远镜系统,其中凸透镜焦距100cm,凹透镜焦距-35cm,缩束后的光斑直径约为3mm;会聚系统或者是一个长焦凸透镜,焦距为1m。
3个谐振腔镜均为平面镜,一起构成等腰直角三角形谐振腔;第1个谐振腔镜对泵浦光高透,对22.5°入射的参量信号光高反,第2个谐振腔镜对泵浦光高透,对22.5°入射的信号光透过率为20%左右,第3个谐振腔镜对45°入射的信号光高反。
非线性晶体为KTP晶体为非临界相位匹配,沿x轴切割,两端镀有对泵浦光和信号光的增透膜;当采用凸透镜聚焦的会聚系统时,非线性晶体中心应位于凸透镜焦点上。
滤波片镀有对45度入射的泵浦光高反,信号光高透的介质膜。
与已有技术相比,本发明的技术特点与效果:
本发明提出了一种新型的光学参量振荡器的调谐方式,利用三腔镜所组成的环形腔,对其中一个腔镜进行调节,可以实现输出波长的宽范围连续调谐。尤其对于非临界相位匹配的光参量振荡器,由于角度调谐可调范围很小,而某些晶体对于温度调谐又不敏感,本发明可以解决其大范围波长调谐的问题,且本发明具有装置简便,结构紧凑,连续可调,调谐快速稳定等优点,具有十分重要的应用价值及广阔的应用前景。
附图说明
图1一种宽调谐的光学参量振荡器的结构示意图。
图2调节环形腔一个谐振腔镜实现信号光波长调谐的原理。
具体实施方式
本发明的目的在于提供一种新型的光学参量振荡器及其调谐方法,通过调节环形腔光学参量振荡器(OPO)的一个腔镜,改变泵浦光和振荡光的夹角,从而改变相位匹配条件,实现光学参量振荡器的宽范围调谐,以满足不同应用场合对激光光源波长的要求。
本发明通过在三镜环形腔参量振荡器中调节其中一个腔镜的角度来实现波长的大范围可调谐输出,调谐结构简单,易于实现,调谐范围宽,稳定性强,该技术方法可用于基于任何非线性晶体在任何波段的可调谐光参量振荡输出,具有很好的应用前景。
本发明所采用的技术方案为:一种宽调谐的光学参量振荡器,如图1所示,包括泵浦源(1)、会聚系统(2)、谐振腔镜(3)(4)(5)、非线性晶体(6)、滤波片(7)、激光探测器(8)、激光吸收体(9)、计算机(10)。泵浦源(1)为脉冲运转的激光器,发出的泵浦光入射到会聚系统(2)进行缩束或聚焦以增强泵浦光功率密度,然后入射到由谐振腔镜(3)、(4)、(5)组成的环形谐振腔内,通过非线性晶体(6)产生非线性效应,发生光学参量振荡过程。参量过程新产生的参量光与泵浦光同时从谐振腔镜(5)输出,泵浦光经滤波片(7)反射到激光收集器(9)中,而产生的参量光则透过滤波片(6)入射到激光探测器(8)中对能量或功率进行探测。谐振腔镜(5)的偏转角度可以通过手动或计算机(10)自动控制进行调节,使泵浦光与振荡光之间所夹角度发生改变,即改变了相位匹配条件,从而实现光学参量振荡器输出参量光的波长调谐。
本发明中,光参量振荡器实现参量光波长调谐的原理如图2所示。P点在非线性晶体(6)的中心,为不动点,P1、P2分别为P点相对于谐振腔镜(3)、(4)所得到的对称像点,O为谐振腔镜(3)、(4)、(5)所构成的光束谐振回路在谐振腔镜(5)上的反射点。P1、P2、O在以T为圆心的同一个圆上。当谐振腔镜(5)的角度调整与圆的切点变为O1时,振荡的参量光在腔内循环路径为长划虚线所组成的三角形回路;而谐振腔镜角度调整与圆的切点变为O2时,振荡的参量光在腔内循环路径为短划虚线所组成的三角形回路。谐振腔镜(5)角度的调整改变了振荡参量光的方向,而泵浦光方向不发生改变,因此泵浦光与信号光之间角度发生了变化,相位匹配条件改变,振荡的参量光波长实现调谐。
下面结合附图和具体实施方式进一步详细说明本发明。
如图1所示,所属泵浦源(1)为脉冲运转Nd:YAG激光器,重复频率为100Hz,输出激光的中心波长为1064nm单脉冲能量为300mJ,脉冲宽度为10ns,光斑直径为9mm。会聚系统(2)为一个凸透镜与一个凹透镜构成的缩束望远镜系统,其中凸透镜焦距100cm,凹透镜焦距-35cm,缩束后的光斑直径约为3mm。会聚系统(2)也可以是一个长焦凸透镜,焦距为1m。谐振腔镜(3-5)均为平面镜,一起构成等腰直角三角形谐振腔。谐振腔镜(3)对泵浦光(1064nm)高透,对22.5°入射的参量信号光(1.5-1.6μm)高反,谐振腔镜(4)对泵浦光高透,对22.5°入射的信号光透过率为20%左右,谐振腔镜(5)对45°入射的信号光高反。非线性晶体(6)为KTP晶体为非临界相位匹配,沿x轴切割,尺寸为5mm×5mm×20mm,两端镀有对泵浦光和信号光的增透膜。当采用凸透镜聚焦的会聚系统(2)时,非线性晶体(6)中心应位于凸透镜焦点上。在非线性晶体(6)的作用下,信号光在谐振腔内建立振荡并多次通过非线性晶体进行放大,最终经由谐振腔镜(4)输出腔外。滤波片(7)镀有对45度入射的泵浦光高反,信号光高透的介质膜,将随信号光一同输出的泵浦光反射到激光吸收体(9)内,而透过的信号光入射到激光探测器(8),对其单脉冲能量或平均功率进行测量。当注入的泵浦能量为200mJ时,采用望远镜缩束汇聚时,信号光输出波长为1.57μm,单脉冲能量50mJ,脉冲宽度6.5ns。
通过计算机(10)控制谐振腔镜(5)支架上的旋钮(步进电机控制),改变谐振腔镜(5)的反射角度,可以改变泵浦光与闲频光之间的夹角大小,导致相位匹配条件发生变化,进而实现输出波长的调谐,其原理如图2所示。谐振腔镜(5)反射角度的调节也可以通过手动旋转其支架上的旋钮来实现,还可以将其直接固定到振镜电机转轴上实现任意角度的快速调节。P点在非线性晶体(6)的中心,为不动点,P1、P2分别为P点相对于谐振腔镜(3)、(4)所得到的对称像点,O为谐振腔镜(3)、(4)、(5)所构成的光束谐振回路在谐振腔镜(5)上的反射点。P1、P2、O在以T为圆心的同一个圆上。当谐振腔镜(5)的角度调整与圆的切点变为O1时,振荡的参量光在腔内循环路径为长划虚线所组成的三角形回路;而谐振腔镜角度调整与圆的切点变为O2时,振荡的参量光在腔内循环路径为短划虚线所组成的三角形回路。谐振腔镜(5)角度的调整改变了振荡参量光的方向,而泵浦光方向不发生改变,因此泵浦光与信号光之间角度发生了变化,相位匹配条件改变,振荡的参量光波长实现调谐。当计算机(10)控制谐振腔镜(5)的反射角度α从0°连续变化到6°时,输出信号光的波长从1.57μm连续变化至1.71μm。
综上所述,本发明实施过程提供了一种宽调谐的光学参量振荡器及调谐方法,通过对三腔镜环形腔的一个腔镜的角度进行调节,可以实现不同波长的参量激光输出,这种调谐方式具有装置简便,结构紧凑,连续可调,调谐快速稳定等优点,尤其适用于对温度及角度调谐都不敏感的非临界相位匹配光参量振荡器。该光参量振荡器及调谐方式还可以应用到其他任意波段,实现不同波长范围可调谐激光输出。
以上所述仅为本发明的一特定实施例,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 (7)
1.一种宽调谐的光学参量振荡器及调谐装置,其特征是,包括泵浦源、会聚系统、3个谐振腔镜、非线性晶体、滤波片、激光探测器、激光吸收体;泵浦源为脉冲运转的激光器,发出的泵浦光入射到会聚系统进行缩束或聚焦以增强泵浦光功率密度,然后入射到由3个谐振腔镜组成的环形谐振腔内,通过非线性晶体产生非线性效应,发生光学参量振荡过程,非线性晶体位于第1、2个谐振腔镜中间位置,来自会聚系统的激光依次经第1个谐振腔镜、非线性晶体、第2个谐振腔镜反射到第3个谐振腔镜,再经第3个谐振腔镜反射回第1个谐振腔镜形成三角形回路;参量过程新产生的参量光与泵浦光同时从第2个谐振腔镜输出,泵浦光经滤波片反射到激光收集器中,而产生的参量光则透过滤波片入射到激光探测器中对能量或功率进行探测;第3个谐振腔镜的偏转角度能够进行调节,使泵浦光与振荡光之间所夹角度发生改变,即改变了相位匹配条件,从而实现光学参量振荡器输出参量光的波长调谐。
2.如权利要求1所述的宽调谐的光学参量振荡器及调谐装置,其特征是,通过手动或者计算机驱动马达实现第3个谐振腔镜的偏转角度的调节,使得泵浦光与振荡光之间的夹角发生变化,满足不同的相位匹配条件,实现输出信号光波长的调节。
3.如权利要求1所述的宽调谐的光学参量振荡器及调谐装置,其特征是,所属泵浦源为脉冲运转Nd:YAG激光器,重复频率为100Hz,输出激光的中心波长为1064nm单脉冲能量为300mJ,脉冲宽度为10ns,光斑直径为9mm。
4.如权利要求1所述的宽调谐的光学参量振荡器及调谐装置,其特征是,会聚系统为一个凸透镜与一个凹透镜构成的缩束望远镜系统,其中凸透镜焦距100cm,凹透镜焦距-35cm,缩束后的光斑直径约为3mm;会聚系统或者是一个长焦凸透镜,焦距为1m。
5.如权利要求1所述的宽调谐的光学参量振荡器及调谐装置,其特征是,3个谐振腔镜均为平面镜,一起构成等腰直角三角形谐振腔;第1个谐振腔镜对泵浦光高透,对22.5°入射的参量信号光高反,第2个谐振腔镜对泵浦光高透,对22.5°入射的信号光透过率为20%左右,第3个谐振腔镜对45°入射的信号光高反。
6.如权利要求1所述的宽调谐的光学参量振荡器及调谐装置,其特征是,非线性晶体为KTP晶体为非临界相位匹配,沿x轴切割,两端镀有对泵浦光和信号光的增透膜;当采用凸透镜聚焦的会聚系统时,非线性晶体中心应位于凸透镜焦点上。
7.如权利要求1所述的宽调谐的光学参量振荡器及调谐装置,其特征是,滤波片镀有对45度入射的泵浦光高反,信号光高透的介质膜。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
EXSB | Decision made by sipo to initiate substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20150715 |
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WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |