CN104779516A - 中红外单频光学参量振荡器 - Google Patents

中红外单频光学参量振荡器 Download PDF

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一种中红外单频光学参量振荡器，包括：泵浦激光器、聚焦透镜、半波片、起偏器、平凹部分反射镜、PPLN晶体、平凹全反射镜、压电陶瓷、平面耦合镜、平面反射镜、DFB种子激光器、准直透镜、隔离器、聚焦透镜和晶体温控炉，本发明通过注入1.57μm的种子激光器，实现3.3μm的参量光振荡，可应用于医疗诊断、光谱分辨、军事侦察等领域。本发明具有转换效率高，单频性好，可调谐等特点。

Description

中红外单频光学参量振荡器
技术领域
本发明涉及中红外激光，特别是一种中红外单频光参量振荡器，通过种子注入实现窄线宽输出，通过温度调谐实现波长调谐。适用于中红外激光器技术研究，应用包括环境监测、光电对抗、激光医疗、光谱分析和激光雷达等领域。
背景技术
许多气体分子(如CH4、CO、NH3等)在3～5μm波段存在强烈的吸收峰，强度比近红外波段高2～3个数量级，因此基于中红外激光的吸收光谱技术可实现气体种类、浓度等信息的高灵敏度探测，在环境监测领域具有广阔的应用前景，也可广泛应用于激光雷达、军事侦探、光谱分析和医学检测等领域。
光参量振荡器(以下简称为OPO)是产生可调谐中红外激光的装置，本质是光学差频的三波混频过程，利用频率下转换技术，将近红外激光转换成3～5μm的激光。光参量振荡器由泵浦激光器、非线性晶体、光学谐振腔等器件组成，自由运转时，当泵浦光强超过阈值，非线性晶体中产生的信号光、闲频光由噪声功率水平逐渐建立起来，并在一定程度下与泵浦光强呈线性增长。但由于非线性转换所要求的强电场容易引起非线性晶体的损伤，其发展一度受到限制。随着准相位匹配技术和周期性畴极化反转晶体制备工艺的不断成熟，OPO也获得了新的活力。
准相位匹配(以下简称为QPM)技术能最大限度地利用晶体的非线性系数，实现所选定方向的匹配，在OPO中获得极大的应用。方法是在空间上周期性地改变材料非线性系数的方向，引入额外的相位补偿，使能量持续地从基频光向倍频光转换。
常见的准相位匹配非线性晶体有BBO、LBO、KTA、KTP等，从90年代中期开始，以掺氧化镁周期极化铌酸锂晶体(以下简称为PPLN)为代表的准相位匹配OPO在低峰值功率、高重复频率、连续波相干输出方面发展迅速。目前应用较多的是采用1μm激光器作为泵浦源，通过合理选择晶体的极化周期，利用准相位匹配实现中红外激光输出，并可以通过温度调谐的方式改变输出波长。
考虑到晶体及膜系的损伤阈值，以往的中红外激光器均为连续运转，输出光谱较宽。种子注入技术可以降低阈值，压窄线宽，但3μm的激光器由于技术难度大，制作成本高，市场化程度远不及1.5μm波段的激光器，镀膜技术和相关光学器件也远不及近红外波段普及。
发明内容
本发明的目的在于提供一种中红外单频光参量振荡器，实现3.3μm参量光振荡输出，通过注入1.57μm的种子激光，实现窄线宽低阈值的中红外激光输出，提高激光器的频率稳定性，避免了3μm波段种子激光器技术难度大、制作成本高的困难，降低了光学镜片镀膜的难度，从而降低整体成本。该结构实现信号光和闲散光分别振荡并从不同的腔镜输出，避免了分光镜的额外损耗，光路更为简洁。具有近红外和中红外激光分开输出、效率高、输出波长可调谐等特点，应用前景广阔。
本发明的技术解决方案如下：
一种中红外光参量振荡器，其特点在于该振荡器包括：泵浦激光器、聚焦透镜、半波片、起偏器、平凹部分反射镜、PPLN晶体、平凹全反射镜、压电陶瓷、平面耦合镜、平面反射镜、DFB种子激光器、准直透镜、隔离器、聚焦透镜、晶体温控炉，上述元器件的位置关系如下：
沿泵浦光路传播方向依次为：泵浦激光器、聚焦透镜、半波片、起偏器、平凹部分反射镜、PPLN晶体、平凹全反射镜，压电陶瓷环；所述的聚焦透镜对1.064μm激光高透，且焦点位于所述的PPLN晶体的中心；所述的晶体温控炉对所述的PPLN晶体进行控温，所述的半波片是1.064μm波长的半波片，安装在一个可旋转的支架上，所述的起偏器与光路呈布儒斯特角放置，所述的半波片和起偏器构成光强调节装置，对1.064μm激光高透；
沿种子激光光路方向依次为：DFB种子激光器、准直透镜、隔离器、聚焦透镜、平面耦合镜、平面反射镜；所述的准直透镜和聚焦透镜对1.57μm激光高透，所述的聚焦透镜的焦点位于所述的PPLN晶体的中心；
所述的泵浦激光器为脉冲运转，输出激光的波长为1.064μm；
所述的平凹部分反射镜、PPLN晶体、平凹全反射镜、平面耦合镜和平面反射镜构成一个环形腔；
所述的平凹部分反射镜的曲率半径为230mm，凹面镀有对1.064μm增透、对1.57μm高反、对3.3μm部分透射的介质膜，所述的平凹全反射镜的曲率半径为230mm，紧固在压电陶瓷环上，镀有对1.064μm增透、对1.57μm和3.3μm高反的介质膜；所述的平面耦合镜为平镜，腔内反光面镀有对3.3μm高反、对1.57μm部分透射、对1.06μm增透的介质膜，另一面镀有1.06μm和1.57μm的高透膜；所述的平面反射镜为平镜，腔内反光面镀有对1.57μm、3.3μm高反、对1.06μm增透的介质膜；
所述的PPLN晶体的两个透光端面镀有对1.064μm、1.572μm、3.29μm增透的介质膜。
所述的DFB种子激光器为光纤跳线输出，中心波长为1.57μm，输出波长可调谐。
所述的温控炉对所述的PPLN晶体的温控范围0～150℃，温控精度0.1℃。
所述的泵浦激光器为激光二极管泵浦的Nd:YAG调Q激光器，输出波长为1.064μm，重复频率400Hz，单脉冲能量3mJ，输出脉冲为水平线偏振光，脉宽30ns，线宽接近傅里叶变换极限。
所述的DFB种子激光器带有软件控制界面，具有电流参数和温度参数设定装置，从而小幅度地改变输出波长。
所述的隔离器对1.57μm激光的隔离度不小于20dB。
所述的PPLN晶体的尺寸为50mm×3mm×1mm，极化周期为30.5μm且极化周期均匀分布。
本发明具有以下优点：
1.通过注入1.57μm的连续种子激光器，实现3.3μm的参量光振荡，避免了3μm波段种子激光器技术难度大、制作成本高的困难，并且能够降低激光器阈值，并将光谱宽度压缩到1nm以下。
2.本发明的环形腔结构有利于激光模式的稳定振荡和种子注入。
3.本发明的信号光和闲散光分别振荡并从不同的腔镜输出，避免了分光镜的额外损耗，光路更为简洁
4.通过温控炉改变非线性晶体的温度，可对本发明振荡器输出的中红外波长进行微调。
附图说明
图1是本发明中红外单频光参量振荡器实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的包含范围。
图1是本发明中红外单频光参量振荡器实施例的结构示意图。由图可见，本发明中红外光参量振荡器，包括：泵浦激光器1、聚焦透镜2、半波片3、起偏器4、平凹部分反射镜5、PPLN晶体6、平凹全反射镜7、压电陶瓷8、平面耦合镜9、平面反射镜10、DFB种子激光器11、准直透镜12、隔离器13、聚焦透镜14、晶体温控炉15，上述元器件的位置关系如下：
沿泵浦光路传播方向依次为：泵浦激光器1、聚焦透镜2、半波片3、起偏器4、平凹部分反射镜5、PPLN晶体6、平凹全反射镜7，压电陶瓷8；所述的聚焦透镜2对1.064μm激光高透，且焦点位于所述的PPLN晶体6的中心；所述的晶体温控炉15对所述的PPLN晶体6进行控温，所述的半波片3是1.064μm波长的半波片，安装在一个可旋转的支架上，所述的起偏器4与光路呈布儒斯特角放置，所述的半波片3和起偏器4构成光强调节装置，对1.064μm激光高透；
沿种子激光光路方向依次为：DFB种子激光器11、准直透镜12、隔离器13、聚焦透镜14、平面耦合镜9、平面反射镜10；所述的准直透镜12和聚焦透镜14对1.57μm激光高透，所述的聚焦透镜14的焦点位于所述的PPLN晶体的中心；
所述的泵浦激光器1为脉冲运转，输出激光的波长为1.064μm；
所述的平凹部分反射镜5、PPLN晶体6、平凹全反射镜7、平面耦合镜9和平面反射镜10构成一个环形腔；
所述的平凹部分反射镜5的曲率半径为230mm，凹面镀有对1.064μm增透、对1.57μm高反、对3.3μm部分透射的介质膜，所述的平凹全反射镜7的曲率半径为230mm，紧固在压电陶瓷环8上，镀有对1.064μm增透、对1.57μm和3.3μm高反的介质膜；所述的平面耦合镜9为平镜，腔内反光面镀有对3.3μm高反、对1.57μm部分透射、对1.06μm增透的介质膜，另一面镀有1.06μm和1.57μm的高透膜；所述的平面反射镜10为平镜，腔内反光面镀有对1.57μm、3.3μm高反、对1.06μm增透的介质膜；
所述的PPLN晶体6的两个透光端面镀有对1.064μm、1.572μm、3.29μm增透的介质膜。
所述的DFB种子激光器11为光纤跳线输出，中心波长为1.57μm，输出波长可调谐。
所述的温控炉15的温控范围0～150℃，温控精度0.1℃。
所述的泵浦激光器1为激光二极管泵浦的Nd:YAG调Q激光器，输出波长为1.064μm，重复频率400Hz，单脉冲能量3mJ，输出脉冲为水平线偏振光，脉宽30ns，线宽接近傅里叶变换极限。泵浦激光经过所述的聚焦透镜2聚焦到非线性晶体的中心，保证聚焦后的光斑大小约等于环形腔的基模大小，以实现良好的模式匹配。
所述的非线性晶体6为MgO掺杂浓度5％的PPLN，极化周期为30.5μm，两个透光端面镀有对1.06μm、1.57μm、3.3μm增透的介质膜，置于温控炉15内，通过铜块传导的方式控制温度，温控范围0～150℃，温控精度0.1℃。
所述的DFB种子激光器11是一台分布反馈式半导体激光器，输出中心波长为1.57μm，输出激光为连续光，通过设置软件控制界面的温度和电流参数可以微调输出波长。
所述的准直透镜12和聚焦透镜14对种子激光进行光束变换，使其在环形谐振腔内与振荡光光斑的大小一致，达到最佳的模式匹配。
所述的隔离器13能保持激光的单向传输，避免光学器件表面反射或从后腔镜漏出的激光进入种子激光器而使其不稳定。该隔离器对1.57μm激光的隔离度不小于20dB。
本发明的工作过程是，NdYAG泵浦激光器1所产生的1.064μm泵浦光经过聚焦透镜2，其焦点聚焦在PPLN晶体中心处，再经过由半波片和起偏器组成的光强调节装置，入射到环形谐振腔；DFB激光器产生的1.57μm种子光经过准直透镜12准直成平行光束后，经过隔离器13，再由聚焦透镜14聚焦，焦点在晶体中心处，从部分反射平面镜9入射到环形腔内。泵浦光和种子光在非线性晶体中进行频率变换和振荡，经过PPLN晶体的非线性转换过程，中红外3.3μm振荡激光沿与入射泵浦光成20°的方向由腔镜5出射，剩余泵浦光由腔镜7出射，1.57μm激光沿与入射种子光成20°的方向从腔镜9出射。
实验表明，本发明通过注入1.57μm的种子激光器，实现3.3μm的参量光振荡，克服了3μm种子激光器技术难度大、制作成本高的困难。种子注入技术还能有效地压窄线宽，使输出的中红外激光光谱宽度小于1nm。通过改变PPLN晶体的温度，实现输出波长的小范围调谐。本发明具有转换效率高，单频性好，可调谐等特点。

Claims (6)

1.一种中红外光参量振荡器，其特征在于该振荡器包括：泵浦激光器(1)、聚焦透镜(2)、半波片(3)、起偏器(4)、平凹部分反射镜(5)、PPLN晶体(6)、平凹全反射镜(7)、压电陶瓷(8)、平面耦合镜(9)、平面反射镜(10)、DFB种子激光器(11)、准直透镜(12)、隔离器(13)、聚焦透镜(14)、晶体温控炉(15)，上述元器件的位置关系如下：
沿泵浦光路传播方向依次为：泵浦激光器(1)、聚焦透镜(2)、半波片(3)、起偏器(4)、平凹部分反射镜(5)、PPLN晶体(6)、平凹全反射镜(7)，压电陶瓷(8)；所述的聚焦透镜(2)对1.064μm激光高透，且焦点位于所述的PPLN晶体(6)的中心；所述的晶体温控炉(15)对所述的PPLN晶体(6)进行控温，所述的半波片(3)是1.064μm波长的半波片，安装在一个可旋转的支架上，所述的起偏器(4)与光路呈布儒斯特角放置，所述的半波片(3)和起偏器(4)构成光强调节装置，对1.064μm激光高透；
沿种子激光光路方向依次为：DFB种子激光器(11)、准直透镜(12)、隔离器(13)、聚焦透镜(14)、平面耦合镜(9)、平面反射镜(10)；所述的准直透镜(12)和聚焦透镜(14)对1.57μm激光高透，所述的聚焦透镜(14)的焦点位于所述的PPLN晶体的中心；
所述的泵浦激光器(1)为脉冲运转，输出激光的波长为1.064μm；
所述的平凹部分反射镜(5)、PPLN晶体(6)、平凹全反射镜(7)、平面耦合镜(9)和平面反射镜(10)构成一个环形腔；
所述的平凹部分反射镜(5)的曲率半径为230mm，凹面镀有对1.064μm增透、对1.57μm高反、对3.3μm部分透射的介质膜，所述的平凹全反射镜(7)的曲率半径为230mm，紧固在压电陶瓷环(8)上，镀有对1.064μm增透、对1.57μm和3.3μm高反的介质膜；所述的平面耦合镜(9)为平镜，腔内反光面镀有对3.3μm高反、对1.57μm部分透射、对1.06μm增透的介质膜，另一面镀有1.06μm和1.57μm的高透膜；所述的平面反射镜(10)为平镜，腔内反光面镀有对1.57μm、3.3μm高反、对1.06μm增透的介质膜；
所述的PPLN晶体(6)的两个透光端面镀有对1.064μm、1.572μm、3.29μm增透的介质膜。
所述的DFB种子激光器(11)为光纤跳线输出，中心波长为1.57μm，输出波长可调谐。
2.根据权利要求1所述的中红外光参量振荡器，其特征在于所述的温控炉(15)的温控范围0～150℃，温控精度0.1℃。
3.根据权利要求1所述的中红外光参量振荡器，其特征在于所述的泵浦激光器(1)为激光二极管泵浦的Nd:YAG调Q激光器，输出波长为1.064μm，重复频率400Hz，单脉冲能量3mJ，输出脉冲为水平线偏振光，脉宽30ns，线宽接近傅里叶变换极限。
4.根据权利要求1所述的中红外光参量振荡器，其特征在于所述的DFB种子激光器(11)带有软件控制界面，具有电流参数和温度参数设定装置，从而小幅度地改变输出波长。
5.根据权利要求1所述的中红外光参量振荡器，其特征在于所述的隔离器(13)对1.57μm激光的隔离度不小于20dB。
6.根据权利要求1至5任一项所述的中红外光参量振荡器，其特征在于所述的PPLN晶体(6)的尺寸为50mm×3mm×1mm，极化周期为30.5μm且极化周期均匀分布。
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