CN105048265A - 基于偏振合束技术的高功率长波红外8μm～12μm的激光器 - Google Patents
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Abstract
基于偏振合束技术的高功率长波红外8μm～12μm的激光器，涉及激光应用技术领域。解决了现有的以光学参量振荡(OPO)或者光参量放大(OPA)的方式获得的8μm～12μm激光的输出功率受限于晶体膜层损伤阈值的限制，使得单个谐振腔很难获得较高的输出功率的问题。将2.1μm脉冲激光分束后分别泵浦两个ZnGeP2光参量振荡器产生两束偏振态相互垂直的8μm～12μm远红外激光，使得单个ZnGeP2晶体上端面承受的泵浦光强度大大降低，并利用光参量放大技术将8μm～12μm激光进一步放大，最后将两束不用偏振的8μm～12μm激光合束成一束高功率的8μm～12μm激光。本发明适用于获取激光的场合。
Description
技术领域
本发明涉及激光应用技术领域。
背景技术
长波红外8μm～12μm波段的激光是HgCdTe或GaAs/AlGaAs量子阱等红外焦平面探测器的波长响应范围，多数有毒碳氢化合物气体比如乙烷、丁烷、二氯苯等在8μm-12μm波段均具有较强的吸收谱线。因此，这些特性使得8μm～12μm激光器在环境检测、激光红外定向干扰、差分吸收雷达等领域扮演着重要的角色。
获得8μm～12μm激光输出最常用、最有效的手段是以光学参量振荡(OPO)或者光参量放大(OPA)的方法，但是其输出功率受限于晶体膜层损伤阈值的限制，单个谐振腔很难获得较高的输出功率。
发明内容
本发明为了解决现有的以光学参量振荡(OPO)或者光参量放大(OPA)的方式获得的8μm～12μm激光的输出功率受限于晶体膜层损伤阈值的限制，使得单个谐振腔很难获得较高的输出功率，且单个光参量振荡器的转换效率较低的问题。提出了基于偏振合束技术的高功率长波红外8μm～12μm的激光器。
基于偏振合束技术的高功率长波红外8μm～12μm的激光器，它包括一号耦合系统5-1、二号耦合系统5-2、三号耦合系统1、分光片2、一号反光镜3、1/2波片4、一号ZnGeP2光学参量振荡器5、二号ZnGeP2光学参量振荡器6、一号平面镜9-1、二号平面镜9-2、三号平面镜10-1、ZnGeP2光参量放大器7、一号反射镜14和偏振片15；
一束2.1μm脉冲激光垂直入射至三号耦合系统1，经三号耦合系统1进行光束变换后以45°入射角入射至分光片2，经分光片2分为两束光，两束光均为水平偏振2.1μm激光；
一束水平偏振2.1μm激光经分光片2反射后垂直入射至1/2波片4，经1/2波片4旋转为垂直偏振的偏振光，该垂直偏振的偏振光入射至一号耦合系统5-1，经一号耦合系统5-1进行光束变换后入射至一号ZnGeP2光学参量振荡器5，经一号ZnGeP2光学参量振荡器5进行非线性转换后获得一号输出激光，该一号输出激光由一束8μm～12μm水平偏振长波红外激光、一束2.8μm的中红外激光和一束2.1μm激光构成，一号ZnGeP2光学参量振荡器5的一号输出激光以45°入射角入射至一号平面镜9-1，经一号平面镜9-1将所述的一束2.1μm激光反射出去，同时一号平面镜9-1对所述的一束8μm～12μm水平偏振长波红外激光和一束2.8μm的中红外激光透射后以45°入射角入射至三号平面镜10-1，经三号平面镜10-1将所述的一束2.8μm的中红外激光反射出去，同时三号平面镜10-1对所述的一束8μm～12μm水平偏振长波红外激光透射后获得透射的8μm～12μm水平偏振的长波红外激光以45°入射角入射至偏振片15；
另一束水平偏振2.1μm激光经分光片2透射后偏振态保持不变，并以45°入射角入射至一号反光镜3，经一号反光镜3反射后垂直入射至二号耦合系统5-2，经二号耦合系统5-2进行光束变换后入射至二号ZnGeP2光学参量振荡器6，经二号ZnGeP2光学参量振荡器6进行非线性转换后获得二号输出激光，该二号输出激光由一束8μm～12μm长波红外激光、一束2.8μm的中波红外激光和一束2.1μm激光构成；二号ZnGeP2光学参量振荡器6的二号输出激光以45°入射角入射至二号平面镜9-2，经二号平面镜9-2将所述的一束2.1μm激光反射出去，同时二号平面镜9-2对所述的一束8μm～12μm长波红外激光和一束2.8μm的中波红外激光透射后以45°入射角入射至ZnGeP2光参量放大器7，经ZnGeP2光参量放大器7放大后获得一束由8μm～12μm长波红外激光和4.3μm中波红外激光构成的合成光，该合成光以45°入射角入射至一号反射镜14，经一号反射镜14将4.3μm中波红外激光反射出去，所述的一束8μm～12μm长波红外激光经一号反射镜14反射后获得反射的8μm～12μm垂直偏振的长波红外激光，且该反射的8μm～12μm垂直偏振的长波红外激光以45°入射角入射至偏振片15；
经过偏振片15将透射的8μm～12μm水平偏振的长波红外激光和反射的8μm～12μm垂直偏振的长波红外激光合成一束激光并输出。
一号ZnGeP2光学参量振荡器5包括四号平面镜6-1、五号平面镜7-1、二号反射镜6-2、三号反射镜6-3和一号ZnGeP2晶体8-1；
经一号耦合系统5-1进行光束变换后入射至一号ZnGeP2光学参量振荡器5的四号平面镜6-1，入射角度为45°，经四号平面镜6-1透射后入射至一号ZnGeP2晶体8-1，经一号ZnGeP2晶体8-1后以45°入射角入射至五号平面镜7-1，经五号平面镜7-1反射和透射；
经五号平面镜7-1反射后以45°入射角入射至三号反射镜6-3；经三号反射镜6-3反射后以45°入射角入射至二号反射镜6-2，经二号反射镜6-2反射后以45°入射角入射至四号平面镜6-1；
经五号平面镜7-1透射后以45°入射角入射至一号平面镜9-1。
二号ZnGeP2光学参量振荡器6包括六号平面镜6-4、七号平面镜7-2、四号反射镜6-5、五号反射镜6-6和二号ZnGeP2晶体8-2；
经二号耦合系统5-2进行光束变换后入射至二号ZnGeP2光学参量振荡器6中的六号平面镜6-4，经六号平面镜6-4透射后入射至二号ZnGeP2晶体8-2；经二号ZnGeP2晶体8-2后以45°入射角入射至七号平面镜7-2，经七号平面镜7-2反射和透射；
经七号平面镜7-2反射后以45°入射角入射至五号反射镜6-6；经五号反射镜6-6反射后以45°入射角入射至四号反射镜6-5，经四号反射镜6-5反射后以45°入射角入射至六号平面镜6-4；
经七号平面镜7-2透射后以45°入射角入射至二号平面镜9-2。
ZnGeP2光参量放大器7包括八号平面镜10-1、九号平面镜10-2、六号反射镜11-1、七号反射镜11-2、透镜12和三号ZnGeP2晶体13；
经二号平面镜9-2将所述的一束2.1μm激光反射出去，同时二号平面镜9-2对所述的一束8μm～12μm长波红外激光和一束2.8μm的中波红外激光透射后以45°入射角入射至ZnGeP2光参量放大器7中的八号平面镜10-1，经八号平面镜10-1对所述的一束8μm～12μm长波红外激光进行反射，同时对所述的一束2.8μm的中波红外激光进行透射；
所述的一束8μm～12μm长波红外激光经八号平面镜10-1反射后的光以45°入射角入射至六号反射镜11-1，经六号反射镜11-1反射后以45°入射角入射至七号反射镜11-2，经七号反射镜11-2反射后以45°入射角入射至九号平面镜10-2，经九号平面镜10-2反射后垂直入射至透镜12；
所述的一束2.8μm的中波红外激光经八号平面镜10-1透射后的光垂直入射至九号平面镜10-2，经九号平面镜10-2透射后入射至透镜12；
经透镜12透射后的光入射至三号ZnGeP2晶体13，经三号ZnGeP2晶体13进行非线性转换后入射至一号反射镜14。
一束2.1μm脉冲激光是采用1.9μm激光泵浦钬激光器中的单掺杂钬晶体获得的，1.9μm激光是通过半导体激光器泵浦的单掺杂铥固体激光器获得的。
单掺杂铥固体激光器的谐振腔为平凹腔结构，且利用体光栅做平面反射镜；钬激光器为双晶体双末端泵浦结构，即采用四个Tm:YLF固体激光器对两个Ho:YAG晶体进行双末端泵浦。
四号平面镜6-1镀2.1μm高透膜和8～12μm高反膜；二号反射镜6-2镀2.1μm高透膜和8～12μm高反膜；三号反射镜6-3镀2.1μm高透膜和8～12μm高反膜；五号平面镜7-1镀2.1μm高透膜和8～12μm的部分透射膜，五号平面镜7-1的透过率约为27％；一号ZnGeP2晶体8-1端面镀2.1μm的高透膜和8～12μm的高透膜，切割角度51.5°，采用第一类相位匹配方式。
六号平面镜6-4镀2.1μm高透膜和8～12μm高反膜；四号反射镜6-5镀2.1μm高透膜和8～12μm高反膜；五号反射镜6-6镀2.1μm高透膜和8～12μm高反膜；
七号平面镜7-2镀2.1μm高透膜和镀8～12μm的部分透射膜，透过率约为27％；
二号ZnGeP2晶体8-2端面镀2.1μm的高透膜和8～12μm的高透膜，切割角度51.5°，采用第一类相位匹配方式。
六号反射镜11-1和七号反射镜11-2均镀2.8μm高反膜；八号平面镜10-1镀2.8μm高反膜和8μm～12μm高透膜；九号平面镜10-2镀2.8μm高反膜和8μm～12μm高透膜；三号ZnGeP2晶体13端面镀2.8μm高透膜、4.3μm高透膜和8μm～12μm高透膜，切割角度68.4°，采用第二类相位匹配方式。
一号平面镜9-1镀2.1μm高反膜、8μm～12μm高透膜和2.8μm高透膜；二号平面镜9-2镀2.1μm高反膜、8μm～12μm高透膜和2.8μm高透膜。
本发明的目的是提出一种基于偏振合束技术的高功率长波红外8μm～12μm的激光器。该激光器利用半导体激光器泵浦的单掺杂铥(Tm3+)固体激光器获得1.9μm激光，再用1.9μm激光泵浦单掺杂钬(Ho3+)晶体，对钬(Ho3+)激光器采用声光调Q方式产生2.1μm脉冲激光，再以此2.1μm脉冲激光泵浦非线性晶体来获得8μm～12μm长波红外激光，最后再以非线性晶体获得的参量光2.8μm泵浦非线性晶体对8μm～12μm进行放大。
有益效果：将2.1μm脉冲激光分束后分别泵浦两个ZnGeP2光参量振荡器产生两束偏振态相互垂直的8μm～12μm远红外激光，使得单个ZnGeP2晶体上端面承受的泵浦光强度大大降低，并利用光参量放大技术将8μm～12μm激光进一步放大，最后将两束8μm～12μm激光偏振合束成一束高功率的8μm～12μm激光。解决了以光学参量振荡(OPO)或者光参量放大(OPA)的方式获得的8μm～12μm激光的输出功率受晶体膜层损伤阈值限制的问题，使得单个谐振腔很难获得较高的输出功率，而且采用本发明所述的激光器，提高了总的光光转换效率。本发明适用于获取激光的场合。
附图说明
图1为基于偏振合束技术的高功率长波红外8μm～12μm的激光器的结构框图；
图2为基于偏振合束技术的高功率长波红外8μm～12μm的激光器的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一、参照图1和图2具体说明本实施方式，本实施方式所述的基于偏振合束技术的高功率长波红外8μm～12μm的激光器，它包括一号耦合系统5-1、二号耦合系统5-2、三号耦合系统1、分光片2、一号反光镜3、1/2波片4、一号ZnGeP2光学参量振荡器5、二号ZnGeP2光学参量振荡器6、一号平面镜9-1、二号平面镜9-2、三号平面镜10-1、ZnGeP2光参量放大器7、一号反射镜14和偏振片15；
一束2.1μm脉冲激光垂直入射至三号耦合系统1，经三号耦合系统1进行光束变换后以45°入射角入射至分光片2，经分光片2分为两束光，两束光均为水平偏振2.1μm激光；
一束水平偏振2.1μm激光经分光片2反射后垂直入射至1/2波片4，经1/2波片4旋转为垂直偏振的偏振光，该垂直偏振的偏振光入射至一号耦合系统5-1，经一号耦合系统5-1进行光束变换后入射至一号ZnGeP2光学参量振荡器5，经一号ZnGeP2光学参量振荡器5进行非线性转换后获得一号输出激光，该一号输出激光由一束8μm～12μm水平偏振长波红外激光、一束2.8μm的中红外激光和一束2.1μm激光构成，一号ZnGeP2光学参量振荡器5的一号输出激光以45°入射角入射至一号平面镜9-1，经一号平面镜9-1将所述的一束2.1μm激光反射出去，同时一号平面镜9-1对所述的一束8μm～12μm水平偏振长波红外激光和一束2.8μm的中红外激光透射后以45°入射角入射至三号平面镜10-1，经三号平面镜10-1将所述的一束2.8μm的中红外激光反射出去，同时三号平面镜10-1对所述的一束8μm～12μm水平偏振长波红外激光透射后获得透射的8μm～12μm水平偏振的长波红外激光以45°入射角入射至偏振片15；
另一束水平偏振2.1μm激光经分光片2透射后偏振态保持不变，并以45°入射角入射至一号反光镜3，经一号反光镜3反射后垂直入射至二号耦合系统5-2，经二号耦合系统5-2进行光束变换后入射至二号ZnGeP2光学参量振荡器6，经二号ZnGeP2光学参量振荡器6进行非线性转换后获得二号输出激光，该二号输出激光由一束8μm～12μm长波红外激光、一束2.8μm的中波红外激光和一束2.1μm激光构成；二号ZnGeP2光学参量振荡器6的二号输出激光以45°入射角入射至二号平面镜9-2，经二号平面镜9-2将所述的一束2.1μm激光反射出去，同时二号平面镜9-2对所述的一束8μm～12μm长波红外激光和一束2.8μm的中波红外激光透射后以45°入射角入射至ZnGeP2光参量放大器7，经ZnGeP2光参量放大器7放大后获得一束由8μm～12μm长波红外激光和4.3μm中波红外激光构成的合成光，该合成光以45°入射角入射至一号反射镜14，经一号反射镜14将4.3μm中波红外激光反射出去，所述的一束8μm～12μm长波红外激光经一号反射镜14反射后获得反射的8μm～12μm垂直偏振的长波红外激光，且该反射的8μm～12μm垂直偏振的长波红外激光45°入射角入射至偏振片15；
经过偏振片15将透射的8μm～12μm水平偏振的长波红外激光和反射的8μm～12μm垂直偏振的长波红外激光合成一束激光并输出。
本实施方式中，一束2.1μm脉冲激光分束后分别泵浦两个ZnGeP2光参量振荡器产生两束偏振态相互垂直的8μm～12μm长波红外激光，使得单个ZnGeP2晶体上端面承受的泵浦光强度大大降低，并利用ZnGeP2光参量放大器将其中一束8μm～12μm长波红外激光进一步放大，最后将两束8μm～12μm长波红外激光经偏振片15偏振合束成一束高功率的8μm～12μm激光。
本发明通过将光学参量振荡(OPO)与光参量放大(OPA)相结合的方式获得的8μm～12μm激光，该8μm～12μm激光的输出功率不会受限于晶体膜层损伤阈值的限制，使得单个谐振腔获得了较高的输出功率，而且采用本发明所述的激光器，提高了总的光光转换效率。
具体实施方式二、本具体实施方式是对具体实施方式一所述的基于偏振合束技术的高功率长波红外8μm～12μm的激光器的进一步说明，本实施方式中，一号ZnGeP2光学参量振荡器5包括四号平面镜6-1、五号平面镜7-1、二号反射镜6-2、三号反射镜6-3和一号ZnGeP2晶体8-1；
经一号耦合系统5-1进行光束变换后入射至一号ZnGeP2光学参量振荡器5的四号平面镜6-1，入射角度为45°，经四号平面镜6-1透射后入射至一号ZnGeP2晶体8-1，经一号ZnGeP2晶体8-1后以45°入射角入射至五号平面镜7-1，经五号平面镜7-1反射和透射；
经五号平面镜7-1反射后以45°入射角入射至三号反射镜6-3；经三号反射镜6-3反射后以45°入射角入射至二号反射镜6-2，经二号反射镜6-2反射后以45°入射角入射至四号平面镜6-1；
经五号平面镜7-1透射后以45°入射角入射至一号平面镜9-1。
本实施方式中，在实际工作过程中，经一号耦合系统5-1进行光束变换后的激光经过四号平面镜6-1透射、一号ZnGeP2晶体8-1进行非线性转换，再由两个平面镜和两个反射镜四号平面镜6-1、五号平面镜7-1、二号反射镜6-2、三号反射镜6-3组成的谐振腔中振荡，最后由五号平面镜7-1透射输出。
具体实施方式三、本具体实施方式是对具体实施方式一所述的基于偏振合束技术的高功率长波红外8μm～12μm的激光器的进一步说明，本实施方式中，二号ZnGeP2光学参量振荡器6包括六号平面镜6-4、七号平面镜7-2、四号反射镜6-5、五号反射镜6-6和二号ZnGeP2晶体8-2；
经二号耦合系统5-2进行光束变换后入射至二号ZnGeP2光学参量振荡器6中的六号平面镜6-4，经六号平面镜6-4透射后入射至二号ZnGeP2晶体8-2；经二号ZnGeP2晶体8-2后以45°入射角入射至七号平面镜7-2，经七号平面镜7-2反射和透射；
经七号平面镜7-2反射后以45°入射角入射至五号反射镜6-6；经五号反射镜6-6反射后以45°入射角入射至四号反射镜6-5，经四号反射镜6-5反射后以45°入射角入射至六号平面镜6-4；
经七号平面镜7-2透射后以45°入射角入射至二号平面镜9-2。
本实施方式中，在实际工作过程中，经二号耦合系统5-2进行光束变换后的激光经过六号平面镜6-4透射、二号ZnGeP2晶体8-2进行非线性转换，在四个平面镜六号平面镜6-4、七号平面镜7-2、四号反射镜6-5、五号反射镜6-6组成的谐振腔中振荡，最后由五号平面镜7-1透射输出。
具体实施方式四、本具体实施方式是对具体实施方式一所述的基于偏振合束技术的高功率长波红外8μm～12μm的激光器的进一步说明，本实施方式中，ZnGeP2光参量放大器7包括八号平面镜10-1、九号平面镜10-2、六号反射镜11-1、七号反射镜11-2、透镜12和三号ZnGeP2晶体13；
经二号平面镜9-2将所述的一束2.1μm激光反射出去，同时二号平面镜9-2对所述的一束8μm～12μm长波红外激光和一束2.8μm的中波红外激光透射后以45°入射角入射至ZnGeP2光参量放大器7中的八号平面镜10-1，经八号平面镜10-1对所述的一束8μm～12μm长波红外激光进行反射，同时对所述的一束2.8μm的中波红外激光进行透射；
所述的一束8μm～12μm长波红外激光经八号平面镜10-1反射后的光以45°入射角入射至六号反射镜11-1，经六号反射镜11-1反射后以45°入射角入射至七号反射镜11-2，经七号反射镜11-2反射后以45°入射角入射至九号平面镜10-2，经九号平面镜10-2反射后垂直入射至透镜12；
所述的一束2.8μm的中波红外激光经八号平面镜10-1透射后的光垂直入射至九号平面镜10-2，经九号平面镜10-2透射后入射至透镜12；
经透镜12透射后的光入射至三号ZnGeP2晶体13，经三号ZnGeP2晶体13进行非线性转换后入射至一号反射镜14。
本实施方式中，结合实施方式一至四说明，ZnGeP2光参量放大器7的作用是对经二号平面镜9-2透射的8μm～12μm长波红外激光进行放大，利用OPO产生的2.8μm的中波红外激光(也叫参量光)作为OPA的泵浦光，极大地提高了光光的转换效率，产生放大的8μm～12μm长波红外激光和4.3μm中波红外光构成的合成光。该合成光经一号反射镜14反射后入射至偏振片15，偏振片15将经ZnGeP2光参量放大器7放大、再经一号反射镜14反射后获得的反射的垂直偏振的8μm～12μm长波红外激光与实施方式一中获得的透射的8μm～12μm水平偏振的长波红外激光合成一束，最后得到高功率的8μm～12μm长波红外激光。
具体实施方式五、本具体实施方式是对具体实施方式一所述的基于偏振合束技术的高功率长波红外8μm～12μm的激光器的进一步说明，本实施方式中，一束2.1μm脉冲激光是采用1.9μm激光泵浦钬激光器中的单掺杂钬晶体获得的，1.9μm激光是通过半导体激光器泵浦的单掺杂铥固体激光器获得的。
本实施方式中，利用半导体激光器泵浦的单掺杂铥(Tm3+)固体激光器(Tm:YLF固体激光器)获得1.9μm激光，再用1.9μm激光泵浦单掺杂钬(Ho3+)晶体，对钬(Ho3+)激光器(Ho:YAG激光器)采用声光调Q方式产生2.1μm脉冲激光。
采用的Tm:YLF固体激光器是采用光纤耦合的792nm激光二极管(LD)泵浦的板条状的Tm:YLF晶体，利用双末端泵浦方式。
具体实施方式六、本具体实施方式是对具体实施方式五所述的基于偏振合束技术的高功率长波红外8μm～12μm的激光器的进一步说明，本实施方式中，单掺杂铥固体激光器的谐振腔为平凹腔结构，且利用体光栅做平面反射镜；钬激光器为双晶体双末端泵浦结构，即采用四个Tm:YLF固体激光器对两个Ho:YAG晶体进行双末端泵浦。
具体实施方式七、本具体实施方式是对具体实施方式二所述的基于偏振合束技术的高功率长波红外8μm～12μm的激光器的进一步说明，本实施方式中，四号平面镜6-1镀2.1μm高透膜和8～12μm高反膜；二号反射镜6-2镀2.1μm高透膜和8～12μm高反膜；三号反射镜6-3镀2.1μm高透膜和8～12μm高反膜；五号平面镜7-1镀2.1μm高透膜和8～12μm的部分透射膜，五号平面镜7-1的透过率约为27％；一号ZnGeP2晶体8-1端面镀2.1μm的高透膜和8～12μm的高透膜，切割角度51.5°，采用第一类相位匹配方式。
镀膜是为了增大反射率或者透射率或者限定透射率，最大的减小损耗，不镀膜做不出光或者出光很差，激光器件都需要镀膜。
具体实施方式八、本具体实施方式是对具体实施方式三所述的基于偏振合束技术的高功率长波红外8μm～12μm的激光器的进一步说明，本实施方式中，六号平面镜6-4镀2.1μm高透膜和8～12μm高反膜；四号反射镜6-5镀2.1μm高透膜和8～12μm高反膜；五号反射镜6-6镀2.1μm高透膜和8～12μm高反膜；
七号平面镜7-2镀2.1μm高透膜和镀8～12μm的部分透射膜，透过率约为27％；
二号ZnGeP2晶体8-2端面镀2.1μm的高透膜和8～12μm的高透膜，切割角度51.5°，采用第一类相位匹配方式。
具体实施方式九、本具体实施方式是对具体实施方式四所述的基于偏振合束技术的高功率长波红外8μm～12μm的激光器的进一步说明，本实施方式中，六号反射镜11-1和七号反射镜11-2均镀2.8μm高反膜；八号平面镜10-1镀2.8μm高反膜和8μm～12μm高透膜；九号平面镜10-2镀2.8μm高反膜和8μm～12μm高透膜；三号ZnGeP2晶体13端面镀2.8μm高透膜、4.3μm高透膜和8μm～12μm高透膜，切割角度68.4°，采用第二类相位匹配方式。
采用第二类相位匹配方式的作用由于OPO采用了第一类匹配方式，所以OPA这里只能采用第二类匹配方式。
具体实施方式十、本具体实施方式是对具体实施方式一所述的基于偏振合束技术的高功率长波红外8μm～12μm的激光器的进一步说明，本实施方式中，一号平面镜9-1镀2.1μm高反膜、8μm～12μm高透膜和2.8μm高透膜；二号平面镜9-2镀2.1μm高反膜、8μm～12μm高透膜和2.8μm高透膜。
本发明利用多个OPO或OPA进行光束合束，解决了损伤阈值低的问题。在众多常用的非线性转换晶体中，ZnGeP2晶体的非线性系数较大(75pm/V)和热导率较高(0.18W/m·K)，ZnGeP2-OPO和OPA是实现8～12μm非线性光学频率转换的有效方法。
具体实施方式十一、本实施方式为一个实施例。
Ho晶体选用Ho:YAG晶体，长度45mm，Ho3+掺杂浓度为0.8at.％。Tm:YLF固体激光器的发射波长为1908nm，Ho激光器输出镜曲率半径为-300mm，2.1μm的透过率为70％，OPO输出镜对8-12μm透过率为27％。
采用上述参数，当向ZnGeP2光学参量振荡器注入2.1μmHo:YAG泵浦激光110W时，获得了7.14W稳定的8～12μm远红外激光输出，2.1μm到8μm的光光转换效率达到6.5％。
Claims (10)
1.基于偏振合束技术的高功率长波红外8μm～12μm的激光器，其特征在于，它包括一号耦合系统(5-1)、二号耦合系统(5-2)、三号耦合系统(1)、分光片(2)、一号反光镜(3)、1/2波片(4)、一号ZnGeP2光学参量振荡器(5)、二号ZnGeP2光学参量振荡器(6)、一号平面镜(9-1)、二号平面镜(9-2)、三号平面镜(10-1)、ZnGeP2光参量放大器(7)、一号反射镜(14)和偏振片(15)；
一束2.1μm脉冲激光垂直入射至三号耦合系统(1)，经三号耦合系统(1)进行光束变换后以45°入射角入射至分光片(2)，经分光片(2)分为两束光，两束光均为水平偏振2.1μm激光；
一束水平偏振2.1μm激光经分光片(2)反射后垂直入射至1/2波片(4)，经1/2波片(4)旋转为垂直偏振的偏振光，该垂直偏振的偏振光入射至一号耦合系统(5-1)，经一号耦合系统(5-1)进行光束变换后入射至一号ZnGeP2光学参量振荡器(5)，经一号ZnGeP2光学参量振荡器(5)进行非线性转换后获得一号输出激光，该一号输出激光由一束8μm～12μm水平偏振长波红外激光、一束2.8μm的中红外激光和一束2.1μm激光构成，一号ZnGeP2光学参量振荡器(5)的一号输出激光以45°入射角入射至一号平面镜(9-1)，经一号平面镜(9-1)将所述的一束2.1μm激光反射出去，同时一号平面镜(9-1)对所述的一束8μm～12μm水平偏振长波红外激光和一束2.8μm的中红外激光透射后以45°入射角入射至三号平面镜(10-1)，经三号平面镜(10-1)将所述的一束2.8μm的中红外激光反射出去，同时三号平面镜(10-1)对所述的一束8μm～12μm水平偏振长波红外激光透射后获得透射的8μm～12μm水平偏振的长波红外激光以45°入射角入射至偏振片(15)；
另一束水平偏振2.1μm激光经分光片(2)透射后偏振态保持不变，并以45°入射角入射至一号反光镜(3)，经一号反光镜(3)反射后垂直入射至二号耦合系统(5-2)，经二号耦合系统(5-2)进行光束变换后入射至二号ZnGeP2光学参量振荡器(6)，经二号ZnGeP2光学参量振荡器(6)进行非线性转换后获得二号输出激光，该二号输出激光由一束8μm～12μm长波红外激光、一束2.8μm的中波红外激光和一束2.1μm激光构成；二号ZnGeP2光学参量振荡器(6)的二号输出激光以45°入射角入射至二号平面镜(9-2)，经二号平面镜(9-2)将所述的一束2.1μm激光反射出去，同时二号平面镜(9-2)对所述的一束8μm～12μm长波红外激光和一束2.8μm的中波红外激光透射后以45°入射角入射至ZnGeP2光参量放大器(7)，经ZnGeP2光参量放大器(7)放大后获得一束由8μm～12μm长波红外激光和4.3μm中波红外激光构成的合成光，该合成光以45°入射角入射至一号反射镜(14)，经一号反射镜(14)将4.3μm中波红外激光反射出去，所述的一束8μm～12μm长波红外激光经一号反射镜(14)反射后获得反射的8μm～12μm垂直偏振的长波红外激光，且该反射的8μm～12μm垂直偏振的长波红外激光以45°入射角入射至偏振片(15)；
经过偏振片(15)将透射的8μm～12μm水平偏振的长波红外激光和反射的8μm～12μm垂直偏振的长波红外激光合成一束激光并输出。
2.根据权利要求1所述的基于偏振合束技术的高功率长波红外8μm～12μm的激光器，其特征在于，一号ZnGeP2光学参量振荡器(5)包括四号平面镜(6-1)、五号平面镜(7-1)、二号反射镜(6-2)、三号反射镜(6-3)和一号ZnGeP2晶体(8-1)；
经一号耦合系统(5-1)进行光束变换后入射至一号ZnGeP2光学参量振荡器(5)的四号平面镜(6-1)，入射角度为45°，经四号平面镜(6-1)透射后入射至一号ZnGeP2晶体(8-1)，经一号ZnGeP2晶体(8-1)后以45°入射角入射至五号平面镜(7-1)，经五号平面镜(7-1)反射和透射；
经五号平面镜(7-1)反射后以45°入射角入射至三号反射镜(6-3)；经三号反射镜(6-3)反射后以45°入射角入射至二号反射镜(6-2)，经二号反射镜(6-2)反射后以45°入射角入射至四号平面镜(6-1)；
经五号平面镜(7-1)透射后以45°入射角入射至一号平面镜(9-1)。
3.根据权利要求1所述的基于偏振合束技术的高功率长波红外8μm～12μm的激光器，其特征在于，二号ZnGeP2光学参量振荡器(6)包括六号平面镜(6-4)、七号平面镜(7-2)、四号反射镜(6-5)、五号反射镜(6-6)和二号ZnGeP2晶体(8-2)；
经二号耦合系统(5-2)进行光束变换后入射至二号ZnGeP2光学参量振荡器(6)中的六号平面镜(6-4)，经六号平面镜(6-4)透射后入射至二号ZnGeP2晶体(8-2)；经二号ZnGeP2晶体(8-2)后以45°入射角入射至七号平面镜(7-2)，经七号平面镜(7-2)反射和透射；
经七号平面镜(7-2)反射后以45°入射角入射至五号反射镜(6-6)；经五号反射镜(6-6)反射后以45°入射角入射至四号反射镜(6-5)，经四号反射镜(6-5)反射后以45°入射角入射至六号平面镜(6-4)；
经七号平面镜(7-2)透射后以45°入射角入射至二号平面镜(9-2)。
4.根据权利要求1所述的基于偏振合束技术的高功率长波红外8μm～12μm的激光器，其特征在于，ZnGeP2光参量放大器(7)包括八号平面镜(10-1)、九号平面镜(10-2)、六号反射镜(11-1)、七号反射镜(11-2)、透镜(12)和三号ZnGeP2晶体(13)；
经二号平面镜(9-2)将所述的一束2.1μm激光反射出去，同时二号平面镜(9-2)对所述的一束8μm～12μm长波红外激光和一束2.8μm的中波红外激光透射后以45°入射角入射至ZnGeP2光参量放大器(7)中的八号平面镜(10-1)，经八号平面镜(10-1)对所述的一束8μm～12μm长波红外激光进行反射，同时对所述的一束2.8μm的中波红外激光进行透射；
所述的一束8μm～12μm长波红外激光经八号平面镜(10-1)反射后的光以45°入射角入射至六号反射镜(11-1)，经六号反射镜(11-1)反射后以45°入射角入射至七号反射镜(11-2)，经七号反射镜(11-2)反射后以45°入射角入射至九号平面镜(10-2)，经九号平面镜(10-2)反射后垂直入射至透镜(12)；
所述的一束2.8μm的中波红外激光经八号平面镜(10-1)透射后的光垂直入射至九号平面镜(10-2)，经九号平面镜(10-2)透射后入射至透镜(12)；
经透镜(12)透射后的光入射至三号ZnGeP2晶体(13)，经三号ZnGeP2晶体(13)进行非线性转换后入射至一号反射镜(14)。
5.根据权利要求1所述的基于偏振合束技术的高功率长波红外8μm～12μm的激光器，其特征在于，一束2.1μm脉冲激光是采用1.9μm激光泵浦钬激光器中的单掺杂钬晶体获得的，1.9μm激光是通过半导体激光器泵浦的单掺杂铥固体激光器获得的。
6.根据权利要求5所述的基于偏振合束技术的高功率长波红外8μm～12μm的激光器，其特征在于，单掺杂铥固体激光器的谐振腔为平凹腔结构，且利用体光栅做平面反射镜；钬激光器为双晶体双末端泵浦结构，即采用四个Tm:YLF固体激光器对两个Ho:YAG晶体进行双末端泵浦。
7.根据权利要求2所述的基于偏振合束技术的高功率长波红外8μm～12μm的激光器，其特征在于，四号平面镜(6-1)镀2.1μm高透膜和8～12μm高反膜；二号反射镜(6-2)镀2.1μm高透膜和8～12μm高反膜；三号反射镜(6-3)镀2.1μm高透膜和8～12μm高反膜；五号平面镜(7-1)镀2.1μm高透膜和8～12μm的部分透射膜，五号平面镜(7-1)的透过率约为27％；一号ZnGeP2晶体(8-1)端面镀2.1μm的高透膜和8～12μm的高透膜，切割角度51.5°，采用第一类相位匹配方式。
8.根据权利要求3所述的基于偏振合束技术的高功率长波红外8μm～12μm的激光器，其特征在于，六号平面镜(6-4)镀2.1μm高透膜和8～12μm高反膜；四号反射镜(6-5)镀2.1μm高透膜和8～12μm高反膜；五号反射镜(6-6)镀2.1μm高透膜和8～12μm高反膜；
七号平面镜(7-2)镀2.1μm高透膜和镀8～12μm的部分透射膜，透过率约为27％；
二号ZnGeP2晶体(8-2)端面镀2.1μm的高透膜和8～12μm的高透膜，切割角度51.5°，采用第一类相位匹配方式。
9.根据权利要求4所述的基于偏振合束技术的高功率长波红外8μm～12μm的激光器，其特征在于，六号反射镜(11-1)和七号反射镜(11-2)均镀2.8μm高反膜；八号平面镜(10-1)镀2.8μm高反膜和8μm～12μm高透膜；九号平面镜(10-2)镀2.8μm高反膜和8μm～12μm高透膜；三号ZnGeP2晶体(13)端面镀2.8μm高透膜、4.3μm高透膜和8μm～12μm高透膜，切割角度68.4°，采用第二类相位匹配方式。
10.根据权利要求1所述的基于偏振合束技术的高功率长波红外8μm～12μm的激光器，其特征在于，一号平面镜(9-1)镀2.1μm高反膜、8μm～12μm高透膜和2.8μm高透膜；二号平面镜(9-2)镀2.1μm高反膜、8μm～12μm高透膜和2.8μm高透膜。
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