CN105098579B - 新型远红外8μm激光放大装置 - Google Patents
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Abstract
新型远红外8μm激光放大装置，涉及激光应用技术领域。解决了采用OPO输出的泵浦光作为OPA的输入光时，其光光转换效率低的问题。采用一束2.1μm脉冲激光泵浦OPO产生8μm长波红外激光和2.8μm中波红外激光，再以OPO产生的2.8μm中波红外激光为泵浦光泵浦OPA对8μm长波红外激光进行放大，提高了总的光光转换效率。本发明适用于激光放大场合。
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8-12μm波段具有较强的吸收谱线。因此，这些特性使得8～12μm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～10μm激光输出的主要技术途径有差频(DF)、光学参量产生(OPG)、光学参量振荡(OPO)和光参量放大器(OPA)。相对于DF和OPG技术，OPO和OPA技术装置简单，能够获得高重复频率、高平均功率输出，普通的OPA是采用OPO输出的泵浦光作为输入光，即2.1μm激光作为泵浦光进行放大，这种方式获得的总的光光转换效率较低。
发明内容
本发明为了解决采用OPO输出的泵浦光作为OPA的输入光时，其光光转换效率低的问题，提出了新型远红外8μm激光放大装置。
新型远红外8μm激光放大装置，它包括一号耦合系统1-1、45°反射镜2、二号耦合系统1-2、ZnGeP2光学参量振荡器3、45°平面镜6和ZnGeP2光参量放大器1；
一束2.1μm脉冲激光垂直入射至一号耦合系统1-1，经一号耦合系统1-1进行光束变换后以45°入射角入射至45°反射镜2，经45°反射镜2反射后垂直入射至二号耦合系统1-2，经二号耦合系统1-2进行光束变换后入射至ZnGeP2光学参量振荡器3，经ZnGeP2光学参量振荡器3进行非线性转换获得输出激光，该输出激光由一束8μm长波红外激光和一束2.8μm的中波红外激光构成，ZnGeP2光学参量振荡器3的输出激光入射至45°平面镜6，经45°平面镜6透射后获得的透射的8μm长波红外激光和透射的2.8μm的中波红外激光，透射的8μm长波红外激光和透射的2.8μm的中波红外激光入射至ZnGeP2光参量放大器1，经ZnGeP2光参量放大器1后输出放大的8μm长波红外激光和一束4.3μm的中波红外激光。
ZnGeP2光学参量振荡器3包括一号平面镜3-1、二号反射镜3-2、一号反射镜3-3、二号平面镜4和一号ZnGeP2晶体5；
经二号耦合系统1-2进行光束变换后入射至ZnGeP2光学参量振荡器3中的一号平面镜3-1，入射角度为45°，经一号平面镜3-1透射后入射至一号ZnGeP2晶体5，经一号ZnGeP2晶体5进行非线性转换后以45°入射角入射至二号平面镜4，经二号平面镜4反射和透射；
经二号平面镜4反射后以45°入射角入射至一号反射镜3-3；经一号反射镜3-3反射后以45°入射角入射至二号反射镜3-2，经二号反射镜3-2反射后以45°入射角入射至一号平面镜3-1；
经一号平面镜3-1透射后入射至一号ZnGeP2晶体5，经一号ZnGeP2晶体5后以45°入射角再次入射至二号平面镜4，经二号平面镜4透射后以45°入射角入射至45°平面镜6。
ZnGeP2光参量放大器1包括三号平面镜7-1、四号平面镜7-2、三号反射镜8-1、四号反射镜8-2、透镜9和二号ZnGeP2晶体10；
透射的8μm长波红外激光和透射的2.8μm的中波红外激光以45°入射角入射至三号平面镜7-1，经三号平面镜7-1对所述的8μm长波红外激光进行反射，同时对2.8μm的中波红外激光进行透射；
所述的8μm长波红外激光经三号平面镜7-1反射后以45°入射角入射至三号反射镜8-1，经三号反射镜8-1反射后以45°入射角入射至四号反射镜8-2，经四号反射镜8-2反射后以45°入射角入射至四号平面镜7-2，经四号平面镜7-2反射后垂直入射至透镜9，经透镜9透射后经二号ZnGeP2晶体10进行非线性光参量放大；
所述的2.8μm的中波红外激光经三号平面镜7-1透射后以45°入射角入射至四号平面镜7-2，经四号平面镜7-2透射后垂直入射至透镜9，经透镜9透射后进入二号ZnGeP2晶体10作为ZnGeP2光参量放大器1的泵浦光。
一束2.1μm脉冲激光是采用1.9μm的Tm:YLF固体激光器泵浦2.1μm Ho:YAG激光器中的Ho:YAG晶体获得的。
Tm:YLF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；Ho:YAG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。
一号平面镜3-1镀2.1μm高透膜和8～12μm高反膜；一号反射镜3-3镀2.1μm高透膜和8～12μm高反膜；二号反射镜3-2镀2.1μm高透膜和8～12μm高反膜；
二号平面镜4镀2.1μm高透膜和8～12μm的部分透射膜，二号平面镜4的透过率为27％；
一号ZnGeP2晶体5端面镀2.1μm的高透膜和8～12μm的高透膜，切割角度为51.5°，采用第一类相位匹配方式。
三号平面镜7-1镀2.8μm高反膜和8～12μm高透膜；四号平面镜7-2镀2.8μm高反膜和8～12μm高透膜；
三号反射镜8-1和四号反射镜8-2均镀2.8μm高反膜；
二号ZnGeP2晶体10端面镀2.8μm高透膜、4.3μm高透膜和8～12μm高透膜，切割角度为68.4°，采用第二类相位匹配方式。
45°平面镜6镀2.1μm高反膜、8～12μm高透膜和2.8μm高透膜。
本发明是为了提出一种新型的光参量放大技术，采用一束2.1μm脉冲激光泵浦OPO产生8μm长波红外激光和2.8μm中波红外激光，再以OPO产生的2.8μm中波红外激光为泵浦光泵浦OPA对8μm长波红外激光进行放大，提高了总的光光转换效率。
利用OPO产生的一束参量光作为OPA的泵浦光，对OPO产生的参量光再利用，提高了总的光光转换效率。本发明适用于激光放大场合。
附图说明
图1为新型远红外8μm激光放大装置的结构框图；
图2为新型远红外8μm激光放大装置的内部结构示意图。
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，本实施方式所述的新型远红外8μm激光放大装置，它包括一号耦合系统1-1、45°反射镜2、二号耦合系统1-2、ZnGeP2光学参量振荡器3、45°平面镜6和ZnGeP2光参量放大器1；
一束2.1μm脉冲激光垂直入射至一号耦合系统1-1，经一号耦合系统1-1进行光束变换后以45°入射角入射至45°反射镜2，经45°反射镜2反射后垂直入射至二号耦合系统1-2，经二号耦合系统1-2进行光束变换后入射至ZnGeP2光学参量振荡器3，经ZnGeP2光学参量振荡器3进行非线性转换获得输出激光，该输出激光由一束8μm长波红外激光和一束2.8μm的中波红外激光构成，ZnGeP2光学参量振荡器3的输出激光入射至45°平面镜6，经45°平面镜6透射后获得的透射的8μm长波红外激光和透射的2.8μm的中波红外激光，透射的8μm长波红外激光和透射的2.8μm的中波红外激光入射至ZnGeP2光参量放大器1，经ZnGeP2光参量放大器1后输出放大的8μm长波红外激光和一束4.3μm的中波红外激光。
本发明的特点是采用光参量放大器，将光参量振荡器(OPO)产生的2.8μm泵浦光和8μm长波红外激光进行放大，使得长波激光器达到较高的功率水平。
本发明将光参量振荡器技术和光参量放大技术相结合，极大地提高了光参量放大器(OPA)的放大系数，使得长波8～12μm激光实现高功率运转，并且整个激光系统结构紧凑、工作稳定性好，便于运载和操作。
本实施方式中，放大的8μm长波红外激光经一号45°反射镜11反射后输出至功率计。本发明采用OPO输出的一束参量光即2.8μm激光做OPA的泵浦光，对OPO产生的光进行再利用，极大地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新型远红外8μm激光放大装置的进一步说明，本实施方式中，ZnGeP2光学参量振荡器3包括一号平面镜3-1、二号反射镜3-2、一号反射镜3-3、二号平面镜4和一号ZnGeP2晶体5；
经二号耦合系统1-2进行光束变换后入射至ZnGeP2光学参量振荡器3中的一号平面镜3-1，入射角度为45°，经一号平面镜3-1透射后入射至一号ZnGeP2晶体5，经一号ZnGeP2晶体5进行非线性转换后以45°入射角入射至二号平面镜4，经二号平面镜4反射和透射；
经二号平面镜4反射后以45°入射角入射至一号反射镜3-3；经一号反射镜3-3反射后以45°入射角入射至二号反射镜3-2，经二号反射镜3-2反射后以45°入射角入射至一号平面镜3-1；
经一号平面镜3-1透射后入射至一号ZnGeP2晶体5，经一号ZnGeP2晶体5后以45°入射角再次入射至二号平面镜4，经二号平面镜4透射后以45°入射角入射至45°平面镜6。
本实施方式中，在实际工作过程中，经二号耦合系统1-2进行光束变换后的激光经过一号平面镜3-1透射、一号ZnGeP2晶体5进行非线性转换，再由两个平面镜和两个反射镜(一号平面镜3-1、二号反射镜3-2、一号反射镜3-3、二号平面镜4)组成的谐振腔中振荡，最后由二号平面镜4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新型远红外8μm激光放大装置的进一步说明，本实施方式中，ZnGeP2光参量放大器1包括三号平面镜7-1、四号平面镜7-2、三号反射镜8-1、四号反射镜8-2、透镜9和二号ZnGeP2晶体10；
透射的8μm长波红外激光和透射的2.8μm的中波红外激光以45°入射角入射至三号平面镜7-1，经三号平面镜7-1对所述的8μm长波红外激光进行反射，同时对2.8μm的中波红外激光进行透射；
所述的8μm长波红外激光经三号平面镜7-1反射后以45°入射角入射至三号反射镜8-1，经三号反射镜8-1反射后以45°入射角入射至四号反射镜8-2，经四号反射镜8-2反射后以45°入射角入射至四号平面镜7-2，经四号平面镜7-2反射后垂直入射至透镜9，经透镜9透射后经二号ZnGeP2晶体10进行非线性光参量放大；
所述的2.8μm的中波红外激光经三号平面镜7-1透射后以45°入射角入射至四号平面镜7-2，经四号平面镜7-2透射后垂直入射至透镜9，经透镜9透射后进入二号ZnGeP2晶体10作为ZnGeP2光参量放大器1的泵浦光。
本实施方式中，在黄铜矿类非线性晶体中，ZnGeP2(ZGP)晶体是目前产生中远红外激光输出(包括3-5μm和8-10μm)最有效的非线性晶体之一。ZnGeP2晶体的非线性系数较大(75pm/V)和热导率较高(0.18W/m·K)，ZGP-OPO和OPA是实现8～12μm非线性光学频率转换的有效方法。
透射的8μm长波红外激光和透射的2.8μm的中波红外激光入射至ZnGeP2光参量放大器1，经ZnGeP2光参量放大器1后输出放大的8μm长波红外激光和一束4.3μm的中波红外激光。2.8μm作为泵浦光，8～12μm激光为种子光，经ZnGeP2晶体非线性转换后得到两束参量光，一束是8～12μm激光，另外一束就是4.3μm激光。
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新型远红外8μm激光放大装置的进一步说明，本实施方式中，一束2.1μm脉冲激光是采用1.9μm的Tm:YLF固体激光器泵浦2.1μm Ho:YAG激光器中的Ho:YAG晶体获得的。
本实施方式中，采用的1.9μm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固体激光器，利用光纤耦合的792nm激光二极管双末端泵浦。
具体实施方式五、本具体实施方式是对具体实施方式四所述的新型远红外8μm激光放大装置的进一步说明，本实施方式中，Tm:YLF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；Ho:YAG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。
具体实施方式六、本具体实施方式是对具体实施方式二所述的新型远红外8μm激光放大装置的进一步说明，本实施方式中，一号平面镜3-1镀2.1μm高透膜和8～12μm高反膜；一号反射镜3-3镀2.1μm高透膜和8～12μm高反膜；二号反射镜3-2镀2.1μm高透膜和8～12μm高反膜；
二号平面镜4镀2.1μm高透膜和8～12μm的部分透射膜，二号平面镜4的透过率为27％；
一号ZnGeP2晶体5端面镀2.1μm的高透膜和8～12μm的高透膜，切割角度为51.5°，采用第一类相位匹配方式。
所有的透过率和反射率都是镀完膜后的透过率和反射率。
具体实施方式七、本具体实施方式是对具体实施方式三所述的新型远红外8μm激光放大装置的进一步说明，本实施方式中，三号平面镜7-1镀2.8μm高反膜和8～12μm高透膜；四号平面镜7-2镀2.8μm高反膜和8～12μm高透膜；
三号反射镜8-1和四号反射镜8-2均镀2.8μm高反膜；
二号ZnGeP2晶体10端面镀2.8μm高透膜、4.3μm高透膜和8～12μm高透膜，切割角度为68.4°，采用第二类相位匹配方式。
具体实施方式八、本具体实施方式是对具体实施方式一所述的新型远红外8μm激光放大装置的进一步说明，本实施方式中，45°平面镜6镀2.1μm高反膜、8～12μm高透膜和2.8μm高透膜。
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。
具体实施方式九、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30％。
采用上述参数，当向ZnGeP2光学参量振荡器注入2.1μm Ho:YAG泵浦激光59.9W时，获得了4.7W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7.85％。
利用2.1μm激光泵浦一类ZnGeP2晶体获得一束8～12μm长波红外激光和一束2.8μm激光；以OPO产生的8μm和2.8μm激光分别为种子光和泵浦光，利用二类ZnGeP2晶体对8μm激光进行光参量放大，极大地提高了总的光光转换效率和长波8μm激光的输出功率。
Claims (7)
1.远红外8μm激光放大装置，它包括一号耦合系统(1-1)、45°反射镜(2)、二号耦合系统(1-2)、ZnGeP2光学参量振荡器(3)、45°平面镜(6)和ZnGeP2光参量放大器(1)；
一束2.1μm脉冲激光垂直入射至一号耦合系统(1-1)，经一号耦合系统(1-1)进行光束变换后以45°入射角入射至45°反射镜(2)，经45°反射镜(2)反射后垂直入射至二号耦合系统(1-2)，经二号耦合系统(1-2)进行光束变换后入射至ZnGeP2光学参量振荡器(3)，经ZnGeP2光学参量振荡器(3)进行非线性转换获得输出激光，该输出激光由一束8μm长波红外激光和一束2.8μm的中波红外激光构成，ZnGeP2光学参量振荡器(3)的输出激光入射至45°平面镜(6)，经45°平面镜(6)透射后获得透射的8μm长波红外激光和透射的2.8μm的中波红外激光，透射的8μm长波红外激光和透射的2.8μm的中波红外激光入射至ZnGeP2光参量放大器(1)，经ZnGeP2光参量放大器(1)后输出放大的8μm长波红外激光和一束4.3μm的中波红外激光；
其特征在于，所述的ZnGeP2光参量放大器(1)包括三号平面镜(7-1)、四号平面镜(7-2)、三号反射镜(8-1)、四号反射镜(8-2)、透镜(9)和二号ZnGeP2晶体(10)；
透射的8μm长波红外激光和透射的2.8μm的中波红外激光以45°入射角入射至三号平面镜(7-1)，经三号平面镜(7-1)对所述的8μm长波红外激光进行反射，同时对2.8μm的中波红外激光进行透射；
所述的8μm长波红外激光经三号平面镜(7-1)反射后以45°入射角入射至三号反射镜(8-1)，经三号反射镜(8-1)反射后以45°入射角入射至四号反射镜(8-2)，经四号反射镜(8-2)反射后以45°入射角入射至四号平面镜(7-2)，经四号平面镜(7-2)反射后垂直入射至透镜(9)，经透镜(9)透射后经二号ZnGeP2晶体(10)进行非线性光参量放大；
所述的2.8μm的中波红外激光经三号平面镜(7-1)透射后以45°入射角入射至四号平面镜(7-2)，经四号平面镜(7-2)透射后垂直入射至透镜(9)，经透镜(9)透射后进入二号ZnGeP2晶体(10)作为ZnGeP2光参量放大器(1)的泵浦光。
2.根据权利要求1所述的远红外8μm激光放大装置，其特征在于，ZnGeP2光学参量振荡器(3)包括一号平面镜(3-1)、二号反射镜(3-2)、一号反射镜(3-3)、二号平面镜(4)和一号ZnGeP2晶体(5)；
经二号耦合系统(1-2)进行光束变换后入射至ZnGeP2光学参量振荡器(3)中的一号平面镜(3-1)，入射角度为45°，经一号平面镜(3-1)透射后入射至一号ZnGeP2晶体(5)，经一号ZnGeP2晶体(5)进行非线性转换后以45°入射角入射至二号平面镜(4)，经二号平面镜(4)反射和透射；
经二号平面镜(4)反射后以45°入射角入射至一号反射镜(3-3)；经一号反射镜(3-3)反射后以45°入射角入射至二号反射镜(3-2)，经二号反射镜(3-2)反射后以45°入射角入射至一号平面镜(3-1)；
经一号平面镜(3-1)透射后入射至一号ZnGeP2晶体(5)，经一号ZnGeP2晶体(5)后以45°入射角再次入射至二号平面镜(4)，经二号平面镜(4)透射后以45°入射角入射至45°平面镜(6)。
3.根据权利要求1所述的远红外8μm激光放大装置，其特征在于，一束2.1μm脉冲激光是采用1.9μm的Tm:YLF固体激光器泵浦2.1μm Ho:YAG激光器中的Ho:YAG晶体获得的。
4.根据权利要求3所述的远红外8μm激光放大装置，其特征在于，Tm:YLF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；Ho:YAG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。
5.根据权利要求2所述的远红外8μm激光放大装置，其特征在于，一号平面镜(3-1)镀2.1μm高透膜和8～12μm高反膜；一号反射镜(3-3)镀2.1μm高透膜和8～12μm高反膜；二号反射镜(3-2)镀2.1μm高透膜和8～12μm高反膜；
二号平面镜(4)镀2.1μm高透膜和8～12μm的部分透射膜，二号平面镜(4)的透过率为27％；
一号ZnGeP2晶体(5)端面镀2.1μm的高透膜和8～12μm的高透膜，切割角度为51.5°，采用第一类相位匹配方式。
6.根据权利要求1所述的远红外8μm激光放大装置，其特征在于，三号平面镜(7-1)镀2.8μm高反膜和8～12μm高透膜；四号平面镜(7-2)镀2.8μm高反膜和8～12μm高透膜；
三号反射镜(8-1)和四号反射镜(8-2)均镀2.8μm高反膜；
二号ZnGeP2晶体(10)端面镀2.8μm高透膜、4.3μm高透膜和8～12μm高透膜，切割角度为68.4°，采用第二类相位匹配方式。
7.根据权利要求1所述的远红外8μm激光放大装置，其特征在于，45°平面镜(6)镀2.1μm高反膜、8～12μm高透膜和2.8μm高透膜。
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