CN105186273B

CN105186273B - 一种双端面泵浦光参量振荡器

Info

Publication number: CN105186273B
Application number: CN201510589746.5A
Authority: CN
Inventors: 张百涛; 宁建; 侯佳; 王兆伟; 韩克祯; 王祎然; 何京良
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Precilasers Co ltd
Priority date: 2015-09-16
Filing date: 2015-09-16
Publication date: 2018-03-09
Anticipated expiration: 2035-09-16
Also published as: CN105186273A

Abstract

一种双端面泵浦光参量振荡器，属光参量振荡器技术领域，包括激光泵浦源等,其特征在于激光泵浦源之后放置分束镜,分束镜将泵浦光分为二路光路,分别经各自光路将两路光束从谐振腔的前后两端入射到谐振腔内，形成双端面泵浦光参量振荡器；产生的参量光从输出端的光谐振腔镜输出。本发明采用双端泵浦方式，有效地克服了单端泵浦过程中晶体破坏阈值低对激光泵浦功率的限制，同时可以缓解光参量振荡器的热效应，并通过谐振腔的合理设计实现良好的腔模匹配，从而获得大功率高光束质量的光参量激光输出。

Description

一种双端面泵浦光参量振荡器

技术领域

本发明涉及一种光参量振荡器(OPO)，尤其涉及一种双端面泵浦光参量振荡器。

技术背景

光参量振荡器是指将非线性晶体放入谐振腔中，一束泵浦光ω₃入射到非线性晶体中，产生两束新的光波ω₁和ω₂，并且满足ω₃＝ω₁+ω₂。光参量振荡器的输出具有很高的单色性和方向性，它是将频率固定的相干辐射变成可调谐相干辐射以及扩展激光输出波长的重要手段之一。与激光振荡器输出激光波长是由相应的原子跃迁决定不同，光参量振荡器输出波长是由泵浦光的频谱、空间分布、相位匹配条件决定，可以在较大范围内调谐，可以有效的扩展激光波长。由于光参量振荡器可以提供从可见一直到红外的宽调谐激光光源，在光通信、光计算、光动力学、环境监测、光学相干层析成像，激光镭达、激光遥感以及光谱学研究等领域都有着非常重要而广泛的应用，光参量技术成为激光技术领域中最为活跃的课题之一。

光参量振荡器的增益是由非线性效应引起的，是单向的。光参量振荡器的泵浦方式采用端面泵浦，具有泵浦装置简单，耦合效率高，泵浦光束与腔模匹配良好，输出激光光束质量好等优点。众多光参量振荡器均采用单端面泵浦方式，如专利号为CN 101304151A、发明名称为“一种宽带可调谐光参量振荡器”、专利号为CN 104362506 A、发明名称为“一种双波段多波长红外光参量振荡器”等专利，以及目前国内外发表的关于光参量振荡器的文章，在此不一一列举。与单端泵浦激光振荡器相同，由于受晶体中的热效应所产的热应力不能超过非线性晶体的断裂应力，就限制了非线性晶体的单位面积上的泵浦功率不可能很高，最终得到的输出功率相对较小，使光参量振荡器在实际应用中受到一定的限制。由于非线性晶体的长度受到走离效应的影响，为了获得大功率激光输出，也有采用多块非线性晶体的方法，例如：《走离补偿结构的纳秒脉冲光参量振荡器》(红外与激光工程，3149-3253,Vol.41,No.12(2012))，这种利用增加非线性晶体数量的方法来达到减少激光晶体单位面积上所承受的泵浦功率的方法不但增加了设备成本，而且激光器比较复杂，调节难度也很大。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种高功率、高效率和高光束质量的双端面泵浦光参量振荡器及其工作方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

一种双端面泵浦光参量振荡器，包括激光泵浦源、聚焦耦合系统A、B、非线性光学晶体、隔离器A、B、二分之一波片A、B、C、D、45度反射镜A、B、C、分束镜以及谐振腔镜A、B、C，其特征在于激光泵浦源位于二分之一波片A之前，分束镜位于二分之一波片A之后，分束镜将泵浦光一分为二，其中分束镜之后一路光路中沿此光路依次放置隔离器A、二分之一波片B和聚焦耦合系统A，聚焦耦合系统A之后放置由谐振腔镜A、B、C构成的谐振腔，非线性光学晶体置于谐振腔内；在分束镜之后另一路光路中沿此光路依次放置45度反射镜A、二分之一波片C、隔离器B、二分之一波片D、45度反射镜B、C和聚焦耦合系统B，另一路光经聚焦耦合系统B之后将该光束从谐振腔的另一端入射到谐振腔内，与第一路光束从谐振腔的前一端同时入射到谐振腔内，形成双端面泵浦光参量振荡器；产生的参量光从光参量谐振腔镜(谐振腔镜C端镜)输出。

所述的激光泵浦源可以是线偏振的，也可以是随机偏振的；可以是全固态激光器，也可以是光纤激光器；可以是连续波运转的，也可以是脉冲的；如果是线偏振泵浦光，则要根据非线性光学晶体的要求确定偏振方向，并进行分束从两端泵浦非线性晶体；如果是非偏振泵浦光，则要对泵浦光进行选偏然后旋转偏振方向同时从两端泵浦非线性晶体；

所述的非线性光学晶体可以是本征晶体如KTP、KTA、RTP、LBO、BBO、ZnGeP和AsGaS中的一种，也可以是周期极化的光学超晶格晶体如PPKTP、PPLN、PPLT中的一种；

所述的谐振腔可以是三谐振腔镜折叠腔、四谐振腔镜环形腔、四谐振腔镜折叠腔；谐振方式可以是单谐振的，也可以是双谐振的。

上述泵浦源使用一台激光器经分束后分别将两束光从谐振腔的两端入射到谐振腔内，也可使用两台激光器分别将两束激光从谐振腔的两端入射到谐振腔内。

所述的两套光学耦合系统根据分束的两束泵浦光的光斑大小不同而采用的不同的透镜组，确保两束泵浦光在非线性晶体中具有相同的泵浦光斑；

所述的谐振腔镜包括光参量全反镜和光参量输出镜，泵浦光从谐振腔的两端分别经过光参量全反镜(即谐振腔镜A、B)之后入射到非线性晶体中，当泵浦光能量超过光参量振荡的阈值时产生两束参量光，分别称为信号光和闲频光，产生的光参量信号光或闲频光(或称信号光和闲频光)从光参量输出镜(即谐振腔镜C)输出光参量谐振腔。

采用上述方案后，本发明所具有的优点是：一、针对不同非线性光学晶体的破坏阈值、走离大小以及谐振腔腔模匹配综合考虑确定泵浦光斑的大小，保证了光参量振荡器具有较高的功率、效率、光束质量，以及长期稳定性；二、与单端泵浦方式相比，大大提高了泵浦功率；三、充分利用泵浦光能量，避免了能量浪费；四、与双端泵浦激光器相同，双端泵浦光参量振荡器也可以大大缓解非线性光学晶体的热效应；五、采用双端泵浦，减少了光参量振荡器的成本，降低了调节难度，增强了适用性，并且激光器体积小，结构紧凑。

本发明双端面泵浦光参量振荡器通过合理的配置光学元件，优化的泵浦结构设计，实现了高效率、高功率、高光束质量的光参量振荡器。

附图说明

图1是本发明实施例1的结构示意图。

图2是本发明实施实例2的结构示意图。

其中：1、激光泵浦源，2、分束镜，3、隔离器A，4、二分之一波片A，5、聚焦耦合系统A，6、谐振腔镜A，7、非线性光学晶体，8、谐振腔镜B，9、谐振腔镜C，10、45度反射镜A，11、45度反射镜B，12、45度反射镜C，13、聚焦耦合系统B，14、二分之一波片B，15、二分之一波片C，16、二分之一波片D，17、隔离器B。

图3是本发明实施例3的结构示意图。

其中：18、谐振腔镜D。

图4是本发明实施例4的结构示意图。

图5是本发明实施例5的结构示意图。

其中：19、分束镜B，20、激光泵浦源B。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不限于此。

实施例1：

本发明实施例1如图1所示，一种双端面泵浦光参量振荡器，包括激光泵浦源1、聚焦耦合系统A(5)、B(13)、非线性光学晶体7、隔离器A(3)、B(17)、二分之一波片A(4)、B(14)、C(15)、D(16)、45度反射镜A(10)、B(11)、C(12)、分束镜2以及谐振腔镜A(6)、B(8)、C(9)，其特征在于激光泵浦源1位于二分之一波片A(4)之前，分束镜2位于二分之一波片A(4)之后，分束镜2将泵浦光一分为二，其中分束镜2之后一路光路中沿此光路依次放置隔离器A(3)、二分之一波片B(14)和聚焦耦合系统A(5)，聚焦耦合系统A(5)之后放置由谐振腔镜A(6)、B(8)、C(9)构成的谐振腔，非线性光学晶体7置于谐振腔内；在分束镜2之后另一路光路中沿此光路依次放置45度反射镜A(10)、二分之一波片C(15)、隔离器B(17)、二分之一波片D(16)、45度反射镜B(11)、C(12)和聚焦耦合系统B(13)，另一路光经聚焦耦合系统B(13)之后将该光束从谐振腔的另一端入射到谐振腔内，与第一路光束从谐振腔的前一端同时入射到谐振腔内，形成双端面泵浦光参量振荡器；

所述的谐振腔镜包括光参量全反镜即谐振腔镜A、B和光参量输出镜即谐振腔镜C，非线性光学晶7体置于谐振腔镜A、B内。。

所述的激光泵浦源是线偏振的激光泵浦源；

所述的分束镜是对泵浦激光半透半反镜；

所述的非线性光学晶体是周期极化的光学超晶格晶体PPLN；

所述的谐振腔是三谐振腔镜折叠腔；谐振方式是双谐振。

光参量振荡器的泵浦源是大功率线偏振激光，泵浦光经二分之一波片将偏振方向转换为水平方向，然后经分束镜2分为两束，两束光功率基本相同，然后分别经过隔离器，再通过二分之一波片将偏振方向转换为竖直方向(PPLN只利用竖直方向的偏振光)，然后再分别经过聚焦耦合系统入射到PPLN晶体。光参量谐振腔由谐振腔镜6、8、9组成，根据聚焦泵浦光斑的大小，选择不同的曲率半径，并通过ABCD光线传输矩阵计算腔内不同位置处振荡光斑的大小，使泵浦光和振荡光实现较好的腔模匹配；通过选择谐振腔镜的镀膜方式，实现双谐振的光参量振荡器，获得的参量光从输出镜9输出。

实施例2：

本发明实施例2如图2所示，一种双端面泵浦光参量振荡器，包括激光泵浦源1、聚焦耦合系统A(5)、B(13)、非线性光学晶体7、隔离器A(3)、B(17)、二分之一波片B(14)、C(15)、D(16)、45度反射镜A(10)、B(11)、C(12)、分束镜2以及谐振腔镜A(6)、B(8)、C(9)，其特征在于激光泵浦源1位于分束镜2之前，分束镜2之后将泵浦光一分为二，其中分束镜2之后一路光路中沿此光路依次放置隔离器A(3)、二分之一波片B(14)和聚焦耦合系统A(5)，聚焦耦合系统A(5)之后放置由谐振腔镜A(6)、B(8)、C(9)构成的谐振腔，非线性光学晶体7置于谐振腔内；在分束镜2之后另一路光路中沿此光路依次放置45度反射镜A(10)、二分之一波片C(15)、隔离器B(17)、二分之一波片D(16)、45度反射镜B(11)、C(12)和聚焦耦合系统B(13)，另一路光经聚焦耦合系统B(13)之后将该光束从谐振腔的另一端入射到谐振腔内，与第一路光束从谐振腔的前一端入射到谐振腔内，形成双端面泵浦光参量振荡器；

所述的谐振腔镜包括光参量全反镜即谐振腔镜A、B和光参量输出镜即谐振腔镜C，非线性光学晶体7置于谐振腔镜A、B内。

所述的激光泵浦源是随机偏振的激光泵浦源；

所述的分束镜是偏振分束镜，将随机偏振的泵浦激光分成偏振方向相互垂直的等功率的两束光；

所述的非线性光学晶体是本征晶体KTP；

所述的谐振腔是三谐振腔镜折叠腔；通过选择谐振腔镜的镀膜曲线，谐振方式是单谐振。

光参量振荡器的泵浦源是大功率随机偏振激光，泵浦光分束镜2分为偏振方向相互垂直的两束，两束光功率基本相同，然后分别经过隔离器，再通过二分之一波片将偏振方向转换为竖直方向(PPLN只利用竖直方向的偏振光)，然后再分别经过聚焦耦合系统入射到PPLN晶体。光参量谐振腔由谐振腔镜6、8、9组成，根据聚焦泵浦光斑的大小，选择不同的曲率半径，并通过ABCD光线传输矩阵计算腔内不同位置处振荡光斑的大小，使泵浦光和振荡光实现较好的腔模匹配；通过选择谐振腔镜的镀膜方式，实现单谐振的光参量振荡器，获得的参量光从输出镜9输出。

实施例3：

本发明实施例3如图3所示，该实施实例与实施实例1相同，不同之处在于光参量振荡器谐振腔为四镜折叠腔，由谐振腔镜6、8、9、11构成，得到的参量光从谐振腔镜9输出。

实施例4：

本发明实施例4如图4所示，该实施实例与实施实例3相同，不同之处在于光参量振荡器谐振腔为四镜环形腔，由谐振腔镜6、8、9、11构成。

实施例5：

本发明实施例5如图5所示，它是使用两台激光器分别将两束激光从谐振腔的两端入射到谐振腔内，包括激光泵浦源A(1)、B(20)、聚焦耦合系统A(5)、B(13)、非线性光学晶体7、隔离器A(3)、B(17)、二分之一波片B(14)、C(15)、分束镜A(2)、B(19)以及谐振腔镜A(6)、B(8)、C(9)，其特征在于激光泵浦源A(1)位于分束镜2之前，分束镜2之后沿光路依次放置隔离器A(3)、二分之一波片B(14)和聚焦耦合系统A(5)，聚焦耦合系统A(5)之后放置由谐振腔镜A(6)、B(8)、C(9)构成的谐振腔，非线性光学晶体7置于谐振腔内；另一端在激光泵浦源B(20)之后沿光路依次放置分束镜B(19)、隔离器B(17)、二分之一波片C(15)和聚焦耦合系统B(13)，另一路光经聚焦耦合系统B(13)之后将该光束从谐振腔的另一端入射到谐振腔内，与激光泵浦源A(1)出射的第一路光束从谐振腔的前一端入射到谐振腔内，形成双端面泵浦光参量振荡器。

所述的激光泵浦源是线偏振的激光泵浦源；

所述的分束镜A(2)、B(19)可由二分之一波片替代；

所述的非线性光学晶体是周期极化的光学超晶格晶体PPLN；

所述的谐振腔是三谐振腔镜折叠腔；通过选择谐振腔镜的镀膜曲线，谐振方式是双谐振。

光参量振荡器的泵浦光经分束镜2后只有水平偏振分量通过，然后分别经过隔离器，再通过二分之一波片将偏振方向转换为竖直方向(PPLN只利用竖直方向的偏振光)，然后再分别经过聚焦耦合系统入射到PPLN晶体内。光参量谐振腔由谐振腔镜6、8、9组成，根据聚焦泵浦光斑的大小，选择不同的曲率半径，并通过ABCD光线传输矩阵计算腔内不同位置处振荡光斑的大小，使泵浦光和振荡光实现较好的腔模匹配；通过选择谐振腔镜的镀膜方式，实现双谐振的光参量振荡器，获得的参量光从输出镜9输出。

Claims

1.一种双端面泵浦光参量振荡器，包括激光泵浦源、聚焦耦合系统A、B、非线性光学晶体、隔离器A、B、二分之一波片A、B、C、D、45度反射镜A、B、C、分束镜以及谐振腔镜A、B、C，其特征在于激光泵浦源位于二分之一波片A之前，分束镜位于二分之一波片A之后，分束镜将泵浦光一分为二，其中分束镜之后一路光路中沿此光路依次放置隔离器A、二分之一波片B和聚焦耦合系统A，聚焦耦合系统A之后放置由谐振腔镜A、B、C构成的谐振腔，非线性光学晶体置于谐振腔内；在分束镜之后另一路光路中沿此光路依次放置45度反射镜A、二分之一波片C、隔离器B、二分之一波片D、45度反射镜B、C和聚焦耦合系统B，另一路光束经聚焦耦合系统B之后将该光束从谐振腔的另一端入射到谐振腔内，与第一路光束从谐振腔的前一端同时入射到谐振腔内，形成双端面泵浦光参量振荡器；产生的参量光从光参量谐振腔镜即谐振腔镜C端镜输出；

所述的谐振腔镜包括光参量全反镜即谐振腔镜A、B和光参量输出镜即谐振腔镜C，非线性光学晶体置于谐振腔镜A、B内。

2.如权利要求1所述的一种双端面泵浦光参量振荡器，其特征在于所述的激光泵浦源是线偏振的或是随机偏振的；激光泵浦源是全固态激光器或是光纤激光器；激光泵浦源是连续波运转的或是脉冲的。

3.如权利要求1所述的一种双端面泵浦光参量振荡器，其特征在于所述的非线性光学晶体是本征晶体KTP、KTA、RTP、LBO、BBO、ZnGeP和AsGaS中的一种，或是周期极化的光学超晶格晶体PPKTP、PPLN、PPLT中的一种。

4.如权利要求1所述的一种双端面泵浦光参量振荡器，其特征在于所述的谐振腔是三谐振腔镜折叠腔或是四谐振腔镜环形腔或是四谐振腔镜折叠腔；谐振方式是单谐振的或是双谐振的。