CN105261922A - 紧凑的宽光谱、可独立调谐双波长参量振荡器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光学参量振荡器，特别涉及一种紧凑的宽光谱、可独立调谐双波长参量振荡器，属于激光技术、非线性光学领域。本发明包括泵浦激光器、偏振分束器、反射镜、第一控制器、第二控制器、第一耦合光学系统、第二耦合光学系统、第一腔镜、第二腔镜、第三腔镜、第四腔镜、第一晶体、第二晶体、第一分光镜、第二分光镜；本发明采用一个光学参量振荡谐振腔实现双波长输出；输出光中心波长及波长间隔可在宽光谱范围内独立调谐；两路不同波长的输出光功率可独立调谐；泵浦光源为非偏振光源；本发明具有结构简单、成本低、工作可靠、操作方便的特点。

Description

紧凑的宽光谱、可独立调谐双波长参量振荡器

技术领域

本发明涉及一种光学参量振荡器(OPO)，特别涉及一种紧凑的宽光谱、可独立调谐双波长参量振荡器，属于激光技术、非线性光学领域。

背景技术

双波长激光器可广泛应用于生物化学、遥感探测、光谱物理等领域。虽然产生双波长激光输出的方式很多，但传统双波长激光器的输出特性受激光增益介质谱线宽度的限制，调谐范围仅为GHz；且不易实现波长间隔的调谐及相对强度的控制。

光学参量振荡器、差频参量发生器是获得宽光谱可调谐激光输出的有效手段。当采用周期性极化介质作为非线性参量晶体时，通过对极化周期的选择可实现在晶体通光范围内的宽光谱调谐。

当采用光学参量振荡器时，为获得低阈值、高效率非线性频率转换，通常采用单谐振方式，如信号光谐振，闲频光输出。因此，要获得双波长输出需要使用两台光学参量振荡器；结构复杂、研制成本高昂。

而采用传统的差频参量发生器时，产生不同波长需要有不同波长的信号光注入，大大增加了研制成本；此外，输出波长的控制受参加差频参量作用信号光光源的限制，输出激光波长不易于实现宽光谱连续调谐。

此外，无论光学参量振荡器还是差频参量发生器，为获得相位匹配并利用晶体的最大非线性系数，泵浦光须为线偏光，这大大增加系统的复杂性及研制成本。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，提供一种紧凑的宽光谱、可独立调谐双波长参量振荡器。该振荡器能够输出两个不同波长、且两波长可在大范围内独立调谐。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

紧凑的宽光谱、可独立调谐双波长参量振荡器，包括泵浦激光器、偏振分束器、反射镜、第一控制器、第二控制器、第一耦合光学系统、第二耦合光学系统、第一腔镜、第二腔镜、第三腔镜、第四腔镜、第一晶体、第二晶体；所述的四镜环形腔包括第一腔镜、第二腔镜、第三腔镜、第四腔镜、第一晶体和第二晶体。

为测试方便，还能够包含第一分光镜、第二分光镜，第一分光镜置于第二腔镜后方，第二分光镜置于第四腔镜后方；

另外，为对泵浦激光器进行有效保护，还可包含单向隔离器，单向隔离器位于泵浦激光器与偏振分束器之间。

由泵浦激光器出射的非偏振激光经偏振分束器分为两路，偏振态平行于偏振分束器主轴的泵浦光成分透射经过偏振分束器，定义为下路，偏振态垂直于偏振分束器主轴的泵浦光成分，经偏振分束器时反射90°从而到达反射镜，再由反射镜反射90°后，形成与下路平行的泵浦光，定义为上路；此后，下路泵浦光依次经过第一控制器、第一耦合光学系统、第一腔镜、第一晶体、第二腔镜及第一分光镜，第一耦合光学系统的光轴与泵浦激光器的出光方向重合；而上路泵浦光经依次经过第二控制器、第二耦合光学系统、第三腔镜、第二晶体、第四腔镜及及第二分光镜；其中满足信号光振荡条件的四镜环形腔包括第一腔镜、第二腔镜、第三腔镜、第四腔镜、第一晶体和第二晶体，第一晶体位于第一腔镜与第二腔镜之间，第二晶体位于第三腔镜与第四腔镜之间，且第一腔镜、第一晶体、第二腔镜、第三腔镜、第二晶体、第四腔镜之间的位置关系满足下述条件：可构成四镜环形光学谐振腔，满足信号光单谐振条件，即上路、下路由于参量作用形成的波长不同的信号光在腔内光路重合、形成稳定振荡。

其工作过程为：

由泵浦激光器出射的激光经偏振分束器分为两路，透射通过偏振分束器的光，偏振态与偏振分束器主轴平行，定义为下路，反射通过偏振分束器的光，偏振态与偏振分束器主轴垂直，再由反射镜反射后形成与上路平行的泵浦光，定义为上路；

其中，下路泵浦光传输方向与第一控制器、第一耦合光学系统、第一腔镜、第一晶体、第二腔镜依次排列在同一光路上；

下路泵浦光在第一晶体中与信号光发生参量作用，产生闲频光，所产生的闲频光透射过第二腔镜形成下路激光输出，而信号光在四境环形腔中，经第二腔镜、第三腔镜、第四腔镜、第一腔镜依次反射后，又回到第一晶体，依此循环往复形成稳定振荡；下路形成的信号光、闲频光波长由第一晶体特性及工作条件决定；

上路泵浦光传输方向与第二控制器、第二耦合光学系统、第三腔镜、第二晶体、第四腔镜依次排列在同一光路上；

上路泵浦光在第二晶体中与信号光发生参量作用，产生闲频光，所产生的闲频光透射过第四腔镜形成下路激光输出，而信号光在四境环形腔中，经第四腔镜、第一腔镜、第二腔镜、第三腔镜依次反射后，又回到第二晶体，依此循环往复形成稳定振荡；上路形成的信号光、闲频光波长由第二晶体特性及工作条件决定；

当第一晶体与第二晶体特性或工作条件不同时，上、下路信号光和闲频光波长均不相同；

满足第一晶体参量作用条件的信号光及闲频光，不满足第二晶体的参量作用条件，反之亦然；因此两不同波长的信号光可在同一谐振腔中振荡而互不影响，而从第二腔镜和第四腔镜分别输出的闲频光波长不同，实现双波长输出；

通过对第一晶体和第二晶体特性及工作条件的分别改变，可实现两路闲频光输出波长的宽光谱范围独立调谐；

通过第一控制器和第二控制器可分别控制上、下路泵浦光的偏振态和功率，从而分别控制由第二腔镜和第四腔镜输出的闲频光激光功率，调整范围可由阈值到最高，不受其他限制；

此外，通过对第一晶体、第二晶体内泵浦光参数的独立控制，也可实现两不同波长闲频光输出功率的独立调谐；

本装置中的泵浦激光器不仅局限于非偏振激光器，当采用线偏振泵浦激光器时，可在偏振分束器前增加半波片，或将偏振分束器换为普通分光器，工作原理与效果相同。

所述泵浦激光器提供光学参量振荡器工作所需的光能。输出功率可调，最大输出功率高于光学参量振荡器工作所需的阈值。

所述偏振分束器可将入射光分为传输方向相互垂直的两路；

所述第一耦合光学系统、第二耦合光学系统分别用于将下路激上路泵浦光耦合进第一晶体和第二晶体，并控制第一晶体和第二晶体内泵浦光束腰位置及尺寸，以确保泵浦光与所设计光学谐振腔所决定的基模振荡光匹配。

所述四镜环形腔构成光学谐振腔，为光学参量振荡器信号光提供谐振条件，使信号光在腔内形成低损耗稳定振荡，而闲频光低损耗输出。由于信号光在腔内具有低损耗、高功率密度，因此有利于获得低阈值、高转换效率。通过对谐振腔四个腔镜曲率半径及相对间隔的设计，可实现第一晶体和第二晶体内振荡光束腰尺寸和位置的优化。

其中，第一腔镜朝向第一耦合光学系统及第三腔镜朝向第二耦合光学系统的表面镀有对泵浦光和信号光两个波段的防反膜；同时，朝向腔内的表面镀有对泵浦光高透、对信号光高反、对输出闲频光防反的多层介质膜。第一腔镜和第三腔镜将泵浦光低损耗的耦合入腔内，同时作为振荡信号光的高反镜。

第二腔镜和第四腔镜朝向腔内的表面镀有对泵浦光及闲频光高透、对信号光高反的多层介质膜，而朝向腔外的表面镀有对泵浦光、信号光及闲频光的防反膜。当输出闲频光为中红外波段时，第二腔镜和第四腔镜的基质应采用在中红外波段具有低吸收的材料。第二腔镜和第四腔镜为光学参量振荡器的输出腔镜，低损耗的输出闲频光，同时作为振荡信号光的高反镜。

第一晶体和第二晶体两通光表面均镀有对泵浦光、信号光及闲频光的防反膜，以减小光波通过时的损耗。

由第二腔镜和第四腔镜输出的激光经过第一分光镜、第二分光镜后被分为两束，透过光为所需的闲频光，反射光为多余的泵浦光和信号光。

有益效果

1、本发明的紧凑的宽光谱、可独立调谐双波长参量振荡器，仅使用一个谐振腔即实现了双波长激光输出，与现有技术相比，大大降低了装置的复杂程度，提高了工作稳定性。

2、本发明的紧凑的宽光谱、可独立调谐双波长参量振荡器，两波长由于相位匹配条件不同，因此可互不影响地在腔内独立振荡，从而可独立控制，实现不同波长差、不同相对强度输出；从而克服了已有技术控制复杂、波长及强度调谐受限的问题。

3、本发明的紧凑的宽光谱、可独立调谐双波长参量振荡器，无需采用偏振泵浦源、可充分利用非偏振普通泵浦激光器的输出功率/能量，从而大大降低了研制成本。

4、本发明的紧凑的宽光谱、可独立调谐双波长参量振荡器，由于采用了双路泵浦技术，且两路均有可独立调整的偏振态/强度控制器，因此可避免采用造价昂贵的线偏振泵浦激光器。当然，本装置亦适用使用线偏振泵浦激光器的系统。

5、本发明的紧凑的宽光谱、可独立调谐双波长参量振荡器，由于采用了两块特性、工作条件不同的晶体，因此腔内振荡信号光仅在满足参量条件的晶体中参与工作，对另一支路无影响。当腔镜条件满足振荡要求时，两路激光均可为晶体通光范围内的任意波长。具有选择灵活、调谐范围大的优点。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为实施例的结构示意图；

图3为晶体温度一定时，输出波长随极化周期的变化曲线；

图4为极化周期一定时，输出闲频光波长随温度的变化曲线；

图5为两晶体极化周期相同、温度为70℃和40℃时双波长光学参量振荡器的输出光谱；

图6为两晶体极化周期相同、温度为80℃和40℃时双波长光学参量振荡器的输出光谱；

图7为两晶体极化周期相同、温度为90℃和40℃时双波长光学参量振荡器的输出光谱。

图中标号，1-泵浦激光器、2-偏振分束器、3-反射镜、4-第一控制器、5-第二控制器、6-第一耦合光学系统、7-第二耦合光学系统、8-第一腔镜、9-第二腔镜、10-第三腔镜、11-第四腔镜、12-第一晶体、13-第二晶体、14-第一分光镜、15-第二分光镜、16-单向隔离器。

具体实施方式

实施例1

如图2所示，本实施例的一种紧凑的宽光谱、可独立调谐双波长参量振荡器，目的在于使泵浦光分为偏振态相互垂直的两路，分别通过放置于四镜环形腔两直线臂中的第一晶体12和第二晶体14，第一晶体12和第二晶体14具有不同的工作温度或者极化周期，泵浦光与其作用后，产生双波长闲频光输出。本发明包括：

泵浦激光器1最高输出功率为20W，中心波长1064nm，准直后光斑直径为1mm；

泵浦激光器1与偏振分束器2之间通过单向隔离器16隔离，避免后续光路中元件表面反射对泵浦激光器1的影响；

偏振分束器2采用方解石制成的格兰激光分束器，通光表面镀有1050nm-1700nm宽带增透膜，使泵浦光低损耗通过；

反射镜3镀有对1064nm的45°高反膜，45°入射时，泵浦光的反射率为99.0％；

第一控制器4及第二控制器5均由两片半波片和偏振分束器组成。通过旋转泵浦光通过的第一片半波片，可控制通过泵浦光的功率，通过旋转泵浦光通过的第二片半波片，可控制通过泵浦光的偏振态；由此可分别控制两路闲频光的输出功率；对于本实施例，调整第二片半波片使泵浦光偏振态在第一晶体12和第二晶体13内部对于晶体光轴为e光，以利于晶体的最大有效非线性系数。

第一耦合光学系统6将下路泵浦光会聚到第一晶体12内，泵浦光在第一晶体12中心的腰斑半径为85μm；第二耦合光学系统7将上路泵浦光会聚到第一晶体13内，泵浦光在第一晶体13中心的腰斑半径为85μm；

第一腔镜8、第二腔镜9、第三腔镜10、第四腔镜11构成环形谐振腔，使信号光单谐振。实施例中光学参量振荡器工作在中红外波段，输出闲频光波长约为3.0μm。由于泵浦光波长为1064nm，计算可得腔内振荡信号光波长约为1.6μm。因此，第一腔镜8和第三腔镜10的材料为K9玻璃。第一腔镜8朝向第一耦合光学系统6和第三腔镜10朝向第二耦合光学系统7的表面镀有对1064nm和1.4-1.8μm两个波段的防反膜，其中透过率T为97.3％1064nm&>97.0％1.4-1.8μm；同时，朝向腔内的表面镀有对1064nm高透、1.4-1.8μm高反及2.7-4.3μm防反膜，其中透过率T为99.1％1064nm&>97.0％2.7-4.3μm，反射率R>99％1.4-1.8μm。第一腔镜8和第三腔镜10将泵浦光低损耗的耦合入腔内，同时作为振荡信号光的高反镜。

第二腔镜9和第四腔镜11为四镜环形腔的输出镜，用于输出两不同波长的闲频光。本实施例中闲频光波长约为3.0μm，因此，第二腔镜9和第四腔镜11的材料为CaF₂。第二腔镜9和第四腔镜11朝向四镜环形腔内的表面对1064nm及2.7-4.3μm高透、对1.4-1.8μm高反，其中透过率T为99.1％1064nm&>99.0％2.7-4.3μm，反射率R>99％1.4-1.8μm；而朝向四镜环形腔外的表面镀有对1064nm、1.4-1.8μm及2.7-4.3μm三波段的防反膜，透过率T>97％1064nm&1.4-1.8μm&2.7-4.3μm。

第一晶体12和第二晶体13均为周期性极化晶体MgO：PPLN，采用e→e+e的匹配方式，以利用周期性极化晶体的最大非线性系数。第一晶体12和第二晶体13两光学表面均镀有对1064nm、1.4-1.7μm及2.7-4.3μm三个波段的防反膜，透过率T>97％1064nm&1.4-1.8μm&2.7-4.3μm。第一晶体12和第二晶体13均为多周期结构，具有7个不同周期，从28.5μm到31.5μm，变化步长为0.5μm。第一晶体12和第二晶体13长度均为50mm。

通过选择不同的极化周期，可实现对输出闲频光波长的调谐。图3为第一晶体12和第二晶体13工作温度同为50℃时，实验测得的输出闲频光波长随极化周期的变化曲线。由图可见，当极化周期从28.5μm变化到31.5μm时，输出波长可由2.65μm调谐至4.0μm。两波长最大间隔为1.35μm，实现了宽调谐范围双波长输出。

当选定一个极化周期，逐渐升高第一晶体12和第二晶体13的工作温度时，输出闲频光波长变短，得到如图4所示的温度调谐曲线。晶体极化周期为31μm，温度由34℃升高至100℃，波长调谐范围为121nm。因此，通过温度调谐可获得的两波长最大差频约为4THz。

调整两路泵浦光强度，可输出不同相对强度、不同频差的中红外波段激光。图5-7所示为选定极化周期为31μm，设置第一晶体12和第二晶体13的工作温度为不同值时，获得双路等功率输出时的光谱图。

通过此实施例可见，采用本发明的装置，仅使用非偏振泵浦源及单个谐振腔即可获得可完全独立控制的双波长中红外激光输出。输出两路激光的频差可在大范围内连续可调。

当上、下任一路泵浦光强度调节至低于振荡阈值时，亦可实现单波长输出。

当采用不同材料和参数的晶体时，可获得不同波段的双频输出；

当采用不同波长的泵浦源时，可实现不同波长的双频输出。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下，可对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变形，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.紧凑的宽光谱、可独立调谐双波长参量振荡器，其特征在于：包括泵浦激光器(1)、偏振分束器(2)、反射镜(3)、第一控制器(4)、第二控制器(5)、第一耦合光学系统(6)、第二耦合光学系统(7)、第一腔镜(8)、第二腔镜(9)、第三腔镜(10)、第四腔镜(11)、第一晶体(12)、第二晶体(13)；所述的四镜环形腔包括第一腔镜(8)、第二腔镜(9)、第三腔镜(10)、第四腔镜(11)、第一晶体(12)和第二晶体(13)；

还包含第一分光镜(14)、第二分光镜(15)，第一分光镜(14)置于第二腔镜(9)后方，第二分光镜(15)置于第四腔镜(11)后方；

由泵浦激光器(1)出射的非偏振激光经偏振分束器(2)分为两路，偏振态平行于偏振分束器(2)主轴的泵浦光成分透射经过偏振分束器(2)，定义为下路，偏振态垂直于偏振分束器(2)主轴的泵浦光成分，经偏振分束器(2)时反射90°从而到达反射镜(3)，再由反射镜(3)反射90°后，形成与下路平行的泵浦光，定义为上路；此后，下路泵浦光依次经过第一控制器(4)、第一耦合光学系统(6)、第一腔镜(8)、第一晶体(12)、第二腔镜(9)及第一分光镜(14)，第一耦合光学系统(6)的光轴与泵浦激光器(1)的出光方向重合；而上路泵浦光经依次经过第二控制器(5)、第二耦合光学系统(7)、第三腔镜(8)、第二晶体(13)、第四腔镜(11)及及第二分光镜(15)；其中满足信号光振荡条件的四镜环形腔包括第一腔镜(8)、第二腔镜(9)、第三腔镜(10)、第四腔镜(11)、第一晶体(12)和第二晶体(13)，第一晶体(12)位于第一腔镜(8)与第二腔镜(9)之间，第二晶体(13)位于第三腔镜(10)与第四腔镜(11)之间，且第一腔镜(8)、第一晶体(12)、第二腔镜(9)、第三腔镜(10)、第二晶体(13)、第四腔镜(11)之间的位置关系满足下述条件：可构成四镜环形光学谐振腔，满足信号光单谐振条件，即上路、下路由于参量作用形成的波长不同的信号光在腔内光路重合、形成稳定振荡。

2.如权利要求1所述的紧凑的宽光谱、可独立调谐双波长参量振荡器，其特征在于：还包含单向隔离器(16)，单向隔离器(16)位于泵浦激光器(1)与偏振分束器(2)之间。

3.如权利要求1所述的紧凑的宽光谱、可独立调谐双波长参量振荡器，其特征在于：其工作过程为：

由泵浦激光器(1)出射的激光经偏振分束器(2)分为两路，透射通过偏振分束器(2)的光，偏振态与偏振分束器(2)主轴平行，定义为下路，反射通过偏振分束器(2)的光，偏振态与偏振分束器(2)主轴垂直，再由反射镜(3)反射后形成与上路平行的泵浦光，定义为上路；

其中，下路泵浦光传输方向与第一控制器(4)、第一耦合光学系统(6)、第一腔镜(8)、第一晶体(12)、第二腔镜(9)依次排列在同一光路上；

下路泵浦光在第一晶体(12)中与信号光发生参量作用，产生闲频光，所产生的闲频光透射过第二腔镜(9)形成下路激光输出，而信号光在四境环形腔中，经第二腔镜(9)、第三腔镜(10)、第四腔镜(11)、第一腔镜(8)依次反射后，又回到第一晶体(12)，依此循环往复形成稳定振荡；下路形成的信号光、闲频光波长由第一晶体(12)特性及工作条件决定；

上路泵浦光传输方向与第二控制器(5)、第二耦合光学系统(7)、第三腔镜(10)、第二晶体(13)、第四腔镜(11)依次排列在同一光路上；

上路泵浦光在第二晶体(13)中与信号光发生参量作用，产生闲频光，所产生的闲频光透射过第四腔镜(11)形成下路激光输出，而信号光在四境环形腔中，经第四腔镜(11)、第一腔镜(8)、第二腔镜(9)、第三腔镜(10)依次反射后，又回到第二晶体(13)，依此循环往复形成稳定振荡；上路形成的信号光、闲频光波长由第二晶体(13)特性及工作条件决定；

当第一晶体(12)与第二晶体(13)特性或工作条件不同时，上、下路信号光和闲频光波长均不相同；

满足第一晶体(12)参量作用条件的信号光及闲频光，不满足第二晶体(13)的参量作用条件，反之亦然；因此两不同波长的信号光可在同一谐振腔中振荡而互不影响，而从第二腔镜(9)和第四腔镜(11)分别输出的闲频光波长不同，实现双波长输出；

通过对第一晶体(12)和第二晶体(13)特性及工作条件的分别改变，可实现两路闲频光输出波长的宽光谱范围独立调谐；

通过第一控制器(4)和第二控制器(5)可分别控制上、下路泵浦光的偏振态和功率，从而分别控制由第二腔镜(9)和第四腔镜(11)输出的闲频光激光功率，调整范围可由阈值到最高，不受其他限制；

此外，通过对第一晶体(12)、第二晶体(13)内泵浦光参数的独立控制，也可实现两不同波长闲频光输出功率的独立调谐。

4.如权利要求1或2或3所述的紧凑的宽光谱、可独立调谐双波长参量振荡器，其特征在于：所述泵浦激光器(1)为线偏振泵浦激光器时，在偏振分束器(2)前增加半波片，或将偏振分束器(2)换为普通分光器。

5.如权利要求1所述的紧凑的宽光谱、可独立调谐双波长参量振荡器，其特征在于：所述四镜环形腔构成光学谐振腔，为光学参量振荡器信号光提供谐振条件，使信号光在腔内形成低损耗稳定振荡，而闲频光低损耗输出；由于信号光在腔内具有低损耗、高功率密度，因此有利于获得低阈值、高转换效率；通过对谐振腔四个腔镜曲率半径及相对间隔的设计，实现第一晶体(12)和第二晶体(13)内振荡光束腰尺寸和位置的优化。

6.如权利要求1、2、3或5所述的紧凑的宽光谱、可独立调谐双波长参量振荡器，其特征在于：所述第一腔镜(8)朝向第一耦合光学系统(6)及第三腔镜(10)朝向第二耦合光学系统(7)的表面镀有对泵浦光和信号光两个波段的防反膜；同时，朝向腔内的表面镀有对泵浦光高透、对信号光高反、对输出闲频光防反的多层介质膜；第一腔镜(8)和第三腔镜(10)将泵浦光低损耗的耦合入腔内，同时作为振荡信号光的高反镜。

7.如权利要求1、2、3或5所述的紧凑的宽光谱、可独立调谐双波长参量振荡器，其特征在于：第二腔镜(9)和第四腔镜(11)朝向腔内的表面镀有对泵浦光及闲频光高透、对信号光高反的多层介质膜，而朝向腔外的表面镀有对泵浦光、信号光及闲频光的防反膜；当输出闲频光为中红外波段时，第二腔镜(9)和第四腔镜(11)的基质应采用在中红外波段具有低吸收的材料；第二腔镜(9)和第四腔镜(11)为光学参量振荡器的输出腔镜，低损耗的输出闲频光，同时作为振荡信号光的高反镜。

8.如权利要求1所述的紧凑的宽光谱、可独立调谐双波长参量振荡器，其特征在于：第一晶体(12)和第二晶体(13)两通光表面均镀有对泵浦光、信号光及闲频光的防反膜，以减小光波通过时的损耗。