CN105514788B - 一种板条泵浦的中红外光参量振荡器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种板条泵浦的中红外光参量振荡器，该方案包括有种子激光器、板条放大器、光束整形系统和PPLN‑OPO系统；种子激光器发出的泵浦光依次经过板条放大器、光束整形系统和PPLN‑OPO系统后输出；泵浦光中包括有近红外信号光、中红外闲频光、近红外闲频光。该方案针对现有泵浦激光类型和参数与OPO的匹配参数进行改进优化，采用种子光经板条功率定标放大后，通过耦合系统的光束整形，而后泵浦PPLN‑OPO，实现高效率高功率高光束质量的中红外激光输出。

Description

一种板条泵浦的中红外光参量振荡器

技术领域

本发明涉及的是激光器应用技术，尤其是一种板条泵浦的中红外光参量振荡器。

背景技术

3-5μm的中红外激光广泛应用于光电对抗、大气监测、分子光谱学、激光医疗等国防、科研及民用领域。近年来随着应用领域的不断扩展和深入，高效率、高功率、高光束质量的中红外固体激光器具有广阔的发展前景。得益于成熟的固体激光器技术进步和非线性晶体质量提升，基于频率变换的光参量振荡器（OPO）是产生高效率、高功率、高光束质量的中红外激光的有效途径之一。目前，应用最广泛、输出功率最高的是采用激光泵浦周期极化铌酸锂（PPLN）晶体，获得可调谐的中红外激光输出的技术路线。

然而中红外OPO在向高效率、高功率、高光束质量的“三高”目标发展过程中，却面临着许多技术上急需突破的关键问题。首先，由于受到本征光子效率的限制，通过OPO产生的中红外激光的光子效率由泵浦激光波长和中红外激光波长共同决定（等于波长的反比，中红外波长越长效率越低）。因此，提高泵浦激光转换为近红外信号光和中红外闲频光的总体效率，有利于提升中红外激光最终的效率，减小非线性晶体的热积累和损伤几率，进而提升中红外激光输出功率，因此转换效率是OPO系统中最核心的参数指标之一。OPO的转换效率受到多方面因素的影响，例如OPO腔型、泵浦功率密度、相位匹配、脉冲特性、逆转换效应等，主要涉及到泵浦激光与OPO系统匹配参数的优化。其次，PPLN晶体和中红外膜层抗损伤阈值，以及PPLN晶体热效应对中红外激光的输出功率有重要影响，最主要的原因是限制了激光的泵浦功率，即便获得了很高的转换效率，由于泵浦功率的受限，也难以获得高功率的中红外激光输出。最后，在高功率工作条件下，由于泵浦激光光束质量的退化， PPLN晶体的热效应，将导致OPO产生的中红外激光光束质量的恶化，难以满足应用需求。

近年来，基于板条增益介质的高功率、高光束质量固体激光得到了长足发展，为OPO的泵浦源提供了一种新的思路和方法，其诸多特性为提高中红外OPO的转换效率、输出功率和光束质量提供了方便，为同时实现中红外激光“三高”的目标提供了技术支撑。

发明内容

本发明的目的，就是针对现有技术所存在的不足，而提供一种板条泵浦的中红外光参量振荡器，该方案针对现有泵浦激光类型和参数与OPO的匹配参数进行改进优化，采用种子光经板条功率定标放大后，通过耦合系统的光束整形，而后泵浦PPLN-OPO，实现高效率高功率高光束质量的中红外激光输出。

本方案是通过如下技术措施来实现的：

一种板条泵浦的中红外光参量振荡器，包括有种子激光器、板条放大器、光束整形系统和PPLN-OPO系统；种子激光器发出的泵浦光依次经过板条放大器、光束整形系统和PPLN-OPO系统后输出；泵浦光中包括有近红外信号光、中红外闲频光、近红外闲频光。

作为本方案的优选：PPLN-OPO系统包括有全反镜、PPLN晶体和输出镜；射入的泵浦光依次经过全反镜、PPLN晶体和输出镜后输出。

作为本方案的优选：PPLN-OPO系统包括有反射镜、双色镜、PPLN晶体和输出镜；射入的泵浦光经过双色镜后射入PPLN晶体，依次穿过PPPLN晶体和输出镜输出；输出镜和PPLN晶体反射的光经过双色镜反射至反射镜，再由反射镜反射回双色镜；反射镜镀有近红外信号光和中红外闲频光的高反膜；PPLN入射端的双面镀有泵浦光、近红外信号光和中红外闲频光增透膜；双色镜镀有泵浦光增透膜、近红外信号光和中红外闲频光高反膜；输出镜对近红外信号光部分反射，对中红外闲频光高透或者对近红外信号反射镜镀有光高透，对中红外闲频光部分反射；双色镜与泵浦光的夹角为45°。

作为本方案的优选：反射镜能够替换设为布拉格光栅VBG；所述输出镜对近红外信号光高反、对中红外闲频光高透；近红外闲频光通过VBG输出。

作为本方案的优选：种子激光器包括有棒状侧泵浦模块、声光Q开光、泵浦全反镜、泵浦输出镜和偏振片；棒状泵浦模块发出的泵浦光从其两端射出，一端射出的泵浦光经过依次偏振片和泵浦输出镜输出，另一端射出的泵浦光经过声光Q开关后射入泵浦全反镜反射后，在依次经过声光Q开关、棒状侧泵浦模块、偏振片和泵浦输出镜输出。

本方案的有益效果可根据对上述方案的叙述得知，本发明与现有技术相比，其优势在于：

（1）为了获得OPO高转换效率条件下的最佳泵浦功率密度，可以通过设计和调节种子光的重复频率和脉冲宽度，使经板条放大后的泵浦光保持种子光的脉冲特性，从而实现最佳的泵浦功率密度，获得高效率的中红外激光输出。与通过振荡器直接输出泵浦光相比，调节种子光脉冲特性的技术路线更具灵活性，板条的放大光路以及后续的光束整形系统不用重新调节，而在高功率下，振荡器直接输出泵浦光的脉冲特性受到增益和谐振腔结构的限制，难以实现较大范围的重复频率和脉冲宽度的调节。

（2）受到PPLN晶体生长和加工工艺的限制，其厚度方向通常较窄，泵浦入射端面呈现窄条的矩形，通常为了更加充分的利用PPLN晶体的有效区域，需将圆形的光斑整形成椭圆光斑再进行泵浦。而本发明采用板条激光器进行泵浦，其输出光斑的形态也为矩形，通过简单的光束耦合系统，可以实现与PPLN晶体入射端面有效区域的最佳重合，提高OPO系统的转换效率，在相同泵浦功率下降低PPLN损伤几率，或者在相同泵浦功率密度下，承受更高的泵浦功率，更有利于实现高功率的中红外激光输出。

（3）通常而言，一般通过振荡器输出的光斑呈现高斯分布（中心较强、边缘较弱），对于PPLN-OPO系统而言，在高功率泵浦下，其中心较强区域的功率密度较高，容易引起PPLN晶体的损伤。为了实现高转换效率的PPLN-OPO，当泵浦光斑的边缘功率密度达到最佳功率密度时，其中心区域将超过最佳功率密度，而产生逆转换效应，导致转换效率降低。对于种子光经板条放大的泵浦光系统，其光斑分布更加均匀，避免了泵浦激光中心强点，减小了PPLN晶体的损伤几率，可以在整个泵浦光斑内均处于最佳功率密度附近，从而实现高转换效率的中红外激光输出。同时，不含强点的泵浦光斑分布，在相同的PPLN损伤阈值限制下，能承受更高的泵浦功率，从而实现高功率的中红外激光输出。

（4）板条激光器具有输出功率高、光束质量好等突出优点。相对其他技术路线的激光器（例如光纤激光器等），对于脉冲工作模式，数百瓦，甚至数千瓦的输出下，板条激光器输出的激光更具优势。作为PPLN-OPO的泵浦激光，其较小的发散角在相位匹配条件的调制下，能获得较好光束质量的中红外激光输出。

由此可见，本发明与现有技术相比，具有突出的实质性特点和显著的进步，其实施的有益效果也是显而易见的。

附图说明

图1为本发明具体实施方式一的结构示意图。

图2为图1中种子激光器的一种结构示意图。

图3为图1中PPLN-OPO系统的另一种结构示意图。

图中，1为种子激光器，2为板条放大器，3为光束整形系统，4为PPLN-OPO系统，5为全反镜，6为PPLN晶体，7为输出镜，8为泵浦全反镜，9为声光Q开光，10为棒状侧泵浦模块，11为偏振片，12为泵浦输出镜，13为双色镜。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书（包括任何附加权利要求、摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

具体实施方式一：

种子激光器1采用光纤耦合输出的808nm二极管激光端面泵浦Nd掺杂的增益晶体，在折叠型的谐振腔中获得数瓦、光束质量因子M²<1.5的基模1.064μm输出。在腔内通过声光Q开关实现脉冲调制，通过调整增益、腔长、Q开关参数等，种子激光的脉冲频率数千赫兹到数十千赫兹可调，脉冲宽度数十纳秒到数百纳秒可设计。通过Nd晶体的选型、谐振腔内偏振器件的控制等，种子激光实现线偏振输出，以实现后续OPO系统的相位匹配。

板条放大器系统2主要由光束整形和传输系统、隔离系统、侧泵浦的Nd板条放大模块等组成。光束整形和传输系统主要是将种子激光的光斑大小和形状调整到与板条增益介质相匹配的大小和形状，以实现有效的放大提取。隔离系统是防止多通放大的回光对种子激光参数和性能的影响。侧泵浦的Nd板条放大模块由经过整形的808nm二极管激光叠阵、Nd板条晶体、热沉和其他光学器件组成，是板条放大器系统的核心部件。根据放大的功率需求，板条放大器系统可设计为单通或多通放大，以及多个板条放大器串接的形式，实现高光束质量高功率的激光输出。板条放大器在实现功率提升的同时，还可以保持种子激光的脉冲特性。

光束整形系统3由多块透镜组成，主要将板条放大器系统2输出的高功率高光束质量的泵浦激光在PPLN晶体合适位置整形到与PPLN入射端面和OPO谐振腔相匹配的大小，以充分利用PPLN晶体的有效区域，实现高效率高功率高光束质量的中红外激光输出。

PPLN-OPO系统4是将放大后的泵浦激光在PPLN晶体中通过非线性频率变换实现特定波长的中红外激光输出，通常由OPO谐振腔镜、非线性晶体（含温控夹具）组成。对于直线腔系统，OPO全反镜5镀有泵浦激光增透膜、近红外信号光和中红外闲频光高反膜，PPLN晶体入射双端面镀有泵浦激光、近红外信号光和中红外闲频光的增透膜，OPO输出镜7对近红外信号光部分反射，对中红外闲频光高透（对应于信号光单谐振结构），或者对近红外信号光高透，对中红外闲频光部分反射（对应于闲频光单谐振结构）。对于环形腔结构，可以由三块或四块相应的镜子组成。PPLN晶体置于温控夹具之中，通过改变其工作温度，可以实现中红外激光波长的调谐输出。

为了实现高效率高功率高光束质量的中红外激光输出，需要控制泵浦激光的功率密度，实现最佳阈值倍数的泵浦，减小逆转换效应；充分利用PPLN晶体的有效区域，增加PPLN晶体能够承受的泵浦功率，减小其损伤几率；控制高功率泵浦激光的光束质量，根据相位匹配对发散角的限制，以及谐振腔对激光模式的选取，以获得高光束质量的中红外OPO输出。

综上所述，种子激光器采用折叠腔端泵浦结构，实现数瓦、光束质量因子M²<1.5的1.064μm输出，再经过板条增益模块定标放大到数百瓦，通过耦合系统进行光束整形后泵浦PPLN-OPO获得高效率高功率高光束质量的中红外激光输出。

在本实施方式中，PPLN晶体的体积为3mm（厚）×5mm（宽）×50mm（长），入射端面的最佳有效区域为2.4mm（厚）×4mm（宽），光束整形系统3通过透镜组将板条增益模块放大后的泵浦光的光斑大小整形为与PPLN晶体入射端面最佳有效区域相匹配的大小，并保持其光斑分布较为均匀。OPO谐振腔采用单谐振结构，以避免双谐振结构下近红外信号光和中红外闲频光在谐振过程中逆转换为泵浦光，导致转换效率降低，输出功率不稳定。OPO谐振腔结构、PPLN晶体的增益长度和输出波长等参数大致决定了其出光阈值，而在充分利用PPLN有效区域所确定的泵浦光光斑大小的前提下，为了达到最佳的泵浦功率密度（超阈值倍数），需要调节泵浦光的重复频率和脉冲宽度。由于板条增益模块的定标放大特性与种子激光的脉冲特性相关，因此可以通过调整种子激光的重复频率和脉宽实现功率放大后的泵浦光最佳功率密度。种子激光的脉冲特性，可以通过声光Q开关进行重复频率和脉冲宽度的调节，也可以通过谐振腔长和808nm泵浦光斑大小等参数调节脉冲宽度等。对于采用折叠腔端泵浦结构的种子激光器其重复频率数千赫兹到数十千赫兹可调，脉冲宽度数十纳秒到数百纳秒可调。因此，在不用调节板条放大器系统2，光束整形系统3，PPLN-OPO系统4的前提下，仅通过调节种子激光器1的参数，可以实现泵浦光功率密度较大动态范围的调节，使其远离PPLN晶体的损伤阈值，并且达到最佳的泵浦功率密度。

在本实施方式中，PPLN-OPO总的转换效率已超过60%，总的输出功率超过150W，近红外信号光的光束质量因子M²<5，达到了高效率高功率高光束质量的技术指标，是目前国内外公开报道最高输出功率的OPO。

具体实施方式二：

结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式与实施方式一所述的区别在于，种子激光器1采用棒状侧泵浦模块构成的直线腔系统，如图2示意。图中泵浦全反镜8镀有1.064μm全反膜，泵浦输出镜12镀有对1.064μm激光部分反射膜，它们组成了种子激光器的谐振腔。声光Q开关9实现对种子激光的脉冲调制，重复频率数千赫兹到数十千赫兹可调。棒状侧泵浦模块10的增益介质是直径2mm、长度106mm，均匀掺杂的Nd:YAG棒，808nm的二极管激光芯片均匀的照射在棒侧面。偏振片11放入谐振腔中，以保证种子激光实现线偏振输出，从而在后续的PPLN-OPO系统中实现相位匹配。该直线腔侧泵浦棒状激光器能实现数瓦到数十瓦，光束质量因子M²<2，脉冲频率可调，线偏振的种子激光，进而通过板条放大器进行功率的定标放大。

具体实施方式三：

结合图1说明本实施方式，本实施方式与实施方式一、实施方式二所述的区别在于，作为种子激光器1采用1mm脉冲光纤激光器，重复频率、脉冲宽度、光束质量等参数与实施方式一中的类似。

具体实施方式四：

结合图1和图3说明本实施方式，本实施方式与实施方式一、实施方式二、实施方式三所述的区别在于作为PPLN-OPO系统4采用折叠腔结构，如图3所示。泵浦光是经板条放大，整形与PPLN入射端面的最佳有效区域相匹配的1.064mm激光。反射镜5镀有近红外信号光和中红外闲频光的高反膜。PPLN晶体6入射双端面镀有泵浦激光、近红外信号光和中红外闲频光增透膜。双色镜13镀有泵浦激光增透膜、近红外信号光和中红外闲频光高反膜。OPO输出镜7对近红外信号光部分反射，对中红外闲频光高透（对应于信号光单谐振结构），或者对近红外信号光高透，对中红外闲频光部分反射（对应于闲频光单谐振结构）。

PPLN-OPO系统4采用折叠腔结构有利于在热效应较严重的情况下，在谐振腔中实现模式的匹配，获得高光束质量的中红外OPO输出，同时可以调节OPO系统的出光阈值，进而调节最佳的泵浦功率密度，实现高转换效率的中红外OPO输出。

具体实施方式五：

结合图1和图3说明本实施方式，本实施方式与实施方式四所述的区别在用布拉格光栅（VBG）替代反射镜5。VBG对信号光部分反射，同时限制发散角大的信号光谐振。OPO输出镜7对近红外信号光高反，对中红外闲频光高透，中红外激光通过OPO输出镜7输出，近红外闲频光通过VBG输出。用VBG取代实施方式四中的折叠腔结构，除了具有折叠腔光束质量模式匹配、最佳泵浦功率密度可设计之外，VBG的衍射特性将进一步改善OPO输出的光束质量。当谐振激光的发散角大于VBG设计值时，反射率将急剧降低，增大的损耗将不能保证其谐振放大，因此仅有发散角较小的光能有效谐振放大，保证了OPO的高光束质量输出。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (3)

1.一种板条泵浦的中红外光参量振荡器，其特征是：包括有种子激光器、板条放大器、光束整形系统和PPLN-OPO系统；所述种子激光器发出的泵浦光依次经过板条放大器、光束整形系统和PPLN-OPO系统后输出；所述泵浦光中包括有近红外信号光、中红外闲频光、近红外闲频光；所述PLN-OPO系统包括有反射镜、双色镜、PPLN晶体和输出镜；射入的泵浦光经过双色镜后射入PPLN晶体，依次穿过PPPLN晶体和输出镜输出；所述输出镜和PPLN晶体反射的光经过双色镜反射至反射镜，再由反射镜反射回双色镜；所述反射镜镀有近红外信号光和中红外闲频光的高反膜；所述PPLN入射端的双面镀有泵浦光、近红外信号光和中红外闲频光增透膜；所述双色镜镀有泵浦光增透膜、近红外信号光和中红外闲频光高反膜；所述输出镜对近红外信号光部分反射，对中红外闲频光高透或者对近红外信号反射镜镀有光高透，对中红外闲频光部分反射；所述双色镜与泵浦光的夹角为45°；

种子激光器采用光纤耦合输出的808nm二极管激光端面泵浦Nd掺杂的增益晶体，在折叠型的谐振腔中获得光束质量因子M2<1.5的基模1.064μm输出；板条放大器2包括光束整形和传输系统、隔离系统、侧泵浦的Nd板条放大模块；光束整形和传输系统被配置成用于将种子激光的光斑大小和形状调整到与板条增益介质相匹配的大小和形状，以实现有效的放大提取；隔离系统被配置成用于防止多通放大的回光对种子激光参数和性能的影响；侧泵浦的Nd板条放大模块包括经过整形的808nm二极管激光叠阵、Nd板条晶体和热沉；所述PPLN晶体的入射端面为最佳有效区域为厚2.4mm、宽4mm的窄条的矩形，所述种子激光器经板条放大器的输出光斑的形态为矩形的均匀光斑。

2.根据权利要求1所述的一种板条泵浦的中红外光参量振荡器，其特征是：所述反射镜能够替换设为布拉格光栅VBG；所述输出镜对近红外信号光高反、对中红外闲频光高透；所述近红外闲频光通过VBG输出。

3.根据权利要求1所述的一种板条泵浦的中红外光参量振荡器，其特征是：所述种子激光器包括有棒状侧泵浦模块、声光Q开光、泵浦全反镜、泵浦输出镜和偏振片；所述棒状泵浦模块发出的泵浦光从其两端射出，一端射出的泵浦光经过依次偏振片和泵浦输出镜输出，另一端射出的泵浦光经过声光Q开关后射入泵浦全反镜反射后，在依次经过声光Q开关、棒状侧泵浦模块、偏振片和泵浦输出镜输出。