CN105680309A - 一种紧凑结构皮秒脉冲宽调谐中红外激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种紧凑结构皮秒脉冲宽调谐中红外激光器，包括1064nm皮秒脉冲泵浦源、光隔离器、聚焦透镜、多通道周期性极化晶体、晶体温控炉、步进电机位移平台、OPO谐振腔、一维平移台；1064nm皮秒脉冲泵浦源通过光隔离器后经过聚焦透镜，聚焦在周期性极化晶体上；周期性极化晶体放置在一个精度为0.1℃的晶体温控炉中；晶体温控炉放置在一个步进电机位移平台上、调节泵浦源进入多通道周期性极化晶体的不同通道；从多通道周期性极化晶体输出的光进入OPO谐振腔，OPO谐振腔谐振腔最后一个腔镜放置在一个沿光路方向调节的一维平移台上，改变谐振腔的光程长度与泵浦光的重复频率相匹配；皮秒脉冲宽调谐中红外激光产生方式。
Description
技术领域
本发明涉及中红外激光器，尤其是皮秒脉冲中红外激光器，为一种波长在1.4um—4.3um范围内连续可调谐输出的紧凑结构皮秒脉冲激光器。
背景介绍
由于中红外激光处于许多气体的特征吸收峰，且在大气中损耗较低等特性，在气体探测、光电对抗、光谱分析等领域具有重要的应用价值。皮秒、飞秒量级的超短脉冲激光由于其脉冲非常短，激光峰值功率较高，在工业加工、医疗、光谱分析等领域应用广泛。
中红外激光从激光产生原理上可分为半导体量子级联激光器、化学激光器、气体激光器等直接产生和非线性频率转换间接产生。相比之下，利用光学参量振荡(OPO)产生中红外激光具有结构简单、输出功率较高且输出波长可连续调谐等优势。高重复频率的超短脉冲激光在通信、显微等领域具有广泛的应用前景，中红外波段的超短脉冲激光还可应用于中红外材料的刻蚀与加工。传统的产生高重频超短脉冲大多采用锁模激光器，但是其输出波长范围通常较窄且受限在特定波长；因此提出皮秒脉冲宽调谐中红外激光器是业界的重要任务。
利用同步泵浦OPO产生可调谐超短脉冲激光，可以产生传统锁模激光器无法覆盖的激光波长，同时具有较高的激光输出功率与光束质量。
基于同步泵浦OPO产生可调谐超短脉冲激光可以采用LN晶体、KTP晶体、PPLN晶体等作为非线性转换晶体，实现中红外波段超短脉冲输出。特别的基于PPLN晶体的同步泵浦OPO受益于近年来准位相匹配技术与踌工程技术的发展，可以在更宽泛的波长范围内实现较高的频率转换效率，从而成为产生皮秒脉冲中红外可调谐激光器的主流方式。
但目前利用PPLN晶体产生中红外皮秒脉冲激光一般采用单个周期的极化晶体，其可以覆盖的波长范围有限。另外皮秒脉冲OPO同步泵浦技术，其光腔长度一般要求为1-2米，以实现有效增益，在使用上不方便。
发明内容
本发明目的：为了提供更广波长调谐范围的中红外可调谐超短脉冲激光，本发明提供一种皮秒脉冲连续宽调谐中红外激光器，激光在1.4-4.3um之间可连续调谐输出，并且其空间体积更加紧凑便携。
本发明采用的技术方案为：一种紧凑结构皮秒脉冲宽调谐中红外激光器，其特征是包括1064nm皮秒脉冲泵浦源、光隔离器、聚焦透镜、多通道周期性极化晶体、晶体温控炉、步进电机位移平台、OPO谐振腔、一维平移台；1064nm皮秒脉冲泵浦源通过光隔离器后经过聚焦透镜，聚焦在周期性极化晶体上；周期性极化晶体放置在一个精度为0.1℃的晶体温控炉中；晶体温控炉放置在一个步进电机位移平台上；步进电机位移平台的调节方向垂直于光路、调节泵浦源进入多通道周期性极化晶体的不同通道；从多通道周期性极化晶体输出的光进入OPO谐振腔，OPO谐振腔谐振腔最后一个腔镜放置在一个沿光路方向调节的一维平移台15上，最后一个腔镜沿着光路方向移动，用以改变谐振腔的光程长度与泵浦光的重复频率相匹配。
所述周期性极化晶体采用MgO:PPLN晶体，所述晶体采用多通道设计，共有6-10个通道。
所述周期性极化晶体为8个通道，周期性极化晶体八个通道的晶体周期分别为：27.9um；28.29um；28.7um；29.16um；29.66um；30.19um；30.81um；31.52um；通过步进电机位移平台的平移改变泵浦源作用在不同周期晶体的通道上，同时改变晶体的工作温度，实现激光波长的连续宽调谐输出。
1064nm皮秒脉冲泵浦源采用光纤1064nm皮秒脉冲激光器或全固态1064nm皮秒脉冲激光器。
OPO谐振腔采用之字形光折叠腔设计，压缩空间结构，使得激光器结构紧凑。OPO谐
振腔在1.4um-2.1um全波段镀膜，使得OPO谐振腔在1.4um-2.1um均可形成振荡输
出，从而激光器在1.4-4.3um波长范围内连续输出激光。
按光路序列分置的第一至第七腔镜6—12构成OPO谐振腔，第一腔镜6为OPO前腔镜、平面镜，对1064nm高透，对1.4um—2.1um高反；第二腔镜7为平面镜，偏斜45度镀膜，对1064nm高透，对1.4—2.1um高反，对2.3um—4um高透；第三-第六腔镜8—11对1.4—2.1um高反的反射镜，其中第三腔镜8为曲率800mm的凹面镜，第四第六腔镜9—11为平面镜；第七腔镜12为平面镜，对1.4um—2.1um具有10％的透过率。
激光器同时输出两种波长的激光，1.4um—2.1um激光从第七腔镜12处经过出光口17输出，2.1um—4.3um激光从偏斜45度镀膜的第二腔镜经过出光口16输出。第一至第七七镜折叠腔结构即由其中的腔镜6—腔镜12七反射镜构成折叠的六条光路成OPO谐振腔的腔长，OPO部分空间占据长度为0.7±0.1m。
有益效果，针对现有技术的问题，本发明采用多通道的周期性极化晶体，通过快速切换泵浦光路径上的周期性极化晶体通道，实现更广范围的激光波长调谐，即在1.4um—4.3um范围内均可调谐输出。本发明设计了多镜折叠腔结构取代通常采用的四镜环形腔，使得OPO的空间长度仅需通常结构的1/3甚至更小。因此本发明提供了一种紧凑结构皮秒脉冲连续宽调谐中红外激光器，使得激光输出波长扩展到在1.4um—4.3um可调输出的同时，体积更加紧凑。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2所示为：多通道MgO:PPLN晶体的结构示意图。
图3所示为：当1064nm泵浦光经过周期为31.52um的MgO:PPLN晶体时，通过改变温控炉的温度产生波长在1.7um—2.86um的激光。
图4所示为：当1064nm泵浦光经过周期为30.81um的MgO:PPLN晶体时，通过改变温控炉的温度产生波长在1.58um—1.7um与2.86um—3.25um的激光。
图5所示为：在不同的MgO:PPLN晶体周期通道与不同温度的状态下，对应的激光输出波长曲线。
具体实施方式
图1为本发明的结构示意图，如图1所示，1064nm皮秒脉冲泵浦源经过1064nm45度高反镜1后入射在光衰减装置2上，再经过1064nm光隔离器3后通过聚焦透镜4和1064nm45度高反镜5聚焦在多通道周期性极化晶体MgO:PPLN上；周期性极化晶体放置在一个精度为0.1度的温控炉13中；温控炉放置在一个步进电机位移平台14上，通过移动步进电机位移平台改变多通道MgO:PPLN晶体工作的通道。腔镜6—12构成OPO谐振腔，腔镜6为OPO前腔镜，平面镜，对1064nm高透，对1.4um—2.1um高反；第二腔镜7为平面镜，45度镀膜，对1064nm高透，对1.4um—2.1um高反，对2.3um—4um高透；腔镜8—11对1.4um—2.1um高反的反射镜，其中腔镜8为曲率800mm的凹面镜，腔镜9—11为平面镜；第七腔镜12为平面镜，对1.4um—2.1um具有10％的透过率。因此，本发明激光器同时输出两种波长的激光，1.4um—2.1um激光从腔镜12处经过出光口17输出，2.1um—4.3um激光从腔镜7处经过出光口16输出。最后一个腔镜12放置在一个沿光路方向调节的一维平移台15上，可以沿着光路方向移动，用以改变谐振腔的光程长度从而和泵浦光的重复频率相匹配。
皮秒脉冲的同步泵浦技术要求OPO谐振腔光程长度与泵浦光的重复频率相匹配。以泵浦光重复频率为80MHz为例，需要OPO谐振腔的光程必须为3.75m，对于折叠腔结构需要前后腔镜光程距离必须等于1.875m，因此需要一维平移台15精确控制后腔镜12距离前腔镜6的距离，以满足同步泵浦的腔长匹配。而本发明采用七镜折叠腔结构即由其中的腔镜6—腔镜12七反射镜构成折叠的六条光路成OPO谐振腔的腔长，使得OPO部分空间占据长度约为0.7m，极大的压缩了激光器的物理尺寸。
图2所示为多通道MgO:PPLN晶体的结构示意图。MgO:PPLN晶体共有8个通道，图示中从上到下周期分别为27.9um；28.29um；28.7um；29.16um；29.66um；30.19um；30.81um和31.52um。移动步进电机位移平台14可以使得1064nm泵浦光经过MgO:PPLN晶体的不同通道。在特定的通道下，通过改变温控炉在50℃到200℃区间的温度，改变激光输出波长。譬如当1064nm泵浦光经过周期为31.52um的MgO:PPLN晶体时，通过改变温控炉的温度可以产生波长在1.7um—2.86um的激光，如图3所示；而当1064nm泵浦光经过周期为30.81um的MgO:PPLN晶体时，通过改变温控炉的温度可以产生波长在1.58um—1.7um与2.86um—3.25um的激光，如图4所示。所以通过改变泵浦光作用的MgO:PPLN晶体的周期以及温控炉的温度即可产生在1.4um—4.3um的激光输出。
图5所示为在不同的通道MgO:PPLN晶体与不同温度的状态下，对应的激光输出波长曲线。可以看到本发明可以无间断的输出1.4um—4.3um的激光。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种紧凑结构皮秒脉冲宽调谐中红外激光器，其特征是包括1064nm皮秒脉冲泵浦源、光隔离器、聚焦透镜、多通道周期性极化晶体、晶体温控炉、步进电机位移平台、OPO谐振腔、一维平移台；1064nm皮秒脉冲泵浦源通过光隔离器后经过聚焦透镜，聚焦在周期性极化晶体上；周期性极化晶体放置在一个精度为0.1℃的晶体温控炉中；晶体温控炉放置在一个步进电机位移平台上；步进电机位移平台的调节方向垂直于光路、调节泵浦源进入多通道周期性极化晶体的不同通道；从多通道周期性极化晶体输出的光进入OPO谐振腔，OPO谐振腔谐振腔最后一个腔镜放置在一个沿光路方向调节的一维平移台(15)上，最后一个腔镜沿着光路方向移动，用以改变谐振腔的光程长度与泵浦光的重复频率相匹配；其中按光路方向的序列分置的第一至第七腔镜(6—12)构成OPO谐振腔，第一腔镜(6)为OPO前腔镜、面镜，对1064nm高透，对1.4um—2.1um高反；第二腔镜(7)为平面镜，偏斜45度镀膜，对1064nm高透，对1.4—2.1um高反，对2.3um—4um高透；第三-第六腔镜(8—11)对1.4—2.1um高反的反射镜，其中第三腔镜(8)为曲率800mm的凹面镜，第四—第六腔镜(9—11)为平面镜；谐振腔的第七腔镜(12)为平面镜，对1.4um—2.1um具有10％的透过率。
2.根据权利要求1所述的紧凑结构皮秒脉冲宽调谐中红外激光器，其特征是所述周期性极化晶体采用MgO:PPLN晶体，所述晶体采用多通道设计，共有6-10个通道。
3.根据权利要求2所述的紧凑结构皮秒脉冲宽调谐中红外激光器，其特征是所述周期性极化晶体为8个通道，周期性极化晶体八个通道的晶体周期分别为：27.9um；28.29um；28.7um；29.16um；29.66um；30.19um；30.81um；31.52um；通过步进电机位移平台的平移改变泵浦源作用在不同周期晶体的通道上，同时改变晶体的工作温度，实现激光波长的连续宽调谐输出。
4.根据权利要求1所述的紧凑结构皮秒脉冲宽调谐中红外激光器，其特征是1064nm皮秒脉冲泵浦源采用光纤1064nm皮秒脉冲激光器或全固态1064nm皮秒脉冲激光器。
5.根据权利要求1所述的紧凑结构皮秒脉冲宽调谐中红外激光器，其特征是OPO谐振腔采用之字形光折叠腔设计，压缩空间结构，使得激光器结构紧凑。
6.根据权利要求1所述的紧凑结构皮秒脉冲宽调谐中红外激光器，其特征是OPO谐振腔在1.4um-2.1um全波段镀膜，使得OPO谐振腔在1.4um-2.1um均可形成振荡输出，从而激光器在1.4-4.3um波长范围内连续输出激光。
7.根据权利要求1所述的紧凑结构皮秒脉冲宽调谐中红外激光器，其特征是激光器同时输出两种波长的激光，1.4um—2.1um激光从第七腔镜(12)处经过出光口(17)输出，2.1um—4.3um激光从偏斜45度镀膜的第二腔镜经过出光口(16)输出。
8.根据权利要求1所述的紧凑结构皮秒脉冲宽调谐中红外激光器，其特征是第一至第七七镜折叠腔结构即由其中的七反射镜构成折叠的六条光路成OPO谐振腔的腔长，OPO部分空间占据长度为0.7±0.1m。
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