CN105896261A - 全固态宽调谐长波红外激光源 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种全固态长波红外激光源，包括：近红外激光器和在近红外激光器输出激光方向依次设置的变频模块、短波红外种子激光产生模块、长波红外光参量激光产生模块及光束分光准直整形模块；近红外激光器，用于输出第一固定波长激光；变频模块，用于将第一固定波长激光简并转化为第二固定波长激光；短波红外种子激光产生模块，用于将未被转化的第一固定波长激光转化为第三可调谐波长激光；长波红外光参量激光产生模块，基于第三可调谐波长激光注入,将第二固定波长激光转化为可调谐长波红外激光。分光准直整形模块，用于对可调谐长波红外激光进行分光、准直及整形处理后输出。上述激光源可实现低阈值、高效率、高光束质量、宽调谐8‑14μm长波红外激光的输出。
Description
技术领域
本发明涉及激光技术领域，尤其涉及一种全固态宽调谐长波红外激光源。
背景技术
8-14μm属于长波红外波段，是一个极其重要的大气窗口，该波段长波红外辐射的大气吸收及散射损耗极小，可轻易穿透浑浊空气、烟、雾、霾、雨、雪等多种恶劣背景，且多种装备、工厂、人员等地面和水上目标的红外热辐射特征谱均处于该波段内，因此该8-14μm长波红外相干辐射在大气监测、光学遥感、光谱分析、空间光通信、环保、医疗、光电对抗等领域有着重大的应用价值，已成为国内外广泛研究的热点与难点。
目前,国际上获得8-14μm长波红外激光的方法主要有三种:(1)CO2气体激光,其波长为9.5-10.8μm之间的固定分立谱线,具有输出功率大的优势,然而其存在波长调谐困难且范围窄、体积大及难以精密化等缺点。(2)半导体量子级联激光，理论上其可实现的波长范围极宽，同时体积小、重量轻，但其材料生长困难且突破难度大,目前尚处于实验室研究阶段。(3)固体激光非线性频率变换,具有宽波段连续可调谐、多机制(重频1Hz-GHz，脉宽CW-fs)、全固化、结构紧凑、可实用化与精密化的突出优点。其包含差频及光参量两种技术路线,然而,差频必须采用两个独立的输出功率相近的激光器,且其中必须有一台激光器的波长可连续调谐,才能够实现宽调谐的长波红外激光输出,技术复杂导致其难以实用化。光学参量技术(包含光参量振荡/产生/放大,简称OPO/OPG/OPA)具有波长调谐范围极宽、并且增益高、热效应低、转换效率高、光束质量好、室温运转及结构简单可靠等优点而引起了人们巨大的研究兴趣。基于成熟的固定波长1.06μm近红外激光或其变频 激光泵浦非线性红外晶体实现频率下转换的光参量激光技术已成为获得实用化精密化中远红外激光源的最有效方法之一，成为国内外广泛研究的热点与难点。
在非线性红外晶体方面,氧化物类红外晶体(如KTP,KTA,LN等)具有较好的综合性能，特别是较高的抗激光损伤阈值,然而其外红截止边通常短于5μm,因此无法实现5μm以上激光产生。为了突破5μm激光壁垒,国内外发展了一系列半导体类红外晶体,相比于氧化物类红外晶体,其红外截止边可延伸至远红外区,然而,其抗激光损伤阈值却远远低于氧化物类晶体。当前，有望实现8-14μm长波红外激光输出的半导体类红外晶体材料主要有AgGaS2、AgGaSe2、ZnGeP2等。然而AgGaS2，AgGaSe2晶体激光损伤阈值较低；AgGaSe2晶体无法实现常见1.06μm泵浦光源相位匹配,ZnGeP2晶体在2μm前存在严重吸收，均不能用常见1.06μm光源泵浦；ZnGeP2和AgGaS2在10μm附近出现明显的多声子吸收，难以产生高效率、高功率10-14μm长波红外激光输出。近年,国内吴以成院士研究组首次生长出一种新型红外晶体BaGa4Se7(硒镓钡,简称BGSe),该晶体具有极宽的透光范围0.47-18μm，虽然在15μm处存在一本征多光子吸收峰，其实用红外限仍可达14μm,大的非线性系数,高的损伤阈值,特别是其可用成熟的1.06μm激光泵浦，并在其整个红外透光波段均可实现相位匹配，在中远红外激光产生方面具有巨大的应用潜力。
在光参量激光技术方面，传统OPO及OPG需要较大的泵浦阈值强度才能在非线性晶体内有效激发出光参量荧光,进一步参量荧光的有效振荡及放大则需要更高的泵浦激光强度。对于目前可用的8-14μm红外晶体而言,其体损伤阈值及红外激光薄膜损伤阈值仅仅接近甚至低于OPO/OPG的泵浦阈值，从而导致传统的OPO/OPG方法难以有效产生8-14μm激光，特别是高功率/大能量8-14μm激光输出。
综上而言,非线性红外晶体材料及相关长波红外光参量激光技术的滞后直接导致8-14μm波段激光研究一直迟滞不前。目前,新型高性能 红外晶体及创新型的长波红外光参量激光产生方案亟待突破。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明结合新型高光学性能红外晶体,提供一种全固态长波红外激光源，实现了低阈值、高效率、高光束质量、宽调谐8-14μm长波红外激光的输出。
本发明提供一种全固态长波红外激光源，包括：
近红外激光器和在所述近红外激光器输出激光方向依次设置的变频模块、短波红外种子激光产生模块、长波红外光参量激光产生模块及分光准直整形模块；
所述近红外激光器，用于输出第一固定波长激光；
所述变频模块，用于将部分所述第一固定波长激光转化为第二固定波长激光；
所述短波红外种子激光产生模块，用于将未被转化的第一固定波长激光转化为第三可调谐波长激光；
所述长波红外光参量激光产生模块，用于基于第三可调谐波长激光注入，将所述第二固定波长激光转化为可调谐长波红外激光。
所述分光准直整形模块，用于对所述可调谐长波红外激光进行分光、准直及整形处理后输出。
优选地，所述变频模块为基于第一固定波长近红外激光泵浦第一非线性光学晶体的光参量振荡器,用于将第一固定波长激光简并转化为第二固定波长激光。
优选地，所述第一非线性光学晶体为：KTP晶体、KTA晶体、MgO:LN晶体或PPLN晶体。
优选地，所述短波红外种子激光产生模块为未被转化的第一固定波长激光泵浦第二非线性光学晶体的光参量振荡器,用于将未被转化的第一固定波长激光转化为第三可调谐波长激光。
优选地，所述第二非线性光学晶体为PPLN晶体、PPKTP晶体、 KTP晶体或MgO:LN晶体。
优选地，所述长波红外光参量激光产生模块为第二固定波长激光泵浦及第三可调谐波长激光注入第三非线性光学晶体的光参量振荡器或光参量放大器，用于对第三可调谐波长激光的注入锁定放大或行波放大，并对第二固定波长激光进行转化，以获得可调谐长波红外激光。
优选地，所述第三非线性光学晶体为BaGa4Se7晶体、AgGaS/Se2晶体、ZnGeP2晶体或CdSe晶体。
优选地，所述近红外激光器为Nd或Yb离子掺杂的固体激光器或光纤激光器，其输出空间光强分布为平顶型或高斯形的第一固定波长激光。
优选地，所述长波红外激光的波长范围为8-14μm。
优选地，所述全固态长波红外激光源不包括短波红外种子激光产生模块，所述变频模块和所述长波红外光参量激光产生模块相连；
所述变频模块为第一固定波长激光泵浦第一非线性光学晶体的光参量振荡器，用于产生第四可调谐波长信号光和相对应的第五可调谐波长闲频光，通过调节第一非线性光学晶体的角度，可实现第四可调谐波长信号光和第五可调谐波长闲频光的同步调谐输出，所述第四可调谐波长的信号光作为泵浦激光，所述第五可调谐波长的闲频光的作为种子激光，所述泵浦激光和种子激光一同匹配进入长波红外光参量激光产生模块，实现所述种子激光的注入锁定放大或行波放大，依据光参量原理同时产生可调谐长波红外激光。
由上述技术方案可知，本发明的全固态长波红外激光源，一方面,采用种子注入方式,可大幅降低光参量振荡器或光参量放大器的泵浦阈值,从而将红外晶体光参量振荡或放大所需的最佳泵浦强度控制在红外晶体及红外薄膜的损伤阈值之下；同时,由于最佳运转泵浦强度降低,可采用非聚焦或弱聚焦泵浦方式,从而可大幅消除红外晶体的空间走离,接收角窄等对转换效率与长波红外激光光束质量的影响,进而提升8-14μm长波红外激光的转换效率及光束质量。另一方面,采用 成熟的第一固定波长激光先简并转化为第二固定波长激光再泵浦红外晶体，可大幅提高长波红外激光的量子产生效率，同时剩余未转换的第一波长激光可直接泵浦非线性晶体产生长波红外激光输出所需的可调谐种子激光,提高了第一波长激光的利用效率。由此，实现了低阈值、高效率、高光束质量、宽调谐8-14μm长波红外激光的输出。
附图说明
图1为本发明一实施例提供的全固态长波红外激光源的结构示意图；
图2为本发明另一实施例提供的全固态长波红外激光源的结构示意图；
图3为本发明另一实施例提供的全固态长波红外激光源的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他的实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
图1示出了本发明一实施例提供的全固态长波红外激光源，如图1所述，本实施例的全固态长波红外激光源，包括：近红外激光器11和在所述近红外激光器11输出激光方向依次设置的变频模块12、短波红外种子激光产生模块13、长波红外光参量激光产生模块14及分光准直整形模块15。
所述近红外激光器11，用于输出第一固定波长激光；
所述变频模块12，用于将所述第一固定波长激光简并转化为第二固定波长激光；
所述短波红外种子激光产生模块13，用于将未被转化的第一固定波长激光转化为第三可调谐波长激光；
所述长波红外光参量激光产生模块14，用于基于第三可调谐波长激光注入，将所述第二固定波长激光转化为可调谐长波红外激光。
所述分光准直整形模块15，用于对所述可调谐长波红外激光进行分光、准直及整形处理后输出。
在实际应用中，上述的近红外激光器为Nd或Yb离子掺杂的固体激光器或光纤激光器，其输出空间光强分布为平顶型或高斯形的第一固定波长激光。
近红外激光器输出的第一固定波长激光通过变频模块12实现部分第一波长激光简并转化为第二固定波长激光。
未被转化的第一波长激光通过短波红外种子激光产生模块13，输出第三可调谐波长的短波红外种子激光。
进一步，上述的第二固定波长激光与第三可调谐波长激光同时匹配进入长波红外光参量激光产生模块14，产生8-14μm长波红外激光。
上述的变频模块12、短波红外种子激光产生模块13、长波红外光参量激光产生模块14实现激光波长的转化，是利用了非线性光学晶体在满足相位匹配的条件下,以能量守恒的方式将入射进入的一定波长的高强度激光转变为其它两种新的波长激光。并且非线性光学晶体通常具有较宽范围的相位匹配角,从而可以通过调节晶体的相位匹配角,从而实现输出激光波长的调谐。
在实际应用中，上述的变频模块12可为基于第一固定波长近红外激光泵浦第一非线性光学晶体的光参量振荡器,用于将第一固定波长激光简并转化为第二固定波长激光。第一非线性光学晶体可为KTP晶体、KTA晶体、MgO:LN晶体或PPLN晶体，当然，还可为其他材料的晶体，本实施方式对此不加以限制。
短波红外种子激光产生模块13可为基于未被转化的第一固定波长激光泵浦第二非线性光学晶体的光参量振荡器,用于将未被转化的第 一固定波长激光转化为第三可调谐波长激光。第二非线性光学晶体可为PPLN晶体、PPKTP晶体、KTP晶体或MgO:LN晶体，当然，还可为其他材料的晶体，本实施方式对此不加以限制。
长波红外光参量激光产生模块14可为第二固定波长激光泵浦及第三可调谐波长激光注入第三非线性光学晶体的光参量振荡器或光参量放大器，用于对第三可调谐波长激光的注入锁定放大或行波放大，并对第二固定波长激光进行转化，以获得可调谐长波红外激光。第三非线性光学晶体可为BaGa4Se7晶体、AgGaS/Se2晶体、ZnGeP2晶体或CdSe晶体，当然，还可为其他材料的晶体，本实施方式对此不加以限制。
应该说明的是，在实际应用中仍可采用具有相同或相似作用的非线性光学晶体作为上述的第一非线性光学晶体、第二非线性光学晶体或第三非线性光学晶体，本实施例不对非线性光学晶体的具体选择进行限定。
本实施例的全固态长波红外激光源，采用种子注入可大幅降低光参量振荡器或光参量放大器的泵浦阈值,从而将红外晶体光参量振荡或放大所需的最佳泵浦强度控制在红外晶体及红外薄膜的损伤阈值之下；同时,由于最佳运转泵浦强度降低,可采用非聚焦或弱聚焦泵浦方式,从而可大幅消除红外晶体的空间走离,接收角窄等对转换效率与长波红外激光光束质量的影响,进而提升8-14μm长波红外激光的转换效率及光束质量。进一步,本实施例采用成熟的第一固定波长激光先简并转化为第二固定波长激光再泵浦红外晶体，可大幅提高长波红外激光的量子产生效率，同时剩余未转换的第一波长激光可直接泵浦非线性晶体产生长波红外激光输出所需的可调谐种子激光,提高了第一波长激光的利用效率。由此，实现了低阈值、高效率、高光束质量、宽调谐8-14μm长波红外激光的输出。
以下为分别采用1064nm激光和1030nm激光作为第一波长激光的全固态长波红外激光源产生8-14μm长波红外激光的举例。
实施例2：
如图1所示，本实施例的全固态长波红外激光源，近红外激光器11采用Nd:YAG固体激光器，用于输出1064nm近红外线偏振脉冲激光。
变频模块12为基于KTP晶体的单共振光参量振荡器，1064nm激光匹配进入KTP晶体实现高效简并2128nm线偏振短波红外激光输出。
短波红外种子激光产生模块13为基于KTP晶体的单共振光参量振荡器，KTP晶体匹配角可实现45.6°-47.4°范围内调节，满足2899nm-2509nm宽调谐激光相位匹配。
未转换的1064nm激光匹配进入KTP晶体产生2899nm-2509nm范围内短波红外激光可调谐输出，以此作为种子激光并同2128nm激光一起在空间、时间及偏振态上匹配进入长波红外光参量激光产生模块14，长波红外光参量激光产生模块14为基于BaGa4Se7晶体的单共振光参量振荡器，BaGa4Se7晶体匹配角实现40.9°-43.4°范围内调节，满足8-14μm宽调谐激光相位匹配。
BaGa4Se7晶体中产生的8-14μm长波红外激光，以及放大的2899nm-2509nm短波红外激光，和未转换的2128nm激光通过分光准直整形模块15，实现8-14μm长波红外激光准直输出。
实施例3：
如图2所示，本发明实施例3的全固态长波红外激光源。近红外激光器11同实施例2,变频模块12为基于KTP晶体的单共振光参量振荡器,1064nm激光匹配进入KTP晶体,KTP晶体匹配角可实现47.8°-49.2°范围内调节,可实现波长1879nm-1978nm可调谐信号光输出,根据光参量能量守恒原理同时将产生波长2453-2302nm可调谐闲频光输出。基于KTP晶体的单共振光参量振荡器采用2453-2302nm激光振荡并部分耦合输出,1879nm-1978nm激光不振荡直接全部输出,输出的1879nm-1978nm可调谐信号光作为红外晶体泵浦激光,2453-2302nm可调谐闲频光作为红外晶体种子激光,一起在空间、时间及偏振态上匹配进入宽调谐长波红外光参量激光产生模块14,宽调谐长波红外光参 量激光产生模块14为基于BaGa4Se7晶体的单共振光参量振荡器,实现2453-2302nm波长种子激光的注入锁定放大,根据光参量原理同时产生8-14μm可调谐激光输出。BaGa4Se7晶体中产生的8-14μm长波红外激光、放大的2453-2302nm激光及未转换的1879nm-1978nm激光通过光束分光准直整形模块15,实现8-14μm长波红外激光准直输出。
实施例4
如图3所示，本发明实施例4的全固态长波红外激光源。变频模块12中的非线性光学晶体I为单周期PPLN晶体,并且其设置于近红外激光器11内部,组成腔内光参量振荡器,同时输出1064nm激光及2128nm变频激光。宽调谐短波红外种子激光产生模块13为基于PPLN晶体的单共振光参量振荡器,PPLN晶体为多周期结构,各周期对应基于1064nm激光泵浦的2509nm-2899nm范围内一些列波长匹配。输出的1064nm激光匹配进入PPLN晶体各周期对应位置(可一维上下调节PPLN晶体位置),产生2899nm-2509nm范围内一系列短波红外激光输出,并以此作为种子激光与2128nm激光一起在空间、时间及偏振态上匹配进入宽调谐长波红外光参量激光产生模块14,宽调谐长波红外光参量激光产生模块14为基于AgGaSe2晶体的单共振光参量振荡器,AgGaSe2晶体匹配角实现44.6°-44°范围内调节,满足8-14μm宽调谐激光相位匹配。AgGaSe2晶体中产生的8-14μm长波红外内系列激光、放大的2899nm-2509nm短波红外内系列激光及未转换的2128nm激光通过光束分光准直整形模块15,实现8-14μm长波红内外系列激光准直输出。
实施例5
本发明实施例5的全固态长波红外激光源。同实施例1不同的是，近红外激光器11采用Yb光纤激光器,输出波长为1030nm,变频模块12为基于MgO:LN晶体的单共振光参量振荡器,实现高效2060nm线偏振短波红外激光输出；另外宽调谐长波红外光参量激光产生模块14为基于AgGaS2晶体的光参量放大器,实现8-14μm宽调谐长波红外激光 输出。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。
Claims (10)
1.一种全固态长波红外激光源，其特征在于，包括：
近红外激光器和在所述近红外激光器输出激光方向依次设置的变频模块、短波红外种子激光产生模块、长波红外光参量激光产生模块及分光准直整形模块；
所述近红外激光器，用于输出第一固定波长激光；
所述变频模块，用于将所述第一固定波长激光简并转化为第二固定波长激光；
所述短波红外种子激光产生模块，用于将未被转化的第一固定波长激光转化为第三可调谐波长激光；
所述长波红外光参量激光产生模块，用于基于第三可调谐波长激光注入，将所述第二固定波长激光转化为可调谐长波红外激光。
所述分光准直整形模块，用于对所述可调谐长波红外激光进行分光、准直及整形处理后输出。
2.根据权利要求1所述的全固态长波红外激光源，其特征在于，所述变频模块为基于第一固定波长激光泵浦第一非线性光学晶体的光参量振荡器,用于将第一固定波长激光简并转化为第二固定波长激光。
3.根据权利要求2所述的全固态长波红外激光源，其特征在于，所述第一非线性光学晶体为：KTP晶体、KTA晶体、MgO:LN晶体或PPLN晶体。
4.根据权利要求1所述的全固态长波红外激光源，其特征在于，所述短波红外种子激光产生模块为未被转化的第一固定波长激光泵浦第二非线性光学晶体的光参量振荡器,用于将未被转化的第一固定波长激光转化为第三可调谐波长激光。
5.根据权利要求4所述的短波红外种子激光产生模块，其特征在于，所述第二非线性光学晶体为PPLN晶体、PPKTP晶体、KTP晶体或MgO:LN晶体。
6.根据权利要求1所述的全固态长波红外激光源，其特征在于，所述长波红外光参量激光产生模块为第二固定波长激光泵浦及第三可调谐波长激光注入第三非线性光学晶体的光参量振荡器或光参量放大器，用于对第三可调谐波长激光的注入锁定放大或行波放大，并对第二固定波长激光进行转化，以获得可调谐长波红外激光。
7.根据权利要求6所述的全固态长波红外激光源，其特征在于，所述第三非线性光学晶体为BaGa4Se7晶体、AgGaS/Se2晶体、ZnGeP2晶体或CdSe晶体。
8.根据权利要求1所述的全固态长波红外激光源，其特征在于，所述近红外激光器为Nd或Yb离子掺杂的固体激光器或光纤激光器，其输出空间光强分布为平顶型或高斯形的第一固定波长激光。
9.根据权利要求1所述的全固态长波红外激光源，其特征在于，所述长波红外激光的波长范围为8-14μm。
10.根据权利要求1至9任一项所述的全固态长波红外激光源，其特征在于，所述全固态长波红外激光源不包括短波红外种子激光产生模块，所述变频模块和所述长波红外光参量激光产生模块相连；
所述变频模块为第一固定波长激光泵浦第一非线性光学晶体的光参量振荡器，用于产生第四可调谐波长信号光和相对应的第五可调谐波长闲频光，通过调节第一非线性光学晶体的角度，可实现第四可调谐波长信号光和第五可调谐波长闲频光的同步调谐输出，所述第四可调谐波长的信号光作为泵浦激光，所述第五可调谐波长的闲频光的作为种子激光，所述泵浦激光和种子激光一同匹配进入长波红外光参量激光产生模块，实现所述种子激光的注入锁定放大或行波放大，依据光参量原理同时产生可调谐长波红外激光。
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