CN106410582A - 一种人眼安全波段连续输出的共享腔光参量振荡器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种人眼安全波段连续输出的共享腔光参量振荡器，包括泵浦源系统、自聚焦透镜、激光晶体、周期性极化晶体PPMgLN和谐振腔输出镜，其中，泵浦源系统产生的泵浦光通过自聚焦透镜进行聚焦后，送入激光晶体；所述激光晶体的出射光依次经过周期性极化晶体PPMgLN、谐振腔输出镜后，由谐振腔输出镜进行输出。此结构简单紧凑，可以实现连续波人眼安全波段激光输出。

Description

一种人眼安全波段连续输出的共享腔光参量振荡器
技术领域
本发明属于光学参量振荡器领域，特别涉及一种人眼安全波段连续输出的共享腔光参量振荡器结构。
背景技术
光参量振荡器是利用普通双折射晶体(如KTP、KTA、LBO)或周期性极化晶体(如PPMgLN、PPKTP、PPKTA)的非线性差频效应来实现频率变换的器件，可以有效拓宽现有激光器的光谱范围。相对于其他可调谐激光光源(如染料激光器、钛蓝宝石激光器、泛频一氧化碳激光器)，具有调谐范围宽、性能稳定可靠、效率高、结构简单紧凑等优点，广泛地应用于激光测距、光谱分析、光纤通信、光电对抗等领域。
波长1.4～1.9μm的激光具有很高的水吸收系数，当该波段激光辐射人眼时，大部分的能量会被水分子吸收，对人眼的损伤较小，具有人眼安全特性。光参量振荡技术是获得人眼安全激光的主要方法。传统的人眼安全光参量振荡器通常采用内腔式谐振腔结构(耦合腔结构)，即基频光谐振腔和信号光谐振腔是分离的。如文献“Simultaneous dual-wavelength eye-safe KTP OPO intracavity pumped by a Nd:GYSGG laser”(Journalof Physics D:Applied Physics,49,065101,2016)采用KTP非临界相位匹配方法，获得了1562.1、1567.4nm人眼安全激光。这种耦合腔结构复杂，调节起来也比较麻烦，稳定性差。文献“Mid-infrared,wide-tunable,continuous-wave Nd:YVO4/PPMgLN intracavityoptical parametric oscillator”(Optik,125,6969-6971,2014)也采用耦合腔结构，获得了1.43～1.66μm人眼安全激光，但是耦合腔至少需要三个透镜，降低了系统的稳定性。而且泵浦源采用光纤耦合结构，聚焦系统采用双聚焦透镜，价格比较昂贵。
2005年.台湾Y.F.Chen课题组提出了一种新颖的共享腔结构，即基频光和信号光采用同一个谐振腔(共享腔)。与传统的耦合式谐振腔相比，共享腔结构更简单紧凑、调节更容易，输出的信号光稳定性更好。参见文献“Compact efficient passively Q-switchedNd:GdVO4/PPLN/Cr4+:YAG tunable intracavity optical parametric oscillator”(Optics Express,13,9543-9547,2005)。2013年，文献“Influence of output couplingon the performance of a passively Q-switched Nd:YAG laser with intracavityoptical parametric oscillator”(Optics.Express 21,7583-7589,2013)报道了Cr:YAG被动调Q输出的KTP人眼安全1572nm共享腔光参量振荡器，但是输出波长仅有一个，且不能调谐。
目前共享腔光参量振荡器，都是脉冲输出(被动调Q、主动调Q、锁模运转等)，连续波输出的未见报道，本案由此产生。
本案涉及到的几个术语解释如下：
Nd:YAG：掺钕离子的钇铝石榴石晶体。
PPMgLN：掺氧化镁的周期性极化铌酸锂晶体。
GRIN：梯度折射率。
人眼安全激光：波长1.4～1.9μm的激光具有很高的水吸收系数，当该波段激光辐射人眼时，大部分的能量会被水分子吸收，对人眼的损伤较小，具有人眼安全特性。
光参量振荡器：一种在光频域的参量振荡器，即利用二阶非线性效应将入射基频光转换为两个频率不同的出射光，其中一个频率较高的称为信号光，另一个频率更低的称为闲频光。在频率转换的过程中满足能量守恒和动量守恒定律。
发明内容
本发明的目的，在于提供一种人眼安全波段连续输出的共享腔光参量振荡器，其结构简单紧凑，可以实现连续波人眼安全波段激光输出。
为了达成上述目的，本发明的解决方案是：
一种人眼安全波段连续输出的共享腔光参量振荡器，包括泵浦源系统、自聚焦透镜、激光晶体、周期性极化晶体PPMgLN和谐振腔输出镜，其中，泵浦源系统产生的泵浦光通过自聚焦透镜进行聚焦后，送入激光晶体；所述激光晶体的出射光依次经过周期性极化晶体PPMgLN、谐振腔输出镜后，由谐振腔输出镜进行输出。
上述泵浦源系统位于自聚焦透镜入射侧的焦点位置。
上述自聚焦透镜的两侧外表面均镀有泵浦光808nm增透膜，尺寸Ф3×10mm3。
上述激光晶体采用Nd:YAG或Nd:YVO4。
上述激光晶体Nd:YAG的入射面镀有泵浦光808nm增透膜、1064～1600nm高反膜，出射面镀有1064～1600nm增透膜，Nd3+离子的掺杂浓度1-at.％，长度8mm，铟箔包裹。
上述激光晶体位于自聚焦透镜出射侧的焦点位置。
上述周期性极化晶体PPMgLN的两面均镀有1064～1600nm的增透膜，包含29.0、29.5、30.0、30.5、31.0μm五个极化周期，PPMgLN的厚度1mm，长度50mm。
上述周期性极化晶体PPMgLN的每一个周期的中部对应激光晶体出射面的光线输出位置。
上述谐振腔输出镜的入射面镀有基频光1064nm高反膜。
上述谐振腔输出镜的入射面中部与周期性极化晶体PPMgLN出射面的光线输出位置相对应。
采用上述方案后，本发明利用光参量振荡的方式实现人眼安全波段可调谐输出，基频1064nm激光器和光参量振荡器共用一个谐振腔(共享腔)，结构简单紧凑、性能稳定可靠，通过改变PPMgLN晶体的周期(29.0、29.5、30.0、30.5、31.0μm)，可以获得1450、1475、1505、1542、1590nm五个波段的人眼安全激光，可以用于激光测距和光纤通信等。本发明具体具有以下有益效果：
1)采用共享腔结构，即激光晶体的一面镀有1064～1600nm高反膜，输出镜镀有基频光1064nm高反膜，信号光的反射率大概为85％，即晶体表面和输出镜同时作为基频激光和信号光的谐振腔，此结构简单紧凑，信号光功率更稳定；
2)采用五个极化周期(29.0、29.5、30.0、30.5、31.0μm)的周期性极化晶体PPMgLN，可以获得1450、1475、1505、1542、1590nm五个波段的人眼安全激光；
3)PPMgLN具有非常高的非线性系数，不需要脉冲的基频光(被动调Q、主动调Q、锁模运转等)，可以实现连续波信号光输出，拓宽了光参量振荡器的应用范围；
4)泵浦源采用c封装单管半导体激光器，耦合镜采用自聚焦透镜(GRIN)，降低了耦合系统的复杂性，价格经济实惠。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案及有益效果进行详细说明。
如图1所示，本发明提供一种人眼安全波段连续输出的共享腔光参量振荡器，包括泵浦源系统1、自聚焦透镜(GRIN)2、激光晶体Nd:YAG 3、周期性极化晶体PPMgLN 4和谐振腔输出镜5，下面分别介绍。
泵浦源系统1为c封装单管半导体激光器，用于产生泵浦光，其输出波长808nm，输出功率8W，所述泵浦源系统1位于自聚焦透镜2入射侧的焦点位置，使得其产生的泵浦光能通过自聚焦透镜2进行聚焦。
所述自聚焦透镜2的两侧外表面均镀有泵浦光808nm增透膜，尺寸Ф3×10mm3，自聚焦透镜2将泵浦源系统1产生的泵浦光进行聚焦后，送入激光晶体Nd:YAG 3。
激光晶体Nd:YAG 3位于自聚焦透镜2出射侧的焦点位置，所述激光晶体Nd:YAG 3的入射面镀有泵浦光808nm增透膜、1064～1600nm高反膜(作为基频光和光参量振荡器谐振腔的输入镜)，出射面镀有1064～1600nm增透膜，Nd3+离子的掺杂浓度1-at.％，长度8mm，铟箔包裹，半导体制冷器降温并控制温度。
所述周期性极化晶体PPMgLN 4的两面均镀有1064～1600nm的增透膜，包含五个极化周期(29.0、29.5、30.0、30.5、31.0μm)，PPMgLN的厚度1mm，长度50mm，且所述周期性极化晶体PPMgLN 4的每一个周期的中部对应激光晶体Nd:YAG 3出射面的光线输出位置。
所述谐振腔输出镜5的入射面镀有基频光1064nm高反膜，信号光的反射率约为85％，此谐振腔输出镜为激光器和光参量振荡器共用耦合输出镜，输出镜衬底为K9玻璃，可以有效地吸收中红外闲频光，实现单谐振光参量振荡。所述谐振腔输出镜5的入射面中部与周期性极化晶体PPMgLN 4出射面的光线输出位置相对应。
本发明的工作原理是：泵浦源系统1发出的808nm泵浦光，通过自聚集透镜(GRIN)2聚焦进入激光晶体Nd:YAG 3；在泵浦光的激励下，激光晶体实现粒子数反转，在谐振腔作用下，产生高功率连续1064nm基频光；在周期性极化晶体PPMgLN 4和光参量振荡器谐振腔输出镜5的共同作用下，可以实现光参量振荡，实现非线性频率变换，在周期分别为29.0、29.5、30.0、30.5、31.0μm获得信号光1450、1475、1505、1542、1590nm五个波长的人眼安全激光。
本发明需要特别指出的是：
1)激光晶体Nd:YAG的一面镀有泵浦光808nm增透膜、1064～1600nm高反膜(作为基频光和光参量振荡器谐振腔的输入镜)，另一面镀有1064～1600nm增透膜，晶体可以用Nd:YVO4替代，长度2mm到15mm均可，但是镀的膜不可替代。
2)谐振腔输出镜镀有基频光1064nm高反(反射率大于99％)，信号光反射率约为85％。基频光激光器和光参量振荡器共用一个谐振腔输出镜。共享腔结构不可替代。
3)非线性周期性极化晶体PPMgLN的五个周期(29.0、29.5、30.0、30.5、31.0μm)，不可替换。
4)泵浦源采用c封装单管半导体激光器，耦合镜采用自聚焦透镜(GRIN)。不可替换。
5)共享腔的长度为65mm。可以替代。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.一种人眼安全波段连续输出的共享腔光参量振荡器，其特征在于：包括泵浦源系统、自聚焦透镜、激光晶体、周期性极化晶体PPMgLN和谐振腔输出镜，其中，泵浦源系统产生的泵浦光通过自聚焦透镜进行聚焦后，送入激光晶体；所述激光晶体的出射光依次经过周期性极化晶体PPMgLN、谐振腔输出镜后，由谐振腔输出镜进行输出。
2.如权利要求1所述的一种人眼安全波段连续输出的共享腔光参量振荡器，其特征在于：所述泵浦源系统位于自聚焦透镜入射侧的焦点位置。
3.如权利要求1所述的一种人眼安全波段连续输出的共享腔光参量振荡器，其特征在于：所述自聚焦透镜的两侧外表面均镀有泵浦光808nm增透膜，尺寸Ф3×10mm3。
4.如权利要求1所述的一种人眼安全波段连续输出的共享腔光参量振荡器，其特征在于：所述激光晶体采用Nd:YAG或Nd:YVO4。
5.如权利要求4所述的一种人眼安全波段连续输出的共享腔光参量振荡器，其特征在于：所述激光晶体Nd:YAG的入射面镀有泵浦光808nm增透膜、1064～1600nm高反膜，出射面镀有1064～1600nm增透膜，Nd3+离子的掺杂浓度1-at.％，长度8mm，铟箔包裹。
6.如权利要求1所述的一种人眼安全波段连续输出的共享腔光参量振荡器，其特征在于：所述激光晶体位于自聚焦透镜出射侧的焦点位置。
7.如权利要求1所述的一种人眼安全波段连续输出的共享腔光参量振荡器，其特征在于：所述周期性极化晶体PPMgLN的两面均镀有1064～1600nm的增透膜，包含29.0、29.5、30.0、30.5、31.0μm五个极化周期，PPMgLN的厚度1mm，长度50mm。
8.如权利要求7所述的一种人眼安全波段连续输出的共享腔光参量振荡器，其特征在于：所述周期性极化晶体PPMgLN的每一个周期的中部对应激光晶体出射面的光线输出位置。
9.如权利要求1所述的一种人眼安全波段连续输出的共享腔光参量振荡器，其特征在于：所述谐振腔输出镜的入射面镀有基频光1064nm高反膜。
10.如权利要求1所述的一种人眼安全波段连续输出的共享腔光参量振荡器，其特征在于：所述谐振腔输出镜的入射面中部与周期性极化晶体PPMgLN出射面的光线输出位置相对应。
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