CN106856292B - 基于外差拍频锁定的种子注入2μm波段单频脉冲光参量振荡器 - Google Patents

基于外差拍频锁定的种子注入2μm波段单频脉冲光参量振荡器 Download PDF

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Abstract

一种基于外差拍频锁定的种子注入2μm波段单频脉冲光参量振荡器，包括种子注入光路、泵浦光路、一体化谐振腔、拍频测试组件及电学控制组件五部分。本发明具有频率稳定性高、线宽可控、重复频率与脉宽可调、抗干扰能力强、寿命长和结构紧凑的特点，不仅适合工程商业化，也能适应机载与星载要求。

Description

基于外差拍频锁定的种子注入2μm波段单频脉冲光参量振 荡器
技术领域
本发明涉及单频脉冲激光器，特别是一种基于外差拍频锁定的种子注入单频脉冲全固态光参量振荡器。
背景技术
2μm波段激光处于人眼安全波段和水分子吸收峰，易被生物组织吸收，也能用作中红外波段光参量振荡器的抽运源；同时位于大气传输窗口，对大气和烟雾穿透能力强，覆盖诸多温室气体和污染气体的吸收谱，在激光医疗、相干通信、激光测距、激光雷达、光电对抗、大气环境监测等领域展现出巨大应用价值和广阔市场前景，因此发明性能可靠的2μm波段单频脉冲全固态激光器具有十分重要的意义。
目前产生2μm波段单频脉冲激光的方法主要有两种：
1)半导体或光纤激光泵浦Tm\Ho掺杂介质的调Q激光器结合种子注入和色散元件选模；
2)1μm波段激光泵浦的种子注入光参量振荡器结合谐振探测锁腔技术。
方法1)中增益介质的准三能级运转阈值高，需低温制冷，系统复杂昂贵，腔内色散元件插入损耗大导致效率低，固定的腔长致使激光脉宽与线宽可调性差，极大限制其应用范围。
方法2)中泵浦源技术成熟，易于获取，输出波长调谐范围大，结构简单，适合工程化。但2μm波段位于简并点附近，参量增益带宽大，输出激光线宽较难压窄，谐振探测锁腔技术采用压电陶瓷扫腔获取单频输出，不可避免地存在压电迟滞和机械振铃，降低系统反馈精度，激光频率稳定性与抗干扰能力差。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种基于外差拍频锁定的种子注入2μm波段单频脉冲光参量振荡器，该振荡器能够输出可调谐单频激光，具有频率稳定性高、线宽可控、重复频率与脉宽可调、抗干扰能力强、寿命长和结构紧凑的特点，不仅适合工程商业化，也能适应机载与星载要求。
本发明的工作原理是：
一种种子注入2μm波段单频脉冲光参量振荡器，以重复频率与脉宽连续可调的1μm波段单频脉冲激光为泵浦源实现输出波长与线宽的调谐，通过一体化环形行波稳定腔的限模特性提高机械被动稳定性，利用外差拍频方案锁定腔长，即扫描-保持-预触发-鉴频-补偿-触发。在每个泵浦周期内，将泵浦光在空间上等分成具有固定延时的两束光，当压电陶瓷扫描光参量振荡器的腔长时，光电探测器检测到高稳定度的种子光经环形腔形成的干涉信号峰值后，保持腔长在该位置直至第一束泵浦光到来。输出的第一束单频脉冲光与种子光外差拍频产生的频差将作为误差信号，送入反馈系统实时微调加载在腔内电光晶体上的电压，以微调腔长补偿频差，并保持腔长直至延时后的第二束泵浦光到来，由于两束泵浦光特性一致，仅在时间上有极短的延时，因此能获得与种子光频率一致的2μm波段单频脉冲激光输出。
本发明技术的技术解决方案是：
一种基于外差拍频锁定的种子注入2μm波段单频脉冲光参量振荡器，特征在于其结构包括腔外种子注入光路，泵浦光路，一体化谐振腔，拍频测试组件及电学控制组件五个部分：
所述的腔外种子注入光路包括种子激光器、分束器、耦合透镜组、隔离器组和第一半波片；
所述的泵浦光路包括单频脉冲泵浦源、第二半波片、第一偏振分束器、第二偏振分束器、第一折返镜、光学延时装置、第二折返镜、第一电光晶体、第一聚焦透镜、第一反射镜和双色镜；
所述的一体化谐振腔包括谐振腔框体、第一腔镜、第二腔镜、第三腔镜和第四腔镜，第一非线性晶体、第二非线性晶体、第二电光晶体；
所述的拍频测试组件包括分光镜、第三电光晶体、第三偏振分束器、第二反射镜、第三半波片、第二聚焦透镜、合束器和声光移频器；
所述的电学控制组件包括压电陶瓷、压电陶瓷驱动源、时序控制系统、第一光电探测器、高压电光晶体驱动源、第二光电探测器、低压电光晶体驱动源组成；
上述元器件的位置关系如下：
所述的种子激光器输出的种子光经过所述的分束器分成低功率种子光和高功率种子光：所述的低功率种子光依次经所述的耦合透镜组、隔离器组、第一半波片、双色镜、第一腔镜注入到所述的一体化谐振腔中；所述的高功率种子光经所述的声光移频器进入所述的合束器中；
所述的单频脉冲泵浦源输出的泵浦光经所述的第二半波片和第一偏振分束器后在空间上分成等强度的透射光束和反射光束：所述的透射光束透过所述的第二偏振分束器继续传输形成第一束泵浦光，经所述的第一电光晶体、第一聚焦镜、第一反射镜和双色镜反射后与所述的种子光同方向地经第一腔镜入射至所述的一体化谐振腔中；所述的反射光束经第一折返镜、光学延时装置、第二折返镜和第二偏振分束器反射后成为第二束泵浦光，经所述的第一电光晶体、第一聚焦镜、第一反射镜和双色镜反射后与所述的种子光同方向地经第一腔镜入射至所述的一体化谐振腔；
所述的一体化谐振腔中沿光路依次是第一腔镜、第一非线性晶体、第二非线性晶体、第二腔镜、第三腔镜、第二电光晶体、第四腔镜和第一腔镜，所述的第四腔镜紧固在压电陶瓷上，在所述的第二腔镜和第三腔镜之间光路的延长线上设有所述的第一光电探测器；
由所述的第一束泵浦光经一体化谐振腔振荡产生的第一束信号光经所述的分光镜、第三电光晶体和第三偏振分束器反射后，入射到与其传输方向成45°放置的第二反射镜上，由所述的第二反射镜反射衰减后的第一束信号光经所述的第三半波片、第二聚焦镜输入至所述的合束器中；所述的高功率种子光经所述的声光移频器移频后输入至所述的合束器中与进入其中的第一束信号光进行拍频，所述的合束器输出的拍频光信号耦合进所述的第二光电探测器中并将其转换为电信号；
由所述的第二束泵浦光经一体化谐振腔振荡产生的第二束信号光经所述的分光镜、第三电光晶体和第三偏振分束器透射后输出；
所述的压电陶瓷驱动源的输出端与所述的压电陶瓷的输入端相连，所述的低压电光晶体驱动源的输出端与所述的第二电光晶体的输入端相连，所述的第一光电探测器和第二光电探测器的输出端与所述的时序控制系统的输入端相连，所述的高压电光晶体驱动源的输出端与所述的第一电光晶体和第三电光晶体的输入端相连，所述的时序控制系统的输出端分别与所述的压电陶瓷驱动源的输入端、所述的低压电光晶体驱动源的输入端、所述的高压电光晶体驱动源的输入端和所述的泵浦源的控制端相连。
所述的种子激光器为单频窄线宽线偏振连续稳频激光，输出波长为2.05μm，线宽在0.1MHz量级；所述的分束器为保偏分束器，分束比为1:9。
所述的单频脉冲泵浦源为单频窄线宽脉冲激光器，输出波长为1.06μm，脉宽在10-100ns可调，重复频率在0-100Hz可调；所述的光学延时装置对入射至其中的激光施加固定光学延时，延时在100-200ns内可调。
所述的第一折返镜和第二折返镜与光路成45°；所述的第一反射镜和双色镜与泵浦光路成45°。
所述的第一腔镜和第二腔镜为曲率半径等于660mm的平凹镜，所述的第三腔镜和第四腔镜为平镜，所述的第一腔镜具有对信号光2.05μm波长30％～50％的透过率且对泵浦光1.06μm波长高透的镀膜，第二腔镜和第四腔镜镀有对信号光高反、泵浦光高透且空闲光2.21μm波长超过50％透过率的膜，第三腔镜具有对信号光1％的透过率、泵浦光高透且对空闲光超过50％透过率的镀膜；所述的第一非线性晶体和第二非线性晶体为临界相位匹配切割的磷酸钛氧钾晶体(KTiOPO4,KTP)，利用热电制冷片对其进行高精度控温。
所述的谐振腔框体是由铟钢块加工而成，所述的第一腔镜、第二腔镜、第三腔镜和第四腔镜直接固定在框体的侧壁上，所述的第一非线性晶体、第二非线性晶体和第二电光晶体通过转接件固定在框体的底板上，所述的第一非线性晶体和第二非线性晶体以走离补偿方式置于所述的第一腔镜和第二腔镜之间的光路上，所述的第二电光晶体处在所述的第三腔镜和第四腔镜之间的光路上。
输入谐振腔内的泵浦光透过所述的第一腔镜入射至所述的第一非线性晶体和第二非线性晶体进行非线性转换，输出2μm波段的信号光、空闲光和剩余泵浦光，该2μm波段的信号光经所述的第二腔镜、第三腔镜和第四腔镜反射至所述的第一腔镜，所述的第一腔镜将所接收到的一部分信号光反射至第二腔镜上进入所述的谐振腔内继续振荡，另一部分信号光透过所述的第一腔镜形成该信号光透射输出光路；所述的空闲光经所述的第二腔镜、第三腔镜、第四腔镜透射出去，所述的泵浦光经所述的第二腔镜透射出去；
注入谐振腔内的种子光透过所述的第一腔镜入射至所述的第一非线性晶体和第二非线性晶体，经所述的第二腔镜反射至第三腔镜，所述的第三腔镜将接收到的一部分种子光反射至第二电光晶体，并经由第四腔镜反射至所述的第一腔镜形成闭环光路继续在腔内多次往返传输，另一部分种子光透过所述的第三腔镜输出；所述的种子光经谐振腔多次往返后经所述的第三腔镜输出的干涉信号传输至所述的第一光电探测器并转换成电信号。
所述的分光镜与所述的信号光透射输出光路成45°放置，该分光镜对残留的空闲光和泵浦光进行反射滤除，并对腔内输出的2μm波段信号光透射；所述的第二反射镜为单面抛光的毛玻璃，用于衰减射入其中的激光强度；
所述的外差拍频锁定腔长的方法包括下列步骤：
1.在每个工作周期的起始点通过压电陶瓷驱动源给所述的压电陶瓷施加一线性斜坡电压，调整光参量振荡器的腔长，当所述的时序控制系统检测到所述的第一光电探测器上种子光经过谐振腔形成的干涉信号峰值时，保持压电陶瓷的位置，同时所述的时序控制系统通过高压电光晶体驱动源向所述的第一电光晶体施加半波电压，并向所述的单频泵浦源输出指令，打开所述的单频泵浦源；
2.在所述的第二束泵浦光的固定延时时间内，所述的时序控制系统检测到所述的第二光电探测器上移频后的高功率种子光与所述的第一束泵浦光产生的第一束脉冲信号光的拍频中心频率后，根据其与固定移频量的频差，通过所述的低压电光晶体驱动源向所述的第二电光晶体施加补偿频差所需的电压并保持住，同时所述的时序控制系统向所述的高压电光晶体驱动源发出指令，撤掉施加在所述的第一电光晶体上的半波电压，并向所述的第三电光晶体施加半波电压直至第二束泵浦光到来，随即从所述的第三偏振分束器仅透射出频率与种子光一致的第二束单频脉冲信号光。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1.采用可调谐的单频泵浦源、可调谐种子光和晶体角度调谐可实现大范围单频信号光波长、脉宽、重复频率、线宽可调谐输出。
2.采用一体化稳定行波环形腔，结构紧凑，稳定性高，抗干扰能力强，可适应机载与星载要求。
3.利用种子注入，综合压电陶瓷扫腔电压低和电光晶体扫腔响应快的优点，采用此外差拍频锁定腔长的方案，可实现与种子光频严格一致的高稳定度单频窄线宽脉冲光输出。
4.采用走离补偿结构和高精度的主动热电制冷片温控，保证高稳定、高效率、高光束质量激光输出。
附图说明
图1是本发明激光器的系统框图。
图2是电学控制处理连接图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
请参照图1，图1是本发明激光器的系统框图，由图可见，本发明基于外差拍频锁定的种子注入2μm波段单频脉冲光参量振荡器的结构包括腔外种子注入光路1，泵浦光路2，一体化谐振腔3，拍频测试组件4和电学控制组件5五个部分：
所述的腔外种子注入光路包括种子激光器1-1、分束器1-2、耦合透镜组1-3、隔离器组1-4和第一半波片1-5；
所述的泵浦光路包括单频脉冲泵浦源2-1，第二半波片2-2、第一偏振分束器2-3、第二偏振分束器2-4、第一折返镜2-5、光学延时装置2-6、第二折返镜2-7、第一电光晶体2-8、第一聚焦透镜2-9、第一反射镜2-10和双色镜2-11；
所述的一体化谐振腔包括谐振腔框体3-0、第一腔镜3-1、第二腔镜3-2、第三腔镜3-3和第四腔镜3-4，第一非线性晶体3-5、第二非线性晶体3-6、第二电光晶体3-7；
所述的拍频测试组件包括分光镜4-1、第三电光晶体4-2、第三偏振分束器4-3、第二反射镜4-4、第三半波片4-5、第二聚焦透镜4-6、合束器4-7和声光移频器4-8；
所述的电学控制组件包括压电陶瓷5-1、压电陶瓷驱动源5-2、时序控制系统5-3、第一光电探测器5-4、高压电光晶体驱动源5-5、第二光电探测器5-6、低压电光晶体驱动源5-7组成。
上述元器件的位置关系如下：
所述的种子激光器1-1输出的种子光经过所述的分束器1-2分成低功率种子光和高功率种子光：所述的低功率种子光依次经所述的耦合透镜组1-3、隔离器组1-4、第一半波片1-5、双色镜2-11、第一腔镜3-1注入到所述的一体化谐振腔中；所述的高功率种子光经所述的声光移频器4-8进入所述的合束器4-7中；
所述的单频脉冲泵浦源2-1输出的泵浦光经所述的第二半波片2-2和第一偏振分束器2-3后在空间上分成等强度的透射光束和反射光束：所述的透射光束透过所述的第二偏振分束器2-4继续传输形成第一束泵浦光，经所述的第一电光晶体2-8、第一聚焦透镜2-9、第一反射镜2-10和双色镜2-11反射后与所述的种子光同方向地经第一腔镜3-1入射至所述的一体化谐振腔中；所述的反射光束经第一折返镜2-5、光学延时装置2-6、第二折返镜2-7和第二偏振分束器2-4反射后成为第二束泵浦光，经所述的第一电光晶体2-8、第一聚焦透镜2-9、第一反射镜2-10和双色镜2-11反射后与所述的种子光同方向地经第一腔镜3-1入射至所述的一体化谐振腔；
所述的一体化谐振腔中沿光路依次是第一腔镜3-1、第一非线性晶体3-5、第二非线性晶体3-6、第二腔镜3-2、第三腔镜3-3、第二电光晶体3-7、第四腔镜3-4和第一腔镜3-1，所述的第四腔镜3-4紧固在压电陶瓷5-1上，在所述的第二腔镜3-2和第三腔镜3-3之间光路的延长线上设有所述的第一光电探测器5-4；
由所述的第一束泵浦光经一体化谐振腔振荡产生的第一束信号光经所述的分光镜4-1、第三电光晶体4-2和第三偏振分束器4-3反射后，入射到与其传输方向成45°放置的第二反射镜4-4上，由所述的第二反射镜4-4反射衰减后的第一束信号光经所述的第三半波片4-5、第二聚焦透镜4-6输入至所述的合束器4-7中；所述的高功率种子光经所述的声光移频器4-8移频后输入至所述的合束器4-7中与进入其中的第一束信号光进行拍频，所述的合束器4-7输出的拍频光信号耦合进所述的第二光电探测器5-6中并将其转换为电信号；
由所述的第二束泵浦光经一体化谐振腔振荡产生的第二束信号光经所述的分光镜4-1、第三电光晶体4-2和第三偏振分束器4-3透射后输出。
所述的压电陶瓷驱动源5-2的输出端与所述的压电陶瓷5-1的输入端相连，所述的低压电光晶体驱动源5-7的输出端与所述的第二电光晶体3-7的输入端相连，所述的第一光电探测器5-4和第二光电探测器5-6的输出端与所述的时序控制系统5-3的输入端相连，所述的高压电光晶体驱动源5-5的输出端与所述的第一电光晶体2-8和第三电光晶体4-2的输入端相连，所述的时序控制系统5-3的输出端分别与所述的压电陶瓷驱动源5-2的输入端、所述的低压电光晶体驱动源5-7的输入端、所述的高压电光晶体驱动源5-5的输入端和所述的单频脉冲泵浦源2-1的控制端相连，如图2所示。
所述的种子激光器1-1为单频窄线宽线偏振连续稳频激光，输出波长为2.05μm，线宽在0.1MHz量级。所述的分束器1-2为保偏分束器，分束比为1:9。所述的耦合透镜组1-3对所述的低功率种子光束进行变换，使其在谐振腔内的光斑大小与谐振腔内信号振荡光斑大小一样。所述的隔离器组1-4能够提供大于56dB的隔离度，保持光路的单向传输，防止谐振腔产生的脉冲激光损伤种子激光器。所述的第一半波片1-5用于调整隔离器组输出的线偏振种子光的偏振态，以满足注入条件。
所述的单频脉冲泵浦源2-1为单频窄线宽脉冲激光器，输出波长为1.06μm，该单频脉冲泵浦源可以通过稳定的波长连续可调谐窄线宽单频1.06μm种子激光经声光斩波后通过多级级联的半导体激光泵浦的光纤和板条混合激光放大器放大获得，输出能量在0-20mJ可调，脉宽在10-100ns可调，重复频率在0-100Hz可调。所述的光学延时装置2-6对入射至其中的激光施加固定光学延时，延时在100-200ns内可调。
所述的第一电光晶体2-8用于调整透过第二偏振分束器2-4的第一束泵浦光的偏振态实现光参量振荡的相位匹配。所述的第一聚焦透镜2-9对泵浦光束进行变换，使其在谐振腔内的光斑大小与谐振腔产生的信号振荡光斑大小一致。所述的第一折返镜2-5、第二折返镜2-7与光路成45°；所述的第一反射镜2-10和双色镜2-11与泵浦光路成45°。
所述的第一腔镜3-1和第二腔镜3-2为曲率半径等于660mm的平凹镜，所述的第三腔镜3-3和第四腔镜3-4为平镜，所述的第一腔镜3-1具有对信号光2.05μm波长30％～50％的透过率且对泵浦光1.06μm波长高透的镀膜，第二腔镜3-2和第四腔镜3-4镀有对信号光高反、泵浦光高透且空闲光2.21μm波长超过50％透过率的膜，第三腔镜3-3具有对信号光1％的透过率、泵浦光高透且对空闲光超过50％透过率的镀膜。所述的第一非线性晶体3-5和第二非线性晶体3-6为临界相位匹配切割的磷酸钛氧钾晶体(KTiOPO4,KTP)，切角为θ＝52.7°，晶体通光面镀泵浦光、信号光和空闲光均高透的膜，利用热电制冷片对其进行高精度控温。
所述的谐振腔框体3-0是由铟钢块加工而成，所述的第一腔镜3-1、第二腔镜3-2、第三腔镜3-3和第四腔镜3-4直接固定在框体的侧壁上，所述的第一非线性晶体3-5、第二非线性晶体3-6和第二电光晶体3-7通过转接件固定在框体的底板上。所述的第一非线性晶体3-5和第二非线性晶体3-6以走离补偿方式置于所述的第一腔镜3-1和第二腔镜3-2之间的光路上，所述的第二电光晶体3-7处在所述的第三腔镜3-3和第四腔镜3-4之间的光路上，在所述的第二腔镜3-2和第三腔镜3-3之间光路的延长线上设有所述的第一光电探测器5-4。
输入谐振腔内的泵浦光透过所述的第一腔镜3-1入射至所述的第一非线性晶体3-5和第二非线性晶体3-6进行非线性转换，输出2μm波段的信号光、空闲光和剩余泵浦光，该2μm波段的信号光经所述的第二腔镜3-2、第三腔镜3-3和第四腔镜3-4反射至所述的第一腔镜3-1，所述的第一腔镜3-1将所接收到的一部分信号光反射至第二腔镜3-2上进入所述的谐振腔内继续振荡，另一部分信号光透过所述的第一腔镜3-1形成该信号光透射输出光路；所述的空闲光经所述的第二腔镜3-2、第三腔镜3-3、第四腔镜3-4透射出去，所述的泵浦光经所述的第二腔镜3-2透射出去。
注入谐振腔内的种子光透过所述的第一腔镜3-1入射至所述的第一非线性晶体3-5和第二非线性晶体3-6，经所述的第二腔镜3-2反射至第三腔镜3-3，所述的第三腔镜3-3将接收到的一部分种子光反射至第二电光晶体3-7，并经由第四腔镜3-4反射至所述的第一腔镜3-1形成闭环光路继续在腔内多次往返传输，另一部分种子光透过所述的第三腔镜3-3输出；所述的种子光经谐振腔多次往返后经所述的第三腔镜3-3输出的干涉信号传输至所述的第一光电探测器5-4并转换成电信号。
所述的分光镜4-1与所述的信号光透射输出光路成45°放置，该分光镜4-1对残留的空闲光和泵浦光进行反射滤除，并对腔内输出的2μm波段信号光透射。所述的第三电光晶体4-2用于调整所述的第二束脉冲信号光的偏振态使其完全透射出第三偏振分束器4-3。所述的第二反射镜4-4为单面抛光的毛玻璃，用于衰减射入其中的激光强度。所述的第三半波片4-5用于调整所述的第一束脉冲信号光的偏振态，使其与所述的高功率种子光偏振态一致，以满足拍频条件。所述的第二聚焦透镜4-6对所述的第一束脉冲信号光进行变换，使其高效耦合进合束器4-7。所述的声光移频器4-8移频量固定在400MHz且高度稳定，对所述的高功率种子光进行固定移频，并将移频后的高功率种子光传输至合束器4-7。所述的合束器4-7为保偏合束器，其合束比为1:1，接收输入的所述的高功率种子光和所述的第一束脉冲信号光使其产生光学拍频。
所述的第一电光晶体2-8为特殊切割的RTP晶体，其快轴或慢轴与输入线偏泵浦光的偏振方向成45°夹角，晶体两端镀对1.06μm泵浦光高透的膜；所述的第二电光晶体3-7为特殊切割的RTP晶体，其感应折射率主轴方向与谐振腔内种子光的偏振态一致，晶体两端镀对2.05μm信号光高透的膜；所述的第三电光晶体4-2为特殊切割的RTP晶体，其快轴或慢轴与输出线偏信号光的偏振方向成45°夹角，晶体两端镀对2.05μm信号光高透的膜。
请参照图2，所述的外差拍频锁定腔长的方法包括下列步骤：
1.在每个工作周期的起始点通过压电陶瓷驱动源5-2给所述的压电陶瓷5-1施加一线性斜坡电压，调整光参量振荡器的腔长，当所述的时序控制系统5-3检测到所述的第一光电探测器5-4上种子光经过谐振腔形成的干涉信号峰值时，保持压电陶瓷5-1的位置，同时所述的时序控制系统5-3通过高压电光晶体驱动源5-5向所述的第一电光晶体2-8施加半波电压，并向所述的单频脉冲泵浦源2-1输出指令，打开所述的单频脉冲泵浦源2-1，所述的第一束泵浦光进入一体化谐振腔产生单频脉冲信号光。
2.在所述的第二束泵浦光的固定延时时间内，所述的时序控制系统5-3检测到所述的第二光电探测器5-6上移频后的高功率种子光与所述的第一束泵浦光产生的第一束脉冲信号光的拍频中心频率后，根据其与固定移频量的频差，通过所述的低压电光晶体驱动源5-7向所述的第二电光晶体3-7施加补偿频差所需的电压并保持住，同时所述的时序控制系统5-3向所述的高压电光晶体驱动源5-5发出指令，撤掉施加在所述的第一电光晶体2-8上的半波电压，并向所述的第三电光晶体4-2施加半波电压直至第二束泵浦光到来，随即从所述的第三偏振分束器4-3仅透射出频率与种子光一致的第二束单频脉冲信号光。
实验表明，本发明可获得高效率、高光束质量、高频率稳定度的2μm波段单频脉冲激光输出，在很大范围内实现了输出波长、线宽、重复频率、脉宽连续可调谐，同时具有结构紧凑、稳定性高、抗干扰能力强的特点。

Claims (9)

1.一种基于外差拍频锁定的种子注入2μm波段单频脉冲光参量振荡器，特征在于其结构包括腔外种子注入光路、泵浦光路、一体化谐振腔、拍频测试组件及电学控制组件五个部分：
所述的腔外种子注入光路包括种子激光器(1-1)、分束器(1-2)、耦合透镜组(1-3)、隔离器组(1-4)和第一半波片(1-5)；
所述的泵浦光路包括单频脉冲泵浦源(2-1)，第二半波片(2-2)、第一偏振分束器(2-3)、第二偏振分束器(2-4)、第一折返镜(2-5)、光学延时装置(2-6)、第二折返镜(2-7)、第一电光晶体(2-8)、第一聚焦透镜(2-9)、第一反射镜(2-10)和双色镜(2-11)；
所述的一体化谐振腔包括谐振腔框体(3-0)、第一腔镜(3-1)、第二腔镜(3-2)、第三腔镜(3-3)和第四腔镜(3-4)，第一非线性晶体(3-5)、第二非线性晶体(3-6)、第二电光晶体(3-7)；
所述的拍频测试组件包括分光镜(4-1)、第三电光晶体(4-2)、第三偏振分束器(4-3)、第二反射镜(4-4)、第三半波片(4-5)、第二聚焦透镜(4-6)、合束器(4-7)和声光移频器(4-8)；
所述的电学控制组件包括压电陶瓷(5-1)、压电陶瓷驱动源(5-2)、时序控制系统(5-3)、第一光电探测器(5-4)、高压电光晶体驱动源(5-5)、第二光电探测器(5-6)、低压电光晶体驱动源(5-7)组成；
元器件的位置关系如下：
所述的种子激光器(1-1)输出的种子光经过所述的分束器(1-2)分成低功率种子光和高功率种子光：所述的低功率种子光依次经所述的耦合透镜组(1-3)、隔离器组(1-4)、第一半波片(1-5)、双色镜(2-11)、第一腔镜(3-1)注入到所述的一体化谐振腔中；所述的高功率种子光经所述的声光移频器(4-8)进入所述的合束器(4-7)中；
所述的单频脉冲泵浦源(2-1)输出的泵浦光经所述的第二半波片(2-2)和第一偏振分束器(2-3)后在空间上分成等强度的透射光束和反射光束：所述的透射光束透过所述的第二偏振分束器(2-4)继续传输形成第一束泵浦光，经所述的第一电光晶体(2-8)、第一聚焦透镜(2-9)、第一反射镜(2-10)和双色镜(2-11)反射后与所述的低功率种子光同方向地经第一腔镜(3-1)入射至所述的一体化谐振腔中；所述的反射光束经第一折返镜(2-5)、光学延时装置(2-6)、第二折返镜(2-7)和第二偏振分束器(2-4)反射后成为第二束泵浦光，经所述的第一电光晶体(2-8)、第一聚焦透镜(2-9)、第一反射镜(2-10)和双色镜(2-11)反射后与所述的低功率种子光同方向地经第一腔镜(3-1)入射至所述的一体化谐振腔；
所述的一体化谐振腔中沿光路依次是第一腔镜(3-1)、第一非线性晶体(3-5)、第二非线性晶体(3-6)、第二腔镜(3-2)、第三腔镜(3-3)、第二电光晶体(3-7)、第四腔镜(3-4)和第一腔镜(3-1)，所述的第四腔镜(3-4)紧固在压电陶瓷(5-1)上，在所述的第二腔镜(3-2)和第三腔镜(3-3)之间光路的延长线上设有所述的第一光电探测器(5-4)；
由所述的第一束泵浦光经一体化谐振腔振荡产生的第一束信号光经所述的分光镜(4-1)、第三电光晶体(4-2)和第三偏振分束器(4-3)反射后，入射到与其传输方向成45°放置的第二反射镜(4-4)上，由所述的第二反射镜(4-4)反射衰减后的第一束信号光经所述的第三半波片(4-5)、第二聚焦透镜(4-6)输入至所述的合束器(4-7)中；所述的高功率种子光经所述的声光移频器(4-8)移频后输入至所述的合束器(4-7)中与进入其中的第一束信号光进行拍频，所述的合束器(4-7)输出的拍频光信号耦合进所述的第二光电探测器(5-6)中并将其转换为电信号；
由所述的第二束泵浦光经一体化谐振腔振荡产生的第二束信号光经所述的分光镜(4-1)、第三电光晶体(4-2)和第三偏振分束器(4-3)透射后输出；
所述的压电陶瓷驱动源(5-2)的输出端与所述的压电陶瓷(5-1)的输入端相连，所述的低压电光晶体驱动源(5-7)的输出端与所述的第二电光晶体(3-7)的输入端相连，所述的第一光电探测器(5-4)和第二光电探测器(5-6)的输出端与所述的时序控制系统(5-3)的输入端相连，所述的高压电光晶体驱动源(5-5)的输出端与所述的第一电光晶体(2-8)和第三电光晶体(4-2)的输入端相连，所述的时序控制系统(5-3)的输出端分别与所述的压电陶瓷驱动源(5-2)的输入端、所述的低压电光晶体驱动源(5-7)的输入端、所述的高压电光晶体驱动源(5-5)的输入端和所述的泵浦源(2-1)的控制端相连。
2.根据权利要求1所述的基于外差拍频锁定的种子注入2μm波段单频脉冲光参量振荡器，其特征在于所述的种子激光器(1-1)为单频窄线宽线偏振连续稳频激光，输出波长为2.05μm，线宽在0.1MHz量级；所述的分束器(1-2)为保偏分束器，分束比为1:9。
3.根据权利要求1所述的基于外差拍频锁定的种子注入2μm波段单频脉冲光参量振荡器，其特征在于所述的单频脉冲泵浦源(2-1)为单频窄线宽脉冲激光器，输出波长为1.06μm，脉宽在10-100ns可调，重复频率在0-100Hz可调；所述的光学延时装置(2-6)对入射至其中的激光施加固定光学延时，延时在100-200ns内可调。
4.根据权利要求1所述的基于外差拍频锁定的种子注入2μm波段单频脉冲光参量振荡器，其特征在于所述的第一折返镜(2-5)、第二折返镜(2-7)与光路成45°；所述的第一反射镜(2-10)和双色镜(2-11)与泵浦光路成45°。
5.根据权利要求1所述的基于外差拍频锁定的种子注入2μm波段单频脉冲光参量振荡器，其特征在于所述的第一腔镜(3-1)和第二腔镜(3-2)为曲率半径等于660mm的平凹镜，所述的第三腔镜(3-3)和第四腔镜(3-4)为平镜，所述的第一腔镜(3-1)具有对信号光2.05μm波长30％～50％的透过率且对泵浦光1.06μm波长高透的镀膜，第二腔镜(3-2)和第四腔镜(3-4)镀有对信号光高反、泵浦光高透且空闲光2.21μm波长超过50％透过率的膜，第三腔镜(3-3)具有对信号光1％的透过率、泵浦光高透且对空闲光超过50％透过率的镀膜；所述的第一非线性晶体(3-5)和第二非线性晶体(3-6)为临界相位匹配切割的磷酸钛氧钾晶体(KTiOPO4,KTP)，利用热电制冷片对其进行高精度控温。
6.根据权利要求1所述的基于外差拍频锁定的种子注入2μm波段单频脉冲光参量振荡器，其特征在于所述的谐振腔框体(3-0)是由铟钢块加工而成，所述的第一腔镜(3-1)、第二腔镜(3-2)、第三腔镜(3-3)和第四腔镜(3-4)直接固定在框体的侧壁上，所述的第一非线性晶体(3-5)、第二非线性晶体(3-6)和第二电光晶体(3-7)通过转接件固定在框体的底板上，所述的第一非线性晶体(3-5)和第二非线性晶体(3-6)以走离补偿方式置于所述的第一腔镜(3-1)和第二腔镜(3-2)之间的光路上，所述的第二电光晶体(3-7)处在所述的第三腔镜(3-3)和第四腔镜(3-4)之间的光路上。
7.根据权利要求1所述的基于外差拍频锁定的种子注入2μm波段单频脉冲光参量振荡器，其特征在于输入谐振腔内的泵浦光透过所述的第一腔镜(3-1)入射至所述的第一非线性晶体(3-5)和第二非线性晶体(3-6)进行非线性转换，输出2μm波段的信号光、空闲光和剩余泵浦光，该2μm波段的信号光经所述的第二腔镜(3-2)、第三腔镜(3-3)和第四腔镜(3-4)反射至所述的第一腔镜(3-1)，所述的第一腔镜(3-1)将所接收到的一部分信号光反射至第二腔镜(3-2)上进入所述的谐振腔内继续振荡，另一部分信号光透过所述的第一腔镜(3-1)形成该信号光透射输出光路；所述的空闲光经所述的第二腔镜(3-2)、第三腔镜(3-3)、第四腔镜(3-4)透射出去，所述的泵浦光经所述的第二腔镜(3-2)透射出去；
注入谐振腔内的种子光透过所述的第一腔镜(3-1)入射至所述的第一非线性晶体(3-5)和第二非线性晶体(3-6)，经所述的第二腔镜(3-2)反射至第三腔镜(3-3)，所述的第三腔镜(3-3)将接收到的一部分种子光反射至第二电光晶体(3-7)，并经由第四腔镜(3-4)反射至所述的第一腔镜(3-1)形成闭环光路继续在腔内多次往返传输，另一部分种子光透过所述的第三腔镜(3-3)输出；所述的种子光经谐振腔多次往返后经所述的第三腔镜(3-3)输出的干涉信号传输至所述的第一光电探测器(5-4)并转换成电信号。
8.根据权利要求1所述的基于外差拍频锁定的种子注入2μm波段单频脉冲光参量振荡器，其特征在于所述的分光镜(4-1)与所述的信号光透射输出光路成45°放置，该分光镜(4-1)对残留的空闲光和泵浦光进行反射滤除，并对腔内输出的2μm波段信号光透射；所述的第二反射镜(4-4)为单面抛光的毛玻璃，用于衰减射入其中的激光强度。
9.根据权利要求1所述的基于外差拍频锁定的种子注入2μm波段单频脉冲光参量振荡器，其特征在于外差拍频锁定腔长的方法包括下列步骤：
1)在每个工作周期的起始点通过压电陶瓷驱动源(5-2)给所述的压电陶瓷(5-1)施加一线性斜坡电压，调整光参量振荡器的腔长，当所述的时序控制系统(5-3)检测到所述的第一光电探测器(5-4)上种子光经过谐振腔形成的干涉信号峰值时，保持压电陶瓷(5-1)的位置，同时所述的时序控制系统(5-3)通过高压电光晶体驱动源(5-5)向所述的第一电光晶体(2-8)施加半波电压，并向所述的单频脉冲泵浦源(2-1)输出指令，打开所述的单频脉冲泵浦源(2-1)；
2)在所述的第二束泵浦光的固定延时时间内，所述的时序控制系统(5-3)检测到所述的第二光电探测器(5-6)上移频后的高功率种子光与所述的第一束泵浦光产生的第一束脉冲信号光的拍频中心频率后，根据其与固定移频量的频差，通过所述的低压电光晶体驱动源(5-7)向所述的第二电光晶体(3-7)施加补偿频差所需的电压并保持住，同时所述的时序控制系统(5-3)向所述的高压电光晶体驱动源(5-5)发出指令，撤掉施加在所述的第一电光晶体(2-8)上的半波电压，并向所述的第三电光晶体(4-2)施加半波电压直至第二束泵浦光到来，随即从所述的第三偏振分束器(4-3)仅透射出频率与种子光一致的第二束单频脉冲信号光。
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