CN106981818B - 片状微腔近红外种子光注入锁定可调谐中红外窄线宽光参量放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种片状微腔近红外种子光注入锁定可调谐中红外窄线宽纳秒脉冲光参量放大器，包括总泵浦光，种子光源部分与片状微腔光光参量振荡(放大)器部分和高通滤光片；总泵浦光为波长1064nm的单频纳秒激光器，为整个系统提供泵浦光输出；种子光系统包括光束整形透镜系统、对总泵浦光为波长1064nm经三硼酸锂晶体即LBO通过双折射位相匹配进行倍频，将1064nm的泵浦光转换为532nm的单频种子泵浦光源，光参量放大系统包括1064nm单频泵浦光源，合束镜以及非线性周期极化晶体，所述种子光系统负责产生用于注入锁定的近红外窄线宽单频种子光。
Description
技术领域
本发明涉及激光器设计技术领域，尤其是涉及可用作气体吸收探测、激光雷达、光电对抗和医学应用等领域的激光光源。
背景技术
中红外窄线宽单频激光器是现代激光工程应用技术的热点研究方向之一，它具有单频窄线宽，频率稳定，信噪比高，相干性好等特殊优势。其在气体吸收探测、激光雷达、光电对抗和医学应用等实用领域以及光谱学等科研方向都有迫切需求。在2-5微米波段，由于缺少相关的激光增益介质，通常使用非线性频率转换技术实现。然而非线性转换过程的增益谱线线宽一般较宽，难以实现单频窄线宽的输出要求，通常可以通过使用色散元件或者注入锁定等方式实现对中红外激光的窄线宽输出。
种子光注入锁定法是使用一个低功率然而本身的光谱线宽很窄的激光作为一个种子光，通过把其注入另一个独立的谐振腔内，来调控这个更高能量输出的腔的输出特性。注入的种子光会在新的激光器腔内形成一个初始的场分布。当种子光达到阈值时，新腔的输出就能模仿这个种子光的特性，从而实现线宽的压缩。
综上所述，种子光的选择成为一个不可忽视的问题。为了配合输出波长也需要选定对应的种子光，常用的种子光通常为半导体的分布式反馈激光器或者染料激光器，分布式反馈激光器具有非常好的单色性，线宽普遍可以做到1MHz以内，具有边模抑制比
(SMSR)40-50dB以上。但是相对的输出波段相对局限，且单个器件的波长调谐范围较短，通常为1nm左右，并且难以实现高频纳秒输出。染料激光器作为种子光，严格依赖染料自身的荧光效应，一般即作为1-2微米附近的种子光源使用。因而针对中红外输出的波长调谐能力强的OPO而言，使用种子光注入的方式控制波长的话，相对的调谐能力的损失也较为明显，并且实现高频脉冲的窄线宽输出也难度较高。
发明内容
本发明的目的在于，针对以上问题，提出一种在尽可能保证光参量转换的宽调谐能力的同时，实现单频率，窄线宽，高稳定，高效率的中红外可调谐纳秒激光输出。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
片状微腔近红外种子光注入锁定可调谐中红外窄线宽纳秒脉冲光参量放大器，其特征在于：包括总泵浦光，种子光源部分与片状微腔光光参量振荡(放大)器部分和高通滤光片；总泵浦光为波长1064nm的单频纳秒激光器，为整个系统提供泵浦光输出；种子光系统包括光束整形透镜系统、对总泵浦光为波长1064nm经三硼酸锂晶体即LBO通过双折射位相匹配(即BPM)进行倍频，将1064nm的泵浦光转换为532nm的单频种子泵浦光源，光参量放大系统包括1064nm单频泵浦光源，合束镜以及非线性周期极化晶体。所述种子光系统负责产生用于注入锁定的近红外窄线宽单频种子光，
总泵浦光经偏振片进而由PBS(偏振分束器)进行分束，分束的一支水平偏振光用于种子光源部分，产生SOPO的近红外的单频窄线宽种子光；分束的另一支垂直偏振光通过滤波片和格兰棱镜控制功率，通过透镜即第二聚束透镜汇聚，以垂直偏振注入非线性晶体，种子光源部分亦合束汇聚到非线性晶体，所述的非线性晶体为周期28.5-31微米的多周期MgO:PPLN，通过控制晶体温度，使其满足光学参量放大(即OPA)中对应种子光波长信号光的非线性转换过程中的匹配条件，从而在1064nm泵浦光注入晶体后产生对应气体吸收峰波段附近的中红外闲频光的频率转换过程，即光参量产生现象(即OPG)；通过调节合束，使得SOPO产生的种子光与1064泵浦光重合共线，注入晶体，调整透镜规格和位置，使得两者束腰位置重叠，并尽量位于晶体中心或附近，最终激发OPA现象，获得纳秒窄线宽单频输出。
所述光参量(振荡器)放大系统通过非线性频率转换和种子光的注入锁定效应实现中红外波段的可调谐窄线宽激光输出。
所述的种子光源部分，其特征是不使用腔镜设计，使用LBO倍频晶体，实现简单有效的1064倍频产生单频532nm纳秒输出。
种子光源部分：通过采用腔相位匹配的片状微腔光参量振荡器，微腔的腔长百微米量级左右，产生近红外的窄线宽单频纳秒种子光，用于实现注入锁定。
光参量放大部分：通过将种子光与泵浦光合束注入到周期极化的非线性晶体MgO:PPLN中实现光参量放大，借助准相位匹配实现非线性频率转换，获得2-5微米中红外窄线宽种子光输出。
种子光源部分，包括聚光器、LBO倍频器件、第一聚束透镜、SOPO器件、LBO倍频器件通过将1064nm种子光偏振分束后的垂直偏振光利用ooe的I类匹配双折射相位匹配实现倍频产生水平偏振的532nm单频纳秒激光，将产生532nm激光输入到SOPO器件中，利用SOPO器件的腔相位匹配(即CPM)实现非线性频率转换；片状微腔光参量振荡器系统的微腔设计腔型为F-P腔型，微腔采用非线性晶体抛光打磨，通常为周期极化铌酸锂(PPLN)或掺氧化镁的周期极化铌酸锂(MgO:PPLN)，微腔长度为百微米量级，小于光参量过程中的一个相干长度、大致为百微米量级。微腔的双面(入射与出射面)独有对设计闲频光和信号光双共振90％透过镀膜，532nm高透镀膜，最终实现窄线宽纳秒近红外输出。片状微腔光参量振荡器通过双共振的镀膜设计和F-P腔的微腔腔型设计进一步保证窄线宽单频输出，最终获得近红外双波长输出的单频种子光输出。
所述泵浦光源：为1064nm波段激光，单频窄线宽纳秒输出，最大激光光源功率10mJ左右。
光参量OPA基本原理工作图，通过将近红外的单频种子光与泵浦光一同注入到周期极化的非线性晶体中，产生非线性频率转换过程，最终获得中红外波段的纳秒激光输出。由于片状微腔光参量振荡器采用的腔相位匹配的方法以及双共振的镀膜设计和F-P腔的微腔腔型设计，注入PPLN非线性晶体中的SOPO产生的0.7-2微米的信号光和闲频光的双波长输出的近红外种子光具有窄线宽单频的输出特性，在频率转换过程中，产生的近红外信号光会模仿注入的种子光的特性，从而表现出对种子光的放大。相对的也会产生对应的中红外的闲频光输出，其也会具有单频窄线宽的输出特性。参照此基本原理，可实现对2-5微米的中红外单频窄线宽输出。
合束镜采用1.5-2.3微米45°高透1064nm45°高反或者1.5-2.3微米45°高反1064nm45°高透，非线性晶体为28.5-31微米的多周期掺氧化镁的周期极化铌酸锂。
所述光参量放大系统：通过将种子光与泵浦光一同注入到周期极化的非线性晶体中实现注入锁定的非线性转换，获取2-5微米波段中红外纳秒输出。由于OPA的特性，最终产生的中红外波段激光能很好的保持种子光的单频窄线宽的输出特性。通过改变种子光的频率以及非线性晶体的周期和温度可以实现宽范围的波长调谐。这也是国内现有产品难以实现的一个方面。
本发明的技术方案具有以下有益效果：
本发明的技术方案，采用单个1064nm单频纳秒激光器作为总泵浦源，经过偏振分束后一支用于进过倍频产生532nm单频绿光，用于泵浦腔长百微米量级的片状微腔光参量振荡器产生近红外种子光；另一支1064nm纳秒激光作为光参量放大器的泵浦光与另一路产生的近红外单频窄线宽种子光进行合束，注入到周期极化的非线性晶体中实现注入锁定，一般采用掺氧化镁的周期极化铌酸锂作为非线性晶体，通过利用准相位匹配(即QPM)的方法，实现非线性的中红外的频率转换过程，最终可获得线宽小于0.05nm的中红外的窄线宽纳秒激光输出，通过调节非线性晶体的周期和温度，可以实现输出波长在2-5微米的范围的宽范围波长调节。与光参量放大器部分。总泵浦光源为波长1064nm的单频纳秒激光器，为整个系统提供泵浦光输出。种子光系统包括532nm的单频种子泵浦光源，光束整形透镜系统，片状微腔光参量振荡器(SOPO)和高通滤光片，光参量放大系统包括1064nm单频泵浦光源，合束镜以及非线性周期极化晶体。所述种子光系统负责产生用于注入锁定的近红外窄线宽单频种子光，所述光参量放大系统负责借助非线性频率转换和种子光的注入锁定效应实现中红外波段的可调谐窄线宽激光输出。该系统可实现2-5微米波段内线宽小于0.05nm的可调谐纳秒脉冲中红外单频输出。属于激光器设计开发领域。
附图说明
图1片状微腔光参量振荡器近红外单频种子光系统工作示意图；
图2倍频532nm及SOPO部分；
图3 1064nm单频泵浦片状微腔近红外种子光注入锁定可调谐中红外窄线宽光参量放大器系统工作示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步说明。
如图1所示，为本发明总系统原理示意图，亦为器件与光路图；激光器即总泵浦光源，1、反射镜M1-M2，1-1偏振片，2、PBS即偏振分束镜，3、第一至第四聚焦透镜f1-f4，4、滤波片，5、三硼酸锂晶体即LBO倍频器件，6、片状微腔光参量振荡器即SOPO，7、合束镜，8、非线性晶体即MgO:PPLN。
采用纳秒脉冲的1064nm单频激光器为泵浦源，经过调整，通过二分之一波片引入调节偏振，进而由PBS(偏振分束器)进行分束，水平偏振一支用用于产生SOPO的近红外的单频窄线宽种子光。另一支垂直偏振再通过波片和格兰棱镜控制功率，通过透镜汇聚，以垂直偏振注入周期28.5-31微米的多周期MgO:PPLN，通过控制晶体温度，满足匹配条件，从而产生气体吸收峰波段附近的OPG现象。，通过调节合束，使得SOPO产生的种子光与1064泵浦光重合共线，注入晶体，调整透镜规格和位置，使得两者束腰位置重叠，并尽量位于晶体中心附近，最终激发OPA现象，获得纳秒窄线宽单频输出。通过同步调节SOPO的温度以及MgO:PPLN的周期和温度，可以实现2-5微米的中红外波长调谐，同时不会影响窄线宽单频的输出特性。
泵浦光源：为1064nm单频纳秒激光光源，激光脉冲功率为10mJ左右，负责为整个系统提供稳定的单频纳秒泵浦光。
种子光源部分：通过采用腔相位匹配的片状微腔光参量振荡器，腔长百微米量级左右，产生近红外的窄线宽单频纳秒种子光，用于实现注入锁定。
光参量放大部分：通过将种子光与泵浦光合束注入到周期极化的非线性晶体MgO:PPLN中实现光参量放大，借助准相位匹配实现非线性频率转换，获得2-5微米中红外窄线宽种子光输出。
如图2所示，为种子光源部分，通过将1064nm种子光偏振分束后的垂直偏振光利用ooe的I类匹配双折射相位匹配实现倍频产生水平偏振的532nm单频纳秒激光，通过使用滤波片4-1滤去不需要的1064nm波长光，将产生532nm激光注入到SOPO中，利用yyz的匹配方式，利用腔相位匹配实现非线性频率转换，通过双共振的镀膜设计(532nm高通,闲频光和信号光90％透过)和F-P腔的微腔设计进一步保证窄线宽单频输出，通过4-2，4-3的滤波片进行滤波(4-2：532nm高通，4-3：1000nm高通)，最终获得近红外双波长输出的单频种子光输出。
图3所示的，为OPA基本原理工作图，通过将近红外的单频种子光与泵浦光一同注入到周期极化的非线性晶体中，产生非线性频率转换过程，最终获得中红外波段的纳秒激光输出。由于注入的SOPO产生的近红外种子光具有窄线宽单频的输出特性，在频率转换过程中，产生的近红外信号光会模仿注入的种子光的特性，从而表现出对种子光的放大。相对的也会产生对应的中红外的闲频光输出，其也会具有单频窄线宽的输出特性。参照此基本原理，可实现对2-5微米的中红外单频窄线宽输出。
Claims (2)
1.片状微腔近红外种子光注入锁定可调谐中红外窄线宽纳秒脉冲光参量放大器，其特征在于：包括总泵浦光，种子光源部分与片状微腔光参量振荡放大器部分和高通滤光片；总泵浦光为波长1064nm的单频纳秒激光器，为整个系统提供泵浦光输出；种子光源包括光束整形透镜系统、对总泵浦光为波长1064nm经三硼酸锂晶体即LBO通过双折射位相匹配进行倍频，将1064nm的泵浦光转换为532nm的单频种子泵浦光源，光参量振荡放大器包括1064nm单频泵浦光源，合束镜以及非线性周期极化晶体，所述种子光源产生用于注入锁定的近红外窄线宽单频种子光；
总泵浦光经偏振片进而由偏振分束器PBS进行分束，分束的一支水平偏振光用于种子光源部分，产生SOPO的近红外的单频窄线宽种子光；分束的另一支垂直偏振光通过滤波片和格兰棱镜控制功率，通过透镜即第二聚束透镜汇聚，以垂直偏振注入非线性晶体，种子光源部分亦合束镜汇聚到非线性晶体，所述的非线性晶体为周期28.5-31 微米的多周期MgO:PPLN，通过控制晶体温度，使其满足光学参量放大OPA中对应种子光波长信号光的非线性转换过程中的匹配条件，从而在1064nm泵浦光注入晶体后产生对应气体吸收峰波段附近的中红外闲频光的频率转换过程，即光参量产生现象OPG；通过调节合束，使得SOPO产生的种子光与 1064泵浦光重合共线，注入晶体，调整合束镜规格和位置，使得种子光源部分与垂直偏振光两者束腰位置重叠，并位于晶体中心或附近，激发光学参量放大OPA现象，获得纳秒窄线宽单频输出，即2-5微米中红外窄线宽种子光输出；
种子光源包括聚光器、LBO倍频器件、第一聚束透镜、SOPO器件、LBO倍频器件通过将1064nm种子光偏振分束后的垂直偏振光利用ooe的Ｉ类匹配双折射相位匹配实现倍频产生水平偏振的532nm单频纳秒激光，将产生532nm激光输入到SOPO器件中，利用SOPO器件的腔相位匹配实现非线性频率转换；片状微腔光参量振荡器系统的微腔设计腔型为F-P腔型，采用非线性晶体抛光打磨，非线性晶体为周期极化铌酸锂PPLN或掺氧化镁的周期极化铌酸锂MgO:PPLN；
种子光源通过采用腔相位匹配的片状微腔光参量振荡放大器，微腔的腔长百微米量级，产生近红外的窄线宽单频纳秒种子光，用于实现注入锁定； F-P微腔，微腔长度为百微米量级，小于光参量过程中的一个相干长度的百微米量级；微腔的双面即入射与出射面设有闲频光和信号光双共振高透镀膜即532nm高透镀膜，最终实现窄线宽纳秒近红外输出；
所述的种子光源使用LBO倍频晶体，实现1064倍频产生单频532nm纳秒输出；
片状微腔光参量振荡器通过双共振的镀膜设计和F-P腔的微腔设计保证窄线宽单频输出，最终获得近红外双波长输出的单频种子光输出；
合束镜采用1.5-2.3微米45°高透1064nm45°高反或者1.5-2.3微米45°高反1064nm 45°高透，非线性晶体为28.5-31微米的多周期掺氧化镁的周期极化铌酸锂。
2.根据权利要求1所述的片状微腔近红外种子光注入锁定可调谐中红外窄线宽纳秒脉冲光参量放大器，其特征在于：所述泵浦光源为1064nm波段激光，单频窄线宽纳秒输出，最大激光光源功率10mJ。
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