CN107046222A - 一种实现相近双波长输出的内腔光学参量振荡器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现相近双波长输出的内腔光学参量振荡器，基于受激拉曼散射效应，采用基频光和拉曼光作为周期极化晶体的双泵浦源，在同一极化周期下实现相近的双波长运转，在一定范围内改变晶体的极化周期或温度，产生频率差在THz波段的可调谐双波长输出。激光二极管通过泵浦耦合系统对激光增益介质进行泵浦，产生基频光；该基频光在经过拉曼晶体时产生一阶斯托克斯拉曼光；周期极化晶体置于基频光和拉曼光谐振腔的公共部分，满足准相位匹配条件的特定温度和特定极化周期下，由基频光和拉曼光激发出两束相近波长λ₁、λ₂的激光，经由双波长激光输出镜部分输出。本发明不仅结构简单紧凑，调谐方便，成本低廉，可以满足实际应用中多种需要。

Description

一种实现相近双波长输出的内腔光学参量振荡器

技术领域

本发明涉及全固态激光技术领域，尤其涉及一种实现相近双波长输出的内腔光学参量振荡器。

背景技术

双波长激光光源在差分吸收激光雷达、激光通信和传感等领域中具有非常重要的应用价值，尤其是波长相近的可调谐双波长激光输出，可用于差频下转换产生太赫兹波段相干辐射源，是激光技术领域中的一个重要研究方向。

目前用于产生相近双波长激光输出的方法主要有：

1、利用具有宽增益谱的掺Yb、Er等离子的有源光纤，钛宝石晶体和Li:SAF晶体等，在一定条件下可以实现波长相近的双波长输出。然而对于宽增益的激光材料，需要在激光器中插入分光棱镜及多个反射镜来对两个不同波长分别给予正反馈，且要引入光栅作为调谐元件，结构较为复杂。

2、利用单一激光增益介质的复合能级结构，或复合激光腔中的两块激光增益介质，来分别产生相近的双波长输出。如具有多重能级结构的掺Nd固体激光材料，可以单独或者两块晶体配合产生双波长激光。但由于双波长对应的激光能级是固定的，这两种情况下输出的双波长均无法进行调谐。

3、利用光学参量振荡器的近简并点实现信号光和闲频光的双谐振输出，但其输出稳定性往往难以保证，且调谐范围受到简并点附近平坦度的限制。

4、采用相近双周期结构的周期极化晶体来产生双信号光输出，这种方式对晶体的制备要求较高，特殊设计的周期极化晶体成本也非常高。

发明内容

本发明提供了一种实现相近双波长输出的内腔光学参量振荡器，本发明基于受激拉曼散射效应，采用基频光和拉曼光作为周期极化晶体的双泵浦源，在同一极化周期下实现相近的双波长运转，通过在一定范围内改变晶体的极化周期或温度，产生频率差在THz波段的可调谐双波长输出，本发明不仅结构简单紧凑，调谐方便，而且成本低廉，详见下文描述：

一种实现相近双波长输出的内腔光学参量振荡器，包括：激光二极管、泵浦耦合系统、谐振腔反射镜、激光增益介质、拉曼晶体、双波长激光全反镜、双波长激光输出镜，

激光二极管发出激光增益介质吸收带内的泵浦光，通过泵浦耦合系统对激光增益介质进行泵浦；激光增益介质中形成粒子数反转，随着泵浦光的增加，在基频光谐振腔的反馈作用下产生基频光；

该基频光在经过拉曼晶体时发生受激拉曼散射作用，当基频光的强度超过拉曼阈值后产生一阶斯托克斯拉曼光，在拉曼光谐振腔内振荡；

在所述基频光谐振腔和所述拉曼光谐振腔的公共部分处设置有周期极化晶体，在满足准相位匹配条件的特定温度和特定极化周期下，分别由基频光和拉曼光激发出两束相近波长λ₁、λ₂的激光，在双波长激光全反镜和双波长激光输出镜构成的OPO(光学参量振荡器)谐振腔中形成稳定振荡，并经由双波长激光输出镜部分输出。

通过在一定范围内改变周期极化晶体的温度或极化周期，所述内腔光学参量振荡器可以产生频率差在THz波段的可调谐双波长输出。

所述周期极化晶体的温度或极化周期通过准相位匹配条件和晶体的Sellmeier方程计算得出。

所述激光增益介质和拉曼晶体均两端抛光，

若采用端面泵浦方式，则两面镀激光二极管发出的泵浦光、增益介质产生的基频光和拉曼晶体产生的拉曼光增透膜；

若采用侧面泵浦方式，则两面只需镀所述增益介质产生的基频光和所述拉曼晶体产生的拉曼光增透膜。

当所述激光增益介质为自拉曼激光晶体时，所述双波长内腔光学参量振荡器中不再设置拉曼晶体。

所述周期极化晶体两端抛光，镀有基频光、拉曼光和双波长λ₁、λ₂高透膜，同时受到基频光和拉曼光的泵浦。

所述谐振腔反射镜为凹镜或平镜，若采用端面泵浦方式，则两面镀泵浦光高透膜，靠近激光增益介质的一面镀基频光及拉曼光高反膜；若采用侧面泵浦方式，则只需靠近所述激光增益介质的一面镀基频光及拉曼光高反膜。

所述双波长激光全反镜为凹镜或平镜，靠近所述周期极化晶体的一面镀双波长λ₁、λ₂高反膜，两面视具体情况镀所述基频光和所述拉曼光高透膜或高反膜；

所述双波长激光输出镜为凹镜或平镜，镀双波长λ₁、λ₂部分透过膜。

所述内腔光学参量振荡器中还包括：调Q器件，

所述调Q器件为声光调Q器件或电光调Q器件，两端镀所述基频光和所述拉曼光增透膜，用于实现所述基频光的脉冲运转，通过提高峰值功率来提高拉曼过程的非线性转换效率。

所述内腔光学参量振荡器中还包括：光学镇定器，

所述光学镇定器用于对激光谐振腔内增益介质热透镜焦距的扰动带给高斯光束传播的影响起到镇定作用，使激光运转模式与功率稳定；

同时对泵浦光起到聚焦作用，增大周期极化晶体中的泵浦光功率密度，提高非线性过程的转换效率。

本发明提供的技术方案的有益效果是：本发明基于受激拉曼散射效应，在相同温度和极化周期下利用基频光和拉曼光共同泵浦周期极化晶体，实现相近的双波长运转，为产生相近双波长输出提供了新的方法，可以满足实际应用中的多种需要；采用极化周期调谐或温度调谐，在合适的波长范围内实现双波长的连续可调谐，结构简单紧凑，成本经济。

附图说明

图1为一种实现相近双波长输出的内腔光学参量振荡器的结构示意图；

图2为一种实现相近双波长输出的内腔光学参量振荡器的另一结构示意图；

图3为一种实现相近双波长输出的内腔光学参量振荡器的另一结构示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1：激光二极管； 2：泵浦耦合系统；

3：谐振腔反射镜； 4：激光增益介质；

5：调Q器件； 6：拉曼晶体；

7：双波长激光全反镜； 8：周期极化晶体；

9：双波长激光输出镜； 10：光学镇定器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例1

一种实现相近双波长输出的内腔光学参量振荡器，包括：激光二极管、泵浦耦合系统、谐振腔反射镜、激光增益介质、拉曼晶体、双波长激光全反镜、双波长激光输出镜，

在谐振腔反射镜和双波长激光输出镜构成的基频光谐振腔的反馈作用下产生基频光；

该基频光在经过拉曼晶体时发生受激拉曼散射作用，当基频光的强度超过拉曼阈值后产生一阶斯托克斯拉曼光，在谐振腔反射镜和双波长激光输出镜构成的拉曼光谐振腔内振荡；

在所述基频光谐振腔和所述拉曼光谐振腔的公共部分处设置有周期极化晶体，在满足准相位匹配条件的特定温度和特定极化周期下，分别由基频光和拉曼光激发出两束相近波长λ₁、λ₂的激光，在双波长激光全反镜和双波长激光输出镜构成的OPO谐振腔中形成稳定振荡，并经由双波长激光输出镜部分输出。

在一定范围内改变周期极化晶体的温度或极化周期，所述内腔光学参量振荡器可以产生频率差在THz波段的可调谐双波长输出。

周期极化晶体的温度或极化周期通过准相位匹配条件和晶体的Sellmeier方程计算得出。

其中，特定温度和特定极化周期的选取方式如下：

对于一阶共线准相位匹配，准相位匹配条件可表示为

其中，Δk为相位失配因子；下标p，s，i分别代表OPO的泵浦光、信号光和闲频光，将根据晶体Sellmeier方程得到的折射率n代入准相位匹配条件(1)，即可计算出分别在基频光和拉曼光的泵浦下，OPO信号光和闲频光波长随晶体的温度T和极化周期Λ的变化关系，从而得到相近双波长λ₁、λ₂输出时所对应的温度和极化周期。

实施例2

本发明实施例2提供了一种实现相近双波长输出的内腔光学参量振荡器结构，如图1所示。

在本实施例中，激光增益介质选用Nd:YAG晶体，其基频光波长为1064nm；拉曼晶体选用BaWO₄晶体，其拉曼频移为926cm^-1，故1064nm基频光对应的一阶斯托克斯拉曼光波长为1180nm；周期极化晶体选择PPLN晶体，其Sellmeier方程为

其中，f＝(T-297.65K)×(T+297.67K)，a₁＝5.3558，a₂＝0.100473，a₃＝0.20692，a₄＝100，a₅＝11.34927，a₆＝1.5334×10^-2，b₁＝4.629×10^-7，b₂＝3.862×10^-8，b₃＝0.89×10^-8，b₄＝2.657×10^-5。

将λ_p1＝1064和λ_p2＝1180分别代入式(1)，结合式(2)，可以得出当T＝425K(～152℃)，Λ＝30.6μm时，由基频光1064nm激发出的OPO信号光波长λ₁＝1713.98nm，由拉曼光1180nm激发出的OPO信号光波长λ₂＝1712.62nm，两波的频率差为0.139THz。且维持PPLN晶体温度为425K，当极化周期调谐范围在29.9-31.0μm变化时，相近双波长λ₁、λ₂的频率差可以覆盖0.1-10THz波段。具体实施方式如下。

808nm或880nm激光二极管泵浦源1发出泵浦光，经由传能光纤和耦合透镜组构成的泵浦耦合系统2对激光增益介质4进行泵浦；激光增益介质4为Nd:YAG晶体，晶体尺寸为3×3×10mm³，掺杂浓度选择0.5at.％；拉曼晶体6为a切割的BaWO₄晶体，晶体尺寸为3×3×15mm³；激光增益介质4和拉曼晶体6均两端抛光，镀1064nm基频光和1180nm一阶斯托克斯拉曼光增透膜，分别用铟片包裹置于热沉中，采用冷却循环水系统控制工作温度至10℃。

调Q器件5采用长20mm的声光调Q晶体，两端同样镀1064nm基频光和1180nm一阶斯托克斯拉曼光增透膜，并采用冷却循环水系统控制工作温度至10℃，其作用是提高1064nm基频光的峰值功率以提高拉曼过程的非线性转换效率。谐振腔反射镜3为曲率半径为150mm的凹镜，双面镀808nm或880nm高透膜，靠近激光增益介质4的一面镀1064nm和1180nm高反膜；双波长激光全反镜7为平镜，双面镀1064nm和1180nm增透膜，靠近周期极化晶体8的一面镀1.5-1.9μm信号光高反膜；周期极化晶体8采用扇形周期极化PPLN晶体，晶体尺寸为8×1×30mm³，极化周期覆盖29.9-31.0μm范围，放置于温控炉中加温至150℃附近工作；双波长激光输出镜9为平镜，镀1064nm和1180nm高反膜，2.5-4.5μm闲频光高透膜，1.5-1.9μm信号光透过率T＝5％。

激光增益介质4吸收808nm或880nm泵浦光形成粒子数反转，在谐振腔反射镜3和双波长激光输出镜9构成的基频光谐振腔的反馈作用下产生1064nm基频光；1064nm基频光在调Q器件5的作用下实现脉冲运转，获得较高峰值功率，在通过拉曼晶体6时容易超过拉曼阈值，发生受激拉曼散射作用，产生波长为1180nm的一阶斯托克斯拉曼光；谐振腔反射镜3和双波长激光输出镜9同时也构成拉曼光谐振腔，采用凹平腔的结构使得1064nm基频光和1180nm拉曼光在周期极化晶体8处获得较小的光斑尺寸，提高周期极化晶体8中的泵浦光功率密度；在谐振腔内振荡的1064nm基频光和1180nm拉曼光同时入射周期极化晶体8，在Λ＝30.6μm的极化周期下分别激发出波长为λ₁＝1713.98nm和λ₂＝1712.62nm的两束激光，在双波长激光全反镜7和双波长激光输出镜9构成的OPO谐振腔内稳定振荡，并经由双波长激光输出镜9输出；通过改变周期极化晶体8的极化周期，在29.9-31.0μm范围内变化时，λ₁的波长调谐范围为1589.58-1883.01nm，其对应的闲频光波长为2446.28-3218nm；λ₂的波长调谐范围为1672.69-1739.52nm，其对应的闲频光波长为3668.54-4006.13nm。同一温度和极化周期下两波长λ₁和λ₂的频率差在改变极化周期的过程中可以覆盖0.1-10THz波段。

在上述实施例中，若周期极化晶体的极化周期是阶跃式变化的，则可以采用温度调谐和极化周期调谐相配合的方式来实现双波长输出的连续调谐，本发明实施例对此不做限制。

在上述实施例中，激光增益介质可以为Nd:YLF，Nd:YALO等晶体；拉曼晶体可以为Ba(NO₃)₂，NaBrO₃，CaWO₄，LiIO₃等晶体。具体实现时，本发明实施例对此不做限制。

在上述实施例中，当使用不同激光增益介质和拉曼晶体时，基频光和拉曼光的波长可能有所不同，相近双波长输出的波长也会发生变化，谐振腔反射镜、双波长激光全反镜和双波长激光输出镜及各晶体镀膜应做出相应变化，基频光和拉曼光的具体波长在文献中均可查到，双波长可通过式(1)、(2)计算得出，本发明实施例在此不再赘述。

在本发明实施例中，泵浦方式还可以采用侧面泵浦的方式，OPO谐振腔也可以设计成折叠腔结构，以便控制周期极化晶体中的光斑半径，从而实现更高的OPO转换效率，一种可行的结构如图2所示，本发明实施例对此不做限制。

实施例3

本发明实施例3中的激光增益介质采用自拉曼晶体，因此在装置中可以不再放置拉曼晶体，同时增加了光学镇定器，具体结构示意图如图3所示。

在本实施例中，激光增益介质选用Nd:YVO₄自拉曼晶体，其拉曼频移为890cm^-1，选择基频光波长为1342nm，其对应的一阶斯托克斯拉曼光波长为1525nm；周期极化晶体选择MgO:PPLN晶体，其Sellmeier方程可由式(2)表示，其中，f＝(T-297.65K)×(T+297.67K)，a₁＝5.756，a₂＝0.0983，a₃＝0.202，a₄＝189.32，a₅＝12.52，a₆＝1.32×10^-2，b₁＝2.86×10^-6，b₂＝4.7×10^-8，b₃＝6.113×10^-8，b₄＝1.516×10^-4。

将λ_p1＝1342和λ_p2＝1525分别代入式(1)，结合式(2)，可以得出当T＝315K(～42℃)，Λ＝35μm时，由基频光1342nm激发出的OPO闲频光波长λ₁＝3291.14nm，由拉曼光1525nm激发出的OPO信号光波长λ₂＝3287.74nm，两波的频率差为0.1THz。且保持PPLN晶体极化周期为35μm不变时，调节晶体温度在315-400K(42-127℃)变化时，相近双波长λ₁、λ₂的频率差可以在0.1-2.14THz波段范围内实现调谐。

808nm或880nm激光二极管泵浦源1发出泵浦光，经由传能光纤和耦合透镜组构成的泵浦耦合系统2对激光增益介质4进行泵浦；激光增益介质4采用a切割的Nd:YVO₄晶体，晶体尺寸为3×3×20mm³，掺杂浓度选择0.5at.％；激光增益介质4两端抛光，镀1342nm基频光和1525nm一阶斯托克斯拉曼光增透膜，用铟片包裹置于热沉中，采用冷却循环水系统控制工作温度至10℃。谐振腔反射镜3为平镜，双面镀808nm或880nm高透膜，靠近激光增益介质4的一面镀1342nm和1525nm高反膜；双波长激光全反镜7(a)为平镜，双面镀1342nm和1525nm增透膜，靠近周期极化晶体8的一面镀3-4.5μm闲频光高反膜；周期极化晶体8采用MgO掺杂5mol.％的PPLN晶体，晶体尺寸为8×1×40mm³，具有单极化周期Λ＝35μm，放置于精度为0.1℃温控炉中，温控炉的温度调谐范围是30-200℃；双波长激光全反镜7(b)为曲率半径为150mm的凹镜，靠近周期极化晶体的一面镀1342nm和1525nm高反膜，3-4.5μm闲频光高反膜；双波长激光输出镜9选用曲率半径为100mm的凹镜，镀膜情况为3-4.5μm闲频光透过率T＝5％；光学镇定器10采用焦距为100mm的透镜，其作用是对激光谐振腔内增益介质热透镜焦距的扰动带给高斯光束传播的影响起到镇定作用，使激光运转模式与功率稳定；同时可以对1342nm和1525nm泵浦光起到聚焦作用，增大MgO:PPLN晶体中的泵浦光功率密度，提高非线性过程的转换效率。

激光增益介质4吸收808nm或880nm泵浦光形成粒子数反转，在谐振腔反射镜3和双波长激光全反镜7(b)构成的基频光谐振腔的反馈作用下产生1342nm基频光；激光增益介质4同时又是拉曼介质，当1342nm基频光的强度超过拉曼阈值后即产生波长为1525nm的一阶斯托克斯拉曼光，在谐振腔反射镜3和双波长激光全反镜7(b)构成的拉曼光谐振腔中振荡；谐振腔中的1342nm基频光和1525nm拉曼光经过光学镇定器10聚焦后，以e光偏振方向同时入射周期极化晶体8，在Λ＝35μm的极化周期下分别激发出波长为λ₁＝3291.14nm和λ₂＝3287.74nm的两束激光，最后经由双波长激光输出镜9输出；通过调谐周期极化晶体8的温度，在315-400K范围内变化时，λ₁的波长调谐范围为3196.83-3291.14nm，λ₂的波长调谐范围为3125.55-3287.74nm，两波长λ₁和λ₂的频率差可以覆盖0.1-2.14THz波段；双波长激光全反镜7(a)，7(b)和双波长激光输出镜9共同构成OPO谐振腔，采用复合腔的作用是通过分别调整基频光与拉曼光谐振腔和OPO谐振腔，使其运转在各自最佳状态，可以提高OPO过程的转换效率；声光调Q晶体5的作用是通过提高峰值功率来提高拉曼过程的非线性转换效率。

在上述实施例中，若周期极化晶体具有多周期，则双波长λ₁和λ₂的调谐范围可以进一步扩大，同时两波长的频率差所处波段也可以得到扩展，具体实现时，本发明实施例对此不做限制。

在上述实施例中，激光增益介质还可以为Nd:GdVO₄，Nd:LuVO₄，Nd:KGW等自拉曼激光介质，分别对应相应的基频光和拉曼光波长，具体实现时，本发明实施例对此不做限制。

在本发明实施例中，周期极化晶体还可以为PPLT，PPKTA，PPKTP等，其Sellmeier方程在相关文献中均可找到，对应的输出双波长可通过式(1)和式(2)计算得到，本发明实施例在此不再赘述。

在本发明实施例中，可以根据实际需要选择激光增益介质、拉曼晶体和周期极化晶体的掺杂浓度或尺寸，以及谐振腔反射镜、双波长激光全反镜和双波长激光输出镜的曲率半径和透过率，具体实现时，本发明实施例对此不做限制。

本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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 (10)

1.一种实现相近双波长输出的内腔光学参量振荡器，其特征在于，包括：激光二极管、泵浦耦合系统、谐振腔反射镜、激光增益介质、拉曼晶体、双波长激光全反镜、双波长激光输出镜，

在谐振腔反射镜和双波长激光输出镜构成的基频光谐振腔的反馈作用下产生基频光；

该基频光在经过拉曼晶体时发生受激拉曼散射作用，当基频光的强度超过拉曼阈值后产生一阶斯托克斯拉曼光，在谐振腔反射镜和双波长激光输出镜构成的拉曼光谐振腔内振荡；

在所述基频光谐振腔和所述拉曼光谐振腔的公共部分处设置有周期极化晶体，在满足准相位匹配条件的特定温度和特定极化周期下，分别由基频光和拉曼光激发出两束相近波长λ₁、λ₂的激光，在双波长激光全反镜和双波长激光输出镜构成的OPO谐振腔中形成稳定振荡，并经由双波长激光输出镜部分输出。

2.根据权利要求1所述的一种实现相近双波长输出的内腔光学参量振荡器，其特征在于，

在一定范围内改变周期极化晶体的温度或极化周期，所述内腔光学参量振荡器可以产生频率差在THz波段的可调谐双波长输出。

3.根据权利要求2所述的一种实现相近双波长输出的内腔光学参量振荡器，其特征在于，

所述周期极化晶体的温度或极化周期通过准相位匹配条件和晶体的Sellmeier方程计算得出。

4.根据权利要求1所述的一种实现相近双波长输出的内腔光学参量振荡器，其特征在于，所述激光增益介质和拉曼晶体均两端抛光，

若采用端面泵浦方式，则两面镀激光二极管发出的泵浦光、增益介质产生的基频光和拉曼晶体产生的拉曼光增透膜；

若采用侧面泵浦方式，则两面只需镀增益介质产生的基频光和拉曼晶体产生的拉曼光增透膜。

5.根据权利要1或4所述的一种实现相近双波长输出的内腔光学参量振荡器，其特征在于，

当所述激光增益介质为自拉曼激光晶体时，所述双波长内腔光学参量振荡器中不再设置拉曼晶体。

6.根据权利要求1或2或3所述的一种实现相近双波长输出的内腔光学参量振荡器，其特征在于，

所述周期极化晶体两端抛光，镀有基频光、拉曼光和双波长λ₁、λ₂高透膜，同时受到基频光和拉曼光的泵浦。

7.根据权利要求1所述的一种实现相近双波长输出的内腔光学参量振荡器，其特征在于，所述谐振腔反射镜为凹镜或平镜，

若采用端面泵浦方式，则两面镀泵浦光高透膜，靠近激光增益介质的一面镀基频光及拉曼光高反膜；

若采用侧面泵浦方式，则只需靠近所述激光增益介质的一面镀基频光及拉曼光高反膜。

8.根据权利要求1所述的一种实现相近双波长输出的内腔光学参量振荡器，其特征在于，

所述双波长激光全反镜为凹镜或平镜，靠近所述周期极化晶体的一面镀双波长λ₁、λ₂高反膜，两面镀所述基频光和所述拉曼光高透膜或高反膜；

所述双波长激光输出镜为凹镜或平镜，镀双波长λ₁、λ₂部分透过膜。

9.根据权利要求1所述的一种实现相近双波长输出的内腔光学参量振荡器，其特征在于，所述内腔光学参量振荡器中还包括：调Q器件，

所述调Q器件为声光调Q器件或电光调Q器件，两端镀所述基频光和所述拉曼光增透膜，用于实现基频光的脉冲运转，通过提高峰值功率来提高拉曼过程的非线性转换效率。

10.根据权利要求1所述的一种实现相近双波长输出的内腔光学参量振荡器，其特征在于，所述内腔光学参量振荡器中还包括：光学镇定器，

所述光学镇定器用于对激光谐振腔内增益介质热透镜焦距的扰动带给高斯光束传播的影响起到镇定作用，使激光运转模式与功率稳定；

同时对泵浦光起到聚焦作用，增大周期极化晶体中的泵浦光功率密度，提高非线性过程的转换效率。