CN107968313B - 用于海洋探测的多波长窄线宽全固态激光器 - Google Patents

Abstract

一种用于海洋探测的多波长窄线宽全固态激光器，属于激光器技术领域，充分利用1064nm脉冲激光器的输出能量，通过非线性晶体频率变换技术，可实现红外光、绿光、紫外光和蓝光同时输出。本发明具有多波长、窄线宽、结构紧凑、效率高和能量高等特点，特别适合应用于海洋风场测量、海洋测绘、水下目标探测和水下通信等领域；其中蓝光的输出波长位于太阳光谱中的夫琅禾费暗线(486.1nm)，可有效提高应用系统的性能。

Description

用于海洋探测的多波长窄线宽全固态激光器

技术领域

本发明涉及全固态激光器，特别是一种用于海洋探测的多波长窄线宽全固态激光器，输出激光包括1064nm红外光、532nm绿光、355nm紫外光以及位于太阳夫琅禾费暗线波长的486.1nm蓝光。

背景技术

海洋研究对人类的发展具有非常重要的意义。海水透光窗口在450nm～550nm蓝绿波段，因此，使用此波段的蓝绿激光作为光源，是现有海洋激光探测技术和水下激光通信技术的重要手段。目前，应用最广泛的海洋探测的激光光源是输出波长为532nm的掺钕钇铝石榴石Nd:YAG激光器，波长较为单一。研究发现，在深海区，蓝水的衰减系数相比绿光更低。因此，高能量、高峰值功率的蓝光激光器成为海洋探测技术所迫切需求的光源。在海洋探测领域，往往需要多个波长的脉冲激光光源用于满足不同需求：比如海岸线测绘需要用到红外激光器和蓝绿激光器，海洋风场测量需要用到紫外激光器，水下激光通信需要用到蓝绿激光器。将多个波长的激光器集于一体，可有效提高海洋探测应用系统的紧凑性。另一方面，由于太阳背景辐射的影响，探测器在白天工作时的信噪比低，性能比夜间工作时差，限制了应用效果。太阳辐射光谱在486.1nm波长处由于氢原子的吸收而存在夫琅禾费暗线(暗线谱宽0.1nm)，若将蓝绿激光发射光源的波长落在此暗线，就可以大幅度提高海洋探测器所接收信号的信噪比。专利CN 102570280A中介绍了一种基于潜通信的蓝、绿、紫外固体激光装置及其激光产生方法，但是其输出的蓝光波长为0.44μm，不能解决在强太阳辐射背景下的应用问题，并且该激光装置为连续运转状态，不能获得高峰值功率的脉冲激光。

发明内容

本发明的目的在于解决现有应用于海洋探测领域的激光器输出波长单一、功率低的缺点，提供一种同时包含1064nm红外光、532nm绿光、355nm紫外光以及486.1nm蓝光的窄线宽全固态激光器，并通过种子注入光参量振荡器的方法，将蓝光的谱宽控制在小于0.1nm，结构紧凑，输出能量高，可满足多种海洋探测需求。

为实现上述目的，本发明提供了一种用于海洋探测的多波长窄线宽全固态激光器，其基本原理是：以1064nm窄线宽脉冲激光器为基频光，通过非线性频率变换技术，1064nm激光倍频产生532nm绿光，1064nm和532nm激光和频产生355nm紫外激光，355nm紫外激光泵浦光参量振荡器OPO，获得486.1nm蓝光输出，图1为本发明中应用的非线性频率变换技术的原理框图。

本发明的技术解决方案如下：

用于海洋探测的多波长窄线宽全固态激光器，光路示意图如图2所示，包括基频激光器、缩束透镜组件、倍频晶体、双波长波片、和频晶体、第一分光镜、第二分光镜、第一扩束透镜组件、半波片、DFB种子激光器、隔离器、第二扩束透镜组件、双色镜、第一腔镜、第一参量晶体、第二参量晶体、第二腔镜、第三腔镜、第四腔镜、压电陶瓷。

所述的基频激光器是输出波长为1064nm的单频脉冲Nd:YAG激光器，脉冲宽度30ns，基频激光器输出的1064nm基频光先通过镀有1064nm增透膜的缩束透镜组件进行缩束，通过增大激光功率密度以提高倍频效率，缩束透镜组件由平凸透镜和双凹透镜组成，缩束后的基频光经倍频晶体LBO倍频获得532nm脉冲激光输出，剩余的1064nm基频光和532nm倍频光通过双波长波片调整偏振态，以满足和频的相位匹配条件，再入射至和频晶体LBO，和频获得355nm紫外脉冲激光输出，经和频晶体输出的光束包括1064nm基频光、532nm倍频光和355nm和频光，该光束先通过第一分光镜，该第一分光镜反射355nm和频光，透射1064nm激光和532nm激光，第一分光镜的透射光通过第二分光镜，该第二分光镜反射1064nm基频光，透射532nm倍频光。

所述的双波长波片是对1064nm的半波片和对532nm的全波片，镀有1064nm和532nm增透膜；所述的第一分光镜镀有355nm高反膜和1064nm、532nm的增透膜；所述的第二分光镜镀有1064nm高反膜和532nm的增透膜。

第一分光镜反射的355nm激光入射至镀有355nm增透膜的第一扩束透镜组件进行扩束以降低紫外光的功率密度，避免光学元件的镀膜损伤，第一扩束透镜组件由双凹透镜和平凸透镜组成，扩束后的355nm激光再通过355nm半波片调整偏振态，以满足其作为光参量振荡器泵浦光的相位匹配条件，355nm激光经双色镜被反射，再经第一腔镜透射进入光参量振荡器中，作为光参量振荡器的泵浦光，该泵浦光通过第一参量晶体和第二参量晶体后，经第三腔镜透射输出。

所述第一腔镜、第一参量晶体、第二参量晶体、第二腔镜、第三腔镜和第四腔镜构成光参量振荡器的环形振荡腔；所述第一腔镜是种子激光的入射镜，也是光参量振荡器的输出耦合镜，镀有对信号光486nm透过率为20％～40％且对泵浦光355nm的增透膜；所述第二腔镜镀有对355nm的增透膜和对486nm的高反膜，所述第三腔镜和第四腔镜镀有对486nm的高反膜；优选地，所述第一腔镜、第二腔镜、第三腔镜18和第四腔镜19还镀有对1313nm的增透膜。

为了压窄所述光参量振荡器的输出激光线宽，对光参量振荡器采用种子注入技术，并通过所述的压电陶瓷控制光参量振荡器的腔长；所述DFB种子激光器作为光参量振荡器的种子激光，经隔离器进入镀有486nm增透膜的第二扩束透镜组件进行扩束后，经双色镜透射再通过第一腔镜透射至光参量振荡器中作为种子激光，该种子激光依次经第一参量晶体和第二参量晶体放大后，入射到所述的第二腔镜，依次经所述的第二腔镜、第三腔镜和第四腔镜反射后再次入射到所述的第一腔镜形成光参量振荡光，所述的第一腔镜作为部分耦合输出镜，所述的光参量振荡光经该第一腔镜透射输出。

所述的DFB种子激光器中心波长为486.1nm，线宽0.01nm，并具有电流调节装置和温度设定装置，可通过调节电流或温度小幅度地改变所述DFB种子激光器的输出中心波长；所述的第二扩束透镜组件包括双凹透镜和平凸透镜；所述的双色镜镀有对486nm的增透膜和对355nm的高反膜。

所述的倍频晶体是一类相位匹配的三硼酸锂LBO，其两端镀有对1064nm与532nm的增透膜，切割角度为θ＝90°，体积为10mm×10mm×15mm。

所述的和频晶体是二类相位匹配的三硼酸锂LBO，其两端镀有对1064nm、532nm和355nm的增透膜，切割角度为θ＝42.5°，体积为10mm×10mm×15mm；

所述第一参量晶体和第二参量晶体是两块一类相位匹配偏硼酸钡BBO，其两端镀有对486nm、355nm和1313nm的增透膜，两块BBO晶体相对于泵浦光轴交叉对称放置以补偿走离效应，BBO晶体的切割角度θ＝29.6°，体积为8mm×8mm×20mm。

本发明具有以下优点：

1.可同时输出1064nm、532nm、355nm和486.1nm四种不同的脉冲激光，可满足海洋探测领域的多用途需求；

2.通过注入486.1nm窄线宽种子激光，将OPO输出激光的光谱宽度压窄到到0.1nm以下，以满足输出激光谱宽小于夫琅禾费暗线谱宽的需求；

3.交叉对称放置的两块BBO晶体可有效补偿走离效应，提高OPO转换效率；

4.结构简单紧凑，转换效率高，输出脉冲能量高，适用于实际应用。

附图说明

图1是非线性频率变换技术的原理框图；

图2是本发明用于海洋探测的多波长窄线宽全固态激光器的光路示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明技术作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

图2是本发明用于海洋探测的多波长窄线宽全固态激光器的光路示意图，由图2可知，本发明中的用于海洋探测的多波长窄线宽全固态激光器由基频激光器1、缩束透镜组件2、倍频晶体3、双波长波片4、和频晶体5、第一分光镜6、第二分光镜7、第一扩束透镜组件8、半波片9、DFB种子激光器10、隔离器11、第二扩束透镜组件12、双色镜13、第一腔镜14、第一参量晶体15、第二参量晶体16、第二腔镜17、第三腔镜18、第四腔镜19和压电陶瓷20组成，上述元部件的位置关系如下；

所述的基频激光器1是Nd:YAG单频脉冲激光器输出波长为1064nm，脉冲宽度30ns，基频激光器的输出激光脉冲宽度与OPO的最佳泵浦脉冲宽度相匹配；

沿所述的基频激光器1的输出激光方向依次是：缩束透镜组件2、倍频晶体3、双波长波片4、和频晶体5和第一分光镜6；

所述的缩束透镜组件2包括平凸透镜和双凹透镜，镀有1064nm增透膜；所述的双波长波片4是对1064nm的半波片和对532nm的全波片，选择该双波长波片以满足和频的相位匹配条件；所述的第一分光镜6镀有355nm高反膜和对1064nm与532nm的增透膜，将激光光束分为包括1064nm和532nm的第一透射光以及355nm的第一反射光；

所述的倍频晶体3是一类相位匹配的三硼酸锂LBO，其两端镀有对1064nm与532nm的增透膜，一类相位匹配的三硼酸锂LBO晶体的切割角度为θ＝90°，LBO晶体的体积为10mm×10mm×15mm；

所述的和频晶体5是二类相位匹配的三硼酸锂LBO，其两端镀有对1064nm、532nm和355nm的增透膜，二类相位匹配的三硼酸锂LBO晶体的切割角度为θ＝42.5°，LBO晶体的体积为10mm×10mm×15mm；

沿所述第一分光镜6透射光方向是镀有1064nm高反膜和532nm增透膜的所述的第二分光镜7，该第二分光镜7将光束分为532nm透射光和1064nm反射光；

沿所述第一分光镜6反射的激光传输方向依次是第一扩束透镜组件8和半波片9；所述的第一扩束透镜组件8包括双凹透镜和平凸透镜，镀有355nm增透膜；所述的半波片9是对355nm的半波片，旋转该半波片以满足光参量振荡器的相位匹配条件；

沿所述DFB种子激光器10的输出激光方向依次是：隔离器11、第二扩束透镜组件12、双色镜13、第一腔镜14、第一参量晶体15、第二参量晶体16、第二腔镜17；所述的隔离器保证光路的单向传输，以避免从光参量振荡器OPO出射的激光返回DFB种子激光器而影响其输出特性；所述的DFB种子激光器11中心波长为486.1nm，线宽0.01nm，并具有电流调节装置和温度设定装置，可通过调节电流或温度小幅度地改变所述DFB种子激光器11的输出中心波长，使其与夫琅禾费暗线波长一致；所述的第二扩束透镜组件12镀有486nm增透膜；所述的双色镜13镀有对486nm的增透膜和对355nm的高反膜；

所述第一腔镜14、第一参量晶体15、第二参量晶体16、第二腔镜17、第三腔镜18和第四腔镜19构成环形光学参量振荡腔；所述第一腔镜14镀有对486nm透过率为20～40％和对355nm、1313nm的增透膜；所述第二腔镜17镀有对355nm、1313nm的增透膜和对486nm的高反膜；所述第三腔镜18和第四腔镜19镀有对486nm的高反膜和对1313nm的增透膜；

所述第一参量晶体15和第二参量晶体16为完全相同的偏硼酸钡BBO，其两端镀有对486nm、355nm和1313nm的增透膜，优选地，BBO晶体的切割角度θ＝29.6°，BBO晶体的体积为8mm×8mm×20mm，两块BBO参量晶体相对于泵浦光轴交叉对称放置以补偿走离效应；

上述实施方案只为说明本发明的技术特点，不应以此限制本发明的保护范围。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的修改或替换均应涵盖在本发明的保护范围当中。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (13)

1.用于海洋探测的多波长窄线宽全固态激光器，其特征在于，包括基频激光器(1)、缩束透镜组件(2)、倍频晶体(3)、双波长波片(4)、和频晶体(5)、第一分光镜(6)、第二分光镜(7)、第一扩束透镜组件(8)、半波片(9)、DFB种子激光器(10)、隔离器(11)、第二扩束透镜组件(12)、双色镜(13)、第一腔镜(14)、第一参量晶体(15)、第二参量晶体(16)、第二腔镜(17)、第三腔镜(18)、第四腔镜(19)和放置在该第四腔镜(19)上的压电陶瓷(20)；

沿所述的基频激光器(1)的输出激光方向依次是所述的缩束透镜组件(2)、倍频晶体(3)、双波长波片(4)、和频晶体(5)和与光路成45°放置的所述的第一分光镜(6)，光束经该第一分光镜(6)分为第一透射光和第一反射光，第一透射光包括基频光和倍频光，第一反射光为和频光，在第一透射光方向是与光路成45°放置的所述的第二分光镜(7)，该第二分光镜(7)将第一透射光分为第二透射光和第二反射光，所述的第二透射光为倍频光，所述的第二反射光为基频光；

沿所述的第一分光镜(6)的第一反射光传输方向依次是第一扩束透镜组件(8)、半波片(9)和与光路成45°放置的所述的双色镜(13)，经该双色镜(13)反射，形成双色镜反射光，该双色镜反射光作为光参量泵浦光；

沿所述DFB种子激光器(10)的输出激光方向依次是所述的隔离器(11)、第二扩束透镜组件(12)和双色镜(13)，经该双色镜(13)透射，形成双色镜透射光，该双色镜透射光作为光参量种子光；

所述的第一腔镜(14)、第一参量晶体(15)、第二参量晶体(16)、第二腔镜(17)、第三腔镜(18)和第四腔镜(19)构成环形光参量振荡腔；

所述的光参量泵浦光入射到与光路成45°放置的所述的第一腔镜(14)，经该第一腔镜(14)透射后进入所述的环形光参量振荡腔进行泵浦，该光参量泵浦光依次经第一参量晶体(15)和第二参量晶体(16)后入射到与光路成45°放置的所述的第二腔镜(17)，并经该第二腔镜(17)透射输出；

所述的光参量种子光入射到所述的第一腔镜(14)，经该第一腔镜(14)透射后，进入所述的环形光参量振荡腔作为种子激光，该种子激光依次经第一参量晶体(15)和第二参量晶体(16)被放大后，入射到所述的第二腔镜(17)，经所述的第二腔镜(17)反射后，经所述的第三腔镜(18)入射到第四腔镜(19)，经该第四腔镜(19)反射后再次入射到所述的第一腔镜(14)形成光参量振荡光，所述的第三腔镜(18)和第四腔镜(19)均与光路成45°放置，所述的第一腔镜(14)作为部分耦合输出镜，所述的光参量振荡光经该第一腔镜(14)透射输出；

所述的双波长波片(4)对1064nm为半波片，且对532nm为全波片，并镀有1064nm和532nm增透膜；所述的第一分光镜(6)镀有355nm高反膜和1064nm、532nm的增透膜；所述的第二分光镜(7)镀有1064nm高反膜和532nm增透膜；所述的半波片(9)是对355nm的半波片，并镀有355nm增透膜；所述的双色镜(13)镀有486nm增透膜和355nm高反膜；

所述第一腔镜(14)镀有对486nm参量光20％-40％的透过率且对355nm的增透膜；所述第二腔镜(17)镀有355nm增透膜和486nm高反膜；所述第三腔镜(18)和第四腔镜(19)均镀有486nm高反膜。

2.根据权利要求1所述的用于海洋探测的多波长窄线宽全固态激光器，其特征在于所述第一腔镜(14)、第二腔镜(17)、第三腔镜(18)和第四腔镜(19)还镀有对1313nm的增透膜。

3.根据权利要求1所述的用于海洋探测的多波长窄线宽全固态激光器，其特征在于所述的基频激光器(1)是输出波长为1064nm的单频Nd:YAG脉冲激光器，脉冲宽度30ns。

4.根据权利要求1所述的用于海洋探测的多波长窄线宽全固态激光器，其特征在于所述的倍频晶体(3)是一类相位匹配的三硼酸锂LBO晶体，该晶体两端镀有1064nm和532nm增透膜。

5.根据权利要求4所述的用于海洋探测的多波长窄线宽全固态激光器，其特征在于所述的一类相位匹配的三硼酸锂LBO晶体的切割角度为θ＝90°，体积为10mm×10mm×15mm。

6.根据权利要求1所述的用于海洋探测的多波长窄线宽全固态激光器，其特征在于所述的和频晶体(5)是二类相位匹配的三硼酸锂LBO晶体，该晶体两端镀有1064nm、532nm和355nm增透膜。

7.根据权利要求6所述的用于海洋探测的多波长窄线宽全固态激光器，其特征在于所述的二类相位匹配的三硼酸锂LBO晶体的切割角度为θ＝42.5°，体积为10mm×10mm×15mm。

8.根据权利要求1所述的用于海洋探测的多波长窄线宽全固态激光器，其特征在于所述的DFB种子激光器(10)的中心波长为486.1nm，线宽0.01nm，并具有电流调节装置和温度设定装置，可通过调节电流或温度小幅度地改变所述DFB种子激光器(10)的中心波长。

9.根据权利要求1所述的用于海洋探测的多波长窄线宽全固态激光器，其特征在于所述第一参量晶体(15)和第二参量晶体(16)均为相对于光参量泵浦光轴交叉对称放置的一类相位匹配的偏硼酸钡BBO晶体，该晶体两端镀有对486nm、355nm和1313nm增透膜。

10.根据权利要求9所述的用于海洋探测的多波长窄线宽全固态激光器，其特征在于，所述的一类相位匹配的偏硼酸钡BBO晶体的切割角度θ＝29.6°，体积为8mm×8mm×20mm。

11.根据权利要求1-9任一所述的用于海洋探测的多波长窄线宽全固态激光器，其特征在于，所述的缩束透镜组件(2)包括平凸透镜和双凹透镜，该平凸透镜和双凹透镜均镀有1064nm增透膜。

12.根据权利要求1-9任一所述的用于海洋探测的多波长窄线宽全固态激光器，其特征在于，所述的第一扩束透镜组件(8)包括双凹透镜和平凸透镜，该双凹透镜和平凸透镜均镀有355nm增透膜。

13.根据权利要求1-9任一所述的用于海洋探测的多波长窄线宽全固态激光器，其特征在于，所述的第二扩束透镜组件(12)包括双凹透镜和平凸透镜，该双凹透镜和平凸透镜均镀有486nm增透膜。