CN108258575B - 一种高转换效率的长波红外光学参量振荡器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高转换效率的长波红外光学参量振荡器，包括泵浦激光器、第一光束耦合系统、设置有第一非线性晶体的中波红外光学参量振荡器、第一分束镜、激光偏振调整系统、第二光束耦合系统、设置有第二非线性晶体的长波红外光学参量振荡器、第二分束镜；泵浦激光器产生泵浦激光输出，经过第一非线性晶体频率转换和中波红外光学参量振荡器的光学谐振腔振荡，实现中波红外激光输出；中波红外激光经过经过第二非线性晶体频率转换和长波红外光学参量振荡器的光学谐振腔振荡，实现长波红外激光输出。本发明采用中波红外激光作为长波红外光学参量振荡器的基频光，并通过第一分束镜分光作用过滤中波红外激光，实现长波红外激光输出。

Description

一种高转换效率的长波红外光学参量振荡器
技术领域
本发明涉及长波红外光学参量振荡器技术领域，具体涉及一种高转换效率的长波红外光学参量振荡器。
背景技术
长波红外激光源被广泛应用于大气污染检测、光电对抗等领域。目前获得长波红外激光输出最常用、最有效的手段是利用磷锗锌晶体(ZnGeP2，简称ZGP)光学参量振荡器(optical parametric oscillator，简称OPO)对2μm附近波段激光进行频率转换。长波红外光学参量振荡过程中，一个泵浦光子通过非线性频率转换成一个信号光子和一个闲频光子，其信号光辐射波长为2.5-2.8μm，长波红外激光为闲频光，波长覆盖7-10μm。由于波长越短，单光子能量越高，因此光学参量振荡转换过程中波长较短的信号光占据绝大部分泵浦能量，目前长波红外光学参量振荡器在7-10μm波段转换效率一般仅约为4％-10％，显然，长波红外激光的光-光转换效率亟待提高。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种高转换效率的长波红外光学参量振荡器，包括泵浦激光器、第一光束耦合系统、中波红外光学参量振荡器、第一分束镜、激光偏振调整系统、第二光束耦合系统、长波红外光学参量振荡器、第二分束镜；泵浦激光器产生泵浦激光输出，经过第一光束耦合系统对泵浦激光光束直径变换后，入射至中波红外光学参量振荡器中，在满足非线性参量相位匹配条件下，经过中波红外光学参量振荡器的光学谐振腔振荡频率转换，并通过第一分束镜分光作用过滤泵浦激光，实现中波红外激光输出；中波红外激光经过激光偏振调整系统偏振态改变及第二光束耦合系统对中波红外激光光束直径变换后，入射至长波红外光学参量振荡器中，经过长波红外光学参量振荡器的光学谐振腔振荡的频率转换，并通过第二分束镜分光作用过滤中波红外激光，实现长波红外激光输出。
优选地，所述的中波红外光学参量振荡器产生3-5μm波段激光输出。
具体地，所述的中波红外光学参量振荡器包括第一输入镜、第一非线性晶体、第一输出镜、第一腔镜、F-P标准具、第二腔镜，第一输入镜、第一输出镜、第一腔镜、第二腔镜组成的“8字”环形腔用于对3-5μm激光形成激光振荡，F-P标准具用于压缩3-5μm激光线宽。
可选地，所述的中波红外光学参量振荡器包括光栅(包括闪耀光栅、体布拉格光栅等)、第三输入镜、第一非线性晶体、第三输出镜，光栅、第三输入镜、第三输出镜组成的“L形”光学谐振腔用于对3-5μm激光形成激光振荡，光栅用于压缩中波红外激光器输出的激光线宽。
优选地，所述的长波红外光学参量振荡器包括第二输入镜、第二非线性晶体、第二输出镜，第二输入镜、第二输出镜组成直线形光学谐振腔用于对7-10μm激光形成激光振荡。
具体地，所述的第一光束耦合系统中镜片镀2.05-2.1μm增透膜，第二光束耦合系统中镜片的双面镀3-5μm激光增透膜。
具体地，所述的第一非线性晶体采用ZGP晶体，两个通光面镀2.05-2.1μm和3-5μm激光增透膜，用于频率转换。
具体地，所述的第二非线性晶体采用ZGP晶体，两个通光面分别镀3-5μm和7-10μm激光增透膜，用于频率转换。
具体地，所述的第一输入镜一面镀有2.05-2.1μm高透膜，另一面镀有2.05-2.1μm高透、3-5μm激光高反膜；第一输出镜采用对3-5μm激光具有高透过率材料(如红外融石英、MgF2等)，一面镀有3-5μm激光高透膜，另一面镀有对3-5μm具有一定透过率的膜层，透过率一般不大于50％。
具体地，所述的第二输入镜一面镀有3-5μm高透膜，另一面镀有3-5μm高透、7-10μm激光高反膜；第一输出镜采用对7-10μm激光具有高透过率材料(如ZnSe、ZnS等)，一面镀有7-10μm激光高透膜，另一面镀有对7-10μm具有一定透过率的膜层，透过率一般不大于50％。
具体地，所述的第三输入镜一面镀有2.05-2.1μm高透膜，另一面镀有2.05-2.1μm高透、3-5μm激光高反膜；第三输出镜采用对3-5μm激光具有高透过率材料(如红外融石英、MgF2等)，一面镀有3-5μm激光高透膜，另一面镀有对3-5μm具有一定透过率的膜层，透过率一般不大于50％。
具体地，所述的第一分束镜采用对3-5μm激光具有高透过率材料(如红外融石英、MgF2等)制成的镜片，其一面镀有2.05-2.1μm激光高反、3-5μm激光高透膜，另一面镀有3-5μm高透膜；第二分束镜采用对7-10μm激光具有高透过率材料(如ZnSe、ZnS等)制成的镜片，其一面镀有3-5μm激光高反、7-10μm激光高透膜，另一面镀有7-10μm激光高透膜。
本发明采用中波红外激光作为长波红外光学参量振荡器的基频光，经过非线性晶体频率转换和中波红外光学参量振荡器的光学谐振腔振荡，并通过第一分束镜分光作用过滤中波红外激光，实现长波红外激光输出；进一步在长波红外光学参量振荡器中形成参量增益，在满足非线性参量相位匹配、泵浦谐振腔和参量谐振腔腔长匹配以及达到参量振荡的阈值条件情况下，即可在光学参量振荡器内形成激光振荡，并可以实现信号光和闲频光波长均在长波红外7-10μm范围内，输出光谱连续可调。与传统的基于2μm波段泵浦的长波红外光学参量振荡器相比，本发明长波红外光学参量振荡器可有效提升长波红外的光-光转换效率达到16％以上。
附图说明
图1为本发明的实施例一所提出的高转换效率的长波红外光学参量振荡器的结构暨光路示意图；
图2为本发明的实施例二所提出的高转换效率的长波红外光学参量振荡器的结构暨光路示意图。
其中，1-泵浦激光器，2-第一耦合系统，3-第一输入镜，4-第一非线性晶体，5-第一输出镜，6-第一腔镜，7-F-P标准具，8-第二腔镜，9-第一分束镜，10-半波片，11-第二耦合系统，12-第二输入镜，13-第二非线性晶体，14-第二输出镜，15-第二分束镜，16-体布拉格光栅、17-第三输入镜、18-第三输出镜。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图及实施例，对本发明的具体实施方式作进一步说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于帮助理解本发明，并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
具体实施方式一：结合图1说明。本发明提供了高转换效率的长波红外光学参量振荡器，包括泵浦激光器、第一光束耦合系统、设置有第一非线性晶体的中波红外光学参量振荡器、第一分束镜、激光偏振调整系统(本实施例中为半波片)、第二光束耦合系统、设置有第二非线性晶体的长波红外光学参量振荡器、第二分束镜；泵浦激光器产生泵浦激光输出，经过第一光束耦合系统对泵浦激光光束直径变换后，入射至中波红外光学参量振荡器中，在满足非线性参量相位匹配条件下，经过第一非线性晶体频率转换和中波红外光学参量振荡器的光学谐振腔振荡，并通过第一分束镜分光作用过滤泵浦激光，实现中波红外激光输出；中波红外激光经过激光偏振调整系统偏振态改变及第二光束耦合系统对中波红外激光光束直径变换后，入射至长波红外光学参量振荡器中，经过第二非线性晶体频率转换和长波红外光学参量振荡器的光学谐振腔振荡，并通过第二分束镜分光作用过滤中波红外激光，实现长波红外激光输出。
本实施例的泵浦激光器产生2μm波段附近线偏振激光输出。
本实施例中，第一非线性晶体采用ZGP晶体，两个通光面镀2.09μm及4.18μm基频激光增透膜。
本实施例中，第二非线性晶体采用ZGP晶体，两个通光面分别镀4.18μm和7-10μm信号光和闲频光增透膜。
中波红外光学参量振荡器产生3-5μm波段激光输出，包括第一输入镜、第一非线性晶体、第一输出镜、第一腔镜、F-P标准具、第二腔镜，第一输入镜、第一输出镜、第一腔镜、第二腔镜组成的“8字”环形腔用于对3-5μm激光形成激光振荡，F-P标准具用于压缩3-5μm激光线宽。本实施例中泵浦激光器在产生2.09μm波段线偏振泵浦激光输出，经过第一光束耦合系统对2.09μm波段激光光束直径变换后，入射至第一非线性晶体，在满足非线性参量相位匹配条件下，经过非线性晶体频率转换和中波红外光学参量振荡器的光学谐振腔振荡，并通过第一分束镜分光作用过滤2.09μm波段激光，实现3-5μm波段中波红外激光输出，并通过F-P标准具线宽压缩作用，使中波红外激光输出光谱限制在4.18nm±0.2nm以内。
长波红外光学参量振荡器包括第二输入镜、第二非线性晶体、第二输出镜。在本实施例中，中波红外激光器经过第二光束耦合系统对4.18μm波段激光光束直径变换后，入射至第二非线性晶体，在满足非线性参量相位匹配条件下，经过非线性晶体频率转换和长波红外光学参量振荡器的光学谐振腔振荡，并通过第二分束镜分光作用过滤4.18μm波段激光，实现7-10μm波段长波红外激光输出。
第一耦合系统中镜片两面均镀有2.05-2.1μm激光高透膜。
在中波红外光学参量振荡器中，第一输入镜呈10°放置，其一面镀有2.05-2.1μm激光高透膜，另一面镀有2.05-2.1μm激光高透、3-5μm激光高反膜；第一非线性晶体采用ZGP晶体，两个通光面镀2.05-2.1μm及3-5μm激光增透膜，晶体切割角度为55.7°，采用第一类相位匹配；第一输出镜为由MgF2制成的镜片(采用对3-5μm激光具有高透过率材料，如红外融石英、MgF2等)，呈80°放置，对3-5μm波段透过率约为30％；第一腔镜呈10°放置，镀有3-5μm波段激光高反膜；F-P标准具厚度为50μm；第二腔镜呈80°放置，镀有3-5μm波段激光高反膜。
第一分束镜采用对3-5μm激光具有高透过率材料制成的镜片，其一面镀有2.05-2.1μm激光高反膜、3-5μm激光高透膜，另一面镀有3-5μm高透膜。本实施例中，第一分束镜采用由MgF2制成的镜片(可采用对3-5μm激光具有高透过率材料，如红外融石英、MgF2等)，呈45°放置，其一面镀有2.05-2.1μm激光高反、3-5μm波段激光高透膜，另一面镀有3-5μm波段激光高透膜。
半波片由MgF2制成，呈0°放置，光轴与3-5μm波段中红外激光偏振方向之间夹角为45°，两面均镀有3-5μm波段激光高透膜。
第二耦合系统中镜片采用MgF2材料，两面均镀有3-5μm波段激光高透膜。
在长波红外光学参量振荡器中，第二输入镜采用由ZnSe制成的镜片，呈0°放置，其一面镀有3-5μm波段激光高透膜，另一面镀有3-5μm波段激光高透、7-10μm波段激光高反膜；第二非线性晶体采用ZGP晶体，两个通光面镀3-5μm波段及7-10μm波段激光增透膜，晶体切割角度为54.3°，采用第一类相位匹配；第二输出镜为由ZnSe制成的镜片(可采用对7-10μm激光具有高透过率材料，如ZnSe、ZnS等)，呈0°放置，对7-10μm波段激光透过率为20％。
第二分束镜采用对7-10μm激光具有高透过率材料制成的镜片，其一面镀有3-5μm激光高反膜、7-10μm激光高透膜，另一面镀有7-10μm激光高透膜。本实施例中，第二分束镜采用由ZnSe制成的镜片(可采用对7-10μm激光具有高透过率材料，如ZnSe、ZnS等)，呈45°放置，其一面镀有3-5μm波段激光高反、7-10μm波段激光高透膜，另一面镀有7-10μm波段激光高透膜。
一束2.09μm波段垂直偏振激光经过第一耦合系统光束直径变换，入射至中波红外光学参量振荡器。经过第一输入镜后，入射至第一非线性晶体中，通过ZGP晶体非线性频率转换实现水平偏振4.18μm波段激光输出，第一输入镜、第一输出镜、第一腔镜、第二腔镜组成的“8字”环形腔用于对4.18μm波段激光形成激光振荡，F-P标准具用于压缩4.18μm波段激光线宽。
中波红外光学参量振荡器产生水平偏振4.18μm波段激光输出后，依次经过呈45°放置的第一分束镜分光后将前级2.09μm波段泵浦漏光滤除、半波片将水平偏振4.18μm波段激光转换为垂直偏振激光、第二耦合系统光束直径变换，入射至长波红外光学参量振荡器。
垂直偏振4.18μm波段激光经过第二输入镜后，入射至第二非线性晶体中，通过ZGP晶体非线性频率转换实现7-10μm长波红外激光输出，第二输入镜及第二输出镜用于对长波红外激光形成激光振荡，并可通过调整ZGP晶体晶轴与激光传输方向之间角度实现输出波长调谐。
长波红外光学参量振荡器产生的长波红外激光经过呈45°放置的第二分束镜分光后将前级4.18μm波段泵浦漏光滤除，最终实现7-10μm长波红外激光输出。
从2.09μm波段激光至长波红外激光输出光-光转换效率最高可达到16％以上。
具体实施方式二：结合图2说明。本实施方式与实施方式一所述的基于中波红外泵浦的长波红外光学参量振荡器的区别在于，所述中波红外光学参量振荡器实施方案不同。
本发明提供了基于中波红外泵浦的长波红外光学参量振荡器，包括泵浦激光器、第一光束耦合系统、中波红外光学参量振荡器、第一分束镜、半波片、第二光束耦合系统、长波红外光学参量振荡器、第二分束镜。
中波红外光学参量振荡器包括光栅(可以是闪耀光栅、体布拉格光栅等，本实施例中是体布拉格光栅)体布拉格光栅、第三输入镜、第一非线性晶体、第三输出镜，体布拉格光栅、第三输入镜、第三输出镜组成的“L形”谐振腔用于对3-5μm激光形成激光振荡，体布拉格光栅用于压缩3-5μm激光线宽。在本实施例中泵浦激光器产生2.09μm波段线偏振泵浦激光输出，经过第一光束耦合系统对2.09μm波段激光光束直径变换后，入射至第一非线性晶体，在满足非线性参量相位匹配条件下，经过非线性晶体频率转换和中波红外光学参量振荡器的光学谐振腔振荡，并通过第一分束镜分光作用过滤2.09μm波段激光，实现3-5μm波段中波红外激光输出，并通过体布拉格光栅线宽压缩作用，使中波红外激光输出光谱限制在4.18nm±0.2nm以内。
长波红外光学参量振荡器包括第二输入镜、第二非线性晶体、第二输出镜。在本实施例中，中波红外激光器经过第二光束耦合系统对4.18μm波段激光光束直径变换后，入射至第二非线性晶体，在满足非线性参量相位匹配条件下，经过非线性晶体频率转换和长波红外光学参量振荡器的光学谐振腔振荡，并通过第二分束镜分光作用过滤4.18μm波段激光，实现7-10μm波段长波红外激光输出。
本实施例的泵浦激光器产生2μm波段附近线偏振激光输出。
第一耦合系统中镜片两面均镀有2.05-2.1μm激光高透膜。
第三输入镜一面镀有2.05-2.1μm高透膜，另一面镀有2.05-2.1μm高透、3-5μm激光高反膜；第三输出镜采用对3-5μm激光具有高透过率材料，一面镀有3-5μm激光高透膜，另一面镀有对3-5μm具有一定透过率的膜层，透过率一般不大于50％。本实施例中，在中波红外光学参量振荡器中，体布拉格光栅呈0°放置；第三输入镜呈45°放置，其一面镀有2.05-2.1μm激光高透膜，另一面镀有2.05-2.1μm激光高透、3-5μm激光高反膜；第一非线性晶体采用ZGP晶体，两个通光面镀2.05-2.1μm及3-5μm激光增透膜，晶体切割角度为55.7°，采用第一类相位匹配；第三输出镜为由MgF2制成的镜片，呈0°放置，对3-5μm波段透过率约为30％。
第一分束镜9采用由MgF2制成的镜片，呈45°放置，其一面镀有2.05-2.1μm激光高反、3-5μm波段激光高透膜，另一面镀有3-5μm波段激光高透膜。
半波片由MgF2制成，呈0°放置，光轴与3-5μm波段中红外激光偏振方向之间夹角为45°，两面均镀有3-5μm波段激光高透膜。
第二耦合系统中镜片采用MgF2材料，两面均镀有3-5μm波段激光高透膜。
在长波红外光学参量振荡器中，第二输入镜采用由ZnSe制成的镜片，呈0°放置，其一面镀有3-5μm波段激光高透膜，另一面镀有3-5μm波段激光高透、7-10μm波段激光高反膜；第二非线性晶体采用ZGP晶体，两个通光面镀3-5μm波段及7-10μm波段激光增透膜，晶体切割角度为54.3°，采用第一类相位匹配；第二输出镜为由ZnSe制成的镜片，呈0°放置，对7-10μm波段激光透过率为20％。
第二分束镜采用由ZnSe制成的镜片，呈45°放置，其一面镀有3-5μm波段激光高反、7-10μm波段激光高透膜，另一面镀有7-10μm波段激光高透膜。
一束2.09μm波段垂直偏振激光经过第一耦合系统光束直径变换，入射至中波红外光学参量振荡器。经过第三输入镜后，入射至第一非线性晶体中，通过ZGP晶体非线性频率转换实现水平偏振4.18μm波段激光输出，体布拉格光栅、第三输入镜、第三输出镜组成的“L形”光学谐振腔用于对3-5μm激光形成激光振荡，体布拉格光栅用于压缩中波红外激光器输出的激光线宽。
中波红外光学参量振荡器产生水平偏振4.18μm波段激光输出后，依次经过呈45°放置的第一分束镜分光后将前级2.09μm波段泵浦漏光滤除、半波片将水平偏振4.18μm波段激光转换为垂直偏振激光、第二耦合系统光束直径变换，入射至长波红外光学参量振荡器。
垂直偏振4.18μm波段激光经过第二输入镜后，入射至第二非线性晶体中，通过ZGP晶体非线性频率转换实现7-10μm长波红外激光输出，第二输入镜及第二输出镜用于对长波红外激光形成激光振荡，并可通过调整ZGP晶体晶轴与激光传输方向之间角度实现输出波长调谐。
长波红外光学参量振荡器产生的长波红外激光经过呈45°放置的第二分束镜分光后将前级4.18μm波段泵浦漏光滤除，最终实现7-10μm长波红外激光输出。
从2.09μm波段激光至长波红外激光输出光-光转换效率最高可达到16％以上。
尽管本发明已进行了一定程度的描述，明显地，在不脱离本发明的精神和范围的条件下，可进行各个条件的适当变化，例如，采用其他产生方式中波红外激光器为泵浦源、采用不同的泵浦方式、采用不同切割角度(53°-57°)的ZGP晶体、采用不同相位匹配方式、采用其他类型的非线性晶体(如CdSe、AgGaSe2等)、采用不同曲率半径的凹面镜、采用不同透过率的输出镜、采用不同类型谐振腔等。因此可以理解，本发明不限于所述实施方案，并且任何变化在不脱离本发明技术方案的精神和范围的情况下，其均应被涵盖在本发明的权利要求范围当中。
本发明不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本发明保护的范围。

Claims (7)

1.一种高转换效率的长波红外光学参量振荡器，其特征在于包括泵浦激光器、第一光束耦合系统、中波红外光学参量振荡器、第一分束镜、激光偏振调整系统、第二光束耦合系统、长波红外光学参量振荡器、第二分束镜；泵浦激光器产生泵浦激光输出，经过第一光束耦合系统对泵浦激光光束直径变换后，入射至中波红外光学参量振荡器中；在满足非线性参量相位匹配条件下即中波红外光学参量振荡器中非线性晶体采用第一类相位匹配，采用特定晶体切割角度实现输出波长2倍于泵浦激光，并通过中波红外光学参量振荡器内线宽控制元件，实现窄线宽线偏振中波红外激光输出；第一分束镜分光过滤泵浦激光后，中波红外激光经过激光偏振调整系统偏振态改变及第二光束耦合系统对中波红外激光光束直径变换后，入射至长波红外光学参量振荡器中，经过长波红外光学参量振荡器的光学谐振腔振荡频率转换，并通过第二分束镜分光作用过滤中波红外激光，实现长波红外激光输出；
所述的中波红外光学参量振荡器产生3-5μm波段激光输出；
所述的中波红外光学参量振荡器包括第一输入镜、第一非线性晶体、第一输出镜、第一腔镜、F-P标准具、第二腔镜，第一输入镜、第一输出镜、第一腔镜、第二腔镜组成的“8字”环形腔用于对3-5μm激光形成激光振荡，线宽控制元件即F-P标准具用于压缩3-5μm激光线宽；
或者所述的中波红外光学参量振荡器包括光栅、第三输入镜、第一非线性晶体、第三输出镜，光栅、第三输入镜、第三输出镜组成的“L形”光学谐振腔用于对3-5μm激光形成激光振荡，线宽控制元件即光栅用于压缩中波红外激光器输出的激光线宽；
还包括长波红外光学参量振荡器，包括第二输入镜、第二非线性晶体、第二输出镜，第二输入镜、第二输出镜组成直线形光学谐振腔用于对7-10μm激光形成激光振荡；
所述泵浦激光器产生2μm波段附近线偏振激光输出。
2.根据权利要求1所述的一种高转换效率的长波红外光学参量振荡器，其特征在于：所述泵浦激光器产生2.09μm波段附近线偏振激光输出，中波红外光学参量振荡器中第一非线性晶体采用特定晶体切割角度为55.7°实现输出波长2倍于泵浦激光即4.18μm。
3.根据权利要求1所述的一种高转换效率的长波红外光学参量振荡器，其特征在于所述的第一光束耦合系统中镜片镀2.05μm-2.1μm增透膜，第二光束耦合系统中镜片的双面镀3-5μm激光增透膜。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种高转换效率的长波红外光学参量振荡器，其特征在于所述的第一非线性晶体采用ZGP晶体，两个通光面镀3-5μm基频激光增透膜，用于频率转换。
5.根据权利要求1或2或3所述的一种高转换效率的长波红外光学参量振荡器，其特征在于所述的第二非线性晶体采用ZGP晶体，两个通光面分别镀3-5μm和7-10μm信号光和闲频光增透膜，用于频率转换。
6.根据权利要求1或2或3所述的一种高转换效率的长波红外光学参量振荡器，其特征在于所述的第一输入镜一面镀有2.05-2.1μm高透膜，另一面镀有2.05-2.1μm高透、3-5μm激光高反膜；第一输出镜采用对3-5μm激光具有高透过率材料，一面镀有3-5μm激光高透膜，另一面镀有对3-5μm具有一定透过率的膜层，透过率不大于50％。
7.根据权利要求1或2或3所述的一种高转换效率的长波红外光学参量振荡器，其特征在于所述的第二输入镜一面镀有3-5μm高透膜，另一面镀有3-5μm高透、7-10μm激光高反膜；第二输出镜采用对7-10μm激光具有高透过率材料，一面镀有7-10μm激光高透膜，另一面镀有对7-10μm具有一定透过率的膜层，透过率不大于50％。
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