CN108267301B - 基于光学参量振荡器的中红外高反射光学元件测试装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

基于光学参量振荡器的中红外高反射光学元件测试装置及测试方法，包括近红外光纤激光器、泵浦耦合光学系统、高反射腔镜、非线性变频晶体、分色镜、待测的中红外高反射光学元件、耦合输出镜、中红外分光镜、功率计、中红外相机和监测系统；高反射腔镜、分色镜、待测的中红外高反射光学元件和耦合输出镜构成闭腔式光学参量振荡器的谐振腔。基于闭腔式结构的光学参量振荡器可以在谐振腔内实现高功率密度、长时间、中红外连续激光的辐照条件，能够测试中红外高反射光学元件的抗激光损伤能力。本发明具有全固态结构、全电运行、体积小巧、操作方便、高可靠性、使用成本低的特点，可长时间低成本的稳定运行。

Description

基于光学参量振荡器的中红外高反射光学元件测试装置及测试方法

技术领域

本发明涉及光学元件测试领域，更具体地讲，涉及一种利用闭腔式光学参量振荡器技术在中红外波段实现光学元件高功率密度、长时间激光辐照测试与考核的装置，该装置可广泛应用于中红外波段高反射光学元件的测试与考核。

背景技术

光学元件的抗损伤性能直接关系到激光系统的可靠性和使用寿命。科学准确的测试、考核、评判光学元件的抗损伤能力和使用寿命是保证激光系统稳定可靠运行的基础。随着连续波高能激光系统输出功率的不断提升，对光学元件的抗激光损伤能力提出了越来越高的要求。目前，可见光、近红外波段的光学元件制备工艺已经比较成熟，针对其激光损伤特性及工作寿命的测试方法、测试设备已经比较完善。近年来，随着中红外连续波激光系统的发展，对于中红外光学元件在连续激光辐照下的抗损伤能力、工作寿命的测试、考核需求日益强烈。但是，目前还缺少简便、有效、成本低廉的测试中红外光学元件抗激光损伤能力和使用寿命的装置。

目前，中红外连续波激光系统的输出功率已经达到了兆瓦量级。测试中红外光学元件的抗激光损伤能力和使用寿命需要将光学元件置于高功率密度(10³～10⁴W/cm²)、长时间(10⁴～10⁵s)的中红外连续激光辐照下。目前对于中红外光学元件的测试主要是基于闭腔式氟化氘化学激光器实现的。尽管氟化氘化学激光器能够实现中红外连续激光高功率输出，但是其运行成本很高，仅能对光学元件进行数十秒的测试，无法进行长时间(10⁴s量级)的测试；此外，氟化氘化学激光器结构复杂、体积巨大，用于光学元件的测试存在诸多不便。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供了基于光学参量振荡器的中红外高反射光学元件测试装置及测试方法。本发明旨在利用光学参量振荡器的中红外连续激光输出能力、长时间稳定输出以及运行成本低的特点，结合谐振腔内激光功率密度大的特点，将待测试的中红外高反射光学元件置于谐振腔内进行测试，通过恰当的腔体结构设计，将待测光学元件置于高功率密度、长时间的中红外连续激光辐照环境下，实现对中红外光学元件抗损伤能力和使用寿命的测试。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案是：

基于光学参量振荡器的中红外高反射光学元件测试装置，包括近红外光纤激光器、泵浦耦合光学系统、高反射腔镜、非线性变频晶体、分色镜、待测的中红外高反射光学元件、耦合输出镜、中红外分光镜、功率计、中红外相机和监测系统；其中高反射腔镜、分色镜、待测的中红外高反射光学元件和耦合输出镜构成闭腔式光学参量振荡器的谐振腔；

所述的近红外光纤激光器作为闭腔式光学参量振荡器的泵浦源，输出波长在1060～1090nm之间的近红外泵浦激光；近红外光纤激光器输出的近红外泵浦激光入射到泵浦耦合光学系统，经泵浦耦合光学系统准直和整形后，穿过高反射腔镜正入射到非线性变频晶体上，在非线性变频晶体内发生光学参量过程，产生一束近红外的信号光和一束中红外的闲频光，谐振腔内的信号光和残余泵浦光沿着光路透过分色镜输出；谐振腔内的闲频光经分色镜反射后，以入射角θ照射到待测的中红外高反射光学元件上，经过待测的中红外高反射光学元件反射后，正入射到耦合输出镜上；在耦合输出镜上，大部分的闲频光被耦合输出镜反射，沿原光路返回，在谐振腔中振荡；其余部分的闲频光透过耦合输出镜后，被中红外分光镜分为功率比为99:1的两束闲频光，其中一束占比99％的闲频光被反射进功率计，进行功率测量；另一束占比1％的闲频光透过中红外分光镜正入射进中红外相机，进行光束截面积的测量。其中：高反射腔镜对近红外泵浦激光高透，透射率>99％，高反射腔镜对近红外的信号光和中红外的闲频光高反，反射率>99.5％。所述非线性变频晶体为准相位匹配晶体，非线性变频晶体置于近红外泵浦激光的准直距离内。分色镜对近红外泵浦激光和近红外的信号光高透，透射率>98％；分色镜对中红外闲频光高反，反射率>99.5％。待测中红外高反射光学元件对中红外闲频光的反射率大于98.5％。耦合输出镜的透射率为τ，1％<τ<5％；耦合输出镜对中红外闲频光的吸收率小于100ppm。

所述的监测系统对准待测的中红外高反射光学元件，实时观察、记录待测的中红外高反射光学元件的状态。

本发明基于闭腔式结构的光学参量振荡器可以在谐振腔内实现高功率密度、长时间、中红外连续激光的辐照条件，能够测试中红外高反射光学元件的抗激光损伤能力。本发明具有全固态结构、全电运行、体积小巧、操作方便、高可靠性、使用成本低的特点，可长时间低成本的稳定运行，在中红外高能激光系统的测试中具有重要的应用价值。

本发明中：所述近红外光纤激光器的输出功率大于100W，功率稳定度RMS值优于2％，光谱10dB线宽小于5nm，光谱漂移量小于1nm，偏振消光比大于10dB，光束质量M²因子小于2。

本发明中：所述泵浦耦合光学系统用于对近红外光纤激光器输出的近红外泵浦激光进行准直和整形，其通光口径需大于近红外泵浦激光的口径，其像差需小于λ/10。泵浦耦合光学系统由光学镜片组成，功能是对近红外泵浦激光整形，引导近红外泵浦激光入射到非线性变频晶体上。如果近红外泵浦激光的光束品质特别好，也可以不需要泵浦耦合光学系统。

本发明中：所述非线性变频晶体为准相位匹配晶体。

本发明中：所述功率计为中红外波段的功率计，其量程须大于20W。

本发明中：所述的中红外相机的视场大于中红外闲频光的口径，分辨率>640×480，动态范围>8bit。

本发明中：入射到非线性变频晶体上的泵浦激光、非线性变频晶体产生的信号光以及闲频光的波长满足能量守恒条件(1)式和波矢匹配条件(2)式：

上述两式中：λ_p、λ_s、λ_i分别表示泵浦激光、信号光、闲频光的波长；n_p、n_s、n_i分别代表非线性变频晶体在泵浦光波长、信号光波长、闲频光波长处的折射率；Λ为非线性变频晶体的极化周期。

利用上述提供的基于光学参量振荡器的中红外高反射光学元件测试装置，本发明还提供一种基于光学参量振荡器的中红外高反射光学元件测试方法，包括以下步骤：

(1)搭建基于光学参量振荡器的中红外高反射光学元件测试装置；

(2)由(3)式计算得到照射在待测的中红外高反射光学元件上的闲频光功率密度I_in；调节近红外光纤激光器的输出功率，谐振腔内中红外闲频光的功率随之改变，当I_in达到设定数值时(I_in的取值范围为0.1～10kW/cm²)，即可开始测试；整个测试过程中，测试装置需工作在恒温环境中，温度波动需小于1℃，保证中红外闲频光的光谱漂移量小于20nm。

上式中，I_in为照射在待测的中红外高反射光学元件上的闲频光的功率密度；P_in为照射在待测的中红外高反射光学元件上的闲频光的功率；P_in ⁺和P_in ^-分别为沿着正方向和负方向照射到待测的中红外高反射光学元件上的闲频光的功率，其中定义闲频光输出的方向为正方向，与之相反的方向为负方向；θ为闲频光在待测的中红外高反射光学元件上的入射角，可由谐振腔的结构计算得到；A为中红外相机测得的光束截面积，P_out为从谐振腔输出的闲频光的功率，为中间变量；P_m为功率计测得的闲频光的功率；τ为耦合输出镜的透射率。

(3)测试过程中，使用监测系统实时监测、记录待测的中红外高反射光学元件的状态，使用功率计实时记录闭腔式光学参量振荡器输出的闲频光的功率P_m，考核、评判待测的中红外高反射光学元件在高功率密度的闲频光辐照下的抗损伤能力；如果待测的中红外高反射光学元件在高功率密度、长时间的闲频光辐照下产生了损伤，功率计记录的闲频光输出功率P_m将会产生剧烈的下降，同时监测系统将会检测到待测的中红外高反射光学元件外观形貌发生显著的变化。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明基于光学参量振荡器产生中红外连续激光，具有全固态结构、全电运行、体积小巧、操作方便、高可靠性、使用成本低的特点，可以长时间低成本的稳定运行。

2、本发明基于光学参量振荡器产生中红外连续激光，通过调节光纤激光器输出的泵浦激光的功率，可以很方便的调节照射在中红外光学元件上的激光功率密度；通过调节光纤激光器输出的泵浦激光的波长，可以改变照射在中红外光学元件上的测试波长。本发明适用于多种中红外光学元件的测试。

3、本发明采用闭腔式结构，把待测试的中红外高反射光学元件作为谐振腔的腔镜之一，可在较低功率输出条件下(<100W)，在光学参量振荡器的谐振腔内实现很高的功率密度(10kW/cm²)，为中红外光学元件的测试提供了高功率密度、长时间的中红外连续激光辐照条件。

附图说明

图1为本发明的原理示意图；

标号说明：

1-近红外光纤激光器；2-泵浦耦合光学系统；3-高反射腔镜；4-非线性变频晶体；5-分色镜；6-待测的中红外高反射光学元件；7-耦合输出镜；8-中红外分光镜；9-功率计；10-中红外相机；11-监测系统；

图2为发明提供的具体实施例信号光波长与闲频光波长的对应关系图；

图3为发明提供的具体实施例光学参量振荡器输出的光谱图；

图4为发明提供的具体实施例中功率计9记录的长时间功率曲线图；

图5为发明提供的具体实施例监测系统11记录的中红外光学元件在测试过程中的状态图。

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，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

参见图1，本发明提供的基于光学参量振荡器的中红外高反射光学元件测试装置，包括近红外光纤激光器1、泵浦耦合光学系统2、高反射腔镜3、非线性变频晶体4、分色镜5、待测的中红外高反射光学元件6、耦合输出镜7、中红外分光镜8、功率计9、中红外相机10和监测系统11；其中高反射腔镜3、分色镜5、待测的中红外高反射光学元件6和耦合输出镜7构成闭腔式光学参量振荡器的谐振腔；

所述的近红外光纤激光器1作为闭腔式光学参量振荡器的泵浦源，输出波长在1060～1090nm之间的近红外泵浦激光。在本实施例中：采用的近红外光纤激光器1输出连续的近红外泵浦激光，波长为1080nm，输出功率120W，功率稳定度RMS值为1％，光谱10dB线宽为4nm，偏振消光比为20dB，光束质量M²因子为1.5，输出光束口径为0.5cm。

近红外泵浦激光入射到泵浦耦合光学系统2，泵浦耦合光学系统通光口径为1.5cm。近红外泵浦激光经泵浦耦合光学系统2准直和整形后，穿过高反射腔镜3正入射到非线性变频晶体4上，在非线性变频晶体4内发生光学参量过程，产生一束近红外的信号光和一束中红外的闲频光。谐振腔内的信号光和残余泵浦光沿着光路透过分色镜5输出。谐振腔内的闲频光经分色镜5反射后，以入射角θ照射到待测的中红外高反射光学元件6上，待测中红外高反射光学元件6对3811nm中红外的闲频光的反射率为99.5％。

其中：高反射腔镜3为凹面镜，焦距为1m，对1080nm的近红外泵浦激光的透射率为99.5％，对1507nm的信号光和3811nm的闲频光的反射率均为99.7％。非线性变频晶体4采用准相位匹配晶体MgO:PPLN，其极化周期为29.8μm，非线性变频晶体4置于近红外泵浦激光的准直距离内。分色镜5对近红外泵浦激光和近红外的信号光高透，透射率为98.8％；分色镜5对中红外的闲频光高反，反射率为99.7％。

经过待测的中红外高反射光学元件6反射后，正入射到透射率为τ的耦合输出镜7上，本实施例中τ为1.8％；耦合输出镜7对中红外的闲频光的吸收率为55ppm。

在耦合输出镜7上，大部分的闲频光被耦合输出镜7反射，沿原光路返回，在谐振腔中振荡；其余部分的闲频光透过耦合输出镜7后，被中红外分光镜8分为功率比为99:1的两束闲频光，其中一束占比99％的闲频光被反射进功率计9，进行功率测量；另一束占比1％的闲频光透过中红外分光镜8正入射进中红外相机10，进行光束截面积的测量。其中：中红外分光镜8的分光比为99:1。功率计的量程为100W。中红外相机10的视场为Φ2cm，分辨率为800×600，动态范围为16bit。

所述的监测系统11对准待测的中红外高反射光学元件，实时观察、记录待测的中红外高反射光学元件的状态。

按照图1给出的结构布局搭建测试装置，高反射腔镜3、分色镜5、待测的中红外高反射光学元件6、耦合输出镜7构成光学参量振荡器的谐振腔，谐振腔的腔长与高反射腔镜3的焦距相等，为1m。

近红外光纤激光器1输出的近红外泵浦激光经过泵浦耦合光学系统2整形后，穿过高反射腔镜3，入射到非线性变频晶体4上(非线性变频晶体4置于泵浦激光的准直距离内)，在非线性变频晶体4内满足准相位匹配条件(即满足(2)式)，发生光学参量过程，产生一束近红外的信号光和一束中红外的闲频光，根据能量守恒条件(1)式和波矢匹配条件(2)式，得到信号光、闲频光的波长分别为λ_s＝1507nm、λ_i＝3811nm，如图2所示。谐振腔内的信号光和残余泵浦光沿着光路透过分色镜5输出。闲频光经分色镜5反射后，以22.5度的入射角照射到待测的中红外高反射光学元件6上，经过待测的中红外高反射光学元件6反射后，正入射到耦合输出镜7上。大部分的闲频光被耦合输出镜7反射，沿原光路返回，在谐振腔中振荡；其余部分的闲频光透过耦合输出镜7后，被中红外分光镜8分为两束(功率比为99:1)，占比99％的闲频光被反射进功率计9，测得功率P_m＝16.6W，占比1％的闲频光透过中红外分光镜8正入射进中红外相机10，测得光束截面积为0.20cm²。测试装置工作在室温下，温度波动小于0.5℃，中红外闲频光的光谱漂移小于10nm，测试装置的输出光谱如图3所示。

根据(3)式计算得到照射在待测的中红外高反射光学元件6上的闲频光功率密度I_in＝8.53kW/cm²。使用监测系统实时监测中红外高反射光学元件6的状态，测试、考核中红外高反射光学元件6在高功率密度连续波中红外闲频光辐照下的抗损伤能力。

本实例中对中红外高反射光学元件进行了15000s(250min)的测试。在测试过程中，功率计测得的功率P_m的变化曲线如图4所示。从图4中可以看出，中红外闲频光的功率保持稳定，没有随时间下降。监测系统11记录的光学元件的状态如图5所示。根据监测系统11记录的结果，在高功率密度、长时间的3811nm中红外闲频光辐照下，被测的光学元件的状态没有发生明显的变化。这表明，被测的中红外高反射光学元件6具有很好的抗损伤能力，在15000s的时间内，被测的中红外高反射光学元件6没有被高功率密度的激光损坏，并且其反射率没有下降。

本实例中采用的准相位匹配晶体可以由具有同类功能的器件代替，可以是准相位匹配晶体也可以是双折射相位匹配晶体，包括但不限于PPLN、KTP、KDP、BBO、KTA、PPMgLN、PPLT、ZGP、PPKTP等非线性晶体。

光学参量振荡器是一种宽调谐相干光源，也是实现中红外连续激光输出的重要途径。相对于氟化氘化学激光器而言，光学参量振荡器具有结构简单、体积小巧、高可靠性、运行成本低，能够长时间稳定工作等优势。目前，光学参量振荡器在中红外波段已经实现了百瓦量级的连续激光输出。采用闭腔式结构，能够在光学元件上实现高功率密度(10³～10⁴W/cm²)的辐照条件。因此，采用闭腔式连续波光学参量振荡器能够对中红外光学元件进行高功率密度、长时间的测试。

本发明提出的基于闭腔式连续波光学参量振荡器的中红外光学元件测试装置能够提供高功率密度、长时间的中红外连续激光辐照条件，实现对中红外光学元件抗激光损伤能力的长时间测试。通过调节闭腔式光学参量振荡器的泵浦功率和耦合输出镜的透射比可以很方便的调节辐照功率密度。本发明具有结构紧凑、简单可靠、操作简便、使用成本低的特点。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.基于光学参量振荡器的中红外高反射光学元件测试装置，其特征在于，包括近红外光纤激光器、泵浦耦合光学系统、高反射腔镜、非线性变频晶体、分色镜、待测的中红外高反射光学元件、耦合输出镜、中红外分光镜、功率计、中红外相机和监测系统；其中高反射腔镜、分色镜、待测的中红外高反射光学元件和耦合输出镜构成闭腔式光学参量振荡器的谐振腔；

所述的近红外光纤激光器作为闭腔式光学参量振荡器的泵浦源，输出波长在1060～1090nm之间近红外泵浦激光；近红外光纤激光器输出的近红外泵浦激光入射到泵浦耦合光学系统，经泵浦耦合光学系统准直和整形后，穿过高反射腔镜正入射到非线性变频晶体上，在非线性变频晶体内发生光学参量过程，产生一束近红外的信号光和一束中红外的闲频光，谐振腔内的信号光和残余泵浦光沿着光路透过分色镜输出；谐振腔内的闲频光经分色镜反射后，以入射角θ照射到待测的中红外高反射光学元件上，经过待测的中红外高反射光学元件反射后，正入射到耦合输出镜上；在耦合输出镜上，大部分的闲频光被耦合输出镜反射，沿原光路返回，在谐振腔中振荡；其余部分的闲频光透过耦合输出镜后，被中红外分光镜分为功率比为99:1的两束闲频光，其中一束占比99％的闲频光被反射进功率计，进行功率测量；另一束占比1％的闲频光透过中红外分光镜正入射进中红外相机，进行光束截面积的测量；

所述的监测系统对准待测的中红外高反射光学元件，实时观察、记录待测的中红外高反射光学元件的状态。

2.根据权利要求1所述的基于光学参量振荡器的中红外高反射光学元件测试装置，其特征在于，高反射腔镜对近红外泵浦激光高透，透射率>99％，高反射腔镜对近红外的信号光和中红外的闲频光高反，反射率>99.5％。

3.根据权利要求1所述的基于光学参量振荡器的中红外高反射光学元件测试装置，其特征在于，所述非线性变频晶体为准相位匹配晶体，非线性变频晶体置于近红外泵浦激光的准直距离内。

4.根据权利要求1所述的基于光学参量振荡器的中红外高反射光学元件测试装置，其特征在于，分色镜对近红外泵浦激光和近红外信号光高透，透射率>98％；分色镜对中红外闲频光高反，反射率>99.5％。

5.根据权利要求1所述的基于光学参量振荡器的中红外高反射光学元件测试装置，其特征在于，待测的中红外高反射光学元件对中红外闲频光的反射率大于98.5％。

6.根据权利要求1所述的基于光学参量振荡器的中红外高反射光学元件测试装置，其特征在于，耦合输出镜的透射率为τ，1％<τ<5％，且耦合输出镜对中红外闲频光的吸收率小于100ppm。

7.根据权利要求6所述的基于光学参量振荡器的中红外高反射光学元件测试装置，其特征在于，所述近红外光纤激光器的输出功率大于100W，功率稳定度RMS值优于2％，光谱10dB线宽小于5nm，光谱漂移量小于1nm，偏振消光比大于10dB，光束质量M²因子小于2。

8.根据权利要求1所述的基于光学参量振荡器的中红外高反射光学元件测试装置，其特征在于，所述的中红外相机的视场大于中红外闲频光的口径，分辨率>640×480，动态范围>8bit。

9.根据权利要求1所述的基于光学参量振荡器的中红外高反射光学元件测试装置，其特征在于：入射到非线性变频晶体上的泵浦激光、非线性变频晶体产生的信号光以及闲频光的波长满足能量守恒条件(1)式和波矢匹配条件(2)式：

上述两式中：λ_p、λ_s、λ_i分别表示泵浦激光、信号光、闲频光的波长；n_p、n_s、n_i分别代表非线性变频晶体在泵浦光波长、信号光波长、闲频光波长处的折射率；Λ为非线性变频晶体的极化周期。

10.一种基于光学参量振荡器的中红外高反射光学元件测试方法，包括以下步骤：

(1)搭建如权利要求1至9中任一项所述的基于光学参量振荡器的中红外高反射光学元件测试装置；

(2)由(3)式计算得到照射在待测的中红外高反射光学元件上的闲频光功率密度I_in；调节近红外光纤激光器的输出功率，谐振腔内中红外闲频光的功率随之改变，当I_in达到设定数值时，I_in的取值范围为0.1～10kW/cm²，即可开始测试；整个测试过程中，测试装置需工作在恒温环境中，温度波动需小于1℃，保证中红外闲频光的光谱漂移量小于20nm；

上式中，I_in为照射在待测的中红外高反射光学元件上的闲频光的功率密度；P_in为照射在待测的中红外高反射光学元件上的闲频光的功率；P_in ⁺和P_in ^-分别为沿着正方向和负方向照射到待测的中红外高反射光学元件上的闲频光的功率，其中定义闲频光输出的方向为正方向，与之相反的方向为负方向；θ为闲频光在待测的中红外高反射光学元件上的入射角，可由谐振腔的结构计算得到；A为中红外相机测得的光束截面积，P_out为从谐振腔输出的闲频光的功率；P_m为功率计测得的闲频光的功率；τ为耦合输出镜的透射率；

(3)测试过程中，使用监测系统实时监测、记录待测的中红外高反射光学元件的状态，使用功率计实时记录闭腔式光学参量振荡器输出的闲频光的功率P_m，考核、评判待测的中红外高反射光学元件在高功率密度的闲频光辐照下的抗损伤能力；如果待测的中红外高反射光学元件在高功率密度、长时间的闲频光辐照下产生了损伤，功率计记录的闲频光输出功率P_m将会产生剧烈的下降，同时监测系统将会检测到待测的中红外高反射光学元件外观形貌发生显著的变化。

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