CN108736307A - 腔内倍频中远红外激光器 - Google Patents
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Abstract
在本公开中提供一种腔内倍频中远红外激光器，包括：光栅，其设置在激光器的一端，作为激光器的全反端；CO2激光气体放电管，受激发射激光；激光耦合输出镜，由倍频晶体制成，设置于激光器的另一端；以及限模光阑，设置于所述光栅和激光耦合输出镜一起构成激光谐振腔内，用于优化基频光的横模分布，以缓解现有技术中激光器系统结构复杂，易造成光路失谐、光路偏差等导致的中红外激光输出能量/功率下降等技术问题。
Description
技术领域
本公开涉及激光器领域，尤其涉及一种腔内倍频中远红外激光器。
背景技术
波长为3～5μm的中红外激光在大气中具有良好的传输特性，在激光遥感、环境监测和光电对抗等方面得到广泛应用。中红外激光有多种产生方式，总体上可以分为能级跃迁方式和非线性方式两种。其中非线性方式是采用基频激光源，通过非线性频率变换产生中红外激光，包括近红外光学参量振荡器(Optical Parametric Oscillator，OPO)和长波红外CO2激光器倍频两种方式，以长波红外CO2激光器为例，其包括闪耀光栅、CO2激光气体放电管，长波CO2激光耦合输出镜、限模光阑、聚焦透镜和非线性晶体。长波红外CO2激光器输出波长为9.2μm～10.7μm的长波红外激光，分别通过限模光阑和聚焦透镜获取较好泵浦激光模式和足够泵浦功率密度，以此作为基频光源去泵浦非线性晶体，从而获得中波红外激光输出。而上述激光器系统结构复杂，易造成光路失谐，其中泵浦源长波红外CO2激光器、限模光阑、聚焦透镜与非线性晶体处于分立状态，这对于光路准直提出了较高的要求，在实际应用中容易出现由于泵浦光源入射非线性晶体端面的光路偏差而导致的中红外激光输出能量/功率下降；泵浦源功率密度高，易造成非线性晶体损伤；目前CO2激光器倍频的双折射晶体有硒镓银(AgGaSe2)、磷锗锌(ZnGeP2)和硒化镓(GaSe)等，但这些双折射晶体一方面由于生长制备等问题，很难实现大面积切割，另一方面由于匹配角度等问题，不适宜作为激光窗口使用，由于通常所采用的非线性晶体的端面尺寸有限和产生非线性效应的泵浦阈值较高，所以泵浦激光在入射非线性晶体前，通常要通过透镜对光斑尺寸进行聚焦。要想获得高能量/功率的激光输出，需要通过进一步提高泵浦激光能量/功率，这势必会导致超过晶体的损伤阈值；同时由于晶体并非处于激光放电管外，容易受灰尘污染，这就进一步加大了非线性晶体损伤的风险。
公开内容
(一)要解决的技术问题
基于上述问题，本公开提供一种腔内倍频中远红外激光器，以缓解现有技术中激光器系统结构复杂，易造成光路失谐、光路偏差等导致的中红外激光输出能量/功率下降等技术问题。
(二)技术方案
在本公开的实施例中，提供一种腔内倍频中远红外激光器，包括：
光栅，其设置在激光器的一端，作为激光器的全反端；
CO2激光气体放电管，受激发射激光；
激光耦合输出镜，由倍频晶体制成，设置于激光器的另一端；以及
限模光阑，设置于所述光栅和激光耦合输出镜一起构成激光谐振腔内，用于优化基频光的横模分布。
在本公开的实施例中，所述倍频晶体的有效非线性光学系数大于90pm/V。
在本公开的实施例中，所述倍频晶体对基波的线性吸收系数≤0.01cm-1。
在本公开的实施例中，所述倍频晶体对谐波的线性吸收系数≤0.02cm-1。
在本公开的实施例中，所述倍频晶体对基波和谐波的激光体损伤阈值为50～110MW/cm2。
在本公开的实施例中，所述倍频晶体热导率≥50W·m-1·K-1。
在本公开的实施例中，所述倍频晶体的制备材料包括：锗、砷化镓或硒化锌。
在本公开的实施例中，所述CO2激光气体放电管所发出的基频激光产生并进入倍频晶体内，晶体在光波电场作用下将会引起内部的极化，一部分基频光产生光学二次谐波，即输出倍频激光，另一部分基频光透过倍频晶体后依然保持基频输出。
在本公开的实施例中，通过控制光栅的闪耀角度可以将微观槽面衍射形成的极大与光栅产生的零级主极大值区分开来，光的能量也因此从零级转移到相应的衍射级次上。
在本公开的实施例中，所述倍频晶体为利用准相位匹配技术，制备周期性畴反转结构晶体而成，实现能量向倍频光单一方向转化。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开腔内倍频中远红外激光器至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：
(1)采用的中红外倍频晶体材料对远红外激光具有较好的透过特性；
(2)中红外倍频光直接通过谐振腔振荡产生，降低了系统的复杂程度；
(3)采用大通光孔径倍频晶体，有利于降低倍频晶体损伤阈值的前提下获得大功率中/远红外双波段激光输出。
附图说明
图1是本公开实施例以倍频晶体兼作激光耦合输出口的双波红外激光器结构示意图。
图2为本公开实施例以倍频晶体兼作激光耦合输出口的双波红外激光器原理示意图。
【附图中本公开实施例主要元件符号说明】
1-光栅；2-CO2激光气体放电管；
3-激光耦合输出镜；4-限模光阑；
具体实施方式
本公开提供了一种腔内倍频中远红外激光器，包括光栅1，CO2激光气体放电管2，激光耦合输出镜3，以及限模光阑4，所述激光耦合输出镜3为一种较大面积的中红外倍频晶体，利用其对远红外激光具有较好的透过特性，将其作为基频激光耦合输出窗口同时倍频输出中波红外激光。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开作进一步的详细说明。
在本公开的一个实施例中，提供一腔内倍频中远红外激光器，图1为本公开实施例以倍频晶体兼作激光耦合输出口的双波红外激光器结构示意图，如图1所示，所述激光器包括：
光栅1，其设置在激光器的一端，作为激光器的全反端；
激光耦合输出镜3，设置于激光器的另一端，作为部分透射端，由倍频晶体制成，制备所述倍频晶体的材料包括：锗(Ge)、砷化镓(GaAs)、硒化锌(ZnSe)；
所述光栅1和激光耦合输出镜3一起构成激光谐振腔。
CO2激光气体放电管2，受激发射激光；
限模光阑4，设置于所述光栅1和激光耦合输出镜3一起构成的激光谐振腔内部，用于优化基频光的横模分布。
在本公开实施例中，采用闪耀光栅与激光耦合输出镜耦合的方式构成激光谐振腔进行选线输出。光栅衍射的级次与色散的能力与其成正比，与光的强度分布成反比，零级虽无色散却占据了相当的能量。通过控制光栅的闪耀角度可以将微观槽面衍射形成的极大与光栅产生的零级主极大值区分开来，光的能量也因此从零级转移到相应的衍射级次上，通过控制光栅的设置角度即可选择相应的CO2激光谱线输出，用以匹配输出不同波长的倍频激光；由于基频光的横模分布对倍频晶体平均损伤阈值和倍频效率有一定的影响，通过加装限模光阑可以获得较好的基频光横模分布。
在本公开实施例中，图2为以倍频晶体兼作激光耦合输出口的双波红外激光器原理图，结合图1和图2所示，随着气体放电，基频光在光栅1和激光耦合输出镜3的内侧表面构成的谐振腔内振荡放大，当腔内增益超过腔内损耗时，基频激光产生并进入倍频晶体内，晶体在光波电场作用下将会引起内部的极化，一部分基频光产生光学二次谐波，即输出倍频激光，另一部分基频光透过倍频晶体后依然保持基频输出。
在本公开实施例中，激光输出窗口的晶体同时是能够产生二次谐波的倍频晶体，这就要求材料应该满足非线性光学系数大、对基波和谐波的光学线性吸收系数小、对基波和谐波的激光损伤阈值高、热导率大、晶体尺寸大、晶体质量高等条件；目前CO2激光器工作的窗口材料通常包括锗(Ge)、砷化镓(GaAs)、硒化锌(ZnSe)等。CO2激光器倍频包括双折射晶体有硒镓银(AgGaSe2)、磷锗锌(ZnGeP2)和硒化镓(GaSe)等，但这些双折射晶体一方面由于生长制备等问题，很难实现大面积切割，另一方面由于匹配角度等问题，不适宜作为激光窗口使用。而准相位匹配技术是近年来发展起来的一项能获得高倍频效率的技术，主要是通过制备周期性畴反转结构晶体，实现能量向倍频光单一方向转化。GaAs、ZnSe在基频或倍频波段均有较高的透过率而且非线性吸收系数大、热导率高、线性吸收系数小、损伤阈值高，在当前的制作工艺下是较为适合制备大尺寸准相位匹配晶体，同时实现大孔径窗口通光、获得大功率激光输出。
在本公开实施例中，如上所述，利用准相位匹配技术，制备周期性畴反转结构倍频晶体，实现能量向倍频光单一方向转化。
在本公开实施例中，所述激光耦合输出镜3为能够产生二次谐波的倍频晶体。
在本公开实施例中，所述倍频晶体的有效非线性光学系数大于90pm/V。
在本公开实施例中，所述倍频晶体对基波的线性吸收系数≤0.01cm-1。
在本公开实施例中，所述倍频晶体对谐波的线性吸收系数≤0.02cm-1。
在本公开实施例中，所述倍频晶体对基波和谐波的激光体损伤阈值为50～110MW/cm2。
在本公开实施例中，所述倍频晶体热导率≥50W·m-1·K-1。
在本公开实施例中，所述倍频晶体的截面线度为3～10mm。
此外，还可以配合光栅选线，通过选择不同极化周期、调节工作温度、改变通光方向进行波长的调谐；在没有损耗情况下，能量转化方向不变，转化效率随长度增加单调递增。
至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
综上所述，本公开提供了一种腔内倍频中远红外激光器，包括光栅1，CO2激光气体放电管2，激光耦合输出镜3，以及限模光阑4，所述激光耦合输出镜3为一种较大面积的中红外倍频晶体，利用其对远红外激光具有较好的透过特性，将其作为基频激光耦合输出窗口同时倍频输出中波红外激光。
还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。
并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。
此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种腔内倍频中远红外激光器，包括：
光栅(1)，其设置在激光器的一端，作为激光器的全反端；
CO2激光气体放电管(2)，受激发射激光；
激光耦合输出镜(3)，由倍频晶体制成，设置于激光器的另一端；以及
限模光阑(4)，设置于所述光栅(1)和激光耦合输出镜(3)一起构成激光谐振腔内，用于优化基频光的横模分布。
2.根据权利要求1所述的腔内倍频中远红外激光器，所述倍频晶体的有效非线性光学系数大于90pm/V。
3.根据权利要求1所述的腔内倍频中远红外激光器，所述倍频晶体对基波的线性吸收系数≤0.01cm-1。
4.根据权利要求1所述的腔内倍频中远红外激光器，所述倍频晶体对谐波的线性吸收系数≤0.02cm-1。
5.根据权利要求1所述的腔内倍频中远红外激光器，所述倍频晶体对基波和谐波的激光体损伤阈值为50～110MW/cm2。
6.根据权利要求1所述的腔内倍频中远红外激光器，所述倍频晶体热导率≥50W·m-1·K-1。
7.根据权利要求1所述的腔内倍频中远红外激光器，所述倍频晶体的制备材料包括：锗、砷化镓或硒化锌。
8.根据权利要求1所述的腔内倍频中远红外激光器，所述CO2激光气体放电管(2)所发出的基频激光产生并进入倍频晶体内，晶体在光波电场作用下将会引起内部的极化，一部分基频光产生光学二次谐波，即输出倍频激光，另一部分基频光透过倍频晶体后依然保持基频输出。
9.根据权利要求1所述的腔内倍频中远红外激光器，通过控制光栅(1)的闪耀角度可以将微观槽面衍射形成的极大与光栅产生的零级主极大值区分开来，光的能量也因此从零级转移到相应的衍射级次上。
10.根据权利要求1所述的腔内倍频中远红外激光器，所述倍频晶体为利用准相位匹配技术，制备周期性畴反转结构晶体而成，实现能量向倍频光单一方向转化。
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