CN109038200B - 高亮度的中波红外激光器 - Google Patents

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Abstract

高亮度的中波红外激光器，它涉及一种固体激光器，属于光学领域，解决现有中红外固体激光器输出功率低、光束质量差且亮度低的问题。高亮度的中波红外激光器包括第一平凸透镜、第二平凸透镜、泵浦光分光镜、输入镜、一号ZnGeP2晶体、单共振输出镜、第一反射镜、第二反射镜、平凹透镜、第一二色镜、第二二色镜、第三反射镜、第四反射镜、第三二色镜和二号ZnGeP2晶体；所述的单共振输出镜为3.7μm～4μm短波单共振输出镜或所述的单共振输出镜为4.4μm～4.7μm长波单共振输出镜。本发明用于高亮度的中波红外激光器。

Description

高亮度的中波红外激光器
技术领域
本发明涉及一种固体激光器，属于光学领域。
背景技术
3μm～5μm波段的中红外激光在遥感、光电对抗、光谱学、材料加工与医学等领域有很高的应用价值，而提高3μm～5μm中波红外激光的亮度，能够强化在这些领域的作用效果，如提高遥感与光谱测量的信噪比与精度，提高光电对抗的距离，提高材料加工的范围等。
获得高功率的3μm～5μm激光最有效的手段是通过光学参量振荡器(OPO)对2μm波段激光进行频率下转换。光学参量振荡器是由谐振腔和非线性晶体两部分组成，其谐振腔一般为线形腔或平面环形腔，激光在谐振腔内的振荡方式为双谐振，随着输出功率的增加，其光束质量随之变差，即亮度没有等比例增加，且受到非线性晶体抗损伤能力的限制，单个晶体仅能承受有限的泵浦光，难以实现较高的功率输出，因此难以实现高亮度的3μm～5μm激光。如现有3μm～5μm波段中红外固体激光器输出功率为14.9W时，光束质量为3。
由以上可知，现有中红外固体激光器存在输出功率低、光束质量差且亮度低的问题。
发明内容
本发明目的是为了解决现有中红外固体激光器输出功率低、光束质量差且亮度低的问题，提供了高亮度的中波红外激光器。
高亮度的中波红外激光器包括第一平凸透镜、第二平凸透镜、泵浦光分光镜、输入镜、一号ZnGeP2晶体、单共振输出镜、第一反射镜、第二反射镜、平凹透镜、第一二色镜、第二二色镜、第三反射镜、第四反射镜、第三二色镜和二号ZnGeP2晶体；
所述的单共振输出镜为3.7μm～4μm短波单共振输出镜；
所述的第一平凸透镜和泵浦光分光镜构成一号耦合系统；所述的第三反射镜、第四反射镜和第二平凸透镜构成二号耦合系统；
所述的输入镜、一号ZnGeP2晶体、单共振输出镜、第一反射镜、第二反射镜和平凹透镜构成ZnGeP2光学参量振荡器；
所述的第三二色镜和二号ZnGeP2晶体构成ZnGeP2光学参量放大器；
一束2.1μm脉冲泵浦激光垂直入射至一号耦合系统，经一号耦合系统进行光束变换后，一部分泵浦光被泵浦光分光镜反射至第三反射镜，剩余泵浦光以45°角入射至输入镜；
透过输入镜的泵浦光经过一号ZnGeP2晶体，将部分泵浦光转化为3μm～5μm激光，剩余泵浦光经单共振输出镜透射出；
经一号ZnGeP2晶体产生的3μm～5μm激光4.4μm～4.7μm长波分量全部经由单共振输出镜透射出去，经一号ZnGeP2晶体产生的3μm～5μm激光3.7μm～4μm短波分量的一部分经由单共振输出镜透射出，剩余部分经由单共振输出镜反射至第一反射镜；
入射至第一反射镜的3.7μm～4μm激光经由第一反射镜反射至平凹透镜的凹面，平凹透镜将3.7μm～4μm激光扩束，变化光斑大小、发散角与透过输入镜的泵浦光相匹配；
扩束后的3.7μm～4μm激光经由第二反射镜反射至输入镜，由输入镜反射至一号ZnGeP2晶体，透过输入镜的泵浦光与扩束后的3.7μm～4μm激光在一号ZnGeP2晶体内相互作用产生新的3μm～5μm激光，新的3μm～5μm激光4.4μm～4.7μm长波分量全部经由单共振输出镜透射出，新的3μm～5μm激光3.7μm～4μm短波分量的一部分经由单共振输出镜透射出，剩余部分经由单共振输出镜反射至第一反射镜；
从单共振输出镜透射出的3μm～5μm激光与泵浦光入射至第一二色镜，第一二色镜将泵浦光反射出去，3μm～5μm激光透过第一二色镜入射至第三二色镜，并透过第三二色镜入射至二号ZnGeP2晶体；
被反射至第三反射镜的泵浦光经由二号耦合系统进行光束变换，变化光斑大小、发散角与透过第三二色镜的3μm～5μm激光相匹配，然后以45°角入射至第三二色镜，并通过第三二色镜反射至二号ZnGeP2晶体；
入射至二号ZnGeP2晶体的泵浦光与3μm～5μm激光在二号ZnGeP2晶体内经过光学参量放大，然后从二号ZnGeP2晶体出射的3μm～5μm激光与泵浦光入射至第二二色镜，第二二色镜将泵浦光反射出去，3μm～5μm激光透过第二二色镜输出。
高亮度的中波红外激光器包括第一平凸透镜、第二平凸透镜、泵浦光分光镜、输入镜、一号ZnGeP2晶体、单共振输出镜、第一反射镜、第二反射镜、平凹透镜、第一二色镜、第二二色镜、第三反射镜、第四反射镜、第三二色镜和二号ZnGeP2晶体；
所述的单共振输出镜为4.4μm～4.7μm长波单共振输出镜；
所述的第一平凸透镜和泵浦光分光镜构成一号耦合系统；所述的第三反射镜、第四反射镜和第二平凸透镜构成二号耦合系统；
所述的输入镜、一号ZnGeP2晶体、单共振输出镜、第一反射镜、第二反射镜和平凹透镜构成ZnGeP2光学参量振荡器；
所述的第三二色镜和二号ZnGeP2晶体构成ZnGeP2光学参量放大器；
一束2.1μm脉冲泵浦激光垂直入射至一号耦合系统，经一号耦合系统进行光束变换后，一部分泵浦光被泵浦光分光镜反射至第三反射镜，剩余泵浦光以45°角入射至输入镜；
透过输入镜的泵浦光经过一号ZnGeP2晶体，将部分泵浦光转化为3μm～5μm激光，剩余泵浦光经单共振输出镜透射出；
经一号ZnGeP2晶体产生的3μm～5μm激光3.7μm～4μm短波分量全部经由单共振输出镜透射出，经一号ZnGeP2晶体产生的3μm～5μm激光4.4μm～4.7μm长波分量的一部分经由单共振输出镜透射出，剩余部分经由单共振输出镜反射至第一反射镜；
入射至第一反射镜的4.4μm～4.7μm激光经由第一反射镜反射至平凹透镜的凹面，平凹透镜将4.4μm～4.7μm激光扩束，变化光斑大小、发散角与透过输入镜的泵浦光相匹配；
扩束后的4.4μm～4.7μm激光经由第二反射镜反射至输入镜，由输入镜反射至一号ZnGeP2晶体，透过输入镜的泵浦光与扩束后的4.4μm～4.7μm激光在一号ZnGeP2晶体内相互作用产生新的3μm～5μm激光，新的3μm～5μm激光3.7μm～4μm短波分量全部经由单共振输出镜透射出，新的3μm～5μm激光4.4μm～4.7μm长波分量的一部分经由单共振输出镜透射出，剩余部分经由单共振输出镜反射至第一反射镜；
从单共振输出镜透射出的3μm～5μm激光与泵浦光入射至第一二色镜；第一二色镜将泵浦光反射出去，3μm～5μm激光透过第一二色镜入射至第三二色镜，并透过第三二色镜入射至二号ZnGeP2晶体；
被反射至第三反射镜的泵浦光经由二号耦合系统进行光束变换，变化光斑大小、发散角与透过第三二色镜的3μm～5μm激光相匹配，然后以45°角入射至第三二色镜，并通过第三二色镜反射至二号ZnGeP2晶体；
入射至二号ZnGeP2晶体的泵浦光与3μm～5μm激光在二号ZnGeP2晶体内经过光学参量放大，然后从二号ZnGeP2晶体出射的3μm～5μm激光与泵浦光入射至第二二色镜，第二二色镜将泵浦光反射出去，3μm～5μm激光透过第二二色镜输出。
本发明的优点：本发明提供了高亮度的3μm～5μm波段中波红外固体激光器的新的设计方案。采用单共振输出镜，使得3μm～5μm激光3.7μm～4μm短波或4.4μm～4.7μm长波单独在四镜环形腔内振荡，减小腔内振荡激光的线宽，改善输出3μm～5μm激光的光束质量，从而提高3μm～5μm激光亮度。单共振振荡能够降低后转换效应，从而提高输出激光的转化效率，同时改善输出激光的功率稳定性与脉冲稳定性。
在四镜环形腔内插入平凹透镜，对腔内振荡激光扩束，变化其光斑大小与发散角，控制泵浦光与振荡光的模式匹配，从而提高输出3μm～5μm激光的亮度与输出功率的稳定性。同时腔内振荡激光扩束后其功率密度降低，从而提高激光器的损伤阈值。
采用光学参量振荡器加光学参量放大器的设计，耦合系统控制泵浦光的光斑大小与发散角使其与3μm～5μm激光相匹配，从而最大程度提高光光转化效率，同时保证输出3μm～5μm激光有较好的光束质量。
实验表明，输出功率均为28W时，不加平凹透镜短波单共振普通四镜环形腔光学参量振荡器光束质量为3.45，而加入焦距-243.3mm平凹透镜3.7μm～4μm短波单共振光学参量振荡器的光束质量减小为2.07；不加平凹透镜短波单共振普通四镜环形腔光学参量振荡器加光学参量放大器在输出功率70W时，光束质量为5.8，而本发明在平凹透镜焦距-243.3mm，输出功率102W时，光束质量为2.7，可见相比传统的光学参量振荡器加光学参量放大器的设计，本发明在实现较高输出功率的同时，能够显著改善光束质量，从而提高3μm～5μm激光的亮度。本发明在注入2.1μm泵浦光的功率为172W、脉宽为23.9ns时，实现了102W的3μm～5μm脉冲激光输出，其脉宽为20.6ns，光光转换效率为59.3％，脉冲不稳定性为±4.8％，光束质量为2.7。
附图说明
图1是本发明所述的高亮度的中波红外激光器的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式高亮度的中波红外激光器包括第一平凸透镜1-1、第二平凸透镜1-2、泵浦光分光镜2、输入镜3、一号ZnGeP2晶体4、单共振输出镜5、第一反射镜6-1、第二反射镜6-2、平凹透镜7、第一二色镜8-1、第二二色镜8-2、第三反射镜9-1、第四反射镜9-2、第三二色镜10和二号ZnGeP2晶体11；
所述的单共振输出镜5为3.7μm～4μm短波单共振输出镜；
所述的第一平凸透镜1-1和泵浦光分光镜2构成一号耦合系统；所述的第三反射镜9-1、第四反射镜9-2和第二平凸透镜1-2构成二号耦合系统；
所述的输入镜3、一号ZnGeP2晶体4、单共振输出镜5、第一反射镜6-1、第二反射镜6-2和平凹透镜7构成ZnGeP2光学参量振荡器；
所述的第三二色镜10和二号ZnGeP2晶体11构成ZnGeP2光学参量放大器；
一束2.1μm脉冲泵浦激光垂直入射至一号耦合系统，经一号耦合系统进行光束变换后，一部分泵浦光被泵浦光分光镜2反射至第三反射镜9-1，剩余泵浦光以45°角入射至输入镜3；
透过输入镜3的泵浦光经过一号ZnGeP2晶体4，将部分泵浦光转化为3μm～5μm激光，剩余泵浦光经单共振输出镜5透射出；
经一号ZnGeP2晶体4产生的3μm～5μm激光4.4μm～4.7μm长波分量全部经由单共振输出镜5透射出去，经一号ZnGeP2晶体4产生的3μm～5μm激光3.7μm～4μm短波分量的一部分经由单共振输出镜5透射出，剩余部分经由单共振输出镜5反射至第一反射镜6-1；
入射至第一反射镜6-1的3.7μm～4μm激光经由第一反射镜6-1反射至平凹透镜7的凹面，平凹透镜7将3.7μm～4μm激光扩束，变化光斑大小、发散角与透过输入镜3的泵浦光相匹配；
扩束后的3.7μm～4μm激光经由第二反射镜6-2反射至输入镜3，由输入镜3反射至一号ZnGeP2晶体4，透过输入镜3的泵浦光与扩束后的3.7μm～4μm激光在一号ZnGeP2晶体4内相互作用产生新的3μm～5μm激光，新的3μm～5μm激光4.4μm～4.7μm长波分量全部经由单共振输出镜5透射出，新的3μm～5μm激光3.7μm～4μm短波分量的一部分经由单共振输出镜5透射出，剩余部分经由单共振输出镜5反射至第一反射镜6-1；
从单共振输出镜5透射出的3μm～5μm激光与泵浦光入射至第一二色镜8-1，第一二色镜8-1将泵浦光反射出去，3μm～5μm激光透过第一二色镜8-1入射至第三二色镜10，并透过第三二色镜10入射至二号ZnGeP2晶体11；
被反射至第三反射镜9-1的泵浦光经由二号耦合系统进行光束变换，变化光斑大小、发散角与透过第三二色镜10的3μm～5μm激光相匹配，然后以45°角入射至第三二色镜10，并通过第三二色镜10反射至二号ZnGeP2晶体11；
入射至二号ZnGeP2晶体11的泵浦光与3μm～5μm激光在二号ZnGeP2晶体11内经过光学参量放大，然后从二号ZnGeP2晶体11出射的3μm～5μm激光与泵浦光入射至第二二色镜8-2，第二二色镜8-2将泵浦光反射出去，3μm～5μm激光透过第二二色镜8-2输出。
本具体实施方式的有益效果是：本发明提供了高亮度的3μm～5μm波段中波红外固体激光器的新的设计方案。采用单共振输出镜，使得3μm～5μm激光3.7μm～4μm短波或4.4μm～4.7μm长波单独在四镜环形腔内振荡，减小腔内振荡激光的线宽，改善输出3μm～5μm激光的光束质量，从而提高3μm～5μm激光亮度。单共振振荡能够降低后转换效应，从而提高输出激光的转化效率，同时改善输出激光的功率稳定性与脉冲稳定性。
在四镜环形腔内插入平凹透镜，对腔内振荡激光扩束，变化其光斑大小与发散角，控制泵浦光与振荡光的模式匹配，从而提高输出3μm～5μm激光的亮度与输出功率的稳定性。同时腔内振荡激光扩束后其功率密度降低，从而提高激光器的损伤阈值。
采用光学参量振荡器加光学参量放大器的设计，耦合系统控制泵浦光的光斑大小与发散角使其与3μm～5μm激光相匹配，从而最大程度提高光光转化效率，同时保证输出3μm～5μm激光有较好的光束质量。
实验表明，输出功率均为28W时，不加平凹透镜短波单共振普通四镜环形腔光学参量振荡器光束质量为3.45，而加入焦距-243.3mm平凹透镜3.7μm～4μm短波单共振光学参量振荡器的光束质量减小为2.07；不加平凹透镜短波单共振普通四镜环形腔光学参量振荡器加光学参量放大器在输出功率70W时，光束质量为5.8，而本发明在平凹透镜焦距-243.3mm，输出功率102W时，光束质量为2.7，可见相比传统的光学参量振荡器加光学参量放大器的设计，本具体实施方式在实现较高输出功率的同时，能够显著改善光束质量，从而提高3μm～5μm激光的亮度。本具体实施方式在注入2.1μm泵浦光的功率为172W、脉宽为23.9ns时，实现了102W的3μm～5μm脉冲激光输出，其脉宽为20.6ns，光光转换效率为59.3％，脉冲不稳定性为±4.8％，光束质量为2.7。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述的第一平凸透镜1-1和第二平凸透镜1-2通光面均镀有2μm高透膜，焦距为10mm～1000mm，直径为10mm～100mm；所述的泵浦光分光镜2一面镀有对2μm反射率为10％～90％的部分反射膜，另一面镀有2μm增透膜；所述的输入镜3一面镀有2μm增透膜，另一面同时镀有2μm增透膜和3μm～5μm增反膜；所述的平凹透镜7通光面镀有3μm～5μm增透膜，焦距为-10mm～-2000mm，直径为1mm～100mm；所述的第一二色镜8-1、第二二色镜8-2和第三二色镜10一面同时镀有2μm增反膜与3μm～5μm增透膜，另一面镀有3μm～5μm增透膜。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同的是：所述的一号ZnGeP2晶体4和二号ZnGeP2晶体11的通光面均镀有2μm增透膜和3μm～5μm增透膜。其它与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述的单共振输出镜5一面同时镀有对3.7μm～4μm反射率为50％的部分反射膜、2μm增透膜和4.4μm～4.7μm增透膜，另一面同时镀有2μm增透膜和3μm～5μm增透膜。其它与具体实施方式一至三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述的第一反射镜6-1和第二反射镜6-2一面均镀有3μm～5μm增反膜；所述的第三反射镜9-1和第四反射镜9-2一面均镀有2μm增反膜。其它与具体实施方式一至四相同。
具体实施方式六：下面结合图1说明本实施方式，高亮度的中波红外激光器包括第一平凸透镜1-1、第二平凸透镜1-2、泵浦光分光镜2、输入镜3、一号ZnGeP2晶体4、单共振输出镜5、第一反射镜6-1、第二反射镜6-2、平凹透镜7、第一二色镜8-1、第二二色镜8-2、第三反射镜9-1、第四反射镜9-2、第三二色镜10和二号ZnGeP2晶体11；
所述的单共振输出镜5为4.4μm～4.7μm长波单共振输出镜；
所述的第一平凸透镜1-1和泵浦光分光镜2构成一号耦合系统；所述的第三反射镜9-1、第四反射镜9-2和第二平凸透镜1-2构成二号耦合系统；
所述的输入镜3、一号ZnGeP2晶体4、单共振输出镜5、第一反射镜6-1、第二反射镜6-2和平凹透镜7构成ZnGeP2光学参量振荡器；
所述的第三二色镜10和二号ZnGeP2晶体11构成ZnGeP2光学参量放大器；
一束2.1μm脉冲泵浦激光垂直入射至一号耦合系统，经一号耦合系统进行光束变换后，一部分泵浦光被泵浦光分光镜2反射至第三反射镜9-1，剩余泵浦光以45°角入射至输入镜3；
透过输入镜3的泵浦光经过一号ZnGeP2晶体4，将部分泵浦光转化为3μm～5μm激光，剩余泵浦光经单共振输出镜5透射出；
经一号ZnGeP2晶体4产生的3μm～5μm激光3.7μm～4μm短波分量全部经由单共振输出镜5透射出，经一号ZnGeP2晶体4产生的3μm～5μm激光4.4μm～4.7μm长波分量的一部分经由单共振输出镜5透射出，剩余部分经由单共振输出镜5反射至第一反射镜6-1；
入射至第一反射镜6-1的4.4μm～4.7μm激光经由第一反射镜6-1反射至平凹透镜7的凹面，平凹透镜7将4.4μm～4.7μm激光扩束，变化光斑大小、发散角与透过输入镜3的泵浦光相匹配；
扩束后的4.4μm～4.7μm激光经由第二反射镜6-2反射至输入镜3，由输入镜3反射至一号ZnGeP2晶体4，透过输入镜3的泵浦光与扩束后的4.4μm～4.7μm激光在一号ZnGeP2晶体4内相互作用产生新的3μm～5μm激光，新的3μm～5μm激光3.7μm～4μm短波分量全部经由单共振输出镜5透射出，新的3μm～5μm激光4.4μm～4.7μm长波分量的一部分经由单共振输出镜5透射出，剩余部分经由单共振输出镜5反射至第一反射镜6-1；
从单共振输出镜5透射出的3μm～5μm激光与泵浦光入射至第一二色镜8-1；第一二色镜8-1将泵浦光反射出去，3μm～5μm激光透过第一二色镜8-1入射至第三二色镜10，并透过第三二色镜10入射至二号ZnGeP2晶体11；
被反射至第三反射镜9-1的泵浦光经由二号耦合系统进行光束变换，变化光斑大小、发散角与透过第三二色镜10的3μm～5μm激光相匹配，然后以45°角入射至第三二色镜10，并通过第三二色镜10反射至二号ZnGeP2晶体11；
入射至二号ZnGeP2晶体11的泵浦光与3μm～5μm激光在二号ZnGeP2晶体11内经过光学参量放大，然后从二号ZnGeP2晶体11出射的3μm～5μm激光与泵浦光入射至第二二色镜8-2，第二二色镜8-2将泵浦光反射出去，3μm～5μm激光透过第二二色镜8-2输出。
本具体实施方式的有益效果是：本发明提供了高亮度的3μm～5μm波段中波红外固体激光器的新的设计方案。采用单共振输出镜，使得3μm～5μm激光3.7μm～4μm短波或4.4μm～4.7μm长波单独在四镜环形腔内振荡，减小腔内振荡激光的线宽，改善输出3μm～5μm激光的光束质量，从而提高3μm～5μm激光亮度。单共振振荡能够降低后转换效应，从而提高输出激光的转化效率，同时改善输出激光的功率稳定性与脉冲稳定性。
在四镜环形腔内插入平凹透镜，对腔内振荡激光扩束，变化其光斑大小与发散角，控制泵浦光与振荡光的模式匹配，从而提高输出3μm～5μm激光的亮度与输出功率的稳定性。同时腔内振荡激光扩束后其功率密度降低，从而提高激光器的损伤阈值。
采用光学参量振荡器加光学参量放大器的设计，耦合系统控制泵浦光的光斑大小与发散角使其与3μm～5μm激光相匹配，从而最大程度提高光光转化效率，同时保证输出3μm～5μm激光有较好的光束质量。
实验表明，输出功率均为28W时，普通四镜环形腔光学参量振荡器光束质量为3.45，而加入焦距-243.3mm平凹透镜3.7μm～4μm短波单共振光学参量振荡器的光束质量减小为2.07；普通四镜环形腔光学参量振荡器加光学参量放大器在输出功率70W时，光束质量为5.8，而本发明在平凹透镜焦距-243.3mm，输出功率102W时，光束质量为2.7，可见相比传统的光学参量振荡器加光学参量放大器的设计，本具体实施方式在实现较高输出功率的同时，能够显著改善光束质量，从而提高3μm～5μm激光的亮度。本具体实施方式在注入2.1μm泵浦光的功率为172W、脉宽为23.9ns时，实现了102W的3μm～5μm脉冲激光输出，其脉宽为20.6ns，光光转换效率为59.3％，脉冲不稳定性为±4.8％，光束质量为2.7。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式六不同的是：所述的第一平凸透镜1-1和第二平凸透镜1-2通光面均镀有2μm高透膜，焦距为10mm～1000mm，直径为10mm～100mm；所述的泵浦光分光镜2一面镀有对2μm反射率为10％～90％的部分反射膜，另一面镀有2μm增透膜；所述的输入镜3一面镀有2μm增透膜，另一面同时镀有2μm增透膜和3μm～5μm增反膜；所述的平凹透镜7通光面镀有3μm～5μm增透膜，焦距为-10mm～-2000mm，直径为1mm～100mm；所述的第一二色镜8-1、第二二色镜8-2和第三二色镜10一面同时镀有2μm增反膜与3μm～5μm增透膜，另一面镀有3μm～5μm增透膜。其它与具体实施方式六相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式六或七之一不同的是：所述的一号ZnGeP2晶体4和二号ZnGeP2晶体11的通光面均镀有2μm增透膜和3μm～5μm增透膜。其它与具体实施方式六或七相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式六至八之一不同的是：所述的单共振输出镜5一面同时镀有对4.4μm～4.7μm反射率为50％的部分反射膜、2μm增透膜和3.7μm～4μm增透膜，另一面同时镀有2μm增透膜和3μm～5μm增透膜。其它与具体实施方式六至八相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式六至九之一不同的是：所述的第一反射镜6-1和第二反射镜6-2一面均镀有3μm～5μm增反膜；所述的第三反射镜9-1和第四反射镜9-2一面均镀有2μm增反膜。其它与具体实施方式六至九相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
结合图1，实施例一：
高亮度的中波红外激光器包括第一平凸透镜1-1、第二平凸透镜1-2、泵浦光分光镜2、输入镜3、一号ZnGeP2晶体4、单共振输出镜5、第一反射镜6-1、第二反射镜6-2、平凹透镜7、第一二色镜8-1、第二二色镜8-2、第三反射镜9-1、第四反射镜9-2、第三二色镜10和二号ZnGeP2晶体11；
所述的单共振输出镜5为3.7μm～4μm短波单共振输出镜；
所述的第一平凸透镜1-1和泵浦光分光镜2构成一号耦合系统；所述的第三反射镜9-1、第四反射镜9-2和第二平凸透镜1-2构成二号耦合系统；
所述的输入镜3、一号ZnGeP2晶体4、单共振输出镜5、第一反射镜6-1、第二反射镜6-2和平凹透镜7构成ZnGeP2光学参量振荡器；
所述的第三二色镜10和二号ZnGeP2晶体11构成ZnGeP2光学参量放大器；
一束2.1μm脉冲泵浦激光垂直入射至一号耦合系统，经一号耦合系统进行光束变换后，一部分泵浦光被泵浦光分光镜2反射至第三反射镜9-1，剩余泵浦光以45°角入射至输入镜3；
透过输入镜3的泵浦光经过一号ZnGeP2晶体4，将部分泵浦光转化为3μm～5μm激光，剩余泵浦光经单共振输出镜5透射出；
经一号ZnGeP2晶体4产生的3μm～5μm激光4.4μm～4.7μm长波分量全部经由单共振输出镜5透射出去，经一号ZnGeP2晶体4产生的3μm～5μm激光3.7μm～4μm短波分量的一部分经由单共振输出镜5透射出，剩余部分经由单共振输出镜5反射至第一反射镜6-1；
入射至第一反射镜6-1的3.7μm～4μm激光经由第一反射镜6-1反射至平凹透镜7的凹面，平凹透镜7将3.7μm～4μm激光扩束，变化光斑大小、发散角与透过输入镜3的泵浦光相匹配；
扩束后的3.7μm～4μm激光经由第二反射镜6-2反射至输入镜3，由输入镜3反射至一号ZnGeP2晶体4，透过输入镜3的泵浦光与扩束后的3.7μm～4μm激光在一号ZnGeP2晶体4内相互作用产生新的3μm～5μm激光，新的3μm～5μm激光4.4μm～4.7μm长波分量全部经由单共振输出镜5透射出，新的3μm～5μm激光3.7μm～4μm短波分量的一部分经由单共振输出镜5透射出，剩余部分经由单共振输出镜5反射至第一反射镜6-1；
从单共振输出镜5透射出的3μm～5μm激光与泵浦光入射至第一二色镜8-1，第一二色镜8-1将泵浦光反射出去，3μm～5μm激光透过第一二色镜8-1入射至第三二色镜10，并透过第三二色镜10入射至二号ZnGeP2晶体11；
被反射至第三反射镜9-1的泵浦光经由二号耦合系统进行光束变换，变化光斑大小、发散角与透过第三二色镜10的3μm～5μm激光相匹配，然后以45°角入射至第三二色镜10，并通过第三二色镜10反射至二号ZnGeP2晶体11；
入射至二号ZnGeP2晶体11的泵浦光与3μm～5μm激光在二号ZnGeP2晶体11内经过光学参量放大，然后从二号ZnGeP2晶体11出射的3μm～5μm激光与泵浦光入射至第二二色镜8-2，第二二色镜8-2将泵浦光反射出去，3μm～5μm激光透过第二二色镜8-2输出。
所述的第一平凸透镜1-1和第二平凸透镜1-2通光面均镀有2μm高透膜，焦距为10mm～1000mm，直径为10mm；所述的泵浦光分光镜2一面镀有对2μm反射率为70％的部分反射膜，另一面镀有2μm增透膜；所述的输入镜3一面镀有2μm增透膜，另一面同时镀有2μm增透膜和3μm～5μm增反膜；所述的平凹透镜7通光面镀有3μm～5μm增透膜，焦距为-243.3mm，直径为25mm；所述的第一二色镜8-1、第二二色镜8-2和第三二色镜10一面同时镀有2μm增反膜与3μm～5μm增透膜，另一面镀有3μm～5μm增透膜。
所述的一号ZnGeP2晶体4和二号ZnGeP2晶体11的通光面均镀有2μm增透膜和3μm～5μm增透膜。
所述的单共振输出镜5一面镀有对3.7μm～4μm反射率为50％的部分反射膜、2μm增透膜和4.4μm～4.7μm增透膜，另一面镀有2μm增透膜和3μm～5μm增透膜。
所述的第一反射镜6-1和第二反射镜6-2一面均镀有3μm～5μm增反膜；所述的第三反射镜9-1和第四反射镜9-2一面均镀有2μm增反膜。
对比实施例：本实施例与实施例一不同的是：所述的输入镜3、一号ZnGeP2晶体4、单共振输出镜5、第一反射镜6-1和第二反射镜6-2构成普通四镜环形腔光学参量振荡器。其它与实施例一相同。
输出功率均为28W时，对比实施例普通四镜环形腔光学参量振荡器光束质量为3.45，而加入焦距-243.3mm平凹透镜3.7μm～4μm短波单共振光学参量振荡器的光束质量减小为2.07；对比实施例普通四镜环形腔光学参量振荡器加光学参量放大器在输出功率70W时，光束质量为5.8，而本实施例在平凹透镜焦距-243.3mm，输出功率102W时，光束质量为2.7，可见相比传统的光学参量振荡器加光学参量放大器的设计，本实施例在实现较高输出功率的同时，能够显著改善光束质量，从而提高3μm～5μm激光的亮度。
本实施例在注入2.1μm泵浦光的功率为172W、脉宽为23.9ns时，实现了102W的3μm～5μm脉冲激光输出，其脉宽为20.6ns，光光转换效率为59.3％，脉冲不稳定性为±4.8％，光束质量为2.7。

Claims (10)

1.高亮度的中波红外激光器，其特征在于高亮度的中波红外激光器包括第一平凸透镜(1-1)、第二平凸透镜(1-2)、泵浦光分光镜(2)、输入镜(3)、一号ZnGeP2晶体(4)、单共振输出镜(5)、第一反射镜(6-1)、第二反射镜(6-2)、平凹透镜(7)、第一二色镜(8-1)、第二二色镜(8-2)、第三反射镜(9-1)、第四反射镜(9-2)、第三二色镜(10)和二号ZnGeP2晶体(11)；
所述的单共振输出镜(5)为3.7μm～4μm短波单共振输出镜；
所述的第一平凸透镜(1-1)和泵浦光分光镜(2)构成一号耦合系统；所述的第三反射镜(9-1)、第四反射镜(9-2)和第二平凸透镜(1-2)构成二号耦合系统；
所述的输入镜(3)、一号ZnGeP2晶体(4)、单共振输出镜(5)、第一反射镜(6-1)、第二反射镜(6-2)和平凹透镜(7)构成ZnGeP2光学参量振荡器；
所述的第三二色镜(10)和二号ZnGeP2晶体(11)构成ZnGeP2光学参量放大器；
一束2.1μm脉冲泵浦激光垂直入射至一号耦合系统，经一号耦合系统进行光束变换后，一部分泵浦光被泵浦光分光镜(2)反射至第三反射镜(9-1)，剩余泵浦光以45°角入射至输入镜(3)；
透过输入镜(3)的泵浦光经过一号ZnGeP2晶体(4)，将部分泵浦光转化为3μm～5μm激光，剩余泵浦光经单共振输出镜(5)透射出；
经一号ZnGeP2晶体(4)产生的3μm～5μm激光4.4μm～4.7μm长波分量全部经由单共振输出镜(5)透射出去，经一号ZnGeP2晶体(4)产生的3μm～5μm激光3.7μm～4μm短波分量的一部分经由单共振输出镜(5)透射出，剩余部分经由单共振输出镜(5)反射至第一反射镜(6-1)；
入射至第一反射镜(6-1)的3.7μm～4μm激光经由第一反射镜(6-1)反射至平凹透镜(7)的凹面，平凹透镜(7)将3.7μm～4μm激光扩束，变化光斑大小、发散角与透过输入镜(3)的泵浦光相匹配；
扩束后的3.7μm～4μm激光经由第二反射镜(6-2)反射至输入镜(3)，由输入镜(3)反射至一号ZnGeP2晶体(4)，透过输入镜(3)的泵浦光与扩束后的3.7μm～4μm激光在一号ZnGeP2晶体(4)内相互作用产生新的3μm～5μm激光，新的3μm～5μm激光4.4μm～4.7μm长波分量全部经由单共振输出镜(5)透射出，新的3μm～5μm激光3.7μm～4μm短波分量的一部分经由单共振输出镜(5)透射出，剩余部分经由单共振输出镜(5)反射至第一反射镜(6-1)；
从单共振输出镜(5)透射出的3μm～5μm激光与泵浦光入射至第一二色镜(8-1)，第一二色镜(8-1)将泵浦光反射出去，3μm～5μm激光透过第一二色镜(8-1)入射至第三二色镜(10)，并透过第三二色镜(10)入射至二号ZnGeP2晶体(11)；
被反射至第三反射镜(9-1)的泵浦光经由二号耦合系统进行光束变换，变化光斑大小、发散角与透过第三二色镜(10)的3μm～5μm激光相匹配，然后以45°角入射至第三二色镜(10)，并通过第三二色镜(10)反射至二号ZnGeP2晶体(11)；
入射至二号ZnGeP2晶体(11)的泵浦光与3μm～5μm激光在二号ZnGeP2晶体(11)内经过光学参量放大，然后从二号ZnGeP2晶体(11)出射的3μm～5μm激光与泵浦光入射至第二二色镜(8-2)，第二二色镜(8-2)将泵浦光反射出去，3μm～5μm激光透过第二二色镜(8-2)输出。
2.根据权利要求1所述的高亮度的中波红外激光器，其特征在于所述的第一平凸透镜(1-1)和第二平凸透镜(1-2)通光面均镀有2μm高透膜，焦距为10mm～1000mm，直径为10mm～100mm；所述的泵浦光分光镜(2)一面镀有对2μm反射率为10％～90％的部分反射膜，另一面镀有2μm增透膜；所述的输入镜(3)一面镀有2μm增透膜，另一面同时镀有2μm增透膜和3μm～5μm增反膜；所述的平凹透镜(7)通光面镀有3μm～5μm增透膜，焦距为-10mm～-2000mm，直径为1mm～100mm；所述的第一二色镜(8-1)、第二二色镜(8-2)和第三二色镜(10)一面同时镀有2μm增反膜与3μm～5μm增透膜，另一面镀有3μm～5μm增透膜。
3.根据权利要求1所述的高亮度的中波红外激光器，其特征在于所述的一号ZnGeP2晶体(4)和二号ZnGeP2晶体(11)的通光面均镀有2μm增透膜和3μm～5μm增透膜。
4.根据权利要求1所述的高亮度的中波红外激光器，其特征在于所述的单共振输出镜(5)一面同时镀有对3.7μm～4μm反射率为50％的部分反射膜、2μm增透膜和4.4μm～4.7μm增透膜，另一面同时镀有2μm增透膜和3μm～5μm增透膜。
5.根据权利要求1所述的高亮度的中波红外激光器，其特征在于所述的第一反射镜(6-1)和第二反射镜(6-2)一面均镀有3μm～5μm增反膜；所述的第三反射镜(9-1)和第四反射镜(9-2)一面均镀有2μm增反膜。
6.高亮度的中波红外激光器，其特征在于高亮度的中波红外激光器包括第一平凸透镜(1-1)、第二平凸透镜(1-2)、泵浦光分光镜(2)、输入镜(3)、一号ZnGeP2晶体(4)、单共振输出镜(5)、第一反射镜(6-1)、第二反射镜(6-2)、平凹透镜(7)、第一二色镜(8-1)、第二二色镜(8-2)、第三反射镜(9-1)、第四反射镜(9-2)、第三二色镜(10)和二号ZnGeP2晶体(11)；
所述的单共振输出镜(5)为4.4μm～4.7μm长波单共振输出镜；
所述的第一平凸透镜(1-1)和泵浦光分光镜(2)构成一号耦合系统；所述的第三反射镜(9-1)、第四反射镜(9-2)和第二平凸透镜(1-2)构成二号耦合系统；
所述的输入镜(3)、一号ZnGeP2晶体(4)、单共振输出镜(5)、第一反射镜(6-1)、第二反射镜(6-2)和平凹透镜(7)构成ZnGeP2光学参量振荡器；
所述的第三二色镜(10)和二号ZnGeP2晶体(11)构成ZnGeP2光学参量放大器；
一束2.1μm脉冲泵浦激光垂直入射至一号耦合系统，经一号耦合系统进行光束变换后，一部分泵浦光被泵浦光分光镜(2)反射至第三反射镜(9-1)，剩余泵浦光以45°角入射至输入镜(3)；
透过输入镜(3)的泵浦光经过一号ZnGeP2晶体(4)，将部分泵浦光转化为3μm～5μm激光，剩余泵浦光经单共振输出镜(5)透射出；
经一号ZnGeP2晶体(4)产生的3μm～5μm激光3.7μm～4μm短波分量全部经由单共振输出镜(5)透射出，经一号ZnGeP2晶体(4)产生的3μm～5μm激光4.4μm～4.7μm长波分量的一部分经由单共振输出镜(5)透射出，剩余部分经由单共振输出镜(5)反射至第一反射镜(6-1)；
入射至第一反射镜(6-1)的4.4μm～4.7μm激光经由第一反射镜(6-1)反射至平凹透镜(7)的凹面，平凹透镜(7)将4.4μm～4.7μm激光扩束，变化光斑大小、发散角与透过输入镜(3)的泵浦光相匹配；
扩束后的4.4μm～4.7μm激光经由第二反射镜(6-2)反射至输入镜(3)，由输入镜(3)反射至一号ZnGeP2晶体(4)，透过输入镜(3)的泵浦光与扩束后的4.4μm～4.7μm激光在一号ZnGeP2晶体(4)内相互作用产生新的3μm～5μm激光，新的3μm～5μm激光3.7μm～4μm短波分量全部经由单共振输出镜(5)透射出，新的3μm～5μm激光4.4μm～4.7μm长波分量的一部分经由单共振输出镜(5)透射出，剩余部分经由单共振输出镜(5)反射至第一反射镜(6-1)；
从单共振输出镜(5)透射出的3μm～5μm激光与泵浦光入射至第一二色镜(8-1)；第一二色镜(8-1)将泵浦光反射出去，3μm～5μm激光透过第一二色镜(8-1)入射至第三二色镜(10)，并透过第三二色镜(10)入射至二号ZnGeP2晶体(11)；
被反射至第三反射镜(9-1)的泵浦光经由二号耦合系统进行光束变换，变化光斑大小、发散角与透过第三二色镜(10)的3μm～5μm激光相匹配，然后以45°角入射至第三二色镜(10)，并通过第三二色镜(10)反射至二号ZnGeP2晶体(11)；
入射至二号ZnGeP2晶体(11)的泵浦光与3μm～5μm激光在二号ZnGeP2晶体(11)内经过光学参量放大，然后从二号ZnGeP2晶体(11)出射的3μm～5μm激光与泵浦光入射至第二二色镜(8-2)，第二二色镜(8-2)将泵浦光反射出去，3μm～5μm激光透过第二二色镜(8-2)输出。
7.根据权利要求6所述的高亮度的中波红外激光器，其特征在于所述的第一平凸透镜(1-1)和第二平凸透镜(1-2)通光面均镀有2μm高透膜，焦距为10mm～1000mm，直径为10mm～100mm；所述的泵浦光分光镜(2)一面镀有对2μm反射率为10％～90％的部分反射膜，另一面镀有2μm增透膜；所述的输入镜(3)一面镀有2μm增透膜，另一面同时镀有2μm增透膜和3μm～5μm增反膜；所述的平凹透镜(7)通光面镀有3μm～5μm增透膜，焦距为-10mm～-2000mm，直径为1mm～100mm；所述的第一二色镜(8-1)、第二二色镜(8-2)和第三二色镜(10)一面同时镀有2μm增反膜与3μm～5μm增透膜，另一面镀有3μm～5μm增透膜。
8.根据权利要求6所述的高亮度的中波红外激光器，其特征在于所述的一号ZnGeP2晶体(4)和二号ZnGeP2晶体(11)的通光面均镀有2μm增透膜和3μm～5μm增透膜。
9.根据权利要求6所述的高亮度的中波红外激光器，其特征在于所述的单共振输出镜(5)一面同时镀有对4.4μm～4.7μm反射率为50％的部分反射膜、2μm增透膜和3.7μm～4μm增透膜，另一面同时镀有2μm增透膜和3μm～5μm增透膜。
10.根据权利要求6所述的高亮度的中波红外激光器，其特征在于所述的第一反射镜(6-1)和第二反射镜(6-2)一面均镀有3μm～5μm增反膜；所述的第三反射镜(9-1)和第四反射镜(9-2)一面均镀有2μm增反膜。
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