CN109066280A - 一种功率比例及脉冲间隔可调的双波长光参量振荡器 - Google Patents

一种功率比例及脉冲间隔可调的双波长光参量振荡器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种功率比例及脉冲间隔可调的双波长光参量振荡器，本发明采用共轴泵浦结构利用两块激光增益介质和一块非线性晶体，通过两块激光增益介质产生的双波长基频光作为非线性晶体的双泵浦源，实现双波长信号光运转。通过改变泵浦光聚焦点在激光增益介质的位置或改变泵浦光波长可以实现灵活地调节双波长激光的功率比例及脉冲时间间隔，以及可以通过控制非线性晶体的温度、角度或极化周期实现波长的调谐。本发明不仅结构简单紧凑，调谐方便，而且成本低廉。

Description

一种功率比例及脉冲间隔可调的双波长光参量振荡器
技术领域
本发明涉及固体激光器及非线性光学频率变换领域，具体涉及一种功率比例及脉冲间隔可调的双波长光参量振荡器。
背景技术
利用光学参量振荡器产生的双波长激光在精密测量、光谱分析、遥感以及非线性频率变换等应用研究领域均有重大的科学研究价值和广阔的应用前景，尤其是波长相近的可调谐双波长激光，可用于差频下转换产生太赫兹波段相干辐射源，是激光技术领域中的一个重要研究方向。
目前用于产生双波长激光输出的方法主要有：
1.利用复合激光腔中的两块激光增益介质分别产生双波长激光作为光学参量振荡器中的双波泵浦源，实现双波长信号光的输出。然而对于复合激光腔，需要在激光器中插入分光棱镜及多个反射镜来对两个不同波长的基频光分别给予正反馈，此方法虽能实现双波长功率比例及脉冲间隔的调谐，但其结构复杂、成本较高。
2.采用单波长基频光泵浦两块不同种类或不同切割角度的非线性晶体来实现双波长信号光的输出，这种方式虽然结构简单、成本较低，但不能调谐双波长功率比例及脉冲间隔(P.Liu，et al，Appl.Phys.Lett.108(1)，011104(2016))。
3.利用光学参量振荡器通过信号光和闲频光的双谐振输出双波长激光，这种方式一般只能在近简并点处实现，而且不能实现双波长功率比例及脉冲间隔的调谐(J.Mei，etal，Opt.Express 24(20)，23368–23375(2016))。
4.利用单一激光增益介质的复合能级结构同时输出双波长基频光作为光学参量振荡器中的双波泵浦源，实现双波长信号光的输出。但这种方法由于两基频光存在增益竞争，导致输出的双波长信号光稳定性较差，且不能实现双波长功率比例及脉冲间隔的调谐(M.Wang，et al，Journal of Physics D:Appl.Phys.49(6)，065101(2015))。
而现有技术中存在以下缺点和不足：双波长信号光的功率比例和脉冲间隔不可调谐、双波长基频光的增益竞争导致输出的双波长信号光不稳定或装置结构复杂及成本较高等。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种功率比例及脉冲间隔可调的双波长光参量振荡器，本发明采用共轴泵浦结构利用两块激光增益介质和一块非线性晶体，通过两块激光增益介质产生的双波长基频光作为非线性晶体的双泵浦源，实现双波长信号光运转。通过改变泵浦光聚焦点在激光增益介质的位置或改变泵浦光波长可以实现灵活地调节双波长激光的功率比例及脉冲时间间隔，以及可以通过控制非线性晶体的温度、角度或极化周期实现波长的调谐。本发明不仅结构简单紧凑，调谐方便，而且成本低廉。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种功率比例及脉冲间隔可调的双波长光参量振荡器，包括依次设置的泵浦源、泵浦耦合系统、谐振腔反射镜、第一激光增益介质、第二激光增益介质、调Q器件、双波长激光全反镜、非线性晶体和双波长激光输出镜；
在所述谐振腔反射镜和双波长激光输出镜构成的基频光谐振腔的反馈作用下，两块共轴且相邻的第一激光增益介质、第二激光增益介质产生双波长基频光；在双波长激光全反镜和双波长激光输出镜构成的光参量振荡器作用下通过非线性晶体将基频光转换为其他波段的信号光，并经由双波长激光输出镜部分输出；
泵浦源发出的泵浦光通过泵浦耦合系统对第一激光增益介质、第二激光增益介质进行泵浦，第一激光增益介质和第二激光增益介质内的激活粒子吸收泵浦光产生粒子数反转，在调Q器件打开后经谐振腔的反馈产生双波长基频光振荡；通过改变泵浦耦合系统的前后位置调节泵浦光聚焦点在第一激光增益介质、第二激光增益介质中的位置，使得第一激光增益介质、第二激光增益介质内的泵浦光体积发生变化，导致第一激光增益介质、第二激光增益介质内反转粒子数密度发生改变；或者通过调节泵浦源的温度改变泵浦光波长，导致第一激光增益介质、第二激光增益介质吸收的泵浦光功率发生变化，使得第一激光增益介质、第二激光增益介质内反转粒子数密度发生改变；第一激光增益介质、第二激光增益介质内反转粒子数密度的变化影响基频光谐振腔中双波长基频光的光子密度和脉冲建立时间；在双波长基频光振荡的同时，光参量振荡器内的双波长信号光的光子密度和脉冲建立时间发生变化，实现双波长激光输出镜输出的双波长信号光的功率比例及脉冲时间间隔可调。
进一步的，所述第一激光增益介质和第二激光增益介质是由两块不同种类的激光晶体或两块同种类但不同切割方向的激光晶体组成，所述激光晶体两端面镀有泵浦光增透膜及基频光增透膜。
进一步的，所述调Q器件为声光调Q器件或电光调Q器件，调Q器件两端镀有基频光增透膜，用于实现基频光的脉冲运转，通过提高峰值功率来提高光学参量过程的非线性转换效率。
进一步的，所述非线性晶体内满足共线相位匹配条件，且输出波长可调，通过控制非线性晶体的温度、角度或极化周期改变输出信号波的波长，实现的波长调谐。线性晶体镀有基频光增透膜和信号光增透膜。
进一步的，所述谐振腔反射镜的镜片为平面镜或平凹镜，镀有基频光全反膜和泵浦光增透膜。
进一步的，所述双波长激光全反镜为凹镜或平镜，镀有基频光增透膜和信号光高反膜；
进一步的，所述双波长激光输出镜为凹镜或平镜，镀有信号光部分透过膜。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
本发明双波长光参量振荡器采用共轴泵浦结构，利用两块激光增益介质和一块非线性晶体，通过两块激光增益介质产生的双波长基频光作为非线性晶体的双泵浦源，实现双波长信号光运转，通过调节泵浦光聚焦点在激光增益介质中的位置或泵浦光波长可实现灵活地控制输出的双波长信号光功率比例及双波长脉冲时间间隔，并可通过改变非线性晶体的工作温度、角度或极化周期调谐输出信号光波长而不改变机械结构，解决现有技术中存在的双波长激光功率比例及双波长脉冲间隔不可调谐、结构复杂，系统稳定性较差的问题，在精密测量、光谱分析及非线性频率变换中具有重要应用价值。
附图说明
图1为本发明双波长光参量振荡器的结构示意图。
附图标记：1-泵浦源，2-泵浦耦合系统，3-谐振腔反射镜，4-第一激光增益介质，5-第二激光增益介质，6-调Q器件，7-双波长激光全反镜，8-非线性晶体，9-双波长激光输出镜
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。
如图1所示，双波长光参量振荡器包括依次设置的泵浦源1、泵浦耦合系统2、谐振腔反射镜3、第一激光增益介质4、第二激光增益介质5、调Q器件6、双波长激光全反镜7、非线性晶体8和双波长激光输出镜9，泵浦源1为光纤耦合输出的半导体激光器，输出激光的中心波长为805nm，光纤的芯径为400微米，数值孔径为0.22，泵浦源1输出的激光经传能光纤导入泵浦耦合系统2。泵浦耦合系统2为1:2的耦合透镜组，能够将泵浦光聚焦入射到第一激光增益介质4和第二激光增益介质5中。第一激光增益介质4为Nd:YAG晶体，Nd3+掺杂浓度为0.6％，晶体尺寸为4mm×4mm×7mm，第二激光增益介质5为沿a轴切割的Nd:YLF晶体，Nd3+掺杂浓度为1％，晶体尺寸为3mm×3mm×10mm，两块激光增益介质两端面均镀有800nm左右及1050nm左右的增透膜。基频光谐振腔由谐振腔反射镜3和双波长激光输出镜9构成，谐振腔反射镜3为平凹镜，凹面曲率半径为500mm，镜片凹面镀有1050nm附近的高反膜，泵浦源1一侧的镜面镀有800nm附近的高透膜。调Q器件6的声光介质为熔石英，介质长度为35mm，超声波工作频率为41MHz，驱动功率为20W，调Q频率为6kHz。光参量振荡器由双波长激光全反镜7和双波长激光输出镜9构成，双波长激光全反镜7为平平镜，镀有1050nm附近的增透膜和1500～1550nm高反膜。双波长激光输出镜9为平平镜，镀有1050nm附近的高反膜和1500～1550nm部分反射膜，1500～1550nm信号光的透过率T＝20％，上述腔镜镜片基底均为K9玻璃材质。非线性晶体8为沿X轴切割的KTA晶体，晶体尺寸为4mm×4mm×20mm，两端面均镀有1050nm附近及1500～1550nm的增透膜。
第一激光增益介质4Nd:YAG和第二激光增益介质5Nd:YLF吸收泵浦光，激活粒子的能态由基态跃迁到激发态，使泵浦光能量储存在激光上能级中，当调Q器件6处于关闭状态时，上能级粒子数不断积累并产生大量反转粒子数，当调Q器件6打开时，满足激光振荡条件，通过谐振腔的反馈迅速实现剧烈的受激辐射放大，在谐振腔内建立巨脉冲基频光振荡，基频激光的波长为1064nm和1047nm，脉冲重复频率与调Q频率一致为6kHz。同时，通过非线性晶体8KTA的频率转换，1064nm和1047nm的基频光在光参量振荡器的作用下产生参量振荡效应，将基频光频率变换到1535nm和1506nm的人眼安全波段，再经由双波长激光输出镜输出1535nm和1506nm的双波长激光。
第一激光增益介质4Nd:YAG和第二激光增益介质5Nd:YLF内的激活粒子吸收泵浦光产生粒子数反转，通过改变泵浦耦合系统2中1:2耦合透镜的前后位置调节泵浦光聚焦点在第一激光增益介质4、第二激光增益介质5中的位置，可以使得第一激光增益介质4、第二激光增益介质5内的泵浦光体积发生变化，导致第一激光增益介质4、第二激光增益介质5内反转粒子数密度发生改变，或者通过调节泵浦源1的温度改变泵浦光波长，使得第一激光增益介质4、第二激光增益介质5的吸收系数发生变化，导致第一激光增益介质4、第二激光增益介质5吸收的泵浦光功率发生变化，使得第一激光增益介质4、第二激光增益介质5内反转粒子数密度发生改变。第一激光增益介质4、第二激光增益介质5内反转粒子数密度的变化会影响由谐振腔反射镜3和双波长激光输出镜9组成的基频光谐振腔中1064nm和1047nm双波长基频光的光子密度和脉冲建立时间。同时，由于非线性晶体8KTA具有非线性效应，在由双波长激光全反镜7和双波长激光输出镜9组成的光参量振荡器作用下通过参量振荡将基频激光转换为其他波段的信号光，导致光参量振荡器内的1535nm和1506nm双波长信号光的光子密度和脉冲建立时间发生变化，实现改变经双波长激光输出镜9输出的1535nm和1506nm双波长激光的功率比例及脉冲时间间隔。
综上，本发明实施例提供的功率比例及脉冲间隔可调的双波长光参量振荡器，采用共轴泵浦结构利用两块激光增益介质和一块非线性晶体，通过两块激光增益介质产生的双波长基频光作为非线性晶体的双泵浦源，实现双波长信号光运转。通过调节泵浦光聚焦点在激光增益介质中的位置或泵浦光波长可灵活地控制双波长激光的功率比及脉冲间隔，并可通过改变晶体工作温度、角度或极化周期调节输出波长而不改变机械结构，稳定性好，解决现有技术中存在的双波长激光的功率比及脉冲间隔不可调谐、结构复杂，系统稳定性较差的问题。
在本发明实施例中，可以根据实际需要选择激光增益介质、非线性晶体的种类、掺杂浓度或尺寸，以及谐振腔反射镜、双波长激光全反镜和双波长激光输出镜的曲率半径、镀膜波段及透过率。
本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。
本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种功率比例及脉冲间隔可调的双波长光参量振荡器，其特征在于，包括依次设置的泵浦源(1)、泵浦耦合系统(2)、谐振腔反射镜(3)、第一激光增益介质(4)、第二激光增益介质(5)、调Q器件(6)、双波长激光全反镜(7)、非线性晶体(8)和双波长激光输出镜(9)；
在所述谐振腔反射镜(3)和双波长激光输出镜(9)构成的基频光谐振腔的反馈作用下，两块共轴且相邻的第一激光增益介质(4)、第二激光增益介质(5)产生双波长基频光；在双波长激光全反镜(7)和双波长激光输出镜(9)构成的光参量振荡器作用下通过非线性晶体(8)将基频光转换为其他波段的信号光，并经由双波长激光输出镜(9)部分输出；
泵浦源(1)发出的泵浦光通过泵浦耦合系统(2)对第一激光增益介质(4)、第二激光增益介质(5)进行泵浦，第一激光增益介质(4)和第二激光增益介质(5)内的激活粒子吸收泵浦光产生粒子数反转，在调Q器件(6)打开后经谐振腔的反馈产生双波长基频光振荡；通过改变泵浦耦合系统(2)的前后位置调节泵浦光聚焦点在第一激光增益介质(4)、第二激光增益介质(5)中的位置，使得第一激光增益介质(4)、第二激光增益介质(5)内的泵浦光体积发生变化，导致第一激光增益介质(4)、第二激光增益介质(5)内反转粒子数密度发生改变；或者通过调节泵浦源(1)的温度改变泵浦光波长，导致第一激光增益介质(4)、第二激光增益介质(5)吸收的泵浦光功率发生变化，使得第一激光增益介质(4)、第二激光增益介质(5)内反转粒子数密度发生改变；第一激光增益介质(4)、第二激光增益介质(5)内反转粒子数密度的变化影响基频光谐振腔中双波长基频光的光子密度和脉冲建立时间；在双波长基频光振荡的同时，光参量振荡器内的双波长信号光的光子密度和脉冲建立时间发生变化，实现双波长激光输出镜(9)输出的双波长信号光的功率比例及脉冲时间间隔可调。
2.根据权利要求1所述的一种功率比例及脉冲间隔可调的双波长光参量振荡器，其特征在于，所述第一激光增益介质(4)和第二激光增益介质(5)是由两块不同种类的激光晶体或两块同种类但不同切割方向的激光晶体组成，所述激光晶体两端面镀有泵浦光增透膜及基频光增透膜。
3.根据权利要求1所述的一种功率比例及脉冲间隔可调的双波长光参量振荡器，其特征在于，所述调Q器件(6)为声光调Q器件或电光调Q器件，调Q器件(6)两端镀有基频光增透膜，用于实现基频光的脉冲运转，通过提高峰值功率来提高光学参量过程的非线性转换效率。
4.根据权利要求1所述的一种功率比例及脉冲间隔可调的双波长光参量振荡器，其特征在于，所述非线性晶体(8)内满足共线相位匹配条件，且输出波长可调，通过控制非线性晶体的温度、角度或极化周期改变输出信号波的波长，实现的波长调谐。
5.根据权利要求1所述的一种功率比例及脉冲间隔可调的双波长光参量振荡器，其特征在于，所述谐振腔反射镜(3)的镜片为平面镜或平凹镜，镀有基频光全反膜和泵浦光增透膜。
6.根据权利要求1或4所述的一种功率比例及脉冲间隔可调的双波长光参量振荡器，其特征在于，所述的非线性晶体(8)镀有基频光增透膜和信号光增透膜。
7.根据权利要求1所述的一种功率比例及脉冲间隔可调的双波长光参量振荡器，其特征在于，所述双波长激光全反镜(7)为凹镜或平镜，镀有基频光增透膜和信号光高反膜。
8.根据权利要求1所述的一种功率比例及脉冲间隔可调的双波长光参量振荡器，其特征在于，所述双波长激光输出镜(9)为凹镜或平镜，镀有信号光部分透过膜。
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