CN109149345A - 一种利用激光差频技术产生波长不小于3.8微米的中波红外激光输出的系统 - Google Patents

一种利用激光差频技术产生波长不小于3.8微米的中波红外激光输出的系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种利用激光差频技术产生波长不小于3.8微米的中波红外激光输出的系统，其利用一个波长介于1093‑1105nm的掺镱光纤激光器作为泵源，一个波长在1535‑1540nm的掺铒光纤激光器作为信号源，一个非线性激光晶体作为光频转换用器件，连续或脉冲工作的掺镱光纤激光器与相应的掺铒光纤激光器经光纤合束或空间合束后，由光学透镜聚焦到非线性激光晶体产生高效的波长不小于3.8微米中波红外激光输出。本发明具有差频激光输出波长不小于3.8微米、激光转换效率高、系统结构紧凑、性能可靠、环境稳定性好、适合高功率输出的特点，具有广泛的应用价值。

Description

一种利用激光差频技术产生波长不小于3.8微米的中波红外 激光输出的系统
技术领域
本发明涉及中波红外激光产生的技术领域，具体涉及一种利用激光差频技术产生波长不小于3.8微米的中波红外激光输出的系统。
背景技术
激光波长在3-5微米的光谱波段中因存在大量气体分子的本征吸收峰，因此具有吸收强度大、谱线窄的特点，非常适合于做微量或痕量气体成分的检测。另外，3-5微米波段的激光与红外制导导弹的窗口波段重合，可以用于带内干扰，因此是光电对抗的有效激光器。目前，产生中波红外的技术手段有很多种，可用的固体激光器件，包括量子级联的半导体激光器、基于参量转换技术的光参量振荡器或光参量放大器、以及直接采用激光增益介质产生激光振荡的固体激光器和光纤激光器。其中，量子级联的半导体激光器结构紧凑，但是不适合作为高峰值功率的激光输出。采用激光增益介质直接产生激光振荡的中波红外激光器，则由于量子效率的问题，工作效率较低，且一般要求低温工作，尤其不适合高功率激光研制。因此，为了获得高功率的中波红外激光输出，一般采用光参量转换技术。
光参量转换技术是一种较为成熟的光频转换技术，它通过三波混频或四波混频原理将较短波长的泵浦激光转换为较长波长的激光，光参量转换的技术方案包括自发参量下转换、参量放大(或激光差频)和参量振荡。自发参量下转换技术直接利用一束高峰值功率的泵浦激光入射到非线性激光晶体中产生的参量激光，结构简单，但是因为阈值很高，对泵浦激光的峰值功率要求很高，总的转换效率较低，同时获得的产量下转换激光输出谱段一般较大，很多时候不能满足应用需求；参量放大技术一般利用一束波长较短、强度较大的脉冲激光作为泵光，同时采用一束波长较长的激光作为信号光，两束光同时入射到激光非线性晶体中，产生差频，此时信号光将获得放大，同时产生另一个波长、光子能量等于泵光光子能量和信号光光子能量之差的闲散光。当所追求的激光输出波长与所用信号光波长相同时，一般称为参量放大；如果两者波长不同，则常称为激光差频技术。由于参量放大与激光差频技术二者输出激光都包含二个放大了的激光波段，二者在实际操作中，仅有细微的技术差别，主要体现在信号光波长。当目标激光是3.8微米的中波红外波段，如果采用信号光是在短波红外波段，则该类技术一般称为激光差频技术。
与自发参量下转换技术相比，激光差频技术具有阈值较低、转换效率较高的特点，是一种更为实用的光频转换技术。与光参量振荡技术相比，激光差频技术因为系统不涉及谐振腔，不存在谐振腔由于环境因素变化导致的腔失谐问题，所以整体上稳定性将会非常好。激光差频技术的特点是光频转换在泵光和信号光一次通过差频用非线性晶体时就完成了。为实现高效的激光光频转换效率，激光差频技术中单程的参量增益必须足够大，这往往需要泵光的峰值功率非常大，而极高的泵光峰值功率也常常导致差频用的激光非线性晶体损坏。为解决这一问题，一个有效的技术途径是提高信号光的功率水平，来相应地减少对泵光的功率要求，并以此获得基本相同的参量增益。显然，这一技术途径对于保证激光非线性晶体的安全可靠工作是非常有帮助的。
对于3-5微米的中波红外激光，实现差频用的泵光常采用钕离子(Nd)掺杂的固体激光器或镱离子(Yb)掺杂的线偏振光纤激光器，泵浦激光的工作波长处于1064nm附近，一般工作波长不超过1080nm。此时，若采用的信号光为Er掺杂的光纤激光器，其工作波长一般大于1530nm，则激光差频能得到的中波红外波长一般在3.1-3.5微米之间。但是，很多的激光应用需要激光波长在3.8微米或更长。为了得到3.8微米或更长波段的中波红外激光，此时信号光的波长需要更短，一般在1400nm-1480nm之间。这时可用的信号光是直接输出的半导体激光器。由于半导体激光器的峰值功率有限，激光差频时，为了保证足够高的参量增益，就需要泵光在非线性晶体中有非常高的激光功率密度。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种利用激光差频技术产生波长不小于3.8微米的中波红外激光输出的方法，通过分析激光差频技术的特点，采用将泵光波长红移的方法来获得高峰值功率信号光，解决目前存在的对差频用泵光峰值功率要求过高的问题。具体技术方案如下：
一种利用激光差频技术产生波长不小于3.8微米的中波红外激光输出的系统，其特征在于，该系统包括波长范围为1093-1105nm的掺镱光纤激光器、波长范围为1535-1540nm的掺铒光纤激光器、光纤合束器、光学透镜、非线性激光晶体，所述的掺镱光纤激光器作为泵源，所述的掺铒光纤激光器作为信号源，所述的非线性激光晶体作为光频转换用器件，连续或脉冲工作的掺镱光纤激光器与掺铒光纤激光器分别输出两个单一波长的激光，经光纤合束器合束后，由光学透镜聚焦到非线性激光晶体，利用激光差频技术产生波长不小于3.8微米中波红外激光输出。
一种利用激光差频技术产生波长不小于3.8微米的中波红外激光输出的系统，其特征在于，该系统包括波长范围为1093-1105nm的掺镱光纤激光器、波长范围为1535-1540nm的掺铒光纤激光器、第一光学透镜、第二光学透镜、空间合束器、第三光学透镜、非线性激光晶体，所述的掺镱光纤激光器作为泵源，所述的掺铒光纤激光器作为信号源，所述的非线性激光晶体作为光频转换用器件，连续或脉冲工作的掺镱光纤激光器与掺铒光纤激光器分别输出两个单一波长的激光，分别经由第一光学透镜和第二光学透镜准直后，再经空间合束器合束后，由第三光学透镜聚焦到非线性激光晶体，利用激光差频技术产生波长不小于3.8微米中波红外激光输出。
优选地，所述的掺镱光纤激光器的峰值功率大于100W。
优选地，所述的掺铒光纤激光器的峰值功率大于10W。
优选地，所述的非线性激光晶体是利用角度相位匹配的非线性激光晶体或者是利用准相位匹配的周期性畴极化反转的非线性激光晶体。
优选地，所述的掺镱光纤激光器和掺铒光纤激光器为线偏振的光纤激光器，或对偏振不敏感的随机偏振光纤激光器。
本发明的有益效果如下：
本发明主要用以解决当前激光差频技术中难以实现波长不小于3.8微米的高平均功率中波红外激光输出的技术问题，通过红移泵浦激光波长和提升信号光的峰值功率，实现高效率的激光差频转换，获得3.8微米或者更长波长的中波红外激光输出。该系统激光差频转换效率高、激光非线性晶体工作安全可靠、系统结构紧凑、环境稳定性好、适合高功率输出，能够广泛应用于各类中波红外激光器研制中。本发明，实现高效激光差频转换将不需要高峰值功率的泵浦激光；因为没有了激光谐振腔的约束，整个光频转换激光头的复杂度大为降低，结构变得非常紧凑，谐振腔的失谐问题将不复存在，激光器系统的长期稳定性将变得非常好。即使在高功率工作条件下激光非线性晶体中产生了很强的热透镜效应，但是由于泵光与信号光在模式上始终匹配，因此仍然不会有激光振荡腔中常见的腔模失配问题。基于上述原因，按照本发明的系统，可以在不同的激光泵浦条件下始终保持极高的光频转换效率，并最终获得超高功率的中波红外激光输出。
附图说明
图1为本发明的实施例1的利用激光差频技术产生波长不小于3.8微米的中波红外激光输出的系统的原理示意图，其中采用的泵浦光和信号光的激光合束方法为光纤合束器合束；
图2为本发明的实施例2的利用激光差频技术产生波长不小于3.8微米的中波红外激光输出的系统的原理示意图，其中采用的泵浦光和信号光的激光合束方法为空间合束器合束；
其中，1-掺镱光纤激光器，2-掺铒光纤激光器，3-光纤合束器，4-光学透镜，5-非线性激光晶体，6-第一光学透镜，7-第二光学透镜，8-空间合束器，9-第三光学透镜。
具体实施方式
下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
如图1所示，一种利用激光差频技术产生波长不小于3.8微米的中波红外激光输出的系统，包括波长范围为1093-1105nm的掺镱光纤激光器1、波长范围为1535-1540nm的掺铒光纤激光器2、光纤合束器3、光学透镜4、非线性激光晶体5，掺镱光纤激光器1作为泵源，掺铒光纤激光器2作为信号源，非线性激光晶体5作为光频转换用器件，连续或脉冲工作的掺镱光纤激光器1与掺铒光纤激光器2分别输出两个单一波长的激光，经光纤合束器3合束后，由光学透镜4聚焦到非线性激光晶体5，利用激光差频技术产生波长不小于3.8微米中波红外激光输出。
其中，光纤合束器3优选为双波长光纤合束器。
实施例2
如图2所示，一种利用激光差频技术产生波长不小于3.8微米的中波红外激光输出的系统，包括波长范围为1093-1105nm的掺镱光纤激光器1、波长范围为1535-1540nm的掺铒光纤激光器2、第一光学透镜6、第二光学透镜7、空间合束器8、第三光学透镜9、非线性激光晶体5，掺镱光纤激光器1作为泵源，掺铒光纤激光器2作为信号源，非线性激光晶体5作为光频转换用器件，连续或脉冲工作的掺镱光纤激光器1与掺铒光纤激光器2分别输出两个单一波长的激光，分别经由第一光学透镜6和第二光学透镜7准直后，再经空间合束器8合束后，由第三光学透镜9聚焦到非线性激光晶体5，利用激光差频技术产生波长不小于3.8微米中波红外激光输出。
所述的空间合束器8为部分波长反射、部分波长透射的双色激光反射镜；
实施例1和2中，掺镱光纤激光器1的峰值功率优选大于100W，掺铒光纤激光器2的峰值功率优选大于10W；
非线性激光晶体5可以是利用角度相位匹配的非线性激光晶体，如三硼酸锂晶体，也可以是利用准相位匹配的周期性畴极化反转的非线性激光晶体，如周期性畴极化反转的掺镁铌酸锂晶体。
所述的掺镱光纤激光器1和掺铒光纤激光器2优选为线偏振的光纤激光器，或对偏振不敏感的随机偏振光纤激光器。
本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种利用激光差频技术产生波长不小于3.8微米的中波红外激光输出的系统，其特征在于，该系统包括波长范围为1093-1105nm的掺镱光纤激光器(1)、波长范围为1535-1540nm的掺铒光纤激光器(2)、光纤合束器(3)、光学透镜(4)、非线性激光晶体(5)。所述的掺镱光纤激光器(1)作为泵源，所述的掺铒光纤激光器(2)作为信号源，所述的非线性激光晶体(5)作为光频转换用器件，连续或脉冲工作的掺镱光纤激光器(1)与掺铒光纤激光器(2)分别输出两个单一波长的激光，经光纤合束器(3)合束后，由光学透镜(4)聚焦到非线性激光晶体(5)，利用激光差频技术产生波长不小于3.8微米中波红外激光输出。
2.一种利用激光差频技术产生波长不小于3.8微米的中波红外激光输出的系统，其特征在于，该系统包括波长范围为1093-1105nm的掺镱光纤激光器(1)、波长范围为1535-1540nm的掺铒光纤激光器(2)、第一光学透镜(6)、第二光学透镜(7)、空间合束器(8)、第三光学透镜(9)、非线性激光晶体(5)，所述的掺镱光纤激光器(1)作为泵源，所述的掺铒光纤激光器(2)作为信号源，所述的非线性激光晶体(5)作为光频转换用器件，连续或脉冲工作的掺镱光纤激光器(1)与掺铒光纤激光器(2)分别输出两个单一波长的激光，分别经由第一光学透镜(6)和第二光学透镜(7)准直后，再经空间合束器(8)合束后，由第三光学透镜(9)聚焦到非线性激光晶体(5)，利用激光差频技术产生波长不小于3.8微米中波红外激光输出。
3.根据权利要求1或2所述的利用激光差频技术产生波长不小于3.8微米的中波红外激光输出的系统，其特征在于，所述的掺镱光纤激光器(1)的峰值功率大于100W。
4.根据权利要求1或2所述的利用激光差频技术产生波长不小于3.8微米的中波红外激光输出的系统，其特征在于，所述的掺铒光纤激光器(2)的峰值功率大于10W。
5.根据权利要求1或2所述的利用激光差频技术产生波长不小于3.8微米的中波红外激光输出的系统，其特征在于，所述的非线性激光晶体(5)是利用角度相位匹配的非线性激光晶体或者是利用准相位匹配的周期性畴极化反转的非线性激光晶体。
6.根据权利要求1或2所述的利用激光差频技术产生波长不小于3.8微米的中波红外激光输出的系统，其特征在于，所述的掺镱光纤激光器(1)和掺铒光纤激光器(2)为线偏振的光纤激光器，或对偏振不敏感的随机偏振光纤激光器。
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