CN109742646A

CN109742646A - 一种抑制腔内泵浦连续波光参量振荡器弛豫振荡的装置

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Publication number: CN109742646A
Application number: CN201910005692.1A
Authority: CN
Inventors: 张兆伟; 丁振文
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2019-01-03
Filing date: 2019-01-03
Publication date: 2019-05-10
Anticipated expiration: 2039-01-03
Also published as: CN109742646B

Abstract

本发明公开了一种抑制腔内泵浦连续波光参量振荡器驰豫振荡的装置，包括：依次设置在半导体激光器外部泵浦源的光轴上的准直透镜、聚焦透镜和泵浦腔，以及设置在与光轴垂直的方向上的OPO端镜，泵浦腔包括：依次设置的输入耦合镜、激光增益介质、第一透镜、双光子吸收元件、第二透镜、分束镜、非线性材料和公共端镜；双光子吸收元件用于对泵浦激光产生双光子吸收从而抑制驰豫振荡。本发明采用双光子吸收的非线性损耗抑制驰豫振荡，克服现有技术中通过倍频抑制驰豫振荡因相位匹配增加复杂性的问题，并且可以使用激光转换效率高、技术成熟的具有长的上能级寿命的增益介质，获得高的OPO功率转换效率，自腔内泵浦连续波光参量振荡器中获得具有高度功率稳定型的输出。

Description

一种抑制腔内泵浦连续波光参量振荡器弛豫振荡的装置

技术领域

本发明涉及光参量振荡器领域，更具体地，涉及一种抑制腔内泵浦连续波光参量振荡器弛豫振荡的装置。

背景技术

光参量振荡器(Optical Parametric Oscillator，OPO)利用二阶非线性效应，将入射激光(称为泵浦光)转换为两个频率不同的出射激光，其中一个频率较高者称为信号光，另一个频率更低的称为闲频光，泵浦光的频率等于信号光和闲频光的频率之和；OPO用于拓展激光辐射的输出波段，实现宽带可调谐的激光辐射。

腔内泵浦的光参量振荡器将非线性晶体置于泵浦激光器的谐振腔内；利用谐振腔内的高功率密度，能够实现连续波光参量振荡器的低阈值振荡；通过控制非线性耦合，腔内泵浦的光参量振荡器可以获得极高的功率转换效率。文献G.A.Turnbull，M.H.Dunn，andM.Ebrahimzadeh，“Continuous-wave，intracavity optical parametric oscillators ananalysis of power characteristics，”Appl.Phys.B 66(6)，701–710(1998)对此给出了详细的讨论。

现有的用于腔内泵浦连续波光参量振荡器的激光器，一般使用激光转换效率高的、上能级寿命长的激光增益介质，常用的有掺钕和掺镱介质，如Nd:YVO₄(掺钕钒酸钇晶体)和Yb:YAG(掺镱钇铝石榴石)。理论和试验都表明，由于激光增益介质的上能级寿命(>100us)远大于泵浦和信号光腔的寿命(约10ns)，腔内的泵浦和信号光进行快速的能量转换，导致两光的腔内功率和输出功率很不稳定，表现为长时间高频率的驰豫振荡，如文献Turnbull G A，Stothard D J M，Ebrahimzadeh M，et al.Transient dynamics of CWintracavity singly resonant optical parametric oscillators[J]. IEEE journalof quantum electronics，1999，35(11):1666-1672所述。该特性严重的限制了腔内泵浦连续波光参量振荡器作为功率和频率稳定的激光源在精密测量中的应用。为了抑制驰豫振荡稳定输出功率，国际上提出两种有效的方法。其中一种方法是在泵浦激光器腔内加入倍频晶体，利用泵浦光倍频的非线性损耗抑制驰豫振荡，如文献Stothard D J M，Dunn M H.Relaxation oscillation suppression in continuous-wave intracavity opticalparametric oscillators[J].Optics Express，2010，18(2):1336-1348所述，该方法依赖泵浦光倍频，但是倍频过程需要长的倍频晶体，而且需要严格的相位匹配，极大地增加了复杂性。另一种方法是采用上能级寿命短的激光增益介质，如文献Stothard D J M，HopkinsJ M，Burns D，et al.Stable， continuous-wave，intracavity，optical parametricoscillator pumped by a semiconductor disk laser(VECSEL)[J].Optics Express，2009，17(13): 10648-10658所述的半导体碟片增益介质，但是基于该增益介质的激光器激光转换效率比较低，会限制腔内泵浦连续波光参量振荡器的效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种抑制腔内泵浦连续波光参量振荡器驰豫振荡的装置，使得其获得稳定的输出功率，克服现有技术中通过倍频抑制驰豫振荡因需要相位匹配而增加复杂性的问题，并且可以使用激光转换效率高、技术成熟的具有长的上能级寿命的增益介质，获得高的OPO功率转换效率。

本发明提供了一种抑制腔内泵浦连续波光参量振荡器弛豫振荡的装置，依次设置在半导体激光器外部泵浦源的光轴上的准直透镜、聚焦透镜和泵浦腔，以及设置在与所述光轴垂直的方向上的OPO端镜，泵浦腔包括：依次设置的输入耦合镜、激光增益介质、第一透镜、双光子吸收元件、第二透镜、分束镜、非线性材料和公共端镜；所述双光子吸收元件用于对泵浦激光产生双光子吸收从而抑制驰豫振荡。

其中，采用布儒斯特角切割或镀增透膜的方式实现对所述双光子吸收元件透过激光的高透过率。

更进一步地，双光子吸收元件为碲化镉(CdTe)晶体或碲化锌(ZnTe) 晶体；不镀膜且采用布儒斯特角放置或者镀泵浦激光增透膜且采用垂直光路放置。

更进一步地，激光增益介质为掺钕增益介质、掺镱增益介质、掺铥增益介质、掺钬增益介质、掺杂光纤或者半导体增益介质。

更进一步地，非线性材料为基于相位匹配或准相位匹配的非线性晶体。

更进一步地，非线性材料为周期性极化的铌酸锂(PPLN)、方向模式化的磷化镓(OP-GaP)晶体或基于双折射相位匹配的非线性晶体。

与现有的技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)现有的抑制腔内泵浦连续波光参量振荡器驰豫振荡的方法一般在泵浦激光器腔内加入倍频晶体，利用泵浦光倍频或参量过程的非线性损耗抑制驰豫振荡，需要严格的相位匹配。本发明采用基于三阶非线性效应的双光子吸收产生非线性损耗，不需要相位匹配，能够简化结构和增强实用性。

(2)现有的抑制腔内泵浦连续波光参量振荡器驰豫振荡的方法一般采用上能级寿命短的激光增益介质。主流的上能级寿命长的激光增益介质具有更高激光转换效率，本发明使用激光转换效率高、技术成熟的具有长的上能级寿命的增益介质，能够获得高的激光转换效率和高的OPO功率转换效率。

附图说明

图1是本发明实施例1提供的抑制腔内泵浦连续波光参量振荡器的驰豫振荡的方法的结构示意图。

其中，1为光纤耦合输出的半导体激光器外部泵浦源、2为准直透镜、 3为聚焦透镜、4为输入耦合镜、5为激光增益介质、6为第一透镜、7为双光子吸收元件、8为第二透镜、9为分束镜、10为非线性材料、11公共端镜，12为OPO端镜。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，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用于解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

可饱和吸收效应是指介质的吸收系数随着入射光强的增大而减小，常用于被动调Q或锁模激光器。与之相反的效应称为反可饱和吸收效应，指介质的吸收系数随着入射光强的增大而增大，其中的吸收表现为对入射光的损耗，可以不是真正的吸收，而是非线性转换导致的损耗等。反可饱和吸收效应相当于被动的负反馈，能够用于稳定连续波激光器内的功率，使得激光器输出功率稳定。许多基于二阶或三阶光学非线性的方法能够用于产生反可饱和吸收效应，包括参量振荡、激发态吸收、半导体介质的载流子吸收、双光子吸收、受激拉曼散射、受激布里渊散射、受激瑞利散射等，如文献Pantell R H，Warszawski J.Laserpower stabilization by means of nonlinear absorption[J].Applied PhysicsLetters，1967，11(7):213-215 所述。一般基于二阶光学非线性的方法(如倍频)需要相位匹配，增加了系统的复杂性。双光子吸收效应是指物质的一个分子同时吸收两个光子的过程，是三阶光学非线性效应，不要相位匹配，减少了系统的复杂性。对于特定的半导体材料，双光子吸收效应的阈值比较低，适合用于连续波激光器。

本发明提供了一种抑制腔内泵浦连续波光参量振荡器驰豫振荡的装置，包括：用于产生泵浦光的激光增益介质、用于泵浦所述激光器增益介质的外部泵浦源、用于对泵浦光产生下转换的非线性材料、用于泵浦光谐振的光学谐振腔(即泵浦腔)、用于所述下转换信号或闲频光谐振的光学谐振腔(即OPO腔)、双光子吸收元件；所述激光增益介质和所述非线性材料放置在所述泵浦腔内；所述非线性材料放置在所述OPO腔内；所述双光子吸收元件放置在所述泵浦腔或OPO腔，用来抑制驰豫振荡。

在本发明实施例中，双光子吸收元件放置在所述泵浦腔内，对腔内所述泵浦激光产生双光子吸收。因为腔内泵浦连续波光参量振荡器在OPO工作的时候，腔内所述泵浦激光功率会“夹断”到OPO阈值附近，所以泵浦激光功率随着所述外部泵浦源功率的增加不会明显增加，使得双光子吸收效应保持在一个合适的水平，既不会对所述泵浦激光产生太大损耗，又对所述泵浦激光功率有稳定效果，同时可以防止所述双光子吸收元件受热损坏。同时，为了降低双光子吸收的阈值，提高双光子吸收的效果，所述双光子吸收元件应置于所述泵浦光焦点附近。

在本发明实施例中，双光子吸收元件通过采用布儒斯特角切割或镀增透膜的方式实现对透过激光的高透过率。

在本发明实施例中，激光增益介质可以是掺钕、掺镱、掺铥或掺钬增益介质，也可以是掺杂光纤或者半导体增益介质。所述掺钕、掺镱增益介质在1微米光波长波段具有高的激光转换效率，所述掺铥、掺钬增益介质在2微米光波段具有高的激光转换效率，但是它们的上能级粒子寿命都比较长(毫秒量级)，一般的腔内泵浦连续波光参量振荡器容易出现功率不稳定，使用本发明的方法正合适。

在本发明实施例中，非线性材料可以是基于准相位匹配的非线性晶体，如周期性极化的铌酸锂(PPLN)、方向模式化的磷化镓(OP-GaP)晶体，也可以是基于双折射相位匹配的非线性晶体，如磷酸钛氧钾(KTP)、磷锗锌(ZnGeP2)晶体，或其它能产生非线性增益的晶体。其中，选择的所述非线性材料需要使得所述泵浦光和所述下转换信号和闲频光满足相位匹配或准相位匹配条件。

双光子吸收元件本发明是在现有腔内泵浦连续波光学参量振荡器基础上，加入双光子吸收元件，对腔内光功率(所述泵浦或OPO振荡光)产生反可饱和吸收的效果，以达到抑制或消除驰豫振荡的效果。

本发明提供了一种抑制腔内泵浦连续波光参量振荡器的驰豫振荡的结构，包括：用于产生泵浦光的激光增益介质、用于泵浦所述激光器增益介质的外部泵浦源、用于对所述泵浦光产生下转换的非线性材料、用于所述泵浦光谐振的光学谐振腔(即泵浦腔)、用于下转换信号或闲频光谐振的光学谐振腔(即OPO腔)、双光子吸收元件；激光增益介质和所述非线性材料放置在泵浦腔内；非线性材料放置在所述OPO腔内；双光子吸收元件放置在泵浦腔或OPO腔，用来抑制驰豫振荡。

为了更进一步说明本发明实施例1提供的一种抑制腔内泵浦连续波光参量振荡器的驰豫振荡的方法，下面结合实例和附图1对本发明做进一步的说明。

该抑制腔内泵浦连续波光参量振荡器的驰豫振荡的方法包括：光纤耦合输出的半导体激光器外部泵浦源1、准直透镜2、聚焦透镜3、输入耦合镜4、激光增益介质5、第一透镜6、双光子吸收元件7、第二透镜8、分束镜9、非线性材料10、公共端镜11，OPO端镜12；其中输入耦合镜4、激光增益介质5、第一透镜6、双光子吸收元件7、第二透镜8、分束镜9、非线性材料10、公共端镜11构成泵浦腔；其中OPO端镜12、分束镜9、非线性材料10、公共端镜11构成OPO腔。

其中，光纤耦合输出的半导体激光器外部泵浦源1是974nm的多模半导体激光器，以匹配Yb:YAG激光增益介质5的峰值吸收波长。准直透镜 2和聚焦透镜3镀外部泵浦源974nm的增透膜，减小对外部泵浦光的损耗。输入耦合镜4为平凹镜，曲面的曲率半径为75mm，平面侧镀外部泵浦源974nm的增透膜，凹面镜侧镀外部泵浦源974nm的增透和泵浦激光(OPO 泵浦光)高反膜。激光增益介质5为Yb:YAG晶体，辐射激光波长为1030nm，其光路经过的两端面镀泵浦激光(OPO泵浦光)和外部泵浦源974nm增透膜。第一透镜6为非球面透镜，焦距为8.5mm，两侧镀泵浦激光增透膜。双光子吸收元件7为碲化镉(CdTe)晶体，尺寸为10mmx10mm x3mm，不镀膜。第二透镜8为非球面透镜，焦距为11mm，两侧镀泵浦激光增透膜。分束镜9为平行平面镜，一侧镀泵浦激光增透膜，另一侧镀泵浦激光增透和OPO信号光高反膜，设计入射角度为45度，用于分开泵浦光和OPO 信号光。非线性材料10为周期性极化的铌酸锂晶体(PPLN)，两侧镀泵浦光、OPO信号光和OPO闲频光增透膜，公共端镜11为平凹镜，曲面的曲率半径为75mm，凹面镜侧镀泵浦光、OPO信号光高反和OPO闲频光增透膜，平面侧镀OPO闲频光增透膜。OPO端镜12为平凹镜，曲面的曲率半径为75mm，镀泵浦光增透和OPO信号光高反膜。其中高反膜要求功率反射率大于99％，增透膜功率透射率大于97％。

光纤耦合输出的半导体激光器外部泵浦源1输出激光沿着光路依次经过准直透镜2、聚焦透镜3和输入耦合镜4后聚焦激光增益介质5，该光路随后经过第一透镜6、双光子吸收元件7、第二透镜8、分束镜9、非线性材料10、公共端镜11。其中双光子吸收元件7与泵浦光路成布鲁斯特角放置，分束镜9与泵浦光路成45度角放置，其余元件垂直光路放置。OPO端镜12放置在OPO信号光经过分束镜9反射后的OPO信号光路上，并使得反射光原路返回。

要求激光增益介质5产生的泵浦激光(即OPO泵浦光)在输入耦合镜 4、第一透镜6、第二透镜8和公共端镜11的作用下在激光增益介质5、双光子吸收元件7和非线性材料10聚焦；泵浦光经过输入耦合镜4和公共端镜11反射后原路返回，形成泵浦腔反馈。泵浦光在非线性材料10内下转换产生的OPO信号光在公共端镜11和OPO端镜12的作用下聚焦于非线性材料10；OPO信号光经过公共端镜11和OPO端镜12反射后原路返回，形成OPO腔反馈。

腔内振荡的泵浦激光经过谐振腔内的非线性材料10，会产生OPO信号光和闲频光的增益；OPO信号光在由OPO信号OPO端镜12、分束镜9、非线性材料10、公共端镜11构成的谐振腔内形成振荡，产生的OPO信号光经过OPO端镜12输出，产生的OPO闲频光经过公共端镜11输出；采用第二透镜8使得泵浦光在非线性晶体10内的聚焦，并使得泵浦光与OPO 信号光在非线性晶体10内的光斑大小匹配，以降低OPO的振荡阈值和提高下转化效率。

在本发明实施例中，非线性晶体8可以选择周期极化的铌酸锂晶体(Periodically Poled Lithium Niobate，PPLN)，当OPO的泵浦光(即激光) 的波长为1030纳米，PPLN的极化周期为30.2微米时，信号光和闲频光的波长分别为1517纳米和3305纳米。锁定OPO信号光的波长，通过调谐 OPO的泵浦光波长并同步改变PPLN的极化周期或温度，可以实现对OPO 输出闲频光波长的调谐；锁定OPO的泵浦光波长，通过改变OPO信号光的波长并同步改变PPLN的极化周期或温度，也可以实现对OPO输出闲频光波长的调谐。

在本发明实施例中，准直透镜2和聚焦透镜3用于实现对光纤耦合输出的半导体激光器外部泵浦源1输出激光的聚焦，使得该激光与泵浦光在激光增益晶体5中的光斑大小相近、横向模式空间上相互重合，以实现与泵浦光谐振腔空间模式在激光增益晶体5中的匹配。

采用第一透镜6使得泵浦光在双光子吸收元件7内的聚焦，以增大泵浦光光强，来减小双光子吸收元件7产生双光子效应的阈值，同时可以通过改变双光子吸收元件7内泵浦光的光斑大小来调制合适的双光子效应大小。

双光子吸收元件7可以选择碲化镉(CdTe)晶体或碲化锌(ZnTe)晶体，尺寸为10mmx10mm x3mm，不镀膜，采用布儒斯特角放置。也可以镀泵浦激光增透膜，采用垂直光路放置。碲化镉和碲化锌晶体在1030nm附近没有线性吸收，但具有比较大的双光子吸收系数，保证了其对泵浦激光的线性损耗很低，其非线性损耗容易达到阈值以稳定泵浦光功率。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种抑制腔内泵浦连续波光参量振荡器弛豫振荡的装置，依次设置在半导体激光器外部泵浦源(1)的光轴上的准直透镜(2)、聚焦透镜(3)和泵浦腔，以及设置在与所述光轴成一定角度的方向上的OPO端镜(12)，其特征在于，所述泵浦腔包括：依次设置的输入耦合镜(4)、激光增益介质(5)、第一透镜(6)、双光子吸收元件(7)、第二透镜(8)、分束镜(9)、非线性材料(10)和公共端镜(11)；所述双光子吸收元件(7)用于对泵浦激光产生双光子吸收从而抑制驰豫振荡。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，采用布儒斯特角切割或镀增透膜的方式实现对所述双光子吸收元件(7)透过激光的高透过率。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述双光子吸收元件(7)为碲化镉(CdTe)晶体或碲化锌(ZnTe)晶体；不镀膜且采用布儒斯特角放置或者镀泵浦激光增透膜且采用垂直光路放置。

4.如权利要求1-3任一项所述的装置，其特征在于，所述激光增益介质(5)为掺钕增益介质、掺镱增益介质、掺铥增益介质、掺钬增益介质、掺杂光纤或者半导体增益介质。

5.如权利要求1-4任一项所述的装置，其特征在于，所述非线性材料(10)为基于相位匹配或准相位匹配的非线性晶体。

6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述非线性材料(10)为周期性极化的铌酸锂(PPLN)、方向模式化的磷化镓(OP-GaP)晶体或基于双折射相位匹配的非线性晶体。