CN109742647A - 基于内腔光参量振荡和晶体受激拉曼散射效应的红外固体激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于内腔光参量振荡和晶体受激拉曼散射效应的宽调谐多波长红外固体激光器，其包括：泵浦源、耦合透镜组、谐振腔、激光晶体、OPO晶体和拉曼晶体；谐振腔包括输入平镜、45度平镜、反射平镜和输出凹镜；输入平镜、45度平镜与反射平镜沿一条预设直线依次设置，输出凹镜位于所述预设直线的侧方，经反射平镜反射而出的、平行于所述预设直线的光线，可由45度平镜呈45度反射角反射至输出凹镜上；激光晶体和声光调Q开关设置于输入平镜与45度平镜之间，OPO晶体设置于45度平镜与反射平镜之间；F‑P标准具与拉曼晶体设置于45度平镜与输出凹镜之间；泵浦源输出的泵浦激光经耦合透镜组后，从输入平镜入射至谐振腔。利用本发明可获得近红外一阶Stokes光、信号光和中红外闲频光宽调谐多波长输出。本发明全固化设计，结构紧凑，工作稳定性好。
Description
技术领域
本发明涉及多波长同时输出的红外固体激光器，特别是一种基于内腔光参量振荡和晶体受激拉曼散射效应的宽调谐红外固体激光器。
背景技术
连续宽调谐多波长红外激光在生物光子学、光谱分析、大气监测、遥感以及光电对抗等领域有广泛的应用前景。激光作为一种相干光源能够干扰、致盲甚至损坏敌方的人眼或传感器。随着导弹的探测波段向红外等长波段转移以及多传感器的信息融合，使激光定向红外对抗系统中的可调谐红外激光器成为了目前研究的一个重要方面。此外，1600-1800nm近红外波段还覆盖了许多重要气体的吸收谱，例如CO2和CO在1604nm处有吸收，NO和CH4分别在1800nm和1650nm处有吸收。对于多气体探测及光谱分析，通常要求激光器具有较宽的波长调谐能力。
目前，实现可调谐红外激光器的主要途径有：(1) 半导体激光器能够直接产生红外波段激光，并能实现室温条件下的激光输出；(2) 采用调节拉曼晶体温度的方式实现Stokes光的波长调谐；(3) 利用光学参量振荡器获得红外波段激光。但方法(1)技术还不十分成熟，仍处于发展阶段；方法(2)通过拉曼晶体温度调谐的方式很难实现宽的波长调谐；并且方法(2)和方法(3)都不能实现波长宽调谐的近红外和中红外波段的多波长同时输出。
发明内容
本发明的目的是提供一种内腔光参量振荡和晶体受激拉曼散射效应的宽调谐红外固体激光器，实现连续宽调谐的近红外一阶Stokes光、信号光和中红外闲频光多波长同时输出。
本发明采取的技术方案为：一种红外固体激光器，包括：泵浦源、耦合透镜组、谐振腔、激光晶体、声光调Q开关、OPO晶体、F-P标准具和拉曼晶体；
所述谐振腔包括输入平镜、45度平镜、反射平镜和输出凹镜；输入平镜、45度平镜与反射平镜沿一条预设直线依次设置，且输入平镜与反射平镜镜面相互平行，45度平镜的两镜面分别朝向输入平镜和反射平镜，且其上端朝反射平镜倾斜45度；输出凹镜位于所述预设直线的侧方，且其凹面朝向45度平镜，经反射平镜反射而出的、平行于所述预设直线的光线，可由45度平镜呈45度反射角反射至输出凹镜上；
激光晶体和声光调Q开关沿所述预设直线依次设置于输入平镜与45度平镜之间，OPO晶体设置于45度平镜与反射平镜之间的光路上；F-P标准具与拉曼晶体依次设置于45度平镜与输出凹镜之间的光路上；
泵浦源输出的泵浦激光经耦合透镜组后，从输入平镜入射至谐振腔。
本发明中，谐振腔的结构设计可实现输出镜近红外信号光、一阶Stokes光和中红外闲频光的连续调谐多波长输出。
优选的，所述耦合透镜组由两个凸面相背的平凸镜组成。通过调整耦合透镜的参数可控制入射到谐振腔内晶体中的泵浦光斑的大小。
优选的，激光晶体采用Nd晶体，其朝向输入平镜的一端端面镀808nm和1064nm增透膜，所述泵浦源采用808 nm半导体激光器。泵浦源采用的半导体激光器的波长与激光晶体的吸收波长相匹配。
优选的，激光晶体朝向45度平镜的一端端面镀1064nm的增透膜，45度镜对1064nm高透、对1400-1800nm和3000-4000nm波段高反；OPO晶体的两个通光面镀有1064nm、1400-1800nm 和3000-4000nm三个波段的增透膜；反射平镜对1400-1800nm、3000-4000nm高反。
优选的，OPO晶体采用MgO掺杂浓度5mol%的多极化周期的铌酸锂晶体（MgO:PPLN），极化周期范围为28.5-31.5μm，共7个周期，周期间隔为0.5μm。
优选的，拉曼晶体采用a轴生长的BaWO4晶体，晶体沿a轴切割。
优选的，拉曼晶体的两个通光面上镀有1400-4000nm的宽带增透膜，输出凹镜对信号光1400-1550nm波段部分透射，对闲频光3000-4000nm波段高透，对一阶Stokes光1600-1800nm波段部分透射。则这种实施方式使得由输出镜可获得近红外1600-1800nm一阶Stokes光、1400-1550nm 信号光和中红外3000-4000nm闲频光波长宽调谐输出。
进一步的，本发明还包括温控炉，OPO晶体位于温控炉中，温控炉的控温范围为20-200℃；拉曼晶体通过TEC温控器进行温度控制；
温控炉安装于一位移调整架上。
上述位移调整架可采用现有技术，仅需相应的能够实现直线位移变化即可。温度控制精度为±0.1℃。通过调节拉曼晶体温度可实现拉曼光输出波长的超精细调谐；OPO晶体的位移变化可使激光通过不同的极化周期。
本发明在应用时，输入平镜与反射平镜构成激光谐振腔，45度平镜、反射平镜与输出凹镜构成OPO和拉曼激光器谐振腔，实现了OPO与拉曼激光器的谐振腔共用。激光谐振腔内插入声光调Q开关可实现脉冲工作方式，F-P固体标准具的设置可实现窄线宽的一阶Stokes光输出。可考虑晶体热透镜效应来选定各腔镜参数（如腔镜的曲率半径、腔长等），以满足谐振腔的稳定性条件。当输入的泵浦光功率达到阈值后，激光谐振腔内激光起振，腔内激光达到OPO阈值后，产生信号光和闲频光；其中信号光作为基频光，达到拉曼阈值后，由于拉曼晶体的受激拉曼散射效应，从而获得一阶Stokes光。可以通过平移OPO晶体，使激光通过不同的极化周期，同时结合OPO晶体的温度调谐，最终即可实现近红外信号光、拉曼光以及中红外闲频光的连续宽调谐多波长输出。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和进步：
（1）将光学参量振荡器和拉曼激光器进行有机结合，利用参量光作为基频光，实现一阶Stokes光输出；结构简单紧凑，工作稳定性好；
（2）采用准相位匹配技术的光参量振荡器，即利用周期极化的非线性晶体，实现参量光的连续宽调谐，从而实现一阶Stokes光的连续宽调谐；
（3）通过系统的谐振腔的设计（腔长、腔镜的曲率半径、腔镜在不同波段的反射率或透过率）以及周期极化晶体的周期调谐和温度调谐，实现近红外一阶Stokes光、信号光和中红外闲频光多波长同时输出；
（4）利用腔内的基频光高功率密度，降低晶体受激拉曼散射阈值；
（5）腔内谐振的信号光具有窄的线宽，可提高拉曼晶体的拉曼增益系数，从而提高了拉曼光转换效率；
（6）整个激光器可采用全固化设计，容易做到紧凑和小型化。
附图说明
图1所示为本发明可调谐连续波红外固体激光器的原理结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例进一步描述。
参考图1所示，本发明基于内腔光参量振荡和受激拉曼散射效应的可调谐连续波红外固体激光器，包括：泵浦源、耦合透镜组、谐振腔、激光晶体2、声光调Q开关3、OPO晶体5、F-P标准具7和拉曼晶体8；
所述谐振腔包括输入平镜1、45度平镜4、反射平镜6和输出凹镜9；输入平镜、45度平镜与反射平镜沿一条预设直线依次设置，且输入平镜与反射平镜镜面相互平行，45度平镜的两镜面分别朝向输入平镜和反射平镜，且其上端朝反射平镜倾斜45度；输出凹镜位于所述预设直线的侧方，且其凹面朝向45度平镜，经反射平镜反射而出的、平行于所述预设直线的光线，可由45度平镜呈45度反射角反射至输出凹镜上；
激光晶体和声光调Q开关沿所述预设直线依次设置于输入平镜与45度平镜之间，OPO晶体设置于45度平镜与反射平镜之间的光路上；F-P标准具与拉曼晶体依次设置于45度平镜与输出凹镜之间的光路上；
泵浦源输出的泵浦激光经耦合透镜组后，从输入平镜入射至谐振腔。
本发明谐振腔的结构设计可实现输出镜近红外信号光、一阶Stokes光和中红外闲频光的连续调谐多波长输出。
实施例
如图1，本实施例中，耦合透镜组由两个凸面相背的平凸镜组成。通过调整耦合透镜的参数可控制入射到谐振腔内晶体中的泵浦光斑的大小，具体调整为现有技术。
本实施例中，OPO晶体采用MgO掺杂浓度5mol%的多极化周期的铌酸锂晶体MgO:PPLN，极化周期范围为28.5-31.5μm，共7个周期，周期间隔为0.5μm。拉曼晶体采用a轴生长的BaWO4晶体，晶体沿a轴切割，晶体规格4×4×50mm3，频移量为925cm-1。
泵浦源采用808 nm半导体激光器，其波长与激光晶体的吸收波长相匹配，激光晶体2采用Nd:YVO4晶体，其朝向输入平镜的一端端面镀808nm和1064nm增透膜，另一端端面镀1064nm的增透膜；45度镜对1064nm高透、对1400-1800nm和3000-4000nm波段高反；OPO晶体的两个通光面镀有1064nm、1400-1800nm 和3000-4000nm三个波段的增透膜；反射平镜对1400-1800nm、3000-4000nm高反。拉曼晶体的两个通光面上镀有1400-4000nm的宽带增透膜，输出凹镜对信号光（1400-1550nm）部分透射，对闲频光（3000-4000nm）高透，对一阶Stokes光（1600-1800nm）部分透射。则由输出镜可获得近红外1600-1800nm一阶Stokes光、1400-1550nm 信号光和中红外3000-4000nm闲频光波长连续宽调谐输出。
本实施例还包括温控炉，OPO晶体位于温控炉中，温控炉的控温范围为20-200℃；拉曼晶体通过TEC温控器进行温度控制，温度保持在16.0±0.1℃；
温控炉安装于一位移调整架上。
上述位移调整架可采用现有技术，仅需相应的能够实现直线位移变化即可。温度控制精度为±0.1℃。通过调节拉曼晶体温度可实现拉曼光输出波长的超精细调谐。OPO晶体的位移变化可使激光通过不同的极化周期，通过结合OPO晶体周期调谐和温度调谐，可最终获得连续波近红外一阶Stokes光、信号光和中红外闲频光宽调谐三波长输出。
本发明可全固化设计，即全部采用固态器件，结构简单紧凑，工作稳定性好。
参考图1，本实施例红外固体激光器系统为基于内腔光参量振荡和晶体受激拉曼散射的主动调Q固体激光器，腔镜1（输入平镜）和腔镜6（反射平镜）形成1064nm激光谐振腔，腔镜6、45度平镜4和腔镜9（输出凹镜）构成OPO和拉曼谐振腔。可考虑晶体热透镜效应来选定腔镜参数（如腔镜的曲率半径、腔长等），以满足谐振腔的稳定性条件。通过在腔内插入声光调Q开关课实现脉冲工作方式，通过改变MgO:PPLN的通光周期和晶体温度，可最终实现一阶Stokes光、信号光和闲频光的连续宽调谐输出，且可通过调节BaWO4晶体温度可实现拉曼光输出波长的超精细调谐。腔内插入F-P固体标准具，可实现窄线宽的一阶Stokes光输出。
本发明的工作原理是：泵浦源发出的泵浦光经耦合透镜组，然后通过输入平镜1入射到Nd:YVO4激光晶体2中。输入平镜1对808nm高透、1064nm高反；反射平镜6对1064nm、1400-1800nm高反，对3000-4000nm高反；腔镜1和腔镜6构成1064nm激光谐振腔；45度平镜4对1064nm高透、对1400-1800nm高反；输出凹镜9对1400-1800nm部分透射。腔镜4、腔镜6和腔镜9构成OPO和拉曼激光器谐振腔（共用腔镜）。OPO晶体采用掺氧化镁多周期极化的铌酸锂晶体（MgO:PPLN），拉曼晶体选用BaWO4晶体，频移量为925cm-1。当输入的泵浦光功率达到阈值后，1064nm的激光起振，腔内1064nm激光达到OPO阈值后，产生信号光和闲频光；信号光作为基频光，达到拉曼阈值后，由于拉曼晶体的受激拉曼散射效应，从而获得一阶Stokes光。可以通过平移MgO:PPLN晶体，使1064nm激光通过不同的极化周期，同时结合MgO:PPLN晶体的温度调谐，最终实现近红外信号光、拉曼光以及中红外闲频光的连续宽调谐多波长输出。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种红外固体激光器，其特征是，包括：泵浦源、耦合透镜组、谐振腔、激光晶体、声光调Q开关、OPO晶体、F-P标准具和拉曼晶体；
所述谐振腔包括输入平镜、45度平镜、反射平镜和输出凹镜；输入平镜、45度平镜与反射平镜沿一条预设直线依次设置，且输入平镜与反射平镜镜面相互平行，45度平镜的两镜面分别朝向输入平镜和反射平镜，且其上端朝反射平镜倾斜45度；输出凹镜位于所述预设直线的侧方，且其凹面朝向45度平镜，经反射平镜反射而出的、平行于所述预设直线的光线，可由45度平镜呈45度反射角反射至输出凹镜上；
激光晶体和声光调Q开关沿所述预设直线依次设置于输入平镜与45度平镜之间，OPO晶体设置于45度平镜与反射平镜之间的光路上；F-P标准具与拉曼晶体依次设置于45度平镜与输出凹镜之间的光路上；
泵浦源输出的泵浦激光经耦合透镜组后，从输入平镜入射至谐振腔。
2.根据权利要求1所述的红外固体激光器，其特征是，所述耦合透镜组由两个凸面相背的平凸镜组成。
3. 根据权利要求1所述的红外固体激光器，其特征是，激光晶体采用Nd晶体，其朝向输入平镜的一端端面镀808nm和1064nm增透膜，所述泵浦源采用808 nm半导体激光器。
4. 根据权利要求3所述的红外固体激光器，其特征是，激光晶体朝向45度平镜的一端端面镀1064nm的增透膜，45度镜对1064nm高透，对1400-1800nm和3000-4000nm波段高反；OPO晶体的两个通光面镀有1064nm、1400-1800nm 和3000-4000nm三个波段的增透膜；反射平镜对1400-1800nm、3000-4000nm高反。
5.根据权利要求1或3所述的红外固体激光器，其特征是，OPO晶体采用MgO掺杂浓度5mol%的多极化周期的铌酸锂晶体（MgO:PPLN），极化周期范围为28.5-31.5μm，共7个周期，周期间隔为0.5μm。
6.根据权利要求1或3所述的红外固体激光器，其特征是，拉曼晶体采用a轴生长的BaWO4晶体，晶体沿a轴切割。
7.根据权利要求6所述的红外固体激光器，其特征是，拉曼晶体的两个通光面上镀有1400-4000nm的宽带增透膜，输出凹镜对信号光1400-1550nm波段部分透射，对闲频光3000-4000nm波段高透，对一阶Stokes光1600-1800nm波段部分透射。
8.根据权利要求1所述的红外固体激光器，其特征是，还包括温控炉，OPO晶体位于温控炉中，温控炉的控温范围为20-200℃；拉曼晶体通过TEC温控器进行温度控制；
温控炉安装于一位移调整架上。
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