CN110048298B - 一种轻小型长波红外激光产生装置 - Google Patents

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Abstract

本发明一种轻小型长波红外激光产生装置，由一台泵浦激光器、一个集成了两个光参量振荡器的环形谐振腔以及一个长波红外光参量放大器组成。本发明采用一台输出波长为1.06μm的泵浦激光器，通过将两个不同的OPO集成在同一个环形谐振腔中，可同时输出所需的光参量种子光和高功率的泵浦光，再通过长波红外光参量放大器，即可实现高功率长波红外激光输出。该方案大大简化了长波红外激光器的光路结构，提高了系统的可靠性和紧凑性。本发明解决或一定程度上解决了传统的长波红外激光器输出功率低、系统复杂、结构庞大的问题。

Description

一种轻小型长波红外激光产生装置
技术领域
本发明涉及一种轻小型长波红外激光产生装置，属于光学领域。
背景技术
8～12μm的长波红外光谱是重要的大气窗口，涵盖了许多分子气体、有毒试剂、空气、水和土壤污染物、人类呼吸成分以及多种爆炸性试剂的吸收峰，这些特性使得8～12μm激光器在环境检测、激光红外定向干扰、差分吸收雷达、光学遥感、光谱分析以及光电对抗等领域有着重大的应用价值，已成为国内外广泛研究的热点。
在众多产生长波红外波段光源的技术方案中，采用近红外激光器为泵浦光源，通过光参量效应实现频率下转换是获得8～12μm长波红外激光的主要方案，其技术途径包括有差频(DF)、光参量产生(OPG)、光参量振荡(OPO)和光参量放大器(OPA)。相对于DF和OPG技术，OPO和OPA技术装置简单，能够获得高重复频率、高平均功率输出。近年来，随着红外非线性光学晶体特别是ZGP晶体生长技术的不断发展和完善，使研制高功率的长波红外激光成为了可能。如文献《长波红外固体激光器首次实现10W级平均功率输出》(中国激光,2015(2):333-333)。但是该方案采用了高功率的2μm激光器作为泵浦源，而2μm泵浦源本身研制成本高且体积较大，这必然增加了整个激光系统的体积、重量以及复杂度。在许多应用场合尤其是国防领域，通常对激光器的轻量化和紧凑性有着迫切的要求，亟需为相关的激光器产品“瘦身减重”。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种轻小型长波红外激光产生装置，解决了采用传统光参量下转换技术产生长波红外激光时输出功率(能量)低、系统复杂、不够紧凑的问题。
本发明的技术方案是：一种轻小型长波红外激光产生装置，包括主光路上依次排列的泵浦激光器、半波片、一号耦合系统、复合光参量振荡器、二号耦合系统、长波红外光参量放大器以及平面分光镜；所述的复合光参量振荡器包括耦合输入镜、一号光参量振荡晶体、一号平面镜、二号平面镜、二号光参量振荡晶体和耦合输出镜；
所述的泵浦激光器输出波长为1.06μm的线偏振激光，半波片将泵浦激光器中的一部分调整为与线偏振激光正交的偏振态，两种偏振的泵浦光经一号耦合系统缩束后通过耦合输入镜注入到复合光参量振荡器中，泵浦光中的一部分通过一号光参量振荡晶体在环形谐振腔内发生OPO过程，产生波长为λ1的中红外闲频光并由耦合输出镜输出，作为长波红外OPA所需的种子光；另一部分泵浦光通过二号光参量振荡晶体在环形谐振腔内发生OPO过程，产生波长为λ2的中红外闲频光并由耦合输出镜输出，作为长波红外OPA的泵浦光，所述λ1＞λ2；耦合输出镜输出的两束中红外激光分别作为种子光和泵浦光经二号耦合系统后注入长波红外光参量放大器，通过OPA过程，功率较低的中红外种子光被放大，同时产生长波红外闲频光输出，并被平面分光镜反射后获取，剩余的中红外种子光和泵浦光则被平面分光镜透射掉。
所述的泵浦激光器选用输出波长1.06μm的线偏振的脉冲固体激光器或光纤激光器或主振功率放大系统MOPA。
所述泵浦激光器的调Q方式包括电光调Q和声光调Q；泵浦方式为氙灯泵浦或激光二极管泵浦，或二者组合的泵浦方式；激光增益介质为Nd:YAG或Nd:YVO4或Nd:YLF或掺镱光纤。
所述的半波片为1.06μm的λ/2波片，用于将线偏振的1.06μm泵浦光转换为具有两个正交偏振状态的部分偏振光，并且偏振正交的这两种成分之间的比例按需求连续可调。
所述的复合光参量振荡器为环形腔结构，集成了两个中红外OPO，两个OPO均为信号光单共振.
所述一号光参量振荡晶体为KTiOAsO4、LiNbO3、LiInS2、BaGa4S7、PPLN晶体中的一种，用于产生低功率的波长为λ1的中红外激光；所述二号光参量振荡晶体为KTiOPO4、RbTiOAsO4、LiNbO3、LiInS2、LiGaS2、LiGaSe2、BaGa4S7晶体中的一种，用于产生高功率的波长为λ2的中红外激光。
所述的耦合输入镜、一号平面镜、二号平面镜和耦合输出镜构成复合光参量振荡器的谐振腔，该环形谐振腔集成了基于一号光参量振荡晶体和二号光参量振荡晶体的两个OPO。
所述的复合光参量振荡器输出的中红外种子光和泵浦光经过二号耦合系统后，同时注入长波红外光参量放大器；所述的长波红外光参量放大器采用ZnGeP2、AgGaS2、AgGaSe2、LiInS2、LiInSe2、BaGa4S7晶体中的一种，且晶体两端面镀相应中红外以及长波红外减反膜。
所述平面反射镜采用二色片，且该二色片的一面同时镀45°相应中红外波段减反膜以及长波红外高反膜。
所述一号光参量振荡晶体采用KTiOAsO4，切割角为θ＝41.1°，
Figure BDA0002044001800000031
所述二号光参量振荡晶体采用KTiOPO4，切割角为θ＝46.9°，
Figure BDA0002044001800000032
所述的长波红外光参量放大器采用ZnGeP2晶体，其切割角为θ＝47.3°。
本发明与现有技术相比的优点是：
本发明所述的转换器采用光参量振荡与放大相结合的方案，其中光参量振荡器采用了四镜环形腔，有利于获得较好的光束质量，同时避免了泵浦反馈的不良问题，而光参量放大则保证了较高的输出功率或能量；
本发明所述的长波红外光参量放大器的泵浦光和种子光在集成的环形腔OPO中产生，并且采用了相同的泵浦源，有效减少了光学元件的使用，提高了整个装置的稳定性、可靠性和紧凑型；
本发明所述的光参量放大器的泵浦光和种子光在同一个OPO谐振腔中产生，使得这两束光具有一致的空间分布特性和较好的模式匹配，有利于提高光参量放大过程的转换效率。
附图说明
图1是本发明所述一种轻小型长波红外激光产生装置的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：参照图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的轻小型长波红外激光产生装置，它包括泵浦激光器1、半波片2、一号耦合系统3、复合光参量振荡器4、二号耦合系统5、长波红外光参量放大器6以及平面分光镜7；
从泵浦激光器1输出的高功率(能量)线偏振的1.06μm激光经半波片2后变为具有正交偏振的且同轴传播的两束光，通过一号耦合系统缩束后注入环形腔复合光参量振荡器4，其中功率较低的一束通过一号光参量振荡晶体4.2在环形谐振腔内发生OPO过程，产生波长为3.85μm的闲频光由耦合输出镜4.6输出，构成长波红外OPA所需的种子光；同样，偏振态正交的另一束高功率泵浦光通过二号光参量振荡晶体4.5在环形谐振腔内发生OPO过程，产生波长为2.6μm的闲频光由耦合输出镜4.6输出，构成了长波红外OPA所需的泵浦光。从耦合输出镜4.6输出的3.85μm信号光和2.6μm泵浦光经二号耦合系统系统5后注入光参量放大器6，通过OPA过程2.6μm泵浦光被大量消耗，3.85μm信号光则被放大，同时产生了8μm闲频光并经平面分光镜7反射获取，剩余的3.85μm信号光和2.6μm泵浦光则被平面分光镜7透射掉；
所述泵浦激光器1为1.06μm的线偏振的脉冲固体激光器或光纤激光器或主振功率放大系统(MOPA)；调Q方式包括但不限于电光调Q和声光调Q；泵浦方式为氙灯泵浦或激光二极管泵浦，或二者组合的泵浦方式；激光增益介质为Nd:YAG或Nd:YVO4或Nd:YLF或掺镱光纤；
所述半波片2为1.06μm的λ/2波片，用于将线偏振的1.06μm泵浦光转换为具有两个正交偏振状态的部分偏振光，并分别用于泵浦同一个谐振腔内的KTP-OPO和KTA-OPO；
所述一号耦合系统3为平凸透镜或透镜组，两端面镀有1.06μm减反膜，用于缩小泵浦光在环形谐振腔内的光斑尺寸，提高泵浦光在晶体内的峰值功率以及OPO转换效率；
所述耦合输入镜4.1、一号平面镜4.3、二号平面镜4.4和耦合输出镜4.6构成复合光参量振荡器的谐振腔，该腔集成了分别基于晶体4.2和4.5的两个OPO；
所述二号耦合系统5为平凸透镜组，采用CaF2材质，两端面镀有2.6μm和3.85μm减反膜，用于将复合光参量振荡器的两束输出光整形并聚焦到光参量放大器6中；
所述长波红外光参量放大器6为一块采用Ⅱ类匹配方式的ZnGeP2晶体，切割角为θ＝47.3°，晶体两端面镀有2.6μm、3.85μm和8μm减反膜；
所述平面反射镜7为45°分光镜，镀有2.6μm和3.85μm的减反膜，同时镀有8μm高反膜。
具体实施方式二：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，本实施方式所述的耦合输入镜4.1镀1.06μm增透膜，同时镀1.47μm和1.8μm高反膜；所述的一号平面镜4.3和二号平面镜4.4镀1.06μm高反膜，同时镀1.47μm、1.8μm和3.85μm高反膜；所述的耦合输出镜4.6镀1.06μm、1.4μm和1.8μm高反膜，同时镀2.6μm和3.85μm增透膜。
具体实施方式三：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，本实施方式所述的一号光参量振荡晶体4.2为KTA晶体，采用Ⅱ类匹配方式，切割角为θ＝41.1°，
Figure BDA0002044001800000051
两端面镀1.06μm增透膜，同时镀1.47μm、1.8μm和3.85μm增透膜。
具体实施方式四：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，本实施方式所述的二号光参量振荡晶体4.5为KTP晶体，采用Ⅱ类匹配方式，切割角为θ＝46.9°，
Figure BDA0002044001800000052
两端面镀1.06μm增透膜，同时镀1.47μm、1.8μm、2.6μm和3.85μm增透膜。
凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种轻小型长波红外激光产生装置，其特征在于：包括主光路上依次排列的泵浦激光器(1)、半波片(2)、一号耦合系统(3)、复合光参量振荡器(4)、二号耦合系统(5)、长波红外光参量放大器(6)以及平面分光镜(7)；所述的复合光参量振荡器(4)包括耦合输入镜(4.1)、一号光参量振荡晶体(4.2)、一号平面镜(4.3)、二号平面镜(4.4)、二号光参量振荡晶体(4.5)和耦合输出镜(4.6)；所述复合光参量振荡器(4)中的耦合输入镜(4.1)、一号光参量振荡晶体(4.2)、一号平面镜(4.3)、二号平面镜(4.4)、二号光参量振荡晶体(4.5)和耦合输出镜(4.6)组成了环形谐振腔；
所述的泵浦激光器(1)输出波长为1.06μm的线偏振激光，半波片(2)将泵浦激光器中的一部分调整为与线偏振激光正交的偏振态，两种偏振的泵浦光经一号耦合系统(3)缩束后通过耦合输入镜(4.1)注入到复合光参量振荡器(4)中，泵浦光中的一部分通过一号光参量振荡晶体(4.2)在复合光参量振荡器(4)内发生光参量振荡过程，产生波长为λ1的中红外闲频光，再依次经过一号平面镜(4.3)、二号平面镜(4.4)、二号光参量振荡晶体(4.5)后，由耦合输出镜(4.6)输出，作为长波红外光参量放大器(6)所需的种子光；另一部分泵浦光先依次经过耦合输入镜(4.1)、一号光参量振荡晶体(4.2)、一号平面镜(4.3)、二号平面镜(4.4)后，再通过二号光参量振荡晶体(4.5)在复合光参量振荡器(4)内发生光参量振荡过程，产生波长为λ2的中红外闲频光并由耦合输出镜(4.6)输出，作为长波红外光参量放大器(6)的泵浦光，所述λ1＞λ2；耦合输出镜(4.6)输出的两束中红外激光分别作为种子光和泵浦光经二号耦合系统(5)后注入长波红外光参量放大器(6)，通过光参量放大过程，功率较低的中红外种子光被放大，同时产生长波红外闲频光输出，并被平面分光镜(7)反射后获取，剩余的中红外种子光和泵浦光则被平面分光镜(7)透射掉。
2.根据权利要求1所述的轻小型长波红外激光产生装置，其特征在于：所述的泵浦激光器(1)选用输出波长1.06μm的线偏振的脉冲固体激光器或光纤激光器或主振功率放大系统MOPA。
3.根据权利要求2所述的轻小型长波红外激光产生装置，其特征在于：所述泵浦激光器(1)的调Q方式包括电光调Q和声光调Q；泵浦方式为氙灯泵浦或激光二极管泵浦，或二者组合的泵浦方式；激光增益介质为Nd:YAG或Nd:YVO4或Nd:YLF或掺镱光纤。
4.根据权利要求1所述的轻小型长波红外激光产生装置，其特征在于：所述的半波片(2)为1.06μm的λ/2波片，用于将线偏振的1.06μm泵浦光转换为具有两个正交偏振状态的部分偏振光，并且偏振正交的这两种成分之间的比例按需求连续可调。
5.根据权利要求1所述的轻小型长波红外激光产生装置，其特征在于：所述的复合光参量振荡器(4)为环形腔结构，集成了两个中红外光参量振荡，两个光参量振荡均为信号光单共振。
6.根据权利要求1所述的轻小型长波红外激光产生装置，其特征在于：所述一号光参量振荡晶体(4.2)为KTiOAsO4、LiNbO3、LiInS2、BaGa4S7、PPLN晶体中的一种，用于产生低功率的波长为λ1的中红外激光；所述二号光参量振荡晶体(4.5)为KTiOPO4、RbTiOAsO4、LiNbO3、LiInS2、LiGaS2、LiGaSe2、BaGa4S7晶体中的一种，用于产生高功率的波长为λ2的中红外激光。
7.根据权利要求4所述的轻小型长波红外激光产生装置，其特征在于：所述的耦合输入镜(4.1)、一号平面镜(4.3)、二号平面镜(4.4)和耦合输出镜(4.6)构成复合光参量振荡器的谐振腔，该复合光参量振荡器(4)集成了基于一号光参量振荡晶体(4.2)和二号光参量振荡晶体(4.5)的两个光参量振荡。
8.根据权利要求1所述的轻小型长波红外激光产生装置，其特征在于：所述的复合光参量振荡器(4)输出的中红外种子光和泵浦光经过二号耦合系统(5)后，同时注入长波红外光参量放大器(6)；所述的长波红外光参量放大器(6)采用ZnGeP2、AgGaS2、AgGaSe2、LiInS2、LiInSe2、BaGa4S7晶体中的一种，且晶体两端面镀相应中红外以及长波红外减反膜。
9.根据权利要求1所述的轻小型长波红外激光产生装置，其特征在于：所述平面反射镜(7)采用二色片，且该二色片的一面同时镀45°相应中红外波段减反膜以及长波红外高反膜。
10.根据权利要求1所述的轻小型长波红外激光产生装置，其特征在于：所述一号光参量振荡晶体(4.2)采用KTiOAsO4，切割角为θ＝41.1°，φ＝0°；所述二号光参量振荡晶体(4.5)采用KTiOPO4，切割角为θ＝46.9°，φ＝0°；所述的长波红外光参量放大器(6)采用ZnGeP2晶体，其切割角为θ＝47.3°。
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