CN110061409A - 窄线宽的10μm长波红外激光器 - Google Patents

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Abstract

窄线宽的10μm长波红外激光器，它涉及一种长波红外固体激光器，属于光学领域，解决现有10μm长波红外激光器输出光谱线宽较宽的问题。本发明泵浦光经耦合系统入射至泵浦光输入镜，透过的泵浦光入射至非线性晶体，得到10μm激光与2.6μm激光；2.6μm激光入射至长波输出镜，并反射至短波输出镜，一部分2.6μm激光输出，剩余2.6μm激光反射至长波输出镜；反射至长波输出镜的2.6μm激光穿过非线性晶体，并由泵浦光输入镜反射至体光栅，经体光栅反射回泵浦光输入镜，并反射至非线性晶体，得到2.6μm激光与10μm激光，10μm激光与剩余泵浦光入射至二色镜上，剩余泵浦光反射出去，10μm激光透过二色镜输出。

Description

窄线宽的10μm长波红外激光器
技术领域
本发明涉及一种长波红外固体激光器，属于光学领域。
背景技术
波长为8μm至12μm的长波远红外激光处于大气透明窗口，位于有害化学药剂、有毒气体和工业排放物等物质的本征吸收光谱带，因此该波段激光被广泛地应用于大气污染物的检测。与此同时，军用发动机尾焰的发射谱也位于该波段，因此该波段的激光在光电对抗领域亦有应用价值。
获得10μm激光的主要技术途径有差频(DF)、光学参量产生(OPG)、光学参量振荡器(OPO)和光学参量放大器(OPA)。DF需要两个泵浦源，OPG要求皮秒和飞秒级的泵浦脉冲，相比之下，OPO仅需要一个纳秒级的脉冲泵浦源，并且具有产生高平均功率、高脉冲能量红外激光的能力。
目前国内产生10μm激光较为成熟的晶体是ZnGeP2与CdSe，但普通ZnGeP2OPO与CdSeOPO输出光谱线宽在百纳米与数十纳米量级，无法满足需要窄线宽激光的应用，如光谱定标、侦毒与差分吸收雷达等。
发明内容
本发明目的是为了解决现有10μm长波红外激光器输出光谱线宽较宽的问题，提供了窄线宽的10μm长波红外激光器。
窄线宽的10μm长波红外激光器包括第一平凸透镜、第二平凸透镜、体光栅、泵浦光输入镜、非线性晶体、长波输出镜、短波输出镜及二色镜；
所述的第一平凸透镜和第二平凸透镜的凸面相对，构成耦合系统；
一束2.1μm脉冲泵浦光垂直入射至耦合系统，经耦合系统进行光束变换后以45°入射角入射至泵浦光输入镜，泵浦光输入镜透过的2.1μm脉冲泵浦光入射至非线性晶体，经非线性晶体进行非线性转换后得到10μm长波红外激光与2.6μm中波红外激光；
所述的非线性晶体为ZnGeP2晶体、CdSe晶体或BaGa4Se7晶体；
2.6μm中波红外激光以45°入射角入射至长波输出镜，并由长波输出镜反射至短波输出镜，短波输出镜对2.6μm中波红外激光的反射率为1％～99％，一部分2.6μm中波红外激光经由短波输出镜输出，剩余2.6μm中波红外激光经由短波输出镜以45°入射角反射至长波输出镜；
反射至长波输出镜的2.6μm中波红外激光由长波输出镜反射并穿过非线性晶体，穿过非线性晶体的2.6μm中波红外激光以45°入射角入射至泵浦光输入镜，并由泵浦光输入镜反射至体光栅，经体光栅反射回泵浦光输入镜，并由泵浦光输入镜反射至非线性晶体；
所述的体光栅为反射式体光栅，中心反射波长为2637.5nm，反射谱的半峰全宽为0.5nm；
入射至非线性晶体的2.6μm中波红外激光与2.1μm脉冲泵浦光在非线性晶体内进行非线性转换后得到2.6μm中波红外激光与10μm长波红外激光，10μm长波红外激光与剩余2.1μm脉冲泵浦光经由长波输出镜输出并入射至二色镜上，二色镜将剩余2.1μm脉冲泵浦光反射出去，10μm长波红外激光透过二色镜并输出。
本发明的优点：本发明将反射式体光栅作为腔镜，利用体光栅中心反射波长固定且反射带窄的特点，可精确控制输出2.6μm与10μm激光的波长，同时可以压缩2.6μm与10μm激光线宽，2.6μm激光中心波长为2637.5nm。
采用反射式体光栅作为腔镜，可在不借助单色仪测量波长的前提下，精确调节非线性晶体的调谐角度，从而实现最大功率的激光输出。
采用U形腔设计，使得2.1μm脉冲泵浦光不再受反馈影响，提高整体激光器的稳定性。
采用2.6μm激光单共振设计，2.6μm中波红外激光单独在激光腔内振荡，减小2.6μm激光与10μm激光重新合成2.1μm激光的几率，即减弱反转换效应，从而提高输出激光的转化率、功率稳定性与光束质量。
使用ZnGeP2晶体作为光学参量振荡晶体，利用ZnGeP2晶体非线性系数大的特点，可从光学参量振荡器中输出高功率的2.6μm中波红外激光与10μm长波红外激光。
使用CdSe晶体或BaGa4Se7晶体作为光学参量振荡晶体，利用其增益线宽窄的特点，可最大程度地压缩2.6μm激光与10μm激光的线宽。
实验表明，CdSe OPO在脉冲重频1kHz、单脉冲能量8.6mJ的2.1μm脉冲激光泵浦条件下，获得了0.1mJ的10μm长波红外激光，对应光谱的半峰全宽为11nm。ZnGeP2OPO在脉冲重频10kHz、平均功率80W的2.1μm脉冲激光泵浦条件下，获得了1.64W的10μm长波红外激光，对应光谱的半峰全宽为20nm。
附图说明
图1是本发明所述的窄线宽的10μm长波红外激光器的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式窄线宽的10μm长波红外激光器包括第一平凸透镜1-1、第二平凸透镜1-2、体光栅2、泵浦光输入镜3、非线性晶体4、长波输出镜5、短波输出镜6及二色镜7；
所述的第一平凸透镜1-1和第二平凸透镜1-2的凸面相对，构成耦合系统；
一束2.1μm脉冲泵浦光垂直入射至耦合系统，经耦合系统进行光束变换后以45°入射角入射至泵浦光输入镜3，泵浦光输入镜3透过的2.1μm脉冲泵浦光入射至非线性晶体4，经非线性晶体4进行非线性转换后得到10μm长波红外激光与2.6μm中波红外激光；
所述的非线性晶体4为ZnGeP2晶体、CdSe晶体或BaGa4Se7晶体；
2.6μm中波红外激光以45°入射角入射至长波输出镜5，并由长波输出镜5反射至短波输出镜6，短波输出镜6对2.6μm中波红外激光的反射率为1％～99％，一部分2.6μm中波红外激光经由短波输出镜6输出，剩余2.6μm中波红外激光经由短波输出镜6以45°入射角反射至长波输出镜5；
反射至长波输出镜5的2.6μm中波红外激光由长波输出镜5反射并穿过非线性晶体4，穿过非线性晶体4的2.6μm中波红外激光以45°入射角入射至泵浦光输入镜3，并由泵浦光输入镜3反射至体光栅2，经体光栅2反射回泵浦光输入镜3，并由泵浦光输入镜3反射至非线性晶体4；
所述的体光栅2为反射式体光栅，中心反射波长为2637.5nm，反射谱的半峰全宽为0.5nm；
入射至非线性晶体4的2.6μm中波红外激光与2.1μm脉冲泵浦光在非线性晶体4内进行非线性转换后得到2.6μm中波红外激光与10μm长波红外激光，10μm长波红外激光与剩余2.1μm脉冲泵浦光经由长波输出镜5输出并入射至二色镜7上，二色镜7将剩余2.1μm脉冲泵浦光反射出去，10μm长波红外激光透过二色镜7并输出。
本具体实施方式中2.6μm中波红外激光经由长波输出镜5全部反射至短波输出镜6。
本具体实施方式中从短波输出镜6反射至长波输出镜5的2.6μm中波红外激光全部被长波输出镜5反射并穿过非线性晶体4。
本具体实施方式的有益效果是：本具体实施方式将反射式体光栅作为腔镜，利用体光栅中心反射波长固定且反射带窄的特点，可精确控制输出2.6μm与10μm激光的波长，同时可以压缩2.6μm与10μm激光线宽，2.6μm激光中心波长为2637.5nm。
采用反射式体光栅作为腔镜，可在不借助单色仪测量波长的前提下，精确调节非线性晶体的调谐角度，从而实现最大功率的激光输出。
采用U形腔设计，使得2.1μm脉冲泵浦光不再受反馈影响，提高整体激光器的稳定性。
采用2.6μm激光单共振设计，2.6μm中波红外激光单独在激光腔内振荡，减小2.6μm激光与10μm激光重新合成2.1μm激光的几率，即减弱反转换效应，从而提高输出激光的转化率、功率稳定性与光束质量。
使用ZnGeP2晶体作为光学参量振荡晶体，利用ZnGeP2晶体非线性系数大的特点，可从光学参量振荡器中输出高功率的2.6μm中波红外激光与10μm长波红外激光。
使用CdSe晶体或BaGa4Se7晶体作为光学参量振荡晶体，利用其增益线宽窄的特点，可最大程度地压缩2.6μm激光与10μm激光的线宽。
实验表明，CdSe OPO在脉冲重频1kHz、单脉冲能量8.6mJ的2.1μm脉冲激光泵浦条件下，获得了0.1mJ的10μm长波红外激光，对应光谱的半峰全宽为11nm。ZnGeP2OPO在脉冲重频10kHz、平均功率80W的2.1μm脉冲激光泵浦条件下，获得了1.64W的10μm长波红外激光，对应光谱的半峰全宽为20nm。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述的第一平凸透镜1-1及第二平凸透镜1-2通光面均镀有2μm增透膜，焦距为10mm～1000mm，直径为10mm～100mm。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同的是：所述的泵浦光输入镜3一面镀有2μm增透膜，另一面同时镀有2μm增透膜、10μm～12μm增透膜和2.5μm～2.7μm增反膜。其它与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述的非线性晶体4通光面同时镀有2μm增透膜、2.5μm～2.7μm增透膜和10μm～12μm增透膜。其它与具体实施方式一至三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述的长波输出镜5一面同时镀有2μm增透膜、10μm～12μm增透膜和2.5μm～2.7μm增反膜，另一面同时镀有2μm增透膜和10μm～12μm增透膜。其它与具体实施方式一至四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：所述的短波输出镜6一面同时镀有对2.5μm～2.7μm反射率为1％～99％的部分反射膜、2μm增透膜和10μm～12μm增透膜，另一面同时镀有2μm增透膜、2.5～2.7μm增透膜和10μm～12μm增透膜。其它与具体实施方式一至五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：所述的二色镜7一面同时镀有2μm增反膜和10μm～12μm增透膜，另一面镀有10μm～12μm增透膜。其它与具体实施方式一至六相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一：
结合图1具体说明，窄线宽的10μm长波红外激光器包括第一平凸透镜1-1、第二平凸透镜1-2、体光栅2、泵浦光输入镜3、非线性晶体4、长波输出镜5、短波输出镜6及二色镜7；
所述的第一平凸透镜1-1和第二平凸透镜1-2的凸面相对，构成耦合系统；
一束2.1μm脉冲泵浦光垂直入射至耦合系统，经耦合系统进行光束变换后以45°入射角入射至泵浦光输入镜3，泵浦光输入镜3透过的2.1μm脉冲泵浦光入射至非线性晶体4，经非线性晶体4进行非线性转换后得到10μm长波红外激光与2.6μm中波红外激光；
所述的非线性晶体4为CdSe晶体；
2.6μm中波红外激光以45°入射角入射至长波输出镜5，并由长波输出镜5反射至短波输出镜6，短波输出镜6对2.6μm中波红外激光的反射率为80％，一部分2.6μm中波红外激光经由短波输出镜6输出，剩余2.6μm中波红外激光经由短波输出镜6以45°入射角反射至长波输出镜5；
反射至长波输出镜5的2.6μm中波红外激光由长波输出镜5反射并穿过非线性晶体4，穿过非线性晶体4的2.6μm中波红外激光以45°入射角入射至泵浦光输入镜3，并由泵浦光输入镜3反射至体光栅2，经体光栅2反射回泵浦光输入镜3，并由泵浦光输入镜3反射至非线性晶体4；
所述的体光栅2为反射式体光栅，中心反射波长为2637.5nm，反射谱的半峰全宽为0.5nm；
入射至非线性晶体4的2.6μm中波红外激光与2.1μm脉冲泵浦光在非线性晶体4内进行非线性转换后得到2.6μm中波红外激光与10μm长波红外激光，10μm长波红外激光与剩余2.1μm脉冲泵浦光经由长波输出镜5输出并入射至二色镜7上，二色镜7将剩余2.1μm脉冲泵浦光反射出去，10μm长波红外激光透过二色镜7并输出。
所述的第一平凸透镜1-1及第二平凸透镜1-2通光面均镀有2μm增透膜，焦距分别为150mm与200mm，直径为10mm。
所述的泵浦光输入镜3一面镀有2μm增透膜，另一面同时镀有2μm增透膜、10μm～12μm增透膜和2.5μm～2.7μm增反膜。
所述的非线性晶体4通光面同时镀有2μm增透膜、2.5μm～2.7μm增透膜和10μm～12μm增透膜。
所述的长波输出镜5一面同时镀有2μm增透膜、10μm～12μm增透膜和2.5μm～2.7μm增反膜，另一面同时镀有2μm增透膜和10μm～12μm增透膜。
所述的短波输出镜6一面同时镀有对2.5μm～2.7μm反射率为80％的部分反射膜、2μm增透膜和10μm～12μm增透膜，另一面同时镀有2μm增透膜、2.5～2.7μm增透膜和10μm～12μm增透膜。
所述的二色镜7一面同时镀有2μm增反膜和10μm～12μm增透膜，另一面镀有10μm～12μm增透膜。
实验表明，CdSe OPO在脉冲重频1kHz、单脉冲能量8.6mJ的2.1μm脉冲激光泵浦条件下，获得了0.1mJ的10μm长波红外激光器，对应光谱的半峰全宽为11nm。
实施例二：
结合图1具体说明，窄线宽的10μm长波红外激光器包括第一平凸透镜1-1、第二平凸透镜1-2、体光栅2、泵浦光输入镜3、非线性晶体4、长波输出镜5、短波输出镜6及二色镜7；
所述的第一平凸透镜1-1和第二平凸透镜1-2的凸面相对，构成耦合系统；
一束2.1μm脉冲泵浦光垂直入射至耦合系统，经耦合系统进行光束变换后以45°入射角入射至泵浦光输入镜3，泵浦光输入镜3透过的2.1μm脉冲泵浦光入射至非线性晶体4，经非线性晶体4进行非线性转换后得到10μm长波红外激光与2.6μm中波红外激光；
所述的非线性晶体4为ZnGeP2晶体；
2.6μm中波红外激光以45°入射角入射至长波输出镜5，并由长波输出镜5反射至短波输出镜6，短波输出镜6对2.6μm中波红外激光的反射率为74％，一部分2.6μm中波红外激光经由短波输出镜6输出，剩余2.6μm中波红外激光经由短波输出镜6以45°入射角反射至长波输出镜5；
反射至长波输出镜5的2.6μm中波红外激光由长波输出镜5反射并穿过非线性晶体4，穿过非线性晶体4的2.6μm中波红外激光以45°入射角入射至泵浦光输入镜3，并由泵浦光输入镜3反射至体光栅2，经体光栅2反射回泵浦光输入镜3，并由泵浦光输入镜3反射至非线性晶体4；
所述的体光栅2为反射式体光栅，中心反射波长为2637.5nm，反射谱的半峰全宽为0.5nm；
入射至非线性晶体4的2.6μm中波红外激光与2.1μm脉冲泵浦光在非线性晶体4内进行非线性转换后得到2.6μm中波红外激光与10μm长波红外激光，10μm长波红外激光与剩余2.1μm脉冲泵浦光经由长波输出镜5输出并入射至二色镜7上，二色镜7将剩余2.1μm脉冲泵浦光反射出去，10μm长波红外激光透过二色镜7并输出。
所述的第一平凸透镜1-1及第二平凸透镜1-2通光面均镀有2μm增透膜，焦距分别为250mm与150mm，直径为10mm。
所述的泵浦光输入镜3一面镀有2μm增透膜，另一面同时镀有2μm增透膜、10μm～12μm增透膜和2.5μm～2.7μm增反膜。
所述的非线性晶体4通光面同时镀有2μm增透膜、2.5μm～2.7μm增透膜和10μm～12μm增透膜。
所述的长波输出镜5一面同时镀有2μm增透膜、10μm～12μm增透膜和2.5μm～2.7μm增反膜，另一面同时镀有2μm增透膜和10μm～12μm增透膜。
所述的短波输出镜6一面同时镀有对2.5μm～2.7μm反射率为74％的部分反射膜、2μm增透膜和10μm～12μm增透膜，另一面同时镀有2μm增透膜、2.5～2.7μm增透膜和10μm～12μm增透膜。
所述的二色镜7一面同时镀有2μm增反膜和10μm～12μm增透膜，另一面镀有10μm～12μm增透膜。
实验表明，ZnGeP2OPO在脉冲重频10kHz、平均功率80W的2.1μm脉冲激光泵浦条件下，获得了1.64W的10μm长波红外激光器，对应光谱的半峰全宽为20nm。

Claims (7)

1.窄线宽的10μm长波红外激光器，其特征在于窄线宽的10μm长波红外激光器包括第一平凸透镜(1-1)、第二平凸透镜(1-2)、体光栅(2)、泵浦光输入镜(3)、非线性晶体(4)、长波输出镜(5)、短波输出镜(6)及二色镜(7)；
所述的第一平凸透镜(1-1)和第二平凸透镜(1-2)的凸面相对，构成耦合系统；
一束2.1μm脉冲泵浦光垂直入射至耦合系统，经耦合系统进行光束变换后以45°入射角入射至泵浦光输入镜(3)，泵浦光输入镜(3)透过的2.1μm脉冲泵浦光入射至非线性晶体(4)，经非线性晶体(4)进行非线性转换后得到10μm长波红外激光与2.6μm中波红外激光；
所述的非线性晶体(4)为ZnGeP2晶体、CdSe晶体或BaGa4Se7晶体；
2.6μm中波红外激光以45°入射角入射至长波输出镜(5)，并由长波输出镜(5)反射至短波输出镜(6)，短波输出镜(6)对2.6μm中波红外激光的反射率为1％～99％，一部分2.6μm中波红外激光经由短波输出镜(6)输出，剩余2.6μm中波红外激光经由短波输出镜(6)以45°入射角反射至长波输出镜(5)；
反射至长波输出镜(5)的2.6μm中波红外激光由长波输出镜(5)反射并穿过非线性晶体(4)，穿过非线性晶体(4)的2.6μm中波红外激光以45°入射角入射至泵浦光输入镜(3)，并由泵浦光输入镜(3)反射至体光栅(2)，经体光栅(2)反射回泵浦光输入镜(3)，并由泵浦光输入镜(3)反射至非线性晶体(4)；
所述的体光栅(2)为反射式体光栅，中心反射波长为2637.5nm，反射谱的半峰全宽为0.5nm；
入射至非线性晶体(4)的2.6μm中波红外激光与2.1μm脉冲泵浦光在非线性晶体(4)内进行非线性转换后得到2.6μm中波红外激光与10μm长波红外激光，10μm长波红外激光与剩余2.1μm脉冲泵浦光经由长波输出镜(5)输出并入射至二色镜(7)上，二色镜(7)将剩余2.1μm脉冲泵浦光反射出去，10μm长波红外激光透过二色镜(7)并输出。
2.根据权利要求1所述的窄线宽的10μm长波红外激光器，其特征在于所述的第一平凸透镜(1-1)及第二平凸透镜(1-2)通光面均镀有2μm增透膜，焦距为10mm～1000mm，直径为10mm～100mm。
3.根据权利要求1所述的窄线宽的10μm长波红外激光器，其特征在于所述的泵浦光输入镜(3)一面镀有2μm增透膜，另一面同时镀有2μm增透膜、10μm～12μm增透膜和2.5μm～2.7μm增反膜。
4.根据权利要求1所述的窄线宽的10μm长波红外激光器，其特征在于所述的非线性晶体(4)通光面同时镀有2μm增透膜、2.5μm～2.7μm增透膜和10μm～12μm增透膜。
5.根据权利要求1所述的窄线宽的10μm长波红外激光器，其特征在于所述的长波输出镜(5)一面同时镀有2μm增透膜、10μm～12μm增透膜和2.5μm～2.7μm增反膜，另一面同时镀有2μm增透膜和10μm～12μm增透膜。
6.根据权利要求1所述的窄线宽的10μm长波红外激光器，其特征在于所述的短波输出镜(6)一面同时镀有对2.5μm～2.7μm反射率为1％～99％的部分反射膜、2μm增透膜和10μm～12μm增透膜，另一面同时镀有2μm增透膜、2.5～2.7μm增透膜和10μm～12μm增透膜。
7.根据权利要求1所述的窄线宽的10μm长波红外激光器，其特征在于所述的二色镜(7)一面同时镀有2μm增反膜和10μm～12μm增透膜，另一面镀有10μm～12μm增透膜。
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