CN110556699A - 纳秒激光器泵浦的高能量高光束质量可调谐光参量振荡器 - Google Patents
纳秒激光器泵浦的高能量高光束质量可调谐光参量振荡器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于光参量振荡器领域，公开了一种纳秒激光器泵浦的高能量高光束质量可调谐光参量振荡器，包括：纳秒激光泵浦源；从泵浦源发出的激光经过一个望远镜缩束系统和半波片入射到环形腔，激光起振后经平面镜MII反射到非线性晶体CI，经平面镜MIII反射之后入射到非线性晶体CII，激光到达平面镜MI后泵浦光被原路返回，闲频光和信号光通过MII耦合输出；之后光束进入五角棱镜分光，通过同步控制非线性晶体和五角棱镜实现特定波长的输出，实现了近衍射极限、高转换效率的可调谐激光输出，与现有的技术相比光束质量有了显著提升。
Description
技术领域
本发明涉及光参量振荡器技术领域，特别涉及一种纳秒激光器泵浦的高能量高光束质量的可调谐光参量振荡器。
背景技术
激光因其固有的高相干性、高单色性、高亮度和高方向性等优点，在科研和工业等领域得到广泛的应用。但是由于增益介质具有频率特性的原因，一种激光器往往只有一种波长输出，这严重限制了激光更广泛的应用。随着光学技术的快速发展，对激光的参数提出的更高的要求。基于OPO技术的可调谐固体激光器具有转换效率高、调谐范围宽、光束质量好以及结构简单等优点，是目前国内外研究最多的可调谐激光实现方式之一。1965年美国贝尔实验室的J.A.Giordmaine和R.C.Miller首先利用脉冲泵浦实现了光学参量振荡输出(Phys.Rev.Lett(1965).14,973)。在随后的一段时间由于LiNbO3、KDP、ADP等晶体都或多或少存在非线性系数小、损伤阈值低，物理化学性质不稳定等缺点，光参量振荡技术很难达到实际的需求，主要工作集中在光参量振荡的理论研究。到二十世纪80年代以后，随着晶体生长技术的快速发展，各种晶体的性能有了大幅度的提升，并且出现了KTP、BBO、LBO、PPLN等一系列性能优异的非线性晶体，同时激光技术也取得了大的进展。利用纳秒激光源作为泵浦激光，腔型多采用结构相对简单的平平腔结构，实现了大能量的可见光、中红外激光输出(Applied Physics B(2014),117(2):639-643,Applied Physics B(2001),72(5):583-589)。随后，通过倍频过程实现紫外输出。而对于高能量激光的输出，一般需要缩短腔长，而腔长的缩短会使得信号建立时间减小，这一方面使得输出功率性能有增加，另一方面，也弱化了激光腔对高阶模式的抑制能力，所以相应的恶化了激光的光束质量，远不能达到其远距离传输的需求。
综上所述，现有的技术存在问题是：高能量的激光输出一般需要缩短平平腔的腔长来实现，而短腔长又恰恰限制了激光的光束质量，并且平平腔一般需要倾斜放置以防止泵浦光返回泵浦腔内损坏泵浦源，这进一步恶化了中红外激光的光束质量，降低了转换效率。
因此，如何提供一种环形腔结构的光参量振荡器产生高光束质量、高能量、宽调谐范围的激光脉冲是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明针对上述研究现状和存在的问题，提供了一种纳秒激光器泵浦的高能量高光束质量可调谐光参量振荡器，采用环形腔结构，提高了输出闲频光、信号光的光束品质。
本发明提供的一种纳秒激光器泵浦的高能量高光束质量可调谐光参量振荡器，包括按照泵浦光传播方向依次设置的泵浦源、缩束系统、半波片、环形腔结构和五角棱镜；所述环形腔结构包括三个相对设置的平面镜MI、MII、MIII，MII与MIII的光路上设置有非线性晶体CI，MIII与MI的光路上设置有非线性晶体CII；其中，
纳秒激光器作为泵浦源；
半波片用于调节泵浦光的偏振态，将泵浦光由水平偏振态调整为垂直偏振态，以便于非线性晶体CI、CII能振荡出信号光和闲频光；
缩束系统用于缩小泵浦光光斑；
平面镜MI将泵浦光导入环形腔内并传播至平面镜MII表面，平面镜MI用于透过泵浦光，反射信号光、闲频光；
平面镜MII将泵浦光反射至非线性晶体CI表面，平面镜MII用于反射泵浦光，并作为输出镜输出闲频光、信号光，且平面镜MII的信号光、闲频光反射率R为70％～80％；
非线性晶体CI夹持在步进电机的旋转轴上，且晶轴方向同泵浦光的传播方向同向，晶体前后表面镀有针对泵浦光，信号光的增透膜；非线性晶体CI在步进电机的带动下相对激光光传播方向以固定角度摆动；晶体前后表面为垂直于光路传播方向的面；
平面镜MIII接收经非线性晶体振荡后产生的泵浦光、闲频光和信号光，并反射至非线性晶体CII表面，平面镜MIII用于反射泵浦光、信号光、闲频光；
非线性晶体CII夹持在步进电机的旋转轴上，且晶轴方向同泵浦光的传播逆方向同向，晶体前后表面镀有针对泵浦光，信号光的增透膜；非线性晶体CII在步进电机的带动下相对泵浦光传播方向以固定角度摆动；非线性晶体CII将泵浦光、闲频光和信号光传播至平面镜MI表面；非线性晶体CII用于补偿经非线性晶体CI振荡产生的闲频光的走离角。
五角棱镜固定在自动旋转平台上，使得输出信号光和闲频光分别沿确定光路传播，确保光路在晶体调谐过程中不受影响，对于光源的应用具有重要作用。
优选的，所述泵浦源输出能量大于90mJ，光束发散角小于1mrad。
优选的，将非线性晶体CI、CII以相对等角度夹持在步进电机的转接台上，并且通过温控炉将非线性晶体CI、CII温度维持在40℃。
优选的，将五角棱镜固定在自动旋转平台上，并且通过控制器同步控制自动旋转平台和步进电机的旋转角度。
优选的，所述平面镜MI的泵浦光反射率R＜1％，信号光、闲频光反射率R>99％。
优选的，所述平面镜MII的泵浦光反射率R>99％。
优选的，所述平面镜MIII泵浦光、信号光、闲频光反射率R>99％。
优选的，所述缩束系统包括沿泵浦光传播方向设置的平凸镜和平凹镜。
优选的，所述平面镜MI、MII、MIII构成三镜腔，且分别位于三镜腔的三个顶点位置。
优选的，所述非线性晶体CI、CII包括KTP晶体。
本发明相较现有技术具有以下有益效果：
泵浦源发出的泵浦光(激光)经过一个望远镜缩束系统和半波片入射到平面镜MI，后入射到平面镜MII并经非线性晶体CI起振后，被平面镜MIII反射到达非线性晶体CII，对CI振荡的闲频光走离角进行补偿，后反射至平面镜MI，泵浦光被原路返回，振荡产生的信号光和闲频光经平面镜MII耦合输出，之后通过非线性晶体和五角棱镜的同步控制实现特定波长的输出，实现了光束质量可达近衍射极限的高品质可调谐激光输出。
目前获得高能量的光参量振荡输出多采用短腔长平平腔结构，腔长的缩短，减弱了谐振腔对高阶模式的抑制能力，很难获得高光束质量的输出。本发明实现了一种纳秒激光器泵浦的高能量高光束质量可调谐光参量振荡器，获得了近衍射极限的高品质可调谐纳秒激光输出；与常规的平平腔光参量激光器相比，光束质量有了大幅提升。本发明具有很好的实用性，结构简单紧凑、高稳定、高光束质量有效保护泵浦源等优点，并且适合工业批量生产，可广泛应用于军事、科研、医疗等领域，具有广阔的应用前景和商业价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的环形腔结构内部光路变化图。
图2是本发明实施例提供的纳秒激光器泵浦的高能量高光束质量的光参量振荡器的光路结构示意图。
图3是本发明实施例提供的中红外激光输出能量随泵浦能量的变化关系图；
图4是本发明实施例提供的中红外激光输出的光束质量表征图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合附图1和2对本发明的应用原理作详细的描述。
如图2所示，本发明实施例的纳秒激光器泵浦的高能量高光束质量可调谐光参量振荡器包括按照泵浦光传播方向依次设置的泵浦源1、缩束系统、半波片4、环形腔结构和五角棱镜10；环形腔结构包括三个相对设置的平面镜MI5、MII6、MIII8，MII6与MIII8的光路上设置有非线性晶体CI7，MIII8与MI5的光路上设置有非线性晶体CII8；其中，
纳秒激光器作为泵浦源1，泵浦源1输出波长为1064nm的泵浦激光，发散角θ≤1mrad，重复频率1-10Hz可调，最大输出能量300mJ。本实施例中泵浦源1输出能量选择大于90mJ。
半波片4用于调节泵浦光的偏振态，将泵浦光由水平偏振态调整为垂直偏振态，以便于非线性晶体CI7、CII9能振荡出信号光和闲频光；
缩束系统包括沿泵浦光传播方向设置的平凸镜2和平凹镜3，平凸镜2：f＝150mm，平凹镜3：f＝-50mm，用于缩小泵浦光光斑；
平面镜MI5将泵浦光导入环形腔内并传播至平面镜MII6表面，平面镜MI5用于透过泵浦光，反射信号光、闲频光；平面镜MI5的泵浦光反射率R＜1％，信号光、闲频光反射率R>99％；
平面镜MII6将泵浦光反射至非线性晶体CI7表面，平面镜MII6用于反射泵浦光，并作为输出镜输出闲频光、信号光，且平面镜MII6的的泵浦光反射率R>99％，信号光、闲频光反射率R为70％～80％；
非线性晶体CI7夹持在步进电机的旋转轴上，且晶轴方向同泵浦光的传播方向同向，晶体前后表面镀有针对泵浦光，信号光的增透膜；非线性晶体CI7在步进电机的带动下相对激光光传播方向以固定角度摆动；晶体前后表面为垂直于光路传播方向的面；通过温控炉将非线性晶体CI7温度维持在40℃；
平面镜MIII8接收经非线性晶体CI7振荡后产生的泵浦光、闲频光和信号光，并反射至非线性晶体CII9表面，平面镜MIII8用于反射泵浦光、信号光、闲频光，且平面镜MIII8的泵浦光、信号光、闲频光反射率R>99％；
非线性晶体CII9夹持在步进电机的旋转轴上，且晶轴方向同泵浦光的传播逆方向同向，晶体前后表面镀有针对泵浦光，信号光的增透膜；非线性晶体CII9在步进电机的带动下相对泵浦光传播方向以固定角度摆动；通过温控炉将非线性晶体CII9温度维持在40℃，并与非线性晶体CI5相对等角度夹持在步进电机的转接台上；非线性晶体CII9将泵浦光、闲频光和信号光传播至平面镜MI5表面；非线性晶体CII9用于补偿经非线性晶体CI7振荡产生的闲频光的走离角。
五角棱镜10固定在自动旋转平台上，使得输出信号光和闲频光分别沿确定光路传播，确保光路在晶体调谐过程中不受影响，对于光源的应用具有重要作用。本实施例中，通过控制器同步控制自动旋转平台和步进电机的旋转角度。步进电机控制非线性晶体CI7和CII9的摆动角度将影响闲频光和信号光的波长调谐范围，摆动角度越大，波长调谐范围越宽，以满足不同的输出信号需求。
如图1所示，平面镜MI5、MII6、MIII8构成三镜腔，且分别位于三镜腔的三个顶点位置。可以看出，激光束中的外部光线在这种腔体中的每次往返之后变成内部光线，反之亦然。这显着地补偿了激光场的横向结构的不均匀性，并且大大降低了光学不均匀性和泵浦光束质量对输出的影响，并且这种结构有效降低了反射光损伤泵源的风险。
为了进一步优化上述技术方案，非线性晶体采用KTP晶体。
为了进一步优化上述技术方案，平面镜MI5的表面镀有泵浦光增透膜T<1％，以及闲频光、信号光高反膜R>99％；平面镜MII6的表面镀有闲频光、信号光增透膜T<1％，以及泵浦光高反膜R>99％；平面镜MIII8的表面镀有泵浦光、闲频光、信号光高反膜R>99％。
本发明的光路传播具体为：泵浦源1发出的泵浦光(激光)经过一个望远镜缩束系统和半波片4入射到平面镜MI5，后入射到平面镜MII6并经非线性晶体CI7起振后，泵浦光被振荡出闲频光和信号光，以及剩余泵浦光，均被平面镜MIII8反射到达非线性晶体CII9，CII9的主要作用为对CI7振荡的闲频光走离角进行补偿，后传播至平面镜MI5，由于MI5对泵浦光透过率高，因此经过该次振荡过程后剩余的泵浦光被原路返回，振荡产生的信号光和闲频光被反射至平面镜MII6，并经平面镜MII6耦合输出至五角棱镜10，之后通过非线性晶体和五角棱镜的同步控制实现特定波长的输出，实现了由单一波长的光，震荡得到波长较大的闲频光和波长较小的信号光，获得光束质量为1.7倍的衍射极限的高能量2.6μm激光输出，光束质量与平平腔5倍衍射极限相比有了较大提升。
本发明提供的激光器输出能量随泵浦能量的变化关系如图3所示，输出能量随泵浦能量的增大而增大，最大输出能量为10.6mJ，转化效率5.8％。衍射极限倍数的测量时采用近场方法测量远场发散角，即利用一个聚焦光学系统将被测激光束聚焦光斑大小如图4所示，之后得到实际远场发散角和近场发散角之比即光束的衍射极限倍数。
本发明可以调节非线性晶体KTP，从而改变泵浦光的入射角度，实现宽的波长调谐范围，最后通过调节五角棱镜使得输出信号光和闲频光激光分别沿确定光路传播，确保光路在晶体调谐过程中不受影响，对于光源的应用具有重要作用。
以上对本发明所提供的一种纳秒激光器泵浦的高能量高光束质量可调谐光参量振荡器进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
Claims (10)
1.一种纳秒激光器泵浦的高能量高光束质量可调谐光参量振荡器，其特征在于：包括按照泵浦光传播方向依次设置的泵浦源、缩束系统、半波片、环形腔结构和五角棱镜；所述环形腔结构包括三个相对设置的平面镜MI、MII、MIII，MII与MIII的光路上设置有非线性晶体CI，MIII与MI的光路上设置有非线性晶体CII；其中，
纳秒激光器作为泵浦源；
半波片用于调节泵浦光的偏振态；
缩束系统用于缩小泵浦光光斑；
平面镜MI将泵浦光导入环形腔内并传播至平面镜MII表面，平面镜MI用于透过泵浦光，反射信号光、闲频光；
平面镜MII将泵浦光反射至非线性晶体CI表面，平面镜MII用于反射泵浦光，并作为输出镜输出闲频光、信号光，且平面镜MII的信号光、闲频光反射率R为70％～80％；
非线性晶体CI夹持在步进电机的旋转轴上，且晶轴方向同泵浦光的传播方向同向，晶体前后表面镀有针对泵浦光，信号光的增透膜；非线性晶体CI在步进电机的带动下相对激光光传播方向以固定角度摆动；
平面镜MIII接收经非线性晶体振荡后产生的泵浦光、闲频光和信号光，并反射至非线性晶体CII表面，平面镜MIII用于反射泵浦光、信号光、闲频光；
非线性晶体CII夹持在步进电机的旋转轴上，且晶轴方向同泵浦光的传播逆方向同向，晶体前后表面镀有针对泵浦光，信号光的增透膜；非线性晶体CII在步进电机的带动下相对泵浦光传播方向以固定角度摆动；非线性晶体CII将泵浦光、闲频光和信号光传播至平面镜MI表面；
五角棱镜固定在自动旋转平台上，使得输出信号光和闲频光分别沿确定光路传播。
2.根据权利要求1所述的一种纳秒激光器泵浦的高能量高光束质量可调谐光参量振荡器，其特征在于，所述泵浦源输出能量大于90mJ，光束发散角小于1mrad。
3.根据权利要求1所述的一种纳秒激光器泵浦的高能量高光束质量可调谐光参量振荡器，其特征在于，将非线性晶体CI、CII以相对等角度夹持在步进电机的转接台上，并且通过温控炉将非线性晶体CI、CII温度维持在40℃。
4.根据权利要求1所述的一种纳秒激光器泵浦的高能量高光束质量可调谐光参量振荡器，其特征在于，将五角棱镜固定在自动旋转平台上，并且通过控制器同步控制自动旋转平台和步进电机的旋转角度。
5.根据权利要求1所述的一种纳秒激光器泵浦的高能量高光束质量可调谐光参量振荡器，其特征在于，所述平面镜MI的泵浦光反射率R＜1％，信号光、闲频光反射率R>99％。
6.根据权利要求1所述的一种纳秒激光器泵浦的高能量高光束质量可调谐光参量振荡器，其特征在于，所述平面镜MII的泵浦光反射率R>99％。
7.根据权利要求1所述的一种纳秒激光器泵浦的高能量高光束质量可调谐光参量振荡器，其特征在于，所述平面镜MIII泵浦光、信号光、闲频光反射率R>99％。
8.根据权利要求1所述的一种纳秒激光器泵浦的高能量高光束质量可调谐光参量振荡器，其特征在于，所述缩束系统包括沿泵浦光传播方向设置的平凸镜和平凹镜。
9.根据权利要求1所述的一种纳秒激光器泵浦的高能量高光束质量可调谐光参量振荡器，其特征在于，所述平面镜MI、MII、MIII构成三镜腔，且分别位于三镜腔的三个顶点位置。
10.根据权利要求1或3所述的一种纳秒激光器泵浦的高能量高光束质量可调谐光参量振荡器，其特征在于，所述非线性晶体CI、CII包括KTP晶体。
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