CN110571639B - 一种种子光注入的纳秒脉冲窄线宽光学参量振荡器 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了一种种子光注入的纳秒脉冲窄线宽光学参量振荡器，包括：种子光源装置，用于产生单频连续激光作为光学参量过程闲频光的种子，并对其光斑尺寸以及偏振方向和能量进行调节；泵浦激光源装置，产生光学参量过程所需的泵浦光；泵浦光控制装置，连接至泵浦激光源装置，对泵浦光的能量、偏振方向以及光斑尺寸进行调节；谐振腔装置，连接至泵浦光控制装置及种子光源装置，用于实现非线性光学转换的光能增益与反馈并形成放大振荡，最终稳定输出激光；监测控制系统，用于实时监测输出激光的波长以及实现激光波长的连续调谐。通过合理配置谐振腔结构以及种子光注入的方式，提高了能量转换效率、窄线宽脉冲激光输出稳定性和输出激光波长调谐性能。
Description
技术领域
本公开涉及激光器领域，尤其涉及一种种子光注入的纳秒脉冲窄线宽光学参量振荡器。
背景技术
激光器的结构主要包括：增益介质、谐振腔和泵浦源。一般激光器的工作原理是基于增益介质的粒子数反转，通过谐振腔的选频和反馈进行受激辐射放大后输出相干激光。光学参量振荡器原理上是基于非线性介质的二阶非线性光学转换，泵浦激光在非线性介质内转换产生两束激光，一束为信号光，另一束为闲频光，然后通过谐振腔的选频和反馈进行非线性光学转换放大后输出相干激光。光学参量振荡器光源具有波长调谐范围宽、能量转换效率高、能同时产生两束相纠缠的相干光、全固态结构等优点，在激光化学、量子相干、医学等领域具有广泛的应用。具有窄线宽和高峰值功率纳秒脉冲激光输出的光学参量振荡器在高分辨分子光谱、大气传感器以及激光雷达等领域具有很大的应用需求。近年来得益于非线性光学晶体生长技术的成熟，光学参量振荡器的设计取得了重要的进展。
目前，脉冲窄线宽光学参量振荡器在窄线宽产生方式上主要有两种技术方案：一种是在谐振腔中加入色散元件来获得窄线宽激光输出；另外一种是采用低功率单频连续激光作为种子光注入到谐振腔中并与谐振腔的其中一个腔纵模匹配，然后通过竞争压制其它腔纵模，从而获得窄线宽激光输出。对于通过加入色散元件产生窄线宽激光的技术方案，由于色散元件的损耗在一定程度上限制了激光产生的转换效率。对于单频连续光种子注入光学参量振荡器的技术方案，目前主要是采用单频连续激光注入环形光学谐振腔并作为光学参量过程信号光的种子的方式，该方式需要通过实时调节谐振腔腔长来保证种子光波长与谐振腔的一个纵模匹配来获得有效的种子光注入，并且腔长调节精度需要达到亚微米量级，这在结构上比较复杂，同时也比较难于实现输出激光的稳定性。另外，单频连续光作为环形腔光学参量过程信号光种子的技术方案中泵浦激光和种子激光都是单向通过非线性光学晶体，由于晶体材料的光折射效应，激光在单向通过晶体时会产生一定的光路走离，因此激光波长的连续调谐范围受到相应的限制。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本公开提供了一种种子光注入的纳秒脉冲窄线宽光学参量振荡器，以至少部分解决以上所提出的技术问题。
(二)技术方案
根据本公开的一个方面，提供了一种种子光注入的纳秒脉冲窄线宽光学参量振荡器，包括：
种子光源装置，用于产生单频连续激光作为光学参量过程闲频光的种子，并对其光斑尺寸以及偏振方向和能量进行调节；
泵浦激光源装置，用于产生光学参量过程所需的泵浦光；
泵浦光控制装置，连接至所述泵浦激光源装置，用于对泵浦光的能量、偏振方向以及光斑尺寸进行调节；
谐振腔装置，连接至所述泵浦光控制装置及种子光源装置，用于实现非线性光学转换的光能增益与反馈并形成放大振荡，最终稳定输出激光，所述谐振腔装置包括输出耦合镜、偏振分束立方体、双色镜、非线性光学晶体及高反射率腔镜。
监测控制系统，用于实时监测输出激光的波长以及实现激光波长的连续调谐。
在本公开一些实施例中，所述谐振腔装置中所述偏振分束立方体包括第一偏振分束立方体和第二偏振分束立方体，所述双色镜包括第一双色镜和第二双色镜，所述输出耦合镜、第一偏振分束立方体、第一双色镜、非线性光学晶体、第二双色镜、第二偏振分束立方体及高反射率腔镜依次连接；其中，
所述第一偏振分束立方体用于接收种子光源装置导出的低功率单频连续种子激光，并将其导出至第一双色镜；
所述第一双色镜用于接收第一偏振分束立方体导出的种子光以及泵浦光控制装置导出的泵浦光，并将种子光和泵浦光导出至非线性光学晶体；
所述非线性光学晶体用于接收第一双色镜导出的泵浦光和种子光并实现非线性光学转换生成信号光和闲频光，并将剩余泵浦光、种子光、信号光以及闲频光导出至第二双色镜；
第二双色镜将剩余泵浦光反射并导出至激光能量收集器，并将剩余种子光以及信号光和闲频光透射并导出至第二偏振分束立方体；
所述第二偏振分束立方体将闲频光和剩余种子光导出至闲频光/种子高反射镜，并将信号光导出至高反射率腔镜；
所述高反射率腔镜用于接收第二偏振分束立方体导出的信号光并将其沿原光路反射回第一双色镜，第一双色镜将返回的信号光导出至第一偏振分束立方体，第一偏振分束立方体将返回的信号光导出至输出耦合镜；
所述输出耦合镜为信号光部分反射镜，将部分信号光透射导出，并将剩余信号光沿原光路反射回高反射率腔镜形成放大振荡。
在本公开一些实施例中，所述谐振腔装置还包括电动旋转系统，用于承载非线性光学晶体，并带动非线性光学晶体旋转，实现输出激光的波长调谐。
在本公开一些实施例中，所述种子光源装置沿光路方向依次包括低功率单频连续光种子激光器、准直透镜、第一种子激光半波片、光源偏振分束立方体及第二种子激光半波片，且所述第一种子激光半波片和第二种子激光半波片可旋转，其中，
所述种子激光器用于产生低功率单频连续激光作为光学参量过程闲频光的种子，
所述准直透镜用于准直种子激光器产生的单频连续激光，并调节其光斑尺寸，
所述第一种子激光半波片、第二种子激光半波片用于旋转种子激光的线偏振方向，
所述光源偏振分束立方体用于将种子激光的水平偏振成分和竖直偏振成分分开，并将种子激光的水平偏振成分发送至第二种子激光半波片。
在本公开一些实施例中，所述种子光源系统还包括多个种子激光高反射镜，用于改变种子激光的传播方向。
在本公开一些实施例中，所述泵浦光控制装置沿光路方向依次包括第一泵浦光半波片、泵浦光偏振分束立方体、第二泵浦光半波片、第一光路校准光阑、透镜和第二光路校准光阑，且所述第一泵浦光半波片和第二泵浦光半波片可旋转，从第二光路校准光阑出射的泵浦光通过第一双色镜导入谐振腔装置，其中，
所述第一泵浦光半波片、第二泵浦光半波片用于旋转泵浦光的线偏振方向；
所述泵浦光偏振分束立方体用于将泵浦光的水平偏振成分和竖直偏振成分分开，并将泵浦光的水平偏振成分发送至第二泵浦光半波片；
所述第一光路校准光阑、第二光路校准光阑用于校准泵浦光路；
所述透镜用于调节泵浦光的光斑尺寸。
在本公开一些实施例中，所述透镜包括平凸透镜和平凹透镜，平凸透镜和平凹透镜的平面部分相对平行设置且其之间的距离为所述平凸透镜和平凹透镜的焦距之和。
在本公开一些实施例中，所述泵浦光控制装置还包括：
激光能量收集器，用于收集泵浦光偏振分束立方体分出的竖直偏振泵浦光，以及谐振腔装置中由双色镜导出的剩余泵浦光和种子激光源装置中光源偏振分束立方体分出的竖直偏振种子激光。
在本公开一些实施例中，所述泵浦光控制装置还包括多个泵浦激光高反射镜，用于改变泵浦光的传播方向。
在本公开一些实施例中，所述监测控制系统包括光束取样镜、波长计和控制电脑，其中，
所述光束取样镜用于反射部分闲频光至所述波长计；
所述波长计用于测量闲频光的波长；
所述控制电脑用于实时显示波长并控制电动旋转系统旋转，实现波长的实时在线定位和连续扫描。
在本公开一些实施例中，所述监测控制系统还包括：
闲频光/种子光高反射镜，用于改变输出闲频光的传播方向。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开一种种子光注入的纳秒脉冲窄线宽光学参量振荡器至少具有以下有益效果其中之一：
(1)谐振腔内利用两个双色镜分别将泵浦光导入和导出谐振腔，使泵浦光单向通过非线性光学晶体，并利用两个偏振分束立方体将不同线偏振方向的信号光和闲频光分离，使信号光在谐振腔内发生光学参量振荡和放大，而闲频光由第二偏振分束立方体直接导出，闲频光和泵浦光单向传播的设计防止在采用单频连续激光作为光学参量过程闲频光的种子的注入方式时生成的闲频光脉冲返回种子激光器而损坏种子激光器；
(2)采用低功率单频连续激光作为光学参量过程闲频光的种子的注入方式，由于闲频光不需要与谐振腔纵模相匹配，因此不需要实时精确地调控谐振腔腔长就能实现单频连续激光有效地注入到谐振腔装置中，并能获得稳定的激光输出；
(3)采用经实验测定最优反射率的输出耦合镜以及紧凑的谐振腔结构保证最优化的泵浦激光能量转换效率；
(4)采用经实验测定最优反射率的输出耦合镜以及一定的共振谐振腔失谐状态降低谐振腔纵模模式的分辨度，从而提高单频连续激光种子的注入效率，且能在不主动锁定谐振腔腔长的情况下获得稳定的激光输出，并能在宽范围调谐时保持激光输出的稳定性；
(5)采用光学参量过程信号光来回两次通过非线性光学晶体的腔结构，消除了环形腔结构光学参量过程信号光单次通过非线性光学晶体由非线性光学晶体的折射率引起的光路走离，提高激光输出的稳定性以及激光输出波长的连续调谐范围。
附图说明
图1为本公开第一实施例的种子光注入的纳秒脉冲窄线宽光学参量振荡器的结构示意图。
图2为本公开第二实施例的种子光注入的纳秒脉冲窄线宽光学参量振荡器的结构示意图。
【附图中本公开实施例主要元件符号说明】
100-种子光源装置
101-种子激光器； 102-准直透镜
103-种子激光半波片
1031-第一种子激光半波片； 1032-第二种子激光半波片
104-种子激光高反射镜； 105-光源偏振分束立方体
200-泵浦激光源装置
300-泵浦光控制装置
301-泵浦光高反射镜；
302-泵浦光半波片
3021-第一泵浦光半波片； 3022-第二泵浦光半波片
303-泵浦光偏振分束立方体； 304-激光能量收集器
305-光路校准光阑；
3051-第一光路校准光阑； 3052-第二光路校准光阑
306-透镜
3061-平凸透镜； 3062-平凹透镜
400-谐振腔装置
401-输出耦合镜；
402-偏振分束立方体
4021-第一偏振分束立方体； 4022-第二偏振分束立方体
403-双色镜
4031-第一双色镜； 4032-第二双色镜
404非线性光学晶体； 405-高反射率腔镜
406-电动旋转系统
500-监测控制系统
501-光束取样镜； 502-波长计
503-控制电脑； 504-闲频光/种子光高反射镜。
具体实施方式
本公开提供了一种种子光注入的纳秒脉冲窄线宽光学参量振荡器，通过合理的配置谐振腔结构以及种子光注入的方式以克服现有脉冲窄线宽光学参量振荡器在输出能量转换效率、窄线宽脉冲激光输出的稳定性以及输出窄线宽激光波长调谐性能上的不足，提高能量转换效率、窄线宽脉冲激光输出稳定性以及输出激光波长调谐性能。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
本公开某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本公开的各种实施例可以由许多不同形式实现，而不应被解释为限于此处所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本公开满足适用的法律要求。
在本公开的一个示例性实施例中，提供了一种种子光注入的纳秒脉冲窄线宽光学参量振荡器，图1为本公开第一实施例的一种种子光注入的纳秒脉冲窄线宽光学参量振荡器的结构示意图。如图1所示，本实施例种子光注入的纳秒脉冲窄线宽光学参量振荡器包括：种子光源装置100、泵浦激光源装置200、泵浦光控制装置300、谐振腔装置400及监测控制系统500。
其中，种子光源装置100用于产生单频连续激光作为光学参量过程闲频光的种子，并对其光斑尺寸以及偏振方向和能量进行调节；泵浦激光源装置200用于产生光学参量过程所需的泵浦光。泵浦光控制装置300，用于对泵浦光的能量、偏振方向以及光斑尺寸进行调节；谐振腔装置400，用于实现非线性光学转换的光能增益与反馈并形成放大振荡，最终稳定输出激光；监测控制系统500，用于实时监测输出激光的波长以及实现激光波长的连续调谐。
以下对本实施例种子光注入的纳秒脉冲窄线宽光学参量振荡器的各个部分进行详细说明。下面将以泵浦光波长为532nm，非线性光学晶体404为KTP晶体为例对本方案进行详细说明。
种子光源装置100用于产生单频连续激光作为光学参量过程闲频光的种子，并对其光斑尺寸以及偏振方向和能量进行调节后注入到谐振腔装置400中。具体的，种子光源装置100沿光路方向依次包括低功率单频连续光种子激光器101、准直透镜102、光源偏振分束立方体105，且光源偏振分束立方体105前后各设一种子激光半波片103分别为第一种子激光半波片1031和第二种子激光半波片1032，且所述第一种子激光半波片1031和第二种子激光半波片1032可旋转。
其中，种子激光器101用于产生低功率单频连续激光作为光学参量过程闲频光的种子，目前主要采用外腔式半导体连续激光器或者分布反馈式半导体连续激光器作为种子激光器101，本实施例中种子激光器101采用的是外腔式半导体连续激光器，由一保偏单模光纤输出，激光线宽约为1MHz，最高输出功率约为20mW。
准直透镜102用于准直种子激光器101产生的单频连续激光，并可通过改变准直透镜102的焦距调节其光斑尺寸。
第一种子激光半波片1031设置于所述光源偏振分束立方体105之前，用于旋转入射到光源偏振分束立方体105的种子激光的线偏振方向；第二种子激光半波片1032设置于光源偏振分束立方体105之后，用于旋转从光源偏振分束立方体105出射的种子激光的线偏振方向。
光源偏振分束立方体105用于将种子激光的水平偏振成分和竖直偏振成分分开，并将种子激光的水平偏振成分发送至第二种子激光半波片1032，光源偏振分束立方体105与第一种子激光半波片1031组成一个可连续调节的种子激光能量衰减器。
该种子光源系统100还可包括种子激光高反射镜104，用于改变种子激光的传播方向。示例性地，如图1所示，第二种子激光半波片1032前后设置的两个种子激光高反射镜104。从光源偏振分束立方体105出射的种子激光通过第一种子激光高反射镜1041后垂直射于第二种子激光半波片1032，从第二种子激光半波片1032出射的种子激光通过第二种子激光高反射镜1042后射入谐振腔装置400。
所述泵浦激光源装置200用于产生光学参量过程所需的泵浦光。本实施例中，泵浦激光源装置200为种子注入的Nd：YAG激光器，通过倍频晶体二次谐波产生的波长532nm激光作为光学参量振荡器非线性光学转换过程的泵浦源，线偏振的波长532nm激光(半高全宽)线宽约为85MHz，脉冲重复频率为30HZ、脉冲(半高全宽)宽度约为10ns、光斑直径约为10mm，单脉冲最高输出能量约为350mJ。
所述泵浦光控制装置300包括泵浦光高反射镜301、泵浦光半波片302、泵浦光偏振分束立方体303、激光能量收集器304、光路校准光阑305、透镜306，用于接收泵浦光，并对泵浦光的能量、偏振方向以及光斑尺寸进行调节。本实施例中，泵浦光控制装置300设于泵浦激光源装置200后，用于接收并控制泵浦激光源装置200产生的波长532nm泵浦光，以获得一定光斑尺寸、一定线偏振方向、能量连续可调的波长532nm泵浦光，并将波长532nm泵浦光引入到谐振腔装置400中。
具体地，沿泵浦光传播方向依次包括泵浦光偏振分束立方体303和透镜306，透镜306前后各设一光路校准光阑305分别为第一光路校准光阑3051和第二光路校准光阑3052。其中，泵浦光偏振分束立方体303为波长532nm偏振分束立方体，且泵浦光偏振分束立方体303前后各设一波长532nm的泵浦光半波片302，分别为第一泵浦光半波片3021和第二泵浦光半波片3022，且第一泵浦光半波片3021和第二泵浦光半波片3022可旋转。
其中，泵浦光半波片302可以连续旋转波长532nm泵浦光的线偏振方向，第一泵浦光半波片3021用于旋转进入所述泵浦光偏振分束立方体303的波长532nm泵浦光的线偏振方向，第二泵浦光半波片3022用于旋转从泵浦光偏振分束立方体303射出的波长532nm泵浦光的线偏振方向，泵浦光偏振分束立方体303可以将波长532nm泵浦光的水平偏振成分和竖直偏振成分分开，并将波长532nm泵浦光水平偏振成分发送至第二泵浦光半波片3022。
本实施例中，泵浦光偏振分束立方体303与第一泵浦光半波片3021一起组成532nm泵浦光能量衰减器，实现对水平偏振的532nm泵浦光能量的连续调节，并保证引导至下一光学元件的532nm泵浦光的线偏振方向为水平偏振，同时将多余的竖直偏振分量引导至激光能量收集器304中进行收集，防止无用泵浦光出射到光路以外的自由空间。
所述透镜306用于调节泵浦光的光斑尺寸，透镜306包括平凸透镜3061和平凹透镜3062，平凸透镜3061和平凹透镜3062一起组成一个伽利略望远镜系统，平凸透镜3061和平凹透镜3062的平面部分相对平行设置且其之间的距离为平凸透镜3061和平凹透镜3062的焦距之和，可选情况下平凸透镜3061和平凹透镜3062的距离可以进行微调从而使得出射光为平行光，入射波长532nm泵浦光从平凸透镜3061的凸面进入，从平凹透镜3062的凹面射出。
所述光路校准光阑305用于校准泵浦光路，本实施例中光路校准光阑305的数量为两个，分别为第一光路校准光阑3051和第二光路校准光阑3052，分别设于透镜306的前后。
该泵浦光控制装置300还包括多个泵浦光高反射镜301，本实施例中中，所述泵浦光高反射镜301为532nm高反射镜，用于改变波长532nm泵浦光的方向。具体地，泵浦激光源装置200产生的波长532nm泵浦光经过3个泵浦光高反射镜301改变方向后垂直射于第一泵浦光半波片3021，从泵浦光偏振分束立方体303射出的水平偏振的波长532nm泵浦光经过两个泵浦光高反射镜301改变方向后垂直射于第二泵浦光半波片3022，从第二泵浦光半波片3022射出的波长532nm泵浦光经过一个泵浦光高反射镜301后垂直射于第一光路校准光阑3051，从第二光路校准光阑3052射出的波长532nm泵浦光经过一个泵浦光高反射镜301后射于第一双色镜4031。
所述谐振腔装置400包括输出耦合镜401、偏振分束立方体402、双色镜403、非线性光学晶体404、高反射率腔镜405，用于实现非线性光学转换的光能增益与反馈并形成放大振荡，最终稳定输出激光。其中，偏振分束立方体402包括第一偏振分束立方体4021及第二偏振分束立方体4022；两个双色镜403设于两个偏振分束立方体402之间，分别为第一双色镜4031和第二双色镜4032；非线性光学晶体404设于两个双色镜403之间。
其中，第一偏振分束立方体4021设于输出耦合镜401和第一双色镜4031之间，第二偏振分束立方体4022设于高反射率腔镜405和第二双色镜4032之间。本实施例中偏振分束立方体402采用的是900nm-1300nm的宽带偏振分束立方体，在本实施例中图1的光学参量振荡器结构中，偏振分束立方体402对光学参量过程产生的信号光的反射率大于99％，对种子光以及光学参量过程产生的闲频光的透射率大于97％。
所述第一双色镜4031和第二双色镜4032设于两个偏振分束立方体402之间，两个双色镜403分别用于将波长532nm泵浦光导入和导出谐振腔装置400，使波长532nm泵浦光单向通过非线性光学晶体404，防止反向通过非线性光学晶体404时，由非线性光学转换产生的闲频光脉冲传播到单频连续光种子激光器101而损坏单频连续光种子激光器101。本实施例中双色镜403对波长532nm泵浦光的反射率大于99％，对种子光以及由光学参量过程产生的信号光和闲频光的透射率大于96％。
非线性光学晶体404设于两个双色镜403之间，该非线性光学晶体404的材料可以为KTP(KTiOPO4)、BBO(β-BaB2O4)等，本实施例中非线性光学晶体404的材料采用KTP晶体，KTP晶体具有损伤阈值高、非线性系数高、温敏系数低、在空气中不潮解等优点，本实施例中图1光学参量振荡器采用的KTP晶体尺寸为12mm*12mm*25mm，12mm*12mm的两个面为通光面，通光面均镀有532nm以及1000nm-1100nm增透膜，主轴平面为xy面，切割角为θ＝90度，φ＝9.8度，采用第II类相位匹配。
所述偏振分束立方体402用于将光学参量过程产生的信号光和闲频光以及种子光分离。其中，第一偏振分束立方体4021用于接收种子光源装置100导出的低功率单频连续种子激光，并将其导出至第一双色镜4031，第一双色镜4031用于接收第一偏振分束立方体4021导出的种子光以及从泵浦光控制装置300中第二光路校准光阑3052出射的波长532nm泵浦光，并将种子光和泵浦光导出至非线性光学晶体404。
所述非线性光学晶体404用于接收从第一双色镜4031出射的种子光以及波长532nm泵浦光并实现非线性光学转换生成信号光和闲频光，并将剩余波长532nm泵浦光、种子光、信号光以及闲频光导出至第二双色镜4032，第二双色镜4032用于接收从非线性光学晶体404导出的剩余波长532nm泵浦光、种子光、光学参量过程产生的信号光和闲频光，并将剩余波长532nm泵浦光反射并导出谐振腔装置400至激光能量收集器304进行收集，将种子光以及信号光和闲频光透射并导出至第二偏振分束立方体4022，第二偏振分束立方体4022将闲频光和种子光导出至闲频光/种子光高反射镜504，并将信号光导出至高反射率腔镜405。
所述高反射率腔镜405用于接收第二偏振分束立方体4022导出的信号光，并将其沿原光路反射回第一双色镜4031，第一双色镜4031将返回的信号光导出至第一偏振分束立方体4021，第一偏振分束立方体4021将返回的信号光导出至输出耦合镜401，输出耦合镜401为信号光部分反射镜，将部分信号光透射导出，并将剩余信号光沿原光路反射回高反射率腔镜405形成放大振荡。
所述高反射率腔镜405和一个经由实验测定和优化反射率的输出耦合镜401形成一个谐振腔，谐振腔内各光学元件紧凑放置。本实施例中谐振腔长度约为16cm，本实施例中谐振腔可处于一定的失谐状态，提高单频连续激光种子注入的效率和稳定性，本实施例中高反射率腔镜405对信号光的反射率大于97％，输出耦合镜401对信号光的反射率约为30％。本实施例中闲频光由第二偏振分束立方体导出谐振腔装置400，使闲频光单向通过谐振腔装置400，防止在采用单频连续光作为光学参量过程闲频光种子注入时闲频光的返回损坏单频连续光种子激光器101，输出的信号光来回两次通过非线性光学晶体404，消除了单向通过非线性光学晶体404由非线性光学晶体404折射率引起的光路走离，保证整个波长调谐范围内信号光输出的空间稳定性。
该谐振腔装置400还包括电动旋转系统406，用于承载非线性光学晶体404，用于带动非线性光学晶体404旋转，实现输出激光的波长调谐。
所述监测控制系统500用于实时监测输出激光的波长以及实现激光波长的连续调谐。本实施例中，监测控制系统500包括光束取样镜501、波长计502和控制电脑503。光束取样镜501用于反射部分闲频光至波长计502，波长计502用于测量闲频光的波长，控制电脑503用于实时显示波长并控制电动旋转系统406旋转，实现波长的实时在线定位和连续扫描。可选地，所述监测控制系统500还可以包括闲频光/种子光高反射镜504，用于改变输出闲频光的传播方向。
至此，本公开第一实施例种子光注入的纳秒脉冲窄线宽光学参量振荡器介绍完毕。
在本公开的第二个示例性实施例中，提供了另一种种子光注入的纳秒脉冲窄线宽光学参量振荡器。图2为本公开第二实施例的一种种子光注入的纳秒脉冲窄线宽光学参量振荡器的结构示意图。如图2所示，本实施例种子光注入的纳秒脉冲窄线宽光学参量振荡器同样包括：种子光源装置100、泵浦激光源装置200、泵浦光控制装置300、谐振腔装置400及监测控制系统500。而与第一实施例不同的是，第二实施例中谐振腔装置400的谐振腔为一个直腔结构，种子光由第一偏振分束立方体4021反射并导入谐振腔装置400，同时闲频光和剩余种子光由第二偏振分束立方体4022反射并导出谐振腔装置400，而信号光在谐振腔振荡时高透射率通过偏振分束立方体402。
在第一实施例中，偏振分束立方体402对闲频光和种子光是透射的，对信号光是反射的，而第二实施例中，偏振分束立方体402对闲频光和种子光是反射的，对信号光是透射的。因此，第一实施例适用于闲频光为水平偏振，信号光为竖直偏振；第二实施例适用于闲频光为竖直偏振，信号光为水平偏振，而闲频光和信号光的偏振方向由晶体以及晶体的摆放方位决定的。
其中，在本实施例中，偏振分束立方体402对光学参量过程产生的信号光的透射率大于97％，对种子光以及光学参量过程产生的闲频光的反射率大于99％。
此外，本实施例中图2光学参量振荡器采用的KTP晶体尺寸为10mm*5mm*20mm，10mm*5mm的两个面为通光面，通光面均镀有532nm以及900nm-1300nm增透膜，主轴平面为xz面，切割角为θ＝62度，φ＝0度，采用第II类相位匹配。
为了达到简要说明的目的，上述实施例1中任何可作相同应用的技术特征叙述皆并于此，无需再重复相同叙述。
至此，本公开第二实施例种子光注入的纳秒脉冲窄线宽光学参量振荡器介绍完毕。
至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。
并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。
再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。
本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。并且，在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。
类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种种子光注入的纳秒脉冲窄线宽光学参量振荡器，其特征在于，包括：
种子光源装置(100)，用于产生单频连续激光作为光学参量过程闲频光的种子，并对其光斑尺寸以及偏振方向和能量进行调节；
泵浦激光源装置(200)，用于产生光学参量过程所需的泵浦光；
泵浦光控制装置(300)，连接至所述泵浦激光源装置(200)，用于对泵浦光的能量、偏振方向以及光斑尺寸进行调节；
谐振腔装置(400)，连接至所述泵浦光控制装置(300)及种子光源装置(100)，用于实现非线性光学转换的光能增益与反馈并形成放大振荡，最终稳定输出激光，所述谐振腔装置(400)包括输出耦合镜(401)、偏振分束立方体(402)、双色镜(403)、非线性光学晶体(404)及高反射率腔镜(405)；
监测控制系统(500)，用于实时监测输出激光的波长以及实现激光波长的连续调谐；
其中，所述种子光源装置(100)沿光路方向依次包括低功率单频连续光种子激光器(101)、准直透镜(102)、第一种子激光半波片(1031)、光源偏振分束立方体(105)及第二种子激光半波片(1032)，且所述第一种子激光半波片(1031)和第二种子激光半波片(1032)可旋转，其中，所述种子激光器(101)用于产生低功率单频连续激光作为光学参量过程闲频光的种子；所述准直透镜(102)用于准直种子激光器(101)产生的单频连续激光，并调节其光斑尺寸；所述第一种子激光半波片(1031)、第二种子激光半波片(1032)用于旋转种子激光的线偏振方向；所述光源偏振分束立方体(105)用于将种子激光的水平偏振成分和竖直偏振成分分开，并将种子激光的水平偏振成分发送至第二种子激光半波片(1032)；
其中，所述泵浦光控制装置(300)沿光路方向依次包括第一泵浦光半波片(3021)、泵浦光偏振分束立方体(303)、第二泵浦光半波片(3022)、第一光路校准光阑(3051)、透镜(306)和第二光路校准光阑(3052)，且所述第一泵浦光半波片(3021)和第二泵浦光半波片(3022)可旋转，从第二光路校准光阑(3052)出射的泵浦光通过第一双色镜(4031)导入谐振腔装置(400)，
所述第一泵浦光半波片(3021)、第二泵浦光半波片(3022)用于旋转泵浦光的线偏振方向；
所述泵浦光偏振分束立方体(303)用于将泵浦光的水平偏振成分和竖直偏振成分分开，并将泵浦光的水平偏振成分发送至第二泵浦光半波片(3022)；
所述第一光路校准光阑(3051)、第二光路校准光阑(3052)用于校准泵浦光路；
所述透镜(306)用于调节泵浦光的光斑尺寸；
其中，所述谐振腔装置(400)中所述偏振分束立方体(402)包括第一偏振分束立方体(4021)和第二偏振分束立方体(4022)，所述双色镜(403)包括第一双色镜(4031)和第二双色镜(4032)，所述输出耦合镜(401)、第一偏振分束立方体(4021)、第一双色镜(4031)、非线性光学晶体(404)、第二双色镜(4032)、第二偏振分束立方体(4022)及高反射率腔镜(405)依次连接；
所述第一偏振分束立方体(4021)用于接收种子光源装置(100)导出的低功率单频连续种子激光，并将其导出至第一双色镜；
所述第一双色镜(4031)用于接收第一偏振分束立方体(4021)导出的种子光以及泵浦光控制装置(300)导出的泵浦光，并将种子光和泵浦光导出至非线性光学晶体(404)；
所述非线性光学晶体(404)用于接收第一双色镜(4031)导出的泵浦光和种子光并实现非线性光学转换生成信号光和闲频光，并将剩余泵浦光、种子光、信号光以及闲频光导出至第二双色镜(4032)；
第二双色镜(4032)将剩余泵浦光反射并导出至激光能量收集器(304)，并将剩余种子光以及信号光和闲频光透射并导出至第二偏振分束立方体(4022)；
所述第二偏振分束立方体(4022)将闲频光和剩余种子光导出至闲频光/种子高反射镜(504)，并将信号光导出至高反射率腔镜(405)；
所述高反射率腔镜(405)用于接收第二偏振分束立方体(4022)导出的信号光并将其沿原光路反射回第一双色镜(4031)，第一双色镜(4031)将返回的信号光导出至第一偏振分束立方体(4021)，第一偏振分束立方体(4021)将返回的信号光导出至输出耦合镜(401)；
所述输出耦合镜(401)为信号光部分反射镜，将部分信号光透射导出，并将剩余信号光沿原光路反射回高反射率腔镜(405)形成放大振荡；
所述谐振腔装置(400)还包括电动旋转系统(406)，用于承载非线性光学晶体(404)，并带动非线性光学晶体(404)旋转，实现输出激光的波长调谐。
2.根据权利要求1所述的纳秒脉冲窄线宽光学参量振荡器，其特征在于，所述种子光源装置(100)还包括多个种子激光高反射镜(104)，用于改变种子激光的传播方向。
3.根据权利要求1所述的纳秒脉冲窄线宽光学参量振荡器，其特征在于，所述透镜(306)包括平凸透镜(3061)和平凹透镜(3062)，平凸透镜(3061)和平凹透镜(3062)的平面部分相对平行设置且其之间的距离为所述平凸透镜(3061)和平凹透镜(3062)的焦距之和。
4.根据权利要求1所述的纳秒脉冲窄线宽光学参量振荡器，其特征在于，还包括：
激光能量收集器(304)，用于收集泵浦光偏振分束立方体(303)分出的竖直偏振泵浦光，以及谐振腔装置(400)中由第二双色镜(4032)反射并导出的剩余泵浦光和种子光源装置(100)中光源偏振分束立方体(105)分出的竖直偏振种子激光。
5.根据权利要求1所述的纳秒脉冲窄线宽光学参量振荡器，其特征在于，
所述泵浦光控制装置(300)还包括多个泵浦激光高反射镜(301)，用于改变泵浦光的传播方向。
6.根据权利要求1所述的纳秒脉冲窄线宽光学参量振荡器，其特征在于，所述监测控制系统(500)包括光束取样镜(501)、波长计(502)和控制电脑(503)，其中，
所述光束取样镜(501)用于反射部分闲频光至所述波长计(502)；
所述波长计(502)用于测量闲频光的波长；
所述控制电脑(503)用于实时显示波长并控制电动旋转系统(406)旋转，实现波长的实时在线定位和连续扫描。
7.根据权利要求6所述的纳秒脉冲窄线宽光学参量振荡器，其特征在于，所述监测控制系统(500)还包括：
闲频光/种子光高反射镜(504)，用于改变输出闲频光的传播方向。
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Also Published As
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