CN110729627A

CN110729627A - 一种多光束泵浦的光参量振荡器装置

Info

Publication number: CN110729627A
Application number: CN201911313216.2A
Authority: CN
Inventors: 尹志军; 吴冰; 张虞; 许志城
Original assignee: Nanjing Nanzhi Advanced Photoelectric Integrated Technology Research Institute Co Ltd
Current assignee: Nanjing Nanzhi Advanced Photoelectric Integrated Technology Research Institute Co Ltd
Priority date: 2019-12-19
Filing date: 2019-12-19
Publication date: 2020-01-24

Abstract

本申请提供一种多光束泵浦的光参量振荡器装置，包括：泵浦激光器、第一光分束器装置、及光参量振荡器；所述泵浦激光器输出泵浦光，射入所述第一光分束器装置；所述第一光分束器装置包括第一折射光学元件和第二折射光学元件；经由所述泵浦激光器输出的泵浦光射入所述第一折射光学元件进行角度分束，输出发散角不同的多束激光；所述发散角不同的多束激光射入所述第二折射光学元件进行偏折，输出平行的多束激光；所述平行的多束激光射入所述光参量振荡器振荡，输出所述多波长激光。该装置的用于光分束的结构具有零部件少，结构简单紧凑，可靠性高的优点，从而用以解决上述现有技术中光分束结构零部件多，结构复杂，可靠性低的问题。

Description

一种多光束泵浦的光参量振荡器装置

技术领域

本申请涉及激光技术领域，尤其是涉及一种多光束泵浦的光参量振荡器装置。

背景技术

光参量振荡器（英语：Optical Parametric Oscillator）是一个振荡在光学频率的参量振荡器。它将输入的频率为

的激光（所谓的泵浦光），通过二阶非线性光学相互作用，转换成两个的频率较低的输出光（信号光

和闲频光），两个输出光的频率之和等于输入光频率：

。由于历史的原因，两个输出光被称为“信号光”和“闲频光”，其输出较高频率的光称为“信号光”。

光学超晶格是一种具有人工微结构结构的非线性光学晶体，其基本理论基础是准位相匹配。准位相匹配理论是1962年Bloembergen提出的，准位相匹配理论通过对晶体的非线性极化率的周期性调制来补偿非线性参量过程中因色散引起的基波和谐波之间的波矢失配，从而获得非线性光学效应的有效增强。准相位匹配只能在具有调制结构的材料中完成，由于这种调制的特征长度或周期在微米量级，远大于晶体的晶格常数，所以准相位匹配材料常被称之为光学超晶格。光学超晶格的结构设计对于其在非线性光学过程中的性能表现至关重要，其结构设计经历了周期、准周期、非周期等多个阶段。周期结构只有一组倒格矢，只能高效完成一个光参量过程;准周期超晶格具有多组倒格矢，能同时高效完成多个光参量过程。光学超晶格材料的周期结构还可以设计成二维结构，例如扇形、点阵和多通道等等，当泵浦光入射到不同的周期结构时，会产生不同的波长输出。

光学超晶格材料是铁电晶体，一般包括铌酸锂（LiNbO3,LN）、钽酸锂（LiTaO3,LT）和磷酸钛氧钾（KTiOPO4，KTP）等。这些铁电晶体具有较高的非线性系数，通过准位相匹配技术后具有无走离、效率高、波长可调谐等诸多优点，因此被广泛采用在光参量振荡器之中。但是，这些材料的激光损伤阈值较低，一般仅有数百兆瓦每平方厘米（MW/cm2），因此输入的泵浦光不能够太强，否则会造成晶体损伤。为了输出更高的功率，需要将入射光斑扩大，使同样功率下的功率密度降低，在一种现有技术中采用椭圆形光斑对超晶格进行泵浦，这种椭圆形或长条形的光斑使得原本仅有不到1mm直径的圆形光斑的横向长度增加了数倍，提高了总的输出功率。但是，这种长条形光斑在晶体内部造成较大的热透镜效应，热透镜效应造成光斑的变形和畸变，当在高功率运转时转化效率严重降低。例如，当圆形光束泵浦的转化效率为20%时，通过拉大光束直径将光束面积增加为原来的10倍时，其总功率理论上应该获得10倍的提升；但实际上，由于热透镜效应造成转化效率降低，转化效率可能仅有5%，其共功率提升的效果大打折扣。

在另外一种现有技术中，提高输出功率的办法是将圆形光束进行分束，通过多束激光进行泵浦，将总功率分散到多个光束中。其中一种采用双棒串接的固体激光器，将两束激光通过半透半反镜及多个透镜分为四束激光入射到一块超晶格晶体中，实现了多光束泵浦的高功率中红外激光输出。另外一种采用多个半透半反镜和棱镜组成分光器，将固体激光器输出的532nm激光分为六束，通过入射到非线性上的角度改变实现多波长输出的效果。再一种通过双波长甚至三波长泵浦源对OPO进行泵浦，通过泵浦波长的改变获得多波长激光输出。

上述方案的主要问题是多光束分光装置结构复杂，整体系统体积大，光学元件多，造成整个系统的可靠性下降。例如上述一种现有技术采用了两个激光泵浦源及四个透镜、八个反射镜和三个角锥棱镜实现分光装置；另外一种现有技术采用了两个棱镜、九个反射镜及其他光学元件实现了分光装置。这些光学元件在空间上的分布姿态随着使用时间增加会发生形变，随着热效应也会产生形变，对整体光路的准确性和激光输出的稳定性都会产生影像，并且其体积重量很难进行缩小。

二元光学是基于光波衍射理论发展起来的一个新兴光学分支，是光学与微电子技术相互渗透、交叉而形成的前沿学科。基于计算机辅助设计和微米级加工技术制成的平面浮雕型二元光学器件具有重量轻、易复制、造价低等特点，并能实现传统光学难以完成的微小、阵列、集成及任意波面变换等新功能，从而使光学工程与技术在诸如空间技术、激光加工、计算技术与信息处理、光纤通信及生物医学等现代国防科技与工业的众多领域中显示出前所未有的重要作用及广阔的应用前景。随着近代光学和光电子技术的迅速发展，光电子仪器及其元件都发生了深刻而巨大的变化。光学零件已经不仅仅是折射透镜、棱镜和反射镜。诸如微透镜阵列、全息透镜、衍射光学元件和梯度折射率透镜等新型光学元件也越来越多地应用在各种光电子仪器中，使光电子仪器及其零部件更加小型化、阵列化和集成化。微光学元件是制造小型光电子系统的关键元件，它具有体积小、质量轻、造价低等优点，并且能够实现普通光学元件难以实现的微小、阵列、集成、成像和波面转换等新功能。

发明内容

基于上文介绍，本申请提供一种多光束泵浦的光参量振荡器装置，该装置的用于光分束的结构具有零部件少，结构简单紧凑，可靠性高的优点，从而用以解决上述现有技术中光分束结构零部件多，结构复杂，可靠性低的问题。

为解决上述技术问题，本申请提供一种多光束泵浦的光参量振荡器装置，包括：泵浦激光器、第一光分束器装置、及光参量振荡器；

所述泵浦激光器输出泵浦光，射入所述第一光分束器装置；所述第一光分束器装置对入射的泵浦光进行分束，输出多束光；所述光参量振荡器接收所述多束光进行振荡，输出多波长激光；

所述第一光分束器装置包括第一折射光学元件和第二折射光学元件；

经由所述泵浦激光器输出的泵浦光射入所述第一折射光学元件进行角度分束，输出发散角不同的多束激光；

所述发散角不同的多束激光射入所述第二折射光学元件进行偏折，输出平行的多束激光；

所述平行的多束激光射入所述光参量振荡器振荡，输出所述多波长激光。

可选的，

所述第一光分束器装置包括一个光学透明介质体；

所述光学透明介质体的第一表面形成所述第一折射光学元件，所述光学透明介质体的与所述第一表面相对设置的第二表面形成所述第二折射光学元件。

可选的，

所述第一表面设有光栅结构，所述光栅结构包括间隔排列的矩形凸起部和矩形凹陷部；

所述光栅结构形成所述第一折射光学元件。

可选的，

所述矩形凸起部形成的凸起光栅的衍射效率

由下公式得出：

其中，m为衍射的阶数，

为调整的位相。

可选的，

位相

由下列公式得出：

其中，

为入射激光波长，1为空气的折射率，n为所述光透明介质体的折射率。

可选的，

衍射角度θ由下列公式得出：

其中，

为入射激光波长，m为衍射的阶数。

可选的，

所述第二表面设有多个折射区间，以便所述发散角不同的多束激光，分别经过对应的折射区间折射而形成平行光束输出。

可选的，

所述折射区间包括平面区间、上侧折射区间、下侧折射区间；

所述平面区间位于所述第二表面的中心及其四周位置，以便垂直于所述第二表面的激光束经由所述平面区间水平输出；

所述上侧折射区间位于所述平面区间的上方，所述下侧折射区间位于所述平面区间的下方，以便与所述第二表面成适当入射角的激光束，分别经由对应的所述上侧折射区间和所述下侧折射区间水平输出。

可选的，

所述上侧折射区间和所述下侧折射区间均设有间隔设置的锥形凸起部和锥形凹陷部。

可选的，

所述光参量振荡器装置还包括光整形装置，所述光整形装置包括两个平行设置的第一整形透镜和第二整形透镜；

所述泵浦激光器发出的泵浦光经由所述第一整形透镜汇聚；

经由所述第一整形透镜汇聚的泵浦光再经由所述第二整形透镜准直。

可选的，

所述光参量振荡器包括前腔镜、多通道超晶格、后腔镜；

所述前腔镜和所述后腔镜平行设置，并且与入射光束垂直；

所述前腔镜和所述后腔镜均对第一预设范围的光高透，对第二预设范围的光高反。

可选的，

所述多通道超晶格包括多个与入射光束数量相同的晶格通道，以便每束入射光分别输入相对应的一个晶格通道中。

可选的，

所述光参量振荡器装置还包括第二光分束器装置；

所述第二光分束器装置包括第三折射光学元件和第四折射光学元件；

经由所述光参量振荡器输出的多波长激光射入所述第三折射光学元件进行角度分束，输出发散角不同的多束激光；

经第三折射光学元件输出的发散角不同的多束激光射入所述第四折射光学元件进行偏折，输出平行的多束激光。

可选的，

所述光参量振荡器装置还包括第三整形透镜；

经所述第四折射光学元件输出的平行光束，经由所述第三整形透镜准直后输出。

本申请提供的光参量振荡器装置包括：泵浦激光器、第一光分束器装置、及光参量振荡器；所述泵浦激光器输出泵浦光，射入所述第一光分束器装置；所述第一光分束器装置对入射的泵浦光进行分束，输出多束光；所述光参量振荡器接收所述多束光进行振荡，输出多波长激光；所述第一光分束器装置包括第一折射光学元件和第二折射光学元件；经由所述泵浦激光器输出的泵浦光射入所述第一折射光学元件进行角度分束，输出发散角不同的多束激光；所述发散角不同的多束激光射入所述第二折射光学元件进行偏折，输出平行的多束激光；所述平行的多束激光射入所述光参量振荡器振荡，输出所述多波长激光。

在上述结构设计中，本申请提供的光分束结构，也就是第一光分束器装置包括第一折射光学元件和第二折射光学元件；经由所述泵浦激光器输出的泵浦光射入所述第一折射光学元件进行角度分束，输出发散角不同的多束激光；所述发散角不同的多束激光射入所述第二折射光学元件进行偏折，输出平行的多束激光；所述平行的多束激光射入所述光参量振荡器振荡，输出所述多波长激光。由此可知，通过两个部件就实现了光分束。相对于现有技术中通过采用多个棱镜及反射镜的结构设计，其结构大大简化，同时可靠性得到了显著提高。

附图说明

图1为本申请一种示例性实施例中的一种多光束泵浦的光参量振荡器装置的功能框图；

图2为本申请一种示例性实施例中的第一光分束器装置的功能框图；

图3为本申请一种示例性实施例中的第一光分束器装置的结构示意图；

图4为本申请一种示例性实施例中的第一光分束器装置的第二折射元件的光线原理图；

图5为本申请一种示例性实施例中的光参量振荡器的结构示意图；

图6为本申请一种示例性实施例中的一种多光束泵浦的光参量振荡器装置的结构示意图。

其中，图中零部件与附图标记的对应关系为：

泵浦激光器1；

第一光分束器装置2；第一折射光学元件201；矩形凸起部2011；矩形凹陷部；2012；第二折射光学元件202；平面区间2021；上侧折射区间2022；锥形凸起部；2022a；锥形凹陷部2022b；下侧折射区间2023；

光参量振荡器3；前腔镜301；后腔镜302；多通道超晶格；303；晶格通道3031；

第一整形透镜401；第二整形透镜402；

第二光分束器装置5；

第三整形透镜6。

具体实施方式

下面将详细地对实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下实施例中描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。仅是与权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的系统和方法的示例。

如图1、图2和图3所示，图1为本申请一种示例性实施例中的一种多光束泵浦的光参量振荡器装置的功能框图；图2为本申请一种示例性实施例中的第一光分束器装置的功能框图；图3为本申请一种示例性实施例中的第一光分束器装置的结构示意图。

如图1所示，在本申请一种实施例中，多光束泵浦的光参量振荡器3装置包括泵浦激光器1、第一光分束器装置2、及光参量振荡器3；泵浦激光器1输出泵浦光，射入第一光分束器装置2；第一光分束器装置2对入射的泵浦光进行分束，输出多束光；光参量振荡器3接收多束光进行振荡，输出多波长激光。

在上述结构的基础上，如图2和图3所示，第一光分束器装置2包括第一折射光学元件201和第二折射光学元件202；经由泵浦激光器1输出的泵浦光射入第一折射光学元件201进行角度分束，输出发散角不同的多束激光；发散角不同的多束激光射入第二折射光学元件202进行偏折，输出平行的多束激光；平行的多束激光射入光参量振荡器3振荡，输出多波长激光。

具体的，如图1所示，通过一个泵浦激光器1输出一束高功率泵浦光，该泵浦光通过第一光分束器装置2进行分束，该第一光分数器装置可以为折射型二元光学元件(ROE)，分束后的泵浦光再进入光参量振荡器3(OPO)中进行振荡，在光学非线性效应下输出多波长激光。

具体的，上述的泵浦激光器1可以采用固体激光器、气体激光器、光纤激光器及半导体激光器等。其输出的光斑形状为圆形的单横模（TEM00）。该束激光经过准直后形成近似平行光束，进入ROE分束。ROE具有对一束平行入射激光分束的效果。该ROE由两块ROE元件组成，第一块ROE对一束激光进行角度分束，分为发散角不同的多束激光；第二个ROE对这些发散角不同的激光进行偏折，使得输出的激光束保持彼此平行。需要说明的是，在本申请中，第一块ROE也就是第一折射光学元件201，第二块ROE也就是第二折射光学元件202。

在上述结构设计中，本申请提供的光分束结构，也就是第一光分束器装置2包括第一折射光学元件201和第二折射光学元件202；经由泵浦激光器1输出的泵浦光射入第一折射光学元件201进行角度分束，输出发散角不同的多束激光；发散角不同的多束激光射入第二折射光学元件202进行偏折，输出平行的多束激光；平行的多束激光射入光参量振荡器3振荡，输出多波长激光。由此可知，通过两个部件就实现了光分束。相对于现有技术中通过采用多个棱镜及反射镜的结构设计，其结构大大简化，同时可靠性得到了显著提高。

在上述结构设计，可以进一步对第一折射光学元件201和第二折射光学元件202的结构做出说明。比如，如图2和图3所示，第一光分束器装置2包括一个光学透明介质体；光学透明介质体的第一表面形成第一折射光学元件201，光学透明介质体的与第一表面相对设置的第二表面形成第二折射光学元件202。

上述结构设计，使得一个光学介质体实现了两个光学元件的集成设计，因而能够进一步减少零部件的数量，使得结构更紧凑，因而可靠性也更高。

进一步的，如图3所示，第一表面设有光栅结构，光栅结构包括间隔排列的矩形凸起部2011和矩形凹陷部2012；光栅结构形成第一折射光学元件201。

具体如图3所示，第一折射光学元件201和第二折射光学元件202通过其表面面型的改变或者体内的折射率变化对出射光进行位相调制。

如图3所示，第一折射光学元件201和第二折射光学元件202通过表面形貌的改变对光的位相进行调制，产生分束与偏折效果，总体为一束光分为平行的多数光的效果。光学透明介质体的基底材料可以是玻璃、聚合物或晶体等多种透明介质。如图3所示，通过一块光学透明介质体的两个平行面的面型改变形成了两个ROE单元，采用一块介质可以实现两个ROE效果，也就是形成本申请的第一折射光学元件201和第二折射光学元件202。

更具体的，第一折射光学元件201的表面由光栅型的矩形凸起部2011和矩形凹陷部2012构成，其光栅周期Λ沿纸面内的分束角度散开方向排列，矩形凸起部2011与矩形凹陷部2012的相对高度差d决定了调制的位相

。当基底材料折射率为n时，位相由下式决定：

其中入射激光波长为，空气折射率为1。根据光栅方程，衍射角度

由下式决定：

其中m为衍射的阶数。

矩形凸起光栅的衍射效率

由下式决定：

当时，零级衍射强度为0，正负1级衍射强度最高并且强度相等，衍射效率达到了 81%，形成两束分光效果。当

时，+1、0和-1级衍射强度最高并且强度相等，这三级衍射效率为87%，形成了三束分光效果。当表面形态调制为其他构型时，可以获得相似或更好的效果，具体设计方法可以采用蒙特卡洛法或退火模拟算法进行计算。

在本申请的一种实施例中，还可以对第二折射光学元件202的结构做出示例性说明。比如如3所示，第二表面设有多个折射区间，以便发散角不同的多束激光，分别经过对应的折射区间折射而形成平行光束输出。

进一步的，折射区间包括平面区间2021、上侧折射区间2022、下侧折射区间2023；平面区间2021位于第二表面的中心及其四周位置，以便垂直于第二表面的激光束经由平面区间2021水平输出。

上侧折射区间2022位于平面区间2021的上方，下侧折射区间2023位于平面区间2021的下方，以便与第二表面成适当入射角的激光束，分别经由对应的上侧折射区间2022和下侧折射区间2023水平输出。

进一步的，如图3所示，上侧折射区间2022和下侧折射区间2023均设有间隔设置的锥形凸起部2022a和锥形凹陷部2022b。

我们可以对上述结构设计的原理做出进一步说明。具体的，如图4所示，图4为本申请一种示例性实施例中的第一光分束装置的第二折射元件的光线原理图。

以上述三束分光为例，第二折射光学元件202的设计采用分区折射的方式，使不同入射角度的光以相互平行方式出射。

如图4所示，入射的两束光束在介质中传输，分别以不同角度入射到界面。界面根据光束位置具有与光束的相对角度差异，当入射光束垂直于介质表面时，出射光束的方向不发生改变；当入射光束的角度与介质不垂直时，其角度发生偏折，偏折角

根据斯涅尔公式给出：

例如，当界面与水平夹角为θ，入射光束与水平夹角

度时，介质折射率n=1.5，图 4中的角度关系具有如下公式：

上述超越方程，可获得两个解：

度和

度。因此，采用这两个角度都可以获得平行的光束出射。可以采用光束覆盖一个平面的方式使其发生转折，也可类似菲涅尔透镜的构成方式。第二折射光学元件202所示的多个平面使其发生转折。

在本申请的一种实施例中，可以对光参量振荡器装置的结构做出进一步示例性说明。具体的，如图5、图6所示，图5为本申请一种示例性实施例中的光参量振荡器的结构示意图；图6为本申请一种示例性实施例中的一种多光束泵浦的光参量振荡器装置的结构示意图。

如图6所示，光参量振荡器3装置还包括光整形装置，光整形装置包括两个平行设置的第一整形透镜401和第二整形透镜402；泵浦激光器1发出的泵浦光经由第一整形透镜401汇聚；经由第一整形透镜401汇聚的泵浦光再经由第二整形透镜402准直。

如图5所示，光参量振荡器3包括前腔镜301、多通道超晶格303、后腔镜302；

前腔镜301和后腔镜302平行设置，并且与入射光束垂直；前腔镜301和后腔镜302均对第一预设范围的光高透，对第二预设范围的光高反。多通道超晶格303包括多个与入射光束数量相同的晶格通道3031，以便每束入射光分别输入相对应的一个晶格通道3031中。

如图6所示，光参量振荡器3装置还包括第二光分束器装置5；

第二光分束器装置5包括第三折射光学元件和第四折射光学元件；经由光参量振荡器3输出的多波长激光射入第三折射光学元件进行角度分束，输出发散角不同的多束激光；经第三折射光学元件输出的发散角不同的多束激光射入第四折射光学元件进行偏折，输出平行的多束激光。

如图6所示，光参量振荡器3装置还包括第三整形透镜6；经第四折射光学元件输出的平行光束，经由第三整形透镜6准直后输出。

在上述结构设计中，我们可以对其工作原理和工作过程做出进一步说明。

具体的，如图6所示，泵浦光由光纤接入，泵浦激光器1可以是固体、气体、光纤或半导体激光器。本例采用1064nm的光纤激光器作为泵浦源，输出功率为50W，输出脉冲长度为100ns，重复频率为100KHz。泵浦激光器1输出的激光经光纤引导进入本装置内部，通过固定于装置内部的光纤插芯发散。

如图6所示，发散的泵浦光经过两个整形透镜（亦即第一整形透镜401和第二整形透镜402）进行光束整形。其中第一整形透镜401为为凸透镜，对激光进行汇聚；第二整形透镜402为凹透镜，对汇聚的激光进行准直。在进入第一个ROE(也就是本文所说的第一光分数器装置)之前，泵浦光形成光斑直径为1mm的圆形光束。第一个ROE为石英晶体构成，前后表面具有折射率光栅结构，通过二元衍射光学设计其具体结构，在经过ROE的第一个面后泵浦光斑分为功率相等的5束激光，在平面上呈扇形分布；在通过ROE的第二个面后，5束扇形发散的光束被整形称为互相平行的5束光柱。

如图6所示，5束平行的泵浦光入射到光参量振荡器3中。OPO（也就是光参量振荡器3）的前腔镜301为氟化钙材料，对1064nm高透，对1400nm-2000nm高反；OPO的后腔镜302对1064nm高透，对1400nm-2000nm高反。另一种腔镜配置为：OPO的后腔镜302对1064nm高透，对1400nm-2000nm反射率为50%-70%。前腔镜301和后腔镜302平行放置，与入射光束垂直。多通道超晶格303由周期极化铌酸锂(PPLN)构成，具有5个晶格通道3031，每个晶格通道3031宽度为1mm，晶格通道3031间距离为1mm。5束泵浦光分别从5个晶格通道3031中入射并穿过晶格通道3031中心。PPLN的前后端面抛光镀膜，对1064nm、1400nm-2000nm高透。PPLN的5个晶格通道3031的极化周期分别为：31.5um、31um、30.5um、30um和29.5um，在室温下出射的中红外激光（闲频光）波长分别为：3020nm、3271nm、3472nm、3665nm和3839nm。极化周期还可具有其他数值，覆盖2000nm-5000nm区间。超晶格通过温控炉进行控温，控温范围为室温至250摄氏度，通过调整超晶格的温度可调整输出波长。5束泵浦光的单束功率为10W，光斑形状为圆形，光束之间相互不受影响，保持较高的转换效率，约为15%左右。经OPO转化后，平均单束输出功率为1.5W，总输出功率为7.5W。

OPO输出的光束经过另外一个ROE（也就是本文所说的第二光分束器装置5）进行平行光的分离。OPO出射的中红外激光直径与泵浦光近似，但由于热透镜效应其发散角较大，出射的光束经过该ROE进行分离后，通过整形透镜（也就是本文中的第三整形透镜6）组进行准直，准之后的单个光束直径为2mm，彼此平行出射。在本装置的最后输出端，具有氟化钙的窗口镜，与外界环境进行隔离，避免灰尘、水汽的污染。

本申请提供的实施例之间的相似部分相互参见即可，以上提供的具体实施方式只是本申请总的构思下的几个示例，并不构成本申请保护范围的限定。对于本领域的技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下依据本申请方案所扩展出的任何其他实施方式都属于本申请的保护范围。