CN110880670A - 一种阈值可调节的高效率光学参量振荡器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种阈值可调节的高效率光学参量振荡器，包括沿泵浦光路传输方向依次设置的泵浦激光器、第一半波片、耦合透镜、前平凹腔镜、非线性晶体、后平凹腔镜和分色镜，所述前平凹透镜和后平凹透镜的凹面朝向非线性晶体；所述前平凹透镜和后平凹透镜与第一平面腔镜和第二平面腔镜共同构成一个环型腔，所述第一平面腔镜和后平凹腔镜相对设置，所述第二平面腔镜和前平凹腔镜相对设置，所述第一平面腔镜和第二平面腔镜之间设置第二半波片和布儒斯特片，所述分色镜的反射光方向设置光功率计，本发明所公开的光学参量振荡器阈值可调，通过对阈值的实时控制，使光学参量振荡器能够一直在高效率的状态下运行。

Description

一种阈值可调节的高效率光学参量振荡器

技术领域

本发明涉及非线性光学频率变换领域，特别涉及一种阈值可调节的高效率光学参量振荡器。

背景技术

3-5μm的中红外波段激光有着重要的应用，由于该波段包含一些气体分子的吸收峰，同时又处于大气吸收窗口，因此，可以应用于痕量气体检测，空间通信，军事对抗，分子光谱检测等领域。

光学参量振荡器是3-5μm中红外激光产生的重要方式，具有寿命长，稳定性高，效率高，体积小等优势。其中，基于掺氧化镁周期极化铌酸锂晶体(MgO:PPLN)的环形腔光学参量振荡器，能够产生3.8μm的中红外激光。

光学参量振荡器基于非线性效应，通过腔内非线性晶体的非线性效应，将入射的泵浦光转化为两个频率的光，一般将两种光中波长较小的称为信号光，波长长的光称为闲频光。泵浦光，信号光，闲频光的波长关系符合相位匹配。非线性转化的转化效率光学参量振荡器的阈值有关。对于高斯光束，当泵浦倍率(泵浦功率除以与阈值功率)达到定值(6.5左右)时，理论上有着最大的泵浦光转化效率71％。

传统的光学参量振荡器的阈值主要由非线性晶体的有效非线性系数，晶体长度，腔镜反射率决定，因此，对于设计好的光学参量振荡器其阈值固定而且不容易优化。泵浦激光功率变化时也无法作出对应的阈值大小的调整。对于泵浦光输入功率较高的情况，泵浦倍率远远超过理论高效点，使得光学参量振荡器无法一直运转在理论最高效率下。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种阈值可调节的高效率光学参量振荡器，以达到对光学参量振荡器的阈值进行实时控制，使光学参量振荡器能够一直运行在高效率的状态下的目的。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种阈值可调节的高效率光学参量振荡器，包括沿泵浦光光路传输方向依次设置的泵浦激光器、第一半波片、耦合透镜、前平凹腔镜、非线性晶体、后平凹腔镜和分色镜，所述前平凹透镜和后平凹透镜的凹面朝向非线性晶体；所述前平凹透镜和后平凹透镜与第一平面腔镜和第二平面腔镜共同构成一个环型腔，所述第一平面腔镜和后平凹腔镜相对设置，所述第二平面腔镜和前平凹腔镜相对设置，所述第一平面腔镜和第二平面腔镜之间设置第二半波片和布儒斯特片，所述分色镜的出射光方向设置光功率计。

上述方案中，所述非线性晶体安装于温控炉中。

上述方案中，所述第二半波片安装于电控镜座上。

上述方案中，所述第一平面腔镜和第二平面腔镜表面镀有信号光高反膜。

上述方案中，所述前平凹腔镜和后平凹腔镜的平面与凹面均镀有泵浦光高透膜和闲频光高透膜，凹面还镀有信号光高反膜。

上述方案中，所述非线性晶体的两端面镀有泵浦光高透膜、信号光高透膜和闲频光高透膜。

上述方案中，所述分色镜表面镀有泵浦光高反膜和闲频光高透膜。

进一步的技术方案中，所述第一半波片与第二半波片采用索雷博WPH05M-1550零级半波片，所述电控镜座采用索雷博MFF101电动滤光片翻转座。

进一步的技术方案中，所述非线性晶体采用掺氧化镁周期极化铌酸锂晶体，长宽高分别为50×5×2mm，极化周期为29.5μm。

进一步的技术方案中，所述泵浦激光器采用1064nm线偏振光源，在此波长下光学参量振荡器产生1.48μm信号光，3.77μm闲频光。

通过上述技术方案，本发明提供的一种阈值可调节的高效率光学参量振荡器通过在第一平面腔镜和第二平面腔镜之间设置第二半波片与布儒斯特片，使得该光学参量振荡器的阈值大小可以连续调节。在不同泵浦输入功率下通过调节半波片的角度，使光学参量振荡器的运转效率达到最佳值，最佳值可以通过剩余泵浦的功率极小值来确定。根据参量振荡理论，泵浦倍率(泵浦功率除以阈值功率)处于定值(6.5左右)时，泵浦光转化效率最高(约为71％)。阈值的连续调节可以确保不同的泵浦功率下，光学参量振荡器能够一直实现高效率的转化与输出。

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。

图1为本发明实施例所公开的一种阈值可调节的高效率光学参量振荡器结构示意图；

图2为本发明实施例所公开的半波片与布儒斯特片组成的阈值控制装置示意图；

图3为本发明实施例所公开的半波片快轴旋转角度与阈值控制装置透射率的关系曲线图；

图4为本发明实施例所公开的阈值控制装置的透射率与相应的阈值功率的关系曲线图；

图5为不同功率的入射泵浦光下，泵浦倍率与阈值功率的关系；

图6为泵浦转化效率和剩余泵浦功率占输入泵浦功率比率随泵浦倍率变化的曲线。

图中，1、泵浦激光器；2、第一半波片；3、耦合透镜；4、前平凹腔镜；5、非线性晶体；6、温控炉；7、后平凹腔镜；8、第一平面腔镜；9、第二半波片；10、电控镜座；11、布儒斯特片；12、第二平面腔镜；13、分色镜；14、光功率计。

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。

本发明提供了一种阈值可调节的高效率光学参量振荡器，如图1所示的结构，该光学参量振荡器阈值可调，能够确保在不同的泵浦功率下，光学参量振荡器能够一直实现高效率的转化与输出。

如图1所示，一种阈值可调的高效率光学参量振荡器，器件间的细线表示光路，包括依次排列的泵浦激光器1，第一半波片2，耦合透镜3，前平凹腔镜4，非线性晶体5，温控炉6，后平凹腔镜7，第一平面腔镜8，第二半波片9，电控镜座10，布儒斯特片11，第二平面腔镜12，分色镜13，光功率计14。

其中，第一半波片2，耦合透镜3构成外部耦合光路，非线性晶体5，前平凹腔镜4，后平凹腔镜7，第一平面腔镜8，第二平面腔镜12构成环型腔光学参量振荡器；分色镜13，光功率计14构成输出与检测光路。第二半波片9，电控镜座10，布儒斯特片11构成阈值调节装置。

耦合光路由第一半波片2控制泵浦激光器1输出的泵浦光的偏振方向，使该偏振方向与非线性晶体5匹配。随后泵浦光经过耦合透镜3聚焦，通过调节耦合透镜3的焦距与位置，最终将泵浦光以合适的光斑半径聚焦到非线性晶体5中心，实现泵浦光与环型腔模的匹配。

环型腔采用前平凹腔镜4，后平凹腔镜7与第一平面腔镜8，第二平面腔镜12构成的八字环形腔。非线性晶体5被固定在温控炉6上，置于前平凹腔镜4和后平凹腔镜7的中间，前平凹腔镜4与后平凹腔镜7的凹面朝向非线性晶体5，前平凹腔镜4与后平凹腔镜7关于非线性晶体5中心对称。第一平面腔镜8和第二平面腔镜12关于非线性晶体5中心对称。。前平凹腔镜4与第二平面腔镜12连线与后平凹腔镜7与第一平凹腔镜8的连线的夹角为10。前平凹腔镜4与后平凹腔镜7的曲率为100mm，在符合谐振条件下，夹角与腔镜曲率可以替换为其他值。

前平凹腔镜4，后平凹腔镜7的基质为硒化锌，避免产生的中红外光被吸收。前平凹腔镜4与后平凹腔镜7的两面均镀有泵浦光高透膜与闲频光高透膜，凹面还镀有信号光高反膜。第一平面腔镜8和第二平面腔镜12基质为熔融石英，镀信号光高反膜。

非线性晶体5的两端镀泵浦光，信号光，闲频光高反膜，以降低晶体的透射损耗。

第二半波片9固定在电控镜座10上，旋转角度可调，初始快轴位置与信号光原始偏振方向一致。布儒斯特片11放置方向为能够使信号光原始偏振方向透射损耗最低的方向。通过控制电控镜座10调节第二半波片9角度，信号光偏振方向发生变化，垂直原始偏振方向的分量被布儒斯特片11反射出腔外，而原始偏振方向的信号光分量穿过布儒斯特片11继续振荡，由此实现腔内信号光的部分反射，振荡阈值的提升。

分色镜13镀泵浦光高反膜和闲频光高透膜，使腔内出射的剩余泵浦光与闲频光分离。剩余泵浦光经反射进入光功率计14用以计算泵浦光转化效率，以此监测半波片转动时的转化效率的变化，确定最高效率位置。闲频光通过分色镜13直接输出。

具体运转流程如下：

泵浦激光器1出射线偏振泵浦光，泵浦光通过第一半波片2调整偏振方向，最终入射环型腔的泵浦光偏振方向与相位匹配要求的偏振方向一致。耦合光路中耦合透镜3则对泵浦光进行汇聚。通过调整耦合透镜的焦距与位置，使泵浦光与环型腔实现模式匹配。

泵浦光穿过耦合透镜3与前平凹腔镜4后，在非线性晶体5中产生非线性转化，转化为信号光与闲频光，转化的光的能量与动量符合相位匹配的条件。环型腔四个腔镜均镀有信号光高反膜，因此，生成的信号光在非线性晶体5中生成后，沿光路入射到后平凹腔镜7，经过后平凹腔镜7的反射，入射到第一平面腔镜8，再经过第一平面腔镜8反射，入射到第二平面腔镜12，经过第二平面腔镜12的反射，入射到前平凹腔镜4，经过前平凹腔镜4的反射，入射到非线性晶体5中，与非线性晶体5中的信号光重叠，形成一个完整的回路。闲频光与剩余未转化的泵浦光通过后平凹腔镜7输出。

环形腔输出的光入射到分色镜13上，其中的闲频光穿过分色镜13形成参量振荡器的输出，剩余泵浦光被分色镜13反射到光功率计14中。

本实例中，为了实现高效率的输出，需要调节阈值控制装置以实现阈值控制。阈值控制装置由第二半波片9，电控镜座10与布儒斯特片11组成，其在整个装置中的位置如图1所示，位于第一平面腔镜8和第二平面腔镜12之间。原理图如图2所示，初始腔内信号光以p光方向入射到到第二半波片9上。第二半波片9快轴初始方向沿p光方向，与信号光偏振方向一致。当旋转第二半波片9的快轴方向时，腔内信号光偏振方向同时旋转，总强度不变，产生了s光分量。产生的信号光s光分量会被布儒斯特片11反射到腔外，形成损耗，增加阈值。通过控制振荡信号光穿过该系统的透射率，实现连续的阈值调节与效率控制。阈值控制装置本身对非振荡光(泵浦光，闲频光)不产生影响。

通过阈值控制装置实现最高效率输出的详细流程如下：

设置好泵浦激光器的输出功率后，首先，旋转第二半波片9使其快轴方向与信号光偏转方向重合，此时，第二半波片不会对腔内信号光偏振态产生影响，腔内信号光损耗最低，振荡器阈值最低。此时输出效率未达到最佳状态。为了实现最高理论效率的输出，接下来需要对第二半波片9进行定向地旋转调节。此时调节第二半波片9的角度，布儒斯特片11将部分信号光反射出腔外，如图2所示。

其透射率随第二半波片9的角度变化的曲线如图3所示，曲线表达式T＝cos(2θ)，旋转区间为0到45度。布儒斯特片11透射率变化对光学参量振荡器阈值产生影响，如图4所示，当阈值控制装置透射率最高时，由于光学参量振荡器各个光学器件仍然存在损耗，所以此时光学参量振荡器仍有一个最低阈值。随着第二半波片9旋转角度增加，本实施例中，阈值由最低阈值1.6W逐渐上升，相应的泵浦倍率逐渐降低，其变化如图5所示。当泵浦倍率为6.5时，光学参量振荡器的转化效率最高。由图可知，由于最低阈值的存在，输入泵浦光功率大于6.5倍的最小阈值时，才能使本发明生效。当泵浦倍率降低到1以下时，光学参量振荡器将无法起振。

为了确定第二半波片9旋转的最佳角度，使泵浦倍率达到6.5，本发明采用了光功率计对剩余泵浦功率进行了检测。随着第二半波片9快轴方向以信号光偏振方向为起点定向地旋转，阈值功率由最低阈值起逐渐增加，泵浦倍率逐渐降低，当泵浦倍率达到最佳值6.5时，泵浦转化效率存在极大值点71％，对应的剩余泵浦功率占输入泵浦功率的比率的极小值为29％，如图6所示。在此过程中，光功率计接收到的剩余泵浦功率由高到低再升高。由此，可以根据剩余泵浦功率的变化趋势，将第二半波片9角度调节到剩余泵浦功率的最低点，该点处可以实现光学参量振荡器在的最高效率输出。

泵浦光功率发生改变时，泵浦倍率会同时改变，输出效率偏离最佳值，此时重新进行以上的调节步骤来实现不同输入功率下的最佳效率输出。

本实例中，第一半波片2与第二半波片9采用索雷博WPH05M-1550零级半波片，电控镜座10采用索雷博MFF101电动滤光片翻转座，以实现高精度旋转角度控制。

本实例中，环形腔第一平面腔镜8与第二平面腔镜12镀信号光高反膜，反射率99.8％，其中，前平凹腔镜4与后平凹腔镜7平面与凹面镀泵浦光高透膜和闲频光高透膜，凹面还镀有信号光高反膜，反射率99.8％。

本实例中，非线性晶体5采用了掺氧化镁周期极化铌酸锂晶体，长宽高分别为50*5*2mm，晶体两端镀泵浦光高透膜、闲频光高透膜和信号光高透膜，极化周期为29.5μm。泵浦激光器采用了1064nm线偏振光源，在此波长下光学参量振荡器产生1.48μm信号光，3.77μm闲频光。非线性晶体5安装在温控炉6中，通过温控炉6可以对信号光与闲频光进行一定范围内的调谐。分色镜13表面镀有泵浦光高反膜和闲频光高透膜。

上述实例中，平凹腔镜的曲率与环型腔腔长可以在合理的范围进行调整。非线性晶体5可以采用周期极化钽酸锂晶体，周期极化的砷酸氧钛钾晶体等非线性晶体。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种阈值可调节的高效率光学参量振荡器，其特征在于，包括沿泵浦光路传输方向依次设置的泵浦激光器、第一半波片、耦合透镜、前平凹腔镜、非线性晶体、后平凹腔镜和分色镜，所述前平凹透镜和后平凹透镜的凹面朝向非线性晶体；所述前平凹透镜和后平凹透镜与第一平面腔镜和第二平面腔镜共同构成一个环型腔，所述第一平面腔镜和后平凹腔镜相对设置，所述第二平面腔镜和前平凹腔镜相对设置，所述第一平面腔镜和第二平面腔镜之间设置第二半波片和布儒斯特片，所述分色镜的反射光方向设置光功率计。

2.根据权利要求1所述的一种阈值可调节的高效率光学参量振荡器，其特征在于，所述非线性晶体安装于温控炉中。

3.根据权利要求1所述的一种阈值可调节的高效率光学参量振荡器，其特征在于，所述第二半波片安装于电控镜座上。

4.根据权利要求1所述的一种阈值可调节的高效率光学参量振荡器，其特征在于，所述第一平面腔镜和第二平面腔镜表面镀有信号光高反膜。

5.根据权利要求1所述的一种阈值可调节的高效率光学参量振荡器，其特征在于，所述前平凹腔镜和后平凹腔镜的平面与凹面均镀有泵浦光高透膜和闲频光高透膜，凹面还镀有信号光高反膜。

6.根据权利要求1所述的一种阈值可调节的高效率光学参量振荡器，其特征在于，所述非线性晶体的两端面镀有泵浦光高透膜、信号光高透膜和闲频光高透膜。

7.根据权利要求1所述的一种阈值可调节的高效率光学参量振荡器，其特征在于，所述分色镜表面镀有泵浦光高反膜和闲频光高透膜。

8.根据权利要求1-7任一所述的一种阈值可调节的高效率光学参量振荡器，其特征在于，所述非线性晶体采用掺氧化镁周期极化铌酸锂晶体，长宽高分别为50×5×2mm，极化周期为29.5μm。

9.根据权利要求1-7任一所述的一种阈值可调节的高效率光学参量振荡器，其特征在于，所述泵浦激光器采用1064nm线偏振光源，在此波长下光学参量振荡器产生1.48μm信号光，3.77μm闲频光。

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