CN111082299B - 一种全固态可调谐中红外频率梳的产生装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种全固态可调谐中红外频率梳的产生装置，包括双频激光系统、第二激光透镜、光功率放大系统、光参量振荡器、锗片，所述双频激光系统、所述光功率放大系统、所述光参量振荡器沿激光射出方向依次放置；本发明采用微片激光器实现可调谐双频激光的输出，输出的双频激光经由板条功率放大器，实现高功率双频激光输出，高功率可调谐双频激光注入光参量振荡器中，实现中红外频率梳的生成。

Description

一种全固态可调谐中红外频率梳的产生装置
技术领域
本发明涉及固体激光器技术领域，具体涉及一种生成可调谐中红外频率梳的装置。
背景技术
光学频率梳在频域为具有等频率间隔的光源，光谱如同梳子。光学频率梳具有稳定性好、谱线间距精度高的特点，在光学精密测量、微波光子学、光通信技术、医疗等领域有着重要的应用。因此，宽且平坦的可调谐光学频率梳的产生及应用，成为广大学者的研究热点。
3-5μm中红外激光对烟雾、大气穿透力强，在大气中的氮气和氧气中传输衰减很低，是大气传输窗口的波段，因此在红外激光制导、红外激光雷达、红外激光通信、激光定向红外干扰等军事领域具有重要的应用。同时，3-5μm波段存在许多分子振动谱线，在光谱分析和环境质量监测领域也具有重要的应用。光参量振荡是实现中红外激光的重要方法，具有波长调谐范围大、转换效率高、结构简单、稳定性好的优点。
目前生成光频梳的主要方法为基于锁模激光器的飞秒光频梳、基于电光调制的光学频率梳、基于循环移频的光学频率梳和基于非线性效应的光学频率梳。现有的频率梳技术主要是飞秒的频率梳，间隔是激光器重频，受腔长限制，而腔长不可能太稳，要稳定要复杂的反馈控制系统，本发明采用非线性效应产生中红外光学频率梳，频率梳间隔由射频源发射的射频信号决定，稳定性可以达到赫兹量级，而且频率梳的间隔可以控制。
发明内容
本发明的目的是提供一种全固态可调谐中红外频率梳的产生装置，能够产生频率间可调、频率梳稳定的中红外频率梳，以解决上述现有技术存在的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：一种全固态可调谐中红外频率梳的产生装置，其特征在于：包括双频激光系统、第二激光透镜、光功率放大系统、光参量振荡器、第二平凹腔镜、锗片，所述双频激光系统、所述光功率放大系统、所述光参量振荡器沿激光射出方向依次放置。
优选地，所述双频激光系统包括第一半导体激光器，还包括沿着所述第一半导体激光器的激光发射方向依次放置的第一激光透镜、Nd:YAG晶体薄片、铌酸锂晶体薄片。
优选地，所述Nd:YAG晶体薄片前表面镀增透膜、高反膜。
优选地，所述铌酸锂晶体薄片后表面镀高反膜。
优选地，所述光功率放大系统包括第二半导体激光器、第三激光透镜，所述第三激光透镜沿第二半导体激光器激光发射方向设置，所述第二半导体激光器的激光光轴与第一半导体激光器的激光光轴垂直，所述Nd:YAG晶体板条设置在第一半导体激光器的激光光轴上，所述第二半导体激光器与所述Nd:YAG晶体板条垂直设置，热沉放置在Nd:YAG晶体板条下面。
优选地，所述光参量振荡器包括第一平凹腔镜、第一平面腔镜、第二平面腔镜、周期极化铌酸锂晶体、第二平凹腔镜，所述第一平凹腔镜、所述铌周期极化铌酸锂晶体、所述第二平凹腔镜沿所述第一半导体激光器的激光发射方向依次放置，所述第一平面腔镜、第二平面腔镜位于所述周期极化铌酸锂晶体的上方，且对应设置。
优选地，所述周期极化铌酸锂晶体外设有温控炉，所述温控炉用于调节所述周期极化铌酸锂晶体的温度。
优选地，所述Nd:YAG晶体板条(8)前后表面为45°，镀种子光增透膜，泵浦光高反膜,α的范围为0-90°。
本发明公开了以下技术效果：本发明提供了一种全固态可调谐中红外频率梳的产生装置，采用微片激光器实现可调谐双频激光的输出，输出的双频激光经由板条功率放大器，实现高功率双频激光输出，高功率可调谐双频激光注入光参量振荡器中，实现中红外频率梳的生成。
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一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的可调谐中红外激光频梳产生系统的结构示意图；
图2为本发明中生成的中红外频率梳的示意图。
其中，1为第一半导体激光器、2为第一激光透镜、3为Nd:YAG晶体薄片、4为铌酸锂晶体薄片、5为第二激光透镜、6为第二半导体激光器、7为第三激光透镜、8为Nd:YAG晶体板条、9为热沉、10为第四激光透镜、11为格兰棱镜、12为半波片、13为第一平凹腔镜、14为第一平面腔镜、15为第二平面腔镜、16为周期极化铌酸锂晶体、17为温控炉、18为第二平凹腔镜、19为锗片。
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。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参考图1-2所示，一种全固态可调谐中外频率梳的产生装置，包括双频激光系统、第二激光透镜5、光功率放大系统、光参量振荡器、锗片19，所述双频激光系统、所述光功率放大系统、第二平凹腔镜18、锗片19，所述光参量振荡器沿激光射出方向依次放置。
进一步优化方案，所述双频激光系统包括第一半导体激光器1，还包括沿着所述第一半导体激光器1的激光光轴依次放置有第一激光透镜2、Nd:YAG晶体薄片3、铌酸锂晶体薄片4。所述第一半导体激光器1经过第一激光透镜2聚焦后泵浦Nd:YAG晶体3，所述第一半导体激光器1采用808nm半导体激光器。
进一步优化方案，Nd:YAG晶体薄片3前表面镀808nm增透膜，1064nm高反膜，所述铌酸锂晶体薄片4后表面镀1064nm高反膜，与所述泵浦Nd:YAG晶体3前表面形成激光谐振腔。
进一步优化方案，所述光功率放大系统包括第二半导体激光器6、第三激光透镜7，所述第三激光透镜7沿第二半导体激光器6激光发射方向设置，所述第三激光透镜7沿第二半导体激光器6激光发射方向设置，所述Nd:YAG晶体板条8设置在第一半导体激光器1的激光光轴上，所述第二半导体激光器6的激光光轴与第一半导体激光器1垂直，所述第二半导体激光器6与所述Nd:YAG晶体板条8垂直设置，热沉9放置在Nd:YAG晶体板条8下面。所述第二半导体激光器6采用808nm半导体激光器。
进一步优化方案，所述光参量振荡器包括第一平凹腔镜13、第一平面腔镜14、第二平面腔镜15、周期极化铌酸锂晶体16、第二平凹腔镜18，所述第一平凹腔镜13、所述周期极化铌酸锂晶体16、所述第二平凹腔镜18沿第一808nm半导体激光器1的激光发射方向依次放置，所述第一平面腔镜14、第二平面腔镜15位于周期极化铌酸锂晶体16的上方，且对应设置。
进一步优化方案，所述周期极化铌酸锂晶体16外设有温控炉17，所述温控炉17用于调节周期极化铌酸锂晶体16，所述第一平面腔镜14、第二平面腔镜15位于所述周期极化铌酸锂晶体16的上方。
进一步优化方案，所述Nd:YAG晶体板条8前后表面为45°，镀种子光增透膜，泵浦光高反膜。
本发明的工作流程如下：808nm半导体激光器1经过第一激光透镜2聚焦后泵浦Nd:YAG晶体薄片3，Nd:YAG晶体薄片3前表面镀808nm增透膜，1064nm高反膜，所述铌酸锂晶体薄片4后表面镀1064nm高反膜，与所述泵浦Nd:YAG晶体3前表面形成激光谐振腔。所述泵浦Nd:YAG晶体3厚度为0.4mm，所述铌酸锂晶体4厚度为1mm，激光谐振腔较短，输出1064nm为双纵模激光。通过对铌酸锂晶体薄片4上所加电压进行控制，改变铌酸锂晶体的折射率，从而改变激光谐振腔的长度，使得输出激光的双纵模间隔可调谐。铌酸锂电光晶体加电后，原本简并的相互垂直的偏振光的频率发生分裂，产生双频输出，通过调节电压的大小可以改变双频的频差进而控制频率梳间隔。
双频激光经过所述第二激光透镜5聚焦到Nd:YAG晶体板条8上，第二808nm半导体激光器6经过激光晶体7聚焦后，经过Nd:YAG晶体板条8前表面反射入晶体内部，泵浦Nd:YAG晶体对双频激光进行放大。Nd:YAG晶体板条8前后表面为45°，镀1064nm增透膜，808nm高反膜。通过对热沉9的温度进行控制，从而保证Nd:YAG晶体板条8在室温下工作。
放大后的双频激光依次通过第四激光透镜10、格兰棱镜11、半波片12聚焦到四镜环形腔单谐振光参量振荡器的周期极化铌酸锂晶体16中。
通过改变周期极化铌酸锂晶体16的温度可以实现输出波长的可调谐。安放在温控炉17中的光参量振荡晶体将1064nm双频激光转化为调制中红外激光并由第二平凹腔镜18输出，经由锗片19滤除泵浦光和其它杂散光输出调制中红外激光。
由于光参量振荡的泵浦光为双频激光，如图2所示，1064nm双频激光的两个频率ω3和ω3+Δω分别在周期极化铌酸锂晶体16中和噪声信号ω2发生差频反应，生成ω1和ω1+Δω，生成的ω1和ω1+Δω又和1064nm双频激光ω3和ω3+Δω差频生成ω2-Δω、ω2、ω2+Δω。ω2-Δω、ω2、ω2+Δω再和双频泵浦光ω3和ω3+Δω差频生成ω1-Δω、ω1、ω1+Δω、ω1+2Δω，以此类推。由此可知，1064nm双频激光经过光参量震荡后，由于非线性效后会产生高次谐波，从而生成频率梳，频率梳间隔为双频激光的间隔。双频激光源频差大、可调谐，因此可以生成大频差、可调谐的稳定中红外频率梳。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (4)

1.一种全固态可调谐中红外频率梳的产生装置，其特征在于：包括双频激光系统、第二激光透镜(5)、光功率放大系统、光参量振荡器、锗片(19)，所述双频激光系统、所述光功率放大系统、所述光参量振荡器沿激光出射方向依次放置；
所述双频激光系统包括第一半导体激光器(1)，还包括沿着所述第一半导体激光器(1)的激光发射方向依次放置的第一激光透镜(2)、Nd:YAG晶体薄片(3)、铌酸锂晶体薄片(4)；
所述Nd:YAG晶体薄片(3)前表面镀增透膜、高反膜；
所述铌酸锂晶体薄片(4)后表面镀高反膜；
周期极化铌酸锂晶体(16)放置在温控炉(17)上面，所述温控炉(17)用于调节所述周期极化铌酸锂晶体(16)的温度；
光参量振荡的泵浦光为双频激光，1064nm双频激光的两个频率ω3和ω3+Δω分别在所述周期极化铌酸锂晶体(16)中和噪声信号ω2发生差频反应，生成ω1和ω1+Δω，生成的ω1和ω1+Δω又和1064nm双频激光ω3和ω3+Δω差频生成ω2-Δω、ω2、ω2+Δω，ω2-Δω、ω2、ω2+Δω再和双频泵浦光ω3和ω3+Δω差频生成ω1-Δω、ω1、ω1+Δω、ω1+2Δω，以此类推，由此可知，1064nm双频激光经过光参量震荡后，由于非线性效应后会产生高次谐波，从而生成频率梳，频率梳间隔为双频激光的间隔。
2.根据权利要求1所述的全固态可调谐中红外频率梳的产生装置，其特征在于：所述光功率放大系统包括第二半导体激光器(6)、第三激光透镜(7)，所述第三激光透镜(7)沿第二半导体激光器(6)激光发射方向设置，所述Nd:YAG晶体板条(8)设置在第一半导体激光器(1)的激光光轴上，所述第二半导体激光器(6)的激光光轴与第一半导体激光器(1)垂直，所述第二半导体激光器(6)与所述Nd:YAG晶体板条(8)垂直设置，热沉(9)放置在Nd:YAG晶体板条(8)下面。
3.根据权利要求1所述的全固态可调谐中红外频率梳的产生装置，其特征在于：所述光参量振荡器包括第一平凹腔镜(13)、第一平面腔镜(14)、第二平面腔镜(15)、周期极化铌酸锂晶体(16)、第二平凹腔镜(18)，所述第一平凹腔镜(13)、所述周期极化铌酸锂晶体(16)、所述第二平凹腔镜(18)沿所述第一半导体激光器(1)的激光发射方向依次放置，所述第一平面腔镜(14)、第二平面腔镜(15)位于周期极化铌酸锂晶体(16)的上方，且对应设置。
4.根据权利要求1所述的全固态可调谐中红外频率梳的产生装置，其特征在于：所述Nd:YAG晶体板条(8)前后表面角度为α，镀种子光增透膜，泵浦光高反膜,α的范围为0-90°。
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