CN112234422A - 一种双模式可切换输出的中红外光参量振荡器 - Google Patents

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Abstract

一种双模式可切换输出的中红外光参量振荡器，它属于激光技术领域，解决现有中红外波段光参量振荡器输出模式单一的问题。一种双模式可切换输出的中红外光参量振荡器包括泵浦光耦合系统和T型内腔抽运式光参量振荡器；所述的泵浦光耦合系统由掺Tm3+的泵浦源、泵浦光半波片、偏振分光镜、第一聚焦组件、第二聚焦组件、第一泵浦光全反镜及第二泵浦光全反镜组成；所述的T型内腔抽运式光参量振荡器由第一基频光全反镜、第二基频光全反镜、第一增益介质、第二增益介质、第一腔内透镜、第二腔内透镜、第二二色镜、第一二色镜、声光Q开关、基频光半波片、参量光全反镜、非线性晶体及输出镜组成。本发明用于双模式可切换输出的中红外光参量振荡器。

Description

一种双模式可切换输出的中红外光参量振荡器
技术领域
本发明属于激光技术领域。
背景技术
3μm～14μm属于光谱中的中红外波段，覆盖多个大气透明窗口并处于众多气体分子的“指纹识别区”，因此该波段激光在大气遥感与通信、光电对抗、激光雷达、光谱分析、医疗、环保等领域均有重要的应用价值。目前，能够实现该波段激光全覆盖的器件主要是光参量振荡器(OPO)，其激光产生方式是利用非线性晶体的二阶非线性效应，将技术相对成熟的近红外波段激光转换为中红外激光输出，由于其激光的产生不依赖增益介质中掺杂离子的能级跃迁，使得采用OPO技术能够开发出灵活性高、工作模式多样的中红外激光源，可满足不同领域对该波段激光参数的差异性需求。
光参量振荡器的输出特性主要取决于非线性晶体及其泵浦源，目前可产生中红外波段激光的红外晶体主要可分为磷化物(如ZnGeP2)、硫化物(如AgGaS2)、硒化物(如CdSe,BaGa4Se7,AgGaSe2)，泵浦源主要可分为以下三大类：(1)掺杂Nd3+或Yb3+的1μm波段脉冲激光；(2)掺杂Er3+的1.5μm～1.6μm波段脉冲激光；(3)单掺Tm3+、单掺Ho3+或者Tm3+和Ho3+双掺的1.9μm～2.1μm波段脉冲激光。同前述几种泵浦源相比，以掺Ho3+脉冲激光为泵浦源的中红外光参量振荡器的输出性能尤为突出：这主要是因为掺Ho3+增益介质不但具有较长上能级寿命(10ms量级)、较大的有效发射截面(10-20cm2量级)、较低的量子亏损，利于高能泵浦激光的获得；而且其波长比另外两类泵浦源的波长要长，一方面使其在光谱上与待转换波长距离更近，另一方面在非线性晶体中的吸收损耗会更小，这些都为高平均功率/高脉冲能量中红外激光的高效提取创造出有利条件。目前，采用该技术路线的单台光参量振荡器能产生百瓦级功率或数十毫焦耳能量的中红外激光。然而，采用传统的光参量振荡器只能运行一种模式：即输出指标为高重复频率/高平均功率的工作模式或输出指标为低重复频率/高脉冲能量的工作模式，导致两种运转模式的中红外激光需由不同设备输出，这一方面限制了光参量振荡器的使用范围，另一方面在需求两种工作模式时需采用两台设备，造成投入成本的增加。
发明内容
本发明目的是为了解决现有中红外波段光参量振荡器输出模式单一的问题，提供了一种双模式可切换输出的中红外光参量振荡器。
一种双模式可切换输出的中红外光参量振荡器，它包括泵浦光耦合系统和T型内腔抽运式光参量振荡器；
所述的泵浦光耦合系统由掺Tm3+的泵浦源、泵浦光半波片、偏振分光镜、第一聚焦组件、第二聚焦组件、第一泵浦光全反镜及第二泵浦光全反镜组成；所述的第一聚焦组件和第二聚焦组件均由平凸透镜凸面相对构成；
所述的T型内腔抽运式光参量振荡器由第一基频光全反镜、第二基频光全反镜、第一增益介质、第二增益介质、第一腔内透镜、第二腔内透镜、第二二色镜、第一二色镜、声光Q开关、基频光半波片、参量光全反镜、非线性晶体及输出镜组成；其中参量光全反镜、非线性晶体及输出镜组成光参量振荡器模块；所述的第一增益介质及第二增益介质均为掺Ho3+增益介质；
其中，第一基频光全反镜、第一增益介质、第一腔内透镜、第一二色镜、声光Q开关、基频光半波片、参量光全反镜、非线性晶体及输出镜构成高重复频率/高平均功率工作模块；
其中，第二基频光全反镜、第二增益介质、第二腔内透镜、第二二色镜、第一二色镜、声光Q开关、基频光半波片、参量光全反镜、非线性晶体及输出镜构成低重复频率/高脉冲能量工作模块；
将声光Q开关的驱动频率设置为高重复频率模式，旋转泵浦光半波片的角度，使经过泵浦光半波片的泵浦光变为P偏振泵浦光，P偏振泵浦光透过偏振分光镜，再经第一聚焦组件、第一泵浦光全反镜及第一基频光全反镜后聚焦到第一增益介质中，第一增益介质吸收P偏振泵浦光能量后实现粒子数反转，经声光Q开关调制变为脉冲模式激光，且调整基频光半波片的光轴方向与S偏振方向一致，在高重复频率/高平均功率工作模块内振荡产生高重复频率/高平均功率运转的S偏振基频光，当高重复频率/高平均功率运转的S偏振基频光的能量密度达到光参量振荡器模块阈值时，非线性晶体吸收高重复频率/高平均功率运转的S偏振基频光并通过频率下转换，在光参量振荡器模块之间产生高重复频率/高平均功率的中红外参量光，部分高重复频率/高平均功率的中红外参量光经由输出镜输出到腔外；
将声光Q开关的驱动频率设置为低重复频率模式，旋转泵浦光半波片的角度，使经过泵浦光半波片的泵浦光变为S偏振泵浦光，S偏振泵浦光通过偏振分光镜全部反射，再经第二聚焦组件、第二泵浦光全反镜及第二基频光全反镜后聚焦到第二增益介质中，第二增益介质吸收S偏振泵浦光能量后实现粒子数反转，经声光Q开关调制变为脉冲模式激光，且调整基频光半波片的光轴方向与S偏振方向成45度角，在低重复频率/高脉冲能量工作模块内振荡产生低重复频率/高脉冲能量的S偏振基频光，当低重复频率/高脉冲能量的S偏振基频光的能量密度达到光参量振荡器模块阈值时，非线性晶体吸收低重复频率/高脉冲能量的S偏振基频光并通过频率下转换，在光参量振荡器模块之间产生低重复频率/高脉冲能量的中红外参量光，部分低重复频率/高脉冲能量的中红外参量光经由输出镜输出到腔外。
本发明的优点：本发明提出一种基于掺Ho3+增益介质腔内抽运的T型中红外光参量振荡器，两种工作模式分别运行在光参量振荡器的两路分支中，能够实现两种工作模式的最优化输出，可在单台设备中实现高重复频率/高平均功率和低重复频率/高脉冲能量两种工作模式的自由切换，实现单台中红外激光源的多用途功能；利用高储能的掺Ho3+增益介质产生高平均功率或高脉冲能量的2μm波段基频光，再结合内腔抽运的高泵浦密度，可降低光参量振荡器模块阈值并提高非线性变频的转换效率；选用不同种类及切割角度的非线性晶体，依据光参量转换原理可产生双工作模式自由切换的中红外可调谐激光。另外，两种工作模式共用一套参量转换器件，不但降低了中红外激光源的开发成本，也使得中红外激光源的整体结构更为简单紧凑。
当非线性晶体为ZnGeP2晶体，第一增益介质和第二增益介质均为Ho:YAG晶体时，中红外光参量振荡器输出的波长范围为3.5～5.2μm，当运行在高重复频率/高平均功率工作模式时，光参量振荡器可在10kHz～20kHz重复频率下输出平均功率为1瓦～2瓦的脉冲激光；当运行在低重复频率/高脉冲能量工作模式时，光参量振荡器可在0.5kHz～1kHz重复频率下输出高脉冲能量为2毫焦耳～4毫焦耳的脉冲激光。
附图说明
图1为本发明双模式可切换输出的中红外光参量振荡器的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图1说明，本实施方式一种双模式可切换输出的中红外光参量振荡器，它包括泵浦光耦合系统和T型内腔抽运式光参量振荡器；
所述的泵浦光耦合系统由掺Tm3+的泵浦源1、泵浦光半波片2、偏振分光镜3、第一聚焦组件4、第二聚焦组件5、第一泵浦光全反镜6及第二泵浦光全反镜7组成；所述的第一聚焦组件4和第二聚焦组件5均由平凸透镜凸面相对构成；
所述的T型内腔抽运式光参量振荡器由第一基频光全反镜8、第二基频光全反镜9、第一增益介质10、第二增益介质11、第一腔内透镜12、第二腔内透镜13、第二二色镜14、第一二色镜15、声光Q开关16、基频光半波片17、参量光全反镜18、非线性晶体19及输出镜20组成；其中参量光全反镜18、非线性晶体19及输出镜20组成光参量振荡器模块；所述的第一增益介质10及第二增益介质11均为掺Ho3+增益介质；
其中，第一基频光全反镜8、第一增益介质10、第一腔内透镜12、第一二色镜15、声光Q开关16、基频光半波片17、参量光全反镜18、非线性晶体19及输出镜20构成高重复频率/高平均功率工作模块；
其中，第二基频光全反镜9、第二增益介质11、第二腔内透镜13、第二二色镜14、第一二色镜15、声光Q开关16、基频光半波片17、参量光全反镜18、非线性晶体19及输出镜20构成低重复频率/高脉冲能量工作模块；
将声光Q开关16的驱动频率设置为高重复频率模式，旋转泵浦光半波片2的角度，使经过泵浦光半波片2的泵浦光变为P偏振泵浦光，P偏振泵浦光透过偏振分光镜3，再经第一聚焦组件4、第一泵浦光全反镜6及第一基频光全反镜8后聚焦到第一增益介质10中，第一增益介质10吸收P偏振泵浦光能量后实现粒子数反转，经声光Q开关16调制变为脉冲模式激光，且调整基频光半波片17的光轴方向与S偏振方向一致，在高重复频率/高平均功率工作模块内振荡产生高重复频率/高平均功率运转的S偏振基频光，当高重复频率/高平均功率运转的S偏振基频光的能量密度达到光参量振荡器模块阈值时，非线性晶体19吸收高重复频率/高平均功率运转的S偏振基频光并通过频率下转换，在光参量振荡器模块之间产生高重复频率/高平均功率的中红外参量光，部分高重复频率/高平均功率的中红外参量光经由输出镜20输出到腔外；
将声光Q开关16的驱动频率设置为低重复频率模式，旋转泵浦光半波片2的角度，使经过泵浦光半波片2的泵浦光变为S偏振泵浦光，S偏振泵浦光通过偏振分光镜3全部反射，再经第二聚焦组件5、第二泵浦光全反镜7及第二基频光全反镜9后聚焦到第二增益介质11中，第二增益介质11吸收S偏振泵浦光能量后实现粒子数反转，经声光Q开关16调制变为脉冲模式激光，且调整基频光半波片17的光轴方向与S偏振方向成45度角，在低重复频率/高脉冲能量工作模块内振荡产生低重复频率/高脉冲能量的S偏振基频光，当低重复频率/高脉冲能量的S偏振基频光的能量密度达到光参量振荡器模块阈值时，非线性晶体19吸收低重复频率/高脉冲能量的S偏振基频光并通过频率下转换，在光参量振荡器模块之间产生低重复频率/高脉冲能量的中红外参量光，部分低重复频率/高脉冲能量的中红外参量光经由输出镜20输出到腔外。
本实施方式第一基频光全反镜8、第二基频光全反镜9、第一增益介质10、第二增益介质11、第一腔内透镜12、第二腔内透镜13、第二二色镜14、第一二色镜15、声光Q开关16、基频光半波片17及输出镜20组成双增益介质掺Ho3+激光器模块。
本实施方式所述的双增益介质掺Ho3+激光器模块用以产生参量转换所需基频光；本实施方式所述的光参量振荡器模块用以产生中红外参量光。
本实施方式所述的泵浦源用于对掺Ho3+增益介质进行泵浦激励。
本实施方式所述的泵浦光半波片2及偏振分光镜3组成泵浦光传输方向控制模块，通过旋转泵浦光半波片2角度控制进入到T型内腔抽运式光参量振荡器泵浦光的偏振态S偏振或P偏振。
本实施方式所述的第一聚焦组件4及第二聚焦组件5用来调整聚焦到第一增益介质10和第二增益介质11内泵浦光的光斑尺寸。
本实施方式所述的第一腔内透镜12及第二腔内透镜13用于补偿掺Ho3+激光器的热透镜效应、调控相应增益介质和非线性晶体内基频光的振荡半径。使用具有一定焦距的第一腔内透镜12，使在非线性晶体19内的基频光具有较小的振荡半径，降低光参量振荡器阈值，利于高重复频率/高平均功率中红外参量光的提取。使用具有一定焦距的第二腔内透镜13，使在非线性晶体19内的基频光具有较大的振荡半径，提高光参量振荡器的抗损伤能力，利于低重复频率/高脉冲能量中红外参量光的提取。
本实施方式所述的第二二色镜14及第一二色镜15用以滤掉未被吸收的残余泵浦光。
本实施方式所述的声光Q开关16用于调节腔内掺Ho3+增益介质的反转粒子数，以产生脉冲运转模式的基频光；通过调节声光Q开关16的驱动频率，实现工作模式在高、低重复频率间的自由切换。
本实施方式当光参量振荡器运行在高重复频率/高平均功率模式时，该基频光半波片17的光轴方向与S偏振方向一致，因此S偏振通过后不改变偏振方向；当光参量振荡器运行在低重复频率/高脉冲能量模式时，调整该基频光半波片17的光轴方向使其与S偏振或P偏振方向成45度角，使P偏振通过后变为S型偏振光。总之，通过调整基频光半波片17的光轴方向，能够保证在两种工作模式下入射到非线性晶体内基频光的偏振态一致，以满足参量转换对泵浦光的偏振需求。
本实施方式基频光被非线性晶体19吸收后，通过频率下转换过程产生信号光短波参量光和闲频光长波参量光。
本具体实施方式的有益效果是：
本具体实施方式提出一种基于掺Ho3+增益介质腔内抽运的T型中红外光参量振荡器，两种工作模式分别运行在光参量振荡器的两路分支中，能够实现两种工作模式的最优化输出，可在单台设备中实现高重复频率/高平均功率和低重复频率/高脉冲能量两种工作模式的自由切换，实现单台中红外激光源的多用途功能；利用高储能的掺Ho3+增益介质产生高平均功率或高脉冲能量的2μm波段基频光，再结合内腔抽运的高泵浦密度，可降低光参量振荡器模块阈值并提高非线性变频的转换效率；选用不同种类及切割角度的非线性晶体，依据光参量转换原理可产生双工作模式自由切换的中红外可调谐激光。另外，两种工作模式共用一套参量转换器件，不但降低了中红外激光源的开发成本，也使得中红外激光源的整体结构更为简单紧凑。
当非线性晶体19为ZnGeP2晶体，第一增益介质10和第二增益介质11均为Ho:YAG晶体时，中红外光参量振荡器输出的波长范围为3.5～5.2μm，当运行在高重复频率/高平均功率工作模式时，光参量振荡器可在10kHz～20kHz重复频率下输出平均功率为1瓦～2瓦的脉冲激光；当运行在低重复频率/高脉冲能量工作模式时，光参量振荡器可在0.5kHz～1kHz重复频率下输出高脉冲能量为2毫焦耳～4毫焦耳的脉冲激光。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述的掺Tm3+的泵浦源1为连续运转、偏振输出的掺Tm3+固体激光器或连续运转、偏振输出的掺Tm3+光纤激光器，泵浦光波长对应的能带跃迁为3F4→3H6。其它与具体实施方式一相同。
所述的第一增益介质10和第二增益介质11发射波长对应的能带跃迁为5I7→5I8；所述的第一增益介质10和第二增益介质11的吸收谱线与所述泵浦光波长相匹配。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同的是：所述的泵浦光半波片2为单轴晶体制成的偏振器件，通光方向垂直单轴晶体的光轴；所述的偏振分光镜3一侧镀有S偏振泵浦光高反膜和P偏振泵浦光增透膜，另一侧镀有P偏振泵浦光增透膜。其它与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：当所述的声光Q开关16为高重复频率模式时，驱动频率大于10kHz；当所述的声光Q开关16为低重复频率模式时，驱动频率小于1kHz。其它与具体实施方式一至三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述的第一聚焦组件4的平凸透镜通光面镀有P偏振泵浦光增透膜；所述的第二聚焦组件5的平凸透镜通光面镀有S偏振泵浦光增透膜；所述的第一泵浦光全反镜6通光面镀有P偏振泵浦光高反膜；所述的第二泵浦光全反镜7通光面镀有S偏振泵浦光高反膜。其它与具体实施方式一至四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：所述的第一基频光全反镜8为一侧镀有P偏振泵浦光增透膜和另一侧镀有P偏振泵浦光增透膜、S偏振基频光高反膜的平面镜；所述的第二基频光全反镜9为一侧镀有S偏振泵浦光增透膜和另一侧镀有S偏振泵浦光增透膜、P偏振基频光高反膜的平面镜。其它与具体实施方式一至五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：所述的第一增益介质10和第二增益介质11为Ho:YAG晶体、Ho:YAP晶体、Ho:YLF晶体或Ho:YVO4晶体，且第一增益介质10和第二增益介质11为同一种掺Ho3+材料；所述的第一增益介质10通光面两侧同时镀有P偏振泵浦光和S偏振基频光的增透膜；所述的第二增益介质11通光面两侧同时镀有S偏振泵浦光和P偏振基频光的增透膜。其它与具体实施方式一至六相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：所述的第一腔内透镜12通光面同时镀有P偏振泵浦光和S偏振基频光增透膜；所述的第二腔内透镜13通光面同时镀有S偏振泵浦光和P偏振基频光增透膜；所述的第一二色镜15一侧镀有P偏振泵浦光增透膜、S偏振基频光高反膜及P偏振基频光增透膜，另一侧镀有P偏振泵浦光增透膜及P偏振基频光增透膜；所述的第二二色镜14一侧镀有S偏振泵浦光高反膜及P偏振基频光增透膜，另一侧镀有P偏振基频光增透膜。其它与具体实施方式一至七相同。
因此，第一增益介质10在第一基频光全反镜8、第一二色镜15和基频光半波片17之间产生S偏振基频光；第二增益介质11在第二基频光全反镜9、第二二色镜14、第一二色镜15和基频光半波片17之间产生P偏振基频光。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：所述的基频光半波片17为单轴晶体制成的偏振器件，通光方向垂直所述单轴晶体的光轴；所述的参量光全反镜18一侧镀有S偏振基频光增透膜，另一侧镀有S偏振基频光增透膜、中红外参量光高反膜；所述的非线性晶体19为ZnGeP2晶体、AgGaS2晶体、AgGaSe2晶体、CdSe晶体或BaGa4Se7晶体，晶体两面均镀有S偏振基频光增透膜、中红外参量光增透膜。其它与具体实施方式一至八相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：所述的输出镜20一侧镀有S偏振基频光高反膜和中红外参量光增透膜，另一侧镀有中红外参量光部分反射膜；或所述的输出镜20一侧镀有S偏振基频光高反膜和中红外参量光增透膜，另一侧镀有闲频光部分反射膜、信号光增透膜；或所述的输出镜20一侧镀有S偏振基频光高反膜和中红外参量光增透膜，另一侧镀有信号光部分反射膜、闲频光增透膜。其它与具体实施方式一至九相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一：
一种双模式可切换输出的中红外光参量振荡器，其特征在于它包括泵浦光耦合系统和T型内腔抽运式光参量振荡器；
所述的泵浦光耦合系统由掺Tm3+的泵浦源1、泵浦光半波片2、偏振分光镜3、第一聚焦组件4、第二聚焦组件5、第一泵浦光全反镜6及第二泵浦光全反镜7组成；所述的第一聚焦组件4和第二聚焦组件5均由平凸透镜凸面相对构成；
所述的T型内腔抽运式光参量振荡器由第一基频光全反镜8、第二基频光全反镜9、第一增益介质10、第二增益介质11、第一腔内透镜12、第二腔内透镜13、第二二色镜14、第一二色镜15、声光Q开关16、基频光半波片17、参量光全反镜18、非线性晶体19及输出镜20组成；其中参量光全反镜18、非线性晶体19及输出镜20组成光参量振荡器模块；所述的第一增益介质10及第二增益介质11均为掺Ho3+增益介质；
其中，第一基频光全反镜8、第一增益介质10、第一腔内透镜12、第一二色镜15、声光Q开关16、基频光半波片17、参量光全反镜18、非线性晶体19及输出镜20构成高重复频率/高平均功率工作模块；
其中，第二基频光全反镜9、第二增益介质11、第二腔内透镜13、第二二色镜14、第一二色镜15、声光Q开关16、基频光半波片17、参量光全反镜18、非线性晶体19及输出镜20构成低重复频率/高脉冲能量工作模块；
将声光Q开关16的驱动频率设置为高重复频率模式，旋转泵浦光半波片2的角度，使经过泵浦光半波片2的泵浦光变为P偏振泵浦光，P偏振泵浦光透过偏振分光镜3，再经第一聚焦组件4、第一泵浦光全反镜6及第一基频光全反镜8后聚焦到第一增益介质10中，第一增益介质10吸收P偏振泵浦光能量后实现粒子数反转，经声光Q开关16调制变为脉冲模式激光，且调整基频光半波片17的光轴方向与S偏振方向一致，在高重复频率/高平均功率工作模块内振荡产生高重复频率/高平均功率运转的S偏振基频光，当高重复频率/高平均功率运转的S偏振基频光的能量密度达到光参量振荡器模块阈值时，非线性晶体19吸收高重复频率/高平均功率运转的S偏振基频光并通过频率下转换，在光参量振荡器模块之间产生高重复频率/高平均功率的中红外参量光，部分高重复频率/高平均功率的中红外参量光经由输出镜20输出到腔外；
将声光Q开关16的驱动频率设置为低重复频率模式，旋转泵浦光半波片2的角度，使经过泵浦光半波片2的泵浦光变为S偏振泵浦光，S偏振泵浦光通过偏振分光镜3全部反射，再经第二聚焦组件5、第二泵浦光全反镜7及第二基频光全反镜9后聚焦到第二增益介质11中，第二增益介质11吸收S偏振泵浦光能量后实现粒子数反转，经声光Q开关16调制变为脉冲模式激光，且调整基频光半波片17的光轴方向与S偏振方向成45度角，在低重复频率/高脉冲能量工作模块内振荡产生低重复频率/高脉冲能量的S偏振基频光，当低重复频率/高脉冲能量的S偏振基频光的能量密度达到光参量振荡器模块阈值时，非线性晶体19吸收低重复频率/高脉冲能量的S偏振基频光并通过频率下转换，在光参量振荡器模块之间产生低重复频率/高脉冲能量的中红外参量光，部分低重复频率/高脉冲能量的中红外参量光经由输出镜20输出到腔外；
所述的掺Tm3+的泵浦源1为1.91μm偏振运转的Tm:YLF固体激光器；
所述的泵浦光半波片2为单轴晶体制成的偏振器件，通光方向垂直单轴晶体的光轴；所述的偏振分光镜3通光表面一侧镀有1.91μm的S偏振泵浦光高反膜和1.91μm的P偏振泵浦光增透膜，另一侧镀有1.91μm的P偏振泵浦光增透膜；
当所述的声光Q开关16为高重复频率模式时，驱动频率大于10kHz；当所述的声光Q开关16为低重复频率模式时，驱动频率小于1kHz；
所述的第一聚焦组件4的平凸透镜通光面两侧镀有1.91μm的P偏振泵浦光增透膜；所述的第二聚焦组件5的平凸透镜通光面两侧镀有1.91μm的S偏振泵浦光增透膜；所述的第一泵浦光全反镜6通光面镀有1.91μm的P偏振光高反膜；所述的第二泵浦光全反镜7通光面镀有1.91μm的S偏振泵浦光高反膜；
所述的第一基频光全反镜8为一侧镀有1.91μm的P偏振泵浦光增透膜和另一侧镀有1.91μm的P偏振泵浦光增透膜、2.09μm的S偏振基频光高反膜的平面镜；所述的第二基频光全反镜9为一侧镀有1.91μm的S偏振泵浦光增透膜和另一侧镀有1.91μm的S偏振泵浦光增透膜、2.09μm的P偏振基频光高反膜的平面镜；
所述的第一增益介质10和第二增益介质11均为Ho:YAG晶体，产生的基频光波长为2.09μm；
所述的第一增益介质10通光面两侧同时镀有1.91μm的P偏振泵浦光和2.09μm的S偏振基频光的增透膜；所述的第二增益介质11通光面两侧同时镀有1.91μm的S偏振泵浦光和2.09μm的P偏振基频光的增透膜；
所述的第一腔内透镜12通光面同时镀有1.91μm的P偏振泵浦光和2.09μm的S偏振基频光增透膜；所述的第二腔内透镜13通光面同时镀有1.91μm的S偏振泵浦光和2.09μm的P偏振基频光增透膜；
所述的第一二色镜15一侧镀有1.91μm的P偏振泵浦光增透膜、2.09μm的S偏振基频光高反膜及2.09μm的P偏振基频光增透膜，另一侧镀有1.91μm的P偏振泵浦光增透膜及2.09μm的P偏振基频光增透膜；所述的第二二色镜14一侧镀有1.91μm的S偏振泵浦光高反膜及2.09μm的P偏振基频光增透膜，另一侧镀有2.09μm的P偏振基频光增透膜；
所述的基频光半波片17为单轴晶体制成的偏振器件，通光方向垂直所述单轴晶体的光轴；所述的参量光全反镜18一侧镀有2.09μm的S偏振基频光增透膜，另一侧镀有2.09μm的S偏振基频光增透膜、3～5μm的中红外参量光高反膜；所述的非线性晶体19为ZnGeP2晶体，晶体两面均镀有2.09μm的S偏振基频光增透膜、3～5μm的中红外参量光增透膜；
所述的输出镜20一侧镀有2.09μm的S偏振基频光高反膜和3～5μm的中红外参量光增透膜，另一侧镀有反射率为50％的3～5μm中红外参量光部分反射膜；
因此参量光全反镜18、非线性晶体19及输出镜20构成双共振光参量振荡器。
本实施例所述的第一聚焦组件4及第二聚焦组件5用来调整聚焦到第一增益介质和第二增益介质内泵浦光的光斑尺寸。
本实施例所述的第一腔内透镜12及第二腔内透镜13用于补偿掺Ho3+激光器的热透镜效应、调控相应增益介质和非线性晶体内基频光的振荡半径。第一增益介质10内的泵浦光斑半径为0.5mm，第一腔内透镜12的焦距为300mm～800mm，相应的第一增益介质10和非线性晶体19内基频光的振荡半径分别为0.5mm～0.4mm及0.21mm～0.28mm；第二增益介质11内的泵浦光斑半径为0.47mm，第二腔内透镜13的焦距为-200mm～-800mm，相应的第二增益介质11和非线性晶体19内基频光的振荡半径分别为0.48mm～0.4mm及0.5mm～0.33mm。
本实施例提供的中红外光参量振荡器输出的波长范围为3.5～5.2μm，通过改变泵浦光半波片2和基频光半波片17的光轴方向以及声光Q开关16的驱动频率，实现两种工作模式的自由切换。当运行在高重复频率/高平均功率工作模式时，光参量振荡器可在10kHz～20kHz重复频率下输出平均功率为1瓦～2瓦的脉冲激光；当运行在低重复频率/高脉冲能量工作模式时，光参量振荡器可在0.5kHz～1kHz重复频率下输出脉冲能量为2毫焦耳～4毫焦耳的脉冲激光。
实施例二：本实施例与实施例一不同的是：所述的输出镜20一侧镀有S偏振基频光高反膜和中红外参量光增透膜，另一侧镀有闲频光部分反射膜、信号光增透膜，因此参量光全反镜18、非线性晶体19及输出镜20构成闲频光单共振光参量振荡器。其它与实施例一相同。
实施例三：本实施例与实施例一不同的是：所述的输出镜20一侧镀有S偏振基频光高反膜和中红外参量光增透膜，另一侧镀有信号光部分反射膜、闲频光增透膜，因此参量光全反镜18、非线性晶体19及输出镜20构成信号光单共振光参量振荡器。其它与实施例一相同。
实施例四：本实施例与实施例一不同的是：所述的掺Tm3+的泵浦源1为1.94μm偏振运转的Tm:YAP固体激光器或掺Tm3+光纤激光器；所述的第一增益介质10和第二增益介质11为Ho:YLF晶体。由于Ho:YLF晶体吸收热量后呈现负透镜效应，为使掺Ho3+激光器的谐振腔保持稳定，第一腔内透镜12及第二腔内透镜13均为平凸透镜。其它与实施例一相同。

Claims (10)

1.一种双模式可切换输出的中红外光参量振荡器，其特征在于它包括泵浦光耦合系统和T型内腔抽运式光参量振荡器；
所述的泵浦光耦合系统由掺Tm3+的泵浦源(1)、泵浦光半波片(2)、偏振分光镜(3)、第一聚焦组件(4)、第二聚焦组件(5)、第一泵浦光全反镜(6)及第二泵浦光全反镜(7)组成；所述的第一聚焦组件(4)和第二聚焦组件(5)均由平凸透镜凸面相对构成；
所述的T型内腔抽运式光参量振荡器由第一基频光全反镜(8)、第二基频光全反镜(9)、第一增益介质(10)、第二增益介质(11)、第一腔内透镜(12)、第二腔内透镜(13)、第二二色镜(14)、第一二色镜(15)、声光Q开关(16)、基频光半波片(17)、参量光全反镜(18)、非线性晶体(19)及输出镜(20)组成；其中参量光全反镜(18)、非线性晶体(19)及输出镜(20)组成光参量振荡器模块；所述的第一增益介质(10)及第二增益介质(11)均为掺Ho3+增益介质；
其中，第一基频光全反镜(8)、第一增益介质(10)、第一腔内透镜(12)、第一二色镜(15)、声光Q开关(16)、基频光半波片(17)、参量光全反镜(18)、非线性晶体(19)及输出镜(20)构成高重复频率/高平均功率工作模块；
其中，第二基频光全反镜(9)、第二增益介质(11)、第二腔内透镜(13)、第二二色镜(14)、第一二色镜(15)、声光Q开关(16)、基频光半波片(17)、参量光全反镜(18)、非线性晶体(19)及输出镜(20)构成低重复频率/高脉冲能量工作模块；
将声光Q开关(16)的驱动频率设置为高重复频率模式，旋转泵浦光半波片(2)的角度，使经过泵浦光半波片(2)的泵浦光变为P偏振泵浦光，P偏振泵浦光透过偏振分光镜(3)，再经第一聚焦组件(4)、第一泵浦光全反镜(6)及第一基频光全反镜(8)后聚焦到第一增益介质(10)中，第一增益介质(10)吸收P偏振泵浦光能量后实现粒子数反转，经声光Q开关(16)调制变为脉冲模式激光，且调整基频光半波片(17)的光轴方向与S偏振方向一致，在高重复频率/高平均功率工作模块内振荡产生高重复频率/高平均功率运转的S偏振基频光，当高重复频率/高平均功率运转的S偏振基频光的能量密度达到光参量振荡器模块阈值时，非线性晶体(19)吸收高重复频率/高平均功率运转的S偏振基频光并通过频率下转换，在光参量振荡器模块之间产生高重复频率/高平均功率的中红外参量光，部分高重复频率/高平均功率的中红外参量光经由输出镜(20)输出到腔外；
将声光Q开关(16)的驱动频率设置为低重复频率模式，旋转泵浦光半波片(2)的角度，使经过泵浦光半波片(2)的泵浦光变为S偏振泵浦光，S偏振泵浦光通过偏振分光镜(3)全部反射，再经第二聚焦组件(5)、第二泵浦光全反镜(7)及第二基频光全反镜(9)后聚焦到第二增益介质(11)中，第二增益介质(11)吸收S偏振泵浦光能量后实现粒子数反转，经声光Q开关(16)调制变为脉冲模式激光，且调整基频光半波片(17)的光轴方向与S偏振方向成45度角，在低重复频率/高脉冲能量工作模块内振荡产生低重复频率/高脉冲能量的S偏振基频光，当低重复频率/高脉冲能量的S偏振基频光的能量密度达到光参量振荡器模块阈值时，非线性晶体(19)吸收低重复频率/高脉冲能量的S偏振基频光并通过频率下转换，在光参量振荡器模块之间产生低重复频率/高脉冲能量的中红外参量光，部分低重复频率/高脉冲能量的中红外参量光经由输出镜(20)输出到腔外。
2.根据权利要求1所述的一种双模式可切换输出的中红外光参量振荡器，其特征在于所述的掺Tm3+的泵浦源(1)为连续运转、偏振输出的掺Tm3+固体激光器或连续运转、偏振输出的掺Tm3+光纤激光器，泵浦光波长对应的能带跃迁为3F4→3H6。
3.根据权利要求1所述的一种双模式可切换输出的中红外光参量振荡器，其特征在于所述的泵浦光半波片(2)为单轴晶体制成的偏振器件，通光方向垂直单轴晶体的光轴；所述的偏振分光镜(3)一侧镀有S偏振泵浦光高反膜和P偏振泵浦光增透膜，另一侧镀有P偏振泵浦光增透膜。
4.根据权利要求1所述的一种双模式可切换输出的中红外光参量振荡器，其特征在于当所述的声光Q开关(16)为高重复频率模式时，驱动频率大于10kHz；当所述的声光Q开关(16)为低重复频率模式时，驱动频率小于1kHz。
5.根据权利要求1所述的一种双模式可切换输出的中红外光参量振荡器，其特征在于所述的第一聚焦组件(4)的平凸透镜通光面两侧镀有P偏振泵浦光增透膜；所述的第二聚焦组件(5)的平凸透镜通光面两侧镀有S偏振泵浦光增透膜；所述的第一泵浦光全反镜(6)通光面镀有P偏振泵浦光高反膜；所述的第二泵浦光全反镜(7)通光面镀有S偏振泵浦光高反膜。
6.根据权利要求1所述的一种双模式可切换输出的中红外光参量振荡器，其特征在于所述的第一基频光全反镜(8)为一侧镀有P偏振泵浦光增透膜和另一侧镀有P偏振泵浦光增透膜、S偏振基频光高反膜的平面镜；所述的第二基频光全反镜(9)为一侧镀有S偏振泵浦光增透膜和另一侧镀有S偏振泵浦光增透膜、P偏振基频光高反膜的平面镜。
7.根据权利要求1所述的一种双模式可切换输出的中红外光参量振荡器，其特征在于所述的第一增益介质(10)和第二增益介质(11)为Ho:YAG晶体、Ho:YAP晶体、Ho:YLF晶体或Ho:YVO4晶体，且第一增益介质(10)和第二增益介质(11)为同一种掺Ho3+材料；所述的第一增益介质(10)通光面两侧同时镀有P偏振泵浦光和S偏振基频光的增透膜；所述的第二增益介质(11)通光面两侧同时镀有S偏振泵浦光和P偏振基频光的增透膜。
8.根据权利要求1所述的一种双模式可切换输出的中红外光参量振荡器，其特征在于所述的第一腔内透镜(12)通光面同时镀有P偏振泵浦光和S偏振基频光增透膜；所述的第二腔内透镜(13)通光面同时镀有S偏振泵浦光和P偏振基频光增透膜；所述的第一二色镜(15)一侧镀有P偏振泵浦光增透膜、S偏振基频光高反膜及P偏振基频光增透膜，另一侧镀有P偏振泵浦光增透膜及P偏振基频光增透膜；所述的第二二色镜(14)一侧镀有S偏振泵浦光高反膜及P偏振基频光增透膜，另一侧镀有P偏振基频光增透膜。
9.根据权利要求1所述的一种双模式可切换输出的中红外光参量振荡器，其特征在于所述的基频光半波片(17)为单轴晶体制成的偏振器件，通光方向垂直所述单轴晶体的光轴；所述的参量光全反镜(18)一侧镀有S偏振基频光增透膜，另一侧镀有S偏振基频光增透膜、中红外参量光高反膜；所述的非线性晶体(19)为ZnGeP2晶体、AgGaS2晶体、AgGaSe2晶体、CdSe晶体或BaGa4Se7晶体，晶体两面均镀有S偏振基频光增透膜、中红外参量光增透膜。
10.根据权利要求1所述的一种双模式可切换输出的中红外光参量振荡器，其特征在于所述的输出镜(20)一侧镀有S偏振基频光高反膜和中红外参量光增透膜，另一侧镀有中红外参量光部分反射膜；或所述的输出镜(20)一侧镀有S偏振基频光高反膜和中红外参量光增透膜，另一侧镀有闲频光部分反射膜、信号光增透膜；或所述的输出镜(20)一侧镀有S偏振基频光高反膜和中红外参量光增透膜，另一侧镀有信号光部分反射膜、闲频光增透膜。
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