CN1123950C - 内腔变反射率光参量振荡器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种内腔变反射率光参量振荡器，包括泵浦反射镜、激光晶体、中间反射镜、非线性晶体和输出反射镜，其中的中间反射镜和输出反射镜中的任意一个朝向非线性晶体的一侧表面上镀有与输出光波长相应的变反射率膜系，变反射率膜系由三层以上的膜组成，其中至少有一个膜层厚度为曲线形，曲线最高点处的厚度为。其中的膜层为无机光学镀膜材料。本发明设计的内腔变反射率光参量振荡器，由于使用了光学反射率沿径向呈曲线变化的腔镜，从而可以有效地减小光束发散角，提高内腔光参量振荡器输出激光的光束质量。

Description

内腔变反射率光参量振荡器

技术领域：

本发明涉及一种内腔变反射率光参量振荡器，更具体地说，是采用变反射率镜片作为内腔式光参量振荡器的谐振腔镜，此种变反射率镜的反射率值沿径向呈曲线变化。使用该种腔镜的内腔光参量振荡器可以得到具有很高光束质量的激光输出，属激光技术领域。

背景技术：

光参量振荡器是一种非线性光学器件，它采用非线性晶体作为工作介质。工作介质置于谐振腔中，在泵浦光的作用下产生参量转换过程，并通过谐振腔的振荡作用形成波长不同于泵浦激光的激光输出。图1(a)为最简单的外腔型结构，由非线性晶体2和放置在其两端的两个平面反射镜1和3构成。

内腔型光参量振荡器内部包含泵浦源，输出光(信号光)谐振腔包含在泵浦激光谐振腔内部。图1(b)给出了一个直腔型的内腔光参量振荡器结构，中间反射镜1和输出镜3构成参量振荡的谐振腔，1和3之间为非线性晶体2；泵浦反射镜4和输出镜3构成泵浦激光的谐振腔，激光晶体5位于反射镜4和1之间。输出反射镜3内侧表面镀的膜层对泵浦光具有高反射率；中间反射镜1在朝向激光晶体一侧镀的膜层对泵浦光具有高透过率，在朝向非线性晶体一侧镀的膜层对泵浦光具有高透过率，对信号光具有高反射率；泵浦反射镜4内侧镀的膜层对泵浦光具有高反射率，对信号光具有一定的透过率，此外，图1(b)的几何构型采用了非稳腔设计。图1(c)给出了一个环形腔结构的内腔光参量振荡器，其中反射镜1镀的膜层只需对信号光具有高反射率，其余镜片的镀膜情况可以与图1(b)相同。

内腔光参量振荡器可以采用的几何构型还有其他多种形式，并且还可以在腔内设计其他多种光学元件以实现具有特定性质的输出。此外，通过在特定构型的晶体表面镀膜可以直接实现具有一定几何腔型的谐振腔。

然而，普通的光参量振荡器存在一个问题，这就是，光参量振荡器输出的光束质量很差，光束发散角很大。该问题一直未能得到很好解决，极大限制了光参量振荡器的实际应用。

本发明的目的是设计一种内腔变反射率光参量振荡器，通过在内腔光参量振荡器腔镜上镀变反射率膜系，改善光参量振荡器的参量振荡过程，实现较好的腔内横膜选择，使输出的激光束具有更高的光束质量，这样光束的发散角可以大大减小，能够进行更长距离的有效传播。

发明内容：

本发明设计的内腔变反射率光参量振荡器，包括泵浦反射镜、激光晶体、中间反射镜、非线性晶体和输出反射镜，其中激光晶体位于泵浦反射镜和中间反射镜之间，非线性晶体置于中间反射镜和输出反射镜之间。本发明的特征之处在于中间反射镜和输出反射镜中的任意一个朝向非线性晶体的一侧表面上镀有与输出光波长相应的变反射率膜系，变反射率膜系由三层以上的膜组成，其中至少有一个膜层厚度为曲线形，曲线最高点处的厚度为 $d=\frac{\mathrm{\λ}}{4n},$ 其中d为膜厚，λ为相应的光参量振荡器输出波长，n为膜层材料的折射率。

上述振荡器中，还可以在三个腔镜中任意一个朝向激光晶体和非线性晶体的除了已镀有上述变反射率膜系以外的腔镜表面镀有与泵浦光波长相应的变反射率膜系，该变反射率膜系由三层以上的膜层组成，其中至少有一个膜层厚度为曲线形，曲线最高点处的厚度为 $d=\frac{\mathrm{\λ}}{4n},$ 其中d为膜厚，λ为相应的光参量振荡器输出波长或泵浦光波长，n为膜层材料的折射率，膜层为无机光学镀膜材料，例如二氧化硅、二氧化锆、氟化镁、硫化锌等。

变反射率膜系的反射率曲线可以是连续或阶越的多种线型，包括高斯曲线、准高斯曲线、抛物线、高阶多峰曲线等等，一般要求反射率值沿激光腔轴心呈中心对称分布，具体的线型可以结合谐振腔进行设计。

本发明设计的内腔变反射率光参量振荡器，由于使用了光学反射率沿径向呈曲线变化的腔镜，从而可以有效地减小光束发散角，提高内腔光参量振荡器输出激光的光束质量。

附图说明：

图1为光参量振荡器已有技术的结构示意图，其中：(a)为普通外腔结构，(b)为典型内腔非稳腔结构，(c)为典型内腔环形腔结构；

图2为几种可在内腔光参量振荡器变反射镜中采用的典型反射率曲线。

图3(a)为实施例一的结构图，其中的输出镜3的膜层结构用图3(b)表示，同时泵浦反射镜4上的膜层用图3(c)表示。

图4(a)为实施例二的结构图，中间反射镜1上的膜层用图4(b)表示。

图1~图4中，1是输入镜，2是非线性晶体，3是输出镜，4是泵浦反射镜，5是激光晶体，6是2阶高斯曲线，7是4阶高斯曲线，8是6阶高斯曲线，9是马鞍形曲线，10是被动调Q晶体，11是起偏镜，12是氙灯，13是与输出波长相应的变反射率膜系，14是与泵浦波长相应的变反射率膜系，15是K9玻璃，16是二氧化锆1/4波长膜，17是二氧化硅1/4波长膜，18是二氧化锆渐变膜，19是硫化锌1/4波长膜，20是氟化镁1/4波长膜，21是硫化锌渐变膜，22是二极管激光器阵列。

具体实施方式：

实施例一：

如图3(a)，内腔光参量振荡器几何构型采用非稳腔结构，非线性晶体2为KTP(KTiOPO₄)，以非临界相位匹配方式工作；激光晶体5采用Nd：YAG，由氙灯12提供激励，产生波长1.064μm的激光；10为被动调Q晶体，11为起偏镜。输出镜3左侧镀1.57μm变反射率膜系，右侧镀的双层膜对1.57μm波长的光具有高透过率。输出镜3的变反射率曲线采用图2中的2阶高斯线型6。实施例一的输出波长在1.57μm附近。

输出镜3内侧的变反射率膜系结构如图3(b)，其中，15为基片，材料为K9玻璃；16为二氧化锆1/4波长膜，厚度约为0.20μm，17为二氧化硅1/4波长膜，厚度约为0.27μm。1/4波长膜是指膜层的光程为1/4相应波长。膜层16和17可以采用普通的蒸镀法加工。

最外层的膜层18为中心轴对称渐变分布二氧化锆膜，材料采用二氧化锆，膜层中心处的厚度约为0.20μm，且厚度从中心向边缘递减，在边缘处的厚度接近0，该膜层采用电子枪蒸发的方法进行加工。膜层16、17、18构成的膜系对波长1.57μm光的反射率为所要求的曲线，膜系中心处的反射率值在50％左右。

泵浦反射镜右侧镀1.064μm变反射率膜系，膜层结构如图3(c)，其中15为基片，材料为K9玻璃；19为硫化锌1/4波长膜，厚度约为0.12μm，20为氟化镁1/4波长膜，厚度约为0.19μm。膜层19和20采用普通的蒸镀法加工。

夹在中间的膜层21为中心轴对称渐变分布硫化锌膜，材料采用硫化锌，膜层中心处的厚度约为0.12μm，且厚度从中心向边缘递减，在边缘处的厚度接近0。该膜层采用电子枪蒸发的方法进行加工。膜层19、20、21构成的膜系对波长1.064μm光的反射率为所要求的曲线，膜系中心处的反射率值在90％左右。

实施例一的具体腔型参数经过了一定的优化，可以输出具有很高光束质量的激光束。这样，经过一定距离的传播后，实施例一产生的光斑与普通光参量振荡器相比面积大大缩小，而且与外腔型相比具有更高的转换效率，以满足激光测距、光谱、光通讯等领域的实际要求。

实施例二：

实施例二几何构型采用平—平直腔，如图4，非线性晶体2为周期极化铌酸锂；11为起偏镜，激光晶体5为Nd：YAG，由二极管激光器阵列22提供激励，产生1.064μm的连续激光。中间镜1右侧镀1.57μm变反射率膜系，左侧的双层膜对1.064μm波长的光具有高透过率。变反射率曲线采用图2中的6阶高斯曲线8。实施例二的输出波长在1.57μm附近。

中间反射镜1右侧的变反射率膜系结构如图4(b)，其中，15为基片，材料为K9玻璃；16为二氧化锆1/4波长膜，厚度约为0.20μm，17为二氧化硅1/4波长膜，厚度约为0.27μm。1/4波长膜是指膜层的光程为1/4相应波长。膜层16和17可以采用普通的蒸镀法加工。

位于中间的膜层18为中心轴对称渐变分布二氧化锆膜，材料采用二氧化锆，膜层中心处的厚度约为0.20μm，且厚度从中心向边缘递减，在边缘处的厚度接近0，该膜层采用电子枪蒸发的方法进行加工。膜层16、17、18构成的膜系对波长1.57μm光的反射率为所要求的曲线，膜系中心处的反射率值在50％左右。

实施例二输出1.57μm高光束质量的红外光束，可用于人眼安全激光照明、激光探测等领域。

Claims (4)

1、一种内腔变反射率光参量振荡器，包括泵浦反射镜、激光晶体、中间反射镜、非线性晶体和输出反射镜，其中激光晶体位于泵浦反射镜和中间反射镜之间，非线性晶体置于中间反射镜和输出反射镜之间，其特征在于其中所述的中间反射镜和输出反射镜中的任意一个朝向非线性晶体的一侧表面上镀有与输出光波长相应的变反射率膜系，变反射率膜系由三层以上的膜组成，其中至少有一个膜层厚度为曲线形，曲线分布为高斯曲线、准高斯曲线、抛物线或高阶多峰曲线中的任意一种，曲线最高点处即膜层的最厚处的厚度为 $d=\frac{\mathrm{\λ}}{4n},$ 其中d为膜厚，λ为相应的光参量振荡器输出波长，n为膜层材料的折射率。

2、如权利要求1所述的振荡器，其特征在于其中所述的三个反射腔镜中除了已镀有上述变反射率膜系以外的任意一个朝向激光晶体和非线性晶体的腔镜表面，镀有与泵浦光波长相应的变反射率膜系，该变反射率膜系由三层以上的膜层组成，其中至少有一个膜层厚度为曲线形，曲线分布为高斯曲线、准高斯曲线、抛物线或高阶多峰曲线中的任意一种，曲线最高点处即膜层的最厚处的厚度为 $d=\frac{\mathrm{\λ}}{4n},$ 其中d为膜厚，λ为相应的光参量振荡器输出波长或泵浦光波长，n为膜层材料的折射率。

3、如权利要求1所述的振荡器，其特征在于其中所述的膜层为无机光学镀膜材料。

4、如权利要求2所述的振荡器，其特征在于其中所述的膜层为无机光学镀膜材料。

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