CN112397981A - 一种用于氢气遥感探测的窄线宽、快速调谐2120nm激光光源 - Google Patents

一种用于氢气遥感探测的窄线宽、快速调谐2120nm激光光源 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于氢气遥感探测的窄线宽、快速调谐2120nm激光光源，包括沿光路依次设置的泵浦源、准直聚焦系统和谐振腔，谐振腔包括输入镜、非线性光学晶体、F‑P标准具和VBG；泵浦源输出的泵浦光经过聚焦系统、输入镜后聚焦到非线性光学晶体上，对非线性光学晶体进行泵浦，在谐振腔内形成光振荡，产生信号光和闲频光；依次利用F‑P标准具和VBG锁定信号光并对信号光的线宽进行压缩，使得信号光在谐振腔内振荡而不输出，谐振腔只输出2120nm的闲频光。本发明提供的激光光源能够高功率、窄线宽的输出2120nm闲频光，且能实现快速调谐，满足氢气遥感探测的需求。

Description

一种用于氢气遥感探测的窄线宽、快速调谐2120nm激光光源
技术领域
本发明涉及一种用于氢气遥感探测的窄线宽、快速调谐2120nm激光光源，属于全固态激光器技术领域。
背景技术
环境中的气体分子成分具有典型的特征吸收峰，根据这一特点结合激光吸收光谱技术，可以高灵敏度检测气体种类及浓度。激光器因具有宽调谐、窄线宽、相干性强等优点，广泛用作气体探测产品的光源。
氢气作为一种清洁能源在生产、生活中有着广泛的应用，氢气易燃易爆的物理特性使得在制氢过程中必须严格检测氢气泄漏以及环境中氢气的含量。然而目前检测氢气浓度方法一般采用物理方法，该方法操作复杂，灵敏度低。基于激光光谱技术的氢气遥感探测方式具有非接触测量、灵敏度高特点。这种技术需要激光器的线宽窄、快速调谐以及功率高。根据氢气分子吸收光谱曲线特征，氢气分子在2120nm具有较强的吸收峰。
但目前的半导体激光器在该波段尚不成熟，输出功率非常低(<6mW)并且价格非常昂贵，难以满足遥感探测激光光源指标。相比于半导体激光器，固体激光器如利用Ho:YAG等增益介质可以直接产生高功率的2120nm的激光，然而难以实现窄线宽、高速调谐激光运转，使得实时监测效率大为降低。因此，发明窄线宽、快速调谐的高功率2120nm激光器变得非常有必要。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种用于氢气遥感探测的窄线宽、快速调谐2120nm激光光源，采用DFB激光器或基于DFB种子源放大的窄线宽光纤激光器泵浦非线性光学晶体产生光参量振荡，通过优化单谐振光参量谐振腔结构，利用体布拉格光栅(VBG)和法布里-珀罗(F-P)标准具锁定信号光波长并进一步压缩信号光线宽，最终实现高功率(＞5W)、窄线宽(＜30MHz)的2120nm闲频光输出。同时，结合电调控对泵浦光波长进行快速调谐，进而实现2120nm波长的快速调谐，满足氢气遥感探测的需求。
术语解释：
1.DFB激光器：DFB(Distributed Feedback Laser)激光器，即分布式反馈激光器。
2.VBG：体布拉格光栅。
3.F-P标准具：法布里-珀罗(Fabry-Perot)标准具。
本发明的技术方案为：
一种用于氢气遥感探测的窄线宽、快速调谐2120nm激光光源，包括沿光路依次设置的泵浦源、准直聚焦系统和谐振腔，谐振腔包括输入镜、非线性光学晶体、F-P标准具和VBG；
所述泵浦源的工作波长为700-980nm；所述非线性光学晶体为周期极化的光学超晶格晶体，所述光学超晶格晶体的周期为20-29μm，所述光学超晶格晶体的温度控制在30-230℃；
泵浦源输出的泵浦光经过聚焦系统、输入镜后聚焦到所述非线性光学晶体上，对所述非线性光学晶体进行泵浦，在所述谐振腔内形成光振荡，根据光参量能量守恒关系1/λp＝1/λs+1/λi，λp表示泵浦光的波长，λs表示信号光的波长，λi表示闲频光的波长，产生信号光和闲频光；依次利用F-P标准具和VBG锁定信号光并对信号光的线宽进行压缩，使得信号光在谐振腔内振荡而不输出，谐振腔只输出2120nm的闲频光。
本发明提供激光光源为光参量振荡器，光参量振荡器的工作原理：光参量振荡器将入射的频率为ωp的泵浦光，通过非线性光学晶体的二阶非线性光学作用，转换为两个频率较低的信号光ωs和闲频光ωi，两个输出光的频率之和等于入射光频率：ωp＝ωs+ωi。通常在光参量振荡中的两束光分别称作信号光和闲频光，其中，波长短的为信号光，波长长的为闲频光。在非线性光学晶体中，泵浦光、信号光和闲频光相互重合，三波相互作用导致信号光和闲频光在谐振腔中振荡并不断放大；由于VBG对信号光高反，同时对其他波长的光高透，因此可以利用这一特点，将VBG作为信号光的高反镜和闲频光的输出镜。F-P标准具也是一个波长选择元件，其可以对特定波长的光实现锁定和线宽压缩的作用，由于VBG锁定波长和压缩线宽的能力有限，因此，需要在信号光谐振腔内加入F-P标准具精确锁定波长并进一步压缩线宽。通过在谐振腔中设置VBG和F-P标准具使得信号光在谐振腔内振荡而不输出，谐振腔只输出2120nm的闲频光。当泵浦功率超过振荡阈值时，谐振腔实现激光输出并将产生的2120nm激光经谐振腔中的输出镜输出。
在准位相匹配当中，三波耦合过程产生的位相失配量由极化产生的倒格矢来补偿，即：Δk＝kp-ks-ki＝2π/Λ，Λ表示光学超晶格晶体的周期，kp为泵浦光波矢、ks为信号光波矢，ki为闲频光波矢，Δk为泵浦光与信号光、闲频光波矢失配量；通过设计对应泵浦光的波长及光学超晶格晶体的周期，通过电场极化补偿晶体性质产生的失配量，可实现2120nm波长的闲频光输出；
在满足相位匹配的过程中必须要满足三波的能量守恒和动量守恒，即：
1/λp＝1/λs+1/λi(Ⅰ)，λp表示泵浦光的波长，λs表示信号光的波长，λi表示闲频光的波长；
np/λp＝ns/λs+ni/λi(Ⅱ)，np分别为泵浦光的折射率，ns信号光的折射率，ni闲频光的折射率；
由公式(Ⅰ)和(Ⅱ)得到：λi＝(ni-ns)λp/(np-ns)(Ⅲ)，通过改变温度改变超晶格对泵浦光、信号光和闲频光的折射率。本发明中，波长调谐是通过改变泵浦光波长来实现的，利用该方式可实现输出波长的快速调谐输出。
根据本发明优选的，VBG为反射式，VBG的中心波长为2120nm，带宽为0.1nm。
VBG是一种在光敏硅酸盐玻璃体中刻录的反射型布拉格光栅，可被置于激光共振腔内用以对激光器波长锁定(中心波长及带宽均可定制，精度为0.1-0.55nm)、横模纵模选取及控制、激光线宽压窄(低至20ppm)及提升激光器及提升激光器工作温度范围作温度范围(波长热漂移降低至5pmp//K)等等。
根据本发明优选的，F-P标准具的厚度为100μm-50mm、反射率60％-99.9％；进一步优选的，F-P标准具的厚度为10mm，反射率为99.9％。
F-P标准具的厚度和反射率与激光光谱宽度FWHM满足：
Figure BDA0002781283830000031
式(I)中，c为光速，R为F-P标准具的反射率，n为F-P标准具的折射率，d为F-P标准具的厚度。根据式(I)得到标准具的厚度和折射率越大，其半高全宽越窄，即获得的激光线宽越窄。
根据本发明优选的，F-P标准具的材质为石英、YAG或ZnSe。石英、YAG或ZnSe是对2120nm波长具有高透率的光学晶体材料。
根据本发明优选的，所述泵浦源是DFB激光器或基于DFB种子源放大的光纤激光器；进一步优选的，所述泵浦源的线宽小于1MHz。
分布式反馈激光器内置了布拉格光栅属于侧面发射的半导体激光器；DFB激光器最大特点是具有非常好的单色性，它的线宽普遍可以做到1MHz以内，以及具有非常高的边模抑制比(SMSR)，可高达40-50dB以上。DFB激光器通过改变其电流的大小，可以改变有源区的载流子浓度，进而改变有源区的折射率，使得布拉格波长发生偏移，最终实现动态波长调谐。由于调谐时采用电流调谐，所以响应时间很快，并且易于与电子电路进行集成化和进行相关的控制，电流调谐的范围一般为几十GHz。同样基于DFB种子源放大的光纤激光器也具有以上特点，并且输出功率会有明显的提高。
根据本发明优选的，泵浦源的工作波长为976nm。首先，该波段DFB激光器或种子源比较成熟。其次，如用常规的1064nm波长泵浦实现2120nm激光输出，由于2120nm正好处于1064nm简并点附近(泵浦波长为参量波长的1/2)，会使得参量光线宽非常宽，难以获得窄线宽的2120nm激光源。
根据本发明优选的，所述光学超晶格晶体的周期为29μm，所述光学晶体的温度控制在131℃。
根据本发明优选的，所述谐振腔还包括输出镜和中间镜，在谐振腔中，所述输入镜、非线性光学晶体和输出镜沿着光路依次设置，所述输入镜与光路呈45°夹角，输出镜与光路垂直，中间镜、F-P标准具和VBG依次设置在输入镜的一侧，且中间镜与光路垂直，VBG与光路垂直。
泵浦光经过准直聚焦系统后，将光束聚焦后经过输入镜后聚焦到非线性光学晶体中，中间镜、输入镜、非线性光学晶体和输出镜构成闲频光谐振腔；VBG、输入镜、非线性光学晶体和输出镜构成信号光谐振腔；谐振腔为单谐振光参量谐振腔，控制信号光在腔内振荡但不输出，只输出闲频光。当泵浦功率超过振荡阈值时，谐振腔实现激光输出并将产生的2120nm激光经谐振腔中的输出镜输出。
VBG用作对信号光进行高反，且VBG只对特定波长的光高反，其他波长的光高透，这样就起到了一个波长选择的作用。F-P标准具也是一个波长选择元件，其可以对特定波长的光实现锁定和线宽压缩的作用，由于VBG锁定波长和压缩线宽的能力有限，因此，需要在信号光谐振腔内加入F-P标准具精确锁定波长并进一步压缩线宽。
根据本发明优选的，输出镜的一面镀1800-1850nm高反膜和2100-2150nm减透膜，1800-1850nm的反射率为大于99.5％，2100-2150nm的透过率为大于99％，输出镜的另一面镀2100-2150nm高透膜；2100-2150nm的透过率为大于99％；
中间镜的一面镀1800-1850nm减反膜和2100-2150nm高反膜，1800-1850nm的反射率为大于99.5％，2100-2150nm的反射率大于99.5％；中间镜的另一面镀1800-1850nm高透膜，1800-1850nm的透过率为大于99％。
根据本发明优选的，所述谐振腔还包括端镜；在谐振腔中，所述输入镜、非线性光学晶体和端镜依次沿着光路设置，所述输入镜与光路呈45°夹角，端镜与光路垂直；F-P标准具和VBG依次设置在输入镜的一侧，且VBG与光路垂直。
泵浦光经过准直聚焦系统后，将光束聚焦后经过输入镜后聚焦到非线性光学晶体中。谐振腔为单谐振光参量谐振腔，控制信号光在腔内振荡但不输出，只输出闲频光。输入镜、VBG、非线性光学晶体和端镜构成闲频光谐振腔，VBG、输入镜、非线性光学晶体和端镜构成信号光谐振腔。由于VBG对信号光高反，同时对其他波长的光高透，因此可以利用这一特点，将VBG作为信号光的高反镜和闲频光的输出镜，闲频光(2120nm)直接通过VBG输出。
由于VBG锁定波长和压缩线宽的能力有限，而F-P标准具也是一个波长选择元件，F-P标准具可以对特定波长的光实现锁定和线宽压缩的作用，因此，需要在信号光谐振腔内加入F-P标准具精确锁定波长并进一步压缩线宽。
根据本发明优选的，端镜的一面镀有1800-1850nm和2100-2150nm的高反膜，1800-1850nm和2100-2150nm的反射率为大于99.5％。
根据本发明优选的，在谐振腔中，所述输入镜、非线性光学晶体、F-P标准具和VBG依次沿着光路设置，输入镜和VBG均与光路相垂直。
泵浦光经过准直聚焦系统后，将光束聚焦后经过输入镜后聚焦到非线性光学晶体中。谐振腔为单谐振光参量谐振腔，控制信号光在腔内振荡但不输出，只输出闲频光。输入镜、非线性光学晶体和VBG构成闲频光谐振腔，同时VBG、非线性光学晶体和输入镜也构成信号光谐振腔。由于VBG对信号光高反，同时对任何波长的光高投，因此可以利用这一特点，将VBG作为信号光的高反镜和闲频光的输出镜，由VBG输出闲频光。
由于VBG锁定波长和压缩线宽的能力有限，而F-P标准具也是一个波长选择元件，F-P标准具可以对特定波长的光实现锁定和线宽压缩的作用，因此，需要在信号光谐振腔内加入F-P标准具精确锁定波长并进一步压缩线宽。
根据本发明优选的，输入镜的一面镀976nm增透膜，976nm的透过率大于99％；输入镜的另一面镀976nm高透、1800-1850和2100-2150nm高反膜，976nm的透过率大于99％，1800-1850nm和2100-2150nm的反射率为大于99.5％。
根据本发明优选的，所述光学超晶格晶体为是周期极化的铌酸锂晶体(PPLN)、周期极化的钽酸锂晶体(PPLT)、周期极化的磷酸氧钛钾晶体(PPKTP)、周期极化的同成分铌酸锂晶体(PPCLN)和周期极化的同成分钽酸锂晶体(PPCLT)中任一种。利用超晶格材料低阈值、高效率的优点实现高效率的2120nm激光输出。
根据本发明优选的，在谐振腔的光输出端沿光路设置有滤波片，滤波片用于将剩余的泵浦光滤掉，输出2120nm波长的激光。滤波片不构成光学腔，起到将经过输出镜的泵浦光和输出的闲频光分开的作用。
根据本发明优选的，泵浦源的输出方式为自由空间直接输出、光纤耦合输出、堆阵输出、线阵输出中任一种。
根据本发明优选的，所述准直聚焦系统包括平行设置的两个透镜，但透镜的个数并不限于两个，可根据具体半导体激光器的形式灵活选择；进一步优选的，准直聚焦系统还包括波导元件，所述波导元件设置在两个透镜之间。当泵浦源的输出方式为堆阵或线阵输出方式时，能够使泵浦光更加均匀。
本发明的有益效果为：
1.本发明通过控制光学超晶格晶体的周期和温度实现输出波长的控制。结合VBG可以锁定信号光波长，同时利用F-P标准具进一步压缩信号光线宽。根据光参量振荡器的原理：泵浦光波长的倒数等于信号光波长的倒数加闲频光波长的倒数。因此，可以利用这一特点，对信号光波长进行锁定，并压缩信号光线宽，从而达到调节泵浦光波长便可以实现闲频光波长的快速调谐。
2.本发明通过DFB或基于DFB种子放大的光纤激光器泵浦光学超晶格晶体，将成熟的700-980nm的激光转换成对应氢气特征吸收峰的2120nm窄线宽激光器，并可以实现对输出激光波长的快速调谐，具有振荡阈值低、效率高，光束质量好、无跳模等优点。
3.本发明选用高功率的泵浦源，可以实现高功率、高光束质量的2120nm激光输出，弥补窄带间级联半导体激光输出功率低，光束质量差的不足，以及现有激光器同时兼备高功率、窄线宽、快速调谐的特点。
4.目前，针对氢气遥感探测的高功率、窄线宽、快速调谐的2120nm的激光方案还未见报道，本发明提供的用于氢气遥感探测的窄线宽、快速调谐2120nm光源可实现高功率、窄线宽、快速调谐的2120nm激光输出，并且输出功率达到>5W，光束质量M2<1.2，长时间稳定性RMS＜1％。
附图说明
图1为本发明的实施例1的一种用于氢气遥感探测的窄线宽、快速调谐2120nm激光光源的结构示意图；
图2为本发明的实施例2的一种用于氢气遥感探测的窄线宽、快速调谐2120nm激光光源的结构示意图；
图3为本发明的实施例3的一种用于氢气遥感探测的窄线宽、快速调谐2120nm激光光源的结构示意图；
1、DFB激光器或基于DFB种子源放大的光纤激光器，2、准直聚焦系统，3、输入镜，4、非线性光学晶体，5、输出镜，6、滤波片，7、中间镜，8、F-P标准具，9、VBG，10、端镜。
具体实施方式
下面结合实施例和说明书附图对本发明做进一步说明，但不限于此。
实施例1
一种用于氢气遥感探测的窄线宽、快速调谐2120nm激光光源，如图1所示，包括沿光路依次设置的泵浦源、准直聚焦系统2和谐振腔，谐振腔包括输入镜3、输出镜5、中间镜7非线性光学晶体4、F-P标准具8和VBG9；
泵浦源的工作波长为700-980nm；非线性光学晶体4为周期极化的光学超晶格晶体，光学超晶格晶体的周期为20-29μm，光学超晶格晶体的温度控制在30-230℃；
泵浦源输出的泵浦光经过聚焦系统、输入镜3后聚焦到非线性光学晶体4上，对非线性光学晶体4进行泵浦，在谐振腔内形成光振荡，根据光参量能量守恒关系1/λp＝1/λs+1/λi，λp表示泵浦光的波长，λs表示信号光的波长，λi表示闲频光的波长，产生信号光和闲频光；依次利用F-P标准具8和VBG9锁定信号光并对信号光的线宽进行压缩，使得信号光在谐振腔内振荡而不输出，谐振腔只输出2120nm的闲频光。
本实施例中，在谐振腔中，输入镜3、非线性光学晶体4和输出镜5沿着光路依次设置，且光路在输入镜3处分为互相垂直的两个光路，输入镜3与光路呈45°夹角，在其中一个条光路上，输出镜5与光路垂直；中间镜7、F-P标准具8和VBG9依次设置在输入镜3的一侧，且位于另一光路上，且中间镜7与该光路垂直，VBG9与该光路垂直。
泵浦光经过准直聚焦系统2后，将光束聚焦后经过输入镜3后聚焦到非线性光学晶体4中，中间镜7、输入镜3、非线性光学晶体4和输出镜5构成闲频光谐振腔；VBG9、输入镜3、非线性光学晶体4和输出镜5构成信号光谐振腔；谐振腔为单谐振光参量谐振腔，控制信号光在腔内振荡但不输出，只输出闲频光。当泵浦功率超过振荡阈值时，谐振腔实现激光输出并将产生的2120nm激光经谐振腔中的输出镜5输出。
VBG9用作对信号光进行高反，且VBG9只对特定波长的光高反，其他波长的光高透，这样就起到了一个波长选择的作用。F-P标准具8也是一个波长选择元件，其可以对特定波长的光实现锁定和线宽压缩的作用，由于VBG9锁定波长和压缩线宽的能力有限，因此，需要在信号光谐振腔内加入F-P标准具8精确锁定波长并进一步压缩线宽。
本发明提供激光光源为光参量振荡器，光参量振荡器的工作原理：光参量振荡器将入射的频率为ωp的泵浦光，通过非线性光学晶体4的二阶非线性光学作用，转换为两个频率较低的信号光ωs和闲频光ωi，两个输出光的频率之和等于入射光频率：ωp＝ωs+ωi。通常在光参量振荡中的两束光分别称作信号光和闲频光，其中，波长短的为信号光，波长长的为闲频光。在非线性光学晶体4中，泵浦光、信号光和闲频光相互重合，三波相互作用导致信号光和闲频光在谐振腔中振荡并不断放大；由于VBG9对信号光高反，同时对其他波长的光高透，因此可以利用这一特点，将VBG9作为信号光的高反镜和闲频光的输出镜5。通过在谐振腔中设置VBG9和F-P标准具8使得信号光在谐振腔内振荡而不输出，谐振腔只输出2120nm的闲频光。当泵浦功率超过振荡阈值时，谐振腔实现激光输出并将产生的2120nm激光经谐振腔中的输出镜5输出。
在准位相匹配当中，三波耦合过程产生的位相失配量由极化产生的倒格矢来补偿，即：Δk＝kp-ks-ki＝2π/Λ，Λ表示光学超晶格晶体的周期，kp为泵浦光波矢、ks为信号光波矢，ki为闲频光波矢，Δk为泵浦光与信号光、闲频光波矢失配量；通过设计对应泵浦光的波长及光学超晶格晶体的周期，通过电场极化补偿晶体性质产生的失配量，可实现2120nm波长的闲频光输出；
在满足相位匹配的过程中必须要满足三波的能量守恒和动量守恒，即：
1/λp＝1/λs+1/λi(Ⅰ)，λp表示泵浦光的波长，λs表示信号光的波长，λi表示闲频光的波长；
np/λp＝ns/λs+ni/λi(Ⅱ)，np分别为泵浦光的折射率，ns信号光的折射率，ni闲频光的折射率；
由公式(Ⅰ)和(Ⅱ)得到：λi＝(ni-ns)λp/(np-ns)(Ⅲ)，通过改变温度改变超晶格对泵浦光、信号光和闲频光的折射率。本发明中，波长调谐是通过改变泵浦光波长来实现的，利用该方式可实现输出波长的快速调谐输出。
本实施例中，泵浦源是DFB激光器或基于DFB种子源放大的光纤激光器1，泵浦源的线宽小于1MHz。
为了实现快速闲频光调谐，首先，传统的通过调节超晶格晶体的温度或者周期实现波长调谐的方式存在调谐速度非常慢的问题，不能满足遥感探测的需求。DFB激光器或基于DFB种子源放大的光纤激光器1具有改变电流大小可以实现波长的快速微调的特点。通过VBG9和F-P标准具8锁定，信号光波长不再发生变化，泵浦波长的变化只能引起闲频光波长的变化。比如泵浦波长调谐范围为978-980nm，相应的闲频光波长可以实现2124.7-2115.32nm范围的快速调谐，完全可以满足遥感探测对波长调谐范围和调谐速度的要求。
本实施例中，泵浦源的工作波长为976nm。
泵浦源的输出方式为堆阵输出。
准直聚焦系统2包括平行设置的两个透镜，准直聚焦系统2还包括波导元件，波导元件设置在两个透镜之间，能够使使泵浦光更加均匀。
光学超晶格晶体的周期为29μm，光学晶体的温度控制在131℃。
根据光参量能量守恒关系1/976nm＝1/2120nm+1/1808nm，得到信号光波长为1808nm，闲频光波长为2120nm。利用VBG9和F-P标准具8将信号光波长锁定在1808nm，由于泵浦光和信号光波长都已锁定，所以，闲频光的波长也就不再发生变化。
非线性光学晶体4为周期极化的铌酸锂晶体(PPLN)，放置在温控炉中(图中未体现温控炉)976nm泵浦光对非线性光学晶体4(PPLN)进行泵浦使其三波混频(光参量振荡)并在谐振腔内形成激光振荡。
输入镜3的一面镀976nm增透膜，976nm的透过率大于99％；输入镜3的另一面镀976nm高透、1800-1850和2100-2150nm高反膜，976nm的透过率大于99％，1800-1850nm和2100-2150nm的反射率为大于99.5％。
输出镜5的一面镀1800-1850nm高反膜和2100-2150nm减透膜，1800-1850nm的反射率为大于99.5％，2100-2150nm的透过率为大于99％，输出镜5的另一面镀2100-2150nm高透膜；2100-2150nm的透过率为大于99％；
中间镜7的一面镀1800-1850nm减反膜和2100-2150nm高反膜，1800-1850nm的反射率为大于99.5％，2100-2150nm的反射率大于99.5％；中间镜7的另一面镀1800-1850nm高透膜，1800-1850nm的透过率为大于99％。
F-P标准具8的材质为石英，F-P标准具8的厚度为10mm，反射率为99.9％。F-P标准具8的厚度和反射率与激光的线宽FWHM满足：
Figure BDA0002781283830000101
式(I)中，c为光速，R为F-P标准具8的反射率，n为F-P标准具8的折射率，d为F-P标准具8的厚度。根据式(I)得到标准具的厚度和折射率越大，反射率越高其半高全宽越窄，即获得的激光线宽越窄。
VBG9为反射式，VBG9的中心波长为2120nm，带宽为0.1nm。可以有效的锁定信号光的波长，结合标准具可以进一步将信号光波线宽压缩至MHz量级。VBG9是一种在光敏硅酸盐玻璃体中刻录的反射型布拉格光栅，可被置于激光共振腔内用以对激光器波长锁定(中心波长及带宽均可定制，精度为0.1-0.55nm)、横模纵模选取及控制、激光线宽压窄(低至20ppm)及提升激光器及提升激光器工作温度范围作温度范围(波长热漂移降低至5pmp//K)等等。
在谐振腔的光输出端沿光路设置有滤波片6，滤波片6用于将剩余的泵浦光滤掉，输出2120nm波长的激光。本实施例中，谐振腔的光由输出镜5输出后再经过滤波片6进行滤波。滤波片6不构成光学腔，起到将经过输出镜5的泵浦光和输出的闲频光分开的作用。
本实施例中提供的2120nm光源结构是一种基本结构，元件比较多，但光路调试比较简单，输出功率也会高。
实施例2
根据实施例1提供的一种用于氢气遥感探测的窄线宽、快速调谐2120nm激光光源，所不同的是，如图2所示，包括沿光路依次设置的泵浦源、准直聚焦系统2和谐振腔，谐振腔包括输入镜3、非线性光学晶体4、F-P标准具8和VBG9；
谐振腔还包括端镜10；在谐振腔中，输入镜3、非线性光学晶体4和端镜10依次沿着光路设置，且光路在输入镜3处分为互相垂直的两个光路，输入镜3与光路呈45°夹角，在其中一个条光路上，端镜10与光路垂直；F-P标准具8和VBG9依次设置在输入镜3的一侧，且位于另一光路上，且VBG9与该光路垂直。
本实施例中，非线性光学晶体4为周期极化的钽酸锂晶体(PPLT)。
输入镜3的一面镀976nm增透膜，976nm的透过率大于99％；输入镜3的另一面镀976nm高透、1800-1850和2100-2150nm高反膜，976nm的透过率大于99％，1800-1850nm和2100-2150nm的反射率为大于99.5％。
端镜10的一面镀有1800-1850nm和2100-2150nm的高反膜，1800-1850nm和2100-2150nm的反射率为大于99.5％。
泵浦光经过准直聚焦系统2后，将光束聚焦后经过输入镜3后聚焦到非线性光学晶体4中。谐振腔为单谐振光参量谐振腔，控制信号光在腔内振荡但不输出，只输出闲频光。输入镜3、VBG9、非线性光学晶体4和端镜10构成闲频光谐振腔，VBG9、输入镜3、非线性光学晶体4和端镜10构成信号光谐振腔。由于VBG9对信号光高反，同时对其他波长的光高透，因此可以利用这一特点，将VBG9作为信号光的高反镜和闲频光的输出镜5，闲频光(2120nm)直接通过VBG9输出。
由于VBG9锁定波长和压缩线宽的能力有限，而F-P标准具8也是一个波长选择元件，F-P标准具8可以对特定波长的光实现锁定和线宽压缩的作用，因此，需要在信号光谐振腔内加入F-P标准具8精确锁定波长并进一步压缩线宽。
本实施例中，F-P标准具8的材质为YAG。
本实施例中提供的2120nm光源结构元件比较少，并且VBG9起到两个做用，一个是锁定信号光波长，另一个是作为闲频光的输出镜5。
实施例3
根据实施例1提供的一种用于氢气遥感探测的窄线宽、快速调谐2120nm激光光源，所不同的是，如图3所示，包括沿光路依次设置的泵浦源、准直聚焦系统2和谐振腔，谐振腔包括输入镜3、非线性光学晶体4、F-P标准具8和VBG9；
输入镜3、非线性光学晶体4、F-P标准具8和VBG9依次沿着光路设置，输入镜3和VBG9均与光路相垂直，
泵浦光经过准直聚焦系统2后，将光束聚焦后经过输入镜3后聚焦到非线性光学晶体4中。谐振腔为单谐振光参量谐振腔，控制信号光在腔内振荡但不输出，只输出闲频光。输入镜3、非线性光学晶体4和VBG9构成闲频光谐振腔，同时VBG9、非线性光学晶体4和输入镜3也构成信号光谐振腔。由于VBG9对信号光高反，同时对任何波长的光高投，因此可以利用这一特点，将VBG9作为信号光的高反镜和闲频光的输出镜5，由VBG9输出闲频光。
由于VBG9锁定波长和压缩线宽的能力有限，而F-P标准具8也是一个波长选择元件，F-P标准具8可以对特定波长的光实现锁定和线宽压缩的作用，因此，需要在信号光谐振腔内加入F-P标准具8精确锁定波长并进一步压缩线宽。
输入镜3的一面镀976nm增透膜，976nm的透过率大于99％；输入镜3的另一面镀976nm高透、1800-1850和2100-2150nm高反膜，976nm的透过率大于99％，1800-1850nm和2100-2150nm的反射率为大于99.5％。
在谐振腔的光输出端沿光路设置有滤波片6，滤波片6用于将剩余的泵浦光滤掉，输出2120nm波长的激光。本实施例中，谐振腔的光由VBG9输出后再经过滤波片6进行滤波。滤波片6不构成光学腔，起到将经过输出镜5的泵浦光和输出的闲频光分开的作用。
本实施例中，F-P标准具8的材质为ZnSe。非线性光学晶体4为周期极化的磷酸氧钛钾晶体(PPKTP)。
本实施例中提供的2120nm光源结构是一个直腔，结构简单、紧凑。

Claims (10)

1.一种用于氢气遥感探测的窄线宽、快速调谐2120nm激光光源，其特征在于，包括沿光路依次设置的泵浦源、准直聚焦系统和谐振腔，谐振腔包括输入镜、非线性光学晶体、F-P标准具和VBG；
所述泵浦源的工作波长为700-980nm；所述非线性光学晶体为周期极化的光学超晶格晶体，所述光学超晶格晶体的周期为20-29μm，所述光学超晶格晶体的温度控制在30-230℃；
泵浦源输出的泵浦光经过聚焦系统、输入镜后聚焦到所述非线性光学晶体上，对所述非线性光学晶体进行泵浦，在所述谐振腔内形成光振荡，根据光参量能量守恒关系1/λp＝1/λs+1/λi，λp表示泵浦光的波长，λs表示信号光的波长，λi表示闲频光的波长，产生信号光和闲频光；依次利用F-P标准具和VBG锁定信号光并对信号光的线宽进行压缩，使得信号光在谐振腔内振荡而不输出，谐振腔只输出2120nm的闲频光。
2.根据权利要求1所述的一种用于氢气遥感探测的窄线宽、快速调谐2120nm激光光源，其特征在于，VBG为反射式，VBG的中心波长为2120nm，带宽为0.1nm。
3.根据权利要求1所述的一种用于氢气遥感探测的窄线宽、快速调谐2120nm激光光源，其特征在于，F-P标准具的厚度为100μm-50mm、反射率60％-99.9％；F-P标准具的材质为石英、YAG或ZnSe。
4.根据权利要求1所述的一种用于氢气遥感探测的窄线宽、快速调谐2120nm激光光源，其特征在于，所述泵浦源是DFB激光器或基于DFB种子源放大的光纤激光器；进一步优选的，所述泵浦源的线宽小于1MHz。
5.根据权利要求4所述的一种用于氢气遥感探测的窄线宽、快速调谐2120nm激光光源，其特征在于，泵浦源的工作波长为976nm。
6.根据权利要求1所述的一种用于氢气遥感探测的窄线宽、快速调谐2120nm激光光源，其特征在于，所述光学超晶格晶体的周期为29μm，所述光学晶体的温度控制在131℃。
7.根据权利要求1所述的一种用于氢气遥感探测的窄线宽、快速调谐2120nm激光光源，其特征在于，所述谐振腔还包括输出镜和中间镜，在谐振腔中，所述输入镜、非线性光学晶体和输出镜沿着光路依次设置，所述输入镜与光路呈45°夹角，输出镜与光路垂直，中间镜、F-P标准具和VBG依次设置在输入镜的一侧，且中间镜与光路垂直，VBG与光路垂直。
8.根据权利要求1所述的一种用于氢气遥感探测的窄线宽、快速调谐2120nm激光光源，其特征在于，所述谐振腔还包括端镜；在谐振腔中，所述输入镜、非线性光学晶体和端镜依次沿着光路设置，所述输入镜与光路呈45°夹角，端镜与光路垂直；F-P标准具和VBG依次设置在输入镜的一侧，且VBG与光路垂直。
9.根据权利要求1所述的一种用于氢气遥感探测的窄线宽、快速调谐2120nm激光光源，其特征在于，在谐振腔中，所述输入镜、非线性光学晶体、F-P标准具和VBG依次沿着光路设置，输入镜和VBG均与光路相垂直。
10.根据权利要求1-9任一项所述的一种用于氢气遥感探测的窄线宽、快速调谐2120nm激光光源，其特征在于，所述光学超晶格晶体为是周期极化的铌酸锂晶体、周期极化的钽酸锂晶体、周期极化的磷酸氧钛钾晶体、周期极化的同成分铌酸锂晶体和周期极化的同成分钽酸锂晶体中任一种。
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