CN112436373A - 一种二极管激光直接泵浦的微型中红外自光参量振荡器 - Google Patents
一种二极管激光直接泵浦的微型中红外自光参量振荡器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开一种二极管激光直接泵浦的微型中红外自光参量振荡器，包括用于调整二极管激光光斑大小的短焦透镜、用于组成自光参量振荡器谐振腔的复合全反镜和复合输出镜以及能够同时实现基频光增益和非线性频率变换激光输出的复合型晶体，所述复合型晶体设置于复合全反镜和复合输出镜之间，所述短焦透镜设置于复合全反镜远离复合型晶体的一侧，二极管激光自短焦透镜端输入，经短焦透镜调整光斑大小后经复合全反镜进入复合型晶体，在复合型晶体和自光参量振荡器谐振腔的作用下实现中红外激光的有效输出。本发明的自光参量振荡器具有体积小、重量轻、光学构型简单、系统可靠等显著特征，解决了现有中红外固体激光技术结构复杂难以小型轻量化的难题。
Description
技术领域
本发明属于激光器领域，具体地说涉及一种二极管激光直接泵浦的微型中红外自光参量振荡器。
背景技术
3-5μm的中红外固体激光器具有广泛的应用场景，例如光电作用、大气监测、分子光谱学、激光医疗、前沿科学等，在国防、科研及民用领域发挥着重要作用。目前，主要有两种技术途径实现3-5μm的中红外固体激光输出：1、基于能级跃迁的直接激射中红外固体激光器，如掺杂Er、Fe、Cr、Dy的固体激光器，其输出波长或泵浦波长受掺杂离子能级结构的严格限制；2、基于非线性频率变换的光参量振荡器(OPO)，其输出激光的波长范围调谐宽，泵浦激光波长也不受限制，是主流的技术路线之一。但OPO光学系统复杂，难以实现小型轻量化。在各类小型平台特殊军事应用中，对中红外固体激光器的体积、重量、散热和功耗等提出了苛刻要求，现有的传统技术路线(例如1μm激光泵浦PPLN OPO，或2μm激光泵浦ZGPOPO)通常由泵浦激光、基频激光、OPO谐振腔和各级间的耦合隔离系统组成，复杂的光路难以实现创新性紧凑化设计，制约了中红外光源技术在特殊军事等领域的应用需求中的发展。
在传统的中红外OPO中，基频光的产生和后续非线性频率变换为两个独立的功能模块，中间还需搭配复杂的光斑耦合和隔离系统，光学器件多和光路布局复杂等因素为中红外OPO的小型轻量化造成了难以逾越的障碍。
近年来，出现了一种将Nd离子掺杂到MgO:PPLN晶体的新型复合型晶体(Nd:MgO:PPLN)，在同一块晶体中同时实现基频光1.084μm增益和3-5μm的非线性频率变换激光输出，这种复合型的新技术称之为自光参量振荡器(Self-OPO)，它可以由808～815nm的二极管激光直接泵浦，基频光和参量光共用一个激光谐振腔，显著地提高了中红外固体激光的光学系统集成度，为小平台中红外固体光源的小型轻量化提供了新思路。
目前，国内外针对中红外Self-OPO技术的研究报道还比较少，主要集中在晶体制作、参数表征、性能评估和出光原理验证等基础研究阶段，而专门针对小平台的中红外激光源的研究还处于空白，尚未见中红外自光参量振荡器在小型轻量化方面任何报道。
针对上述问题，特提出本发明。
发明内容
针对现有技术的种种不足，为了解决上述问题，现提出一种二极管激光直接泵浦的微型中红外自光参量振荡器。为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种二极管激光直接泵浦的微型中红外自光参量振荡器，包括用于调整二极管激光光斑大小的短焦透镜、用于组成自光参量振荡器谐振腔的复合全反镜和复合输出镜以及能够同时实现基频光增益和非线性频率变换激光输出的复合型晶体，所述复合型晶体设置于复合全反镜和复合输出镜之间，所述短焦透镜设置于复合全反镜远离复合型晶体的一侧，二极管激光自短焦透镜端输入，经短焦透镜调整光斑大小后经复合全反镜进入复合型晶体，在复合型晶体和自光参量振荡器谐振腔的作用下实现中红外激光的有效输出。
优选的，还包括晶体冷却夹具、激光器外壳和用于输出泵浦激光且输出泵浦激光的波长可调的光纤耦合激光二极管，所述晶体冷却夹具为可进出冷却液的环形夹块，所述复合型晶体固定连接于所述晶体冷却夹具内，所述短焦透镜、复合全反镜、复合型晶体、晶体冷却夹具和复合输出镜均设置于所述激光器外壳内，所述激光器外壳为内部充有氮气防护的密闭壳体，所述激光器外壳靠近短焦透镜的一端设置有光纤接口，所述光纤耦合激光二极管通过传输光纤连接于激光器外壳的光纤接口处，所述传输光纤与光纤接口的连接为可插拔连接，所述光纤耦合激光二极管发出的二极管激光经传输光纤传输至短焦透镜处，经短焦透镜调整光斑大小后经复合全反镜进入复合型晶体，经复合型晶体的增益和变换后自复合输出镜输出。
优选的，所述复合全反镜为月牙形结构，所述复合输出镜为平凹镜，所述复合全反镜和复合输出镜配合形成双凹腔型的自光参量振荡器谐振腔。
优选的，所述短焦透镜设为2个，2个短焦透镜分别设置于自光参量振荡器谐振腔的两侧，靠近复合输出镜一侧的短焦透镜与复合输出镜之间设置有用于将自光参量振荡器产生的信号光和闲频光形成90°偏折的45°复合分光镜，两束二极管激光分别自2个短焦透镜处输入，自靠近复合输出镜一侧的短焦透镜处输入的二极管激光经45°复合分光镜、复合输出镜进入复合型晶体，另一束二极管激光经短焦透镜调整光斑大小后经复合全反镜进入复合型晶体，两束二极管激光经复合型晶体的增益和变换后自复合输出镜输出至45°复合分光镜后输出。
优选的，自短焦透镜处输入的二极管激光为脉冲泵浦激光。
优选的，所述复合型晶体为Nd:MgO:PPLN晶体，Nd:MgO:PPLN晶体的两端面键合有无Nd掺杂的LN晶体。
优选的，所述复合型晶体和复合输出镜之间设置有复合双色镜和Q开关，所述Q开关设置于所述复合双色镜和复合输出镜之间，经短焦透镜、复合全反镜进入复合型晶体的二极管激光在Q开关的作用下实现中红外激光高输出功率的输出。
优选的，还包括激光器外壳，所述短焦透镜和复合全反镜之间设置有导光镜，所述短焦透镜、导光镜、复合全反镜、复合型晶体、复合双色镜、Q开关和复合输出镜依次排列设置于所述激光器外壳内，所述激光器外壳上设置有激光窗口镜，在复合型晶体、Q开关和自光参量振荡器谐振腔的作用下产生的中红外激光自复合全反镜输出，再通过导光镜和激光窗口镜输出。
优选的，所述复合型晶体的两端面键合有无Nd掺杂的LN晶体，所述LN晶体远离复合型晶体一端的端面上镀有谐振腔的膜系，两个LN晶体分别替换复合全反镜和复合输出镜组成自光参量振荡器谐振腔实现自光参量振荡器紧凑小巧的设计。
优选的，所述复合输出镜面向复合型晶体的一侧镀有808～815nm高反、1084nm高反、1.4～1.6μm部分反射、3.6～4.0μm高透的复合膜层，背向复合型晶体的一侧镀有1.4～1.6μm、3.6～4.0μm高透的复合膜层，形成信号光单谐振的自光参量振荡器，或复合输出镜面向复合型晶体的一侧镀有808～815nm高反、1084nm高反、1.4～1.6μm高透、3.6～4.0μm部分反射的复合膜层，形成闲频光单谐振的自光参量振荡器，或复合输出镜面向复合型晶体的一侧镀有808～815nm高反、1084nm高反、1.4～1.6μm部分反射、3.6～4.0μm部分反射的复合膜层，形成双谐振的自光参量振荡器。
有益效果：
(1)本发明的微型中红外自光参量振荡器能够采用光纤输出的二极管激光直接泵浦，将基频光(由Nd产生)和中红外激光(由MgO:PPLN产生)的两次物理光学转换集成为一体，既实现了1.084μm→3～5μm的复合型功能，又省去了光斑耦合和隔离系统，将极大的减小中红外固体激光的体积和重量，有望解决小平台中红外固体光源所面临的技术瓶颈。
(2)本发明的微型中红外自光参量振荡器仅采用一块Nd:MgO:PPLN晶体，通过二极管激光直接泵浦，同时实现1.084μm基频光的能级跃迁和3～5μm的非线性频率变换功能，在两个谐振腔镜(复合全反镜和复合输出镜)组成的短腔中，实现了中红外激光的有效输出。
(3)本发明的自光参量振荡器具有体积小、重量轻、光学构型简单、系统可靠等显著特征，解决了现有中红外固体激光技术结构复杂难以小型轻量化的难题。
(4)本发明的微型中红外自光参量振荡器采用一块短焦透镜而非多块透镜组，短焦透镜将光纤耦合输出的二极管激光光斑大小调整至合适大小，以匹配自光参量振荡器的谐振腔模式，本发明一方面减小了光学镜片的数量、提高了泵浦光透过率和可靠性，另一方面缩短了二极管激光光纤输出端到Nd:MgO:PPLN晶体的距离，为光学系统的进一步紧凑化设计带来显著优势。
(3)本发明的微型中红外自光参量振荡器采用两块镜片(复合全反镜和复合输出镜)组成腔长很短的直线谐振腔，在同一块Nd:MgO:PPLN晶体中实现了类似于“内腔光参量振荡”的功能，短的自光参量振荡器谐振腔既有利于基频光和中红外激光起振阈值的降低和转换效率的提高，又有利于光学系统的紧凑化设计。
(4)本发明的自光参量振荡器谐振腔采用双凹腔设计，有利于解决Nd:MgO:PPLN晶体在出光过程中产生的热问题，改善光束质量，并显著减小中红外激光的出光阈值，解决现有的连续光参量振荡器出光阈值高的问题。
附图说明
图1为实施例1中微型中红外自光参量振荡器的结构示意图。
图2为实施例2中微型中红外自光参量振荡器的结构示意图。
图3为实施例3中微型中红外自光参量振荡器的结构示意图。
图4为实施例4中微型中红外自光参量振荡器的结构示意图。
图5为实施例6中微型中红外自光参量振荡器的结构示意图。
图6为实施例7中微型中红外自光参量振荡器的结构示意图。
图中：1、光纤耦合激光二极管；2、传输光纤；3、光纤接口；4、短焦透镜；5、复合全反镜；6、Nd:MgO:PPLN晶体；7、晶体冷却夹具；8、复合输出镜；9、激光器外壳；10、45°复合分光镜；11、激光窗口镜；12、白LN晶体；13、复合双色镜；14、Q开关；15、导光镜。
具体实施方式
为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。
实施例1
如图1所示，本具体实施例中提供的二极管激光直接泵浦的微型中红外自光参量振荡器包括用于输出泵浦激光且输出泵浦激光的波长可调的光纤耦合激光二极管1、用于调整二极管激光光斑大小的短焦透镜4、用于组成自光参量振荡器谐振腔的复合全反镜5和复合输出镜8、能够同时实现基频光增益和非线性频率变换激光输出的复合型晶体、用于对复合晶体进行冷却的晶体冷却夹具7以及激光器外壳9，晶体冷却夹具7为可进出冷却液的环形夹块，复合型晶体固定连接于晶体冷却夹具7内，复合型晶体设置于复合全反镜5和复合输出镜8之间，短焦透镜4设置于复合全反镜5远离复合型晶体的一侧，短焦透镜4、复合全反镜5、复合型晶体、晶体冷却夹具7和复合输出镜8均设置于激光器外壳9内，激光器外壳9靠近短焦透镜4的一端设置有光纤接口3，光纤耦合激光二极管1通过传输光纤2连接于激光器外壳9的光纤接口3处，传输光纤2与光纤接口3的连接为可插拔连接，光纤耦合激光二极管1发出的二极管激光经传输光纤2传输至短焦透镜4处，经短焦透镜4调整光斑大小后经复合全反镜5进入复合型晶体，经复合型晶体的增益和变换后自复合输出镜8输出。在本具体实施例中，复合型晶体为Nd:MgO:PPLN晶体6。
光纤耦合激光二极管1发出的二极管激光的输出波长为810～815nm，可以通过控制光纤耦合激光二极管1的工作温度来调整光纤耦合激光二极管1输出泵浦激光的波长，用以匹配Nd:MgO:PPLN晶体6的最佳吸收峰，提高泵浦激光的利用率。Nd:MgO:PPLN晶体6的π偏振最高吸收峰为813nm，若光纤耦合激光二极管1发出的二极管激光的波长调节至813nm，可能会引起Nd:MgO:PPLN晶体6前端面吸收过强而导致严重的热问题，因此可以根据Nd:MgO:PPLN晶体66中Nd的掺杂浓度和晶体长度调整二极管激光泵浦波长至Nd:MgO:PPLN晶体6的最佳吸收波长，这能够既保证泵浦光得到有效吸收，又避免晶体入射端面严重的热问题。Nd:MgO:PPLN晶体6的最佳吸收波长根据Nd:MgO:PPLN晶体6中Nd的掺杂浓度和晶体长度来确定，根据Nd:MgO:PPLN晶体6中Nd的掺杂浓度和晶体长度，通过吸收率公式推算最佳的吸收系数，进而计算出Nd:MgO:PPLN晶体6的最佳吸收波长。
传输光纤2选择≤100μm的芯径，数值孔径NA＝0.22，用以减小泵浦光强聚焦后的发散角，避免泵浦光在入射端面的光斑大小超过Nd:MgO:PPLN晶体6的口径，还可以增强与自光参量振荡器谐振腔模体积的匹配程度，提高整个激光器的转换效率。
光纤接口3为标准的SMA-905光纤接口3，可插拔性为后续激光器的搬运、调试等带来方便。同时，SMA-905光纤接口3与壳体安装器的螺旋定位，可以精确地确定光纤接口3出光口位置与短焦透镜4的相对位置，实现后续二极管激光耦合光斑大小和束腰位置的精确控制。
短焦透镜4为双凸透镜，焦距f＝6mm，通过微调短焦透镜4与光纤接口3的相对距离，可以实现二极管激光泵浦光斑直径0.2～0.6mm的调节，从而调整Nd:MgO:PPLN晶体6的热透镜效应和激光器谐振腔的模式匹配。当短焦透镜4与光纤接口3的出光端相距8mm时，二极管激光的束腰光斑直径为0.29mm，束腰位置与短焦透镜4的相对距离为24mm，此处即为Nd:MgO:PPLN晶体66的中心位置处。
进一步的，短焦透镜4的焦距不仅限于6mm，因为调节二极管激光的耦合光斑大小，既调节了泵浦激光的强度，也调节了自光参量振荡器的谐振腔的模式匹配，为此，可以根据Nd:MgO:PPLN晶体6的尺寸、自光参量振荡器谐振腔的体积和不同的热问题等实际情况来选择其他焦距的短焦透镜4。
复合全反镜5为月牙形结构，主要解决了二极管激光通过非平面镜后造成的光斑形态变化。复合全反镜5右侧(面向Nd:MgO:PPLN晶体6的一侧)的曲率在自光参量振荡器谐振腔的稳区范围内，并和其与复合输出镜8组成的谐振腔相匹配。复合全反镜5右侧的曲率需综合考虑自光参量振荡器的腔长、复合输出镜8左侧(面向Nd:MgO:PPLN晶体6的一侧)的曲率、以及Nd:MgO:PPLN晶体6的热透镜效应。复合全反镜5左侧的曲率设计主要抵消右侧曲率造成的二极管激光泵浦光斑的变化。复合全反镜5左侧镀有808～815nm的增透膜，右侧镀有808～815nm增透、1084nm高反、1.4～1.6μm高反、3.6～4.0μm高反的复合膜层。
Nd:MgO:PPLN晶体6的尺寸为2mm厚，10mm宽，30mm长，Nd的掺杂浓度为0～0.4％，MgO的掺杂有效的降低了PPLN晶体的极化电场强度，并提高了抗损伤阈值。Nd:MgO:PPLN晶体6可以设计为单周期、多周期、扇形周期和混合周期等，以获得不同波长和谱线特征的中红外激光转换。当Nd:MgO:PPLN晶体6的极化周期为29.8μm，工作温度为25℃时，其物理过程可以描述为：813nm→1084nm→1.5μm+3.8μm。Nd:MgO:PPLN晶体6的双端面镀有808～815nm、1084nm、1.4～1.6μm、3.6～4.0μm的复合增透膜，并固定安装在晶体冷却夹具7上。
晶体冷却夹具7为紫铜材质，由上下两个通水的夹块组成，优选为可进出冷却液的环形夹块。为了减小Nd:MgO:PPLN晶体6与晶体冷却夹具7的接触热阻，提高Nd:MgO:PPLN晶体6的散热速率和内部的温度均匀性，将Nd:MgO:PPLN晶体6通过合金焊接在晶体冷却夹具7上。由于Nd:MgO:PPLN晶体6的热导率系数远小于Nd:YAG晶体，所以其热问题将比Nd:YAG激光器更为严重，高效的散热措施是改善自光参量振荡器热问题的关键因素之一。同时，将Nd:MgO:PPLN晶体6焊接在晶体冷却夹具7，避免了晶体在振动环境中的位移和偏转，也有利于光学系统的稳定性和可靠性。
复合输出镜8为平凹镜，左侧的曲率需与自光参量振荡器谐振腔、复合全反镜5右侧曲率、Nd:MgO:PPLN晶体6的热透镜效应相匹配，复合全反镜5和复合输出镜8配合形成双凹腔型的自光参量振荡器谐振腔。复合输出镜8左侧镀有808～815nm高反、1084nm高反、1.4～1.6μm部分反射、3.6～4.0μm高透的复合膜层，右侧镀有1.4～1.6μm、3.6～4.0μm高透的复合膜层，以上的膜层设计，形成了信号光单谐振的自光参量振荡器。根据不同的需求，复合输出镜88左侧也可设计为808～815nm高反、1084nm高反、1.4～1.6μm高透、3.6～4.0μm部分反射的复合膜层，形成闲频光单谐振的自光参量振荡器。或设计为808～815nm高反、1084nm高反、1.4～1.6μm部分反射、3.6～4.0μm部分反射的复合膜层，形成双谐振的自光参量振荡器。理论分析表明，双谐振光参量振荡器可以减小激光的起振阈值，有利于连续波光参量振荡器的出光。
激光器外壳9是将短焦透镜4、复合全反镜5、Nd:MgO:PPLN晶体6、晶体冷却夹具7和复合输出镜8集成于一个密闭壳体里，并充氮气防护，以避免光学器件的潮解或在高湿环境下的结露。激光器外壳9左侧设置有光纤接口3的安装接口，晶体冷却夹具7的冷却液进出水接口，激光器外壳9右侧设置有安装复合输出镜88的激光窗口。
在本实施方式中，本发明的二极管激光直接泵浦的微型中红外自光参量振荡器具有输出瓦级功率的能力，输出波长可以覆盖1～4μm，激光器外壳9的尺寸可以做到30mm宽、30mm高、60mm长，重量小于300g。对比现有的商用中红外光参量振荡器，以及中红外直接激射固体激光器，本发明的二极管激光直接泵浦的微型中红外自光参量振荡器在体积和重量上都有超数量级的减小，在中红外自光参量振荡器实施方式和设计结果上均具有显著的创新性，有望在各种军用小平台的红外固体光源系统中发挥重要作用。
实施例2
本发明还提供了另一种二极管激光直接泵浦的微型中红外自光参量振荡器，在该实施例中，所述的二极管激光直接泵浦的微型中红外自光参量振荡器与实施例1的二极管激光直接泵浦的微型中红外自光参量振荡器大体相同，不同的是：为了进一步增加二极管激光直接泵浦的微型中红外自光参量振荡器的输出功率，Nd:MgO:PPLN晶体6采用双端泵浦，二极管激光的泵浦功率将提升1倍，相应的激光器外壳9的体积和重量将会有所增加。双端泵浦可以改善Nd:MgO:PPLN晶体6沿光轴的温度均匀性，同时也会产生新的热透镜效应，为此复合全反镜5和复合输出镜8的曲率也需要相应的改变，以实现更好的模式匹配。
如图2所示，在本具体实施例中，光纤耦合激光二极管1和短焦透镜4均设为2个，2个短焦透镜4分别设置于自光参量振荡器谐振腔的两侧，2个光纤耦合激光二极管1对应2个短焦透镜4设置，靠近复合输出镜8一侧的短焦透镜4与复合输出镜8之间设置有用于将自光参量振荡器产生的信号光和闲频光形成90°偏折的45°复合分光镜10，激光器外壳9上设置有两个光纤接口3，两个光纤接口3分别对应2个短焦透镜4设置，2个光纤耦合激光二极管1分别通过传输光纤2连接于激光器外壳9的两个光纤接口3处，45°复合分光镜10的上方的激光器外壳9上设置有激光窗口镜11，2个光纤耦合激光二极管1输出的两束二极管激光分别自2个短焦透镜4处输入，自靠近复合输出镜8一侧的短焦透镜4处输入的二极管激光经45°复合分光镜10、复合输出镜8进入复合型晶体，另一束二极管激光经短焦透镜4调整光斑大小后经复合全反镜5进入复合型晶体，两束二极管激光经复合型晶体的增益和变换后自复合输出镜8输出，再通过45°复合分光镜10和激光窗口镜11输出。
在本具体实施例中，复合输出镜8的镀膜参数更改为：复合输出镜8的左侧镀有808～815nm高透、1084nm高反、1.4～1.6μm部分反射、3.6～4.0μm高透的复合膜层，复合输出镜8的右侧镀有808～815nm、1.4～1.6μm、3.6～4.0μm高透的复合膜层。
进一步的，45°复合分光镜10为平面镜，镀膜参数为：对1.4～1.6μm、3.6～4.0μm高反，对808～815nm高透，其功能是将自光参量振荡器产生的1.4～1.6μm信号光、3.6～4.0μm闲频光形成90°偏折，通过激光窗口镜11输出。激光窗口镜11双面镀有1.4～1.6μm、3.6～4.0μm的增透膜，其是二极管激光直接泵浦的微型中红外自光参量振荡器的出光口。
实施例3
本发明还提供了另一种二极管激光直接泵浦的微型中红外自光参量振荡器，在该实施例中，所述的二极管激光直接泵浦的微型中红外自光参量振荡器与实施例2的二极管激光直接泵浦的微型中红外自光参量振荡器大体相同，不同的是：如图3所述，对实施例2增加的一路二极管激光泵浦源的输入方向进行的改变，使自光参量振荡器产生的信号光和闲频光沿着主光路输出。具体的，45°复合分光镜10设置于复合输出镜8的右侧，实施例2新增加的短焦透镜4设置于45°复合分光镜10的下方，激光窗口镜11设置于45°复合分光镜10右侧的激光器外壳9上，实现了自光参量振荡器产生的信号光和闲频光沿着主光路输出。
进一步的，45°复合分光镜10的镀膜参数更改为：对1.4～1.6μm、3.6～4.0μm高透，对808～815nm高反，其余光学器件的参数与实施例2类似。
实施例4
本发明还提供了另一种二极管激光直接泵浦的微型中红外自光参量振荡器，在该实施例中，所述的二极管激光直接泵浦的微型中红外自光参量振荡器与实施例1的二极管激光直接泵浦的微型中红外自光参量振荡器大体相同，不同的是：如图4所示，Nd:MgO:PPLN晶体6的两端面键合有无Nd掺杂的LN晶体，无Nd掺杂的LN晶体称之为白LN晶体12。对于未键合的Nd:MgO:PPLN晶体6，由于与入射端面接触的空气为不良热导体，通常晶体入射端面的温度将达到极大值，从而导致非常严重的热问题，甚至晶体端面的损伤。如果在Nd:MgO:PPLN晶体6双端面键合无Nd掺杂的白LN晶体12，由于白LN晶体12对808～815nm的二极管激光并不吸收，因此几乎无热产生。在808～815nm的泵浦光穿过白LN晶体12，达到Nd:MgO:PPLN晶体6键合面处时，才开始被吸收产生热源，而此时的热源将通过两面的晶体冷却夹具有效的带走，部分热量通过键合面传递到白LN晶体12中，也一并被晶体冷却夹具带走。该设置将有效地改善增益Nd:MgO:PPLN晶体6内部的热问题，显著地提高输出功率、改善光束质量和提升转换效率。
进一步的，白LN晶体12的尺寸为2mm厚，10mm宽，30＝mm长，入射端面镀有808～815nm、1084nm、1.4～1.6μm、3.6～4.0μm的复合增透膜。
进一步的，Nd:MgO:PPLN晶体6的两端面键合有无Nd掺杂的LN晶体也可以应用于实施例2和实施例3的二极管激光直接泵浦的微型中红外自光参量振荡器中。
实施例5
本发明还提供了另一种二极管激光直接泵浦的微型中红外自光参量振荡器，在该实施例中，所述的二极管激光直接泵浦的微型中红外自光参量振荡器与实施例4的二极管激光直接泵浦的微型中红外自光参量振荡器大体相同，不同的是：由于双端键合的Nd:MgO:PPLN晶体端面温升显著的减小，因此可以在Nd:MgO:PPLN晶体双端面镀谐振腔的膜系，从而省去了复合全反镜和复合输出镜，使整个自OPO系统更为简化，更紧凑小巧。此时激光器外壳9的尺寸可以做到20mm宽、20mm高、40mm长，重量小于150g。
实施例6
本发明还提供了另一种二极管激光直接泵浦的微型中红外自光参量振荡器，在该实施例中，所述的二极管激光直接泵浦的微型中红外自光参量振荡器与实施例1的二极管激光直接泵浦的微型中红外自光参量振荡器大体相同，不同的是：实施例1中光纤耦合激光二极管1输出的二极管激光为脉冲泵浦激光，如图5所示，本具体实施例中光纤耦合激光二极管1的电加载方式为脉冲加载而非连续加载。二极管激光脉冲加载，可以显著的提高泵浦激光的峰值功率密度，以及后续的1084nm基频光的峰值功率密度，进而提升自光参量振荡器的转换效率，解决了连续激光难以实现高峰值功率密度的难题。
二极管激光采用脉冲加载，可以通过设置重复频率f和脉冲宽度t，调节泵浦激光的强度，在保持平均功率不变的情况下，晶体的热效应也基本保持不变，但自光参量振荡器产生的激光强度却有极大的提升，进而降低自光参量振荡器出光阈值、并提高转换效率，最终提升中红外激光的输出功率，达到了在相同的二极管激光泵浦平均功率下，提升了自光参量振荡器输出功率的效果。二极管激光电流的加载脉冲宽度t需与Nd:MgO:PPLN晶体6的能级寿命相匹配，重复频率f或占空比需综合考虑Nd:MgO:PPLN晶体6的热效应等问题。
进一步的，实施例2-5中光纤耦合激光二极管1输出的二极管激光也为脉冲泵浦激光。
实施例7
本发明还提供了另一种二极管激光直接泵浦的微型中红外自光参量振荡器，在该实施例中，所述的二极管激光直接泵浦的微型中红外自光参量振荡器与实施例1的二极管激光直接泵浦的微型中红外自光参量振荡器大体相同，不同的是：如图6所示，复合型晶体和复合输出镜8之间设置有复合双色镜13和Q开关14，Q开关14设置于复合双色镜13和复合输出镜8之间，经短焦透镜4、复合全反镜5进入复合型晶体的二极管激光在Q开关14的作用下实现中红外激光高输出功率的输出。短焦透镜4和复合全反镜5之间设置有导光镜15，短焦透镜4、导光镜15、复合全反镜5、复合型晶体、复合双色镜13、Q开关14和复合输出镜8依次排列设置于激光器外壳9内，激光器外壳9上设置有激光窗口镜11，在复合型晶体、Q开关14和自光参量振荡器谐振腔的作用下产生的中红外激光自复合全反镜5输出，再通过导光镜15和激光窗口镜11输出。
在Nd:MgO:PPLN晶体6后加入Q开关14，使激光器处于主动调Q模式，以提高1084nm基频光的腔内功率密度，进而提高自OPO的转换效率和输出功率。Q开关14可以选择1μm的声光Q开关14或电光Q开关14。
本具体实施例中，各镜片的镀膜方式更改为：复合全反镜5镀有808～815nm、3.6～4.0μm增透膜、1084nm高反膜、1.4～1.6μm部分反射膜，复合输出镜8镀有1084nm高反膜，复合双色镜13镀有1084nm增透膜、808～815nm、1.4～1.6μm和3.6～4.0μm的高反膜。这样复合全反镜55和复合双色镜1313组成了信号光单谐振的自OPO谐振腔，也可以设计为闲频光单谐振或双谐振的自OPO谐振腔，即当复合全反镜5镀有808～815nm、1.4～1.6μm增透膜、1084nm高反膜、3.6～4.0μm部分反射膜时，则为闲频光单谐振的自OPO谐振腔；当复合全反镜5镀有808～815nm、、1084nm高反膜、1.4～1.6μm和3.6～4.0μm部分反射膜时，则为双谐振的自OPO谐振腔。
导光镜15按45°放置，导光镜15镀有808～815nm增透膜和1.4～1.6μm和3.6～4.0μm的高反膜。
在这种主动调Q的模式下，可以实现重复频率kHz至MHz，脉宽ns量级的高峰值功率密度，从而实现超高的自OPO转换效率。理论计算表明，实施方式六的设计方案下，可以实现>10W的中红外自OPO输出。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化均囊括在本发明内。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (10)
1.一种二极管激光直接泵浦的微型中红外自光参量振荡器，其特征在于，包括用于调整二极管激光光斑大小的短焦透镜、用于组成自光参量振荡器谐振腔的复合全反镜和复合输出镜以及能够同时实现基频光增益和非线性频率变换激光输出的复合型晶体，所述复合型晶体设置于复合全反镜和复合输出镜之间，所述短焦透镜设置于复合全反镜远离复合型晶体的一侧，二极管激光自短焦透镜端输入，经短焦透镜调整光斑大小后经复合全反镜进入复合型晶体，在复合型晶体和自光参量振荡器谐振腔的作用下实现中红外激光的有效输出。
2.根据权利要求1所述的二极管激光直接泵浦的微型中红外自光参量振荡器，其特征在于，还包括晶体冷却夹具、激光器外壳和用于输出泵浦激光且输出泵浦激光的波长可调的光纤耦合激光二极管，所述晶体冷却夹具为可进出冷却液的环形夹块，所述复合型晶体固定连接于所述晶体冷却夹具内，所述短焦透镜、复合全反镜、复合型晶体、晶体冷却夹具和复合输出镜均设置于所述激光器外壳内，所述激光器外壳为内部充有氮气防护的密闭壳体，所述激光器外壳靠近短焦透镜的一端设置有光纤接口，所述光纤耦合激光二极管通过传输光纤连接于激光器外壳的光纤接口处，所述传输光纤与光纤接口的连接为可插拔连接。
3.根据权利要求1所述的二极管激光直接泵浦的微型中红外自光参量振荡器，其特征在于，所述复合全反镜为月牙形结构，所述复合输出镜为平凹镜，所述复合全反镜和复合输出镜配合形成双凹腔型的自光参量振荡器谐振腔。
4.根据权利要求1所述的二极管激光直接泵浦的微型中红外自光参量振荡器，其特征在于，所述短焦透镜设为2个，2个短焦透镜分别设置于自光参量振荡器谐振腔的两侧，靠近复合输出镜一侧的短焦透镜与复合输出镜之间设置有用于将自光参量振荡器产生的信号光和闲频光形成90°偏折的45°复合分光镜，两束二极管激光分别自2个短焦透镜处输入，自靠近复合输出镜一侧的短焦透镜处输入的二极管激光经45°复合分光镜、复合输出镜进入复合型晶体，另一束二极管激光经短焦透镜调整光斑大小后经复合全反镜进入复合型晶体，两束二极管激光经复合型晶体的增益和变换后自复合输出镜输出至45°复合分光镜后输出。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的二极管激光直接泵浦的微型中红外自光参量振荡器，其特征在于，自短焦透镜处输入的二极管激光为脉冲泵浦激光。
6.根据权利要求1-4任意一项所述的二极管激光直接泵浦的微型中红外自光参量振荡器，其特征在于，所述复合型晶体为Nd:MgO:PPLN晶体，Nd:MgO:PPLN晶体的两端面键合有无Nd掺杂的LN晶体。
7.根据权利要求1所述的二极管激光直接泵浦的微型中红外自光参量振荡器，其特征在于，所述复合型晶体和复合输出镜之间设置有复合双色镜和Q开关，所述Q开关设置于所述复合双色镜和复合输出镜之间，经短焦透镜、复合全反镜进入复合型晶体的二极管激光在Q开关的作用下实现中红外激光高输出功率的输出。
8.根据权利要求7所述的二极管激光直接泵浦的微型中红外自光参量振荡器，其特征在于，还包括激光器外壳，所述短焦透镜和复合全反镜之间设置有导光镜，所述短焦透镜、导光镜、复合全反镜、复合型晶体、复合双色镜、Q开关和复合输出镜依次排列设置于所述激光器外壳内，所述激光器外壳上设置有激光窗口镜，在复合型晶体、Q开关和自光参量振荡器谐振腔的作用下产生的中红外激光自复合全反镜输出，再通过导光镜和激光窗口镜输出。
9.根据权利要求1所述的二极管激光直接泵浦的微型中红外自光参量振荡器，其特征在于，所述复合型晶体的两端面键合有无Nd掺杂的LN晶体，所述LN晶体远离复合型晶体一端的端面上镀有谐振腔的膜系，两个LN晶体分别替换复合全反镜和复合输出镜组成自光参量振荡器谐振腔实现自光参量振荡器紧凑小巧的设计。
10.根据权利要求1所述的二极管激光直接泵浦的微型中红外自光参量振荡器，其特征在于，所述复合输出镜面向复合型晶体的一侧镀有808～815nm高反、1084nm高反、1.4～1.6μm部分反射、3.6～4.0μm高透的复合膜层，背向复合型晶体的一侧镀有1.4～1.6μm、3.6～4.0μm高透的复合膜层，形成信号光单谐振的自光参量振荡器，或复合输出镜面向复合型晶体的一侧镀有808～815nm高反、1084nm高反、1.4～1.6μm高透、3.6～4.0μm部分反射的复合膜层，形成闲频光单谐振的自光参量振荡器，或复合输出镜面向复合型晶体的一侧镀有808～815nm高反、1084nm高反、1.4～1.6μm部分反射、3.6～4.0μm部分反射的复合膜层，形成双谐振的自光参量振荡器。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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