CN1127946A - 多波长光参量激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光学器件，特别是涉及一种多波长输出的光参量激光器。本发明的目的在于利用非线性光学晶体在光参量过程中的角度调谐相位区配折返现象，从而获得多波长光参量激光，本发明多波长光参量激光器包括泵光和非线性光学晶体，泵光行波泵浦晶体产生参量激光，微机控制步进马达来调节晶体角度，输出不同频率的参量激光组成的。本发明实现了高效率、高功率、多波长、宽调谐激光输出和人机对话调谐操作，为实用化奠定了基础。
Description
本发明涉及一种光学器件，特别是涉及一种多波长输出的光参量激光器。
利用非线性光学晶体的参量效应开发高效宽调谐激光器件一直是可调谐激光领域中最为活跃且最为有效的方法之一。
G.J.Hall等人发表在J.Opt.Soc.Am.B(Vol10(1998)2188-2179)上的文章中指出：他们利用的是非线性光学晶体的温度调谐相位匹配折返现象。采用锁模调Q激光或连续锁模激光泵浦LBO(LiB2O5三硼酸锂)晶体，获得了宽调谐的参量激光(从可见到红外)，观察到了4个参量激光的同时出现。他们激光器的光路图见附图1：全固化激光器输出的激光(波长532.5nm)作为泵光(1)，泵浦方式为同步泵浦，泵光通过凸透镜(2)(焦距是10cm)后，进入由两个凹面反射镜(3)(曲率半径为10cm)组成的共焦谐振腔，参量激光通过一个平面耦合输出镜(6)输出。非线性光学晶体(4)(是LBO，是大小为3×3×12mm2)安放在炉子内，可以进行温度控制和调节，从而实现温度调谐。温度调节范围在125～190℃，得到了652～2650nm的参量激光(用532.5nm泵光，LBO晶体的折返区在664～2470nm)输出，在折返区664～2270nm范围内，得到了4色激光同时输出，为了覆盖整个调谐范围，他们利用了三对不同的腔镜，三对腔镜的高反区分别为650～800nm、750～900mm、987～1110nm。G.J.Hall等人采用的是温度调谐，而温度的词节和稳定987～1110nm。G.J.Hall等人采用的是温度调谐，而温度的调节和稳定是需要一定的时间的，因而调谐速度慢，采用的泵光是锁模调Q激光或连续锁模激光，这决定了得到的参量激光功率低，而且是脉冲串，不是单个脉冲激光，他们采用了三对腔镜来覆盖整个调谐范围，这也就是说：为了得到整个调谐范围的参量激光，必须在调节晶体温度(从而得到不同波长的参量激光)的同时，在不同参量激光波段采用不同的腔镜，这也给使用带来了不便。
本发明的目的在于克服上述已有技术的缺点和不足，利用非线性光学晶体在光参量过程中的角度调谐相位匹配折返(以下简称角折返)现象，来提供一种包括激光作为泵光，行波泵浦非线性晶体，调节非线性晶体的匹配角度，产生不同频率的参量激光，在折反区内可以同时得到四个不同频率的相干光构成多波长光参量激光器。
本发明的目的是这样实现的：
本发明的核心内容就是利用非线性光学晶体的角折返现象，从而获得多波长参量激光。角折返现象就是在一定的角度调谐范围内(具体范围由晶体种类和所用泵光波长决定)，有两对光子(4色)同时满足相位匹配条件，从而得到四色参量激光的同时输出。附图2是角度调谐相位匹配折返曲线。图2给出了一个具体的例子以说明相位匹配角折返现象：所用的晶体是LBO，泵光波长为532nm，晶体的切割角为θ＝90°，在角度调谐φ＝8.5～11.5°范围内，有两对激光同时满足相位匹配条件，这种现象即为角度调谐相位匹配折返现象(角折返现象)，为了具体实现上述想法，本发明采用行波泵浦非线性光学晶体，调节晶体的匹配角度，得到了不同频率的参量激光，由于角折返现象的存在，在折返区内可以同时得到四个不同频率的相干光。
下面结合附图及实施例对本发明进行详细地说明：
图3是多波长光参量激光器光路结构图。图面说明如下：(9)泵光；(10)，(25)分光镜；(11)180°反射棱镜；(12)此双箭头表示(11)可按箭头方向前后移动；(13)，(18)，(19)，(22)泵光全反镜；(14)，(15)望远镜；(16)参量激光输出；(17)，(20)，(21)非线性光学晶体；(23)此双箭头表示(22)可按箭头方向前后移动；(24)，(26)布氏色散三棱镜；(27)参量光反射棱镜；
本发明的激光器的光路图如附图3所示，该光路图的是：泵光经过分光镜分为两束，大体为一束泵光用来产生参量光，另一束泵光用来放大参量激光，当然这两束泵光的功能不是完全独立的，任何一束泵光都有产生和放大参量光的功能。具体的光路走向是：泵光(9)由分光器(10)分为两束。由分光器(10)反射的一部分泵光通过望远镜(15)和45°泵光全反镜(19)，入射到非线性光学晶体(20)、(21)内，产生参量光，产生的参量光和通过晶体(20)、(21)后的剩余泵光由分光镜(25)分开，泵光经布氏色散三棱镜(24)后由反射镜(22)反射回来，而参量光则经布氏色散三棱镜(26)后，由参量光反射棱镜(27)反射回来，反馈回来的参量光和泵光重新重合并同时(由(22)调节延时)注入到晶体(21)、(20)内，由此产生再一次参量放大，放大后的参量光经(19)透射输出。透过(10)的另一部分泵光通过180°反射棱镜(11)、45°泵光反射镜(13)、望远镜(14)后由泵光反射镜(18)反射，与泵光全反镜(19)输出的参量光在空间和时间(由180°反射棱镜(11)调节延时)上重合，然后共同注入到第三块晶体(17)内，进行再次放大，输出参量激光。
用计算机控制步进马达转动，步进马达带动晶体转动，从而实现晶体的角度调谐，在折返区内得到4～6个参量激光。
本发明的较佳实施例：
本发明的光路按附图3，为了获得较佳的总体转换效率，我们做了如下的具体结构：
1.泵光(9)采用Nd：YAG激光的二倍频光(波长532nm，脉宽25ps，运转频率1-10Hz)，之所以采用Nd：YAG二倍频光，是因为该激光使用最为普遍，且激光质量好、强度高，也可以用其它波长的激光作为泵光，此时相应的非线性光学晶体要改变一下，以保证在所用的泵光和晶体条件下，存在角度调谐相位匹配折返现象。
2.根据泵光光斑大小与总体转换效率的实验数据，选取泵光光斑大小为5mm。
3.根据泵光的透射和反射分配比例与转换效率的关系，分光镜(10)对532nm泵光的反射率和透过率各为50％。
4. 180°反射棱镜(11)可以按(12)所示双箭头前后来回移动，以调节通过分光镜(10)的泵光的延时，使通过晶体(17)后得到的参量激光最强。
5.望远镜系统(15)的压缩比为1∶3，这样将泵光光斑压缩到1.67mm，从而使功率密度得以大大提高，考虑到由(19)输出的参量光由于发散，进入晶体(17)时的光斑尺寸较原来的大，为了充分利用前级参量光，望远镜系统(14)的压缩比为1∶2.5。
6.采用180°反射棱镜(27)作为参量光反射镜，它能宽波段均衡地反馈参量光而不受波长的影响，这样保证了两对参量光的同时产生与放大，解决了一般介质膜片都不能达到对680～1064nm的信号光高反且反射率一致的难题。
7.为了得到较窄线宽的参量激光，由分光镜(25)、布氏色散三棱镜(26)、参量光反射棱镜(27)和泵光全反镜(22)、布氏色散三棱镜(24)组成了参量光线宽压窄系统，分光镜(25)把泵光和参量光分开，参量光经过布氏色棱镜(26)后由参量光反射棱镜(27)返回，由于棱镜(26)的色散效应，参量光返回后的线宽变窄了，泵光经布氏色散棱镜(24)后由泵光全反镜(22)反射回来，泵光全反镜(22)可以按双箭头(23)所示前后移动，以调节泵光的延时，使返回的参量光与泵光同时进入晶体，调节(23)，直到从泵光全反镜(19)输出的参量激光最强，这时认为泵光全反镜(22)的延时调节处于最佳位置。
8.为了减少系统的泵光损耗，对望远镜系统和棱镜(11)镀了532nm的增透膜。
9.晶体部分是本激光器系统的核心部分，利用一块晶体即可得到多波长参量激光，但为了得到高的转换效率和高强度的参量激光(这也是实用化的需要)，在本激光系统中用了三块LBO晶体，LBO晶体的大小是3×3×15mm3切割角为θ＝90°、φ＝11.5°，晶体(20)和(21)相距20cm，晶体(17)放置的位置距(18)的距离是5cm，晶体(20)和(21)调谐时的转动方向正好同步相反，构成了双晶结构，这样的结构补偿了离散效应，同时也使经过晶体后的泵光与参量光保持同一方向而不随参量波长的改变而移动，而且利用了两块晶体，参量过程的有效增益长度较单晶长了一倍，大大提高了参量转换效率，(17)的转动与(21)一致。
10.晶体(17)、(20)和(21)的转动由微机控制的步进马达控制，代替了手动控制晶体的转动，这样实现了人机对话。
本发明的优越性：
本发明由于采用高功率单脉冲激光行波泵浦、从而省去了腔镜，免除更换腔镜的麻烦。其二共线匹配和双折射相消配置的OPG＋OPA光路结构，步进电机驱动的同步角调谐机构和计算机程序控制技术，实现了高效率、高功率、多波长宽调谐激光输出和人机对话调谐操作，为实用化奠定了基础，其技术指标为：
1)可调谐范围：0.664～2.666um，在折返区(0.68～2.4um)内同时调谐输出4～6个波长的激光。
2)最高输出功率：～50MW。
3)最高效率：23％。
4)输出激光脉冲：～37ps。
5)运转频率：1～10Hz.
11.按上述的实验光路和方法，把LBO晶体换成了BBO晶体，泵光波长换成了610nm，得到了0.80～2.6μm的参量光。
12.按上述的光路和实验方法，把LBO晶体换成了LiIO3晶体，泵光波长换成了800nm，得到了0.96～5.0μm的参量光。
Claims (5)
1.一种包括泵光、非线性光学晶体组成的多波长光参量激光器。其特征在于：包括激光作为泵光，行波泵浦非线性晶体，调节非线性晶体的匹配角度，产生不同频率的参量激光，在折反区内可以同时得到四个不同频率的相干光构成多波长光参量激光器。
2.按权利要求1所述的多波长参量激光器，其特征在于：采用的光路结构为：泵光经过分光镜分为两束，一束泵光用来产生参量光，另一束泵光用来放大参量激光。具体的光路走向是：泵光(9)由分光器(10)分为两束，由分光器(10)反射的一部分泵光通过望远镜(15)和45°泵光全反镜(19)，入射到非线性光学晶体(20)、(21)内，产生参量光，产生的参量光和通过晶体(20)、(21)后的剩余泵光由分光镜(25)分开，泵光经布氏色散三棱镜(24)后由反射镜(22)反射回来，而参量光则经布氏色散三棱镜(26)后，由参量光反射棱镜(27)反射回来，反馈回来的参量光和泵光重新重合并同时(由(23)调节延时)注入到晶体(21)、(20)内，由此产生再一次参量放大，放大后的参量光经泵光全反镜(19)透射输出。透过分光镜(10)的另一部分泵光通过180°反射棱镜(11)、45°泵光反射镜(13)、望远镜(14)后由泵光反射镜(18)反射，与泵光全反镜(19)输出的参量光在空间和时间(由(11)调节延时)上重合，然后共同注入到第三块晶体(17)内，进行再次放大，输出参量激光。
3.按权利要求1.2所述的多波长光参量激光器，其特征在于：所述的非线性晶体还包括BBO、LBO、LiIO8、KTP、KDP。
4.按权利要求1.2所述的多波长光参量激光器，其特征在于：所述的泵光还包括532nm以外的激光。
5.按权利要求1.2所述的多波长参量激光器，其特征在于：用计算机控制步进马达，步进马达带动非线性晶体转动。
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