CN112803224A - 一种基于铌酸镓镧晶体的中红外波段差频激光器 - Google Patents

一种基于铌酸镓镧晶体的中红外波段差频激光器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于铌酸镓镧晶体的中红外波段差频激光器，包括：泵浦源、非线性光调节系统和铌酸镓镧晶体；泵浦源产生单一激光束；激光束部分经过非线性光调节系统产生倍频，获得近红外光参量振荡激光；近红外光参量振荡激光与激光束的剩余部分共线、且同步入射至铌酸镓镧晶体，并产生差频，获得3‑6μm的中红外波段差频激光。本发明以一台成熟的近红外激光器作为泵浦源，且可实现3‑6μm的可调谐激光光源，具有成本低、结构紧凑、适合批量化生产等优势。

Description

一种基于铌酸镓镧晶体的中红外波段差频激光器
技术领域
本发明涉及激光材料和激光技术技术领域，更具体的说是涉及一种基于铌酸镓镧晶体(La3Ga5.5Nb0.5O14，LGN)的中红外波段差频激光器。
背景技术
中红外激光波段的研究一直是激光领域的研究热点之一，其覆盖大气的窗口波段，受气体分子吸收和悬浮物散射的影响小，在通讯量、遥感、环保和军事上具有很高的应用价值；同时覆盖了众多分子基团的吸收光谱范围，例如CO、SO2、NO2、苯、H2O以及CH4等，是环保领域用于痕量气体监测和分子光谱应用必不可少的波段，在有害气体检测、环境保护、红外光谱等领域有重要需求。能产生中红外波段的激光器主要有倍频的CO2气体激光器、化学氟化氘激光器、半导体量子级联激光器、二极管泵浦的固体激光器、固体激光器泵浦的光参量振荡器、光参量放大器、差频产生等非线性光学器件。利用两种波长的激光的差频过程获得中红外激光是一种重要的激光技术，但通常需要至少两个泵浦源，从而产生这两种波长，限制了高集成、高稳定性差频激光的获得和批量化。
近年来，铌酸镓镧非线性光学晶体得以报道，该类晶体具有激光损伤阈值高、可用成熟近红外激光泵浦等优势，是综合性能优秀的中红外非线性光学晶体，也为以一种产业化成熟的激光器作为泵浦源获得差频的可调谐中红外激光提供了可能性。
如何以一个成熟的泵浦源，结合铌酸镓镧非线性光学晶体，以获得宽波段可调谐的中红外差频激光，成为本领域亟需解决的技术问题。
其中：
差频产生(Different Frequency Generation,DFG)过程：是指将频率较高的泵浦光ωp和频率较低的信号光ωs入射到非线性晶体中，由于光与非线性晶体的二阶非线性效应，产生频率ωi＝ωp-ωs的差频光。
铌酸镓镧晶体：分子式为La3Ga5.5Nb0.5O14，简称LGN，是单轴晶，属于三方晶系32点群，P321空间群，其晶胞常数为a＝0.8232nm，c＝0.5128nm。由于LGN具有较高的压电系数，其在压电性能方面的应用是为人们所熟知的，但是，LGN晶体材料无反演对称心，具有二阶非线性光学特性和适中的非线性光学系数(d11＝2.9pm/V@0.659μm)，同时LGN晶体的透过范围宽(0.28-7.4μm)，有合适的双折射，高的抗光损伤阈值(1.41GW/cm2@1064nm)，化学稳定性好，不潮解。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于铌酸镓镧晶体的中红外波段差频激光器，以一台成熟的近红外激光器作为泵浦源，且可实现3-6μm的可调谐激光光源，具有成本低、结构紧凑、适合批量化生产等优势。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于铌酸镓镧晶体的中红外波段差频激光器，包括：泵浦源、非线性光调节系统和铌酸镓镧晶体；所述泵浦源产生单一激光束；所述激光束部分经过所述非线性光调节系统产生倍频，获得近红外光参量振荡激光；所述近红外光参量振荡激光与激光束的剩余部分共线、且同步入射至所述铌酸镓镧晶体，并产生差频，获得3-6μm的中红外波段差频激光。
优选的，在上述一种基于铌酸镓镧晶体的中红外波段差频激光器中，所述非线性光调节系统包括沿着所述激光束的传输方向依次设置的第一半波片、望远镜系统、光参量振荡系统和凸透镜；所述泵浦源产生的激光束依次经过所述第一半波片、所述望远镜系统和所述光参量振荡系统之后，一部分经所述光参量振荡系统，产生所述近红外光参量振荡激光；所述激光束的残余部分和所述近红外光参量振荡激光同步入射至所述凸透镜进行聚焦后，入射至所述铌酸镓镧晶体。
优选的，在上述一种基于铌酸镓镧晶体的中红外波段差频激光器中，所述光参量振荡系统包括沿所述激光束的传输方向依次设置的输入镜、非线性光学晶体和输出镜。
优选的，在上述一种基于铌酸镓镧晶体的中红外波段差频激光器中，还包括锗片和探测器；所述铌酸镓镧晶体产生的中红外波段差频激光经所述锗片透过后，入射至所述探测器；所述探测器用于探测所述中红外波段差频激光的参数。
优选的，在上述一种基于铌酸镓镧晶体的中红外波段差频激光器中，所述非线性光调节系统还包括第一分光镜、倍频晶体、第二分光镜、残余束流收集器、第一凹面镜、第二半波片、反射镜、偏振片和第二凹面镜；
所述第一分光镜、所述倍频晶体和所述第二分光镜沿着所述激光束的传输方向依次设置于所述望远镜系统和所述光参量振荡系统之间；
所述第一分光镜将经过所述望远镜系统的激光束分为两路，一路依次通过所述第一分光镜、所述倍频晶体、所述第二分光镜和所述光参量振荡系统，经所述光参量振荡系统产生近红外光参量振荡激光后，再经所述第一凹面镜反射至所述第二凹面镜；所述第二分光镜将该路激光束中的残余束流反射至所述残余束流收集器；
另一路激光束经所述第一分光镜反射，并依次通过所述第二半波片、所述反光镜、所述偏振片、所述凸透镜和所述第二凹面镜；
所述第二凹面镜将通过所述第一凹面镜的另一路激光束和经所述凸透镜透过的近红外光参量振荡激光进行聚焦，并入射至所述铌酸镓镧晶体。
优选的，在上述一种基于铌酸镓镧晶体的中红外波段差频激光器中，所述铌酸镓镧晶体的长度为1-150mm；所述非线性光学晶体的长度为10-50mm；所述铌酸镓镧晶体和所述非线性光学晶体的表面均镀有介质膜；所述介质膜对所述激光束、所述近红外光参量振荡激光和所述中红外波段差频激光均具有高透过性。
优选的，在上述一种基于铌酸镓镧晶体的中红外波段差频激光器中，所述泵浦源为调Q激光器或锁模激光器，且其产生的激光束波长为1064nm。
优选的，在上述一种基于铌酸镓镧晶体的中红外波段差频激光器中，所述铌酸镓镧晶体的分子式为La3Ga5.5Nb0.5O14，在0.28-7.4μm范围内保持透过。
优选的，在上述一种基于铌酸镓镧晶体的中红外波段差频激光器中，所述铌酸镓镧晶体沿着中心波长4-5μm的非线性一类或者二类相位匹配方向切割，其切割角为51-72°。
优选的，在上述一种基于铌酸镓镧晶体的中红外波段差频激光器中，所述近红外光参量振荡激光的调谐范围为1.3-1.65μm。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种基于铌酸镓镧晶体的中红外波段差频激光器，通过唯一的泵浦源产生单一激光束，通过非线性光调节系统中的常见氧化物非线性光学晶体产生倍频，获得近红外光参量振荡激光，该激光可通过旋转非线性光学晶体实现波长调谐，作为信号光源使用，且与泵浦源的波长不同，将剩余泵浦光与信号光共线同步入射到铌酸镓镧晶体，产生差频，可获得3-6μm可调谐的差频中红外激光。
本发明以一台泵浦源结合铌酸镓镧晶体即可实现3-6μm的可调谐激光光源，具有成本低、结构紧凑、适合批量化生产等优势。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明提供的基于铌酸镓镧晶体的中红外波段差频激光器的结构示意图；
图2附图为本发明提供的基于铌酸镓镧晶体的中红外波段差频激光器在另一个实施例中的结构示意图；
图3附图为本发明提供的差频产生过程中，第一类相位匹配调谐曲线；
图4附图为本发明提供的差频产生过程中第二类相位匹配调谐曲线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明实施例公开了一种基于铌酸镓镧晶体的中红外波段差频激光器，包括：泵浦源1、非线性光调节系统2和铌酸镓镧晶体3；泵浦源1产生单一激光束；激光束部分经过非线性光调节系统2产生倍频，获得近红外光参量振荡激光；近红外光参量振荡激光与激光束的剩余部分共线、且同步入射至铌酸镓镧晶体3，并产生差频，获得3-6μm的中红外波段差频激光。
铌酸镓镧晶体3，其化学式为La3Ga5.5Nb0.5O14。其点群为32，在0.28-7.4μm范围内保持通过，存在一类(ωs和ωi的两束光偏振方式一致，均为e光)及二类相位匹配(ωs和ωi的两束光偏振方式不一致，一束为o光，一束为e光)，相对应的有效二阶非线性系数为deff＝d11cos2θsin3φ(一类位相匹配)及deff＝d11cosθcos3φ(二类位相匹配)，θ为相位匹配角度，φ为方位角。
本发明通过如下所示的Sellmier方程计算了铌酸镓镧晶体的相位匹配角度：
Figure BDA0002906029740000051
Figure BDA0002906029740000052
本实施例中，泵浦源1采用1064nm锁模脉冲激光器。图3和图4分别为泵浦源1发射的激光束波长为1064nm时，一类、二类相位匹配下的信号光波长及差频所产生的中红外波段激光的波长与相位匹配角θ的关系。图中纵坐标DFG wavelength表示中红外波段差频激光波长，Phase matching angle表示相位匹配角。
具体的，非线性光调节系统2包括沿着激光束的传输方向依次设置的第一半波片201、望远镜系统202、光参量振荡系统203和凸透镜204；
泵浦源1产生的激光束依次经过第一半波片201、望远镜系统202和光参量振荡系统203之后，一部分经光参量振荡系统203，产生近红外光参量振荡激光；激光束的残余部分和近红外光参量振荡激光同步入射至凸透镜204进行聚焦后，入射至铌酸镓镧晶体3。
本实施例中，还包括锗片4和探测器5；在铌酸镓镧晶体3中产生差频，产生可调谐的中红外波段差频激光，中红外波段差频激光经锗片4透过后，入射至探测器5；探测器5用于探测中红外波段差频激光的参数。
本实施例中，光参量振荡系统203包括沿激光束的传输方向依次设置的输入镜2031、非线性光学晶体2032和输出镜2033。输入镜2031镀有对泵浦光高透，对参量振荡光高反的介质膜；输出镜2033镀以对参量振荡光部分透过的介质膜。
非线性光学晶体2032也称为OPO晶体，本实施例中OPO晶体为单一晶体磷酸氧钛钾，通光面光学抛光，不镀膜或镀膜。若镀膜，则镀有对泵浦光、振荡光高透的介质膜；其切割角，即晶体通光方向与Z轴的夹角为65.6°，方位角晶体通光方向在XY面的投影与X轴的夹角为0°；晶体长度可以为10-50mm，优选的，晶体长度为20mm。
本发明中的“OPO”、“高反”、“高透”具有本领域的公知含义。
上述“OPO”是光参量振荡(Optical Parametric Oscillation)。
上述“高反”是指对特定波长或波段入射光的反射率大于99％。
上述“高透”是指对特定波长或波段光的透过率大于80％。
上述“部分透过”指对特定波长或波段入射光的透过率在1％-80％。
在一个实施例中，铌酸镓镧晶体3通光面光学抛光，不镀膜或镀膜。若镀膜，则镀有对泵浦光、信号光以及差频光高透的介质膜；其切割角，即晶体通光方向与Z轴的夹角为69.4°；输出中红外激光范围为3-6μm，优选的，出射中红外激光为5.4μm。晶体长度可以为1-150mm，优选的，晶体长度为120mm。
如图2所示，在另一个实施例中，非线性光调节系统2还包括第一分光镜205、倍频晶体206、第二分光镜207、残余束流收集器208、第一凹面镜209、第二半波片210、反射镜211、偏振片212和第二凹面镜213；
第一分光镜205、倍频晶体206和第二分光镜207沿着激光束的传输方向依次设置于望远镜系统202和光参量振荡系统203之间；
第一分光镜205将经过望远镜系统202后的激光束分为两路，一路依次通过第一分光镜205、倍频晶体206、第二分光镜207和光参量振荡系统203，经光参量振荡系统203产生近红外光参量振荡激光后，再经第一凹面镜209反射至第二凹面镜213；第二分光镜207将该路激光束中的残余束流反射至残余束流收集器208；
另一路激光束经第一分光镜205反射，并依次通过第二半波片210、反光镜211、偏振片212、凸透镜204和第二凹面镜213；反光镜211采用高反镜。
第二凹面镜213将通过第一凹面镜209的另一路激光束和经凸透镜204透过的近红外光参量振荡激光进行聚焦，并入射至铌酸镓镧晶体3。在铌酸镓镧晶体3中产生差频，产生可调谐的中红外波段差频激光，中红外波段差频激光经锗片4透过后，入射至探测器5；探测器5用于探测中红外波段差频激光的参数。
本实施例中，倍频晶体206为单一晶体磷酸氧钛钾，切割角度为通光面光学抛光，不镀膜或镀膜。若镀膜，则镀有对泵浦光、倍频光高透的介质膜；其切割角，即晶体通光方向与Z轴的夹角为90°，方位角即晶体通光方向在XY面的投影与X轴的夹角为23.5°；晶体长度可以为1-20mm，优选的，晶体长度为5mm。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种基于铌酸镓镧晶体的中红外波段差频激光器，其特征在于，包括：泵浦源(1)、非线性光调节系统(2)和铌酸镓镧晶体(3)；所述泵浦源(1)产生单一激光束；所述激光束部分经过所述非线性光调节系统(2)产生倍频，获得近红外光参量振荡激光；所述近红外光参量振荡激光与激光束的剩余部分共线、且同步入射至所述铌酸镓镧晶体(3)，并产生差频，获得3-6μm的中红外波段差频激光。
2.根据权利要求1所述的一种基于铌酸镓镧晶体的中红外波段差频激光器，其特征在于，所述非线性光调节系统(2)包括沿着所述激光束的传输方向依次设置的第一半波片(201)、望远镜系统(202)、光参量振荡系统(203)和凸透镜(204)；所述泵浦源(1)产生的激光束依次经过所述第一半波片(201)、所述望远镜系统(202)和所述光参量振荡系统(203)之后，一部分经所述光参量振荡系统(203)，产生所述近红外光参量振荡激光；所述激光束的残余部分和所述近红外光参量振荡激光同步入射至所述凸透镜(204)进行聚焦后，入射至所述铌酸镓镧晶体(3)。
3.根据权利要求2所述的一种基于铌酸镓镧晶体的中红外波段差频激光器，其特征在于，所述光参量振荡系统(203)包括沿所述激光束的传输方向依次设置的输入镜(2031)、非线性光学晶体(2032)和输出镜(2033)。
4.根据权利要求3所述的一种基于铌酸镓镧晶体的中红外波段差频激光器，其特征在于，还包括锗片(4)和探测器(5)；所述铌酸镓镧晶体(3)产生的中红外波段差频激光经所述锗片(4)透过后，入射至所述探测器(5)；所述探测器(5)用于探测所述中红外波段差频激光的参数。
5.根据权利要求4所述的一种基于铌酸镓镧晶体的中红外波段差频激光器，其特征在于，所述非线性光调节系统(2)还包括第一分光镜(205)、倍频晶体(206)、第二分光镜(207)、残余束流收集器(208)、第一凹面镜(209)、第二半波片(210)、反射镜(211)、偏振片(212)和第二凹面镜(213)；
所述第一分光镜(205)、所述倍频晶体(206)和所述第二分光镜(207)沿着所述激光束的传输方向依次设置于所述望远镜系统(202)和所述光参量振荡系统(203)之间；
所述第一分光镜(205)将经过所述望远镜系统(202)后的激光束分为两路，一路依次通过所述第一分光镜(205)、所述倍频晶体(206)、所述第二分光镜(207)和所述光参量振荡系统(203)，经所述光参量振荡系统(203)产生近红外光参量振荡激光后，再经所述第一凹面镜(209)反射至所述第二凹面镜(213)；所述第二分光镜(207)将该路激光束中的残余束流反射至所述残余束流收集器(208)；
另一路激光束经所述第一分光镜(205)反射，并依次通过所述第二半波片(210)、所述反光镜(211)、所述偏振片(212)、所述凸透镜(204)和所述第二凹面镜(213)；
所述第二凹面镜(213)将通过所述第一凹面镜(209)的另一路激光束和经所述透光镜(204)透过的近红外光参量振荡激光进行聚焦，并入射至所述铌酸镓镧晶体(3)。
6.根据权利要求3所述的一种基于铌酸镓镧晶体的中红外波段差频激光器，其特征在于，所述铌酸镓镧晶体(3)的长度为1-150mm；所述非线性光学晶体(2032)的长度为10-50mm；所述铌酸镓镧晶体(3)和所述非线性光学晶体(2032)的表面均镀有介质膜；所述介质膜对所述激光束、所述近红外光参量振荡激光和所述中红外波段差频激光均具有高透过性。
7.根据权利要求1所述的一种基于铌酸镓镧晶体的中红外波段差频激光器，其特征在于，所述泵浦源(1)为调Q激光器或锁模激光器，且其产生的激光束波长为1064nm。
8.根据权利要求1所述的一种基于铌酸镓镧晶体的中红外波段差频激光器，其特征在于，所述铌酸镓镧晶体(3)的分子式为La3Ga5.5Nb0.5O14，在0.28-7.4μm范围内保持透过。
9.根据权利要求1所述的一种基于铌酸镓镧晶体的中红外波段差频激光器，其特征在于，所述铌酸镓镧晶体(3)沿着中心波长4-5μm的非线性一类或者二类相位匹配方向切割，其切割角为51-72°。
10.根据权利要求1所述的一种基于铌酸镓镧晶体的中红外波段差频激光器，其特征在于，所述近红外光参量振荡激光的调谐范围为1.3-1.65μm。
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