CN112864789A - 一种皮秒脉冲光学参量变频激光输出装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种皮秒脉冲光学参量变频激光输出装置，属于激光变频技术领域，包括皮秒基频激光模块，出射的皮秒基频激光依次通过整形模块和至少两个非线性晶体模块后形成皮秒脉冲光学参量变频激光，皮秒脉冲光学参量变频激光通过输出模块输出；整形模块出射的皮秒基频激光射入第一个非线性晶体模块中；相邻的两个非线性晶体模块之间设置有透镜，透镜用于调整射入其内的皮秒基频激光和皮秒脉冲光学参量变频激光使从透镜出射的皮秒基频激光和皮秒脉冲光学参量变频激光射入后一个非线性晶体模块。通过透镜与非线性晶体模块的配合使皮秒基频脉冲激光的束腰重复地出现，实现皮秒脉冲光学参量变频激光输出。

Description

一种皮秒脉冲光学参量变频激光输出装置
技术领域
本发明涉及激光频率变换技术领域，特别涉及一种皮秒脉冲光学参量变频激光输出装置。
背景技术
皮秒脉冲激光在材料处理、激光光谱学、激光测距等领域具有重要应用。目前，获得超短脉冲激光的方法是通过激光锁模的方法获得，然后通过行波放大或再生放大的方法提高超短脉冲激光能量。然而，由于激光发射能级是分立的，只有少数波段的超短脉冲激光可以直接从激光发射器中获得。为了在更宽的波长范围内，尤其是中红外范围获得皮秒脉冲激光，必须借助光学参量变频或者拉曼频移方法实现皮秒脉冲激光频率变换。光学参量变频包括光学参量产生(Optical Parametric Generation，OPG)、光学参量放大(OpticalParametric Amplification，OPA)，以及光学参量振荡(Optical ParametricOscillation，OPO)。OPG方法阈值高、效率低、产生的变频激光光谱很宽，光束质量也很差；OPA方法是在OPG基础上注入一个小功率的信号激光，虽然可以改善OPG方法光谱宽、光束质量差的问题，然而额外需要的种子激光器增加了成本和复杂性，OPO方法阈值低、效率高、光谱窄、光束质量好、可调谐、结构紧凑，是理想的皮秒脉冲激光频率变换方法。
由于皮秒脉冲激光持续时间很短，必须采用同步泵浦的方法才能实现光参量振荡。该方法通常要求OPO腔长须与泵浦激光脉冲间隔相等才能满足同步泵浦条件，因此该方法通常用于重复频率在100MHz左右的超短脉冲激光变频，其相应的腔长为1.5m，如要采用1MHz重频的基频超短脉冲激光泵浦，相应的OPO腔长要达到150m。在平均功率一定的情况下，重频越高单脉冲能量越小，因此目前采用传统同步泵浦OPO方法获得超短脉冲激光能量仅为纳焦耳量级。
发明内容
(一)发明目的
本发明的目的是提供一种新型结构，能够输出超过纳焦耳量级的皮秒脉冲光学参量变频激光的皮秒脉冲光学参量变频激光输出装置。
(二)技术方案
为解决上述问题，本发明实施例提供了一种皮秒脉冲光学参量变频激光输出装置，包括：皮秒基频激光模块，其出射的皮秒基频激光依次通过整形模块和至少两个非线性晶体模块后形成皮秒脉冲光学参量变频激光，所述皮秒脉冲光学参量变频激光通过输出模块输出；其中，所述整形模块用于调整射入其内的皮秒基频激光，使得从所述整形模块出射的皮秒基频激光射入至少两个非线性晶体模块的第一个非线性晶体模块中；所述第一个所述非线性晶体模块的中心与从所述整形模块出射的所述皮秒基频激光的束腰的中心共线；相邻的两个所述非线性晶体模块之间设置有透镜，所述透镜用于调整射入其内的皮秒基频激光和皮秒脉冲光学参量变频激光使从所述透镜出射的皮秒脉冲光学参量变频激光射入后一个所述非线性晶体模块内，后一个所述非线性晶体模块与从所述透镜出射的所述皮秒基频激光和皮秒脉冲光学参量变频激光的束腰的中心共线。
进一步地，所述整形模块出射的皮秒基频激光的束腰光斑半径大小为N；所述透镜出射的皮秒基频激光的束腰光斑半径大小为M；其中，|M-N|/N≤30％。
进一步地，第一个所述非线性晶体模块的中心与第二个所述非线性晶体模块的中心距离为X；其余相邻两个所述非线性晶体模块的中心距离为Y；其中，|X-Y|/X≤30％。
进一步地，所述非线性晶体模块包括一个非线性晶体；从所述整形模块出射的所述皮秒基频激光的束腰射入至所述非线性晶体的中心点处；或者，所述非线性晶体模块包括多个非线性晶体，多个所述非线性晶体沿垂直于非线性晶体的排列方向上对称设置；从所述整形模块出射的所述皮秒基频激光的束腰位于多个所述非线性晶体的在沿垂直于非线性晶体的排列方向上的对称轴上。
进一步地，所述输出模块包括：第一分光镜，用于反射从所述至少两个非线性晶体模块中最后一个非线性晶体模块出射的皮秒脉冲光学参量光，实现皮秒脉冲光学参量光的输出。
进一步地，所述第一分光镜且对皮秒脉冲光学参量光的反射率大于50％。
进一步地，还包括：光隔离器，设置在所述整形模块与所述第一个非线性晶体模块之间，使从所述整形模块出射，并射入其内的皮秒基频激光通过；反射镜，用于反射从所述至少两个非线性晶体模块中最后一个非线性晶体模块出射的皮秒基频激光和皮秒脉冲光学参量光，使反射后的所述皮秒基频激光和所述皮秒脉冲光学参量光射入所述最后一个非线性晶体模块，并依次通过所述至少两个非线性晶体模块后，从所述第一个非线性晶体模块出射；第二分光镜，设置在所述第一个非线性晶体模块与所述光隔离器之间，用于反射从所述第一个非线性晶体模块出射的皮秒脉冲光学参量光，实现皮秒脉冲光学参量光的输出。
进一步地，第一个所述非线性晶体模块的中心与第二个所述非线性晶体模块的中心距离为10mm-200mm。
进一步地，所有所述非线性晶体模块和所述透镜上均镀有对皮秒基频激光和皮秒脉冲光学参量变频激光的增透膜。
进一步地，所述非线性晶体模块包括非线性晶体；所述非线性晶体为KTiOPO4、RbTiOAsO4、KTiOAsO4、LiNbO3、LiInS2、LiGaSe2、BaGa4S7、BaGa4Se7、BBO、PPLN、SiC和LBO中的一种。
(三)有益效果
本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
本发明通过透镜与非线性晶体模块的配合使皮秒基频脉冲激光的束腰重复地出现，实现了皮秒脉冲光学参量变频激光输出，摆脱了传统皮秒同步泵浦光参量振荡器中腔长和重复频率严格匹配的问题；另外，通过本申请的技术方案，去除了皮秒基频激光模块的重复频率的大小和重复频率的稳定性的要求，以适用于任意重复频率的皮秒基频激光模块。
附图说明
图1是本发明实施例中皮秒脉冲光学参量变频激光输出装置的结构示意图；
图2是本发明第一个具体实施例中皮秒脉冲光学参量变频激光输出装置的结构示意图；
图3是本发明第二个具体实施例中皮秒脉冲光学参量变频激光输出装置的结构示意图；
图4是本发明第三个具体实施例中皮秒脉冲光学参量变频激光输出装置的结构示意图；
图5是本发明第四个具体实施例中皮秒脉冲光学参量变频激光输出装置的结构示意图。
附图标记：
1：皮秒基频激光模块；2：整形模块；3：非线性晶体模块；4：透镜；5：第一分光镜；6：光隔离器；7：反射镜；8：第二分光镜；9：温度控制器。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
在附图中示出了根据本发明实施例的结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚的目的可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域。
显然，所描述的实施例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。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
以下将参照附图更详细地描述本发明。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。
下面对本申请出现的专业名词进行解释：
MOPA：Master Oscillator Power-Amplifier的缩写，意为主控振荡器的功率放大器。
传统的同步光参量振荡器由谐振腔、非线性晶体、泵浦激光源构成，但在低重复频率下，受限于腔长与重复频率的严格对应关系，而腔长过长导致难以实现低重复频率的同步泵浦光参量振荡。
因此，发明人利用透镜4和非线性晶体模块3的阵列模拟在同步泵浦光参量振荡器中的起始产生过程，通过多次复现束腰大小并通过透镜，实现高光束质量的光参量变频输出。
如图1所示，本发明实施例中，提供了一种皮秒脉冲光学参量变频激光输出装置，主要包括皮秒基频激光模块1，其出射的皮秒基频激光依次通过整形模块2和至少两个非线性晶体模块3后形成皮秒脉冲光学参量变频激光，皮秒脉冲光学参量变频激光通过输出模块输出；其中，整形模块2用于调整射入其内的皮秒基频激光，使得从整形模块2出射的皮秒基频激光射入至少两个非线性晶体模块3的第一个非线性晶体模块3中；第一个非线性晶体模块3的中心与从整形模块2出射的皮秒基频激光的束腰的中心共线；相邻的两个非线性晶体模块3之间设置有透镜4，透镜4用于调整射入其内的皮秒基频激光和皮秒脉冲光学参量变频激光使从透镜4出射的皮秒脉冲光学参量变频激光射入后一个非线性晶体模块3内，后一个非线性晶体模块3与从透镜4出射的皮秒基频激光和皮秒脉冲光学参量变频激光的束腰的中心共线。
本申请的实施例通过调节或设计步骤，先确定想要模拟的同步泵浦光参量振荡腔的结构，通过ABCD矩阵计算出腔内本征模式(或指腔模)，再利用整形模块2将基模皮秒激光和本征模式匹配，以实现束腰复现。
皮秒基频激光通过第一个非线性晶体模块3后形成皮秒脉冲光学参量变频激光，通过多个非线性晶体模块3进行多次变频，最后通过输出模块输出。整形模块2对皮秒基频激光的光斑大小进行整形，以形成束腰，整形模块2的确定的束腰为第一束腰。透镜4通过聚焦的方式对透过其的皮秒基频激光和皮秒脉冲光学参量变频激光的光斑进行调整，以形成束腰。
整形模块2将皮秒基频激光光斑整形至束腰位置，且该束腰位于第一个非线性晶体模块3的中心，束腰位置与第一个非线性晶体模块3的中心位置允许存在偏差，偏差距离不超过50mm。透镜4的基片材料可以为CaF2。
一些实施例中，非线性晶体模块3包括一个非线性晶体；从整形模块2出射的皮秒基频激光的束腰射入至非线性晶体的中心点处。
一些实施例中，非线性晶体模块3包括多个非线性晶体，多个非线性晶体沿垂直于非线性晶体的排列方向上对称设置；从整形模块2出射的皮秒基频激光的束腰位于多个非线性晶体的在沿垂直于非线性晶体的排列方向上的对称轴上。
一些实施例中，输出模块包括第一分光镜5(分束镜)，用于反射从至少两个非线性晶体模块3中最后一个非线性晶体模块3出射的皮秒脉冲光学参量光，实现皮秒脉冲光学参量光的输出。
一些实施例中，第一分光镜5上镀设有增透膜。
一些实施例中，第一分光镜5且对皮秒脉冲光学参量光的反射率大于50％。
一些实施例中，皮秒脉冲光学参量变频激光输出装置还包括光隔离器6、反射镜7和第二分光镜8；其中，光隔离器6设置在整形模块2与第一个非线性晶体模块3之间，使从整形模块2出射，并射入其内的皮秒基频激光通过；反射镜7用于反射从至少两个非线性晶体模块3中最后一个非线性晶体模块3出射的皮秒基频激光和皮秒脉冲光学参量光，使反射后的皮秒基频激光和皮秒脉冲光学参量光射入最后一个非线性晶体模块3，并依次通过至少两个非线性晶体模块3后，从第一个非线性晶体模块3出射；第二分光镜8设置在第一个非线性晶体模块3与光隔离器6之间，用于反射从第一个非线性晶体模块3出射的皮秒脉冲光学参量光，实现皮秒脉冲光学参量光的输出。
反射镜7为平面反射镜7、球面反射镜7或非球面反射镜7，反射镜7通过光反射的方式实现对皮秒基频激光传播方向的改变，改变角度不做限制，可根据实际情况进行调整，例如，改变角度为45°、90°或180°。
一些实施例中，第二分光镜8且对皮秒脉冲光学参量光的反射率大于50％。
一些实施例中，第二分光镜8上镀设有增透膜。
一些实施例中，第一分光镜5和第二分光镜8的基片为石英。
一些实施例中，整形模块2出射的皮秒基频激光的束腰光斑半径大小为N；透镜4出射的皮秒基频激光的束腰光斑半径大小为M；其中，|M-N|/N≤30％。例如，整形模块2确定的束腰光斑半径为1mm，则透镜4确定的束腰光斑半径为M为0.7mm-1.3mm。例如，第一个非线性晶体模块3的中心与第二个非线性晶体模块3的中心距离为100mm，其余相邻两个非线性晶体模块3的中心距离为70mm-130mm。
一些实施例中，第一个非线性晶体模块3的中心与第二个非线性晶体模块3的中心距离为X；其余相邻两个非线性晶体模块3的中心距离为Y；其中，|X-Y|/X≤30％。
一些实施例中，第一个非线性晶体模块3的中心与第二个非线性晶体模块3的中心距离为10mm-200mm。例如，第一个非线性晶体模块3的中心与第二个非线性晶体模块3的中心距离为10mm、20mm、30mm、40mm、50mm、60mm、70mm、80mm、90mm、100mm、110mm、120mm、130mm、140mm、150mm、160mm、170mm、180mm、190mm或200mm。
一些实施例中，所有非线性晶体模块3和透镜4上均镀有对皮秒基频激光和皮秒脉冲光学参量变频激光的增透膜。
一些实施例中，非线性晶体模块3包括非线性晶体；非线性晶体为KTiOPO4、RbTiOAsO4、KTiOAsO4、LiNbO3、LiInS2、LiGaSe2、BaGa4S7、BaGa4Se7、BBO、PPLN、SiC和LBO中的一种。
一些实施例中，皮秒基频激光模块1为锁模激光器、被动调Q激光器或半导体激光器。
如图2所示，第一个具体的实施例中，提供了一种皮秒脉冲光学参量变频激光输出装置，皮秒基频激光模块1出射的皮秒基频激光依次通过整形模块2、第一个非线性晶体模块3、第一个透镜4、第二个非线性晶体模块3、第二个透镜4、第三个非线性晶体模块3和第一分光镜5。
皮秒基频激光模块1为半导体可饱和吸收镜(SESAM)被动锁模激光器，经过再生放大腔(位于皮秒基频激光模块1上)放大后的皮秒基频激光，其输出脉冲重复频率为10kHz，单脉冲能量为100μJ，脉宽为50ps，波长为1064nm。
第一个非线性晶体模块3、第二个非线性晶体模块3和第三个非线性晶体模块3均包括两个KTP晶体，两个KTP晶体放置的y轴方向相反，且放置在可调节转动装置内，用于调整入射角度。KTP晶体均具有相同尺寸的切割角和增透膜，KTP晶体的尺寸为3mm×3mm×20mm，切割角为θ＝62°,Φ＝0°，两面通光口的尺寸为3mm×3mm。KTP晶体通过增透膜，使KTP晶体对1.064μm波长的激光透过率大于98％，对1.7μm波长的激光透过率大于98％，对2.7μm波长的激光透过率大于98％。
第一个透镜4和第二个透镜4的焦距为500mm，通过在透镜4两面镀有增透膜实现对1.064μm波长，1.4-1.7μm波段，2.7-4.3μm波段的激光增透。
第一分光镜5通过镀有增透膜实现对1.7μm波长的皮秒脉冲光学参量变频激光反射率大于90％，对1064nm波长的皮秒激光基频光的透射率大于95％，以使皮秒脉冲光学参量变频激光与皮秒激光基频光分离开。
相邻两个透镜4(第一个透镜4和第二个透镜4)的间距为80mm，相邻两个非线性晶体模块3的间距为80mm；第一个非线性晶体模块3中心与第一个透镜4的距离为40mm；第二个非线性晶体模块3中心与第一个透镜4的距离为40mm，与第二个透镜4的距离为40mm；第三个非线性晶体模块3中心与第二个透镜4的距离为40mm。
皮秒基频激光通过整形模块2聚焦到第一个非线性晶体模块3的中心，并产生1.7μm波长的皮秒脉冲光学参量变频激光，然后，皮秒基频激光和皮秒脉冲光学参量变频激光保持同步传播，皮秒基频激光和皮秒脉冲光学参量变频激光通过第一个透镜4后聚焦到第二个非线性晶体模块3的中心，1.7μm皮秒脉冲光学参量变频激光在1064nm皮秒基频激光的泵浦下得到放大，1.7μm皮秒脉冲光学参量变频激光每经过一次非线性晶体模块3的中心都会在1064nm皮秒基频激光的泵浦下得到放大，经过多次放大后的1.7μm皮秒脉冲光学参量变频激光和1064nm皮秒基频激光最终被第一分光镜5分隔开(皮秒脉冲光学参量变频激光被第一分光镜5反射，皮秒基频激光透过第一分光镜5)，输出的1.7μm皮秒脉冲光学参量变频激光具有和1064nm皮秒基频激光相同的脉冲重复频率10kHz，以及和1064nm皮秒基频激光相同量级的脉冲宽度(皮秒量级)。
如图3所示，第二个具体的实施例中，与第一个具体的实施例不同的是，皮秒基频激光模块1出射的皮秒基频激光依次通过整形模块2、第一个非线性晶体模块3、第一个透镜4、第二个非线性晶体模块3、第二个透镜4、第三个非线性晶体模块3、第三个非线性晶体模块3、第三个透镜4、第四个非线性晶体模块3和第一分光镜5。
皮秒基频激光模块1为被动Q微片激光器，经过MOPA(Master Oscillator Power-Amplifier，主控振荡器的功率放大器，位于皮秒基频激光模块1上)放大后的皮秒基频激光，其脉冲重复频率为20kHz，单脉冲能量为200μJ，脉宽为400ps，波长为1064nm。
第一个非线性晶体模块3、第二个非线性晶体模块3、第三个非线性晶体模块3和第四个非线性晶体模块3均包括相同尺寸切割角和相同增透膜的单个KTA晶体，KTA晶体放置在可调节转动装置内。KTA晶体的尺寸为5mm×5mm×30mm，切割角为θ＝90°,φ＝0°，两面通光口的尺寸为5mm×5mm，通过镀有增透膜，使KTA晶体对1.064μm波长的激光透过率大于98％，1.5μm波长的激光透过率大于98％，3.5μm波长的激光透过率大于98％。
第一个透镜4、第二个透镜4和第三个透镜4的焦距为100mm，通过在所有透镜4的两面镀有增透膜实现1.064μm波长，1.4-1.7μm波段，2.7-4.3μm波段增透。
第一分光镜5通过镀有增透膜实现对1.5μm波长参量光反射率大于90％，对1064nm波长皮秒激光基频光透射率大于95％，从而使皮秒脉冲光学参量变频激光与皮秒激光基频光分离开。
相邻两个透镜4的间距为60mm，相邻两个非线性晶体模块3的间距为60mm；第一个非线性晶体模块3中心与第一个透镜4的距离为30mm；第二个非线性晶体模块3中心与第一个透镜4的距离为30mm，与第二个透镜4的距离为30mm；第三个非线性晶体模块3中心与第二个透镜4的距离为30mm，与第三个透镜4的距离为30mm；第四个非线性晶体模块3与第三个透镜4的距离为30mm。
皮秒基频激光通过整形模块2聚焦到第一个非线性晶体模块3的中心，产生了1.5μm波长的皮秒脉冲光学参量变频激光，然后，皮秒基频激光和皮秒脉冲光学参量变频激光保持同步传播，皮秒基频激光和皮秒脉冲光学参量变频激光通过第一个透镜4聚焦到第二个非线性晶体模块3的中心，1.5μm皮秒脉冲光学参量变频激光在1064nm皮秒基频激光的泵浦下得到放大，最终，经过多次放大后的1.5μm皮秒脉冲光学参量变频激光和1064nm皮秒基频激光被第一分光镜5分隔开。输出的1.5μm皮秒脉冲光学参量变频激光具有和1064nm皮秒基频激光相同的脉冲重复频率20kHz，以及和1064nm皮秒基频激光相同量级的脉冲宽度(皮秒量级)。
如图4所示，第三个具体的实施例中，与前两个具体的实施例不同的是，皮秒基频激光模块1出射的皮秒基频激光依次通过整形模块2、光隔离器6、第二分光镜8、第一个非线性晶体模块3、透镜4和第二个非线性晶体模块3，通过反射镜7的反射，将皮秒基频激光传播方向调整180°后，皮秒基频激光沿原路返回，即通过第二个非线性晶体模块3、透镜4、第一个非线性晶体模块3、第二分光镜8和光隔离器6。
皮秒基频激光模块1为半导体皮秒激光器，经过MOPA放大后的皮秒基频激光，脉冲重复频率为5kHz，单脉冲能量为20μJ，脉宽为30ps，波长为1064nm。
第一个非线性晶体模块3、第二个非线性晶体模块3均包括单个的KTA晶体，两个KTA晶体具有相同尺寸切割角和镀膜，KTA晶体的尺寸为5mm×5mm×30mm，切割角为θ＝90°,φ＝0°，两面通光口的尺寸为5mm×5mm。KTA晶体通过镀有增透膜实现1.064μm波长激光透过率大于98％，1.5μm波长激光透过率大于98％，3.5μm波长激光透过率大于98％；KTA晶体均放置在可调节转动装置内。
透镜4焦距为400mm，通过在两面镀有增透膜实现1.064μm波长，1.4-1.7μm波段，2.7-4.3μm波段增透。
反射镜7的基片为曲率半径为800mm的石英，通过镀有增透膜实现对1.5μm波长皮秒脉冲光学参量变频激光，对1064nm皮秒脉冲光学参量变频激光的反射率大于95％，对3.5μm波长皮秒脉冲光学参量变频激光的透射率大于90％。
第二分光镜8通过镀增透膜实现对1.5μm波长参量光反射率大于95％，对1064nm波长皮秒激光基频光透射率大于95％，从而使皮秒脉冲光学参量变频激光与皮秒激光基频光分离开；
光隔离器6，将反向的1064nm波长皮秒激光基频光与正向的1064nm波长皮秒激光基频光区别开。
第一个透镜4和反射镜7间距为60mm，非线性晶体模块3间距为60mm，第一个非线性晶体模块3中心距第一个透镜4距离30mm，第二个非线性晶体模块3中心距第一个透镜4距离30mm，距反射镜7距离30mm。
皮秒基频激光通过整形模块2聚焦到第一个非线性晶体模块3的中心，产生1.5μm波长的皮秒脉冲光学参量变频激光。然后，皮秒基频激光和皮秒脉冲光学参量变频激光保持同步传播，通过第二个非线性晶体模块3的中心后，1.5μm皮秒脉冲光学参量变频激光在1064nm皮秒基频激光的泵浦下得到放大；皮秒基频激光和皮秒脉冲光学参量变频激光经反射镜7反射，聚焦到第二个非线性晶体模块3的中心，1.5μm皮秒脉冲光学参量变频激光在1064nm皮秒基频激光的泵浦下得到再次放大，然后，皮秒基频激光和皮秒脉冲光学参量变频激光通过透镜4，聚焦到第一个非线性晶体模块3的中心，1.5μm皮秒脉冲光学参量变频激光在1064nm皮秒基频激光的泵浦下得到放大。最终，经过放大后的1.5μm皮秒脉冲光学参量变频激光和1064nm皮秒基频激光被第二分光镜8分隔开。输出的1.5μm皮秒脉冲光学参量变频激光，具有和1064nm皮秒基频激光相同的脉冲重复频率10kHz，具有和1064nm皮秒基频激光相同量级的脉冲宽度(皮秒量级)。
如图5所示，第四个具体的实施例中，与前三个具体实施不同的是，皮秒基频激光模块1出射的皮秒基频激光依次通过整形模块2、第一个非线性晶体模块3、第一个透镜4、第二个非线性晶体模块3、反射镜7、第二个透镜4、第三个非线性晶体模块3、第四透镜4、第五非线性晶体模块3和第一分光镜5。反射镜7将第二个非线性晶体模块3出射的皮秒基频激光和皮秒脉冲光学参量变频激光反射90°后射入第二个透镜4。所有非线性晶体模块3通过温度控制器9控制温度，例如，可以使每个非线性晶体模块3具有相同的温度。温度控制器9可以为温控炉，所有的非线性晶体模块3均位于温控炉内。
皮秒基频激光模块1为增益开关Yb：YAG光纤皮秒激光器，经过MOPA放大后的皮秒基频激光，脉冲重复频率1MHz，单脉冲能量10μJ，脉宽150ps，波长1035nm。
第一个非线性晶体模块3、第二个非线性晶体模块3、第三个非线性晶体模块3和第四个非线性晶体模块3为氧化镁掺杂的周期极化铌酸锂MgO：PPLN晶体。MgO:PPLN晶体的尺寸为1mm×10mm×10mm，通过镀有增透膜实现1.035μm波长激光透过率大于98％，2.0μm波长激光通过率大于98％，2.1μm波长激光透过率大于98％。MgO：PPLN晶体均放置在温控炉，并由温度控制器9件控制每个晶体的温度。
第一个透镜4、第二个透镜4、第三个透镜4的焦距为200mm，通过在两面镀有增透膜实现1.035μm波长，1.9-2.2μm波段增透。
第一分光镜5通过镀有增透膜实现对2.0μm波长参量光反射率大于90％，对1035nm波长皮秒激光基频光透射率大于95％，从而使皮秒脉冲光学参量变频激光与皮秒激光基频光分离开。
第一个透镜4和第二个透镜4之间的距离为40mm，相邻两个非线性晶体模块3的距离为40mm，第一个非线性晶体模块3中心与第一个透镜4的距离为20mm，第二个非线性晶体模块3中心与第一个透镜4的距离为20mm，第二个非线性晶体模块3与第二个透镜4的距离为20mm，第三个非线性晶体模块3中心与第二个透镜4的距离为20mm，第三个非线性晶体模块3中心与第三透镜4的距离为20mm，第四个非线性晶体模块3中心与第四透镜4的距离为20mm。
皮秒基频激光通过整形模块2聚焦到第一个非线性晶体模块3的中心，产生2.0μm波长的皮秒脉冲光学参量变频激光。然后，皮秒基频激光和皮秒脉冲光学参量变频激光依次通过第二个非线性晶体模块3的中心，第三个非线性晶体模块3的中心和第四个非线性晶体模块3的中心，2.0μm皮秒脉冲光学参量变频激光在1035nm皮秒基频激光的泵浦下依次得到放大。最终，经过放大后的2.0μm皮秒脉冲光学参量变频激光和1035nm皮秒基频激光被第一分光镜5分隔开。输出的2.0μm皮秒脉冲光学参量变频激光，具有和1035nm皮秒基频激光相同的脉冲重复频率1MHz，具有和1035nm皮秒基频激光相同量级的脉冲宽度(皮秒量级)。
本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
本发明通过透镜4与非线性晶体模块的配合使皮秒基频脉冲激光的束腰重复地出现，实现了皮秒脉冲光学参量变频激光输出，摆脱了传统皮秒同步泵浦光参量振荡器中腔长和重复频率严格匹配的问题；另外，通过本申请的技术方案，去除了皮秒基频激光模块1的重复频率的大小和重复频率的稳定性的要求，以适用于任意重复频率的皮秒基频激光模块1。
以上参照本发明的实施例对本发明予以了说明。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求及其等价物限定。不脱离本发明的范围，本领域技术人员可以做出多种替换和修改，这些替换和修改都应落在本发明的范围之内。

Claims (10)

1.一种皮秒脉冲光学参量变频激光输出装置，其特征在于，包括：
皮秒基频激光模块(1)，其出射的皮秒基频激光依次通过整形模块(2)和至少两个非线性晶体模块(3)后形成皮秒脉冲光学参量变频激光，所述皮秒脉冲光学参量变频激光通过输出模块输出；其中，
所述整形模块(2)用于调整射入其内的皮秒基频激光，使得从所述整形模块(2)出射的皮秒基频激光射入至少两个非线性晶体模块(3)的第一个非线性晶体模块(3)中；
所述第一个所述非线性晶体模块(3)的中心与从所述整形模块(2)出射的所述皮秒基频激光的束腰的中心共线；
相邻的两个所述非线性晶体模块(3)之间设置有透镜(4)，所述透镜(4)用于调整射入其内的皮秒基频激光和皮秒脉冲光学参量变频激光使从所述透镜(4)出射的皮秒基频激光和皮秒脉冲光学参量变频激光射入后一个所述非线性晶体模块(3)内，后一个所述非线性晶体模块(3)与从所述透镜(4)出射的所述皮秒基频激光和皮秒脉冲光学参量变频激光的束腰的中心共线。
2.根据权利要求1所述的皮秒脉冲光学参量变频激光输出装置，其特征在于，
所述整形模块(2)出射的皮秒基频激光的束腰光斑半径大小为N；
所述透镜(4)出射的皮秒基频激光的束腰光斑半径大小为M；其中，
|M-N|/N≤30％。
3.根据权利要求1所述的皮秒脉冲光学参量变频激光输出装置，其特征在于，
第一个所述非线性晶体模块(3)的中心与第二个所述非线性晶体模块(3)的中心距离为X；
其余相邻两个所述非线性晶体模块(3)的中心距离为Y；其中，
|X-Y|/X≤30％。
4.根据权利要求1所述的皮秒脉冲光学参量变频激光输出装置，其特征在于，
所述非线性晶体模块(3)包括一个非线性晶体；
从所述整形模块(2)出射的所述皮秒基频激光的束腰射入至所述非线性晶体的中心点处；或者，
所述非线性晶体模块(3)包括多个非线性晶体，多个所述非线性晶体沿垂直于非线性晶体的排列方向上对称设置；
从所述整形模块(2)出射的所述皮秒基频激光的束腰位于多个所述非线性晶体的在沿垂直于非线性晶体的排列方向上的对称轴上。
5.根据权利要求1所述的皮秒脉冲光学参量变频激光输出装置，其特征在于，所述输出模块包括：
第一分光镜(5)，用于反射从所述至少两个非线性晶体模块(3)中最后一个非线性晶体模块(3)出射的皮秒脉冲光学参量光，实现皮秒脉冲光学参量光的输出。
6.根据权利要求5所述的皮秒脉冲光学参量变频激光输出装置，其特征在于，
所述第一分光镜(5)且对皮秒脉冲光学参量光的反射率大于50％。
7.根据权利要求1所述的皮秒脉冲光学参量变频激光输出装置，其特征在于，还包括：
光隔离器(6)，设置在所述整形模块(2)与所述第一个非线性晶体模块(3)之间，使从所述整形模块(2)出射，并射入其内的皮秒基频激光通过；
反射镜(7)，用于反射从所述至少两个非线性晶体模块(3)中最后一个非线性晶体模块(3)出射的皮秒基频激光和皮秒脉冲光学参量光，使反射后的所述皮秒基频激光和所述皮秒脉冲光学参量光射入所述最后一个非线性晶体模块(3)，并依次通过所述至少两个非线性晶体模块(3)后，从所述第一个非线性晶体模块(3)出射；
第二分光镜(8)，设置在所述第一个非线性晶体模块(3)与所述光隔离器(6)之间，用于反射从所述第一个非线性晶体模块(3)出射的皮秒脉冲光学参量光，实现皮秒脉冲光学参量光的输出。
8.根据权利要求1所述的皮秒脉冲光学参量变频激光输出装置，其特征在于，
第一个所述非线性晶体模块(3)的中心与第二个所述非线性晶体模块(3)的中心距离为10mm-200mm。
9.根据权利要求1-8任一项所述的皮秒脉冲光学参量变频激光输出装置，其特征在于，
所有所述非线性晶体模块(3)和所述透镜(4)上均镀有对皮秒基频激光和皮秒脉冲光学参量变频激光的增透膜。
10.根据权利要求9所述的皮秒脉冲光学参量变频激光输出装置，其特征在于，所述非线性晶体模块(3)包括非线性晶体；
所述非线性晶体为KTiOPO4、RbTiOAsO4、KTiOAsO4、LiNbO3、LiInS2、LiGaSe2、BaGa4S7、BaGa4Se7、BBO、PPLN、SiC和LBO中的一种。
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