CN112993729A - 一种中波光参量振荡器低量子亏损1.6μm高峰值功率泵浦源 - Google Patents

一种中波光参量振荡器低量子亏损1.6μm高峰值功率泵浦源 Download PDF

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Abstract

本公开公开了一种中波光参量振荡器低量子亏损1.6μm高峰值功率泵浦源，所述泵浦源包括：抽运源、第一全反镜、OPO晶体、第一输出镜、二分之一波片、偏振片、第二全反镜、Er介质和第二输出镜，其中：所述抽运源、第一全反镜、OPO晶体、第一输出镜、二分之一波片、偏振片、第二全反镜、Er介质和第二输出镜依次光学同轴排列；所述抽运源用于产生1064nm高峰值纳秒激光；所述第一全反镜、OPO晶体和第一输出镜组成用于基于所述1064nm高峰值纳秒激光产生1.5μm高峰值纳秒激光的光参量振荡器谐振腔；所述二分之一波片和偏振片组成1.5um高峰值纳秒激光功率调节模块，通过二分之一波片旋转调节控制透过偏振片的光功率大小；第二全反镜、Er介质和第二输出镜组成Er：YAG泵浦源谐振腔。

Description

一种中波光参量振荡器低量子亏损1.6μm高峰值功率泵浦源
技术领域
本公开涉及激光器领域，尤其涉及一种中波光参量振荡器低量子亏损1.6μm高峰值功率泵浦源。
背景技术
中波光参量振荡器在光谱分析、激光雷达、光电对抗等领域有着巨大的研究价值，1.06μm和1.6μm均可作为中波光参量振荡器的泵浦源，但由于传统的1.06μm泵浦的光参量振荡器需要将1.06μm非线性频率变换为3-5μm的中红外激光，量子亏损相较于1.6μm的量子亏损较大，所以1.6μm更适合作为中波光参量振荡器的理想泵浦源。目前利用泵浦Er:YAG晶体获得1.6μm激光的方式有两种：一种是利用1532nm光纤激光器泵浦Er:YAG最终获得1.6μm激光；另一种是采用1470nmLD作为泵浦源泵浦Er:YAG最终获得1.6μm激光，这两种方式都是基于Er介质晶体中Er3+离子在能级4I13/2和4I15/2之间跃迁产生的。如图1所示，Er介质晶体处于激光上能级4I13/2的两个Er3+离子相互之间进行能量传递，其中一个Er3+离子将能量转换至另一个Er3+离子，得到能量的离子跃迁到更高的能级4I9/2，失去能量的粒子跃迁回到基态4I15/2，由能量上转换效应产生的4I9/2能级通过无辐射弛豫产生了4I11/2能级，当Er离子掺杂浓度较低时，4I11/2→4I13/2能级之间同样产生无辐射弛豫。因此，能量上转换效应影响了激光上能级4I13/2粒子数密度，抑制了激光上能级反转粒子的进一步积累。
发明内容
为了解决上述现有技术中存在的技术问题，本公开提出一种中波光参量振荡器低量子亏损1.6μm高峰值功率泵浦源。
本公开提出的一种中波光参量振荡器低量子亏损1.6μm高峰值功率泵浦源包括：
抽运源、第一全反镜、OPO晶体、第一输出镜、二分之一波片、偏振片、第二全反镜、Er介质和第二输出镜，其中：
所述抽运源、第一全反镜、OPO晶体、第一输出镜、二分之一波片、偏振片、第二全反镜、Er介质和第二输出镜依次光学同轴排列；
所述抽运源用于产生1064nm高峰值纳秒激光；
所述第一全反镜、OPO晶体和第一输出镜组成用于基于所述1064nm高峰值纳秒激光产生1.5μm高峰值纳秒激光的光参量振荡器谐振腔；
所述二分之一波片和偏振片组成1.5um高峰值纳秒激光功率调节模块，通过二分之一波片旋转调节控制透过偏振片的光功率大小；
所述第二全反镜、Er介质和第二输出镜组成Er：YAG泵浦源谐振腔。
可选地，所述抽运源为高峰值纳秒1064nm抽运源。
可选地，所述第一全反镜是一个具有强增益激光部分透过和弱增益激光高反特性镜片。
可选地，所述OPO晶体为可以进行非线性周期极化介质。
可选地，所述第一输出镜具有强增益激光部分透过的特点。
可选地，所述二分之一波片为偏振器件，由单轴晶体制成。
可选地，所述偏振片表面镀有P光高透膜和S光高反膜，以与光轴呈布儒斯特角或者45度角放置。
可选地，所述第二全反镜具有强谱线激光部分透过和弱谱线激光高反特性。
可选地，所述Er介质为Er：YAG晶体。
可选地，所述第二输出镜具有强增益激光部分透过的特点。
本公开根据Er介质的特点，利用短抽运高能1.5μm激光抽运Er：YAG介质，在反转粒子未发生明显的上转换作用之前，使增益介质短时间内积累大量反转粒子，达到激光增益提高的效果，实现Er：YAG泵浦源的高峰值功率输出。本公开基于纳秒的高峰值功率1.5μm激光，共振抽运Er介质，极大的减轻了常规连续或脉冲(ms)抽运Er:YAG晶体的能量上转换效应，进而实现激光增益的提高，最终实现1.6μm激光输出。本公开利用非线性频率变换获得1.5μm激光，共振抽运Er介质最终实现高峰值1.6μm激光输出。在实现方式上，与现有技术相比，非线性频率变换不受晶体材料(非线性晶体KTP/PPLN/KTA晶体制造工艺成熟)、能量上转换效应、热效应等因素影响，不受材料的制约。
附图说明
图1是根据本公开一实施例的Er介质晶体激光能级间能量转换示意图。
图2是根据本公开一实施例的中波光参量振荡器低量子亏损1.6μm高峰值功率泵浦源的结构示意图。
具体实施方式
下文中，将参考附图详细描述本公开实施例的示例性实施方式，以使本领域技术人员可容易地实现它们。此外，为了清楚起见，在附图中省略了与描述示例性实施方式无关的部分。
在本公开实施例中，应理解，诸如“包括”或“具有”等的术语旨在指示本说明书中所公开的特征、数字、步骤、行为、部件、部分或其组合的存在，并且不欲排除一个或多个其他特征、数字、步骤、行为、部件、部分或其组合存在或被添加的可能性。
另外还需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本公开实施例。
图1是根据本公开一实施例的Er介质晶体激光能级间能量转换示意图，图2是根据本公开一实施例的中波光参量振荡器低量子亏损1.6μm高峰值功率泵浦源的结构示意图，如图1和图2所示，所述泵浦源包括：抽运源1、第一全反镜2、OPO晶体3、第一输出镜4、二分之一波片5、偏振片6、第二全反镜7、Er介质8和第二输出镜9，其中：
所述抽运源1、第一全反镜2、OPO晶体3、第一输出镜4、二分之一波片5、偏振片6、第二全反镜7、Er介质8和第二输出镜9依次光学同轴排列；
所述抽运源1用于产生1064nm高峰值纳秒激光；
所述第一全反镜2、OPO晶体3和第一输出镜4组成用于基于所述1064nm高峰值纳秒激光产生1.5μm高峰值纳秒激光的光参量振荡器谐振腔；
所述二分之一波片5和偏振片6组成1.5um高峰值纳秒激光功率调节模块，通过二分之一波片5旋转调节控制透过偏振片6的光功率大小；
所述第二全反镜7、Er介质8和第二输出镜9组成Er：YAG抽运源谐振腔。
基于上述技术方案，所述抽运源1产生的1064nm高峰值纳秒激光首先进入到由所述光参量振荡器谐振腔中，此时会产生一个1.5μm的信号光和一个3.3μm的闲频光。利用谐振腔的反馈放大作用，1.5μm的高峰值纳秒激光由所述光参量振荡器谐振腔输出，3.3μm的闲频光在所述光参量振荡器谐振腔往返过程中被OPO晶体3吸收掉。所述1.5μm的高峰值纳秒激光再经过所述功率调节模块后，进入所述Er：YAG泵浦源谐振腔中快速抽运Er介质8，实现发展粒子的快速积累。由于抽运光持续时间为纳米量级，甚至远远小于晶体的荧光寿命，因此可以消除上转化效应对反转粒子的影响，实现Er介质8的高增益，最后等待Er介质8自发辐射出的光子迅速放大，实现高峰值1.6μm激光的输出。
在本公开一实施方式中，所述抽运源1为高峰值纳秒1064nm抽运源，该抽运源可以是高峰值高重频的1064nm端面抽运的抽运源，高峰值高重频的1064nm侧面抽运的抽运源和高峰值的大能量1064nm抽运源，以通过抽运光抽运钕介质以及利用调Q技术获得高峰值的纳秒1064nm激光。另一方面，所述抽运源1为直接输出的半导体抽运源，其输出的抽运光从光束截面上分解出来两个方向的抽运光，波长对应于所述OPO晶体3的吸收峰。
在本公开一实施方式中，所述第一全反镜2是一个具有强增益激光部分透过和弱增益激光高反特性镜片，所镀膜系为HT@1532nm、HR@1064nm。所述第一全反镜2可以为平面镜也可以为凹面镜或者凸面镜，朝向所述OPO晶体3的一侧镀有激光高反膜。当所述OPO晶体3热效应很小时，比如小于第一预设阈值时，经过所述OPO晶体3的光近似为平行光，所述第一全反镜2可选为平面镜，朝向所述OPO晶体3的一侧镀有激光高反膜；当所述OPO晶体3热效应明显时，比如大于第二预设阈值时，为了实现更好的效果，为使所述第一全反镜2的入射光线和反射光线重合，所述第一全反镜2可选为凹面镜或者凸面镜，其凹面或凸面朝向OPO晶体3，且朝向所述OPO晶体3的一侧镀有激光高反膜，其中，所述第一全反镜2凹面或凸面的选择由所述第一全反镜2与所述OPO晶体3之间的距离而定，比如当所述OPO晶体3产生正热透镜效应时，线偏振光经所述OPO晶体3产生的放大激光会发生汇聚，此时，当所述第一全反镜2与所述OPO晶体3之间的距离小于OPO晶体3的热焦距时，所述第一全反镜2应选为凸面镜；当所述第一全反镜2与所述OPO晶体3之间的距离大于OPO晶体3的热焦距时，所述第一全反镜2应选为凹面镜。
在本公开一实施方式中，所述OPO晶体3为可以进行非线性周期极化介质，如KTP晶体、LINbO3非线性晶体、PPLN晶体等，这类晶体具有非线性系数大、吸收损耗小、光学质量好等特性，可利用非线性光参量产生1532nm波长激光，所述OPO晶体3的端面镀有1532nm和1064nm的増透膜。
在本公开一实施方式中，所述第一输出镜4膜系是高反1064nm、高透1532nm膜，即HR@1064nm、HT@1532nm，具有强增益激光部分透过的特点，用于1532nm激光的耦合输出。所述第一输出镜4可以反射抽运辐射，使其二次通过OPO晶体3，降低OPO晶体3中的阈值，并使辐射在OPO晶体3中的前向和后向的两个光程上都产生信号增益。
在本公开一实施方式中，所述二分之一波片5是一种偏振器件，通常由单轴晶体制成，其通光面平行于所述OPO晶体3的光轴，通光方向垂直于所述OPO晶体3的光轴，当激光入射到所述二分之一波片5表面时，可投影获得平行于光轴和垂直于光轴两个偏振方向上的激光，这两束光对应的折射率不同，在通光方向上传输时，两光束产生相位差。当晶体的厚度达到一定厚度时，两束光产生的相位差为π，这种波片为半波片，此时偏振激光从所述二分之一波片5透射后，偏振状态不发生改变，仍为线偏振光，但偏振方向发生改变，透射后的偏振方向与入射偏振方向以光轴对称。
在本公开一实施方式中，所述偏振片6表面镀有P光高透膜和S光高反膜，以与光轴呈布儒斯特角或者45度角放置，种子激光通过所述偏振片6后，只能以P偏振光进入所述第二全反镜7。所述偏振片6可以是布儒斯特片，也可是格兰棱镜甚至是PBS分光棱镜，当为格兰棱镜或者PBS分光棱镜时，其同光面需要镀高透膜。
在本公开一实施方式中，所述第二全反镜7是一个具有强谱线激光部分透过和弱谱线激光高反特性的镜片，其所镀膜系为HT@1532nm、HR@1645nm。所述第二全反镜7可以为平面镜也可以为凹面镜或者凸面镜，朝向所述Er介质8的一侧镀有激光高反膜，当所述Er介质8热效应很小时，比如小于第一预设阈值时，经过所述Er介质8的光近似为平行光，所述第二全反镜7可选为平面镜，朝向所述Er介质8的一侧镀有激光高反膜；当所述Er介质8热效应明显时，比如大于第二预设阈值时，为了实现更好的效果，为使所述第二全反镜7的入射光线和反射光线重合，所述第二全反镜7可选为凹面镜或者凸面镜，其凹面或凸面朝向Er介质8，且朝向所述Er介质8的一侧镀有激光高反膜，其中，所述第二全反镜7凹面或凸面的选择由所述第二全反镜7与所述Er介质8之间的距离而定，比如当所Er介质8产生正热透镜效应时，线偏振光经所述Er介质8产生的放大激光会发生汇聚，此时，当所述第二全反镜7与所述Er介质8之间的距离小于Er介质8的热焦距时，所述第二全反镜7可选为凸面镜；当所述第二全反镜7与所述Er介质8之间的距离大于Er介质8的热焦距时，所述第二全反镜7可选为凹面镜。
在本公开一实施方式中，所述Er介质8可以是Er：YAG晶体，比如低掺杂(0.1％-1％)Er：YAG晶体、Er：YAlO3晶体、Er：YLF晶体等，这类晶体输出谱线为1.6μm或者在2.71μm-2.92μm之间，他们具有改善输出激光性能的潜力。所述Er介质8入射端面具有1532nm抽运光增透膜，出射端面具有1645nm波段增透膜。
在本公开一实施方式中，所述第二输出镜9具有强增益激光部分透过的特点，用于1645nm激光的耦合输出，其所镀膜系为HR@1532nm、HT@1645nm。所述第二输出镜9靠近Er介质8那一面镀高反1532nm膜，它可以反射1532nm抽运辐射，使其二次通过Er介质8，降低Er介质8中的阈值，并使辐射在Er介质8中的前向和后向的两个光程上都产生信号增益，最终输出高峰值1.6μm激光。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种中波光参量振荡器低量子亏损1.6μm高峰值功率泵浦源，其特征在于，所述泵浦源包括：
抽运源、第一全反镜、OPO晶体、第一输出镜、二分之一波片、偏振片、第二全反镜、Er介质和第二输出镜，其中：
所述抽运源、第一全反镜、OPO晶体、第一输出镜、二分之一波片、偏振片、第二全反镜、Er介质和第二输出镜依次光学同轴排列；
所述抽运源用于产生1064nm高峰值纳秒激光；
所述第一全反镜、OPO晶体和第一输出镜组成用于基于所述1064nm高峰值纳秒激光产生1.5μm高峰值纳秒激光的光参量振荡器谐振腔；
所述二分之一波片和偏振片组成1.5um高峰值纳秒激光功率调节模块，通过二分之一波片旋转调节控制透过偏振片的光功率大小；
所述第二全反镜、Er介质和第二输出镜组成Er：YAG泵浦源谐振腔。
2.根据权利要求1所述的泵浦源，其特征在于，所述抽运源为高峰值纳秒1064nm抽运源。
3.根据权利要求1或2所述的泵浦源，其特征在于，所述第一全反镜是一个具有强增益激光部分透过和弱增益激光高反特性镜片。
4.根据权利要求1-3任一所述的泵浦源，其特征在于，所述OPO晶体为可以进行非线性周期极化介质。
5.根据权利要求1-4任一所述的泵浦源，其特征在于，所述第一输出镜具有强增益激光部分透过的特点。
6.根据权利要求1-5任一所述的泵浦源，其特征在于，所述二分之一波片为偏振器件，由单轴晶体制成。
7.根据权利要求1-6任一所述的泵浦源，其特征在于，所述偏振片表面镀有P光高透膜和S光高反膜，以与光轴呈布儒斯特角或者45度角放置。
8.根据权利要求1-7任一所述的泵浦源，其特征在于，所述第二全反镜具有强谱线激光部分透过和弱谱线激光高反特性。
9.根据权利要求1-8任一所述的泵浦源，其特征在于，所述Er介质为Er：YAG晶体。
10.根据权利要求1-9任一所述的泵浦源，其特征在于，所述第二输出镜具有强增益激光部分透过的特点。
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