CN113285341A

CN113285341A - 一种基于硒镓钡晶体的窄线宽中远红外激光器

Info

Publication number: CN113285341A
Application number: CN202110382177.2A
Authority: CN
Inventors: 卞进田; 孔辉; 孙晓泉; 叶庆; 徐海萍; 李欣
Original assignee: National University of Defense Technology
Current assignee: National University of Defense Technology
Priority date: 2021-04-09
Filing date: 2021-04-09
Publication date: 2021-08-20

Abstract

本发明提出了一种使用硒镓钡晶体的窄线宽中远红外激光器包括：作为泵浦源的激光器、激光整形模块、含非线性晶体的光参量振荡器和选频模块，泵浦源激光器的激光经过激光整形模块整形后注入非线性晶体光参量振荡器，在光参量振荡器内变换为信号光和闲频光，光参量振荡器中的信号光由选频模块选频并压缩它的谱线宽度，信号光谱线的压缩使得输出的闲频光的谱线也被压缩；所述的光参量振荡器使用L型光路结构，包括第一腔镜，第二腔镜,非线性晶体和折转反射镜，构成光参量振荡器的光谐振腔；非线性晶体使用硒镓钡晶体；光参量振荡器的闲频光输出侧放置选频模块。

Description

一种基于硒镓钡晶体的窄线宽中远红外激光器

技术领域

本发明属固体激光制造技术领域，涉及一种基于硒镓钡晶体的窄线宽中远红外激光器。

背景技术

《红外与激光工程》2020年第6期“BaGa4Se7 与 KTiOAsO4 光参量振荡产生中红外激光性能对比”提供了一种基于硒镓钡晶体的窄线宽中远红外激光器。指出硒镓钡BaGa4Se7(BGSe) 晶体是我国自主知识产权的一种新型红外非线性晶体，透光波段为 0.47−18 μm，熔点 969 ℃。它的非线性系数是 AgGaS2 的 2~3 倍，损伤阈值是AgGaS2 的 3.7 倍，可利用 1.06 μm 及以上波长激光泵浦，通过 OPA、OPO、DFG 等激光变频技术可输出3~18 μm 中长波红外激光。BGSe OPO 除可输出 3~5 μm 波段激光以外，在8~12 μm 也有着重要的应用潜力，转换效率很高，可输出高光束质量、大能量的激光用于光参量振荡器（OPO）可将输入的近红外激光转换为可调谐的中远红外激光，再通过在OPO中注入种子光、插入波长选择元件（光栅、Fabry-Parot标准具）等技术可以大幅压窄输出激光的线宽。

光参量振荡器（OPO）一般由镀膜腔镜和非线性晶体两部分组成，本发明使用硒镓钡（BaGa4Se7，简称BGSe）晶体作为OPO中的非线性晶体，通过在OPO中插入FP标准具的方法来实现输出激光的线宽压窄。并通过改变BGSe的角度来实现输出波长的粗调，通过改变BGSe的温度来实现输出波长细调。再根据输出波长的具体数值给出FP标准具的厚度、反射率、平整度以及FP标准具在光路中的倾斜角度等重要参数。

从市场上现有的光参量振荡器来看，利用砷酸氧钛钾（KTiOAsO4，简称KTA）晶体作为OPO中的非线性晶体，输出窄线宽中红外激光，这种技术与我们所提出的技术方案最为相近。

KTA OPO是实现窄线宽中红外激光输出的最重要手段，1.06μm激光通过小孔光阑和望远镜系统进行光参量振荡器，小孔D用于调整光路，望远镜系统T用于将压缩泵浦光光斑半径，以提高泵浦能量密度。OPO腔中，M1镜对1.06μm的泵浦光高透，对1.3-1.6μm的信号光高反；M2镜对1.06μm的泵浦光高透，对1.3-1.6μm的信号光高反，对3-5μm的闲频光高透。

当1.06μm的泵浦光通过KTA时，产生一个信号光位于1.3-1.6μm波段，同时产生一个闲频光位于3-5μm的中红外波段，信号光在M1和M2之间振荡增强，闲频光也同时得到放大增强并通过M2镜输出OPO。

F为滤光片，对泵浦光和信号光高反，对闲频光高透。G为锗片，对泵浦光和信号光全部吸收，对闲频光透过率约为60%。DEC为中红外探测器。

KTA OPO可直接输出窄线宽中红外激光，输出线宽约为2.5nm（中心波长3.5μm）。

现有技术的存在以下弱点

（1）KTA的透光范围为 0.35~5.3μm，只能输出中红外激光、不能输出远红外激光[1]。

（2）KTA输出波长随温度变化的斜率为0.077nm/℃，温度变化对输出波长的影响很小，很难通过改变温度得到大范围的波长调谐。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出了一种使用硒镓钡晶体的窄线宽中远红外激光器，所述的窄线宽中远红外激光器包括：作为泵浦源的激光器、激光整形模块、含非线性晶体的光参量振荡器和选频模块泵浦源激光器的激光经过激光整形模块整形后注入非线性晶体光参量振荡器，由光参量振荡器内变换为信号光和闲频光，选频模块压缩了光参量振荡器中的信号光谱线宽度，信号光谱线宽度的压缩导致光参量振荡器输出的闲频光的谱线宽度也被压缩；所述的光参量振荡器使用L型光路结构，包括第一腔镜，第二腔镜, 非线性晶体和折转反射镜，光参量振荡器中的非线性晶体使用硒镓钡晶体；其中第一腔镜位于非线性晶体的一侧，并且和非线性晶体同在光参量振荡器的光传输轴线上，第一腔镜和非线性晶体同光轴；第二腔镜位于光参量振荡器的光传输轴线之外，且第二腔镜的光轴和光参量振荡器的光传输轴线成规定夹角，折转反射镜和非线性晶体同在光参量振荡器的光传输轴线上，位于非线性晶体的另一侧，提供第一腔镜和第二腔镜之间的信号光和闲频光偏转，使得第一腔镜和第二腔镜构成信号光和闲频光的光谐振腔。

进一步的，光参量振荡器的输出侧放置泵浦光的滤光片和鍺片，其中滤光片对1064nm泵浦光是高反射镜，对闲频光是高透射率透镜；Ge片进一步滤除泵浦光。

进一步的，所述的激光整形模块包括位于泵浦源的激光器一侧，对泵浦光限束的小孔光阑，位于小孔光阑之后的望远镜式光束整形器。

进一步的，所述的泵浦源的激光器是Nd:YAG脉冲激光器。

进一步的，所述的第一腔镜位于非线性晶体的朝向泵浦源的激光器一侧，折转反射镜位于非线性晶体的另一侧，折转反射镜的法线和光参量振荡器的光传输轴线成预定的夹角，使得信号光被反射到第二腔镜上，或者使第二腔镜反射回来的信号光再次入射到非线性晶体上。

进一步的，第一腔镜的镀膜保证它对于泵浦光是高透射率透镜，对信号光为高反射率反射镜；第二腔镜的镀膜保证它对信号光是高反射率反射镜；折转反射镜的镀膜保证它对泵浦光是高透射率透镜，在预定折转角上对信号光是高反射率反射镜，对闲频光是高透射率透镜。

进一步的，其中折转反射镜位于非线性晶体的朝向泵浦源的激光器一侧，折转反射镜的法线和光参量振荡器的光传输轴线成预定的夹角，使得信号光被反射到第二腔镜上，或者使第二腔镜反射回来的信号光再次入射到非线性晶体上；第一腔镜位于非线性晶体的另一侧。

进一步的，折转反射镜的镀膜保证它泵浦光是高透射率透镜，在预定折转角上对信号光和闲频光是高反射率反射镜，第二腔镜的镀膜保证它对信号光和闲频光是高反射率反射镜；第一腔镜的镀膜保证它对信号光是高反射率反射镜，对闲频光是高透射率透镜。

进一步的，其特征在于，所述的选频模块为折转反射镜和第二腔镜之间的光路中插入熔石英标准具，倾斜一个小角度放置在光路中；所述的熔石英标准具在1450-1550nm波段双面镀反射率为70%的增反膜，熔石英标准具平整度为λ/10。

进一步的，其特征在于，泵浦光波长1064nm，信号光波长1.15-1.65μm，闲频光波长3-14μm。

本发明的优点是：

1.本发明的L型腔可以变形。可以通过用类似的L型腔来达到窄线宽输出中红外激光器的目的。

2.本发明中的标准具参数可以改变。例如可以改变厚度、反射率、适用波长等。

3.本发明中的探测器前端的滤光片和锗片可以用其他器件替换。例如对1.06μm和信号光高反、对闲频光高透的镜片。

附图说明

图1为现有技术的KTA OPO输出中红外激光的具体光路图；

图2为本发明提出的窄线宽BGSe OPO光路图；

图3是闲频光λ_i与标准具透过率的对应关系；

图4是插入FP标准具前后的激光输出线宽对比；

图5 本发明提出的另一个窄线宽BGSe OPO实验装置图。

具体实施方式

针对KTA晶体透光范围窄的缺点，我们选用2010年由我国中科院理化所姚吉勇研究员首次合成的BGSe晶体进行替代，BGSe的透光范围达到0.47-18μm，可以覆盖整个中远红外波段。BGSe晶体不仅透光范围宽，其输出波长随温度变化的斜率也高，具体可达3.20nm/°C，可以通过改变温度来实现输出波长的连续可调。

但相比KTA OPO而言，BGSe OPO的缺点在于输出的中红外波段线宽较宽，未进行压窄前约为4.5nm，中心波长3.5μm，如果要使输出线宽在3nm以下，需要重新设计OPO腔型进行线宽压窄。

以下结合附图对本发明的具体实施方式作出详细说明。

针对KTA OPO输出的激光波长范围窄(0.35~5.3μm)、温度调谐范围小（(∆λ2)/ΔT=0.077nm/℃）的问题，我们选用BGSe代替KTA，可输出激光波长范围宽(0.48-18μm)、温度调谐范围大（(∆λ2)/ΔT=3.2nm/℃）的中远红外激光。

针对普通BGSe OPO输出激光线宽较宽的问题，设计新型L型腔并在L型腔的支路上插入FP标准具，将BGSe OPO的输出线宽从4.5nm（中心波长3.5μm）压窄至1.5nm（中心波长3.5μm）。

其中FP标准具参数如下：厚度h=0.35mm，反射率R=0.7（在1450-1550nm波段），材料：熔石英（折射率n=1.444687），平整度为λ/10。

插入FP标准具前后，闲频光在透过率曲线如图3所示：

如图3所示，实线为未插入标准具之前理论上的闲频光输出光谱（中心波长3637nm，允许线宽13nm）。

虚线（--）为标准具倾角等于0°时闲频光λi与标准具透过率的对应关系，当闲频光为3632nm、3645nm、3658nm时，其所对应的信号光在标准具（h=0.35mm，R=0.7）中的透过率处于峰值状态；点划线（-.）为标准具倾角为0°时，实线与虚线的乘积，反应了标准具倾角为0°时对BGSe OPO闲频光输出光谱的压窄效果。此时闲频光在理论上有两个峰，分别为3632nm和3645nmm，其中3632nm的幅度略高于3645nm。为避免出现闲频光有多个峰值，需对标准具的倾斜角进行调整，当倾角增加时，透过率曲线向长波方向移动。

虚线为标准具倾角等于1°时闲频光λi与标准具透过率的对应关系，当闲频光为3633nm、3646nm、3659nm时，其所对应的信号光在标准具（h=0.35mm，R=0.7）中的透过率处于峰值状态, 此时闲频光在理论上也有两个峰，分别为3633nm和3646nmm。

当标准具倾角等于2°时，BGSe OPO中心波长3637nm所对应的信号光正处于标准具的透过率峰值状态，因此压窄后的闲频光只有一个峰值，图3中的蓝色虚线为标准具倾角等于2°时闲频光λi与标准具透过率的对应关系，蓝色的点划线为黑色实线与蓝色虚线的乘积，反应了标准具倾角为2°时对BGSe OPO闲频光输出光谱的压窄效果。

总之，图3的黑色实线和蓝色点划线分别描述了BGSe OPO在插入FP标准具前后的输出光谱，相比之下，插入FP标准具后BGSe OPO的输出线宽得到了明显压窄。

实施例

实验装置中：泵浦源为 SL800 Series Pulsed Nd:YAG激光器，脉宽（FWHM）为13ns，光斑直径为8mm，重频1Hz，泵浦光偏振方向为水平偏振。激光器后放置一个小孔用于调光，然后通过一个望远镜系统将光斑直径压缩至4mm，以提高泵浦光的能量密度。

BGSe晶体的尺寸为6mm×8mm×15mm的长方体，切割角为（56.3°,0°），其中8mm长的边平行于Y轴，15mm长的边平行于XOZ面且与z轴的夹角为56.3°。当泵浦光为e2光时满足相位匹配，而e2的偏振方向垂直于XOZ面，由于泵浦光偏振方向为水平偏振，因此在放置时晶体8mm的边须平行地面，6mm的边须垂直于地面。晶体表面进行了抛光处理，并在泵浦光、信号光和闲频光处镀了增透膜。

M1镜对1064nm 激光高透（透过率T>95%），对1.4-1.6μm高反（反射率R>99%）; M2镜45°放置，对1064nm高透（T>95%），对1.4-1.6μm高反（R>99%），对3.4-4.3μm高透（T>95%）；M3镜对1.4-1.6μm高反（反射率R>99%）。E为15mm×15mm×0.35mm的熔石英标准具（Corning7980 0A），在1450-1550nm波段双面镀反射率为70%的增反膜，平整度为λ/10，倾斜一个小角度放置在光路中。当L型腔中没有标准具时，信号光M1、M2和M3之间振荡增强；插入标准具后，部分信号光通过标准具并在L型腔中振荡增强，其他信号光则由于损耗过大而不能起振。

M2镜后端放置了1064nm滤光片和Ge片。滤光片对1064nm激光高反（R>99%），对3.4-4.3μm高透（T>95%）；Ge片进一步滤除1064nm激光，对3-5 μm激光的透过率约为56%。

在Ge片后可放置能量计进行~3.5μm激光的能量测量，也可用光栅光谱仪、计算机、中红外探测器、示波器组合测量激光的输出波长。光栅光谱仪型号为Omni-300λ（北京卓立汉光），其中闪耀光栅中心波长为3000nm，光栅刻线300g/mm，由计算机控制光栅转动使其透射波长在2000nm-6000nm范围内连续可调，调整精度为1nm。光栅光谱仪后端用PCI-10.6探测器（Vigo公司）对输出的中红外激光进行检测，随后使用DSOX3054T型示波器对探测器输出的信号幅度进行测量，示波器上的读数与光栅光谱仪所设置波长一一对应。

实验结果如图4所示。

图4中的虚线为未插入标准具之前，根据BGSe OPO理论上的允许线宽（线宽13nm）所拟合的输出光谱，实线1为未插入标准具之前BGSe OPO实际的输出线宽（线宽4.53nm）。实线2为标准具倾角约等于0°时的输出光谱，实线3、4分别对应着标准具倾角不断增大的情况。实线2由‘o’型实测数据点拟合而成，峰值波长为3526nmm，输出线宽为2.08nm；实线3由‘x’型实测数据点拟合而成，峰值波长为3527nmm，输出线宽为1.48nm；实现4由“*” 型实测数据点拟合而成，峰值波长为3528nmm，输出线宽为1.47nm。

从实线2中可以看出，插入标准具后，正入射时的透过率峰在3526nm左右，因此标准具的透射率峰应在3526nm左右。随标准具倾角的增加，透射率峰向长波方向移动。

从图4中可以看出，标准具在正入射（倾角为0°）时透过率峰值在3526nm左右，记为λ_FP (m)。标准具的透过率曲线呈梳状分布，本发明中的标准具前一个和下一个透过率峰值分别在3514nm和3538nm左右，分别记为λ_FP(m-1)和λ_FP (m+1)，其中两个透过率峰值的间隔为∆λ_FP，约为12nm。

当增大标准具的倾角时，透过率曲线向长波方向移动，即λ_{FP (m)}不断增加，此时的透过率峰值记为λ^´ _FP(m)。BGSe OPO在未插入标准具时的输出峰值为3528nm，记为λ_BGSe。 λ_BGSe会随环境温度和泵浦光入射角度的不同而产生变化。对于λ_BGSe和λ_FP (m)，可以分为以下三种情况：

（1）λ_BGSe=λ_FP (m)，即BGSe OPO输出光谱的峰值与正入射时FP标准具透过率曲线的某一峰值正好相等，则无须调节FP标准具的倾角即可使线宽压窄后BGSe OPO输出的峰值波长与插入标准具前BGSe OPO的峰值波长一致。

（2）当λ_BGSe略大于λFP (m)且差距较小时，即λ_FP(m+1)> λ_BGSe>λ_FP (m)且[λ_BGSe-λ_FP(m)]<(∆λ_FP)/2=6nm时，可以通过调节标准具的倾角使

增大直至

，从而达到线宽压窄前后峰值波长一致的效果。此时调节的倾角一般较小，本实验中的倾角为0°-2.2°。

（3）当λ_BGSe略小于λ_FP (m)且差距较小时，即λFP (m)> λ_BGSe>λ_FP (m-1)且[λ_FP (m)-λ_BGSe ]<(∆λ_FP)/2=6nm。可以通过调节标准具的倾角使

增大直至

，从而达到线宽压窄前后峰值波长一致的效果。此时调节的倾角较大，一般在2.2°-3°。

在本发明中，无论λ_BGSe如何变化，通过调节标准具的倾角均可使线宽压窄前后BGSe OPO输出的峰值波长一致，且倾角的调节范围在3°以内。需要注意的是，受标准具平整度的影响，当倾角较大时，腔内损耗较大，泵浦阈值较高。

另一方面，如果不追求线宽压窄前后BGSe OPO输出的峰值波长一致，则可以通过调节标准具的倾角来达到微调BGSe OPO输出波长的目的，线宽压窄后BGSe OPO的峰值波长与线宽压窄前峰值波长的差值在0-∆λ_FP/2内。

1.本发明的L型腔可以变形。可以通过用类似的L型腔来达到窄线宽输出中红外激光器的目的，例如图5所示。

2.本发明中的标准具参数可以改变。例如厚度、反射率、适用波长等。

最后应说明的是，以上实施方式仅用以说明本发明实施例的技术方案而非限制，尽管参照以上较佳实施方式对本发明实施例进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明实施例的技术方案进行修改或等同替换都不应脱离本发明实施例的技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种使用硒镓钡晶体的窄线宽中远红外激光器，所述的窄线宽中远红外激光器包括：作为泵浦源的激光器、激光整形模块、含非线性晶体的光参量振荡器和选频模块，其特征在于，泵浦源激光器的激光经过激光整形模块整形后注入非线性晶体光参量振荡器，由光参量振荡器内变换为信号光和闲频光，选频模块压缩了光参量振荡器中的信号光和闲频光谱线宽度，光参量振荡器输出闲频光；所述的光参量振荡器使用L型光路结构，包括第一腔镜，第二腔镜, 非线性晶体和折转反射镜，光参量振荡器中的非线性晶体使用硒镓钡晶体；其中第一腔镜位于非线性晶体的一侧，并且和非线性晶体同在光参量振荡器的光传输轴线上，第一腔镜和非线性晶体同光轴；第二腔镜位于光参量振荡器的光传输轴线之外，且第二腔镜的光轴和光参量振荡器的光传输轴线成规定夹角，折转反射镜和非线性晶体同在光参量振荡器的光传输轴线上，位于非线性晶体的另一侧，提供第一腔镜和第二腔镜之间的信号光和闲频光偏转，使得第一腔镜和第二腔镜构成信号光和闲频光的光谐振腔。

2.如权利要求1所述的窄线宽中远红外激光器，其特征在于，光参量振荡器的输出侧放置泵浦光的滤光片和鍺片，其中滤光片对1064nm泵浦光是高反射镜，对闲频光是高透射率透镜；Ge片进一步滤除泵浦光。

3.如权利要求1所述的窄线宽中远红外激光器，其特征在于，所述的激光整形模块包括位于泵浦源的激光器一侧，对泵浦光限束的小孔光阑，位于小孔光阑之后的望远镜式光束整形器。

4.如权利要求1所述的窄线宽中远红外激光器，其特征在于，所述的泵浦源的激光器是Nd:YAG脉冲激光器。

5.如权利要求1所述的窄线宽中远红外激光器，其特征在于，所述的第一腔镜位于非线性晶体的朝向泵浦源的激光器一侧，折转反射镜位于非线性晶体的另一侧，折转反射镜的法线和光参量振荡器的光传输轴线成预定的夹角，使得信号光被反射到第二腔镜上，或者使第二腔镜反射回来的信号光再次入射到非线性晶体上。

6.如权利要求5所述的窄线宽中远红外激光器，其特征在于，第一腔镜的镀膜保证它对于泵浦光是高透射率透镜，对信号光为高反射率反射镜；第二腔镜的镀膜保证它对信号光是高反射率反射镜；折转反射镜的镀膜保证它对泵浦光是高透射率透镜，在预定折转角上对信号光是高反射率反射镜，对闲频光是高透射率透镜。

7.如权利要求1所述的窄线宽中远红外激光器，其特征在于，其中折转反射镜位于非线性晶体的朝向泵浦源的激光器一侧，折转反射镜的法线和光参量振荡器的光传输轴线成预定的夹角，使得信号光被反射到第二腔镜上，或者使第二腔镜反射回来的信号光再次入射到非线性晶体上；第一腔镜位于非线性晶体的另一侧。

8.如权利要求7所述的窄线宽中远红外激光器，其特征在于，折转反射镜的镀膜保证它泵浦光是高透射率透镜，在预定折转角上对信号光是高反射率反射镜，第二腔镜的镀膜保证它对信号光是高反射率反射镜；第一腔镜的镀膜保证它对信号光是高反射率反射镜，对闲频光是高透射率透镜。

9.如权利要求5或7之一所述的窄线宽中远红外激光器，其特征在于，所述的选频模块为折转反射镜和第二腔镜之间的光路中插入熔石英标准具，倾斜一个小角度放置在光路中；所述的熔石英标准具在1450-1550nm波段双面镀反射率为70%的增反膜，熔石英标准具平整度为λ/10。

10.如权利要求6或8之一所述的窄线宽中远红外激光器，其特征在于，泵浦光波长1064nm，信号光波长1.15-1.65μm，闲频光波长3-14μm。