CN113314939A - 一种基于Nd:MgO:APLN晶体的多波长中红外激光能量配比调控放大器 - Google Patents

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Abstract

本公开公开了一种基于Nd:MgO:APLN晶体的多波长中红外激光能量配比调控放大器，所述放大器包括：第一泵浦模块、第一耦合镜组、第二泵浦模块、第二耦合镜组、第一腔镜、第二腔镜、第三腔镜、第四腔镜、Nd:MgO:APLN晶体、第五腔镜、第六腔镜、第七腔镜和第八腔镜，其中：所述第一泵浦模块、第一耦合镜组、第二腔镜、第三腔镜、Nd:MgO:APLN晶体、第六腔镜、第七腔镜、第二耦合镜组、第二泵浦模块由左到右依次排列；所述第二腔镜、第七腔镜和Nd:MgO:APLN晶体倾斜放置；所述Nd:MgO:APLN晶体的上下表面分别平行放置第五腔镜和第四腔镜；所述第二腔镜的斜上方设置第一腔镜，所述第七腔镜斜下方设置第八腔镜。

Description

一种基于Nd:MgO:APLN晶体的多波长中红外激光能量配比调 控放大器
技术领域
本发明涉及固体激光器领域，尤其涉及一种基于Nd:MgO:APLN晶体的多波长中红外激光能量配比调控放大器。
背景技术
非周期极化超晶格晶体可提供多个倒格矢，对多组相位失配量进行补偿。基于超晶格晶体的多光参量振荡器中，泵浦光可同时转换为多组参量光，实现多波长同周期或跨周期激光输出。MgO掺杂的LiNbO3晶体因其良好的光学、电学特性被制成非周期极化的MgO:APLN晶体，常用于多光参量振荡。MgO:APLN晶体掺杂增益离子Nd3+形成Nd:MgO:APLN晶体，不仅可以补偿相位失配，实现多光参量振荡，还可发生受激辐射，输出基频光。即在单一Nd:MgO:APLN晶体内完成基频产生与多光参量振荡两个转换过程。
基于Nd:MgO:APLN的多光参量振荡过程中，注入的基频光能量过大时，泵浦光和参量光的能量场不均衡会引发逆转换，进而导致转换效率降低、光束质量恶化和光谱展宽，多组参量振荡间的增益不均衡还容易导致输出功率的差值过大。种子源配合放大器的组合结构是克服多波长中红外激光脉冲时域特征不稳定、频谱展宽、功率差值过大的重要手段，但此种结构要求种子源能够输出窄线宽、窄脉宽的多波长中红外脉冲，为后续的多冲程放大奠定坚实基础，放大器结构则需具备增益放大能力强、各波段增益可控的特点，最终，由种子源生成的低功率多波长中红外激光脉冲经放大器后，获得满足光学差分雷达、太赫兹、光学差频、双光梳光谱学等领域需求的高功率多波长中红外激光输出。
发明内容
为了解决现有技术的问题，获得高功率多波长中红外激光输出，本发明提供了一种基于Nd:MgO:APLN晶体的多波长中红外激光能量配比调控放大器。
本发明提供的基于Nd:MgO:APLN晶体的多波长中红外激光能量配比调控放大器包括：第一泵浦模块、第一耦合镜组、第二泵浦模块、第二耦合镜组、第一腔镜、第二腔镜、第三腔镜、第四腔镜、Nd:MgO:APLN晶体、第五腔镜、第六腔镜、第七腔镜和第八腔镜，其中：
所述第一泵浦模块、第一耦合镜组、第二腔镜、第三腔镜、Nd:MgO:APLN晶体、第六腔镜、第七腔镜、第二耦合镜组、第二泵浦模块由左到右依次排列；
所述第二腔镜、第七腔镜和Nd:MgO:APLN晶体倾斜放置；
所述Nd:MgO:APLN晶体的上下表面分别平行放置第五腔镜和第四腔镜；
所述第二腔镜的斜上方设置第一腔镜，所述第七腔镜斜下方设置第八腔镜。
可选地，所述第三腔镜、第四腔镜、第五腔镜、第六腔镜组成基频光谐振腔，第一腔镜，第二腔镜，第七腔镜，第八腔镜组成参量光谐振腔。
可选地，所述Nd:MgO:APLN晶体呈板条状，5°斜角切割，极化周期沿竖直方向排布。
可选地，所述第一泵浦模块和第二泵浦模块输出波长为813nm。
可选地，所述第一腔镜、第二腔镜、第四腔镜、第五腔镜、第七腔镜、第八腔镜为平面镜，第三腔镜和第六腔镜为平凹镜。
可选地，所述第一腔镜和第八腔镜镀有1.4μm～1.9μm高反膜与2.5μm～4.5μm增透膜。
可选地，所述第三腔镜和第六腔镜镀有1084nm高反膜与813nm、1.4μm～1.9μm和2.5μm～4.5μm高透膜。
可选地，还包括第一MgO:PPLN晶体，其中，所述第一MgO:PPLN晶体放置于第一腔镜与第二腔镜之间。
可选地，还包括第二MgO:PPLN晶体，其中，所述第二MgO:PPLN晶体放置于第七腔镜与第八腔镜之间。
可选地，所述第一MgO:PPLN晶体和第二MgO:PPLN晶体侧面镀NiCr合金，连接直流电压源。
本发明的有益效果是：中红外激光能量配比调控放大器采用高功率双端泵浦板条型Nd:MgO:APLN的结构。多波长中红外种子光注入至放大器后，中红外激光在腔镜间往返多冲程振荡，多次通过Nd:MgO:APLN晶体获得增益放大。进一步，谐振腔内增加纵向电场驱动MgO:PPLN晶体后，多波长信号光偏振态旋转，调节o光、e光光强比例，使得矢量投影中不处于匹配偏振态的参量光不参与耦合能量传导，间接控制参与振荡的多波长激光的能量配比，最终获得配比均衡的高功率多波长中红外激光。
附图说明
图1为根据本发明一实施方式的一种基于Nd:MgO:APLN晶体的多波长中红外激光能量配比调控放大器的结构示意图。
图2为根据本发明另一实施方式的一种基于Nd:MgO:APLN晶体的多波长中红外激光能量配比调控放大器的结构示意图。
图3为根据本发明再一实施方式的一种基于Nd:MgO:APLN晶体的多波长中红外激光能量配比调控放大器的结构示意图。
图4为根据本发明一实施方式的偏振态旋转示意图。
图中：101、第一泵浦模块，201、第一耦合镜组，102、第二泵浦模块，202、第二耦合镜组，3、第一腔镜，4、第一MgO:PPLN晶体，5、第二腔镜，6、第三腔镜，7、第四腔镜，8、Nd:MgO:APLN晶体，9、第五腔镜，10、第六腔镜，13、第七腔镜，14、第二MgO:PPLN晶体，15、第八腔镜。
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为根据本发明一实施方式的一种基于Nd:MgO:APLN晶体的多波长中红外激光能量配比调控放大器的结构示意图。如图1所示，本发明提出的一种基于Nd:MgO:APLN晶体的多波长中红外激光能量配比调控放大器包括：第一泵浦模块101、第一耦合镜组201、第二泵浦模块102、第二耦合镜组202、第一腔镜3、第二腔镜5、第三腔镜6、第四腔镜7、Nd:MgO:APLN晶体8、第五腔镜9、第六腔镜10、第七腔镜13和第八腔镜15，其中：
所述第一泵浦模块101、第一耦合镜组201、第二腔镜5、第三腔镜6、Nd:MgO:APLN晶体8、第六腔镜10、第七腔镜13、第二耦合镜组202、第二泵浦模块102由左到右依次排列，所述第二腔镜5、第七腔镜13和Nd:MgO:APLN晶体8倾斜放置；
所述Nd:MgO:APLN晶体8的上下表面分别平行放置第五腔镜9和第四腔镜7；
所述第二腔镜5的斜上方设置第一腔镜3，所述第七腔镜13斜下方设置第八腔镜15。
其中，所述第三腔镜6、第四腔镜7、第五腔镜9、第六腔镜10组成基频光谐振腔，第一腔镜3，第二腔镜5，第七腔镜13，第八腔镜15组成参量光谐振腔。
在本发明一实施方式中，所述Nd:MgO:APLN晶体8呈板条状，5°斜角切割，极化周期沿竖直方向排布。
在本发明一实施方式中，所述第一泵浦模块101和第二泵浦模块102输出波长为813nm。
在本发明一实施方式中，所述第一腔镜3、第二腔镜5、第四腔镜7、第五腔镜9、第七腔镜13、第八腔镜15为平面镜，第三腔镜6和第六腔镜10为平凹镜。
在本发明一实施方式中，所述第一腔镜3和第八腔镜15镀有1.4μm～1.9μm高反膜与2.5μm～4.5μm增透膜。
在本发明一实施方式中，所述第三腔镜6和第六腔镜10镀有1084nm高反膜与813nm、1.4μm～1.9μm和2.5μm～4.5μm高透膜。
图2为根据本发明另一实施方式的一种基于Nd:MgO:APLN晶体的多波长中红外激光能量配比调控放大器的结构示意图，在该实施方式中，所述基于Nd:MgO:APLN晶体的多波长中红外激光能量配比调控放大器还包括第一MgO:PPLN晶体4，所述第一MgO:PPLN晶体4放置于第一腔镜3与第二腔镜5之间。
图3为根据本发明再一实施方式的一种基于Nd:MgO:APLN晶体的多波长中红外激光能量配比调控放大器的结构示意图，在该实施方式中，所述基于Nd:MgO:APLN晶体的多波长中红外激光能量配比调控放大器还包括第二MgO:PPLN晶体14，所述第二MgO:PPLN晶体14放置于第七腔镜13与第八腔镜15之间。
在本发明一实施方式中，所述第一MgO:PPLN晶体4和第二MgO:PPLN晶体14侧面镀NiCr合金，连接直流电压源。
下面以813nm作为泵浦光，放大2.7μm、3.4μm、4.0μm、4.2μm，获得配比均衡的高功率多波长中红外激光为例，介绍上述基于Nd:MgO:APLN晶体的多波长中红外激光能量配比调控放大器的工作原理：
在本发明一实施例中，如图1所示，第一泵浦模块101与第二泵浦模块102发射的813nm泵浦光分别经第一耦合镜组201、第二腔镜5、第三腔镜6和第二耦合镜组202、第七腔镜13、第六腔镜10从Nd:MgO:APLN晶体8的两个端面聚焦到晶体中心。Nd:MgO:APLN晶体8吸收813nm泵浦光形成粒子数反转，发生受激辐射现象，生成1084nm基频光。Nd:MgO:APLN晶体8生成的1084nm基频光在第三腔镜6、第四腔镜7、第五腔镜9、第六腔镜10组成的基频光谐振腔内振荡。
2.7μm、3.4μm、4.0μm、4.2μm多波长闲频光从第八腔镜15注入至所述基于Nd:MgO:APLN晶体的多波长中红外激光能量配比调控放大器，经第七腔镜13、第六腔镜10射入Nd:MgO:APLN晶体8。Nd:MgO:APLN晶体8生成的1084nm基频光与输入的多波长闲频光在Nd:MgO:APLN晶体8内发生多光参量放大，生成多对信号光与闲频光：2.7μm闲频光与1811nm信号光，3.4μm闲频光与1591nm信号光、4.0μm闲频光与1487nm信号光、4.2μm闲频光与1461nm信号光。新生成的信号光与闲频光在第四腔镜7与第五腔镜9之间往返多冲程振荡，不断获得增益放大，再经过第三腔镜6、第二腔镜5、第一腔镜3，其中，信号光与闲频光的一部分射出参量光谐振腔，另一部分被反射，经过第二腔镜5、第三腔镜6，再次射入Nd:MgO:APLN晶体8，继续在第四腔镜7与第五腔镜9之间往返多冲程振荡，最后经第六腔镜10、第七腔镜13和第八腔镜15后反射回参量光谐振腔，完成一次腔内振荡。
在本发明另一实施例中，如图2所示，与上一实施例类似，Nd:MgO:APLN晶体8生成的1084nm基频光与输入的多波长闲频光在Nd:MgO:APLN晶体8内发生多光参量振荡，生成多对信号光与闲频光。经第三腔镜6、第二腔镜5，射入第一MgO:PPLN晶体4。第一MgO:PPLN晶体4加载纵向电场后，其主轴发生周期性旋转，形成Solc滤波结构。信号光与闲频光通过纵向电场驱动的第一MgO:PPLN晶体4时，只有1811nm的信号光偏振态发生旋转，如图4所示，e光偏振的1811nm信号光偏振态旋转θ角，导致变换后的e光光强减弱。经第一腔镜3的反射，信号光与闲频光再次经过第一MgO:PPLN晶体4，1811nm信号光的e光光强再次减弱。经过第二腔镜5、第三腔镜6，信号光与闲频光再次射入Nd:MgO:APLN晶体8。由准相位匹配条件可知，仅e光偏振的泵浦光、信号光与闲频光能参与多光参量振荡。因为参与振荡的1811nm信号光的e光光强减弱，改变了参与振荡的1811nm信号光与2.7μm闲频光能量配比，实现了针对1811nm信号光与2.7μm闲频光耦合过程的主动调控。信号光与闲频光再依次通过第六腔镜10、第七腔镜13、第八腔镜15、第七腔镜13、第六腔镜10，反射回Nd:MgO:APLN晶体8。经过多次振荡，进而可获得高功率的多波长中红外激光输出。
在本发明再一实施例中，如图3所示，所述基于Nd:MgO:APLN晶体的多波长中红外激光能量配比调控放大器还包括第二MgO:PPLN晶体14，所述第二MgO:PPLN晶体14放置于第七腔镜13与第八腔镜15之间。Nd:MgO:APLN晶体8生成的1084nm基频光与输入的多波长闲频光在Nd:MgO:APLN晶体8内发生多光参量振荡，生成多对信号光与闲频光。经第三腔镜6、第二腔镜5，射入加载纵向电场的第一MgO:PPLN晶体4。信号光与闲频光通过纵向电场驱动的第一MgO:PPLN晶体4时，只有1811nm的信号光偏振态发生旋转，e光偏振的1811nm信号光偏振态旋转θ角，导致变换后的e光光强减弱。经第一腔镜3的反射，信号光与闲频光再次经过第一MgO:PPLN晶体4，1811nm信号光的e光光强再次减弱。经过第二腔镜5、第三腔镜6，信号光与闲频光再次射入Nd:MgO:APLN晶体8。信号光与闲频光再依次通过第六腔镜10、第七腔镜13，射入加载纵向电场的第二MgO:PPLN晶体14。第二MgO:PPLN晶体14加载纵向电场后，只旋转1591nm信号光偏振态。信号光与闲频光经第八腔镜15反射，再次射入加载纵向电场的第二MgO:PPLN晶体14，1591nm信号光偏振态再次旋转。经过第七腔镜13、第六腔镜10，信号光与闲频光反射回Nd:MgO:APLN晶体8。多光参量振荡生成的信号光与闲频光在参量光谐振腔内振荡，只有1811nm和1591nm信号光光强减弱，从而实现了1811nm信号光、2.7μm闲频光和1591nm信号光、3.4μm闲频光两组参量振荡过程的能量配比的调节，对两组耦合过程实施了主动调控。
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)

1.一种基于Nd:MgO:APLN晶体的多波长中红外激光能量配比调控放大器，其特征在于，所述放大器包括：第一泵浦模块、第一耦合镜组、第二泵浦模块、第二耦合镜组、第一腔镜、第二腔镜、第三腔镜、第四腔镜、Nd:MgO:APLN晶体、第五腔镜、第六腔镜、第七腔镜和第八腔镜，其中：
所述第一泵浦模块、第一耦合镜组、第二腔镜、第三腔镜、Nd:MgO:APLN晶体、第六腔镜、第七腔镜、第二耦合镜组、第二泵浦模块由左到右依次排列；
所述第二腔镜、第七腔镜和Nd:MgO:APLN晶体倾斜放置；
所述Nd:MgO:APLN晶体的上下表面分别平行放置第五腔镜和第四腔镜；
所述第二腔镜的斜上方设置第一腔镜，所述第七腔镜斜下方设置第八腔镜。
2.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述第三腔镜、第四腔镜、第五腔镜、第六腔镜组成基频光谐振腔，第一腔镜，第二腔镜，第七腔镜，第八腔镜组成参量光谐振腔。
3.根据权利要求1或2所述的激光器，其特征在于，所述Nd:MgO:APLN晶体呈板条状，5°斜角切割，极化周期沿竖直方向排布。
4.根据权利要求1-3任一所述的激光器，其特征在于，所述第一泵浦模块和第二泵浦模块输出波长为813nm。
5.根据权利要求1-4任一所述的激光器，其特征在于，所述第一腔镜、第二腔镜、第四腔镜、第五腔镜、第七腔镜、第八腔镜为平面镜，第三腔镜和第六腔镜为平凹镜。
6.根据权利要求1-5任一所述的激光器，其特征在于，所述第一腔镜和第八腔镜镀有1.4μm～1.9μm高反膜与2.5μm～4.5μm增透膜。
7.根据权利要求1-6任一所述的激光器，其特征在于，所述第三腔镜和第六腔镜镀有1084nm高反膜与813nm、1.4μm～1.9μm和2.5μm～4.5μm高透膜。
8.根据权利要求1-7任一所述的激光器，其特征在于，还包括第一MgO:PPLN晶体，其中，所述第一MgO:PPLN晶体放置于第一腔镜与第二腔镜之间。
9.根据权利要求8所述的激光器，其特征在于，还包括第二MgO:PPLN晶体，其中，所述第二MgO:PPLN晶体放置于第七腔镜与第八腔镜之间。
10.根据权利要求9所述的激光器，其特征在于，所述第一MgO:PPLN晶体和第二MgO:PPLN晶体侧面镀NiCr合金，连接直流电压源。
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