CN113314940A - 一种基于Nd:MgO:APLN晶体的多波长中红外激光脉冲串腔倒空激光器 - Google Patents

一种基于Nd:MgO:APLN晶体的多波长中红外激光脉冲串腔倒空激光器 Download PDF

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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脉冲串腔倒空激光器，所述激光器包括：第一腔镜、第二腔镜、第三腔镜和第四腔镜组成了八字形参量光振荡腔；第一腔镜与第二腔镜之间放置有Nd:MgO:APLN晶体；第二腔镜与第三腔镜之间放置有平面镜；第三腔镜与第四腔镜之间依次放置有第一透镜和MgO:PPLN晶体；第一腔镜与第四腔镜形成的延长线上依次设置有第二透镜和第五腔镜；第五腔镜同侧依次设置有调Q开关和第六腔镜；第一腔镜、第二腔镜、第四腔镜、第五腔镜、第六腔镜和平面镜组成了基频光谐振腔；第一腔镜的外侧依次设置有第一耦合镜组和第一泵浦模块，第二腔镜的外侧依次设置有第二耦合镜组和第二泵浦模块；第一透镜的斜下方设置有输出镜。

Description

一种基于Nd:MgO:APLN晶体的多波长中红外激光脉冲串腔倒 空激光器
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脉冲串腔倒空激光器。
背景技术
多波长中红外激光被广泛地应用在军用多波段激光干扰对抗、光学差频、双光梳光谱学、环境多组分气体高精度同步检测等前沿科技领域。当前，获得多波长中红外激光的最常见手段是利用非周期极化的MgO:APLN晶体，在单一晶体内设置多个倒格矢，同时对多组相位失配量进行补偿，实现多组参量光协同振荡。进一步，激光增益离子Nd3+掺杂MgO:APLN，实现兼具基频产生与参量变频的功能集成，解决了基频光生成配合多光参量振荡的传统结构难以小型化、集成化的难题。
不同的应用领域对输出的多波长中红外激光的时域、频域、空域特性提出特殊的要求。以差分吸收激光雷达为例，发射激光时域脉冲串压缩形成的回波具备反馈耦合增强作用，能有效地提高多组分监测反馈信噪比。因而，差分吸收激光雷达需要多波长中红外激光脉冲串作为光源。调Q的运转机制下，连续激光泵浦光经过激光晶体生成脉冲形式的基频光。单个基频光脉冲在变频晶体内只能形成单个参量光脉冲(如图1所示)。此种运行方式生成的多波长中红外激光脉冲频率恒定、占空比小，无法生成高重频的激光脉冲串。针对差分吸收激光雷达这一领域的需求，需在多波长中红外激光运转机制上，引入多基频光脉冲积累叠加、参量光同步脉冲压缩技术。多波长中红外激光源利用上述两个技术后可获得窄脉宽、高峰值功率的多波长中红外激光脉冲串输出，满足差分吸收激光雷达对中红外激光的需求。
发明内容
为了获得窄脉宽、高峰值功率的多波长中红外激光脉冲串输出，本发明提供了一种基于Nd:MgO:APLN晶体的多波长中红外激光脉冲串腔倒空激光器。
本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：所述基于Nd:MgO:APLN晶体的多波长中红外激光脉冲串腔倒空激光器包括：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、Nd:MgO:APLN晶体、平面镜、第三腔镜、输出镜、第一透镜、MgO:PPLN晶体、第四腔镜、第二透镜、第五腔镜、调Q开关、第六腔镜，其中：
所述第一腔镜、第二腔镜、第三腔镜和第四腔镜组成了八字形参量光振荡腔；
所述第一腔镜与第二腔镜之间放置有Nd:MgO:APLN晶体；
所述第二腔镜与第三腔镜之间放置有平面镜；
所述第三腔镜与第四腔镜之间依次放置有第一透镜和MgO:PPLN晶体；
所述第一腔镜与第四腔镜形成的延长线上依次设置有第二透镜和第五腔镜；
所述第五腔镜同侧依次设置有调Q开关和第六腔镜；
所述第一腔镜、第二腔镜、第四腔镜、第五腔镜、第六腔镜和平面镜组成了基频光谐振腔；
所述第一腔镜的外侧依次设置有第一耦合镜组和第一泵浦模块，所述第二腔镜的外侧依次设置有第二耦合镜组和第二泵浦模块；
所述第一透镜的斜下方设置有输出镜，以将生成的多波长中红外激光发射出谐振腔。
可选地，所述MgO:PPLN晶体为一维极化晶体，其上下端面蒸镀合金，并与直流电压源连接。
可选地，所述调Q开关为声光Q开关或电光Q开关。
可选地，所述第三腔镜、第四腔镜、第五腔镜为平面镜。
可选地，所述第一腔镜、第二腔镜、第六腔镜为平凹镜。
可选地，所述输出镜镀2.7μm-4.5μm全反膜。
可选地，所述第一腔镜、第二腔镜、第三腔镜、第四腔镜镀2.7μm-4.5μm全反膜。
可选地，所述平面镜镀1084nm全反膜和2.7μm-4.5μm全透膜。
本发明的有益效果是：所述基于Nd:MgO:APLN晶体的多波长中红外激光脉冲串腔倒空激光器采用复合谐振腔结构。调Q开关置于基频光谐振腔内，泵浦光从两端射入Nd:MgO:APLN晶体，生成脉冲机制的基频光。基频光在由第一腔镜至第四腔镜组成的参量光振荡腔内振荡，经过Nd:MgO:APLN晶体发生多光参量振荡，生成多波长中红外激光。激光器运行中，调Q开关多次执行开启、关闭动作，基频光谐振腔内积累了数个基频光脉冲。基频光脉冲射入参量光振荡腔生成多个多波长中红外激光脉冲。之后，MgO:PPLN晶体被施加横向电场后，由于衍射效应，中红外激光脉冲传播方向发生偏折，参量光振荡腔内所有中红外激光脉冲皆被倒出，即实现了腔倒空。射出的参量光经输出镜反射，最终获得了窄脉宽、高峰值功率的多波长中红外激光脉冲串输出。
附图说明
图1为现有技术中多光参量振荡时域示意图。
图2为根据本公开一实施方式的一种基于Nd:MgO:APLN晶体的多波长中红外激光脉冲串腔倒空激光器的结构示意图。
图3为根据本公开一实施方式的MgO:PPLN晶体横向电场驱动示意图。
图4为根据本公开一实施方式的调Q与腔倒空脉冲时序示意图。
图5为根据本公开一实施方式的腔倒空时域示意图。
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、第二腔镜，5、Nd:MgO:APLN晶体，6、平面镜，7、第三腔镜，8、输出镜，9、第一透镜，10、MgO:PPLN晶体，11、第四腔镜，12、第二透镜，13.第五腔镜，14.调Q开关，15.第六腔镜。
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2为根据本公开一实施方式的一种基于Nd:MgO:APLN晶体的多波长中红外激光脉冲串腔倒空激光器的结构示意图，如图2所示，所述基于Nd:MgO:APLN晶体的多波长中红外激光脉冲串腔倒空激光器包括：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4、Nd:MgO:APLN晶体5、平面镜6、第三腔镜7、输出镜8、第一透镜9、MgO:PPLN晶体10、第四腔镜11、第二透镜12、第五腔镜13、调Q开关14、第六腔镜15，其中：
所述第一腔镜3、第二腔镜4、第三腔镜7和第四腔镜11组成了八字形参量光振荡腔；
所述第一腔镜3与第二腔镜4之间放置有Nd:MgO:APLN晶体5；
所述第二腔镜4与第三腔镜7之间放置有平面镜6；
所述第三腔镜7与第四腔镜11之间依次放置有第一透镜9和MgO:PPLN晶体10；
所述第一腔镜3与第四腔镜11形成的延长线上依次设置有第二透镜12和第五腔镜13；
所述第五腔镜13同侧依次设置有调Q开关14和第六腔镜15；
所述第一腔镜3、第二腔镜4、第四腔镜11、第五腔镜13、第六腔镜15和平面镜6组成了基频光谐振腔；
所述第一腔镜3的外侧依次设置有第一耦合镜组201和第一泵浦模块101，所述第二腔镜4的外侧依次设置有第二耦合镜组202和第二泵浦模块102；
所述第一透镜9的斜下方设置有输出镜8，以将生成的多波长中红外激光发射出谐振腔。
在本发明一实施例中，所述MgO:PPLN晶体10为一维极化晶体，所述MgO:PPLN晶体10上下端面蒸镀合金，并与直流电压源连接。
在本发明一实施例中，所述调Q开关14可以为声光Q开关、电光Q开关等开关。
在本发明一实施例中，所述第三腔镜7、第四腔镜11、第五腔镜13为平面镜，所述第一腔镜3、第二腔镜4、第六腔镜15为平凹镜。
在本发明一实施例中，所述输出镜8镀2.7μm-4.5μm全反膜，第一腔镜3、第二腔镜4、第三腔镜7、第四腔镜11镀2.7μm-4.5μm全反膜，平面镜6镀1084nm全反膜、2.7μm-4.5μm全透膜。
接下来以813nm抽运光抽运Nd:MgO:APLN晶体5获得1084nm基频光，进而发生参量振荡获得2.7μm、3.4μm、4.0μm、4.2μm多波长中红外光为例，对于所述基于Nd:MgO:APLN晶体的多波长中红外激光脉冲串腔倒空激光器的工作原理进行说明：
如图2所示，所述第一泵浦模块101与第二泵浦模块102发射的813nm抽运光分别经第一耦合镜组201和第一腔镜3以及第二耦合镜组202和第二腔镜4从Nd:MgO:APLN晶体5的两个端面聚焦到晶体中心。Nd:MgO:APLN晶体5吸收813nm抽运光形成粒子数反转，发生受激辐射现象，生成1084nm基频光。Nd:MgO:APLN晶体5生成的1084nm基频光在第一腔镜3、第二腔镜4、第四腔镜11、第五腔镜13、第六腔镜15和平面镜6组成的基频光谐振腔内振荡。1084nm基频光经第一腔镜3反射后，穿过第四腔镜11，再经第五腔镜13反射，射向第六腔镜15。之后，1084nm基频光反向传播再次经过第五腔镜13、第四腔镜11、第一腔镜3，再由第二腔镜4反射，射向平面镜6，这样1084nm基频光在基频光谐振腔内就实现了一次完整的振荡。基频光谐振腔内设置有调Q开关14，关闭调Q开关14，基频光谐振腔内无法形成基频光振荡，Nd:MgO:APLN晶体5中上能级粒子数持续积累；打开调Q开关14，Nd:MgO:APLN晶体5中上能级粒子迅速跃迁，在基频光谐振腔内实现1084nm基频光振荡，这样通过控制调Q开关14的工作状态，即可在基频光谐振腔内实现1084nm基频光振荡。
第一腔镜3、第二腔镜4、第三腔镜7、第四腔镜11组成了八字形参量光振荡腔。在基频光振荡过程中，1084nm基频光经过Nd:MgO:APLN晶体5，由于Nd:MgO:APLN晶体5内设置四个倒格矢，可同时对2.7μm、3.4μm、4.0μm、4.2μm四组相位失配量进行补偿，生成2.7μm、3.4μm、4.0μm、4.2μm四波长中红外激光，四波长中红外激光经第一腔镜3、第四腔镜11反射，射入MgO:PPLN晶体10，此时，MgO:PPLN晶体10不加载电压，四波长中红外激光通过MgO:PPLN晶体10，后经第一透镜9、第三腔镜7、平面镜6、第二腔镜4后，再次射入Nd:MgO:APLN晶体5。在Nd:MgO:APLN晶体5内，2.7μm、3.4μm、4.0μm、4.2μm四波长中红外激光再次获得增益。
如图4所示，调Q开关14开启三次后，基频光振荡腔内1084nm基频光能量增加，转化生成的四波长中红外激光在参量光振荡腔内持续积累。当中红外激光子脉冲数量达到预设数量要求时，MgO:PPLN晶体10加载横向电场，中红外激光发生衍射调制，如图3所示，激光传播路径发生偏转，参量光振荡腔内所有中红外激光脉冲皆被倒出，即实现了腔倒空现象，如图5所示。偏转后的中红外激光脉冲穿过第一透镜9，再经输出镜8反射，射出参量光振荡腔，最终形成窄脉宽、高峰值功率的多波长中红外激光脉冲串输出。
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 (8)

1.一种基于Nd:MgO:APLN晶体的多波长中红外激光脉冲串腔倒空激光器，其特征在于，所述激光器包括：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、Nd:MgO:APLN晶体、平面镜、第三腔镜、输出镜、第一透镜、MgO:PPLN晶体、第四腔镜、第二透镜、第五腔镜、调Q开关、第六腔镜，其中：
所述第一腔镜、第二腔镜、第三腔镜和第四腔镜组成了八字形参量光振荡腔；
所述第一腔镜与第二腔镜之间放置有Nd:MgO:APLN晶体；
所述第二腔镜与第三腔镜之间放置有平面镜；
所述第三腔镜与第四腔镜之间依次放置有第一透镜和MgO:PPLN晶体；
所述第一腔镜与第四腔镜形成的延长线上依次设置有第二透镜和第五腔镜；
所述第五腔镜同侧依次设置有调Q开关和第六腔镜；
所述第一腔镜、第二腔镜、第四腔镜、第五腔镜、第六腔镜和平面镜组成了基频光谐振腔；
所述第一腔镜的外侧依次设置有第一耦合镜组和第一泵浦模块，所述第二腔镜的外侧依次设置有第二耦合镜组和第二泵浦模块；
所述第一透镜的斜下方设置有输出镜，以将生成的多波长中红外激光发射出谐振腔。
2.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述MgO:PPLN晶体为一维极化晶体，其上下端面蒸镀合金，并与直流电压源连接。
3.根据权利要求1或2所述的激光器，其特征在于，所述调Q开关为声光Q开关或电光Q开关。
4.根据权利要求1-3任一所述的激光器，其特征在于，所述第三腔镜、第四腔镜、第五腔镜为平面镜。
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，所述输出镜镀2.7μm-4.5μm全反膜。
7.根据权利要求1-6任一所述的激光器，其特征在于，所述第一腔镜、第二腔镜、第三腔镜、第四腔镜镀2.7μm-4.5μm全反膜。
8.根据权利要求1-7任一所述的激光器，其特征在于，所述平面镜镀1084nm全反膜和2.7μm-4.5μm全透膜。
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