CN114628982A - 一种参量振荡光学系统及其工作方法 - Google Patents

一种参量振荡光学系统及其工作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种参量振荡光学系统及其工作方法，包括用于提供准连续泵浦光的泵浦光源、产生信号光的OPO谐振腔、将所述泵浦光源提供的准连续泵浦光准直聚焦至所述OPO谐振腔的准直聚焦透镜组和用于调节信号光在OPO谐振腔内损耗的双折射滤光片。所述OPO谐振腔包括信号光全反镜、非线性晶体、分光镜和信号光输出镜。上述参量振荡光学系统使用泵浦光源产生准连续泵浦光获得波长为1.1‑1.3μm的准连续可调谐近红外光。所得准连续可调谐近红外光的平均功率大于0.6W。在OPO谐振腔内插入双折射滤光片，在双折射滤光片的作用下使产生的近红外光的线宽被压缩到0.1nm，以满足如光谱学研究等方面的应用需求。

Description

一种参量振荡光学系统及其工作方法
技术领域
本发明涉及全固态激光技术领域，特别是涉及一种参量振荡光学系统及其工作方法。
背景技术
光学参量振荡器(optical parametric oscillator，简称OPO)是实现非线性频率转换的一种重要方式，其输出波长连续可调谐，同时可以覆盖激光器所不能直接产生的波段。将一束光强较高的高频光波和一束光强较弱的低频光波入射到同一非线性晶体中，如果该晶体满足特定的相位匹配条件，根据三波互作用原理，最终可以得到一束新的差频光波，同时还会发现入射的低频弱信号得到了放大，此过程称为参量放大过程。如果将该非线性晶体放入光学谐振腔当中，仍采用高强度的高频光波(称之为泵浦光)进行照射，当光波的增益大于谐振腔的损耗时，可以从腔内噪声中建立起振荡的信号光波和差频光波，这就构成了光学参量振荡器。其中入射的高频光波和低频光波分别称为泵浦光和信号光，而产生的差频光波称为闲频光。
包括光谱分析在内的多个研究领域经常需要用到可调谐激光，而光参量振荡器结合倍频技术可实现从紫外到红外波段的可调谐激光输出。输出波长1微米(μm)附近的近红外光参量振荡器加上倍频技术是获取可见光波段可调谐激光的技术手段之一。
光参量振荡器输出的可调谐激光往往线宽太宽(纳米量级)，不能直接满足一些应用需求(如光谱学研究)，需要对激光线宽进行压缩。关于窄线宽的近红外光参量振荡器，目前国内外多采用连续运转的单频光源作为泵浦光源或注入种子源以实现窄线宽参量光输出，对泵浦光源或种子源要求较高且通常结构复杂。而有关准连续运转(激光重复频率kHz以上)的近红外光参量振荡器的报道较少，同时具有窄线宽特征的则更为少见。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中实现窄线宽参量光输出时，对泵浦光源或种子源要求较高且通常系统结构复杂的技术缺陷，而提供一种参量振荡光学系统。
本发明的另一个目的，是提供上述参量振荡光学系统的工作方法。
为实现本发明的目的所采用的技术方案是：
一种参量振荡光学系统，包括用于提供准连续泵浦光的泵浦光源、OPO谐振腔、将所述泵浦光源提供的准连续泵浦光准直聚焦至所述OPO谐振腔的准直聚焦透镜组和用于调节信号光在OPO谐振腔内损耗的双折射滤光片；
所述OPO谐振腔包括信号光全反镜、非线性晶体、分光镜和信号光输出镜；所述泵浦光源、准直聚焦透镜组、信号光全反镜和非线性晶体同光轴设置，所述双折射滤光片和所述信号光输出镜同光轴设置，所述分光镜的入射光线和反射光线分别位于两个光轴上使得所述信号光全反镜、非线性晶体、分光镜和信号光输出镜组成V型光参量振荡器谐振腔；
所述双折射滤光片位于所述分光镜和所述信号光输出镜之间；
所述信号光全反镜对准连续泵浦光全透且对信号光全反，以使准连续泵浦光照射进入所述OPO谐振腔同时使将所述OPO谐振腔产生的信号光保留在所述OPO谐振腔内进行振荡；
所述分光镜对准连续泵浦光高透且对信号光高反，以将信号光反射至信号光输出镜，同时将剩余准连续泵浦光分离输出所述OPO谐振腔；
所述信号光输出镜对信号光部分透射，以将部分信号光输出，同时保留部分信号光在所述OPO谐振腔内振荡。
在上述技术方案中，所述泵浦光源为准连续运转的绿光固体激光器，所述绿光固体激光器输出的准连续泵浦光的波长为532nm，重复频率为8-12KHz，质量因子M2为1-15。
在上述技术方案中，所述准直聚焦透镜组包括将所述泵浦光源发出的准连续泵浦光准直为近似平行光束的准直透镜和将近似平行光束聚焦至所述非线性晶体内的聚焦透镜。
在上述技术方案中，所述准直透镜和所述聚焦透镜的焦距比为(1-3)：1。
在上述技术方案中，所述非线性晶体为KTP晶体、BBO晶体和LBO晶体中的一种。
在上述技术方案中，所述非线性晶体安装在水冷夹具里。
在上述技术方案中，所述信号光输出镜为平面镜，表面镀膜，对信号光的透射率为3％-7％。
在上述技术方案中，所述参量振荡光学系统还包括用于调节信号光在OPO谐振腔内损耗的双折射滤光片，所述双折射滤光片位于分光镜和信号光输出镜之间。
在上述技术方案中，所述双折射滤光片是石英晶体薄片。
在上述技术方案中，所述参量振荡光学系统还包括用于吸收剩余准连续泵浦光的吸收体，所述吸收体的材质为铝，所述吸收体与剩余泵浦光的接触面为粗糙的平面或锥面。
本发明的另一方面，上述参量振荡光学系统的工作方法，包括以下步骤：
步骤1：将泵浦光源、准直聚焦透镜组、信号光全反镜、非线性晶体、分光镜和信号光输出镜按照理论位置进行摆放安装；
步骤2：打开泵浦光源，发出一束波长为532nm的准连续泵浦光，所述准连续泵浦光经准直聚焦透镜组准直聚焦至非线性晶体内，所述准连续泵浦光在非线性晶体的作用下产生信号光；
步骤3：调节信号光全反镜、非线性晶体和信号光输出镜至准直状态，增加准连续泵浦光的功率，使OPO谐振腔内的信号光在泵浦光的作用下建立振荡，振荡所得准连续近红外光经信号光输出镜输出腔外；
步骤4：插入所述双折射滤光片对所述准连续近红外光的线宽进行压缩，得到准连续窄线宽近红外光。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明提供的参量振荡光学系统，包括泵浦光源、OPO谐振腔、准直聚焦透镜组和双折射滤光片。使用泵浦光源产生准连续泵浦光获得波长为1.1-1.3μm的准连续可调谐近红外光。所得准连续可调谐近红外光的平均功率大于0.6W。
2.本发明提供的参量振荡光学系统，在OPO谐振腔内插入双折射滤光片，在双折射滤光片的作用下使产生的近红外光的线宽被压缩到0.1nm，以满足如光谱学研究等方面的应用需求。
3.本发明提供的参量振荡光学系统，结构简单，具有较好的应用前景。
附图说明
图1所示为参量振荡光学系统的光学结构示意图。
图中：1-泵浦光源，2-准直透镜，3-聚焦透镜，4-信号光全反镜，5-非线性晶体，6-分光镜，7-双折射滤光片，8-信号光输出镜，9-吸收体。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
一种用于产生准连续的窄线宽近红外光的参量振荡光学系统，如图1所示，包括用于产生准连续泵浦光的泵浦光源1、在准连续泵浦光照射下产生信号光的OPO谐振腔、将所述泵浦光源1提供的准连续泵浦光准直聚焦传输至所述OPO谐振腔的准直聚焦透镜组和用于调节信号光在OPO谐振腔内损耗的双折射滤光片7；
所述泵浦光源1为一台准连续运转的绿光固体激光器，输出的准连续泵浦光的波长为532nm，重复频率为8-12KHz，准连续泵浦光光束质量因子M2约为10。上述准连续泵浦光光束质量较好，信号光容易产生。
所述准直聚焦透镜组由两个凸透镜组成，分别为将所述泵浦光源1发出的准连续泵浦光准直为近似平行光束的准直透镜2和将近似平行光束聚焦至OPO谐振腔内的非线性晶体5内的聚焦透镜3；准直透镜2和聚焦透镜3的焦距比为(1-3)：1。
所述OPO谐振腔为V型光参量振荡器谐振腔，包括一个信号光全反镜4、一块非线性晶体5、一个分光镜6和一个信号光输出镜8；所述泵浦光源1、准直聚焦透镜组、信号光全反镜4和非线性晶体5同光轴设置，所述双折射滤光片7和所述信号光输出镜8同光轴设置，所述分光镜6的入射光线和反射光线分别位于两个光轴上使得所述信号光全反镜4、非线性晶体5、分光镜6和信号光输出镜8组成V型光参量振荡器谐振腔。
所述信号光全反镜4为平面镜，表面镀膜，对准连续泵浦光(波长为532nm)高透，对信号光(波长1.1-1.3μm)高反；所述非线性晶体5按照某个中心波长的相位匹配角度切割，安装在水冷夹具里以防止其温度过高；所述分光镜6为凹面镜，表面镀膜，对泵浦光高透，对信号光高反(入射角约22.5°)，用以使剩余的泵浦光透出OPO谐振腔内；所述信号光输出镜8为平面镜，表面镀膜，对信号光的透射率约为5％。
所述双折射滤光片7位于分光镜6和信号光输出镜8之间。所述双折射滤光片7是一个石英晶体薄片，由于双折射效应，通过旋转光轴可以调节信号光在OPO谐振腔内的损耗，这种损耗对波长很敏感，只有中心波长附近很小范围内的信号光经所述双折射滤光片7后偏振状态保持基本不变，能继续满足非线性晶体5的相位匹配条件，继续参与振荡，从而获得窄线宽的信号光，因此双折射滤光片7用于压窄输出的信号的的线宽。
本实施例中，非线性晶体5为KTP晶体，中心波长为1.15-1.26μm。改变非线性晶体5为BBO晶体或LBO晶体，也能实现相同的效果。
实施例2
本实施例是在实施例1的基础上介绍其优选。
作为优选，所述参量振荡光学系统还包括一个用于吸收剩余泵浦光的吸收体9，所述吸收体的材质为铝，所述吸收体与剩余泵浦光的接触面为粗糙的锥面。所述吸收体9能够吸收OPO谐振腔经分光镜6透出的剩余准连续泵浦光。因为准连续泵浦光只能被非线性晶体5吸收一小部分，因此设置一个吸收体9吸收OPO谐振腔经分光镜6透出的剩余准连续泵浦光。
所述吸收体9与剩余泵浦光的接触面为粗糙的平面也可达到吸收的效果。
实施例3
本实施例是在实施例2的基础上介绍其工作方法，包括以下步骤：
步骤1：将泵浦光源、准直聚焦透镜组、信号光全反镜、非线性晶体、分光镜和信号光输出镜按照图1所示的位置放置；
步骤2：打开泵浦光源，发出一束波长为532nm的准连续绿色激光，即准连续泵浦光，所述准连续绿色激光经准直透镜2准直为近似平行光束入射到聚焦透镜3，并在聚焦透镜3的聚焦作用下，聚焦至非线性晶体5内，准连续泵浦光在非线性晶体5的作用下产生信号光；
此时，信号光全反镜4、分光镜6和信号光输出镜8构成了一个V型光参量振荡器谐振腔，准连续绿色激光在非线性晶体5的作用下分裂成两束闲频光，其中一束作为信号光在V型光参量振荡器谐振腔内振荡，另一束损耗掉。
步骤3：调节信号光全反镜4、非线性晶体5和信号光输出镜8至准直状态，增加准连续泵浦光的功率(8瓦)，使OPO谐振腔内的信号光在泵浦光的作用下建立振荡，振荡所得准连续近红外光经信号光输出镜8输出腔外；
作为优选，精细调节信号光全反镜4和信号光输出镜8，使经信号光输出镜8输出腔外的信号光最强，此时信号光全反镜4、非线性晶体5和信号光输出镜8呈精准准直状态；
步骤4：在分光镜6和信号光输出镜8之间插入双折射滤光片7并旋转光轴至合适位置，使经信号光输出镜8输出腔外的信号光最强，此时所述双折射滤光片7对所述准连续近红外光的线宽进行压缩，得到准连续窄线宽近红外光。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种参量振荡光学系统，其特征在于：包括泵浦光源、OPO谐振腔、将所述泵浦光源提供的准连续泵浦光准直聚焦至所述OPO谐振腔的准直聚焦透镜组和用于调节信号光在OPO谐振腔内损耗的双折射滤光片；
所述OPO谐振腔包括信号光全反镜、非线性晶体、分光镜和信号光输出镜；所述泵浦光源、准直聚焦透镜组、信号光全反镜和非线性晶体同光轴设置，所述双折射滤光片和所述信号光输出镜同光轴设置，所述分光镜的入射光线和反射光线分别位于两个光轴上使得所述信号光全反镜、非线性晶体、分光镜和信号光输出镜组成V型光参量振荡器谐振腔；
所述双折射滤光片位于所述分光镜和所述信号光输出镜之间；
所述信号光全反镜对准连续泵浦光全透且对信号光全反，以使准连续泵浦光照射进入所述OPO谐振腔同时使将所述OPO谐振腔产生的信号光保留在所述OPO谐振腔内进行振荡；
所述分光镜对准连续泵浦光高透且对信号光高反，以将信号光反射至信号光输出镜，同时将剩余准连续泵浦光分离输出所述OPO谐振腔；
所述信号光输出镜对信号光部分透射，以将部分信号光输出，同时保留部分信号光在所述OPO谐振腔内振荡。
2.如权利要求1所述的参量振荡光学系统，其特征在于：所述泵浦光源为准连续运转的绿光固体激光器，所述绿光固体激光器输出的准连续泵浦光的波长为532nm，重复频率为8-12KHz，质量因子M2为1-15。
3.如权利要求1所述的参量振荡光学系统，其特征在于：所述准直聚焦透镜组包括将所述泵浦光源发出的准连续泵浦光准直为近似平行光束的准直透镜和将近似平行光束聚焦至所述非线性晶体内的聚焦透镜。
4.如权利要求3所述的参量振荡光学系统，其特征在于：所述准直透镜和所述聚焦透镜的焦距比为(1-3)：1。
5.如权利要求1所述的参量振荡光学系统，其特征在于：所述非线性晶体为KTP晶体、BBO晶体和LBO晶体中的一种。
6.如权利要求5所述的参量振荡光学系统，其特征在于：所述非线性晶体安装在水冷夹具里。
7.如权利要求5所述的参量振荡光学系统，其特征在于：所述信号光输出镜为平面镜，表面镀膜，对信号光的透射率为3％-7％。
8.如权利要求1所述的参量振荡光学系统，其特征在于：所述双折射滤光片是石英晶体薄片。
9.如权利要求1所述的参量振荡光学系统，其特征在于：所述参量振荡光学系统还包括用于吸收剩余泵浦光的吸收体。
10.如权利要求9所述的参量振荡光学系统，其特征在于：所述吸收体的材质为铝，所述吸收体与剩余泵浦光的接触面为粗糙的平面或锥面。
11.如权利要求1-10任一项所述的参量振荡光学系统的工作方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：将泵浦光源、准直聚焦透镜组、信号光全反镜、非线性晶体、分光镜和信号光输出镜按照理论位置进行摆放安装；
步骤2：打开泵浦光源，发出一束波长为532nm的准连续泵浦光，所述准连续泵浦光经准直聚焦透镜组准直聚焦至非线性晶体内，所述准连续泵浦光在非线性晶体的作用下产生信号光；
步骤3：调节信号光全反镜、非线性晶体和信号光输出镜至准直状态，增加准连续泵浦光的功率，使OPO谐振腔内的信号光在泵浦光的作用下建立振荡，振荡所得准连续近红外光经信号光输出镜输出腔外；
步骤4：插入所述双折射滤光片对所述准连续近红外光的线宽进行压缩，得到准连续窄线宽近红外光。
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