CN114649734A - 一种用于产生宽调谐窄线宽中红外激光的装置及方法 - Google Patents

一种用于产生宽调谐窄线宽中红外激光的装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及激光技术领域，具体涉及一种用于产生宽调谐窄线宽中红外激光的装置及方法，纳秒脉冲OPO基频泵浦源发出的泵浦光经第一调节器后通过全反镜反射到分束镜上；连续波OPO基频泵浦源发出的泵浦光经第二调节器后照射到分束镜上；两束泵浦光经分束镜组合后，经平凸透镜聚焦后照射到第一平凹全反镜上，之后射入非线性晶体进行非线性频率变换生成信号光和闲频中红外激光；闲频中红外激光和剩余的泵浦光经第二平面全反镜透射到双色镜并分开；信号光依次经第二平凹全反镜、第一平面全反镜、第二平面全反镜、第一平凹全反镜反射至非线性晶体，形成振荡闭合回路。本发明实现了脉冲OPO在其调谐范围内线宽小于90MHz脉冲输出，闲频光的提取效率高达9.3%。

Description

一种用于产生宽调谐窄线宽中红外激光的装置及方法
技术领域
本发明涉及激光技术领域，具体涉及一种用于产生宽调谐窄线宽中红外激光的装置及方法。
背景技术
随着近年来激光雷达，高光谱分辨率的光谱检测等技术的不断演进，人们对具有高峰值功率、宽频率覆盖范围、窄线宽高性能激光光源的需求在不断的增加，特别是在中红外(MIR)区域内，能适用的激光光源更是稀缺。光学参量振荡器(OPO) 作为产生可调谐相干辐射的通用手段，继续发挥其优势，在传统激光无法工作的光谱区域内用于产生相干辐射。然而，对于自由运行的脉冲OPO而言，其能获得的最小光谱宽度存在着一个固有限制，即光谱带宽的半高宽(FWHM)不小于相关的傅里叶变换极限。
虽然可以通过在腔内使用光栅或者标准具等波长选择元件使脉冲OPO获得窄线宽输出，但当系统需要调谐时，需要复杂的技术来维持单模运转。另一种从脉冲纳秒OPO获得窄线宽激光输出的方法是使用种子注入技术。这种方法的显著优点是简化了OPO的结构，不需要复杂的振荡腔来限制振荡带宽。到目前为止，已经有许多关于纳秒脉冲OPO的研究，成功地利用各种光源来进行种子注入。然而，绝大多数的研究都是在固定波长的种子激光下进行的，无法对OPO整个调谐范围进行有效的工作。最近，Opt. Lett. 报道了一种纳秒OPO和连续OPO共享同一个谐振腔的形式，来获得宽调谐窄线宽中红外输出。然而这种方法需要用到两个非线性晶体，以及分别单独进行温度控制，以达到种子光与从动激光器模式匹配的目的，因此增加了系统复杂性。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种用于产生宽调谐窄线宽中红外激光的装置及方法，通过紧凑、高效和简化的腔内种子注入结构，获得宽调谐范围窄线宽中红外激光的同时减少系统的复杂性。
为实现上述目的，本发明的技术方案为一种用于产生宽调谐窄线宽中红外激光的装置，包括纳秒脉冲OPO基频泵浦源、第一调节器、全反镜、连续波OPO基频泵浦源、第二调节器、分束镜、平凸透镜、双色镜和OPO环形腔；所述OPO环形腔包括第一平凹全反镜、第二平凹全反镜、第一平面全反镜、第二平面全反镜和非线性晶体；所述纳秒脉冲OPO基频泵浦源发出的纳秒泵浦光经第一调节器调节功率和偏振方向，之后经全反镜反射到分束镜上；所述连续波OPO基频泵浦源发出的连续泵浦光经第二调节器调节功率和偏振方向后照射到分束镜上；两束泵浦光经分束镜组合后，经平凸透镜聚焦后照射到第一平凹全反镜上，之后射入非线性晶体进行非线性频率变换生成信号光和闲频中红外激光；闲频中红外激光和剩余的泵浦光经第二平面全反镜透射到双色镜并通过双色镜分开；信号光依次经第二平凹全反镜、第一平面全反镜、第二平面全反镜、第一平凹全反镜反射至非线性晶体，形成振荡闭合回路。
优化地，所述非线性晶体置于温控炉中，并整体置于水平滑台上。
优化地，所述第一调节器和所述第二调节器的结构相同，均包括依次设置的第一半波片、偏振分束镜和第二半波片。
优化地，所述纳秒脉冲OPO基频泵浦源为调Q半导体激光器，输出功率为30W，脉宽为2-26 ns，重复频率为20-100 kHz，中心波长为1064 nm。
优化地，所述连续波OPO基频泵浦源为连续掺钇光纤激光器，输出功率为30W，线宽小于90 kHz，中心波长为1064.1 nm。
优化地，所述非线性晶体采用长度为38 mm、厚度为1 mm的5% MgO:PPLN，光栅极化周期为29.5~31.5 μm，周期步长为0.5 μm。
优化地，所述第一平凹全反镜和第二平凹全反镜的曲率半径均为150 mm。
优化地，所述第一平凹全反镜、第二平凹全反镜、第一平面全反镜、第二平面全反镜均有镀膜，且泵浦1064 nm的透射率T>90%，在2-4 µm光谱范围的透射率T>80%，在1.3-1.9µm光谱范围的反射率R>99%。
本实施例还提供一种采用上述的装置输出宽调谐窄线宽中红外激光的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、纳秒脉冲OPO基频泵浦源发出的纳秒泵浦光经第一调节器调节功率和偏振方向后照射到全反镜上，经全反镜反射到分束镜上；连续波OPO基频泵浦源发出的连续泵浦光经第二调节器调节功率和偏振方向后照射到分束镜上；
S2、两束泵浦光经分束镜组合后，经平凸透镜聚焦后照射到第一平凹全反镜上，之后射入非线性晶体进行非线性频率变换生成信号光和闲频中红外激光；
S3、闲频中红外激光和剩余的泵浦光经第二平面全反镜透射到双色镜并通过双色镜分开；信号光依次经第二平凹全反镜、第一平面全反镜、第二平面全反镜、第一平凹全反镜反射至非线性晶体，形成振荡闭合回路。
优化地，通过调节非线性晶体的位置选择不同的光栅极化周期，和/或通过调节非线性晶体的温度，从而获得一定波长的信号光以及闲频中红外激光。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
（1）本发明使用单谐振连续OPO作为种子激光，通过紧凑、高效和简化的腔内种子注入结构将种子激光注入纳秒脉冲OPO腔内，能够获得宽调谐范围、窄线宽中红外激光的同时减少系统的复杂性的装置；
（2）本发明实现了脉冲OPO在其调谐范围内线宽小于90MHz脉冲输出，闲频光的提取效率高达9.3%，功率提高了~3.8倍，具有良好的功率稳定性；
（3）本发明的方法相对于自由运转纳秒脉冲光参量振荡器而言，线宽大为缩短，效率明显提高，可适用于需要窄线宽、宽调谐脉冲光参量振荡器的激光系统。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例提供的用于产生宽调谐窄线宽中红外激光的装置的光路原理图；
图2为脉冲OPO调谐曲线，其中，圆点为测量数据，实线为理论计算所得；
图3为 种子注入时（实心）与自由运转时（空心）脉冲纳秒OPO功率曲线；
图4中（a）脉冲OPO自由运转时的测量光谱；（b）由布里-珀罗干涉仪记录的种子注入时得到的光谱宽度；
图中：1、纳秒脉冲OPO基频泵浦源；2、连续波OPO基频泵浦源；3、第一半波片；4、偏振分束镜；5、第二半波片；6、全反镜；7、分束镜；8、平凸透镜；9、第一平凹全反镜；10、非线性晶体；11、第二平凹全反镜；12、第一平面全反镜；13、第二平面全反镜；14、双色镜。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本实施例提供一种用于产生宽调谐窄线宽中红外激光的装置，包括纳秒脉冲OPO基频泵浦源1、第一调节器、全反镜6、连续波OPO基频泵浦源2、第二调节器、分束镜7、平凸透镜8、双色镜14和OPO环形腔；所述OPO环形腔包括第一平凹全反镜9、第二平凹全反镜11、第一平面全反镜12、第二平面全反镜13和非线性晶体10；所述纳秒脉冲OPO基频泵浦源1发出的纳秒泵浦光经第一调节器调节功率和偏振方向，之后经全反镜6反射到分束镜7上；所述连续波OPO基频泵浦源2发出的连续泵浦光经第二调节器调节功率和偏振方向后照射到分束镜7上；两束泵浦光经分束镜7组合后，经平凸透镜8聚焦后照射到第一平凹全反镜9上，之后射入非线性晶体10进行非线性频率变换生成信号光和闲频中红外激光；闲频中红外激光和剩余的泵浦光经第二平面全反镜13透射到双色镜14并通过双色镜14分开；信号光依次经第二平凹全反镜11、第一平面全反镜12、第二平面全反镜13、第一平凹全反镜9反射至非线性晶体10，形成振荡闭合回路。本实施例采用稳定的单频连续光OPO作为种子激光，通过紧凑、高效和简化的腔内种子注入结构将其注入纳秒脉冲OPO腔内，可以获得在脉冲OPO的调谐范围内带宽小于 90 MHz的窄带激光输出，在获得宽调谐范围、窄线宽中红外激光的同时，转换效率也有明显提升，且减少系统了复杂性。
优化地，所述非线性晶体10置于温控炉中，并整体置于水平滑台上。所述温控炉的调节精度为±0.1 0C，调节范围为25-200 0C。本实施例将非线性晶体10置于一个精密的水平滑台上，使其在水平位置上可以很好地调节，从而可以选择不同的光栅极化周期用于达到粗调谐的目的；通过改变非线性晶体10的温度设置，可以进一步实现波长精细调谐的目的。连续波和纳秒脉冲的泵浦辐射分别聚焦在非线性晶体10中心的位置，OPO腔的总光学长度约为100 cm。
优化地，所述第一调节器和所述第二调节器的结构相同，均包括依次设置的第一半波片3、偏振分束镜74和第二半波片5。如图1所示，本实施例的第一调节器和第二调节器都是用于调节入射光的功率和偏振方向，且结构相同，第一半波片3、偏振分束镜74和第二半波片5在同一直线上；其中，第一半波片3和偏振分束镜74是用于调节入射光功率的，通过旋转第一半波片3实现控制入射光功率大小；第二半波片5用于调整入射光的偏转角度。
优化地，所述纳秒脉冲OPO基频泵浦源1为调Q半导体激光器，输出功率为30W，脉宽为2-26 ns，重复频率为20-100 kHz，中心波长为1064 nm。
优化地，所述连续波OPO基频泵浦源2为连续掺钇光纤激光器，输出功率为30W，线宽小于90 kHz，中心波长为1064.1 nm。
本实施例中，全反镜6和分束镜7平行布置，且均呈 45°布置；纳秒脉冲OPO基频泵浦源1发出的泵浦光经调节功率和偏振方向后以45°角照射到全反镜6上，经全反镜6全反射后以45°角照射到分束镜7上并经分束镜7反射；连续波OPO基频泵浦源2发出的泵浦光经调节功率和偏振方向后以45°角照射到分束镜7上，并经分束镜7透射；经分束镜7后将两束泵浦光进行组合，此时连续波和纳秒脉冲OPO的最大泵浦功率分别为20W和5W。利用平凸透镜8将纳秒脉冲光束和连续波光束组合聚焦在OPO腔内的非线性晶体10中心。
优化地，所述第一平凹全反镜9和第二平凹全反镜11的曲率半径均为150 mm，且凹面朝向非线性晶体10。分束镜7、平凸透镜8、第一平凹全反镜9、非线性晶体10、第二平凹全反镜11和双色镜14依次设置且在同一直线上；第一平面全反镜12、第二平面全反镜13在同一直线上。
优化地，所述第一平凹全反镜9、第二平凹全反镜11、第一平面全反镜12、第二平面全反镜13均已镀膜，且泵浦1064 nm的透射率T>90%，在2-4 µm光谱范围的透射率T>80%，在1.3-1.9µm光谱范围的反射率R>99%，确保了振荡器是单谐振振荡。
优化地，所述非线性晶体10采用长度为38 mm、厚度为1 mm的5% MgO:PPLN，光栅极化周期为29.5~31.5 μm，周期步长为0.5 μm。本实施例的非线性晶体10的端面镀有泵浦、信号以及闲频波三波段的透射膜。
本实施例还提供一种采用上述的装置输出宽调谐窄线宽中红外激光的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、纳秒脉冲OPO基频泵浦源1发出的纳秒泵浦光经第一调节器调节功率和偏振方向后照射到全反镜6上，经全反镜6反射到分束镜7上；连续波OPO基频泵浦源2发出的连续泵浦光经第二调节器调节功率和偏振方向后照射到分束镜7上；
S2、两束泵浦光经分束镜7组合后，经平凸透镜8聚焦后照射到第一平凹全反镜9上，之后射入非线性晶体10进行非线性频率变换生成信号光和闲频中红外激光；
S3、闲频中红外激光和剩余的泵浦光经第二平面全反镜13透射到双色镜14并通过双色镜14分开；信号光依次经第二平凹全反镜11、第一平面全反镜12、第二平面全反镜13、第一平凹全反镜9反射至非线性晶体10，形成振荡闭合回路。本实施例的方法实现了脉冲OPO在其调谐范围内线宽小于90MHz脉冲输出，闲频光的提取效率高达9.3%，功率提高了~3.8倍，具有良好的功率稳定性。
优化地，所述非线性晶体10置于温控炉中，并整体置于水平滑台上。所述温控炉的调节精度为±0.1 0C，调节范围为25-200 0C；通过调节非线性晶体10的位置可以选择不同的光栅极化周期，和/或通过温控炉调节非线性晶体10的温度，从而获得一定波长的信号光以及闲频中红外激光。本实施例通过改变相位匹配条件，即改变晶体温度和/或光栅极化周期，OPO可将泵浦光转换为可调谐的相干激光输出。图2显示了光栅极化周期为31 μm时，PPLN OPO的波长随晶体温度的变化，其中实心曲线是根据Sellmeier方程计算的调谐曲线，实心圆代表实际测量数据，实心圆和实心曲线的重合也证实了实验结果与理论计算结果之间的吻合。由图2可以看出，通过从20 0C到200 0C改变晶体温度，OPO可以获得连续可调谐1591-1711 nm的信号光以及2814-3213nm的闲频中红外激光。虽然图2中显示OPO最低在57℃的温度下工作，但实际操作过程中，OPO可以在室温下运转，理论温度和实验温度的差异是由于晶体对泵浦光的吸收引起晶体内的温度升高导致的，通过调节相应的温控炉温度可以获得相应的相位匹配温度。
当脉冲激光器泵浦的OPO在振荡阈值以上时，由于高增益振荡器会处于多模同时振荡状态，因此，自由运行的纳秒脉冲OPO输出的信号和空闲光通常是多模宽带输出的。然而，这可以通过注入一束窄线宽激光予以克服，只要使其频率与OPO一个(或多个)腔模式重合即可。如果注入的辐射强度明显大于脉冲参量噪声光，此时OPO将主要在注入的谐振腔模式上进行振荡，这意味着在注入种子运行时，该注入腔模的建立时间将显著减少。因此，种子注入时纳秒脉冲OPO的阈值将降低，且种子注入脉冲OPO的总功率会高于自由运行时的功率。实验中，将平均功率为4.85 W，脉宽为12.6 ns的纳秒泵浦光用于泵浦OPO，非线性晶体10的工作温度设置为70℃，光栅极化周期为31µm，此时对应于闲频光波长为3200 nm，信号光波长为1613 nm；当连续泵浦光也同时注入谐振腔中时，即连续波OPO与纳秒脉冲OPO同时工作，意味着纳秒脉冲OPO被注入了种子，此时纳秒脉冲OPO起振阈值降低，脉冲激光输出功率比自由运转时也有所增加，其结果如图3所示。种子注入下的OPO起振阈值由1.8 W降低至1 W左右，当最大泵浦功率为4.85 W时，自由运行纳秒OPO输出的最大功率为150 mW；随着连续波OPO同时工作，额外产生390 mW的闲频中红外激光，相当于闲频光转换效率约为9.3%，因此，种子注入时OPO的转换效率与自由运转时相比提高了6.2%。
此外，当连续波OPO和纳秒脉冲OPO同时工作时，由于所有自由运行的纳秒脉冲OPO的非种子纵模都会被大幅度抑制，与种子波长匹配的纵模会得到增强，因此，种子注入时可以获得一个窄线宽脉冲输出。实验中，测量得到纳秒脉冲OPO信号光在自由运转和种子注入时的线宽分别为4.43 nm及 90 MHz，显而易见，线宽被显著压缩了几个数量级，因此得到了很好的窄线宽输出效果，其实验结果如图4所示。需要说明的是，这里由于用到的纳秒激光中心波长与连续波的中心波长实测有0.25 nm差异，这导致其生成的信号光实测有0.51 nm分离(受限于仪器的分辨率)，因此种子波长实际注入在脉冲OPO增益曲线的侧翼，而非最大增益处，但依然获得了很好的谱宽压缩效果。因此，通过优化泵浦波长，以匹配连续波及脉冲光的信号光波长，可以进一步获得最佳的压缩效果。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于产生宽调谐窄线宽中红外激光的装置，其特征在于：包括纳秒脉冲OPO基频泵浦源、第一调节器、全反镜、连续波OPO基频泵浦源、第二调节器、分束镜、平凸透镜、双色镜和OPO环形腔；所述OPO环形腔包括第一平凹全反镜、第二平凹全反镜、第一平面全反镜、第二平面全反镜和非线性晶体；所述纳秒脉冲OPO基频泵浦源发出的纳秒泵浦光经第一调节器调节功率和偏振方向，之后经全反镜反射到分束镜上；所述连续波OPO基频泵浦源发出的连续泵浦光经第二调节器调节功率和偏振方向后照射到分束镜上；两束泵浦光经分束镜组合后，经平凸透镜聚焦后照射到第一平凹全反镜上，之后射入非线性晶体进行非线性频率变换生成信号光和闲频中红外激光；闲频中红外激光和剩余的泵浦光经第二平面全反镜透射到双色镜并通过双色镜分开；信号光依次经第二平凹全反镜、第一平面全反镜、第二平面全反镜、第一平凹全反镜反射至非线性晶体，形成振荡闭合回路。
2.如权利要求1所述的一种用于产生宽调谐窄线宽中红外激光的装置，其特征在于：所述非线性晶体置于温控炉中，并整体置于水平滑台上。
3.如权利要求1所述的一种用于产生宽调谐窄线宽中红外激光的装置，其特征在于：所述第一调节器和所述第二调节器的结构相同，均包括依次设置的第一半波片、偏振分束镜和第二半波片。
4.如权利要求1所述的一种用于产生宽调谐窄线宽中红外激光的装置，其特征在于：所述纳秒脉冲OPO基频泵浦源为调Q半导体激光器，输出功率为30W，脉宽为2-26 ns，重复频率为20-100 kHz，中心波长为1064 nm。
5.如权利要求1所述的一种用于产生宽调谐窄线宽中红外激光的装置，其特征在于：所述连续波OPO基频泵浦源为连续掺钇光纤激光器，输出功率为30W，线宽小于90 kHz，中心波长为1064.1 nm。
6.如权利要求1所述的一种用于产生宽调谐窄线宽中红外激光的装置，其特征在于：所述非线性晶体采用长度为38 mm、厚度为1 mm的5% MgO:PPLN，光栅极化周期为29.5~31.5 μm，周期步长为0.5 μm。
7.如权利要求1所述的一种用于产生宽调谐窄线宽中红外激光的装置，其特征在于：所述第一平凹全反镜和第二平凹全反镜的曲率半径均为150 mm。
8.如权利要求1所述的一种用于产生宽调谐窄线宽中红外激光的装置，其特征在于：所述第一平凹全反镜、第二平凹全反镜、第一平面全反镜、第二平面全反镜均有镀膜，且泵浦1064 nm的透射率T>90%，在2-4 µm光谱范围的透射率T>80%，在1.3-1.9µm光谱范围的反射率R>99%。
9.一种采用如权利要求1-8任一项所述的装置输出宽调谐窄线宽中红外激光的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、纳秒脉冲OPO基频泵浦源发出的纳秒泵浦光经第一调节器调节功率和偏振方向后照射到全反镜上，经全反镜反射到分束镜上；连续波OPO基频泵浦源发出的连续泵浦光经第二调节器调节功率和偏振方向后照射到分束镜上；
S2、两束泵浦光经分束镜组合后，经平凸透镜聚焦后照射到第一平凹全反镜上，之后射入非线性晶体进行非线性频率变换生成信号光和闲频中红外激光；
S3、闲频中红外激光和剩余的泵浦光经第二平面全反镜透射到双色镜并通过双色镜分开；信号光依次经第二平凹全反镜、第一平面全反镜、第二平面全反镜、第一平凹全反镜反射至非线性晶体，形成振荡闭合回路。
10.如权利要求9所述的输出宽调谐窄线宽中红外激光的方法，其特征在于：通过调节非线性晶体的位置选择不同的光栅极化周期，和/或通过调节非线性晶体的温度，从而获得一定波长的信号光以及闲频中红外激光。
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CN117175339B (zh) * 2023-08-25 2024-05-24 中国人民解放军国防科技大学 一种宽调谐范围高分辨率的中远红外激光产生方法

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