CN1158507A - 复合腔调谐光参量振荡器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光学器件，特别是一种复合腔调谐的光参量振荡器。本发明的目的在于降低器件的阈值，提高激光的效率与输出功率。在可调谐范围与线宽不变的前提下，提供一种在泵光、非线性光学晶体、色散元件构成窄带参量激光振荡器光路上再附加一块谐振腔镜形成的复合腔调谐参量振荡器。利用复合腔模式锁定现象，达到降低阈值、提高输出功率的效果。已有的实验证明，本发明降低阈值可达5.27(mJ)、可提高效率10倍以上、最高输出功率大于3MW。
Description
本发明涉及一种光学器件，特别是涉及一种复合腔调谐的光参量振荡器。
利用非线性光学晶体的参量效应，开发高效宽调谐窄线宽激光器件一直是可调谐激光领域最为活跃且最具前景的方法之一。
T.K.MINTON等人在OPTICS COMMUNITIONS(Vol.69(1989)289)上的论文指出，他们使用Nd：YAG激光为泵源泵浦LiNbO3晶体，采用掠入射棱镜扩束，标准具加上自准直光栅调谐，实现了参量激光的窄线宽(单频)宽调谐输出。他们的激光器的光路图见图2。泵浦光(8)经过双色镜(3)(反泵光，透参量光)激发非线性晶体LiNbO3(2)，非线性光学晶体(2)产生的参量光中的信频光经棱镜(9)扩束后经过标准具(10)，再被自准直光栅(11)原路衍射回去，再经标准具(10)、棱镜(9)注回非线性光学晶体(2)，经非线性光学晶体(2)放大后照射在腔镜(15)上，(15)为输出耦合镜，它将未输出的参量光原路返回到非线性光学晶体(2)，这样就完成了一个周期的光谐振过程。由于棱镜(9)将光瞳扩大，改善了光束的平行度，标准具(10)加上自准直光栅(11)有大的角色散，加上腔长较短，就导致仅一个激光纵模可能超过阈值产生激光振荡，即从输出耦合镜(15)得到单频输出。此种掠入射棱镜参量激光器实现了窄线宽运转，但存在一个严重不足，影响其实用前景，即该设计由于设置大扩束棱镜(9)和高色散光学元件(标准具(10)和自准直光栅(11))于腔内，在取得窄线宽的同时，大大的增加了腔内损耗，以至于使参量激光振荡阈值过高，激光转换效率过低，因而在强泵浦光的激发下方可产生低功率输出，这样的低功率输出难以应用，更由于强泵浦，极易损坏光学元件和晶体，也就是说，该种设计的参量激光器虽能产生窄线宽，但难以实用化。
本发明的目的在于克服上述已有技术的缺点和不足，为了降低器件的激光振荡阈值，提高激光效率与输出功率，在可调谐范围与线宽不变的前提下，提供一种在泵光、非线性光学晶体、色散元件构成的窄带参量激光振荡器光路上附加一片谐振腔镜形成复合腔调谐参量振荡器。利用复合腔模式锁定现象，达到降低阈值、提高输出功率的目的。本发明的目的是这样实现的：
本发明利用一个低品质因素(低Q值)的窄带腔，通过非线性晶体和共有腔镜，锁定一个高品质因子(高Q值)的宽带腔，使参量激光的信号波(或闲置波)产生高Q值窄线宽振荡，从而使闲置波(或信号波)实现高效高功率输出。其具体组成如图1所示：包括泵光、非线性光学晶体、分光器、色散元件和由2个信号波高反镜组成的激光谐振腔镜构成复合腔调谐光参量振荡器。对于非线性光学晶体，在泵光作用下，产生信号光和闲置光，对信号光同时存在两个激光谐振腔，一个为窄带腔，内有色散元件，以产生窄线宽参量激光振荡(或阈值以下的光反馈)，另一个为宽带腔，内无色散元件，以产生高Q值低阈值振荡，这两个腔通过非线性晶体耦合，经过模式竞争，宽带腔的振荡将被窄带腔的窄线宽模锁定，从而实现低阈值、窄线宽振荡，并由此导致输出具有效率高、阈值低、线宽窄的特色。其中泵光包括：连续激光和脉冲激光以及脉冲激光的同步泵浦方式。非线性光学晶体包括：铌酸锂LiNbO3，偏硼酸钡BBO，三硼酸锂LBO，磷酸二氢钾KTP，掺氧化镁铌酸锂MgO∶LiNbO3，碘酸锂LilO3。色散元件调谐机构包括棱镜，光栅，F-B标准具，双折射滤光片，非线性晶体本身的电光效应调谐方式以及它们的各种匹配和组合。本发明的优越性：
本发明仅在窄带参量激光振荡器光路上附加一片谐振腔镜构成复合腔，在保持原有技术具有的窄线宽、宽调谐特性的前提下，克服原有技术阈值高，效率低的缺点和不足，实现了参量振荡器低阈值(5.27mJ〕、高效率(最高效率＞20％)、窄线宽＜0.02nm，620nm处〕、宽调谐运转(0.41～2.2um)，打开了高单色性参量激光实用化的前景。
下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明：图1是本发明的光路结构原理图图3是本发明复合腔调谐光参量振荡器一种实施例图图4是本发明复合腔调谐光参量振荡器另一种实施例图图5是本发明复合腔调谐光参量振荡器另一种实施例图图6是本发明复合腔调谐光参量振荡器另一种实施例图图面说明如下：
(1)输出耦合镜；
(2)非线性光学晶体；
(3)双色镜(导入泵光用，全反泵光，透参量光)；
(4)分光器；
(5)色散元件(调谐机构)；
(6)信号波高反镜(透闲置波)；
(7)输出参量光光束； (12)闲置波全反镜；
(8)泵光； (13)聚焦透镜；
(9)扩束棱镜； (14)双色凹面腔镜，透泵光，全反信频光；
(10)F-P标准具； (15)输出耦合镜；
(11)光栅； (16)信号波全反镜；
实施例一：
按图3光路制做一台复合腔调谐光参量振荡器，调Q Nd：YAG激光(1.06um〕作为泵光(8)入射到双色镜(3)被反射后激发非线性晶体(铌酸锂LiNbO3)(2)，并在(2)内产生参量光，其中一部分被输出耦合镜(1)透过而输出，大部分被输出耦合镜(1)反射并沿原路反方向返回晶体(2)，然后通过分光器(4)射向色散元件(5)，并被色散元件(5)色散后沿原路反方向返回，这样由输出耦合镜(1)和色散元件(5)组成一个窄带谐振腔；在分光器(棱镜)(4)斜面上反射的一部分参量光被信号波高反射镜(6)原路反方向反射回，通过分光器(4)的斜表面、双色镜(3)、非线性晶体(2)而射向信号波高反射镜(1)，再次被输出耦合镜(1)反射而沿原路反方向返回，这样信号波高反射镜(6)和输出耦合镜(1)又组成了一个宽带谐振腔，它们共同组成复合腔。在此复合腔设计中，第一个棱镜既是扩束器(原有技术)又充当了分光器(4)(复合腔技术)，因已有技术中窄带腔光路结构未变，故仍产生窄带(单频)参量激光，以此窄带腔锁定新形成的宽带腔，令宽带腔也产生窄带振荡，并且因宽带腔Q值高，故复合腔运转时阈值降低，效率可提高10倍，调谐范围亦不变。实施例二：
按图4光路结构制做一台复合腔光参量振荡器，它是实施例一的简化型(称掠入射棱镜复合腔光参量振荡器)，虽不能产生单频输出，但能产生～0.5cm-1的窄带宽调谐参量激光，因结构简单易行而具有较高的实用性。此实施例泵浦光(8)采用脉冲激光，非线性光学晶体(2)采用偏硼酸钡BBO，扩束棱镜斜面兼作分光器(4)，调谐机构(5)由扩束棱镜和自准直光栅组成。输出耦合镜镜(1)→双色镜(3)→非线性光学晶体(2)→分光器(4)→调谐机构(5)组成通常的掠入射棱镜谐振腔(在此称窄带腔)；输出耦合镜(1)→双色镜(3)→非线性光学晶体(2)→扩束棱镜(4)→信号波高反射镜(6)组成宽带腔，此两腔组成复合腔。扩束棱镜(4)用K9玻璃制造，顶角为41°，分光比约为1∶4(窄带腔/宽带腔)，自准直光栅用1200线对刻划光栅。泵光(8)波长为354.7nm，脉宽～5ns。在这些条件下进行的实验证明，复合腔比窄带腔的效率提高十倍以上，阈值降低近一倍，而线宽不变(均为～0.5cm-1)调谐范围亦相同(0.41～2.0μm)。实施例三：
按图5光路结构制做一台复合腔调谐光参量振荡器。泵浦光(8)采用脉冲激光(波长354.7um、脉宽～10um〕。非线性晶体(2)使用偏硼酸钡BBO，分光器(4)采用石英平行平晶做成，厚约3mm，色散元件(5)采用的光栅为1200线对/mm刻划光栅，作自准直方式构置。由闲置波全反镜(12)→信号波全反镜(16)→双色镜(3)→非线性光学晶体(2)→分光器(4)→色散元件(5)组成窄带腔；由闲置波全反镜(12)→信号波全反镜(1)→双色镜(3)→非线性晶体(2)→分光器(4)→信号波高反射镜(6)组成宽带腔。由于在光路上增加了闲置波全反镜(12)，闲置光从信号波高反射镜(6)实现单向输出(权力要求书3)；由于在光路上增加了分光器(4)，信号光和闲置光从分光器(4)作部分输出。该复合腔光参量振荡器输出效率比窄带腔高2～8倍。实施例四：
按图6光路结构制做一台复合腔调谐光参量振荡器。非线性光学晶体(2)采用温度调谐三硼酸锂LBO晶体，泵浦光(8)采用连续波调Q锁模Nd：YLF激光二次谐波同步泵浦，输出耦合镜镜(1)→双色凹面腔镜(14)→非线性光学晶体(2)→双色凹面腔镜(14)→色散元件(5)组成窄带腔；输出耦合镜镜(1)→双色凹面腔镜(14)→非线性光学晶体(2)→双色凹面腔镜(14)→色散元件(5)→信号波高反射镜(6)组成宽带腔。实验证明：相同泵浦条件下，复合腔输出功率为窄带腔的10倍，复合腔输出线宽与可调谐范围均与窄带腔相同。
Claims (6)
1.一种复合腔调谐光参量振荡器，包括泵光(8)、非线性光学晶体(2)、分束器(4)、色散元件(5)、输出耦合镜(1)、双色镜(3)组成。其中泵光(8)入射到非线性光学晶体(2)上，产生信号光和闲置光组成的参量光。参量光一部分由输出耦合镜(1)输出，另一部分被原路反射回经非线性光学晶体(2)放大后，入射到分束器(4)射向色散元件(5)，然后再从色散元件(5)返回，由输出耦合镜(1)与色散元件(5)形成窄带谐振腔。其特征在于：在窄带谐振腔光路上的色散元件(5)前方加一块信号波高反射镜(6)，构成泵光(8)入射到双色镜(3)→非线性光学晶体(2)→输出耦合镜(1)→非线性光学晶体(2)→双色镜(3)→分束器(4)→信号波高反射镜(6)宽带谐振腔。
2.按权利要求1所述复合腔调谐光参量振荡器，其特征在于：所述分光器(4)还包括调谐机构中的色散元件(5)既做分光器，同时又兼做谐振腔镜；
3.按权利要求1所述复合腔调谐光参量振荡器，其特征在于：在激光谐振腔外，靠近信号波高反射镜(6)的地方，加一平行信号波高反镜(6)的反射镜，使激光单方向输出；
4.按权利要求书1所述复合腔调谐光参量振荡器，其特征在于：所述的泵光，包括连续激光和脉冲激光，其中脉冲激光还包括同步泵浦在内；
5.按权利要求1所述复合腔调谐光参量振荡器，其特征在于：所用非线性光学晶体是：磷酸二氢钾KTP、铌酸锂LiNbO3，偏硼酸锂BBO，三硼酸锂LBO，、掺氧化镁铌酸锂MgO2∶LiNbO3、碘酸锂LilO3。调谐方式不仅为角度调谐，还包括温度调谐；
6.按权利要求书1所述复合腔调谐光参量振荡器，其特征在于：所述色散元件包括光栅、棱镜、F-P标准具、双折射滤光片和非线性晶体本身电光效应调谐方式以及它们的各种组合。
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