CN203760839U - 中红外光参量振荡器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种中红外光参量振荡器，该中红外光参量振荡器分为光参量振荡级、近红外放大级和差频中红外级，只用单一波长的泵浦光，可以获得1.2～17微米范围内的输出激光；只使用单一波长的泵浦光，分别用它和它的倍频来泵浦近红外放大级和光参量振荡级；光参量振荡级和近红外放大级中的信号光和闲散光偏振相互垂直，可以按照偏振分离同时使用；非常巧妙地利用三级不同的非线性过程，只需要一套装置，不需要更换元件，可实现最终1.2～17微米范围内的输出。
Description
技术领域
本实用新型涉及激光技术领域，尤其涉及一种中红外光参量振荡器。
背景技术
自1960年第一台红宝石激光器问世以来, 人们就开始了可调谐激光器的研究。光学参量振荡同倍频、和频、拉曼等一样都属于非线性频率变换技术的一种。早在1961年二次谐波就已经出现了，随后又出现了三波混频，在1965年出现了光学参量振荡。光参变振荡器( OPO) 提供了从可见到红外的可调谐相干辐射，已广泛应用于激光同位素分离、燃烧诊断、大气污染的遥测、光雷达等方面。在军事应用领域连续宽调谐中波红外激光辐射源可作为干扰源使用。
一束泵浦光ω3入射非线性晶体（ω为光子频率），产生两束新的光波ω1和ω2，且有ω3=ω1+ω2关系成立，称光学参量发生(Optical Parametric Generation，OPG)，相应的晶体器件称为光学参量发生器。一束强泵浦光ω3和一束弱的信号光ω1一起入射非线性晶体，弱的信号光ω1被放大，同时产生一束新光波ω2，也有ω3=ω1+ω2成立，此称为光学参量放大(Optical Parametric Amplification，OPA)。将非线性晶体放入谐振腔中，一束泵浦光ω3入射，同时产生两束新光波ω1和ω2，同样有ω3=ω1+ω2成立，此称为光学参量振荡(Optical Parametric Oscillation，OPO)，相应的谐振腔和晶体统称为光学参量振荡器。
光学参量振荡器(OPO)是利用非线性晶体的混频特性来实现频率变换的器件，其中有一个或两个光波具有振荡特性。有的文献中把OPO和OPA统称为OPG。OPA在原理上同微波参量放大极为相似。光学参量放大实质上是一个差频产生的三波混频过程。在差频过程中，每湮没一个光子，同时要产生两个低频光子，在此过程中这两个低频光波获得增益，因此光学参量放大器可作为它们的放大器。将一个强的高频光(泵浦光)和一个弱的低频光(信号光)同时入射到非线性晶体上，就可以产生差频光(空闲光)，而弱的信号光被放大了。若信号光、空闲光同泵浦光多次通过非线性晶体，它们可以多次得到放大。如果将非线性晶体置于谐振腔中，并用强的泵浦源照射，当增益超过损耗时，在腔内可以从噪声中建立起相当强的信号光及空闲光。应当指出的是，在光学参量振荡器中建立起来的两种频率的光波，任何一个光波都可以称为信号光或者空用光。区别哪个是信号光，哪个是空闲光是没有意义的，不过一般习惯把波长短的光波称为信号光，长的称为空闲光。
光参量振荡器是一种利用非线性晶体的混频特性实现光学频率变换的器件, 同时它又是波长可调谐的相干光源。它具有以下特点:
(1)调谐范围宽: 普通的激光器只输出一种或几种波长的激光, 而OPO 的调谐范围可从紫外到远红外,可满足不同的需求。
(2)整个激光器可做到紧凑、小型化、全固化: OPO 是通过非线性晶体进行频率转换, 只需要一块或几块晶体就能实现宽带输出; 其泵浦源可采用二极管泵浦的固体激光器, 因而可以实现全固化。
(3) 可实现大功率、窄线宽输出。
光参量振荡器与一般激光器的主要区别在于：普通激光器的工作频率是由工作物质的固有能级决定的,与外部提供的能源泵浦源无关,而参量振荡器的振荡频率与泵浦源的频率有关, 泵浦光频率是振荡频率的参变量,参量振荡是分频过程。中红外光参量振荡器一直是国内外研究的热点,随着各种新型非线性晶体出现,更为该领域的研究开拓了新的应用前景。其主要应用领域包括:环境监测、遥感、医疗诊断和治疗、激光光谱学研究、材料处理、数据通信、光电测量、激光测距、激光雷达、红外对抗等。
目前，国内外已经有一些商业光参量振荡器产品出现，能量可以高到几百毫焦，波长可以从400纳米到4微米，线宽也可以做到小于0.075cm-1。但是却很少有见到波长长到十几微米的中红外光参量振荡器。
实用新型内容
为了克服传统中红外光参量振荡器存在的上述问题，本实用新型提供了一种只用单一波长的泵浦光，可以获得1.2～17微米范围内的输出激光的中红外光参量振荡器。
本实用新型为实现上述目的所采用的技术方案是：中红外光参量振荡器，泵浦光入射处安装泵浦光半波片、泵浦光半波片后侧安装把泵浦光分供光参量振荡级使用和供近红外放大级使用的偏振分束片，偏振分束片供光参量振荡级使用的光的输出方向上安装泵浦光倍频晶体，泵浦光倍频晶体的光输出方向上安装反射镜，反射镜的反射光输出方向上设有用来把泵浦光引入光参量振荡级的振荡级耦合输入镜，振荡级耦合输入镜前部设有振荡级非线性晶体和光参量振荡级后腔镜，振荡级耦合输入镜后部设有振荡级耦合输出镜和光参量振荡级废光滤片；偏振分束片供近红外放大级使用的光的输出方向上依次设有半波片、改变泵浦光的光斑大小和发散度的凹凸镜整形镜对和完全反射泵浦光的泵浦光反射镜，光参量振荡级废光滤片后部位于反射镜反射光方向上设有近红外放大级输入耦合镜，近红外放大级输入耦合镜光输出方向上设有近红外放大级非线性晶体和近红外放大级废光滤片。
所述近红外放大级废光滤片的光输出方向上设有差频中红外级非线性晶体和差频中红外级废光滤片。
所述振荡级非线性晶体为非线性KTP晶体或者KTA晶体。
所述近红外放大级非线性晶体为非线性KTA晶体。
所述差频中红外级非线性晶体为非线性AgGaSe2晶体。
本实用新型的中红外光参量振荡器，该中红外光参量振荡器分为光参量振荡级、近红外放大级和差频中红外级，只用单一波长的泵浦光，可以获得1.2～17微米范围内的输出激光；只使用单一波长的泵浦光，分别用它和它的倍频来泵浦近红外放大级和光参量振荡级； 光参量振荡级和近红外放大级中的信号光和闲散光偏振相互垂直，可以按照偏振分离同时使用；非常巧妙地利用三级不通的泵浦和过程，只需要一套装置，不需要更换元件，通过振荡级信号光在715～850nm小范围变化就可实现最终1.2～17微米范围内的输出。
附图说明
图1是本实用新型中红外光参量振荡器原理图。
图2是本实用新型光参量振荡器各级的输出波长随着振荡级信号光波长的变化数据图。
图3是本实用新型KTA晶体的透过率随着波长变化的曲线。
图4是AgGaSe2晶体的透过率随着波长变化的曲线。
图5是AgGaS2晶体的透过率随着波长变化的曲线。
具体实施方式
本实用新型的发明中的中红外光参量振荡器原理如图1所示，包括：
泵浦光1：中红外光参量振荡器的泵浦光，提供最初的光子。在这里选用Nd:YAG激光器的1064nm基频光；
泵浦光半波片2：改变泵浦光的偏振，从而使得泵浦光在后面的偏振分束片处有不同的透过率和反射率；
偏振分束片3：完全透过P偏振光（光的偏振平行于入射平面），完全反射S偏振光（光的偏振垂直于入射平面）。把泵浦光分成两部分，一部分供光参量振荡级使用，剩下的供近红外放大级使用；
泵浦光倍频晶体4：把1064nm泵浦光倍频至532nm作为光参量振荡级的泵浦光（pump）；
反射镜5：对532nm光高度反射，供光参量振荡级使用。对1064nm光高度透射，入射到后方的废光收集器中；
废光吸收器6：用于吸收光路系统中的不需要的残余的废光；
光参量振荡级后腔镜7反射振荡腔中的信号光（signal，630~955nm，尤其是715~850nm）和闲散光（idler，1201~3419nm，尤其是1420~2080nm），透射泵浦光（pump，532nm）；
振荡级非线性晶体8：此设计中使用非线性KTP晶体（磷酸钛氧钾）或者KTA晶体（砷酸钛氧钾），使用II类匹配，为满足两端的条件， 532.0nm(o光，pump)->2078.6nm(o光，idler) + 715.0nm(e光，signal)以及532.0(o光，pump)->1422.0(o光，idler) + 850.0(e光，signal) 对应的匹配角52.0°和67.6°，此设计中的KTP切割角度为60°，能保证任何波长下晶体偏离光的方向不超过8°；
振荡级耦合输入镜9：用来把532nm泵浦光引入光参量振荡级。它可以以45°入射角度高度反射532nm，高度透射715~850nm，1420~2080nm；
振荡级耦合输出镜10：部分透过（50%）闲散光（idler，1201~3419nm），高度反射信号光（signal，630~955nm）；
光参量振荡级废光滤片11：由于此设计中光参量振荡级的信号光和闲散光偏振互相垂直，振荡级中的信号光是废光，这里只需要闲散光（1201~3419nm）供接下来的近红外放大级使用。这个光参量振荡级废光滤片是一个以布鲁斯特角放置并以振荡级信号光作为S光的对其高度反射并对振荡级闲散光高度透射的窗片；
近红外放大级输入耦合镜12：高度反射近红外放大级泵浦光（pump，1064nm），高度透射光参量振荡级闲散光（1201~3419nm）来作为这一级的信号光（pump）；
近红外放大级非线性晶体13：此设计中使用非线性KTA晶体（砷酸钛氧钾），使用II类匹配，为满足两端的条件，1064.0nm(o光，pump)->4494.6nm(o光，idler) + 1394.0nm(e光，signal)以及1064.0nm(o光，pump)->2128.0nm(o光，idler) + 2128.0nm(e光，signal)对应的匹配角41°和48.9°，此设计中的KTA切割角度为45°，能保证任何波长下晶体偏离光的方向不超过5°。而且为了提高放大效率，近红外放大级中使用四块这样的晶体连续放大；
近红外放大级废光滤片14：高度透射近红外放大级的信号光和闲散光（1201~4495nm），高度反射近红外放大级的泵浦光（1064nm），以免高能量的泵浦光会损伤后面差频中红外级中的非线性晶体；
差频中红外级非线性晶体15：此设计中使用非线性AgGaSe2晶体（硒镓银），使用II类匹配，为满足两端的条件， 2006.0(e光，pump)->17542.86(o光，idler) + 2265.06(o光，signal)以及1716.0(e光，pump)->4432.5(o光，idler)+ 2800.0(o光，signal)对应的匹配角47.1°和62.1°，此设计中的AgGaSe2切割角度为55°，能保证任何波长下晶体偏离光的方向不超过8°（当输出波长最长只需要到12微米时这里也可以选用AgGaS2晶体）；
差频中红外级废光滤片16：完全反射差频中红外级的泵浦光和信号光，完全透射闲散光来获得大于4.5微米的中红外输出；
最终输出激光17：可以除去差频中红外级非线性晶体15和差频中红外级废光滤片16来获得1.2～4.5微米的短波长输出。也可以加上差频中红外级非线性晶体15和差频中红外级废光滤片16构成差频中红外级来获得4.5～17.0微米的长波长输出；
半波片18：改变经过偏振分束片3之后的泵浦光的偏振，供近红外放大级使用；
凹凸镜整形镜对19：改变泵浦光的光斑大小和发散度，供近红外放大级使用；
泵浦光反射镜20：可以完全反射泵浦光（反射率>99%）；
步进马达机械以及控制系统：用来控制中红外光参量振荡器中的各种非线性晶体的转动。
原理如下：当振荡光1射入中红外光参量振荡器之后，会被泵浦光半波片2、偏振分束片3分成2部分，分别用于泵浦光参量振荡级和近红外放大级。
供光参量振荡级使用的那部分泵浦光会依次经过泵浦光半波片、泵浦光倍频晶体4以及反射镜5之后变成倍频光供光参量振荡级使用。然后倍频光被振荡级耦合输入镜9（以45°入射角度高度反射532nm，高度透射715~850nm，1420~2080nm）引入光参量振荡级；泵浦光（pump，532nm）和振荡级非线性晶体8作用后产生信号光（signal，630~955nm）和闲散光（idler，1201~3419nm），经光参量振荡级后腔镜（7）之后信号光和闲散光得以反射，而泵浦光会透过7被废光吸收器6吸收；被反射的信号光和闲散光又会被振荡级耦合输出镜10（部分透过（50%）闲散光，高度反射信号光）反射回来；被反射的信号光以及闲散光遇到新来的泵浦光一同经过振荡级非线性晶体8进行放大，如此反复形成振荡；最终光参量振荡级输出的光经过光参量振荡级废光滤片11除去光参量振荡级信号光之后只剩下闲散光用来作为接下来的近红外放大级的信号光（signal）。
通过近红外放大级输入耦合镜12，近红外放大级的信号光（signal）会和经泵浦光反射镜20反射来的近红外放大级泵浦光（pump）一同经过近红外放大级非线性晶体13从而产生1394.0~ 2128.0nm的信号光（signal）以及2128.0~ 4494.6nm的闲散光（idler）；至此，就已获得1.2~4.5微米的红外输出。
若需要更长波长的红外输出，就让近红外放大级的信号光和闲散光进入差频中红外级：首先近红外放大级的信号光和闲散光先经过近红外放大级废光滤片14来除去近红外放大级的高强度的泵浦光，然后仅剩下红外放大级的信号光和闲散光一同经过差频中红外级非线性晶体15。在差频中红外级中，前面红外放大级的波长较短的信号光作为了这里的泵浦光（pump，1394.0~ 2128.0nm），而波长较长的闲散光作为了这里的信号光（signal，2128.0~ 4494.6nm）。在差频中红外级中，泵浦光与信号光在差频中红外级非线性晶体15中差频就可得到波长长至17微米的输出，然后经过差频中红外级废光滤片16除去不需要的废光纯化后最终输出。
Claims (5)
1.中红外光参量振荡器，其特征在于：泵浦光（1）入射处安装泵浦光半波片（2）、泵浦光半波片（2）后侧安装把泵浦光分供光参量振荡级使用和供近红外放大级使用的偏振分束片（3），偏振分束片（3）供光参量振荡级使用的光的输出方向上安装泵浦光倍频晶体（4），
泵浦光倍频晶体（4）的光输出方向上安装反射镜（5），反射镜（5）的反射光输出方向上设有用来把泵浦光引入光参量振荡级的振荡级耦合输入镜（9），振荡级耦合输入镜（9）前部设有振荡级非线性晶体（8）和光参量振荡级后腔镜（7），振荡级耦合输入镜（9）后部设有振荡级耦合输出镜（10）和光参量振荡级废光滤片（11）；偏振分束片（3）供近红外放大级使用的光的输出方向上依次设有半波片（18）、改变泵浦光的光斑大小和发散度的凹凸镜整形镜对（19）和完全反射泵浦光的泵浦光反射镜（20），光参量振荡级废光滤片（11）后部位于反射镜（20）反射光方向上设有近红外放大级输入耦合镜（12），近红外放大级输入耦合镜（12）光输出方向上设有近红外放大级非线性晶体（13）和近红外放大级废光滤片（14）。
2.根据权利要求1所述的中红外光参量振荡器，其特征在于：所述近红外放大级废光滤片（14）的光输出方向上设有差频中红外级非线性晶体（15）和差频中红外级废光滤片（16）。
3.根据权利要求2所述的中红外光参量振荡器，其特征在于：所述振荡级非线性晶体（8）为非线性KTP晶体或者KTA晶体。
4.根据权利要求2所述的中红外光参量振荡器，其特征在于：所述近红外放大级非线性晶体（13）为非线性KTA晶体。
5.根据权利要求2所述的中红外光参量振荡器，其特征在于：所述差频中红外级非线性晶体（15）为非线性AgGaSe2晶体。
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