CN204290022U - 一种窄线宽高光束质量中红外双腔光参量振荡器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种窄线宽高光束质量中红外双腔光参量振荡器的技术方案，该方案包括有作为OPO泵浦源的固体激光器、耦合隔离系统以及OPO谐振腔。该方案使OPO谐振腔内的两个波长的光分别在不同的谐振腔内振荡，能够分别控制信号光和闲频光的线宽与光束质量，使得泵浦光与参量光腔模匹配达到最佳，可使两种参量光的光束质量均得到改善，能够弥补传统OPO腔无法同时实现中红外波段激光窄线宽、高光束质量和高效率输出的不足。

Description

一种窄线宽高光束质量中红外双腔光参量振荡器

技术领域

本实用新型涉及激光器技术领域，尤其是一种窄线宽高光束质量中红外双腔光参量振荡器。

背景技术

在现有技术中，公知的技术是高功率、窄线宽、高光束质量的中红外固体激光在激光医疗、大气监测、自由空间光通信等诸多领域具有迫切的应用需求。基于频率变换的光参量振荡技术（OPO）是产生3-5μm波段中红外激光的有效途径之一。

OPO系统通常由泵浦激光源、耦合隔离系统、非线性晶体和腔镜组成。为了解决一般OPO系统输出激光线宽较宽、光束质量较差等问题，提出了一种窄线宽高光束质量双腔OPO技术。

OPO过程中会同时产生两种波长不同的激光，即信号光和闲频光。普通OPO腔（直线腔或环形腔）中，这两种波长的光在同一个谐振腔内振荡，这种情况下，对其中一种波长的光进行线宽控制，必然导致另一种波长的光腔内损耗增加，从而影响输出功率，此外，通过同一套腔镜很难同时改善两种波长光的光束质量，这是现有技术所存在的不足之处。

实用新型内容

本实用新型的目的，就是针对现有技术所存在的不足，而提供一种窄线宽高光束质量中红外双腔光参量振荡器的技术方案，该方案使OPO谐振腔内的两个波长的光分别在不同的谐振腔内振荡，能够分别控制信号光和闲频光的线宽与光束质量，使得泵浦光与参量光腔模匹配达到最佳，可使两种参量光的光束质量均得到改善，能够弥补传统OPO腔无法同时实现中红外波段激光窄线宽、高光束质量和高效率输出的不足。

本方案是通过如下技术措施来实现的：一种窄线宽高光束质量中红外双腔光参量振荡器，包括有作为OPO泵浦源的固体激光器、耦合隔离系统以及OPO谐振腔，固体激光器发射的泵浦激光束穿过耦合隔离系统后射入OPO谐振腔；OPO谐振腔内设置有OPO反射镜、体布拉格光栅、双色镜、信号光腔镜、闲频光输出镜和非线性晶体；OPO反射镜与射入OPO谐振腔的激光束之间的夹角为45°；射入OPO谐振腔的泵浦激光束穿过OPO反射镜后射入非线形晶体，通过非线性晶体的频率变换后，产生信号光和闲频光，这两束光再加上剩余泵浦光同时射向双色镜；双色镜与耦合后的激光束之间的夹角为45°，剩余泵浦光和信号光穿过双色镜和信号光腔镜后射出，闲频光经过双色镜反射后射向闲频光输出镜。

作为本方案的优选：耦合隔离系统内设置有单个或多个耦合透镜和隔离器；所述固体激光器发射的激光束依次穿过耦合透镜和隔离器后射入OPO谐振腔。

作为本方案的优选：体布拉格光栅和OPO反射镜之间的光路上设置有闲频光全反镜。

作为本方案的优选：双色镜和闲频光输出镜之间的光路上设置有中波标准具。

作为本方案的优选：信号光腔镜与闲频光输出镜采用平凹镜，镜片的曲率半径应根据具体泵浦光的光斑大小以及谐振腔的腔长进行精确设计，从而实现泵浦光与参量光腔模的最佳匹配。

本方案的有益效果可根据对上述方案的叙述得知，由于在该方案中近红外信号光的谐振腔由体布拉格光栅、闲频光全反镜、OPO反射镜、非线性晶体双色镜和信号光腔镜组成；闲频光的谐振腔由闲频光全反镜、OPO反射镜、非线性晶体双色镜、中波标准具和闲频光输出镜组成。闲频光谐振腔和信号光谐振腔分离，可在不影响输出功率的前提下，实现窄线宽高光束质量的中红外闲频光输出，从而弥补了传统OPO腔无法同时实现中红外波段激光窄线宽、高光束质量和高效率输出的不足。

由此可见，本实用新型与现有技术相比，具有突出的实质性特点和显著地进步，其实施的有益效果也是显而易见的。

附图说明

图1为本实用新型的光路结构示意图。

图中，1为泵浦源，2为耦合透镜，3为隔离器，4为OPO反射镜，5为非线性晶体，6为双色镜，7为信号光腔镜，8为OPO谐振腔，9为中波标准具，10为闲频光输出镜，11为体布拉格光栅，12为闲频光全反镜，13为耦合隔离系统，14为信号光，15为闲频光。

具体实施方式

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过一个具体实施方式，并结合其附图，对本方案进行阐述。

通过附图可以看出，本实用新型提供的窄线宽高光束质量中红外双腔光参量振荡器包括：作为泵浦源的固体激光器1，耦合透镜2，隔离器3，45°OPO反射镜4，非线性晶体5，45°双色镜6，信号光腔镜7，OPO谐振腔8，闲频光输出镜10，中波标准具9，体布拉格光栅11，闲频光全反镜12，耦合隔离系统13。耦合隔离系统13由耦合透镜2，隔离器3组成，它们的焦距和相对位置都经过严格设定，使得经过耦合后的泵浦光斑束腰位于非线性晶体5内。OPO谐振腔8由OPO反射镜4，非线性晶体5，双色镜6，信号光腔镜7，中波标准具9，闲频光输出镜10，体布拉格光栅11，闲频光全反镜12组成，其中近红外信号光14的谐振腔由11-12-4-5-6-7组成，体布拉格光栅对信号光14具有高反射率或部分反射率，若体布拉格光栅具有高反射率则充当信号光14的全反镜，若体布拉格光栅具有部分反射率则充当信号光14的输出镜，中红外闲频光15的谐振腔由12-4-5-6-9-10组成。

本实用新型的具体实施例：

具体实施方式一：

泵浦源1采用Nd掺杂的1mm固体激光器（如Nd:YAG、Nd:YAP、Nd:YVO₄、Nd:YLF等），重复频率为1-100kHz，脉冲宽度10-200ns。

耦合隔离系统13实现对泵浦源输出的1mm脉冲激光进行准直和聚焦，耦合透镜2镀有1mm的增透膜。

OPO谐振腔8中的非线性晶体5采用大通光口径的PPLN晶体（Periodically Poled Lithium Niobate，周期极化掺镁铌酸锂）或PPMgLN晶体（Periodically Poled MgO doped Lithium Niobate，周期极化铌酸锂）。体布拉格光栅11对信号光14具有高反射率。闲频光全反镜12对闲频光15具有高反射率，对信号光14具有高透射率。OPO反射镜4对1mm激光具有高透射率，对近红外信号光和中红外闲频光15具有高反射率。双色镜6对1mm激光和近红外信号光14具有高透射率，对中红外闲频光15具有高反射率。信号光腔镜7对近红外信号光14具有高透射率或部分反射，此种情况下信号光14从信号光腔镜输出。闲频光输出镜10对中红外闲频光15具有高透射率或部分反射。

若信号光腔镜7对近红外信号光14具有高透射率，闲频光输出镜10对中红外闲频光15具有部分反射，即构成闲频光单谐振OPO。若信号光腔镜7对近红外信号光具有部分反射，闲频光输出镜10对中红外闲频光15具有高透射率，即构成信号光单谐振OPO。若信号光腔镜7对近红外信号光具有部分反射，同时闲频光输出镜10对中红外闲频光具有部分反射，即构成双谐振OPO。

通过设计PPLN晶体的极化周期、入射角度和工作温度（通常室温到200℃）等，在满足相位匹配条件和PPLN吸收截止波段内，可以实现1~3mm与3~5mm双波段窄线宽高光束质量红外激光输出。

具体实施方式二：

结合图1说明本实施方式，本实施方式与实施方式一所述的区别在于，体布拉格光栅11对信号光14具有部分反射率，信号光腔镜7对信号光14具有高反射率。此种情况下，信号光14从体布拉格光栅输出。

具体实施方式三：

结合图1说明本实施方式，本实施方式与实施方式一所述的区别在于，泵浦源1产生的泵浦激光的波长为1.319mm， OPO反射镜4、双色镜6，信号光腔镜7，中波标准具9，闲频光输出镜10，体布拉格光栅11，闲频光全反镜12，以及非线性晶体5的PPLN晶体参数也随着改变，以满足OPO的相位匹配条件。

具体实施方式四：

结合图1说明本实施方式，本实施方式与实施方式一所述的区别在于，非线性晶体5采用两块大通光口径的KTP晶体，已进行双折射相位匹配的走离效应补偿。OPO反射镜4、双色镜6，信号光腔镜7，中波标准具9，闲频光输出镜10，体布拉格光栅11，以及闲频光全反镜12的参数也随着改变，以满足OPO的相位匹配条件。

具体实施方式五：

结合图1说明本实施方式，本实施方式与实施方式一所述的区别在于，非线性晶体5采用PPLT晶体（Periodically Poled Lithium Tantalate，周期极化钽酸锂）或PPSLT晶体（Periodically Poled Stoichiometric Lithium Tantalate，周期极化化学计量比钽酸锂）。OPO反射镜4、双色镜6，信号光腔镜7，中波标准具9，闲频光输出镜10，体布拉格光栅11，以及闲频光全反镜12的参数也随着改变，以满足OPO的相位匹配条件。

双腔设计的理念即是使两个波长的光分别在不同的谐振腔内振荡，这样就为分别控制信号光和闲频光的线宽与光束质量提供了可行性。在信号光谐振腔中，利用体布拉格光栅作为腔镜对信号光的线宽进行压窄，在闲频光谐振腔中，通过插入色散元件（如标准具）的方式对闲频光的线宽进行压窄。此外，通过对两个谐振腔的腔镜曲率半径进行特殊设计，使得泵浦光与参量光腔模匹配达到最佳，可使两种参量光的光束质量均得到改善，最终实现窄线宽高光束质量的信号光和闲频光输出。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1. 一种窄线宽高光束质量中红外双腔光参量振荡器，包括有作为OPO泵浦源的固体激光器、耦合隔离系统以及OPO谐振腔，其特征是：所述固体激光器发射的泵浦激光束穿过耦合隔离系统后射入OPO谐振腔；所述OPO谐振腔内设置有OPO反射镜、体布拉格光栅、双色镜、信号光腔镜、闲频光输出镜和非线性晶体；所述OPO反射镜与射入OPO谐振腔的激光束之间的夹角为45°；所述射入OPO谐振腔的泵浦激光束穿过OPO反射镜后射入非线形晶体，通过非线性晶体的频率变换后，产生信号光和闲频光，信号光和闲频光再加上剩余泵浦光同时射向双色镜；所述双色镜与耦合后的激光束之间的夹角为45°，剩余泵浦光和信号光穿过双色镜和信号光腔镜后射出，闲频光经过双色镜反射后射向闲频光输出镜。

2. 根据权利要求1所述的一种窄线宽高光束质量中红外双腔光参量振荡器，其特征是：所述耦合隔离系统内设置有单个或多个耦合透镜和隔离器；所述固体激光器发射的激光束依次穿过耦合透镜和隔离器后射入OPO谐振腔。

3. 根据权利要求1所述的一种窄线宽高光束质量中红外双腔光参量振荡器，其特征是：所述体布拉格光栅和OPO反射镜之间的光路上设置有闲频光全反镜。

4. 根据权利要求1所述的一种窄线宽高光束质量中红外双腔光参量振荡器，其特征是：所述双色镜和闲频光输出镜之间的光路上设置有中波标准具。

5. 根据权利要求1所述的一种窄线宽高光束质量中红外双腔光参量振荡器，其特征是：所述信号光腔镜和闲频光输出镜采用平凹镜。