CN209418978U - 高效中红外连续可调谐光参量振荡激光器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种高效中红外连续可调谐光参量振荡激光器，包括808nm的半导体激光器、Nd:YVO4晶体和滤光镜，还包括扇形极化周期的PPLN晶体和OPO系统，所述OPO系统包括输入镜、中间镜和输出镜，其中，输入镜和输出镜构成基频光谐振腔，中间镜和输出镜构成OPO谐振腔；所述输入镜的曲率半径为320mm，所述中间镜的曲率半径为500mm，通过调整扇形极化周期的PPLN晶体位置，使基频光入射到扇形极化周期PPLN晶体的不同位置，从而获得连续可调谐输出。此技术方案，调谐范围广、调谐速度快且能够在确保系统结构紧凑的同时，有效提高OPO的转换效率的用于高分辨率光谱分析，实用性好。
Description
技术领域
本实用新型涉及光电设备技术领域，具体涉及一种高效中红外连续可调谐光参量振荡激光器。
背景技术
2-5μm中红外波段被称为分子指纹波段，众多分子在该波段具有很强的吸收峰，该波段还包含两个“大气透过窗口”(2-2.5μm,3.5-5μm)。因此，被广泛应用于环境监测、红外遥感、医疗诊断和自由空间光通信等领域。其中，连续可调谐中红外激光器在高分辨率光谱分析领域具有独特优势。
目前，产生可调谐中红外激光的方案主要是利用1μm激光器泵浦PPLN晶体的光参量振荡器(OPO)。调谐方式主要包括周期和温度两种，对于多周期的PPLN晶体来讲，由于其极化周期是离散的，所以单独使用周期调谐无法得到连续调谐的波长输出。单独采用温度调谐时，输出波长可以实现连续变化，但是这种方式的缺点是调谐速度慢，且调谐范围窄。因此，目前主要是通过将周期和温度两种调谐方式相结合来实现PPLN-OPO连续可调谐的激光输出，这种技术虽然在一定程度上克服了单独采用多周期调谐和温度调谐时的缺点，但是该技术中的温度调谐同样会影响调谐速度。此外，在目前PPLN-OPO中，为了增加PPLN晶体上基频光的功率密度来提高转换效率，通常会在基频光腔内插入一个会聚透镜。这种结构虽然可以增加MgO:PPLN晶体上的基频光功率密度，但是却向腔内引入了新的光学元件，增加了腔内的插入损耗，影响OPO系统整体的紧凑性。
实用新型内容
针对现有技术存在的不足，本实用新型的目的在于提供一种调谐范围广、调谐速度快且能够在确保系统结构紧凑的同时，有效提高OPO的转换效率的高效中红外连续可调谐光参量振荡激光器。
为实现上述目的，本实用新型提供了如下技术方案：一种高效中红外连续可调谐光参量振荡激光器，包括808nm的半导体激光器、Nd:YVO4晶体和滤光镜，还包括扇形极化周期的PPLN晶体和OPO系统，所述OPO系统包括输入镜、中间镜和输出镜，其中，输入镜和输出镜构成基频光谐振腔，中间镜和输出镜构成OPO谐振腔；所述输入镜的曲率半径为320mm，所述中间镜的曲率半径为500mm，所述输出镜的曲率半径为500mm；808nm的半导体激光器泵浦Nd:YVO4晶体产生1064nm的基频激光，基频光通过中间镜片后进入PPLN晶体中进行光参量过程，该过程产生的信号光和中红外波段的闲频光从输出镜输出；通过调整扇形极化周期的PPLN晶体位置，使基频光入射到扇形极化周期PPLN晶体的不同位置，从而获得连续可调谐输出。
本实用新型进一步设置为：连续可调谐中红外激光器的光路依次为808nm的半导体激光器、输入镜片、Nd:YVO4晶体、中间镜片、扇形极化周期的PPLN晶体、输出镜片和滤光镜，所述半导体激光器、输入镜片、Nd:YVO4晶体、中间镜片、PPLN晶体、输出镜片和滤光镜分别通过支架或连接件连接，相邻两个元件之间留有间隙。
本实用新型还进一步设置为：所述输入镜左端面镀制对半导体泵浦源波长808nm高透射的第一介质膜，输入镜的右端面镀制对波长808nm高透射，且对1064nm波段激光高反射的第二介质膜；所述中间镜的左端面靠镀对1064nm波段激光高透射的第三介质膜，中间镜的右端面镀对1400-1700nm信号光和2900-4200nm闲频光波段高反射和对1064nm增透射的第四介质膜；所述输出镜的左端面镀对1064nm波段激光高反射和对信号光部分透过，同时对闲频光高透射的第五介质膜；Nd:YVO4晶体两端面均镀膜制对808nm和1064nm波段激光增透的第一增透膜，PPLN晶体两端面均镀制对基频光、信号光和闲频光增透的第二增透膜；利用一片滤光镜将产生的信号光和中红外闲频光分离，该滤光镜的左端面镀制信号光高反射，同时对闲频光高透射的第六介质膜。
本实用新型还进一步设置为：半导体激光器发射出的808nm激光通过输入镜后端面泵浦Nd:YVO4晶体，产生的1064nm激光在输入镜和输出镜组成的腔内形成振荡；1064nm激光通过中间镜后进入扇形极化周期的PPLN晶体，在中间镜和输出镜构成的腔内形成振荡，通过输出镜产生信号光和中红外闲频光输出；利用倾斜放置的滤光镜将信号光反射而将闲频光透射，从而将信号光和中红外闲频光分离，获得纯净的中红外闲频光输出；扇形极化周期的PPLN晶体处设置有一个具有3个自由度可调的调整架上，通过调节调整架来移动PPLN晶体的空间位置，使基频光在不同位置的PPLN晶体中实现参量过程，从而获得不同波长的参量光输出。
本实用新型还进一步设置为：所述输入镜采用平凹输入镜，所述中间镜采用平凹输入镜，所述输出镜为平凹输出镜。
本实用新型还进一步设置为：PPLN晶体的极化周期从28.5μm逐渐增大到31.5μm，可以实现极化周期的连续变化，当1μm的基频光通过扇形极化周期PPLN晶体的不同位置时，不同极化周期的PPLN晶体参与非线性过程，从而输出不同波长的信号光和闲频光。
本实用新型的优点是：与现有中红外可调谐技术相比，本实用新型专利采用扇形极化周期的PPLN晶体作为非线性晶体，可以使输出中红外激光在满足宽波段可调谐的前提下，提升系统的调谐速度；调谐范围广、调谐速度快且能够在确保系统结构紧凑的同时，有效提高OPO的转换效率的用于高分辨率光谱分析，实用性好。
下面结合说明书附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明。
附图说明
图1为本实用新型实施例的结构示意图；
图2为本实用新型实施例PPLN晶体的结构示意图；
图3为本实用新型实施例PPLN晶体上的基频光腔基模光斑半径随Nd:YVO4晶体热焦距的变化关系示意图；
图4为本实用新型实施例PPLN晶体上的基频光腔和OPO基模光斑半径随Nd:YVO4晶体热焦距的变化关系示意图。
具体实施方式
在本实施例的描述中，需要说明的是，如出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”、“前”、“后”等，其所指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此，不能理解为对本实用新型的限制。此外，如出现术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
参见图1至图4，本实用新型公开的一种高效中红外连续可调谐光参量振荡激光器，包括808nm的半导体激光器、Nd:YVO4晶体和滤光镜，还包括扇形极化周期的PPLN晶体和OPO系统，所述OPO系统包括输入镜、中间镜和输出镜，其中，输入镜和输出镜构成基频光谐振腔，中间镜和输出镜构成OPO谐振腔；所述输入镜的曲率半径为320mm，所述中间镜的曲率半径为500mm，所述输出镜的曲率半径为500mm；808nm的半导体激光器泵浦Nd:YVO4晶体产生1064nm的基频激光，基频光通过中间镜片后进入PPLN晶体中进行光参量过程，该过程产生的信号光和中红外波段的闲频光从输出镜输出；通过调整扇形极化周期的PPLN晶体位置，使基频光入射到扇形极化周期PPLN晶体的不同位置，从而获得连续可调谐输出。
连续可调谐中红外激光器的光路依次为808nm的半导体激光器、输入镜片、Nd:YVO4晶体、中间镜片、扇形极化周期的PPLN晶体、输出镜片和滤光镜，所述半导体激光器、输入镜片、Nd:YVO4晶体、中间镜片、PPLN晶体、输出镜片和滤光镜分别通过支架或连接件连接，相邻两个元件之间留有间隙。
所述输入镜左端面镀制对半导体泵浦源波长808nm高透射的第一介质膜，输入镜的右端面镀制对波长808nm高透射，且对1064nm波段激光高反射的第二介质膜；所述中间镜的左端面靠镀对1064nm波段激光高透射的第三介质膜，中间镜的右端面镀对1400-1700nm信号光和2900-4200nm闲频光波段高反射和对1064nm增透射的第四介质膜；所述输出镜的左端面镀对1064nm波段激光高反射和对信号光部分透过，同时对闲频光高透射的第五介质膜；Nd:YVO4晶体两端面均镀膜制对808nm和1064nm波段激光增透的第一增透膜，PPLN晶体两端面均镀制对基频光、信号光和闲频光增透的第二增透膜；利用一片滤光镜将产生的信号光和中红外闲频光分离，该滤光镜的左端面镀制信号光高反射，同时对闲频光高透射的第六介质膜。
半导体激光器发射出的808nm激光通过输入镜后端面泵浦Nd:YVO4晶体，产生的1064nm激光在输入镜和输出镜组成的腔内形成振荡；1064nm激光通过中间镜后进入扇形极化周期的PPLN晶体，在中间镜和输出镜构成的腔内形成振荡，通过输出镜产生信号光和中红外闲频光输出；利用倾斜放置的滤光镜将信号光反射而将闲频光透射，从而将信号光和中红外闲频光分离，获得纯净的中红外闲频光输出；扇形极化周期的PPLN晶体处设置有一个具有3个自由度可调的调整架上，通过调节调整架来移动PPLN晶体的空间位置，使基频光在不同位置的PPLN晶体中实现参量过程，从而获得不同波长的参量光输出。
所述输入镜采用平凹输入镜，所述中间镜采用平凹输入镜，所述输出镜为平凹输出镜。
本实用新型专利分别从以下两个方面入手予以对OPO系统进行设计和优化：
首先，使用扇形极化周期的PPLN晶体作为非线性光学晶体，该PPLN晶体的特点是：不需要改变温度，单独使用周期调谐便可实现连续调谐输出，避免了温度调谐方式调谐速度慢的问题，同时也使调谐过程更加方便。传统多周期极化晶体的畴壁被设计为矩形结构，不同极化周期被分割开，无法实现周期的连续变化。而本实用新型专利使用的扇形极化周期PPLN晶体每个极化周期的畴壁均被设计为梯形，即极化周期可以在一块PPLN晶体上获得连续变化，以满足不同波长激光相位匹配的周期条件。图2为扇形极化周期PPLN晶体的结构示意图，x轴为通光方向。扇形极化周期PPLN晶体的畴壁与y轴有一定的夹角，越靠近晶体端面，畴壁与y轴的夹角越大。在沿着y轴的正方向上，PPLN晶体的极化周期从28.5μm逐渐增大到31.5μm，可以实现极化周期的连续变化。当1μm的基频光通过扇形极化周期PPLN晶体的不同位置时，不同极化周期的PPLN晶体参与非线性过程，从而输出不同波长的信号光和闲频光。由于扇形极化周期PPLN晶体的极化周期是连续变化的，所以输出波长也是连续变化的，即单独使用周期调谐便可以实现连续可调谐输出。这种方案可以有效提高OPO系统的调谐速度。
其次，OPO系统采用腔内泵浦的高效三镜直线腔结构，有利于提高系统紧凑性、腔内模式匹配效果和PPLN-OPO的转换效率。OPO系统中包含三片腔镜：输入镜(IM)、中间镜(MM)和输出镜(OC)。其中，输入镜和输出镜构成基频光谐振腔，中间镜和输出镜构成OPO谐振腔。利用ABCD光传输矩阵对基频光腔内的模式进行模拟。
参见图3，中间镜MM选择不同的曲率半径时，PPLN晶体上的基频光腔基模光斑半径随Nd:YVO4晶体热焦距的变化关系：(a)RMM＝200mm；(b)RMM＝500mm；(c)RMM＝∞。
参见图4，中间镜片MM选择不同的曲率半径时，PPLN晶体上的基频光腔和OPO基模光斑半径随Nd:YVO4晶体热焦距的变化关系：(a)RMM＝200mm；(b)RMM＝500mm；(c)RMM＝∞。
图3给出了输入镜选用平平镜和平凹镜(RIM＝320mm)对基频光基膜光斑大小的影响，从图3中可以看到，无论中间镜MM的曲率半径为何值，输入镜采用平凹镜时基频光斑均小于采用平平镜时的基频光斑。这是由于采用平凹输入镜片可以对基频光起到会聚作用，增大了PPLN晶体上的基频光功率密度，其作用相当于在基频光谐振腔内插入一块会聚透镜。与通过插入透镜来聚焦基频光的方法相比，这种结构即保证了OPO系统的紧凑性，同时又不会在腔内引入新的插入损耗。为了实现基频光腔和OPO腔的模式匹配，又对OPO腔内的模式进行了模拟计算，发现中间镜MM的曲率过大时，基频光腔和OPO腔匹配较差，影响转换效率。当中间镜曲率半径过小时，会对基频光有较明显的扩束效果，降低基频光功率密度，同样会影响转换效率。根据模拟结果，综合考虑两种情况，本系统选用的输入镜、中间镜和输出镜的曲率半径分别为：320mm、500mm和500mm。
本实用新型的核心技术主要包括应用扇形极化周期的PPLN晶体实现连续可调谐输出和设计高效腔型提高输出效率。除此之外，为了对腔内不同波长的激光进行控制，同时尽可能减小腔内损耗，提高转换效率，在实施例中专门针对系统腔镜和晶体进行了镀膜设计。所述的输入镜左面(靠半导体泵浦源面)镀制对半导体泵浦源波长(808nm)高透射的介质膜，右面(靠Nd:YVO4晶体面)镀制对808nm高透射、对1064nm尽量高反射的介质膜；所述的中间镜左面(靠Nd:YVO4晶体面)镀对1064nm高透射的介质膜，右面(靠PPLN晶体面)镀对1400-1700nm信号光和2900-4200nm闲频光波段尽量高反射、同时对1064nm增透射的介质膜；所述的输出镜左面(靠PPLN晶体面)镀对1064nm高反射、对信号光部分透过同时对闲频光高透射的介质膜。为了减少腔内的剩余反射损耗，Nd:YVO4晶体两端面均镀膜制对808nm和1064nm的增透膜，PPLN晶体两端面均镀制对基频光、信号光和闲频光的增透膜。此外利用一片滤光镜将产生的信号光和中红外闲频光分离，该滤光镜左面(靠输出镜一面)镀制信号光高反射，同时对闲频光高透射的介质膜。以上所有介质膜均采用二氧化硅和二氧化锆材料交替镀制达到预期腔镜的目的。
本实用新型结构包括808nm半导体激光泵浦源1、平凹输入镜(IM)2、Nd:YVO4晶体3、平凹中间镜(MM)4、扇形极化周期的PPLN晶体5、平凹输出镜(OC)6和滤光镜7这7个元件。各个元件分别通过现有的支架或连接件连接，依次设置安装，为了方便优化调整，相邻两个元件之间留有间隙。根据各腔镜的镀膜情况可知，输入镜2和输出镜6构成基频光谐振腔，中间镜4和输出镜6构成OPO谐振腔。该系统的设置安装过程为本领域技术人员所熟知，本实施例就不再加以叙述了。
本实用新型的工作过程：半导体激光器1发射出的808nm激光通过输入镜2后端面泵浦Nd:YVO4晶体3，产生的1064nm激光在输入镜2和输出镜6组成的腔内形成振荡。所述1064nm激光通过中间镜4后进入扇形极化周期的PPLN晶体5，在中间镜4和输出镜6构成的腔内形成振荡，通过输出镜6产生信号光和中红外闲频光输出。利用倾斜放置的滤光镜将信号光反射而将闲频光透射，从而将二者分离，以获得纯净的中红外闲频光输出。扇形极化周期的PPLN晶体5被安装在一个拥有3个自由度可调的调整架上，通过调节调整架来移动PPLN晶体的空间位置，使基频光在不同位置的PPLN晶体中实现参量过程，从而获得不同波长的参量光输出。
实际应用时，本实用新型专利采用扇形极化周期的PPLN晶体作为非线性晶体，可以使输出中红外激光在满足宽波段可调谐的前提下，提升系统的调谐速度；此外，本实用新型专利通过对腔内基频光和OPO腔的模式进行模拟计算，合理设计腔型结构，在保证系统结构紧凑性的前提下大大改善腔内模式匹配，从而有效提高了中红外激光的转换效率。调谐范围广、调谐速度快且能够在确保系统结构紧凑的同时，有效提高OPO的转换效率的用于高分辨率光谱分析，实用性好。
上述实施例对本实用新型的具体描述，只用于对本实用新型进行进一步说明，不能理解为对本实用新型保护范围的限定，本领域的技术工程师根据上述实用新型的内容对本实用新型作出一些非本质的改进和调整均落入本实用新型的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种高效中红外连续可调谐光参量振荡激光器，包括808nm的半导体激光器、Nd:YVO4晶体和滤光镜，其特征在于：还包括扇形极化周期的PPLN晶体和OPO系统，所述OPO系统包括输入镜、中间镜和输出镜，其中，输入镜和输出镜构成基频光谐振腔，中间镜和输出镜构成OPO谐振腔；所述输入镜的曲率半径为320mm，所述中间镜的曲率半径为500mm，所述输出镜的曲率半径为500mm；808nm的半导体激光器泵浦Nd:YVO4晶体产生1064nm的基频激光，基频光通过中间镜片后进入PPLN晶体中进行光参量过程，该过程产生的信号光和中红外波段的闲频光从输出镜输出；通过调整扇形极化周期的PPLN晶体位置，使基频光入射到扇形极化周期PPLN晶体的不同位置，从而获得连续可调谐输出。
2.根据权利要求1所述的一种高效中红外连续可调谐光参量振荡激光器，其特征在于：连续可调谐中红外激光器的光路依次为808nm的半导体激光器、输入镜片、Nd:YVO4晶体、中间镜片、扇形极化周期的PPLN晶体、输出镜片和滤光镜，所述半导体激光器、输入镜片、Nd:YVO4晶体、中间镜片、PPLN晶体、输出镜片和滤光镜分别通过支架或连接件连接，相邻两个元件之间留有间隙。
3.根据权利要求2所述的一种高效中红外连续可调谐光参量振荡激光器，其特征在于：所述输入镜左端面镀制对半导体泵浦源波长808nm高透射的第一介质膜，输入镜的右端面镀制对波长808nm高透射，且对1064nm波段激光高反射的第二介质膜；所述中间镜的左端面靠镀对1064nm波段激光高透射的第三介质膜，中间镜的右端面镀对1400-1700nm信号光和2900-4200nm闲频光波段高反射和对1064nm增透射的第四介质膜；所述输出镜的左端面镀对1064nm波段激光高反射和对信号光部分透过，同时对闲频光高透射的第五介质膜；Nd:YVO4晶体两端面均镀膜制对808nm和1064nm波段激光增透的第一增透膜，PPLN晶体两端面均镀制对基频光、信号光和闲频光增透的第二增透膜；利用一片滤光镜将产生的信号光和中红外闲频光分离，该滤光镜的左端面镀制信号光高反射，同时对闲频光高透射的第六介质膜。
4.根据权利要求3所述的一种高效中红外连续可调谐光参量振荡激光器，其特征在于：半导体激光器发射出的808nm激光通过输入镜后端面泵浦Nd:YVO4晶体，产生的1064nm激光在输入镜和输出镜组成的腔内形成振荡；1064nm激光通过中间镜后进入扇形极化周期的PPLN晶体，在中间镜和输出镜构成的腔内形成振荡，通过输出镜产生信号光和中红外闲频光输出；利用倾斜放置的滤光镜将信号光反射而将闲频光透射，从而将信号光和中红外闲频光分离，获得纯净的中红外闲频光输出；扇形极化周期的PPLN晶体处设置有一个具有3个自由度可调的调整架上，通过调节调整架来移动PPLN晶体的空间位置，使基频光在不同位置的PPLN晶体中实现参量过程，从而获得不同波长的参量光输出。
5.根据权利要求1所述的一种高效中红外连续可调谐光参量振荡激光器，其特征在于：所述输入镜采用平凹输入镜，所述中间镜采用平凹输入镜，所述输出镜为平凹输出镜。
6.根据权利要求1所述的一种高效中红外连续可调谐光参量振荡激光器，其特征在于：PPLN晶体的极化周期从28.5μm逐渐增大到31.5μm，可以实现极化周期的连续变化，当1μm的基频光通过扇形极化周期PPLN晶体的不同位置时，不同极化周期的PPLN晶体参与非线性过程，从而输出不同波长的信号光和闲频光。
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| CN201920468620.6U CN209418978U (zh) | 2019-04-09 | 2019-04-09 | 高效中红外连续可调谐光参量振荡激光器 |
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Cited By (3)
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| DE212021000433U1 (de) | 2020-10-16 | 2023-04-11 | Nanjing Nanzhi Advanced Photoelectric Integrated Technology Research Institute Co., Ltd. | Doppelmikroscheibe-basierter Miniatur-Mittelinfrarotlaser |
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2019
- 2019-04-09 CN CN201920468620.6U patent/CN209418978U/zh active Active
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |