CN213936856U - 一种中波单共振光频转换装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种中波单共振光频转换装置，包括探测器、第一2μm反射镜、第二2μm反射镜、第一2μm耦合镜、第二2μm耦合镜、第三2μm耦合镜、中波输出镜、第一磷锗锌晶体、第二磷锗锌晶体、第一聚焦透镜、第二聚焦透镜、第三聚焦透镜、2μm激光器、延时触发器、光束整形器和量子级联激光器。采用了量子级联激光器输出中波红外激光预注入的方式，在保留了中波单共振光频转换装置的波长可调谐性的同时，降低了其中波谐振器的中波红外激光脉冲建立所需时间，降低了阈值泵浦功率，提升了光光转化效率。

Description

一种中波单共振光频转换装置

技术领域

本实用新型涉及固体激光技术领域和非线性光学频率转换领域，特别涉及一种中波单共振光频转换装置。

背景技术

波长范围处于3～5μm的中波红外激光处于大气窗口范围及人眼安全范围，在光电对抗、光谱测量、激光超声检测、透明材料加工等领域具有重要的应用价值。提高中波红外激光器的转化效率能够有效的降低中波红外激光器对于泵浦源的功率要求，改善中波红外激光器的热影响，降低中波红外激光器整机功耗等。

目前，获得中波红外激光的有效方法是通过中波谐振器进行光参量转换将2μm激光转化到中波波段。中波红外激光的脉冲建立对于2μm脉冲持续时间具有一定的依赖性。随着高功率窄脉冲中波红外激光器的需求越来越迫切，特别是飞秒中波红外激光器，其转化效率低的问题逐渐凸显。窄脉冲泵浦周期内，中波红外激光在谐振器内的循环次数较少，促使脉冲建立较为困难，导致中波谐振器阈值泵浦功率较高、光光转化效率低等问题。在中波谐振器中预先注入与谐振相匹配的中波红外激光以增强非线性晶体处的光子扰动，减少脉冲建立所需时间，并利用剩余2μm泵浦的中波放大器进行进一步功率放大，从而有效的提升中波光频转换装置的转化效率。由于预先注入的中波红外激光在脉冲宽度、功率、谱宽等方面没有严格要求，因此易于实现。

实用新型内容

本实用新型针对现有技术中存在的技术问题，提供一种能够实现高效率、高稳定性的中波单共振光频转换装置。

本实用新型解决上述技术问题的技术方案如下：

一种中波单共振光频转换装置，包括：探测器、第一2μm反射镜、第二2μm反射镜、第一2μm耦合镜、第二2μm耦合镜、第三2μm耦合镜、中波输出镜、第一磷锗锌晶体、第二磷锗锌晶体、第一聚焦透镜、第二聚焦透镜、第三聚焦透镜、2μm激光器、延时触发器、光束整形器和量子级联激光器；

2μm激光器输出2μm激光通过第一聚焦透镜和第二2μm耦合镜后注入到中波谐振器内的第一磷锗锌晶体中；

泵浦中波谐振器剩余的2μm激光经过第一2μm耦合镜耦合出中波谐振器，其中部分2μm激光透过第一2μm反射镜后被探测器接收，剩余部分2μm激光作为中波放大器的泵浦激光经第一2μm反射镜反射后经第二聚焦透镜、第二2μm反射镜、第三2μm耦合镜注入到中波放大器内的第二磷锗锌晶体中；

探测器将探测到的2μm激光时序信号传输给延时触发器，延时触发器触发量子级联激光器使其输出3～5μm中波红外激光的时序与2μm激光时序相同；

量子级联激光器输出3～5μm中波红外激光，经光束整形器进行光斑整形后经中波输出镜、第二2μm耦合镜后入射到第一磷锗锌晶体中；

注入的3～5μm中波红外激光与新产生的3～5μm中波红外激光经第一2μm耦合镜反射，一部分3～5μm中波红外激光经中波输出镜反射重新回到中波谐振器中，另一部分3～5μm中波红外激光经中波输出镜输出到中波谐振器以外，耦合出中波谐振器的3～5μm中波红外激光经过第三聚焦透镜、第三2μm耦合镜反射进入第二磷锗锌晶体中，3～5μm中波红外激光经中波放大器放大后输出，从而构成了一种中波单共振光频转换装置。

进一步的，所述的2μm激光器为中波谐振器的泵浦光源，输出的2μm激光为偏振脉冲激光。

进一步的，所述的第一2μm耦合镜、第二2μm耦合镜、第一磷锗锌晶体、中波输出镜共同构成中波谐振器；在2μm激光及量子级联激光器注入的3～5μm激光在磷锗锌晶体内满足相位匹配的情况下，中波谐振器将产生高效率的3～5μm中波激光；中波输出镜为3～4μm单共振输出镜或4～5μm单共振输出镜。

进一步的，所述探测器用于监测2μm激光脉冲时序并将信号反馈给延时触发器。

进一步的，所述延时触发器在接收到探测器反馈的2μm激光脉冲时序后为量子级联激光器提供触发信号，使量子级联激光器输出的中波红外激光在第一磷锗锌晶体、第二磷锗锌晶体处时能够充分与2μm激光时序相匹配，从而使中波谐振器和中波放大器得到较大的增益。

进一步的，所述光束整形器用于对量子级联激光器输出激光光斑形状进行整形，使其与2μm激光光斑形状相匹配，改善中波谐振器和中波放大器输出激光的效率及光斑形状。

进一步的，所述第三2μm耦合镜和第二磷锗锌晶体共同构成中波放大器，中波放大器利用中波谐振器剩余的2μm激光作为泵浦光，进一步对中波谐振器产生的中波激光进行放大，在量子级联激光器产生的中波红外激光预注入的情况下，提高中波单共振光频转换装置的光光转化效率。

本实用新型的有益效果是：本实用新型提供的一种中波单共振光频转换装置设计方案，采用了量子级联激光器输出中波红外激光预注入的方式，在保留了中波单共振光频转换装置的波长可调谐性的同时，降低了其中波谐振器的中波红外激光脉冲建立所需时间，降低了阈值泵浦功率，提升了光光转化效率，另一方面，采用剩余2μm泵浦激光并结合中波红外激光预注入的中波放大器，进一步提升了中波单共振光频转换装置的转化效率。本实用新型装置具有高效率、稳定可靠的优点，在固体激光技术领域和非线性光学频率转换领域具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的中波单共振光频转换装置结构示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1-探测器、201-第一2μm反射镜、202-第二2μm反射镜、301-第一2μm耦合镜、302-第二2μm耦合镜、304-第三2μm耦合镜、303-中波输出镜、401-第一磷锗锌晶体、402-第二磷锗锌晶体、501-第一聚焦透镜、502-第二聚焦透镜、503-第三聚焦透镜、6-2μm激光器、7-延时触发器、8-光束整形器、9-量子级联激光器。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。

如图1所示，本实用新型实施例提供一种中波单共振光频转换装置包括探测器1、第一2μm反射镜201、第二2μm反射镜202、第一2μm耦合镜301、第二2μm耦合镜302、第三2μm耦合镜304、中波输出镜303、第一磷锗锌晶体401、第二磷锗锌晶体402、第一聚焦透镜501、第二聚焦透镜502、第三聚焦透镜503、2μm激光器6、延时触发器7、光束整形器8、量子级联激光器9。

所述的第一2μm耦合镜301、第二2μm耦合镜302、第一磷锗锌晶体401、中波输出镜303共同构成中波谐振器。

所述第三2μm耦合镜304和第二磷锗锌晶体402共同构成中波放大器。

2μm激光器6发射一束2μm脉冲泵浦激光，入射至第一聚焦透镜501，经第一聚焦透镜501光斑变换后，由第二2μm耦合镜302耦合到中波谐振器内的第一磷锗锌晶体401中。此时一部分2μm激光由于非线性作用进行了光频转换，剩余的2μm激光经第一2μm耦合镜301耦合出中波谐振器。

剩余的2μm激光一部分穿过第一2μm反射镜201进入探测器1，探测器1将探测到的时序信号传输给延时触发器7，延时触发器7在经过一定延时后触发量子级联激光器9使其发射出3～5μm中波红外激光，该中波红外激光的具体波长满足磷锗锌晶体相位匹配，并使其在第一磷锗锌晶体401处与2μm激光脉冲周期重合。另一部分2μm激光经第一2μm反射镜201反射进入第二聚焦透镜502，经聚焦后经第二2μm反射镜202反射并经第三2μm耦合镜304入射到中波放大器内的第二磷锗锌晶体402中。

中波谐振器的谐振方式分为2种，中波输出镜303分别对应为3～4μm短波谐振输出镜和4～5μm长波谐振输出镜。当谐振方式为短波谐振时，量子级联激光器9输出的中波红外激光波长应在4～5μm范围，当谐振方式为长波谐振时，量子级联激光器9输出的中波红外激光波长应在3～4μm范围。

量子级联激光器9输出的中波红外激光经过光束整形器8进行光束整形后由中波输出镜303注入中波谐振器并经第二2μm耦合镜302注入到第一磷锗锌晶体401，由于中波输出镜对量子级联激光器输出的中波激光高透，因此可以全部耦合进中波谐振器。此时，由于量子级联激光器输出的中波激光增强了第一磷锗锌晶体401处的光子扰动，增加了初始的中波激光光子，使其脉冲建立所需时间缩短，提高了非线性频率转换的效率。第一磷锗锌晶体401处新产生的中波红外激光包括3～4μm和4～5μm两个波段内的中波激光。

新产生的中波红外激光与量子级联激光器9注入的中波红外激光共同经第一2μm耦合镜301反射，一部分经中波输出镜303反射回中波谐振器内继续参与非线性作用，另一部分耦合出中波谐振器外。当中波输出镜303为短波谐振输出镜时，4～5μm波段内的激光全部耦合出中波谐振腔外，3～4μm波段内的激光部分耦合出中波谐振腔外；当中波输出镜303为长波谐振输出镜时，3～4μm激光波段内的全部耦合出中波谐振腔外，4～5μm激光部分耦合出中波谐振腔外。

耦合出中波谐振器的中波激光经过第三聚焦透镜503进行聚焦后，经第三2μm耦合镜304反射进入到中波放大器内的第二磷锗锌晶体402中，此时中波激光中由量子级联激光器9产生的激光仍然作为预注入作用，在中波谐振器产生的中波激光功率较低时预注入将起到增强中波放大器转化效率的作用，在中波谐振器产生的中波激光功率较高时，中波激光预注入作用效果将存在一定程度的减弱。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种中波单共振光频转换装置，其特征在于，包括：探测器、第一2μm反射镜、第二2μm反射镜、第一2μm耦合镜、第二2μm耦合镜、第三2μm耦合镜、中波输出镜、第一磷锗锌晶体、第二磷锗锌晶体、第一聚焦透镜、第二聚焦透镜、第三聚焦透镜、2μm激光器、延时触发器、光束整形器和量子级联激光器；

2μm激光器输出2μm激光通过第一聚焦透镜和第二2μm耦合镜后注入到中波谐振器内的第一磷锗锌晶体中；

泵浦中波谐振器剩余的2μm激光经过第一2μm耦合镜耦合出中波谐振器，其中部分2μm激光透过第一2μm反射镜后被探测器接收，剩余部分2μm激光作为中波放大器的泵浦激光经第一2μm反射镜反射后经第二聚焦透镜、第二2μm反射镜、第三2μm耦合镜注入到中波放大器内的第二磷锗锌晶体中；

探测器将探测到的2μm激光时序信号传输给延时触发器，延时触发器触发量子级联激光器使其输出3～5μm中波红外激光的时序与2μm激光时序相同；

量子级联激光器输出3～5μm中波红外激光，经光束整形器进行光斑整形后经中波输出镜、第二2μm耦合镜后入射到第一磷锗锌晶体中；

注入的3～5μm中波红外激光与新产生的3～5μm中波红外激光经第一2μm耦合镜反射，一部分3～5μm中波红外激光经中波输出镜反射重新回到中波谐振器中，另一部分3～5μm中波红外激光经中波输出镜输出到中波谐振器以外，耦合出中波谐振器的3～5μm中波红外激光经过第三聚焦透镜、第三2μm耦合镜反射进入第二磷锗锌晶体中，3～5μm中波红外激光经中波放大器放大后输出，从而构成了一种中波单共振光频转换装置。

2.根据权利要求1所述的中波单共振光频转换装置，其特征在于，所述的2μm激光器为中波谐振器的泵浦光源，输出的2μm激光为偏振脉冲激光。

3.根据权利要求1所述的中波单共振光频转换装置，其特征在于，所述的第一2μm耦合镜、第二2μm耦合镜、第一磷锗锌晶体、中波输出镜共同构成中波谐振器；在2μm激光及量子级联激光器注入的3～5μm激光在磷锗锌晶体内满足相位匹配的情况下，中波谐振器将产生高效率的3～5μm中波激光；中波输出镜为3～4μm单共振输出镜或4～5μm单共振输出镜。

4.根据权利要求1所述的中波单共振光频转换装置，其特征在于，所述探测器用于监测2μm激光脉冲时序并将信号反馈给延时触发器。

5.根据权利要求1所述的中波单共振光频转换装置，其特征在于，所述延时触发器在接收到探测器反馈的2μm激光脉冲时序后为量子级联激光器提供触发信号，使量子级联激光器输出的中波红外激光在第一磷锗锌晶体、第二磷锗锌晶体处时能够充分与2μm激光时序相匹配，从而使中波谐振器和中波放大器得到较大的增益。

6.根据权利要求1所述的中波单共振光频转换装置，其特征在于，所述光束整形器用于对量子级联激光器输出激光光斑形状进行整形，使其与2μm激光光斑形状相匹配，改善中波谐振器和中波放大器输出激光的效率及光斑形状。

7.根据权利要求1所述的中波单共振光频转换装置，其特征在于，所述第三2μm耦合镜和第二磷锗锌晶体共同构成中波放大器，中波放大器利用中波谐振器剩余的2μm激光作为泵浦光，进一步对中波谐振器产生的中波激光进行放大，在量子级联激光器产生的中波红外激光预注入的情况下，提高中波单共振光频转换装置的光光转化效率。

Images