CN2882042Y - 全固态准连续宽带近红外相干光源 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种全固态、可调谐、连续宽带激光光源。本实用新型提供的全固态准连续宽带近红外相干光源，包括一级泵浦源，一级耦合系统，二级泵浦源，二级耦合系统，光学参量振荡腔。本实用新型提供的红外光源，不仅具有全固态激光器功率水平高、结构紧凑、价格便宜等优势，还具有准相位匹配光学参量振荡器的宽带可调谐，体积小的优点，在医学成像、环境监测、光纤通信、光谱分析、光电对抗及光传感等领域具有广大的科学研究价值和广阔的应用前景。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种激光光源，尤其涉及一种全固态、可调谐、连续宽带激光光源。
背景技术
PPLN光学参量振荡器在泵浦波长调谐情况下泵浦光与信号光(闲频光)的关系曲线为ε型折回线，并发现不同周期下的调谐曲线的形状有较小的渐变，总体位置随着极化周期的增大而向右平移。与极化周期改变的情形类似，不同温度下的调谐曲线的形状也有较小的渐变，总体位置随着温度的增加而向右平移。考虑到极化周期和温度的改变可以使曲线的形状得到渐变，并使曲线总体左右平移，我们在较大范围内改变极化周期，发现当调整极化周期到27微米附近，调谐曲线的折回部分已经变为近乎垂直的一条线，这部分对应的泵浦波长在940nm附近。这就启发我们如果找到940nm附近的泵浦光源，在极窄的泵浦光波段调谐泵浦下，就能得到很宽的参量光的输出。这对于产生宽带红外相干光源又有很大的实际应用意义。
发明内容
本实用新型的所要解决的技术问题是提供一种高输出功率、高效率、可调谐波长范围大、寿命长、结构紧凑而体积小的红外可调谐光源，从而满足在光通讯、光动力学、光计算、环境监测、光学相干层析成像、激光遥感、激光雷达以及光谱学研究等许多重要领域的应用。为此，本发明采用如下的技术方案。
一种全固态准连续宽带近红外相干光源，包括一级泵浦源，一级耦合系统，二级泵浦源，二级耦合系统，光学参量振荡腔：
一级泵浦源包括由第一平面镜(M1)和第二平面镜(M2)构成的平-平腔结构，在第一平面镜(M1)和第二平面镜(M2)之间自第一平面镜(M1)开始依次设有对基频光进行调制的声光开关器件(Q)、高功率半导体阵列激光器、谐波反射镜和倍频晶体；
一级耦合系统包括第一耦合透镜(L1)，用以将一级泵浦源产生的532nm泵浦光耦合进二级泵浦源的谐振腔；
二级泵浦源的谐振腔由第三平面镜(M3)和第四平面镜(M4)构成，在上述第一耦合透镜的焦点处设置钛宝石晶体，在第三平面镜(M3)和钛宝石晶体之间设有棱镜，所述棱镜作为波长调谐元件；使钛宝石晶体输出的泵浦光调谐到940nm；
二级耦合系统包括第二耦合透镜(L2)，用以将二级泵浦源产生的940nm的泵浦光耦合进光学参量振荡腔；
光学参量振荡腔由后镜(M5)和输出镜(M6)构成，在位于两者之间的第二耦合透镜焦点附近设置PPLN晶体，PPLN晶体固定在温控炉中，温控炉温度在300K到473K可以连续变化。
其中，
高功率半导体阵列激光器的激光介质为Nd:YAG，尺寸为φ3×80mm，两端磨成平面，镀1064nm的增透膜，由流动的冷却水对激光二极管阵列和激光介质提供冷却。
倍频晶体为KTP晶体，采用II类相位匹配，切割角为θ＝90°，φ＝23.6°，尺寸为6×6×10mm，镀1064nm增透膜。
钛宝石晶体的中心轴线垂直于晶轴，具有两个以布儒斯特角切割的通光端面，且所述两个通光端面的法线均与晶轴处于同一平面内，在布儒斯特入射面内的泵浦光的偏振方向与晶轴一致。钛宝石晶体通光方向长度为15mm，截面是边长为5mm的正方形。
PPLN晶体的极化周期为27um，其端面对泵浦光940nm和OPO输出波段镀增透膜。
作为更进一步的优选方案，
第一平面镜(M1)镀1064nm高反膜；
声光开关器件(Q)的调制频率为1～50kHz，镀1064nm增透膜；
第二平面镜(M2)镀1064nm高反膜和532nm增透膜；
所述谐振腔的第三平面镜(M3)，镀850～950高反膜；
构成所述谐振腔的第四平面镜(M4)，镀532nm高反膜，在850～950nm透过率波段透过率为10％。
后镜(M5)对钛宝石运转波段940nm镀高透膜，对OPO输出波段镀高反膜；
输出镜(M6)，曲率半径为100mm，对钛宝石运转波段镀高反膜，对OPO输出波段的透过率约为15％。
本实用新型具有以下的有益效果：
①本实用新型的一级泵浦源是一种全固态激光器，具有结构紧凑、牢固耐用、价格便宜的特点，全固态激光器的运转方式多样，可以在连续、脉冲、调Q以及锁模下运行，而以准连续方式运转的激光器峰值功率高，在提高泵浦效率上具有明显的优势。
②本实用新型的二级泵浦源采用钛宝石激光器，钛宝石激光器是迄今为止输出光谱在红外和近红外波段调谐范围最宽的固体激光器之一，并且它的转换效率高，运转方便，可用多种不同波长光源泵浦，当采用准连续运转方式时，由于钛宝石的增益开关作用，钛宝石激光的脉宽与泵浦源相比可降低一个数量级，极大地提高了峰值功率，是PPLN参量振荡器的理想泵浦源。
③目前，采用周期极化晶体实现准相位匹配光学参量振荡器，是实现可调谐红外光源的一种新型的重要手段和有效途径，利用高功率全固态激光器输出的特定波长，泵浦周期极化晶体，通过调整相关参数，可以得到高输出功率、高效率、可调谐波长范围大、寿命长、结构紧凑而体积小的红外可调谐光源，是一种理想的调谐方式。
④衡量宽带光源性能的最主要的两个指标是功率水平和光谱宽度，而全固态准连续宽带近红外相干光源，不仅具有全固态激光器功率水平高、结构紧凑、价格便宜等优势，还具有准相位匹配光学参量振荡器的宽带可调谐，体积小的优点，在医学成像、环境监测、光纤通信、光谱分析、光电对抗及光传感等领域具有广大的科学研究价值和广阔的应用前景。
附图说明
图1为本实用新型的全固态准连续宽带近红外相干光源的结构示意图。
具体实施方式
本实用新型提供的全固态准连续宽带近红外相干光源全部采用全固态器件，以准连续方式运转；一级装置采用LD作为原始泵浦源，平平腔结构设计，腔长330mm，倍频晶体KTP尺寸为6×6×10mm，声光Q开关的重复频率为5kHz；耦合透镜焦距为150mm，将532nm泵浦光聚焦到钛宝石激光腔中；二级装置采用平平腔结构，腔长60mm，钛宝石晶体5×5×16mm，端面切割成布儒斯特角；以棱镜作为波长调谐元件，使钛宝石输出光可调谐到940nm；用波长为940nm的钛宝石激光作为泵浦光波长泵浦PPLN参量振荡器；三级装置采用平凹腔结构，腔长80mm。PPLN晶体固定在温控炉中，温控炉温度在300K到473K可以连续变化；本实用新型提供的声光Q开关的重复频率为5kHz可输出1.2～2.8um连续可调的准连续运转宽带光源。下面对结合附图对本实用新型的三级装置做进一步详细描述。
①钛宝石光的泵浦源：激光二极管阵列泵浦Nd:YAG内腔倍频激光器
M1是1064nm全反镜，M2是钛宝石激光器的532nm泵浦光输出镜，对1064nm光全反，对532nm光高透。M1，M2组成钛宝石激光器的绿光泵浦源，采用具有增益高、激光介质内部模体积大的传统直腔型平-平腔结构，整个谐振腔长定为330mm。采用中科院半导体所生产的高功率半导体阵列激光器作为泵浦源，四组三条激光二极管条对称地排列在YAG棒周围，能够均匀地泵浦激活介质YAG棒。每组二极管条由100个功率为200mW的二极管组成，二极管连续工作，总的最大泵浦功率为240W。整个泵浦组件(包括激光二极管和YAG棒)由流动的冷却水提供冷却。激光介质的尺寸为φ3×80mm，两端磨成平面，镀1064nm的增透膜。声光Q开关的驱动功率为100W，工作频率为27MHz，衍射效率为20％，其调制频率为1～50kHz，有效通光口径15×15mm，镀1064nm增透膜。谐波反射镜对1064nm光高透，对532nm光高反，以提高倍频转换效率。KTP晶体采用II类相位匹配角切割(θ＝90°，φ＝23.6°)，尺寸为6×6×10mm，镀1064nm增透膜。
②PPLN参量振荡器的泵浦源：准连续钛宝石激光器
为了使532nm泵浦光与钛宝石振荡光模式更好的匹配，获得更高的功率密度，使用一个焦距为150mm的聚焦透镜L1把泵浦光汇聚到钛宝石腔中，钛宝石晶体放在泵浦光光束的焦点处。钛宝石晶体通光方向长度为15mm，截面是边长为5mm的正方形。使钛宝石棒的中心轴线垂直于晶轴c，两通光端面以布儒斯特角切割，且使两通光表面的法线与晶轴c处于同一平面内。在布儒斯特入射面内的泵浦光的偏振方向与c轴一致。采用平平腔组成钛宝石激光的谐振腔，腔长约200mm，晶体大概放在腔的中心位置。M3全反镜对钛宝石运转波段850～950nm镀高反膜，输出镜M4对532nm镀高反膜，在850～950nm透过率波段透过率为10％。以棱镜作为波长调谐元件，使钛宝石能够输出940nm的窄带激光。
③准连续运转波长调谐PPLN光学参量振荡器
M是钛宝石波段的全反镜，以减小整个实验装置的体积。L2是焦距100mm的聚焦透镜，以提高钛宝石泵浦光的功率密度。M5为OPO后镜，对钛宝石运转波段940nm镀高透膜，对OPO输出波段镀高反膜。M6为OPO输出镜，曲率半径为100mm，对钛宝石波段镀高反膜，对OPO输出波段的透过率约为15％。整个光学参量振荡器腔长约为80mm。采用的PPLN晶体的极化周期为27um，使其工作温度在100℃下。PPLN晶体端面对泵浦光940nm和OPO输出波段镀增透膜。
根据我们的理论计算所得到的曲线为依据对OPO调谐波段进行腔镜镀膜选择，实现OPO调谐输出1.2～2.8um的宽带近红外光谱范围。
Claims (7)
1.一种全固态准连续宽带近红外相干光源，包括一级泵浦源，一级耦合系统，二级泵浦源，二级耦合系统，光学参量振荡腔，其特征是：
所述一级泵浦源包括由第一平面镜(M1)和第二平面镜(M2)构成的平-平腔结构，在第一平面镜(M1)和第二平面镜(M2)之间自第一平面镜(M1)开始依次设有对基频光进行调制的声光开关器件(Q)、高功率半导体阵列激光器、谐波反射镜和倍频晶体；
所述一级耦合系统包括第一耦合透镜(L1)，用以将一级泵浦源产生的532nm泵浦光耦合进二级泵浦源的谐振腔；
所述二级泵浦源的谐振腔由第三平面镜(M3)和第四平面镜(M4)构成，在上述第一耦合透镜的焦点处设置钛宝石晶体，在第三平面镜(M3)和钛宝石晶体之间设有棱镜，所述棱镜作为波长调谐元件；使钛宝石晶体输出的泵浦光调谐到940nm；
所述二级耦合系统包括第二耦合透镜(L2)，用以将二级泵浦源产生的940nm的泵浦光耦合进光学参量振荡腔；
所述光学参量振荡腔由后镜(M5)和输出镜(M6)构成，在位于两者之间的第二耦合透镜焦点附近设置PPLN晶体，PPLN晶体固定在温控炉中，温控炉温度在300K到473K可以连续变化。
2.根据权利要求1所述的全固态准连续宽带近红外相干光源，其特征在于，所述高功率半导体阵列激光器的激光介质为Nd:YAG，尺寸为φ3×80mm，两端磨成平面，镀1064nm的增透膜，由流动的冷却水对激光二极管阵列和激光介质提供冷却。
3.根据权利要求1所述的全固态准连续宽带近红外相干光源，其特征在于，所述倍频晶体为KTP晶体，采用II类相位匹配，切割角为θ＝90°，φ＝23.6°，尺寸为6×6×10mm，镀1064nm增透膜。
4.根据权利要求1所述的全固态准连续宽带近红外相干光源，其特征在于，所述钛宝石晶体的中心轴线垂直于晶轴，具有两个以布儒斯特角切割的通光端面，且所述两个通光端面的法线均与晶轴处于同一平面内，在布儒斯特入射面内的泵浦光的偏振方向与晶轴一致。
5.根据权利要求1所述的全固态准连续宽带近红外相干光源，其特征在于，所述钛宝石晶体通光方向长度为15mm，截面是边长为5mm的正方形。
6.根据权利要求1所述的全固态准连续宽带近红外相干光源，其特征在于，所述PPLN晶体的极化周期为27um，其端面对泵浦光940nm和OPO输出波段镀增透膜。
7.根据权利要求1至6任意一项所述的全固态准连续宽带近红外相干光源，其特征在于，所述第一平面镜(M1)镀1064nm高反膜；
所述声光开关器件(Q)的调制频率为1～50kHz，镀1064nm增透膜；
所述第二平面镜(M2)镀1064nm高反膜和532nm增透膜；
构成所述谐振腔的第三平面镜(M3)，镀850～950高反膜；
构成所述谐振腔的第四平面镜(M4)，镀532nm高反膜，在850～950nm透过率波段透过率为10％。
后镜(M5)对钛宝石运转波段940nm镀高透膜，对OPO输出波段镀高反膜；
输出镜(M6)，曲率半径为100mm，对钛宝石运转波段镀高反膜，对OPO输出波段的透过率约为15％。
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