專利名稱:一種緊湊三腔鏡中紅外環(huán)形光參量振蕩器的制造方法
【專利摘要】本實用新型提供了一種緊湊三腔鏡中紅外環(huán)形光參量振蕩器的技術方案，該方案包括有OPO泵浦源、泵浦耦合系統(tǒng)和OPO環(huán)形腔；泵浦耦合系統(tǒng)內設置有前耦合透鏡和后耦合透鏡；OPO環(huán)形腔內設置有OPO反射鏡、OPO短波中紅外輸出鏡、OPO長波中紅外輸出鏡和非線性晶體。該方案能夠實現(xiàn)OPO小型化，減小了激光器的出光閾值，提高了轉換效率，降低了環(huán)形腔的復雜度，提高了OPO系統(tǒng)的可靠性，同時減小了OPO系統(tǒng)的體積和重量。
【專利說明】一種緊湊三腔鏡中紅外環(huán)形光參量振蕩器

【技術領域】
[0001]本實用新型涉及激光器技術，尤其是一種緊湊三腔鏡中紅外環(huán)形光參量振蕩器。

【背景技術】
[0002]在現(xiàn)有技術中，公知的技術是3-5 μπι的中紅外激光廣泛應用于光電對抗、大氣監(jiān)測、分子光譜學、激光醫(yī)療等國防、科研及民用領域。隨著應用領域的不斷擴展和深入，具有一定功率水平、可調諧、小型化中紅外固體激光器近年來備受關注。基于頻率變換的光參量振蕩器(OPO)是產生高功率、可調諧中紅外激光的有效途徑之一。
[0003]OPO系統(tǒng)主要由泵浦激光器、耦合隔離系統(tǒng)、非線性晶體和諧振腔鏡組成。而OPO僅由非線性晶體和腔鏡組成，其結構簡單、緊湊，非常有利于向小型化方向發(fā)展。但是其泵浦激光器卻相對復雜和龐大，難以與OPO集成實現(xiàn)整體小型化。隨著I ym和2 ym光纖激光技術的發(fā)展，為中紅外OPO的小型化提供了另一種思路，即將作為泵浦源的光纖激光器與OPO分離集成，從而實現(xiàn)OPO的小型化。
[0004]在直線腔OPO中，為了降低閾值、提高泵浦光的轉換效率，輸出鏡通常對泵浦激光反射，使泵浦激光往返通過非線性晶體。然而為了防止回光對泵浦激光器的影響，則須在泵浦激光器和OPO之間加入隔離系統(tǒng)。這將增加OPO的重量和體積，以及系統(tǒng)的復雜性。特別地，當OPO處于簡并波長附近時，直線腔OPO將存在嚴重的逆轉換效應，降低泵浦光的轉換效率。
[0005]為了減小逆轉換效應，避免回光對泵浦激光的影響，提出了在小型化OPO中采用環(huán)形腔的設計思路。而小型化OPO對體積、重量和可靠性方面的提出了嚴格要求，常見的四腔鏡環(huán)形腔(矩形或X型)并不完全適用，需要專門針對小型化進行優(yōu)化設計，這是現(xiàn)有技術所存在的不足之處。
實用新型內容
[0006]本實用新型的目的，就是針對現(xiàn)有技術所存在的不足，而提供一種緊湊三腔鏡雙波段中紅外環(huán)形光參量振蕩器的技術方案，該方案能夠實現(xiàn)OPO小型化，減小了激光器的出光閾值，提高了轉換效率，降低了環(huán)形腔的復雜度，提高了 OPO系統(tǒng)的可靠性，同時減小了 OPO系統(tǒng)的體積和重量。
[0007]本方案是通過如下技術措施來實現(xiàn)的:一種緊湊三腔鏡中紅外環(huán)形光參量振蕩器，包括有作為OPO泵浦源的光纖激光器和OPO系統(tǒng)外殼，其特征是:0P0系統(tǒng)外殼內包括有泵浦耦合系統(tǒng)和OPO環(huán)形腔；泵浦耦合系統(tǒng)內設置有前耦合透鏡和后耦合透鏡；0P0環(huán)形腔內設置有OPO反射鏡、OPO短波中紅外輸出鏡、OPO長波中紅外輸出鏡和非線性晶體；光纖激光器發(fā)出的激光束依次穿過前耦合透鏡和后耦合透鏡后進入OPO環(huán)形腔；激光束進入OPO環(huán)形腔后依次穿過OPO反射鏡和非線性晶體后，射向OPO長波中紅外輸出鏡；激光束中的長波紅外光穿過OPO長波中紅外輸出鏡射出OPO環(huán)形腔，激光束中的短波紅外光經過OPO長波中紅外輸出鏡反射到OPO短波中紅外輸出鏡后射出OPO環(huán)形腔。
[0008]作為本方案的優(yōu)選:前耦合透鏡與后耦合透鏡焦距之比為激光束的纖芯大小與期望腰斑大小之比。
[0009]作為本方案的優(yōu)選:前耦合透鏡與光纖激光器之間的距離等于前耦合透鏡的焦距長度。
[0010]作為本方案的優(yōu)選:前耦合透鏡和后耦合透鏡同軸放置，所述非線性晶體置于后耦合透鏡的焦點位置。
[0011]作為本方案的優(yōu)選:光纖激光器能夠輸出雙波長或多波長脈沖激光。
[0012]作為本方案的優(yōu)選:OPO長波中紅外輸出鏡為平凹鏡，且對長波紅外光具有較高的透射率，對其他波長的紅外光具有較高的反射率。
[0013]作為本方案的優(yōu)選:OPO短波中紅外輸出鏡為平凹鏡，且對短波紅外光具有較高的透射率，對其他波長的紅外光具有較高的反射率。
[0014]本方案的有益效果可根據(jù)對上述方案的敘述得知，由于在該方案中采用兩塊短焦距的透鏡組合，通過優(yōu)化兩塊透鏡的焦距和相對距離，將泵浦激光的光斑大小、束腰位置、發(fā)散角等在OPO環(huán)形腔中實現(xiàn)最佳匹配，而后實現(xiàn)模塊化裝夾，提高OPO系統(tǒng)的可靠性。采用三腔鏡環(huán)形腔結構，減小逆轉換效應，提高轉換效率，避免隔離系統(tǒng)，減小OPO系統(tǒng)的體積。與四腔鏡OPO環(huán)形腔相比，三腔鏡OPO環(huán)形腔減小了激光器的出光閾值，提高了轉換效率，降低了環(huán)形腔的復雜度，提高了 OPO系統(tǒng)的可靠性，同時減小了 OPO系統(tǒng)的體積和重量。OPO短波中紅外輸出鏡與OPO長波中紅外輸出鏡采用平凹鏡，有效降低OPO出光閾值，提高OPO轉換效率。通過設計OPO兩個腔鏡的鍍膜參數(shù)，實現(xiàn)激光器從兩個出口分別輸出兩種不同波長的中紅外激光。
[0015]由此可見，本實用新型與現(xiàn)有技術相比，具有實質性特點和進步，其實施的有益效果也是顯而易見的。

【附圖說明】

[0016]圖1為本實用新型的結構示意圖。
[0017]圖中，I為光纖激光器，2為前耦合透鏡，3為后耦合透鏡，4為OPO環(huán)形腔，5為OPO短波中紅外輸出鏡，6為OPO系統(tǒng)外殼，7為OPO長波中紅外輸出鏡，8為非線性晶體，9為OPO全反鏡，10為泵浦耦合系統(tǒng)，11為短波紅外光，12為長波紅外光。

【具體實施方式】
[0018]為能清楚說明本方案的技術特點，下面通過一個【具體實施方式】，并結合其附圖，對本方案進行闡述。
[0019]緊湊三腔鏡雙波段中紅外環(huán)形光參量振蕩器包括:作為泵浦源的光纖激光器1，前耦合透鏡2，后耦合透鏡3，OPO短波中紅外輸出鏡5，OPO長波中紅外輸出鏡7，非線性晶體8，OPO全反鏡9，泵浦耦合系統(tǒng)10，環(huán)形腔0P04，0P0系統(tǒng)外殼6。泵浦耦合系統(tǒng)10由前耦合透鏡2，后耦合透鏡3組成，它們的焦距和相對位置都經過嚴格設定，而且為了減小系統(tǒng)體積，泵浦耦合系統(tǒng)10的長度盡量減小。環(huán)形腔0P04由OPO短波中紅外輸出鏡5，OPO全反鏡9，OPO長波中紅外輸出鏡7，非線性晶體8組成，OPO長波中紅外輸出鏡7為45°放置，OPO長波中紅外輸出鏡5和OPO反射鏡9的相對位置和角度將根據(jù)具體的實施方式而進行調整。
[0020]【具體實施方式】一:
[0021]作為泵浦源的光纖激光器I采用2mm脈沖光纖激光器，重復頻率為1-1OOkHz可調，脈沖寬度百納秒級，采用保偏光纖實現(xiàn)線偏振輸出，以達到OPO的相位匹配條件。
[0022]泵浦耦合系統(tǒng)10實現(xiàn)對光纖激光器輸出的2mm脈沖激光進行準直和擴束，前耦合透鏡2，后耦合透鏡3雙面均鍍有2mm的增透膜。
[0023]環(huán)形腔0P05環(huán)形腔0P04中的非線性晶體8采用兩塊光軸方向相對放置的ZGP晶體(ZnGeP2，磷鍺鋅)，以補償雙折射相位匹配下的走離補償，同時增加光參量轉換的增益長度，降低出光閾值，提高轉換效率。OPO全反鏡9對2mm激光具有高透射率，對4mm附近的激光具有高反射率，成一定角度放置。OPO短波中紅外輸出鏡5對4_附近的激光具有高反射率，對2_激光具有高透射率，成一定角度放置。OPO長波中紅外輸出鏡7對2_激光具有高反射率，對4mm附近的激光具有部分反射率，成45度放置。通過調整OPO短波中紅外輸出鏡5，OPO全反鏡9的相對位置和角度，實現(xiàn)三腔鏡環(huán)形腔OPO的高效運轉。通過改變ZGP晶體的角度和工作溫度，可以實現(xiàn)3~5mm波段的調諧。環(huán)形腔0P04輸出的激光中包含OPO長波中紅外輸出鏡7輸出的光參量轉換產生的4mm附近的激光，以及OPO短波中紅外輸出鏡5輸出的剩余的未轉換的2泵浦激光。
[0024]系統(tǒng)集成后，OPO系統(tǒng)外殼6的體積可以控制在80mmX80mmX 220mm以內，重量小于2.5kg，雙波段輸出功率達到數(shù)十瓦。
[0025]【具體實施方式】二:
[0026]結合圖1說明本實施方式，本實施方式與實施方式一所述的區(qū)別在于，非線性晶體采用PPLN晶體(Per1dically Poled Lithium N1bate，周期極化銀酸鋰)，晶體兩個通光面鍍有泵浦激光和參量激光的增透膜。由于PPLN晶體是基于準相位匹配，不存在走離效應，因此不需要雙晶體進行走離補償。通過設計PPLN晶體的極化周期(單周期、多周期、扇形周期、混合周期)、入射角度和工作溫度(通常室溫到200°C)等，在滿足相位匹配條件和PPLN吸收截止波段內，可以實現(xiàn)l~4mm附近的連續(xù)高精度調諧，并且有望實現(xiàn)多波段(多2)甚至超連續(xù)譜的中紅外激光輸出。
[0027]【具體實施方式】三:
[0028]結合圖1說明本實施方式，本實施方式與實施方式二所述的區(qū)別在于，作為泵浦源的光纖激光器I采用Imm脈沖光纖激光器，重復頻率、脈沖寬度、光束質量等參數(shù)與實施方式一中的類似。泵浦耦合系統(tǒng)10中的前耦合透鏡2，后耦合透鏡3雙面均鍍有Imm的增透膜。OPO全反鏡9對Imm激光具有高透射率，對近紅外信號光和中紅外閑頻光具有高反射率，成一定角度放置。OPO短波中紅外輸出鏡5對近紅外信號光具有部分透射率，對中紅外閑頻光具有高反射率=。OPO長波中紅外輸出鏡7對1_激光具有高透射率，對近紅外信號光具有高反射率，對中紅外閑頻光具有部分透射率_。通過調整OPO短波中紅外輸出鏡5，OPO全反鏡9的相對位置和角度，實現(xiàn)三腔鏡環(huán)形腔OPO的高效運轉。環(huán)形腔0P04輸出的激光中包含OPO長波中紅外輸出鏡7輸出的光參量轉換產生的中紅外光，以及OPO短波中紅外輸出鏡5輸出的近紅外光。
[0029]【具體實施方式】四:
[0030]結合圖1說明本實施方式，本實施方式與實施方式一、實施方式二所述的區(qū)別在于作為泵浦源的2mm激光器采用技術成熟的Tm, Ho摻雜的固體激光器，通過2mm的傳輸光纖進入泵浦耦合系統(tǒng)10。
[0031]【具體實施方式】五:
[0032]結合圖1說明本實施方式，本實施方式與實施方式四所述的區(qū)別在于作為泵浦源的~2mm激光器采用KTP-OPO固體激光器，通過2mm的傳輸光纖進入泵浦耦合系統(tǒng)10。
[0033]【具體實施方式】六:
[0034]結合圖1說明本實施方式，本實施方式與實施方式三所述的區(qū)別在于為泵浦源的Imm激光器采用技術成熟的Nd摻雜的固體激光器(如Nd: YAG、Nd: YV04、Nd: YLF等)，通過Imm的傳輸光纖進入泵浦耦合系統(tǒng)10。
[0035]【具體實施方式】七:
[0036]結合圖1說明本實施方式，本實施方式與實施方式六所述的區(qū)別在于為泵浦源的1.319_激光器采用技術成熟的Nd摻雜的固體激光器，通過1.319mm的傳輸光纖進入泵浦耦合系統(tǒng)10。泵浦耦合系統(tǒng)10中的前耦合透鏡2，后耦合透鏡3雙面均鍍有1.319mm的增透膜。OPO全反鏡9對1.319_激光具有高透射率，對近紅外信號光和中紅外閑頻光具有高反射率，成一定角度放置。OPO長波中紅外輸出鏡7對1.319_激光具有高透射率，對近紅外信號光具有高反射率，對中紅外閑頻光具有部分透射率。
[0037]【具體實施方式】八:
[0038]結合圖1說明本實施方式，本實施方式與實施方式七所述的區(qū)別在于為泵浦源的1.9mm激光器采用的Tm摻雜的固體激光器(如Tm: YAP、Tm: YLF等)，通過1.9mm的傳輸光纖進入泵浦耦合系統(tǒng)10。泵浦耦合系統(tǒng)10中的前耦合透鏡2，后耦合透鏡3雙面均鍍有1.9mm的增透膜。OPO全反鏡9對1.9_激光具有高透射率，對近紅外信號光和中紅外閑頻光具有高反射率，成一定角度放置。OPO長波中紅外輸出鏡7對1.9_激光具有高透射率，對近紅外信號光具有高反射率，對中紅外閑頻光具有部分透射率。
[0039]以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，并不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本實用新型的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種緊湊三腔鏡中紅外環(huán)形光參量振蕩器，包括有作為OPO泵浦源的光纖激光器和OPO系統(tǒng)外殼，其特征是:所述OPO系統(tǒng)外殼內包括有泵浦耦合系統(tǒng)和OPO環(huán)形腔；所述泵浦耦合系統(tǒng)內設置有前耦合透鏡和后耦合透鏡；所述OPO環(huán)形腔內設置有OPO反射鏡、OPO短波中紅外輸出鏡、OPO長波中紅外輸出鏡和非線性晶體；所述光纖激光器發(fā)出的激光束依次穿過前耦合透鏡和后耦合透鏡后進入OPO環(huán)形腔；所述激光束進入OPO環(huán)形腔后依次穿過OPO反射鏡和非線性晶體后，射向OPO長波中紅外輸出鏡；所述激光束中的長波紅外光穿過OPO長波中紅外輸出鏡射出OPO環(huán)形腔，激光束中的短波紅外光經過OPO長波中紅外輸出鏡反射到OPO短波中紅外輸出鏡后射出OPO環(huán)形腔。2.根據(jù)權利要求1所述的一種緊湊三腔鏡中紅外環(huán)形光參量振蕩器，其特征是:所述前耦合透鏡與后耦合透鏡焦距之比為激光束的纖芯大小與期望腰斑大小之比。3.根據(jù)權利要求1所述的一種緊湊三腔鏡中紅外環(huán)形光參量振蕩器，其特征是:所述前耦合透鏡與光纖激光器之間的距離等于前耦合透鏡的焦距長度。4.根據(jù)權利要求1所述的一種緊湊三腔鏡中紅外環(huán)形光參量振蕩器，其特征是:所述前耦合透鏡和后耦合透鏡同軸放置，所述非線性晶體置于后耦合透鏡的焦點位置。5.根據(jù)權利要求1所述的一種緊湊三腔鏡中紅外環(huán)形光參量振蕩器，其特征是:所述光纖激光器能夠輸出雙波長或多波長脈沖激光。6.根據(jù)權利要求1所述的一種緊湊三腔鏡中紅外環(huán)形光參量振蕩器，其特征是:所述OPO長波中紅外輸出鏡為平凹鏡，且對長波紅外光具有較高的透射率，對其他波長的紅外光具有$父1?的反射率O7.根據(jù)權利要求1所述的一種緊湊三腔鏡中紅外環(huán)形光參量振蕩器，其特征是:所述OPO短波中紅外輸出鏡為平凹鏡，且對短波紅外光具有較高的透射率，對其他波長的紅外光具有$父1?的反射率。
【文檔編號】H01S3-094GK204290024SQ201420781078
【發(fā)明者】張衛(wèi), 彭躍峰, 魏星斌, 彭玨, 聶贊, 羅興旺, 高劍蓉 [申請人]中國工程物理研究院應用電子學研究所