專利名稱：一種級聯(lián)光參量振蕩激光器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于激光器技術領域，特別涉及光參量振蕩激光器(Optical Parametric Oscillator，簡稱OPO)的腔型設計。
背景技術：
中紅外長波長激光器是研究的熱點。其中一種實現(xiàn)長波長激光器的方法是使用1微米左右的激光泵浦第一級OPO產生2微米左右的頻率簡并激光，然后再用2微米左右的簡并激光泵浦第二級OPO，產生中紅外長波長激光(詳見J.A.C.Terry，K.J.McEwan，and M.J.P.Payne，“A tandem OPO route to the mid-IR，”in Advanced Solid State Lasers，W.R.Bosenberg and M.M.Fejer，eds.，Vol.19 of USA Trends in Optics and Photonics Series(OSA，1998)pp.236-239)。為了得到高平均功率的中紅外輸出，需要得到高平均功率的2微米激光，因此第一級OPO的非線性晶體需要具有高損傷閾值。磷酸鈦氧鉀(KTiOPO4，簡稱KTP)和其同類晶體是一種較好的可實現(xiàn)2微米簡并輸出的非線性晶體，具有較大的接受角，可以實現(xiàn)較高的轉換效率，具有高損傷閾值。磷化鍺鋅(ZnGeP2，簡稱ZGP)晶體是一種可以輸出高功率中紅外激光的優(yōu)秀非線性晶體。為了實現(xiàn)高效率輸出，KTP晶體必須選擇II類相位匹配，產生的簡并激光是頻率簡并但偏振方向不簡并，而ZGP晶體的泵浦光必須是線偏振的，這樣給應用帶來了困難。通常把第一級OPO的簡并激光分光，產生兩束線偏振光，分別泵浦兩個ZGP晶體的第二級OPO。文獻“Cheung，E.，et al.High power optical parametric oscillator source.2000.Big Sky，MT，USAIEEE”即采用該種方法。該種方式需要兩塊ZGP晶體，ZGP晶體是昂貴的晶體，因此大大提高了成本，最后根據(jù)應用需要可能還要對中紅外激光進行合光，增加了裝置的復雜性。在文獻“Norman Hodgson，Horst weber，“Laser Resonators and Beam Propagation”，Springer，2005”中，作者提到一個通過一個偏振分光元件和1/2波長波片構成的簡易法拉第旋轉器，可以把正交偏振的激光進行偏振旋轉。

發(fā)明內容
為了克服前述裝置成本過高和結構復雜等缺點，充分利用兩種偏振的光，本發(fā)明在文獻“Norman Hodgson，Horst weber，“Laser Resonators and Beam Propagation”，Springer，2005”提到的簡易法拉第旋轉器的基礎上，提出了一種新型的級聯(lián)光參量振蕩激光器，所述級聯(lián)光參量振蕩激光器包括第一級光參量振蕩激光器，第二級光參量振蕩激光器和偏振光循環(huán)諧振腔；所述偏振光循環(huán)諧振腔包括第一諧振腔和一個環(huán)形腔；所述第一諧振腔和環(huán)形腔的共用元件是偏振分光元件，它位于所述第一諧振腔和環(huán)形腔的聯(lián)結點；所述第一級光參量振蕩激光器為II類相位匹配，按照頻率簡并或近簡并激光輸出的相位匹配條件設置在所述第一諧振腔的光路上；短波長泵浦光輸入到第一諧振腔以泵浦所述第一級光參量振蕩激光器，所述第一級光參量振蕩激光器產生波長相等或相近、偏振方向相互垂直的信號光和閑頻光兩種參量光，即簡并或近簡并激光；所述偏振分光元件對所述第一諧振腔中的所述簡并或近簡并激光中的一種偏振光高透，另一種偏振光高反，使得所述的簡并或近簡并激光從所述第一諧振腔向所述環(huán)形腔傳播時分光成為兩束偏振光后分別沿環(huán)形腔兩個相反的方向前進；所述環(huán)形腔中設有多個腔鏡和一個用來實現(xiàn)所述的兩束偏振光偏振方向互換的90度偏振旋轉器；第二級光參量振蕩激光器設在所述偏振光循環(huán)諧振腔的環(huán)形腔中；所述簡并或近簡并激光經過環(huán)形腔時對第二級光參量振蕩激光器進行雙端泵浦，產生長波長激光輸出。
在本發(fā)明中，所述第一諧振腔的一端設置第一腔鏡，所述第一腔鏡鍍簡并或近簡并激光的高反膜。
在本發(fā)明中，所述第一級光參量振蕩激光器包括第一級光參量振蕩激光器腔鏡、第一非線性晶體以及與所述偏振光循環(huán)諧振腔共用的第一腔鏡；第一級光參量振蕩激光器腔鏡設置在所述第一腔鏡和偏振分光元件之間的光路上，第一非線性晶體設置在所述第一腔鏡和第一級光參量振蕩激光器腔鏡之間的光路上。
在本發(fā)明的一個方面，所述第一級光參量振蕩激光器腔鏡鍍有對所述短波長泵浦光高反或高透的膜。
在本發(fā)明的另一個方面，所述第一級光參量振蕩激光器腔鏡鍍有對所述的簡并或近簡并激光高透或者部分反射的膜。
在本發(fā)明中，第二級光參量振蕩激光器包括左腔鏡、右腔鏡，以及設在左腔鏡和右腔鏡之間的光路上的第二非線性晶體。
在本發(fā)明的一個方面，所述左腔鏡和右腔鏡之一設置在所述環(huán)形腔腔外的光路延長線上。
在本發(fā)明的另一個方面，所述左腔鏡和右腔鏡同時設置在所述環(huán)形腔腔外的光路延長線上。
在本發(fā)明中，所述的90度偏振旋轉器為所述簡并或近簡并激光的1/2波長波片。
在本發(fā)明中，所述的偏振分光元件為所述簡并或近簡并激光的偏振片。
本發(fā)明可以充分地利用偏振簡并激光生成長波長激光輸出，具有結構簡單，成本低和利用效率高等特點。


圖1是本發(fā)明所述的級聯(lián)光參量振蕩激光器的第一個實施例示意圖。
圖2是本發(fā)明所述的級聯(lián)光參量振蕩激光器的第二個實施例示意圖。
圖3是本發(fā)明所述的級聯(lián)光參量振蕩激光器的第三個實施例示意圖。
圖4是本發(fā)明所述的級聯(lián)光參量振蕩激光器的第四個實施例示意圖。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例來進一步說明本發(fā)明。
本發(fā)明所述的級聯(lián)OPO的第一個實施例，，如圖1所示，包含第一級OPO、第二級OPO和偏振光循環(huán)諧振腔。上述三部分中的元件有共用現(xiàn)象。第一級OPO為簡并或近簡并激光輸出，第二級OPO為普通OPO輸出(可簡并也可以非簡并)。偏振光循環(huán)諧振腔由第一諧振腔和一個環(huán)形腔組成。偏振分光元件1和第一腔鏡3組成第一諧振腔；偏振分光元件1，第一反射鏡4和第二反射鏡5組成了三角環(huán)形腔，三個元件位于三角環(huán)形腔的三個頂點處。偏振分光元件1為所述第一諧振腔和環(huán)形腔的共用元件，其放置的角度使得所述第一諧振腔中的簡并或近簡并激光13的一種偏振光高透，而另一種偏振光高反，并使得所述的兩種線偏振光分光成兩束偏振光后分別沿環(huán)形腔兩個相反的方向前進。90度偏振旋轉器2設在所述環(huán)形腔的光路中，用來實現(xiàn)所述的兩束偏振光的偏振方向互換。
第一級OPO包括第一級OPO腔鏡7、第一非線性晶體8以及與所述偏振光循環(huán)諧振腔共用的第一腔鏡3；第一級OPO腔鏡7設置在所述第一腔鏡3和偏振分光元件1之間的光路上，第一非線性晶體8(如KTP等)為II類相位匹配，按照頻率簡并激光輸出的相位匹配條件設置在所述第一腔鏡3和第一級光參量振蕩激光器腔鏡7之間的光路上。
第二級OPO設在所述偏振光循環(huán)諧振腔的環(huán)形腔中，包括左腔鏡6、右腔鏡10和第二非線性晶體9；第二非線性晶體9(如ZGP等晶體)設在左腔鏡6和右腔鏡10之間的光路上。
左腔鏡6和右腔鏡10組成了第二非線性晶體9的諧振腔，選擇左腔鏡6和右腔鏡10其中一個腔鏡作為輸出鏡，輸出鏡對第二非線性晶體9產生的長波長激光14部分反，另外一個腔鏡則高反。圖1中選擇了右腔鏡10作為輸出鏡。
下面簡要介紹上述實施例的工作過程。在光參量過程中，輸入一個泵浦光λp，輸出兩個參量光信號光λs和閑頻光λi。
1λp=1λs+1λi]]>該公式表達了參量過程中的能量守恒。如果輸出的信號光λs和閑頻光λi兩者波長相等，就稱為簡并光，如果兩者差別很小，就稱為近簡并光。
npλp=nsλs+niλi]]>該公式表達了參量過程中的動量守恒，np、ns和ni分別是泵浦光λp、信號光λs和閑頻光λi在OPO中的非線性晶體中的折射率。只有當上述兩個公式代表的條件吻合時，光參量過程才發(fā)生。為了滿足這個條件，泵浦光λp必須按照特定的角度入射進入非線性晶體，而非線性晶體也必須工作在特定的溫度條件下(因為晶體折射率隨溫度變化)，這個條件稱為相位匹配條件。如果某種特定的相位匹配條件能夠使得信號光λs和閑頻光λi兩者波長相等或相近，就可以得到簡并或近簡并光的輸出。對于不同的非線性晶體，其輸出簡并或近簡并光的條件不同。泵浦光λp和信號光λs、閑頻光λi的偏振方式都不一樣稱為I類相位匹配，泵浦光λp的偏振方式和信號光λs、閑頻光λi兩者其中之一相同稱為II類相位匹配。
所述第一級OPO是II類相位匹配，外部的短波長泵浦光12輸入到第一諧振腔以泵浦所述第一級OPO。所述第一級OPO產生信號光和閑頻光，所述信號光和閑頻光兩束參量光波長相等或相近，偏振方向垂直，稱為簡并或近簡并激光13；該簡并或近簡并激光13通過偏振分光元件1時，被分成兩束，一束偏振光不改變傳播方向，沿著三角環(huán)形腔的一條邊前進，另外一束偏振光改變方向，沿著三角環(huán)形腔的另外一條邊前進。90度偏振旋轉器2為兩束光在環(huán)形腔內的相遇點，每束激光在穿過90度偏振旋轉器2后，偏振方向改變成和另外一束激光原來的方向一樣，同時將沿著另外一束激光先前通過的光路反方向前進，所以兩種偏振光的經過路徑一樣，最后又都經過偏振分光元件1返回第一級OPO，參與光參量作用，偏振光至此完成了一次偏振循環(huán)。這樣的結構在環(huán)形腔中形成了一個單一的偏振光，第二級OPO在環(huán)形腔中相當于兩個端面被同時泵浦，產生長波長激光14，長波長激光14最終將通過三角環(huán)形腔的其中一塊鏡片輸出。90度偏振旋轉器2放置在環(huán)形腔內長波長激光14不經過的光路上，以減小損耗。當?shù)谝患塐PO腔鏡7對簡并或近簡并激光13高透時，簡并或近簡并激光13在整個偏振光循環(huán)諧振腔內部形成一個大諧振，相當于第一級OPO和第二級OPO形成了一個內腔結構，第二級OPO處在第一級OPO的腔內；當?shù)谝患塐PO腔鏡7對簡并激光部分反時，簡并或近簡并激光13在第一級OPO的諧振腔內諧振，也在偏振光循環(huán)諧振腔內運行，相當于第一級OPO和第二級OPO形成了一個復合腔結構。一般情況下，第一級OPO腔鏡7優(yōu)選為對簡并或近簡并激光13高透。第一級OPO腔鏡7對短波長泵浦光12高反和高透，對應雙程泵浦和單程泵浦兩種泵浦方式。第一腔鏡3鍍簡并或近簡并激光13的高反膜。第二級OPO產生的長波長激光從環(huán)形腔中輸出，起輸出作用的環(huán)形腔腔鏡對第二級OPO產生的長波長激光14高透，如圖1中的第一反射鏡4。
本發(fā)明所述的級聯(lián)OPO的第二個實施例，如圖2所示，第二級OPO的左腔鏡6放到環(huán)形腔之外，靠近第二反射鏡5，位于第一反射鏡4和第二反射鏡5之間的光路在腔外的延長線上；右腔鏡10也放到環(huán)形腔之外，靠近第一反射鏡4，位于第一反射鏡4和第二反射鏡5之間的光路在腔外的延長線上，第一反射鏡4和第二反射鏡5鍍長波長激光14的高透膜，以減小損耗。
本發(fā)明所述的級聯(lián)OPO的第三個實施例，如圖3所示。左腔鏡6和右腔鏡10也可以選擇其中一塊放在環(huán)形腔之外，圖中選擇了右腔鏡10放在環(huán)形腔之外，位于偏振分光元件1和第一反射鏡4之間的光路在腔外的延長線上。第二級OPO可以放在環(huán)形腔的任意一段中，在實施例1和實施例2中，放在了第一反射鏡4和第二反射鏡5之間的光路上，在實施例3中，則放在了偏振分光元件1和第一反射鏡4之間的光路上。
環(huán)形腔部分可以包含多個反射鏡，其形狀不一定是三角形，也可以是平行四邊形等各種多邊形。但是組成環(huán)形腔的腔鏡越多，則損耗越大。級聯(lián)OPO的第四個實施例，如圖4所示，環(huán)形腔是平行四邊形，增加了第三反射鏡11。在環(huán)形腔光路中，也可以使用棱鏡代替反射鏡，完成折疊光路的功能。
文中所述偏振分光元件1可以是偏振片，也可以是格蘭棱鏡等其它能夠完成偏振光分束的偏振器件。光路中可以放入不影響偏振的光學元件作為光路調節(jié)。90度偏振旋轉器2可以是簡并或近簡并激光13的1/2波長波片，其光軸和簡并或近簡并激光13的兩個偏振方向成45度角。90度偏振旋轉器2也可以是其它偏振旋轉元件。
本發(fā)明最典型的應用是中紅外級聯(lián)OPO，泵浦光為1064nm的激光，第一級OPO采用為KTP類的非線性晶體作為非線性晶體，產生2128nm附近的簡并或近簡并激光，該簡并或近簡并激光泵浦第二級OPO，第二級OPO采用ZGP作為非線性晶體，形成高效的3～5微米中紅外輸出。如果采用圖1所示的結構，則短波長泵浦光12為1064nm的激光，第一非線性晶體8為KTP晶體，第二非線性晶體9為ZGP晶體，簡并或近簡并激光13的波長約為2128nm，為了得到2128nm附近的簡并或近簡并激光，KTP晶體要滿足簡并或近簡并條件。同時為了得到較高效率，KTP晶體要采用II類相位匹配。根據(jù)短波長泵浦光12的波長和輸出光的波長，在300K的工作溫度下，根據(jù)前面所述的動量守恒和能量守恒的兩個公式，以及晶體本身的折射率表達式，可以計算出簡并光要求的角度，在KTP晶體主軸xyz坐標系中，入射光在xz平面內，與z軸夾角約為54度即可得到2128nm的簡并或近簡并激光13輸出。為了便于使用，通常是把晶體沿垂直該方向的一個平面切割，使得1064nm的短波長泵浦光12可以正入射晶體表面。對于不同的晶體，其簡并II類相位匹配角度是不一樣的，但是本領域的技術人員都可以根據(jù)公知的常識和現(xiàn)有技術，以前述的步驟得到角度值。
本發(fā)明結構簡單，充分利用了第一級OPO輸出的簡并或近簡并激光，不存在長波長合光等附加裝置，是一個高效的級聯(lián)OPO。
權利要求
1.一種級聯(lián)光參量振蕩激光器，其特征在于所述級聯(lián)光參量振蕩激光器包括第一級光參量振蕩激光器，第二級光參量振蕩激光器和偏振光循環(huán)諧振腔；所述偏振光循環(huán)諧振腔包括第一諧振腔和一個環(huán)形腔；所述第一諧振腔和環(huán)形腔的共用元件是偏振分光元件(1)，它位于所述第一諧振腔和環(huán)形腔的聯(lián)結點；所述第一級光參量振蕩激光器為II類相位匹配，按照頻率簡并或近簡并激光輸出的相位匹配條件設置在所述第一諧振腔的光路上；短波長泵浦光(12)輸入到第一諧振腔以泵浦所述第一級光參量振蕩激光器，所述第一級光參量振蕩激光器產生波長相等或相近、偏振方向相互垂直的信號光和閑頻光兩種參量光，即簡并或近簡并激光(13)；所述偏振分光元件(1)對所述第一諧振腔中的所述簡并或近簡并激光(13)中的一種偏振光高透，另一種偏振光高反，使得所述的簡并或近簡并激光(13)從所述第一諧振腔向所述環(huán)形腔傳播時分光成為兩束偏振光后分別沿環(huán)形腔兩個相反的方向前進；所述環(huán)形腔中設有多個腔鏡和一個用來實現(xiàn)所述的兩束偏振光偏振方向互換的90度偏振旋轉器(2)；第二級光參量振蕩激光器設在所述偏振光循環(huán)諧振腔的環(huán)形腔中；所述簡并或近簡并激光(13)經過環(huán)形腔時對第二級光參量振蕩激光器進行雙端泵浦，產生長波長激光(14)輸出。
2.根據(jù)權利要求1所述的級聯(lián)光參量振蕩激光器，其特征在于所述第一諧振腔的一端設置第一腔鏡(3)，所述第一腔鏡(3)鍍簡并或近簡并激光(13)的高反膜。
3.根據(jù)權利要求1所述的級聯(lián)光參量振蕩激光器，其特征在于所述第一級光參量振蕩激光器包括第一級光參量振蕩激光器腔鏡(7)、第一非線性晶體(8)以及與所述偏振光循環(huán)諧振腔共用的第一腔鏡(3)；第一級光參量振蕩激光器腔鏡(7)設置在所述第一腔鏡(3)和偏振分光元件(1)之間的光路上，第一非線性晶體(8)設置在所述第一腔鏡(3)和第一級光參量振蕩激光器腔鏡(7)之間的光路上。
4.根據(jù)權利要求1所述的級聯(lián)光參量振蕩激光器，其特征在于所述第一級光參量振蕩激光器腔鏡(7)鍍有對所述短波長泵浦光(12)高反或高透的膜。
5.根據(jù)權利要求1所述的級聯(lián)光參量振蕩激光器，其特征在于所述第一級光參量振蕩激光器腔鏡(7)鍍有對所述的簡并或近簡并激光(13)高透或者部分反射的膜。
6.根據(jù)權利要求1所述的級聯(lián)光參量振蕩激光器，其特征在于第二級光參量振蕩激光器包括左腔鏡(6)、右腔鏡(10)，以及設在左腔鏡(6)和右腔鏡(10)之間的光路上的第二非線性晶體(9)。
7.根據(jù)權利要求6所述的級聯(lián)光參量振蕩激光器，其特征在于所述左腔鏡(6)和右腔鏡(10)之一設置在所述環(huán)形腔腔外的光路延長線上。
8.根據(jù)權利要求6所述的級聯(lián)光參量振蕩激光器，其特征在于所述左腔鏡(6)和右腔鏡(10)同時設置在所述環(huán)形腔腔外的光路延長線上。
9.根據(jù)權利要求1至8中任一權利要求所述的級聯(lián)光參量振蕩激光器，其特征在于所述的90度偏振旋轉器(2)為所述簡并或近簡并激光(13)的1/2波長波片。
10.根據(jù)權利要求1至8中任一權利要求所述的級聯(lián)光參量振蕩激光器，其特征在于所述的偏振分光元件(1)為所述簡并或近簡并激光(13)的偏振片。
全文摘要
一種級聯(lián)光參量振蕩激光器，屬于激光器技術領域。為了克服高功率長波長激光器裝置成本過高或結構復雜等缺點，本發(fā)明提出一種新型結構的高平均功率的級聯(lián)光參量振蕩激光器。利用偏振分光元件把一段諧振腔和環(huán)形腔的聯(lián)結起來，在環(huán)形腔中放置90度偏振旋轉器，組成了一個偏振光循環(huán)諧振腔，腔內的激光可以實現(xiàn)兩種頻率或近簡并的偏振光的偏振態(tài)循環(huán)諧振。把第一級光參量振蕩激光器和第二級光參量振蕩激光器安放在該諧振腔的光路的合適位置，第一級光參量振蕩激光器輸出簡并或近簡并激光泵浦第二級光參量振蕩激光器，輸出長波長激光。本發(fā)明具有結構簡單，成本低和利用效率高等特點。
文檔編號H01S3/08GK1937334SQ20061011276
公開日2007年3月28日 申請日期2006年9月1日 優(yōu)先權日2006年9月1日
發(fā)明者鞏馬理, 何發(fā)紅, 黃磊, 柳強, 陸丹, 閆平, 陳剛, 張海濤, 李晨 申請人:清華大學