本發(fā)明涉及激光器設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及可用作氣體吸收探測(cè)、激光雷達(dá)、光電對(duì)抗和醫(yī)學(xué)應(yīng)用等領(lǐng)域的激光光源。

背景技術(shù)：

中紅外窄線寬單頻激光器是現(xiàn)代激光工程應(yīng)用技術(shù)的熱點(diǎn)研究方向之一，它具有單頻窄線寬，頻率穩(wěn)定，信噪比高，相干性好等特殊優(yōu)勢(shì)。其在氣體吸收探測(cè)、激光雷達(dá)、光電對(duì)抗和醫(yī)學(xué)應(yīng)用等實(shí)用領(lǐng)域以及光譜學(xué)等科研方向都有迫切需求。在2-5微米波段，由于缺少相關(guān)的激光增益介質(zhì)，通常使用非線性頻率轉(zhuǎn)換技術(shù)實(shí)現(xiàn)。然而非線性轉(zhuǎn)換過程的增益譜線線寬一般較寬，難以實(shí)現(xiàn)單頻窄線寬的輸出要求，通?？梢酝ㄟ^使用色散元件或者注入鎖定等方式實(shí)現(xiàn)對(duì)中紅外激光的窄線寬輸出。

種子光注入鎖定法是使用一個(gè)低功率然而本身的光譜線寬很窄的激光作為一個(gè)種子光，通過把其注入另一個(gè)獨(dú)立的諧振腔內(nèi)，來調(diào)控這個(gè)更高能量輸出的腔的輸出特性。注入的種子光會(huì)在新的激光器腔內(nèi)形成一個(gè)初始的場分布。當(dāng)種子光達(dá)到閾值時(shí)，新腔的輸出就能模仿這個(gè)種子光的特性，從而實(shí)現(xiàn)線寬的壓縮。

綜上所述，種子光的選擇成為一個(gè)不可忽視的問題。為了配合輸出波長也需要選定對(duì)應(yīng)的種子光，常用的種子光通常為半導(dǎo)體的分布式反饋激光器或者染料激光器，分布式反饋激光器具有非常好的單色性，線寬普遍可以做到1mhz以內(nèi)，具有邊模抑制比

(smsr)40-50db以上。但是相對(duì)的輸出波段相對(duì)局限，且單個(gè)器件的波長調(diào)諧范圍較短，通常為1nm左右，并且難以實(shí)現(xiàn)高頻納秒輸出。染料激光器作為種子光，嚴(yán)格依賴染料自身的熒光效應(yīng)，一般即作為1-2微米附近的種子光源使用。因而針對(duì)中紅外輸出的波長調(diào)諧能力強(qiáng)的opo而言，使用種子光注入的方式控制波長的話，相對(duì)的調(diào)諧能力的損失也較為明顯，并且實(shí)現(xiàn)高頻脈沖的窄線寬輸出也難度較高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于，針對(duì)以上問題，提出一種在盡可能保證光參量轉(zhuǎn)換的寬調(diào)諧能力的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)單頻率，窄線寬，高穩(wěn)定，高效率的中紅外可調(diào)諧納秒激光輸出。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

片狀微腔近紅外種子光注入鎖定可調(diào)諧中紅外窄線寬納秒脈沖光參量放大器，其特征在于：包括總泵浦光，種子光源部分與片狀微腔光光參量振蕩(放大)器部分和高通濾光片；總泵浦光為波長1064nm的單頻納秒激光器，為整個(gè)系統(tǒng)提供泵浦光輸出；種子光系統(tǒng)包括光束整形透鏡系統(tǒng)、對(duì)總泵浦光為波長1064nm經(jīng)三硼酸鋰晶體即lbo通過雙折射位相匹配(即bpm)進(jìn)行倍頻，將1064nm的泵浦光轉(zhuǎn)換為532nm的單頻種子泵浦光源，光參量放大系統(tǒng)包括1064nm單頻泵浦光源，合束鏡以及非線性周期極化晶體。所述種子光系統(tǒng)負(fù)責(zé)產(chǎn)生用于注入鎖定的近紅外窄線寬單頻種子光，

總泵浦光經(jīng)偏振片進(jìn)而由pbs(偏振分束器)進(jìn)行分束，分束的一支水平偏振光用于種子光源部分，產(chǎn)生sopo的近紅外的單頻窄線寬種子光；分束的另一支垂直偏振光通過濾波片和格蘭棱鏡控制功率，通過透鏡即第二聚束透鏡匯聚，以垂直偏振注入非線性晶體，種子光源部分亦合束匯聚到非線性晶體，所述的非線性晶體為周期28.5-31微米的多周期mgo:ppln，通過控制晶體溫度，使其滿足光學(xué)參量放大(即opa)中對(duì)應(yīng)種子光波長信號(hào)光的非線性轉(zhuǎn)換過程中的匹配條件，從而在1064nm泵浦光注入晶體后產(chǎn)生對(duì)應(yīng)氣體吸收峰波段附近的中紅外閑頻光的頻率轉(zhuǎn)換過程，即光參量產(chǎn)生現(xiàn)象(即opg)；通過調(diào)節(jié)合束，使得sopo產(chǎn)生的種子光與1064泵浦光重合共線，注入晶體，調(diào)整透鏡規(guī)格和位置，使得兩者束腰位置重疊，并盡量位于晶體中心或附近，最終激發(fā)opa現(xiàn)象，獲得納秒窄線寬單頻輸出。

所述光參量(振蕩器)放大系統(tǒng)通過非線性頻率轉(zhuǎn)換和種子光的注入鎖定效應(yīng)實(shí)現(xiàn)中紅外波段的可調(diào)諧窄線寬激光輸出。

所述的種子光源部分，其特征是不使用腔鏡設(shè)計(jì)，使用lbo倍頻晶體，實(shí)現(xiàn)簡單有效的1064倍頻產(chǎn)生單頻532nm納秒輸出。

種子光源部分：通過采用腔相位匹配的片狀微腔光參量振蕩器，微腔的腔長百微米量級(jí)左右，產(chǎn)生近紅外的窄線寬單頻納秒種子光，用于實(shí)現(xiàn)注入鎖定。

光參量放大部分：通過將種子光與泵浦光合束注入到周期極化的非線性晶體mgo:ppln中實(shí)現(xiàn)光參量放大，借助準(zhǔn)相位匹配實(shí)現(xiàn)非線性頻率轉(zhuǎn)換，獲得2-5微米中紅外窄線寬種子光輸出。

種子光源部分，包括聚光器、lbo倍頻器件、第一聚束透鏡、sopo器件、lbo倍頻器件通過將1064nm種子光偏振分束后的垂直偏振光利用ooe的i類匹配雙折射相位匹配實(shí)現(xiàn)倍頻產(chǎn)生水平偏振的532nm單頻納秒激光，將產(chǎn)生532nm激光輸入到sopo器件中，利用sopo器件的腔相位匹配(即cpm)實(shí)現(xiàn)非線性頻率轉(zhuǎn)換；片狀微腔光參量振蕩器系統(tǒng)的微腔設(shè)計(jì)腔型為f-p腔型，微腔采用非線性晶體拋光打磨，通常為周期極化鈮酸鋰(ppln)或摻氧化鎂的周期極化鈮酸鋰(mgo:ppln)，微腔長度為百微米量級(jí)，小于光參量過程中的一個(gè)相干長度、大致為百微米量級(jí)。微腔的雙面(入射與出射面)獨(dú)有對(duì)設(shè)計(jì)閑頻光和信號(hào)光雙共振90％透過鍍膜，532nm高透鍍膜，最終實(shí)現(xiàn)窄線寬納秒近紅外輸出。片狀微腔光參量振蕩器通過雙共振的鍍膜設(shè)計(jì)和f-p腔的微腔腔型設(shè)計(jì)進(jìn)一步保證窄線寬單頻輸出，最終獲得近紅外雙波長輸出的單頻種子光輸出。

所述泵浦光源：為1064nm波段激光，單頻窄線寬納秒輸出，最大激光光源功率10mj左右。

光參量opa基本原理工作圖，通過將近紅外的單頻種子光與泵浦光一同注入到周期極化的非線性晶體中，產(chǎn)生非線性頻率轉(zhuǎn)換過程，最終獲得中紅外波段的納秒激光輸出。由于片狀微腔光參量振蕩器采用的腔相位匹配的方法以及雙共振的鍍膜設(shè)計(jì)和f-p腔的微腔腔型設(shè)計(jì)，注入ppln非線性晶體中的sopo產(chǎn)生的0.7-2微米的信號(hào)光和閑頻光的雙波長輸出的近紅外種子光具有窄線寬單頻的輸出特性，在頻率轉(zhuǎn)換過程中，產(chǎn)生的近紅外信號(hào)光會(huì)模仿注入的種子光的特性，從而表現(xiàn)出對(duì)種子光的放大。相對(duì)的也會(huì)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的中紅外的閑頻光輸出，其也會(huì)具有單頻窄線寬的輸出特性。參照此基本原理，可實(shí)現(xiàn)對(duì)2-5微米的中紅外單頻窄線寬輸出。

合束鏡采用1.5-2.3微米45°高透1064nm45°高反或者1.5-2.3微米45°高反1064nm45°高透，非線性晶體為28.5-31微米的多周期摻氧化鎂的周期極化鈮酸鋰。

所述光參量放大系統(tǒng)：通過將種子光與泵浦光一同注入到周期極化的非線性晶體中實(shí)現(xiàn)注入鎖定的非線性轉(zhuǎn)換，獲取2-5微米波段中紅外納秒輸出。由于opa的特性，最終產(chǎn)生的中紅外波段激光能很好的保持種子光的單頻窄線寬的輸出特性。通過改變種子光的頻率以及非線性晶體的周期和溫度可以實(shí)現(xiàn)寬范圍的波長調(diào)諧。這也是國內(nèi)現(xiàn)有產(chǎn)品難以實(shí)現(xiàn)的一個(gè)方面。

本發(fā)明的技術(shù)方案具有以下有益效果：

本發(fā)明的技術(shù)方案，采用單個(gè)1064nm單頻納秒激光器作為總泵浦源，經(jīng)過偏振分束后一支用于進(jìn)過倍頻產(chǎn)生532nm單頻綠光，用于泵浦腔長百微米量級(jí)的片狀微腔光參量振蕩器產(chǎn)生近紅外種子光；另一支1064nm納秒激光作為光參量放大器的泵浦光與另一路產(chǎn)生的近紅外單頻窄線寬種子光進(jìn)行合束，注入到周期極化的非線性晶體中實(shí)現(xiàn)注入鎖定，一般采用摻氧化鎂的周期極化鈮酸鋰作為非線性晶體，通過利用準(zhǔn)相位匹配(即qpm)的方法，實(shí)現(xiàn)非線性的中紅外的頻率轉(zhuǎn)換過程，最終可獲得線寬小于0.05nm的中紅外的窄線寬納秒激光輸出，通過調(diào)節(jié)非線性晶體的周期和溫度，可以實(shí)現(xiàn)輸出波長在2-5微米的范圍的寬范圍波長調(diào)節(jié)。與光參量放大器部分?？偙闷止庠礊椴ㄩL1064nm的單頻納秒激光器，為整個(gè)系統(tǒng)提供泵浦光輸出。種子光系統(tǒng)包括532nm的單頻種子泵浦光源，光束整形透鏡系統(tǒng)，片狀微腔光參量振蕩器(sopo)和高通濾光片，光參量放大系統(tǒng)包括1064nm單頻泵浦光源，合束鏡以及非線性周期極化晶體。所述種子光系統(tǒng)負(fù)責(zé)產(chǎn)生用于注入鎖定的近紅外窄線寬單頻種子光，所述光參量放大系統(tǒng)負(fù)責(zé)借助非線性頻率轉(zhuǎn)換和種子光的注入鎖定效應(yīng)實(shí)現(xiàn)中紅外波段的可調(diào)諧窄線寬激光輸出。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)2-5微米波段內(nèi)線寬小于0.05nm的可調(diào)諧納秒脈沖中紅外單頻輸出。屬于激光器設(shè)計(jì)開發(fā)領(lǐng)域。

附圖說明

圖1片狀微腔光參量振蕩器近紅外單頻種子光系統(tǒng)工作示意圖；

圖2倍頻532nm及sopo部分；

圖31064nm單頻泵浦片狀微腔近紅外種子光注入鎖定可調(diào)諧中紅外窄線寬光參量放大器系統(tǒng)工作示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說明。

如圖1所示，為本發(fā)明總系統(tǒng)原理示意圖，亦為器件與光路圖；激光器即總泵浦光源，1、反射鏡m1-m2，1-1偏振片，2、pbs即偏振分束鏡，3、第一至第四聚焦透鏡f1-f4，4、濾波片，5、三硼酸鋰晶體即lbo倍頻器件，6、片狀微腔光參量振蕩器即sopo，7、合束鏡，8、非線性晶體即mgo:ppln。

采用納秒脈沖的1064nm單頻激光器為泵浦源，經(jīng)過調(diào)整，通過二分之一波片引入調(diào)節(jié)偏振，進(jìn)而由pbs(偏振分束器)進(jìn)行分束，水平偏振一支用用于產(chǎn)生sopo的近紅外的單頻窄線寬種子光。另一支垂直偏振再通過波片和格蘭棱鏡控制功率，通過透鏡匯聚，以垂直偏振注入周期28.5-31微米的多周期mgo:ppln，通過控制晶體溫度，滿足匹配條件，從而產(chǎn)生氣體吸收峰波段附近的opg現(xiàn)象。，通過調(diào)節(jié)合束，使得sopo產(chǎn)生的種子光與1064泵浦光重合共線，注入晶體，調(diào)整透鏡規(guī)格和位置，使得兩者束腰位置重疊，并盡量位于晶體中心附近，最終激發(fā)opa現(xiàn)象，獲得納秒窄線寬單頻輸出。通過同步調(diào)節(jié)sopo的溫度以及mgo:ppln的周期和溫度，可以實(shí)現(xiàn)2-5微米的中紅外波長調(diào)諧，同時(shí)不會(huì)影響窄線寬單頻的輸出特性。

泵浦光源：為1064nm單頻納秒激光光源，激光脈沖功率為10mj左右，負(fù)責(zé)為整個(gè)系統(tǒng)提供穩(wěn)定的單頻納秒泵浦光。

種子光源部分：通過采用腔相位匹配的片狀微腔光參量振蕩器，腔長百微米量級(jí)左右，產(chǎn)生近紅外的窄線寬單頻納秒種子光，用于實(shí)現(xiàn)注入鎖定。

光參量放大部分：通過將種子光與泵浦光合束注入到周期極化的非線性晶體mgo:ppln中實(shí)現(xiàn)光參量放大，借助準(zhǔn)相位匹配實(shí)現(xiàn)非線性頻率轉(zhuǎn)換，獲得2-5微米中紅外窄線寬種子光輸出。

如圖2所示，為種子光源部分，通過將1064nm種子光偏振分束后的垂直偏振光利用ooe的i類匹配雙折射相位匹配實(shí)現(xiàn)倍頻產(chǎn)生水平偏振的532nm單頻納秒激光，通過使用濾波片4-1濾去不需要的1064nm波長光，將產(chǎn)生532nm激光注入到sopo中，利用yyz的匹配方式，利用腔相位匹配實(shí)現(xiàn)非線性頻率轉(zhuǎn)換，通過雙共振的鍍膜設(shè)計(jì)(532nm高通,閑頻光和信號(hào)光90％透過)和f-p腔的微腔設(shè)計(jì)進(jìn)一步保證窄線寬單頻輸出，通過4-2，4-3的濾波片進(jìn)行濾波(4-2：532nm高通，4-3：1000nm高通)，最終獲得近紅外雙波長輸出的單頻種子光輸出。

圖3所示的，為opa基本原理工作圖，通過將近紅外的單頻種子光與泵浦光一同注入到周期極化的非線性晶體中，產(chǎn)生非線性頻率轉(zhuǎn)換過程，最終獲得中紅外波段的納秒激光輸出。由于注入的sopo產(chǎn)生的近紅外種子光具有窄線寬單頻的輸出特性，在頻率轉(zhuǎn)換過程中，產(chǎn)生的近紅外信號(hào)光會(huì)模仿注入的種子光的特性，從而表現(xiàn)出對(duì)種子光的放大。相對(duì)的也會(huì)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的中紅外的閑頻光輸出，其也會(huì)具有單頻窄線寬的輸出特性。參照此基本原理，可實(shí)現(xiàn)對(duì)2-5微米的中紅外單頻窄線寬輸出。