阅读说明：本技术 一种基于脉冲激光器泵浦的光学参量振荡器及工作方法 (Optical parametric oscillator based on pulse laser pumping and working method ) 是由 杨克建 郭磊 聂鸿坤 张百涛 何京良 于 2020-07-15 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于脉冲激光器泵浦的光学参量振荡器及工作方法,包括：依次设置的半导体泵浦源、耦合透镜、平面输入镜、激光晶体、电光调制单元、凹面输出镜、第一半波片、隔离器、第二半波片、凸透镜、OPO平面输入镜、PPLN晶体以及OPO平面输出镜；半导体泵浦源产生的泵浦光经过耦合透镜和平面输入镜聚焦到激光晶体上,输出激光经过电光调制单元产生脉冲激光,所述脉冲激光经过凹面输出镜输出,经过第一半波片、隔离器和第二半波片,使偏振方向与PPLN晶体达到最佳相位匹配；输出的偏振激光经过凸透镜进入PPLN晶体,在小于100℃的温度下产生3.8μm波段激光。本发明可以在室温下实现简并点波长输出。(The invention discloses an optical parametric oscillator based on pulse laser pumping and a working method thereof, wherein the optical parametric oscillator comprises the following steps: the device comprises a semiconductor pumping source, a coupling lens, a plane input mirror, a laser crystal, an electro-optical modulation unit, a concave output mirror, a first half-wave plate, an isolator, a second half-wave plate, a convex lens, an OPO plane input mirror, a PPLN crystal and an OPO plane output mirror which are sequentially arranged; pump light generated by a semiconductor pump source is focused on a laser crystal through a coupling lens and a plane input mirror, output laser generates pulse laser through an electro-optical modulation unit, the pulse laser is output through a concave output mirror and passes through a first half-wave plate, an isolator and a second half-wave plate, and the polarization direction is matched with the optimal phase of the PPLN crystal; the output polarized laser enters the PPLN crystal through the convex lens, and generates 3.8 μm wave band laser at the temperature less than 100 ℃. The invention can realize the wavelength output of the degenerate point at room temperature.)

一种基于脉冲激光器泵浦的光学参量振荡器及工作方法

技术领域

本发明涉及全固态非线性频率变换技术领域，尤其涉及一种基于脉冲激光器泵浦的光学参量振荡器及工作方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

光学参量振荡器(OPO)是一种光学频率转换装置，它将输入的激光(所谓的泵浦光，基频光)，通过二阶非线性光学相互作用，转换成两个频率较低的输出光(信号光和闲频光)。

3-5μm波段处于大气透过窗口区间和分子指纹区域，在环境监测、医疗诊断、激光雷达、光电对抗等领域有重要的应用价值，尤其是3.8μm激光在自由空间光通信中有着重要的应用。

目前基于周期性极化铌酸锂晶体(PPLN)光学参量振荡器(OPO)是产生3-5μm激光最常用的手段之一。然而目前泵浦源大多使用1μm波段激光，因其存在较大的量子亏损，信号光和闲频光无法同时处于3-5μm波段区间，导致转化效率较低。

利用2μm泵浦源，基于MgO:PPLN OPO技术，可将信号光和闲频光同时转换在3-5μm波长区间，特别是获得在简并点处的输出，有望大大增强转换效率。但目前基于2μm激光泵浦MgO:PPLN OPO的方案，获得的输出功率较低(W级以下)，并且要想实现简并点波长的输出，需要将MgO:PPLN晶体加热到100℃以上的高温下才能实现，为实际应用带来极大不便。

迄今为止，基于主动调QTm:YAP激光器泵浦MgO:PPLNOPO方案在室温下实现3.8μm简并点处光参量激光输出还未见报道。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种基于脉冲激光器泵浦的光学参量振荡器及工作方法，分别利用LGS电光调Q和声光调QTm:YAP激光器作为泵浦源，在室温下成功实现3.8μm简并点处光参量激光输出。

在一些实施方式中，采用如下技术方案：

一种基于脉冲激光器泵浦的光学参量振荡器，包括：依次设置的半导体泵浦源、耦合透镜、平面输入镜、激光晶体、电光调制单元、凹面输出镜、第一半波片、隔离器、第二半波片、凸透镜、OPO平面输入镜、PPLN晶体以及OPO平面输出镜；

所述半导体泵浦源产生的泵浦光经过耦合透镜和平面输入镜聚焦到激光晶体上，输出激光经过电光调制单元产生脉冲激光，所述脉冲激光经过凹面输出镜输出，经过第一半波片、隔离器和第二半波片，使偏振方向与PPLN晶体达到最佳相位匹配；输出的偏振激光经过凸透镜进入PPLN晶体，在小于100℃的温度下产生3.8μm波段激光。

其中，所述电光调制单元包括：依次设置的YAG起偏器、LGS电光晶体和1/4波片；所述LGS电光晶体连接电光调制电源。

在另一些实施方式中，采用如下技术方案：

一种基于脉冲激光器泵浦的光学参量振荡器，包括：依次设置的半导体泵浦源、耦合透镜、平面输入镜、激光晶体、二维声光调Q开关、凹面输出镜、第一半波片、隔离器、第二半波片、凸透镜、OPO平面输入镜、PPLN晶体和OPO平面输出镜；

所述半导体泵浦源产生的泵浦光经过耦合透镜和平面输入镜聚焦到激光晶体上，输出激光经过二维声光调Q开关产生脉冲激光，所述脉冲激光经过凹面输出镜输出，经过第一半波片、隔离器和第二半波片，使偏振方向与PPLN晶体达到最佳相位匹配；输出的偏振激光经过凸透镜进入PPLN晶体，在小于100℃的温度下产生3.8μm波段激光。

作为进一步地方案，所述半导体泵浦源采用792nm、温度在15到30度可调的连续运转半导体激光器。

作为进一步地方案，所述半导体泵浦源产生的泵浦光经过耦合透镜和平面输入镜聚焦到激光晶体上，输出波长为1937nm的激光。

作为进一步地方案，所述PPLN晶体的周期为30.2μm。

作为进一步地方案，所述第二半波片和凸透镜之间设置45°平面反射镜，以改变光路方向。

作为进一步地方案，所述PPLN晶体设置在温控炉上，通过控温炉改变PPLN晶体的温度；所述PPLN晶体的温度在25℃-50℃之间调谐。

在另一些实施方式中，采用如下技术方案：

一种基于脉冲激光器泵浦的光学参量振荡器的工作方法，包括：

半导体泵浦源产生的泵浦光经过耦合透镜和平面输入镜聚焦到激光晶体上，输出波长为1937nm的激光，所述激光经过电光调制单元产生脉冲激光，所述脉冲激光经过凹面输出镜输出，经过第一半波片、隔离器和第二半波片，使偏振方向与PPLN晶体达到最佳相位匹配；输出的偏振激光经过凸透镜进入周期为30.2μm的PPLN晶体，在小于100℃的温度下产生3.8μm波段激光。

在另一些实施方式中，采用如下技术方案：

一种基于脉冲激光器泵浦的光学参量振荡器的工作方法，包括：

半导体泵浦源产生的泵浦光经过耦合透镜和平面输入镜聚焦到激光晶体上，输出波长为1937nm的激光，所述激光经过二维声光调Q开关产生脉冲激光，所述脉冲激光经过凹面输出镜输出，经过第一半波片、隔离器和第二半波片，使偏振方向与PPLN晶体达到最佳相位匹配；输出的偏振激光经过凸透镜进入周期为30.2μm的PPLN晶体，在小于100℃的温度下产生3.8μm波段激光。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明利用LGS电光调Q和声光调QTm:YAP激光器作为泵浦源，基于波长为1937nm基频光与周期为30.2μm的PPLN晶体的组合，在室温下成功实现3.8μm简并点处光参量激光输出，在MgO:PPLN温度为35℃时，可实现最大输出功率为1.2W，这是目前基于2μm激光泵浦方案实现的最高输出功率，本发明将在实现小型化、全固化中低功率中红外激光输出方面具有巨大的应用前景。

附图说明

图1为本发明实施例中电光调Q Tm:YAP激光器泵浦PPLN光参量振荡器示意图；

图2为本发明实施例中声光调Q Tm:YAP激光器泵浦PPLN光参量振荡器示意图；

图3为本发明实施例中光学参量振荡器(OPO)输出的简并点光谱；

其中，101.792nm半导体泵浦源，102.光纤，201.1:3耦合透镜，301.平面输入镜，302.凹面输出镜，303.Tm:YAP晶体，401.YAG起偏器，402.LGS电光晶体，403.1/4波片，404.电光调制电源，501.第一半波片，502.隔离器，503.第二半波片，601.45°平面反射镜，602.曲率100mm的凸透镜，701.OPO平面输入镜，702.OPO平面输出镜，801.MgO:PPLN晶体，802.控温炉，901.2μm二维声光调Q开关。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

术语解释：

简并点，一般情况下，光参量输出的参量光和闲频光波长是不同的，但是通过调谐PPLN晶体温度，在特定温度下，这两种波长可以达到相同，这种状态称之为简并点。

实施例一

在一个或多个实施方式中，公开了一种基于2μm脉冲激光器泵浦的光学参量振荡器，参照图1，为电光调Q Tm:YAP激光器泵浦PPLN光参量振荡器。电光调Q技术是指通过在激光腔内***光学调制元件来产生脉冲激光的一种技术，根据开关光路的原理不同，光学调制元件包括电光开关和声光开关。

该振荡器的结构具体包括：

依次设置的792nm半导体泵浦源101、1:3耦合透镜201、平面输入镜301、Tm:YAP303、YAG起偏器401、LGS电光晶体402、凹面输出镜302、第一半波片501(1/2波片)、隔离器502、第二半波片503、45°平面反射镜601、曲率100mm的凸透镜602、OPO平面输入镜701、MgO:PPLN晶体801和OPO平面输出镜702，其中，MgO:PPLN晶体801放置在控温炉802上，用于改变MgO:PPLN晶体801的温度。本实施例中，MgO:PPLN晶体801的温度可以在25℃-50℃之间调谐。

上述振荡器为利用MgO:PPLN非线性晶体作为频率转化元件的一种光学参量振荡器。该振荡器的具体工作原理为：

半导体激光器产生792nm泵浦光，经过光纤102传输，利用1:3耦合透镜201扩束，透过平面输入镜301，聚焦到c切Tm:YAP激光晶体上，产生1937nm波长激光由凹面输出镜302输出；

YAG起偏器401、LGS电光晶体402和、1/4波片403组成电光调制单元用来产生脉冲激光；其中，YAG起偏器401用来产生线偏振激光；1/4波片403与YAG起偏器401组合用来关断光路；LGS电光晶体402通过外加1/4波电压用来打开光路；电光调制电源404通过导线与LGS电光晶体402连接，用于控制LGS电光晶体402上的电压。

平面输入镜301对792nm高透、2μm波段高反，与曲率半径200mm、2μm波段透过率为20％的凹面输出镜302构成平凹腔结构，整体腔长12cm。本实施例平凹腔结构可以有效补偿晶体的热效应。

凹面输出镜302输出的1937nm波长脉冲激光经过第一半波片501，1937nm波段激光偏振方向发生改变，以最小损耗通过隔离器502；然后通过第二半波片503，1937nm波段激光偏振方向再次发生改变，使偏振方向与PPLN晶体达到最佳相位匹配；经过45°平面反射镜601 90°改变传输方向，本实施例通过45°平面反射镜601改变传输方向，使得腔型更为紧凑。然后经过曲率100mm的凸透镜602聚焦；穿过OPO平面输入镜701，进入30.2μm周期MgO:PPLN晶体801，产生3.8μm波段激光由3-5μm波段激光透过率20％的OPO平面输出镜702输出。

本实施例基于2μm波段脉冲激光器泵浦的光学参量振荡器，可以在室温下实现简并点波长中红外激光输出；图3给出了光学参量振荡器简并点输出激光光谱图，由图3可以看出，光参量输出的参量光和闲频光波长相同，实现了3.8μm波段简并点激光输出。

实施例二

在一个或多个实施方式中，公开了一种基于2μm脉冲激光器泵浦的光学参量振荡器，参照图2，为声光调Q Tm:YAP激光器泵浦PPLN光参量振荡器。声光调Q Tm:YAP激光器指的是基于声光调Q开关的脉冲Tm:YAP激光器。

该光学参量振荡器的具体结构包括：

依次设置的101-792nm半导体泵浦源101、1:2耦合透镜、平面输入镜301、Tm:YAP激光晶体、2μm二维声光调Q开关901、凹面输出镜302、第一半波片501、隔离器502、第二半波片503、45°平面反射镜601、曲率150mm的凸透镜、OPO平面输入镜701、MgO:PPLN晶体801和OPO平面输出镜702；其中，MgO:PPLN晶体801放置在控温炉802上，用于改变MgO:PPLN晶体801的温度。

上述振荡器为利用MgO:PPLN非线性晶体作为频率转化元件的一种光学参量振荡器。该振荡器的具体工作原理为：

半导体激光器产生792nm泵浦光，经过光纤102传输，利用1:2耦合透镜扩束，透过平面输入镜301，聚焦到c切Tm:YAP激光晶体上，产生1937nm波长激光由透过率为40％的凹面输出镜302输出；二维声光调Q开关用来产生脉冲激光；输出的1937nm波长脉冲激光经过第一半波片501，1937nm激光偏振方向发生改变，以最小损耗通过隔离器502；然后通过第二半波片503，1937nm激光偏振方向再次发生改变，偏振方向与PPLN晶体达到最佳相位匹配；经过45°平面反射镜601 90°改变传输方向；经过曲率150mm的凸透镜聚焦；穿过OPO平面输入镜701，进入30.2μm周期MgO:PPLN晶体801，产生3.8μm波段激光由在3-5μm波段激光透过率20％的OPO平面输出镜702输出。

实施例三

在一个或多个实施方式中，公开了一种基于2μm脉冲激光器泵浦的光学参量振荡器的工作方法，所述的光学参量振荡器对应实施例一中公开的光学参量振荡器结构，具体工作方法包括：

半导体泵浦源产生的泵浦光经过耦合透镜和平面输入镜301聚焦到激光晶体上，输出波长为1937nm的激光，所述激光经过电光调制单元产生脉冲激光，所述脉冲激光经过凹面输出镜302输出，经过第一半波片501、隔离器502和第二半波片503，使偏振方向与PPLN晶体达到最佳相位匹配；输出的偏振激光经过凸透镜进入周期为30.2μm的PPLN晶体，在小于100℃的温度下产生3.8μm波段激光。

实施例四

在一个或多个实施方式中，公开了一种基于2μm脉冲激光器泵浦的光学参量振荡器的工作方法，所述的光学参量振荡器对应实施例二中公开的光学参量振荡器结构，具体工作方法包括：

半导体泵浦源产生的泵浦光经过耦合透镜和平面输入镜301聚焦到激光晶体上，输出波长为1937nm的激光，所述激光经过二维声光调Q开关产生脉冲激光，所述脉冲激光经过凹面输出镜302输出，经过第一半波片501、隔离器502和第二半波片503，使偏振方向与PPLN晶体达到最佳相位匹配；输出的偏振激光经过凸透镜进入周期为30.2μm的PPLN晶体，在小于100℃的温度下产生3.8μm波段激光。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。