阅读说明：本技术 一种减缓高功率脉冲光学参量振荡器走离热效应的装置 (Device for slowing down walk-off thermal effect of high-power pulse optical parametric oscillator ) 是由 王静 刘士鹏 夏伟 于 2019-11-26 设计创作，主要内容包括：一种减缓高功率脉冲光学参量振荡器走离热效应的装置,通过采用MoSe<Sub>2</Sub>被动调质材料结合声光调制器实现双损耗调Q光学参量振荡器,可以有效的压缩腔长提高平均输出功率,同样也使得输出信号光脉冲宽的明显压缩,峰值功率显著升高。对于全固态光学参量振荡器,晶体的热效应,以及热效应引起的非线性晶体内的走离效应,对信号光输出特性有很大的影响,甚至在较高泵浦功率下,平均输出功率可能随着泵浦功率的继续升高达到饱和或者下降。通过对MoSe<Sub>2</Sub>二维材料的引入,有效的缓解了热效应,在一定泵浦功率范围内保持平均输出功率的稳步增长。(A device for slowing down the walk-off thermal effect of a high-power pulse optical parametric oscillator adopts MoSe 2 The passive quenching and tempering material is combined with the acousto-optic modulator to realize the double-loss Q-switched optical parametric oscillator, the cavity length can be effectively compressed to improve the average output power, the optical pulse width of an output signal is obviously compressed, and the peak power is obviously improved. For all-solid-state optical parametric oscillator, the thermal effect of the crystal and the walk-off effect in the nonlinear crystal caused by the thermal effect have great influence on the output characteristics of the signal light, even under the condition of higher pumping powerThe output power may saturate or decrease as the pump power continues to increase. By pairing MoSe 2 The introduction of the two-dimensional material effectively relieves the heat effect and keeps the stable increase of the average output power within a certain pumping power range.)

一种减缓高功率脉冲光学参量振荡器走离热效应的装置

技术领域

本发明涉及激光领域中的光学参量振荡器技术领域，具体涉及一种减缓高功率脉冲光学参量振荡器走离热效应的装置。

背景技术

单谐振光学参量振荡器(SRO)是拓展激光相干辐射波长范围，获得可调谐相干光源的重要光学非线性频率转换技术之一，也是全固态激光器中获得1.5-1.6μm近红外人眼安全波段相干光源的主要手段之一。内腔光学参量振荡器(Intracavity OPO，IOPO)将非线性晶体放置激光谐振腔内部，利用腔内高光子数密度提高转换效率，在1.5-1.6μm近红外波段全固态激光器中，应用单个主动调制器获得调Q脉冲的技术已经比较成熟，此外1.5-1.6μm近红外人眼安全波段处于大气传输窗口，今年来高峰值功率、窄脉冲宽度、高稳定性的近红外激光在激光雷达、遥感、环境监测、医疗、风速检测、机动车无人驾驶等领域有着很重要的应用价值和前景。

采用1.06微米激光作为基频光光源，在非临界相位匹配下，能够有效实现OPO1.5-1.6μ m波段的信号光输出。因此，OPO的运转离不开基频光的偏振状态。用激光二极管(LD)对激光介质的光泵浦过程中，除了产生基频激光的辐射外，还集聚了相当高的非辐射热能，热效应对IOPO的影响可以分为两个方面，一是基频激光晶体的热梯度分布引起了折射率梯度分布，二是非线性晶体的热梯度分布引起了三光折射率梯度分布。基频光、信号光和闲频光的折射率梯度将会使能流方向发生偏移，引起三光不共线的现象，即走离效应。因此，为了减缓热效应引起的走离效应，对于全固态激光器泵浦的OPO，常伴有体积大、能耗高的冷却设备。如何在降低功耗的基础上减缓乃至消除走离热效应，对紧凑型、高峰值功率的脉冲 OPO的有效运转十分重要。

发明内容

本发明为了克服以上技术的不足，提供了一种可以减缓热效应、明显缩短激光谐振腔腔长、提高双损耗调制光学参量振荡器各项输出特性的减缓高功率脉冲光学参量振荡器走离热效应的装置。

本发明克服其技术问题所采用的技术方案是：

一种减缓高功率脉冲光学参量振荡器走离热效应的装置，包括：

耦合透镜组，其输入端通过光纤连接于激光二极管泵浦源，其后端设置有激光谐振腔输入镜，激光谐振腔输入镜与耦合透镜组位于同一光轴上；

激光增益介质，设置于激光谐振腔输入镜的后方，激光增益介质与激光谐振腔输入镜位于同一光轴上，激光二极管泵浦源发出的泵浦光通过耦合透镜组聚焦到激光增益介质，泵浦光在激光增益介质内进行泵浦产生粒子数反转在基频光谐振腔内进行正反馈振荡；

声光调制器，设置于激光增益介质的后方，声光调制器与激光增益介质位于同一光轴上；

MoSe₂二维材料，MoSe₂二维材料设置于声光调制器的后方，MoSe₂二维材料与声光调制器位于同一光轴上；

非线性光学晶体，设置于MoSe₂二维材料的后方，非线性光学晶体与MoSe₂二维材料位于同一光轴上；以及

光学参量振荡器输出镜，设置于非线性光学晶体的后方，激光谐振腔输入镜与光学参量振荡器输出镜构成基频光谐振腔，光学参量振荡器输出镜与非线性光学晶体的输入端面构成信号光谐振腔，基频光在非线性光学晶体内进行频率转换产生信号光，信号光在信号光谐振腔内进行正反馈振荡。

优选的，上述激光增益介质采用Nd³⁺：GdVO₄晶体材料制成。

进一步的，声光调制器的声光调制频率为10kHz。

优选的，上述非线性光学晶体采用KTP晶体材料制成。

优选的，上述激光谐振腔输入镜上镀有808nm增透膜及1064nm高反膜，，增透膜的反射率小于0.5％，高反膜的反射率大于98％。

优选的，上述光学参量振荡器输出镜为平面镜，其镀有1.5μm部分透过膜，部分透过膜的透过率为25％。

优选的，上述声光调制器的声光调制晶体长度为47mm，声光调制晶体双面镀有1064nm增透膜。

优选的，MoSe₂二维材料的尺寸为1.4cm×1.4cm×2mm，MoSe₂二维材料厚度2.5nm。

优选的，Nd³⁺：GdVO₄晶体材料的晶体尺寸为3mm×3mm×5mm，掺杂浓度0.5％， Nd³⁺：GdVO₄晶体材料一端镀808nm增透1064高反膜，另一端镀有1064nm增透膜，增透膜的反射率小于0.2％，高反膜的反射率大于98％。

优选的，上述KTP晶体材料的晶体尺寸为5mm×5mm×20mm，KTP晶体材料一端镀有1064nm增透膜1573nm高反膜，另一端镀有1064nm和1573nm增透膜，高反膜的反射率为99％，增透膜的反射率小于0.2％。

本发明的有益效果是：通过采MoSe₂二维材料结合声光调制器实现双损耗调Q光学参量振荡器，可以有效的压缩腔长提高平均输出功率，同样也使得输出信号光脉冲宽的明显压缩，峰值功率显著升高。对于全固态光学参量振荡器，晶体的热效应，以及热效应引起的非线性晶体内的走离效应，对信号光输出特性有很大的影响，甚至在较高泵浦功率下，平均输出功率可能随着泵浦功率的继续升高达到饱和或者下降。通过对MoSe₂二维材料的引入，有效的缓解了热效应，在一定泵浦功率范围内保持平均输出功率的稳步增长。

附图说明

图1为本发明的光学参量振荡器的结构示意图；

图2为本发明的MoSe₂材料的表征图；

图3为本发明光学参量振荡器的脉宽、峰值功率、平均输出功率随入射泵浦功率的变化关系图；

图中，1.激光二极管泵浦源 2.光纤 3.耦合透镜组 4.激光谐振腔输入镜 5.激光增益介质 6.声光调制器 7.MoSe₂二维材料 8.非线性光学晶体 9.光学参量振荡器输出镜。

具体实施方式

下面结合附图1、附图2、附图3对本发明做进一步说明。

一种减缓高功率脉冲光学参量振荡器走离热效应的装置，包括：

耦合透镜组3，其输入端通过光纤2连接于激光二极管泵浦源1，其后端设置有激光谐振腔输入镜4，激光谐振腔输入镜4与耦合透镜组3位于同一光轴上；激光增益介质5，设置于激光谐振腔输入镜4的后方，激光增益介质5与激光谐振腔输入镜4位于同一光轴上，激光二极管泵浦源1发出的泵浦光通过耦合透镜组3聚焦到激光增益介质5，泵浦光在激光增益介质5内进行泵浦产生粒子数反转在基频光谐振腔内进行正反馈振荡；声光调制器6，设置于激光增益介质5的后方，声光调制器6与激光增益介质5位于同一光轴上；MoSe₂二维材料7，采用MoSe₂材料制成，MoSe₂二维材料7设置于声光调制器6的后方，MoSe₂二维材料7与声光调制器6位于同一光轴上；声光调制器6与MoSe₂二维材料7对基频光实现主被动双损耗调制。非线性光学晶体8，设置于MoSe₂二维材料7的后方，非线性光学晶体8与 MoSe₂二维材料7位于同一光轴上；以及光学参量振荡器输出镜9，设置于非线性光学晶体 8的后方，激光谐振腔输入镜4与光学参量振荡器输出镜9构成基频光谐振腔，光学参量振荡器输出镜9与非线性光学晶体8的输入端面构成信号光谐振腔，基频光在非线性光学晶体8内进行频率转换产生信号光，信号光在信号光谐振腔内进行正反馈振荡。

工作时，激光二极管泵浦源1产生的泵浦光通过光纤2传输并通过耦合透镜组3聚焦到激光增益介质内，实现粒子数反转，声光调制器6和MoSe₂二维材料7实现双损耗调制，调质后的激光通过非线性光学晶体8进行线性频率转换，最终通过光学参量振荡器输出镜9输出信号脉冲光。通过采用MoSe₂二维材料7结合声光调制器6实现双损耗调Q光学参量振荡器，可以有效的压缩腔长提高平均输出功率，同样也使得输出信号光脉冲宽的明显压缩，峰值功率显著升高。对于全固态光学参量振荡器，晶体的热效应，以及热效应引起的非线性晶体内的走离效应，对信号光输出特性有很大的影响，甚至在较高泵浦功率下，平均输出功率可能随着泵浦功率的继续升高达到饱和或者下降。通过对MoSe₂二维材料7的引入，有效的缓解了热效应，在一定泵浦功率范围内保持平均输出功率的稳步增长。

实施例1：

下面以一个具体的实验来验证本发明的减缓高功率脉冲光学参量振荡器走离热效应的装置的可行性，808nm激光二极管泵浦源1最大输出功率为50W通过纤芯直径400μm的传能光纤2传输，透过1∶0.8耦合透镜组3耦合到Nd³⁺：GdVO₄材料制成的激光增益介质5进行泵浦，实现离子数反转，声光调制器6和MoSe₂二维材料7实现双损耗调制，1064nm基频激光通过KTP晶体的非线性光学晶体8进行非线性频率转换，在OPO单谐振腔内，1573 nm信号光被正反馈放大振荡并从光学参量振荡器输出镜9输出信号脉冲光。对于双损耗调制光学参量振荡器，在泵浦功率10W左右脉冲宽度0.85ns-1.28ns，峰值功率20kW-22kW (均为典型值)。图3(a)展示了本发明实施例的脉冲宽度和峰值功率在声光调制频率为 10kHz下随着泵浦功率的变化关系，从图中可以看出在泵浦功率10.8W的时候输出信号光最小脉冲宽度为800ps，峰值功率为26.45kW。由于MoSe₂二维材料作为被动调制材料。体积和厚度较小节省空间大大压缩了激光谐振腔的腔长，减少了损耗，提高平均输出功率，致使脉冲宽度被压缩的同时峰值功率得到了进一步的提高。图3(b)和图3(c)分别展示了单声光调Q光学参量振荡器和MoSe₂+AO双损耗调Q光学参量振荡器的信号光平均输出功率随入射泵浦功率的变化关系对比。从图3(b)可以看出对于单声光调Q光学参量振荡器信号光平均输出功率在泵浦功率高于8.6W的时候明显下降。可能原因是高功率下的晶体的热效应，和热效应引起的非线性晶体内的走离效应，热效应对光学参量振荡器的影响在文献“Diode end-pumpedself-Q-switched and mode-locked Nd，Cr：YAG/KTP green laser，Chinese Physics.15(2006)1522-1525”、“Passive mode-locking of a diode-pumped Nd：YVO₄ laser byintracavity SHG in PPKTP，Opt.Express.18(2010)5754-5762”和“Thermal Effect inKTP Crystals During High PowerLaser Operation，Chinese Physics Letters.18(2001)1356-1359”中都有报道，图3(c)由于MoSe₂被动调质材料的***损耗有效缓解了热效应，从而明显提高了8.6-10.8W泵浦的输出功率。

综上所述，本发明实施例提供了一种MoSe₂+AO双损耗调制的短腔光学参量振荡器，减缓了单声光主动调制光学参量振荡器的热损耗效应，实现平均输出功率的进一步提高，另外由于MoSe₂材料制成的MoSe₂二维材料的体积尺寸较小，大大压缩了整个装置激光谐振腔腔长，从而进一步提高平均输出功率，峰值功率，实现调Q短脉冲，高峰值功率人眼安全1.5 μm波段相关光输出。

优选的，激光增益介质5采用Nd³⁺：GdVO₄晶体材料制成。实现时激光增益介质 Nd³⁺：GdVO₄晶体5也可以替换为Nd³⁺：YVO₄、Nd：YAG等常用激光晶体，并镀有相应波段的增透膜和高反膜(增透膜和高反膜的波长为本领域人所公知不再赘述)，本发明实施例对此不做限制。

优选的，声光调制器6的声光调制频率为10kHz。声光主动调制器也可以替换其他主动调制器，并镀有相应增透膜。声光调制频率控制10kHz为益满足激光上能级粒子寿命90μs。

优选的，非线性光学晶体8采用KTP晶体材料制成。非线性光学晶体8为X轴切割的KTP 晶体，这样可以采用第二类非临界相位匹配来获得较大的有效非线性系数和接收角。进一步的，上述KTP晶体材料的晶体尺寸为5mm×5mm×20mm，KTP晶体材料一端镀有1064 nm增透膜1573nm高反膜，另一端镀有1064nm和1573nm增透膜，高反膜的反射率为 99％，增透膜的反射率小于0.2％。

优选的，激光谐振腔输入镜4上镀有808nm增透膜及1064nm高反膜，增透膜的反射率小于0.5％，高反膜的反射率大于98％。

优选的，光学参量振荡器输出镜为平面镜，其镀有1.5μm部分透过膜，部分透过膜的透过率为25％。

优选的，声光调制器6的声光调制晶体长度为47mm，声光调制晶体双面镀有1064nm增透膜。

进一步的，MoSe₂二维材料7是通过电子束蒸发和后硒化法制备而得，样品衬底材料是C轴切割的蓝宝石，样品材料尺寸2cm×2cm×2mm，MoSe₂二维材料厚度2.5nm。如附图2所示，图2(a)为MoSe₂材料拉曼光谱，(b)MoSe₂材料原子力显微图，可以确定材料厚度大约2.5nm，(c)给出了MoSe₂二维材料的光学参数。MoSe₂材料的其近似非饱和损耗和初始透射率分别为14％和77.8％，调制深度(ΔT)为21.7％，饱和功率强度(I_sat)拟合为1.47MW/cm²。

Nd³⁺：GdVO₄晶体材料的晶体尺寸为3mm×3mm×5mm，掺杂浓度0.5％，Nd³⁺：GdVO₄晶体材料一端镀808nm增透1064高反膜，另一端镀有1064nm增透膜，增透膜的反射率小于0.2％，高反膜的反射率大于98％。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。