阅读说明：本技术 一种基于碱金属激光器差频的中红外激光器 (Intermediate infrared laser based on difference frequency of alkali metal laser ) 是由 李志永 胡列懋 谭荣清 刘松阳 宁方晋 于 2019-09-27 设计创作，主要内容包括：本发明提出了一种基于碱金属激光器差频的中红外激光器,具有高功率、高效率、低阈值的特点。本发明激光器基于差频技术产生中红外激光。用于差频的基频光由碱金属激光器和其泵浦的掺钕激光组成。由于信号光采用碱金属激光泵浦产生,信号光与碱金属激光具有共光轴特性,进行差频时,具有较好的模式匹配,能够高效率的输出中红外激光。与光参量振荡器、光参量放大器相比,本发明激光器具有低阈值、窄线宽的特点。这是由于本发明专利的信号光由碱金属激光泵浦掺钕晶体产生,而OPO与OPA均是在高增益下通过非线性过程产生信号光。两者相比,OPO与OPA需要更高的阈值,且具有更大的线宽。(The invention provides a mid-infrared laser based on the difference frequency of an alkali metal laser, which has the characteristics of high power, high efficiency and low threshold. The laser generates mid-infrared laser based on a difference frequency technology. The fundamental frequency light for the difference frequency consists of an alkali metal laser and its pumped neodymium-doped laser. Because the signal light is generated by pumping of the alkali metal laser, the signal light and the alkali metal laser have the coaxial characteristic, and the signal light and the alkali metal laser have better mode matching when difference frequency is carried out, and can efficiently output the mid-infrared laser. Compared with an optical parametric oscillator and an optical parametric amplifier, the laser has the characteristics of low threshold value and narrow line width. This is because the signal light of the present invention is generated by alkali metal laser pumping neodymium-doped crystal, and OPO and OPA generate signal light by nonlinear process under high gain. Compared with OPA, OPO requires higher threshold and has larger line width.)

一种基于碱金属激光器差频的中红外激光器

技术领域

本发明属于激光器技术领域，尤其涉及一种基于碱金属激光器差频的中红外激光器。

背景技术

近年来，中红外激光探测器的应用越来越广泛，尤其是处于3～5μm的中红外波段，对烟雾、大气的穿透能力强，在气体探测等方面具有较为广阔的应用前景。目前能够输出该波段的激光器种类繁多，其中采用频率变换输出的中红外激光是主要手段之一，例如2018年，朱仁江等人利用调谐范围分别为949-957nm和1071-1106nm的两束光，通过腔内差频技术输出调谐范围为6.7-9.0μm的中红外波段。与其他频率变换产生中红外光束的方法相比，如光参量振荡技术(OPO)、光参量放大技术(OPA)，差频技术产生的中红外光束具有线宽窄、阈值低的特点。但是通过差频技术实现中红外输出，需要两束种子光，腔型结构复杂，腔内损耗较大。另外，目前常用的种子源均为固体激光器，增益介质为固体，在高功率激光输出时热透镜效应明显，在高泵浦功率密度下输出光的光束质量变差，难以实现高功率的中红外激光。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种基于碱金属激光器差频的中红外激光器，具有高功率、高效率、低阈值的特点。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

本发明基于碱金属激光器差频的中红外激光器包括高反镜、半导体激光器、离轴抛物面镜、碱金属蒸气室、双色镜、掺钕晶体、三色镜I、MgO:PPLN晶体以及三色镜II；

其中，高反镜对碱金属激光高反，三色镜II对碱金属激光和近红外激光高反，对中红外激光高透；

高反镜与三色镜II形成碱金属激光谐振腔，对碱金属激光实现光放大；

离轴抛物面镜、碱金属蒸气室、双色镜、掺钕晶体、三色镜I以及MgO:PPLN晶体沿出光方向依次位于碱金属激光谐振腔中；

半导体激光器位于碱金属激光谐振腔外，输出半导体激光经离轴抛物面镜进入碱金属蒸气室内，用于泵浦碱金属蒸气，产生碱金属激光；

双色镜对碱金属激光高透，对近红外激光高反；掺钕晶体经过碱金属激光泵浦后产生近红外激光；双色镜与三色镜II形成近红外激光谐振腔，对近红外激光实现光放大；三色镜I对碱金属激光和近红外激光高透，对中红外激光高反；碱金属激光和近红外激光射向MgO:PPLN晶体，经MgO:PPLN晶体差频产生中红外激光，经三色镜II输出。

其中，还包括第一温控炉和第二温控炉，分别用于所述碱金属蒸气室以及MgO:PPLN晶体的温控控制。

其中，碱金属蒸气室内还充有甲烷。

有益效果：

本发明激光器基于差频技术产生中红外激光。用于差频的基频光由碱金属激光器和其泵浦的掺钕激光组成。由于信号光采用碱金属激光泵浦产生，信号光与碱金属激光具有共光轴特性，进行差频时，具有较好的模式匹配，能够高效率的输出中红外激光。与光参量振荡器、光参量放大器相比，本发明激光器具有低阈值、窄线宽的特点。这是由于本发明专利的信号光由碱金属激光泵浦掺钕晶体产生，而OPO与OPA均是在高增益下通过非线性过程产生信号光。两者相比，OPO与OPA需要更高的阈值，且具有更大的线宽。

附图说明

图1为本发明的基于碱金属激光器差频的中红外激光器整体示意图。

其中，1-高反镜，2-半导体激光器，3-离轴抛物面镜，4-碱金属气室，5-第一温控炉，6-双色镜，7-掺钕晶体，8-三色镜I，9-MgO:PPLN晶体，10-第二温控炉，11-三色镜II。

图2为本发明的非线性晶体差频过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

半导体激光泵浦碱金属激光器(DPAL)是一种新型的光泵浦气体激光器，当碱金属激光器的泵浦波长为780nm，其增益介质为蒸气状态的铷蒸气，对应的激光波长为795nm。DPAL的热透镜效应不明显、激光波长稳定且工作温度与非线性晶体的工作温度范围相近。DPAL是气体激光器，自由运转时输出激光光谱窄，将其作为掺钕晶体的泵浦源，产生近红外激光，该波段在PPLN晶体内与795nm进行差频，实现高效率窄谱宽的中红外激光器。

本发明提供了一种基于碱金属激光器差频的中红外激光器，利用碱金属激光器泵浦掺钕晶体，输出1064nm波段激光，将碱金属激光器输出光与1064nm波段激光差频实现中红外激光输出。碱金属激光器是光谱均匀加宽的气体激光器，无需光谱选择元件(光栅、标准具等)，输出激光光谱波长稳定且线宽较窄(10～50GHz)，减弱或消除了泵浦光波长的轻微变化对闲频光中心波长及功率稳定性的影响，同时泵浦光的相干性较好，输出中红外的线宽较窄。

实施例1：如图1所示，本实施例的中红外激光器包括高反镜1、半导体激光器2、离轴抛物面镜3、碱金属气室4、第一温控炉5、双色镜6、掺钕钒酸钇(Nd:YVO₄)晶体7、三色镜I8、掺镁周期极化铌酸锂(MgO:PPLN)晶体9、第二温控炉10以及三色镜II11。用于差频产生中红外的基频光由碱金属激光和碱金属激光泵浦的掺钕激光组成。

其中，高反镜表面镀有介质膜，介质膜对碱金属激光具有高的反射率，反射率一般为99.8％，优选值为99.99％，与三色镜II形成碱金属激光的平凹谐振腔，对碱金属激光实现光放大。

半导体激光器2输出半导体激光，其真空中波长为780.02nm，线宽为0.1nm，其作用是泵浦温控炉中的铷蒸气室(碱金属气室4)，实现铷激光上能级和下能级之间的粒子数反转。半导体激光器2输出的光束入射至离轴抛物面镜3。

离轴抛物面镜3将泵浦光反射并进行聚焦，该镜直径为75mm，焦距为50mm，经离轴抛物面镜3聚焦的光束入射至碱金属气室4内，并使焦点在碱金属气室4内，焦点大小为直径0.8mm。离轴抛物面镜3也可以是其他焦距和尺寸，目的是反射、聚焦半导体激光，提高半导体激光的功率密度。

碱金属气室4内部充有铷单质和甲烷(作为缓冲气体)，是碱金属激光器的工作物质，经反射、聚焦后的半导体激光泵浦后，可实现铷原子激光上下两个能级的粒子数翻转，产生铷激光对应波长为795mm的增益。

第一温控炉5控制铷蒸气室(碱金属气室4)的温度，用于提供铷激光工作所需的工作温度条件，温控炉的控温范围为20-180℃，控制进度为±0.1℃，工作温度可设为157.5℃。铷蒸气室(碱金属气室4)内部充有铷单质和甲烷，是铷激光器的工作物质，甲烷气压选为80kPa。经反射、聚焦后的半导体激光泵浦后，可实现铷原子激光上下两个能级的粒子数翻转。

双色镜6的表面镀有介质膜，对795nm铷激光具有较高的透射率，透射率一般为99.8％，优选值为99.99％；对1064nm激光具有较高的反射率。

掺钕晶体7经过碱金属激光泵浦后产生近红外光子的受激辐射。本实施例采用Nd:YVO₄晶体，其规格为2mm*2mm*5mm，掺杂浓度为0.3at％，经过波长为795nm铷激光泵浦后产生1064nm。利用热传导原理，由铟箔纸包裹的Nd:YVO₄晶体放在铜槽内，可以保证该晶体的工作温度维持在室温。Nd:YVO₄晶体具有较宽的吸收峰(泵浦波长为795nm)，晶体沿x轴切割，可以实现线偏振激光输出。掺钕晶体7可以采用双端键合掺钕晶体，应保证碱金属激光在掺钕晶体中模式匹配；掺钕晶体7可以由掺钕氟化钇锂(Nd:YLF)替代，目的经过碱金属激光泵浦后产生1047nm光子的受激辐射，此时1047nm激光和795nm激光在腔内差频，选择合适的非线性晶体，仍然可以输出中红外激光，输出波长为3303nm。

三色镜I8的表面镀有介质膜，对碱金属激光和近红外激光具有较高的透射率，对中红外激光具有较高的反射率，使得碱金属激光和近红外激光在腔内都能射向PPLN晶体，且保证中红外激光从三色镜II11输出。本实施例中对795nm铷激光和1064nm激光具有较高的透射率，透射率一般为99.8％，优选值为99.99％；对3144nm激光具有较高的反射率，反射率一般大于99.5％。三色镜I8使得碱金属激光和1064nm激光在腔内都能射向PPLN晶体，且保证3144nm激光从三色镜II11输出。

MgO:PPLN晶体9是用于差频产生的非线性晶体，其差频过程如图2所示。为了充分利用晶体的最大非线性系数，提高转换效率，选择泵浦光、信号光和闲频光三波偏振方向平行的相位匹配方式(e+e→e)。本发明采用的是MgO掺杂浓度为5mol％的周期极化铌酸锂，其规格为9.5mm×1mm×20mm，该晶体的工作温度为室温。

不同频率的波长在非线性晶体中的折射率不同，利用Sellmeier方程可以计算e光的折射率，该方程为

f＝(T-24.5)(T+570.82) (0)

其中，T是温度，单位是℃。对于掺杂浓度为5mol％的PPLN，其他参数为：

a₁＝5.756，a₂＝0.0983，a₃＝0.2020，a₄＝189.32，a₅＝12.52，a₆＝1.32×10^-2

b₁＝2.860×10^-6，b₂＝4.700×10^-8，b₃＝6.113×10^-8，b₄＝1.516×10^-4

当三波共线(e+e→e)时，有

当晶体工作温度T＝25℃时，由上述三式可得MgO:PPLN极化周期为21.98um。

第二温控炉10的调控精度为0.1℃，设定晶体初始温度为25℃，以该精度对MgO:PPLN晶体的工作温度进行调控优化，用于提供795nm和1064nm激光差频过程所需的工作温度。

三色镜II11为凹面镜，曲率半径为400mm，在其表面镀有介质膜，对795nm和1064nm激光具有较高的反射率，反射率一般为99.8％，优选值为99.99％；对3144nm激光具有较高的透射率，透射率一般为99.5％。三色镜II11与高反镜1形成碱金属激光的平凹腔，对795nm激光实现光放大。三色镜II11与双色镜6形成掺钕激光的平凹腔，对1064nm受激辐射实现光放大。

实施例2：在实施例1的基础上，碱金属蒸气室4内也可以充有其他缓冲气体或组分，如氦气、乙烷等气体，只需使蒸气室内的碱金属原子在泵浦光的作用下能够实现粒子数反转即可。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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。