阅读说明：本技术 一种输出双波长中红外的光参量振荡器 (Optical parametric oscillator for outputting dual-wavelength mid-infrared light ) 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：本发明提出了一种输出双波长中红外的光参量振荡器,试验步骤简单、效率高,并且试验误差低。本发明中双波长中红外光束的产生于两个非线性过程,且两个非线性频率变换过程之间耦合度较小,光参量振荡产生的阈值低,便于调节各个波长的功率占比。2次光参量振荡过程的泵浦光由同一半导体激光器产生,使得双波长中红外光束具有严格的共光轴特点,是一种优质的气体差分吸收探测和太赫兹产生的激光源。(The invention provides an optical parametric oscillator for outputting mid-infrared light with dual wavelengths, which has the advantages of simple test steps, high efficiency and low test error. The infrared light beams in the dual-wavelength system are generated in two nonlinear processes, the coupling degree between the two nonlinear frequency conversion processes is small, the threshold value generated by optical parametric oscillation is low, and the power ratio of each wavelength can be adjusted conveniently. The pumping light in the 2-time optical parametric oscillation process is generated by the same semiconductor laser, so that the infrared light beam in the dual-wavelength has the strict coaxial-axis characteristic, and the laser source is a high-quality laser source for gas differential absorption detection and terahertz generation.)

一种输出双波长中红外的光参量振荡器

技术领域

本发明属于光参量振荡器技术领域，尤其涉及一种输出双波长中红外的光参量振荡器。

背景技术

由于3～5μm的中红外激光对烟雾、大气的穿透能力强，因此该波段的激光在生物医学、气体探测等方面具有较为广阔的应用前景。相对于单波长中红外激光而言，双波长中红外激光的应用更具有特色，通过双波长中红外激光能够实现太赫兹波产生，也能实现多组分气体同步检测。

光参量振荡器是获得中红外激光的主要方式之一，具有波长调谐范围宽，可通过多种方式(周期调谐、波长调谐以及温度调谐等)实现大范围波段的激光输出。对于某一极化周期的非线性晶体，在泵浦光(波长λ)的泵浦下产生非线性现象，产生波长为λ_I的闲频光和波长为λ_S的信号光。多波长泵浦光同时泵浦单周期的非线性晶体，单波长泵浦光泵浦级联双周期结构的非线性晶体，这些技术手段都可以实现多波长中红外输出。

对于级联非线性晶体的光参量振荡器，对谐振腔内的振荡阈值较高，因此对泵浦源的功率有较高的要求。另外，多波长输出的激光器作为光参量振荡器的泵浦源时，腔型结构复杂，需要精确控制光路，调节难度较大，泵浦光在谐振腔中的损耗影响其转化效率。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种输出双波长中红外的光参量振荡器，试验步骤简单、效率高，并且试验误差低。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

本发明的输出双波长中红外的光参量振荡器包括高反镜、半导体激光器、输入镜、偏振器件、碱金属蒸气室、双色镜、掺钕晶体、四色镜、非线性晶体、输出耦合镜以及步进平移台；

其中，高反镜对碱金属激光高反，输出耦合镜对碱金属激光和近红外激光高反，对中红外激光部分透射；

高反镜与输出耦合镜形成碱金属激光谐振腔，对碱金属激光实现光放大；

偏振器件、碱金属蒸气室、双色镜、掺钕晶体、四色镜以及非线性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，输出半导体激光经偏振器件进入碱金属蒸气室内，用于泵浦碱金属蒸气；其中，偏振器件用于使碱金属激光成为线偏振光以及使半导体激光与碱金属激光的耦合；

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；双色镜与输出耦合镜形成近红外激光谐振腔，对近红外激光实现光放大；四色镜对中红外激光高反，对碱金属激光和近红外激光高透，与输出耦合镜形成光参量振荡器的谐振腔镜；

碱金属激光和近红外激光射向非线性晶体产生中红外激光，经输出耦合镜输出；

步进平移台用于放置非线性晶体，通过步进平移台调整非线性晶体通光通道，实现多波长中红外输出的调谐。

其中，双波长的间隔通过横向移动非线性晶体调节。

其中，所述半导体激光经输入镜聚焦后经偏振器件进入碱金属蒸气室(5)内，所述输入镜为聚焦镜或离轴抛物面镜。

其中，所述偏振器件为偏振分光立方体或格兰激光棱镜。

其中，碱金属蒸气室与偏振器件的位置可互换。

其中，输出耦合镜对闲频光以及信号光均具有一定的输出耦合率，同时输出闲频光和信号光。

其中，输出耦合镜对闲频光、信号光以及碱金属激光均具有一定的输出耦合率，同时输出闲频光、信号光和碱金属激光。

有益效果：

本发明中双波长中红外光束的产生于两个非线性过程，且两个非线性频率变换过程之间耦合度较小，光参量振荡产生的阈值低，便于调节各个波长的功率占比。2次光参量振荡过程的泵浦光由同一半导体激光器产生，使得双波长中红外光束具有严格的共光轴特点，是一种优质的气体差分吸收探测和太赫兹产生的激光源。

附图说明

图1为本发明输出双波长中红外的光参量振荡器装置整体示意图。

其中，1-高反镜，2-半导体激光器，3-聚焦镜，4-偏振分光立方体，5-碱金属气室，6-第一温控炉，7-双色镜，8-掺钕晶体，9-四色镜，10-非线性晶体，11-第二温控炉，13-输出耦合镜。

图2为本发明中多周期极化晶体的结构。

图3为本发明中泵浦光通过非线性晶体四种不同通道的情况。

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，其增益介质为蒸气状态的碱金属原子，主要为钾、铷或铯蒸气。三种碱金属激光器的泵浦波长分别为766nm、780nm和852nm，对应的激光波长分别为770nm、795nm和895nm。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。

如图1所示，本发明的输出双波长中红外的光参量振荡器装置包括高反镜1、半导体激光器2、聚焦镜3、偏振分光立方体4、碱金属蒸气室5、第一温控炉6、双色镜7、掺钕晶体8、四色镜9、非线性晶体10、第二温控炉11、步进平移台12以及输出耦合镜13。该光参量振荡器将碱金属气室5、掺钕晶体8、非线性晶体10放置于碱金属激光器和1064nm激光的谐振腔内，通过碱金属激光器和1064nm同时泵浦非线性晶体10，实现双波长中红外激光的输出。

其中，高反镜1反射振荡碱金属激光，与输出耦合镜13形成碱金属激光的谐振腔，对碱金属激光实现光放大。本实施例中高反镜1反射振荡的铷激光，反射率高于99.5％，与输出耦合镜13形成铷激光的谐振腔。

半导体激光器2输出半导体激光，其作用是泵浦第一温控炉6中的碱金属蒸气室5，实现激光上能级和下能级之间的粒子数反转。半导体激光器2输出的光束入射至聚焦镜3。本实施例中半导体激光空气中波长为780.02nm，线宽为0.1nm。

聚焦镜3将泵浦光聚焦，用于提高泵浦光的功率密度，经聚焦镜3聚焦的光束入射至偏振分光立方体4，并使焦点在碱金属蒸气室5内。聚焦镜3可以用离轴抛物面镜替代，目的是反射、聚焦半导体激光，提高半导体激光的功率密度。

本实施例中，偏振器件4是偏振分光立方体，其作用是使碱金属激光成为线偏振光以及使半导体激光与碱金属激光的耦合；半导体激光和碱金属激光以不同的偏振态通过偏振分光立方体4，其中，半导体激光的偏振态为垂直线偏振(S偏振)，铷激光的偏振态为平行线偏振(P偏振)。半导体激光经偏振分光立方体4后会聚至碱金属蒸气室5内。本实施例中聚焦镜3的焦距为75mm，通光孔径为φ50mm，会聚至碱金属蒸气室5内的焦点直径为0.8mm。还可以用其他类型的偏振器件替换，如格兰激光棱镜。

碱金属蒸气室5内部充有碱金属单质和缓冲气体，是碱金属激光器的工作物质，经聚焦后的半导体激光泵浦后，可实现碱金属原子激光上下两个能级的粒子数翻转，产生碱金属激光对应波长的增益。经高反镜与输出耦合镜形成的谐振腔放大后，作为一级参量振荡过程的泵浦光。本实施例中，碱金属蒸气室5为铷蒸气室，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。

第一温控炉6用于控制碱金属蒸气室5的温度，提供碱金属激光工作所需的工作温度条件。本实施例中，工作温度设为145℃。

双色镜7是镀膜的镜片，其对碱金属激光高透，对1064nm激光高反，与输出耦合镜13形成1064nm激光的谐振腔，对1064nm激光实现光放大。本实施例中双色镜7对1064nm激光的反射率高于99％，对铷激光波长(795nm)的透过率高于99％。

掺钕晶体8经过碱金属激光泵浦后产生1064nm的受激辐射，经输出耦合镜13与双色镜7形成的谐振腔放大后，作为二级参量振荡过程的泵浦光。掺钕晶体8可以采用双端键合晶体，应保证碱金属激光在掺钕晶体8中模式匹配。本实施例中掺钕晶体8为Nd:YVO₄晶体。

四色镜9是镀膜的镜片，其对中红外激光高反，对碱金属激光和1064nm激光高透，与输出耦合镜13组成光参量振荡器的谐振腔镜。本实施例中，对3.0～3.6μm波段的反射率高于99％，对铷激光波长(795nm)和1064nm的透过率高于99％，对半导体激光波长的反射率高于95％。

非线性晶体10是多周期极化的非线性晶体，各个周期满足使用碱金属激光和1064nm激光泵浦时光参量振荡的动量守恒条件。

非线性晶体可采用掺镁的周期极化铌酸锂(MgO：PPLN晶体)或周期极化铌酸锂(PPLN晶体)。本实施例采用MgO:PPLN晶体，MgO:PPLN晶体是多周期极化的非线性晶体，其结构如图2所示。在晶体左侧有四条并列的通道，即Λ_l1、Λ_l2、Λ_l3和Λ_l4，通道宽度均为1mm，极化周期分别为21.6μm、21.5μm、21.4μm、21.3μm，各个周期满足使用碱金属激光泵浦时光参量振荡的动量守恒条件。在晶体右侧有两条并列的通道，即Λ_r1和Λ_r2，通道宽度均为2mm，极化周期分别为30.0μm、30.8μm，各个周期满足使用1064nm泵浦时光参量振荡的动量守恒条件。

MgO：PPLN晶体的左侧四个通道的极化周期为Λ_l1、Λ_l2、Λ_l3和Λ_l4，都满足使用铷激光λ₇₉₅泵浦时光参量振荡的动量守恒条件。以左侧第一通道为例，该通道极化周期为Λ_l1，则

式中n₇₉₅，n_S1和n_I1分别为泵浦光波长λ₇₉₅、信号光波长λ_S1和闲频光波长λ_I1在晶体左侧第一通道内对应的折射率。

MgO：PPLN晶体是产生非线性现象的媒质，经铷激光泵浦产生非线性现象。左侧四条通道的长度、宽度和高度分别为25mm、1mm和1mm，极化周期分别为21.6μm、21.5μm、21.4μm和21.3μm，端面镀700～4000nm的增透膜。在上述四个极化周期下，可输出闲频光的波长分别为3.19μm、2.99μm、2.86μm和2.73μm，信号光波长分别为1.06μm、1.08μm、1.10μm和1.12μm。

MgO：PPLN晶体的右侧两个通道的极化周期为Λ_r1和Λ_r2，都满足使用1064nm泵浦时光参量振荡的动量守恒条件。以右侧第一通道为例，该通道极化周期为Λ_r1，则

式中n₁₀₆₄，n'_S1和n'_I1分别为泵浦光波长λ₁₀₆₄、信号光波长λ'_S1和闲频光波长λ'_I1在晶体右侧第一通道内对应的折射率。

MgO：PPLN晶体是产生非线性现象的媒质，经1064nm泵浦产生非线性现象。右侧两条通道的长度、宽度和高度分别为25mm、2mm和1mm，极化周期分别为30.0μm和29.8μm，端面镀700～4000nm的增透膜。在上述两个极化周期下，可输出闲频光的波长分别为3.39μm和3.50μm，信号光波长分别为1.55μm和1.53μm。

第二温控炉11控制非线性晶体的温度。通过非线性晶体的温度，使光参量振荡器输出波长为λ_S1的信号光以及波长为λ_I1的闲频光。本实施例中，第二温控炉11的调控精度为0.1℃，设定非线性晶体初始温度为25℃，以该精度对非线性晶体的工作温度进行调控优化，用于调谐双波长中红外激光的输出波长。

步进平移台12由重复精度优于10nm的步进电机控制，用于放置第二温控炉11和MgO：PPLN晶体，通过使用步进电机控制非线性晶体通光通道，实现多波长中红外输出的调谐。如图3所示，通过步进平移台的移动，可以控制多周期极化MgO:PPLN晶体的通光通道，能保证碱金属激光和1064nm泵浦MgO:PPLN晶体的指定通道，实现多波长中红外激光输出的调谐。

输出耦合镜13输出中红外激光，其表面镀有介质膜，介质膜对碱金属激光和1064nm激光高反，对中红外激光具有一定的输出耦合率。与四色镜9形成光参量振荡器的谐振腔，对中红外激光实现光放大。与双色镜7形成1064nm激光的谐振腔，对1064nm激光实现光放大。与高反镜1形成碱金属激光的谐振腔，对碱金属激光实现光放大。输出耦合镜13还可对闲频光、信号光均具有一定的输出耦合率，对闲频光、信号光的输出耦合率可以相同，也可以不同，目的是同时输出闲频光和信号光；也可以对闲频光、信号光、碱金属激光均具有一定的输出耦合率，对闲频光、信号光、碱金属激光的输出耦合率可以相同，也可以不同，目的是同时输出闲频光、信号光和碱金属激光。

实施例2：在实施例1的基础上，碱金属蒸气室5与偏振分光立方体4的位置互换。互换后，半导体激光仍以S偏振态被聚焦至碱金属蒸气室5。

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。