寬調(diào)諧的光學(xué)參量振蕩器及調(diào)諧裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于激光技術(shù)中的固體激光器及非線性光學(xué)頻率變換領(lǐng)域，特別涉及一種寬調(diào)諧的光學(xué)參量振蕩器及調(diào)諧裝置。
技術(shù)背景
[0002]光學(xué)參量振蕩器(OPO)是利用非線性晶體進(jìn)行頻率變換來(lái)實(shí)現(xiàn)的器件。自1965年科學(xué)家首次觀察到三波非線性過(guò)程中的參量增益后，關(guān)于光學(xué)參量振蕩器的相關(guān)研宄也被廣泛開(kāi)展。光學(xué)參量振蕩器的發(fā)展與非線性晶體的發(fā)展密不可分。20世紀(jì)80年代中后期，損傷閾值高、透明范圍寬、有效非線性系數(shù)大的非線性晶體的出現(xiàn)，對(duì)光學(xué)參量振蕩器的發(fā)展起到了巨大的推動(dòng)作用，也使得光學(xué)參量振蕩器的發(fā)展走向?qū)嵱秒A段。光學(xué)參量振蕩的諧振方式主要有單諧振與雙諧振兩種，并可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)或脈沖寬度為納秒、皮秒甚至飛秒量級(jí)的脈沖運(yùn)轉(zhuǎn)。光學(xué)參量振蕩器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作性能可靠、分辨率高、重復(fù)頻率高、轉(zhuǎn)換效率高以及調(diào)諧范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，作為調(diào)諧范圍較寬的固體激光器，光學(xué)參量振蕩器已經(jīng)應(yīng)用于航空航天、生物醫(yī)療、化學(xué)檢測(cè)、大氣檢測(cè)與軍事等領(lǐng)域。
[0003]目前，光學(xué)參量振蕩的調(diào)諧方式主要分為以下幾種:溫度調(diào)諧，利用溫控裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)晶體溫度的精確控制，通過(guò)不同溫度下晶體性質(zhì)的改變實(shí)現(xiàn)輸出波長(zhǎng)的連續(xù)調(diào)諧(參考Yabai He等2001 年發(fā)表在Applied Optics 的文章Tunable single-mode operat1n of apulsed optical parametric oscillator pumped by a multimode laser);角度調(diào)諧，通過(guò)旋轉(zhuǎn)晶體實(shí)現(xiàn)晶體與泵浦光之間的角度改變，利用不同條件的相位匹配實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)的調(diào)諧輸出(參考姚寶權(quán)等2000年發(fā)表在“中國(guó)激光”的文章“利用KTP光學(xué)參量振蕩器獲得可調(diào)諧人眼安全激光”)；泵浦波長(zhǎng)調(diào)諧，通過(guò)改變泵浦波長(zhǎng)大小，實(shí)現(xiàn)閑頻光的調(diào)諧輸出(參考 Μ.E.Klein 等 2000 年發(fā)表在 Optical Letters 的文章 D1de-pumped singly resonantcontinuous-wave optical parametric oscillator with wide continuous tuning ofthe near-1nfrared idler wave);如果利用周期極化晶體，還可以通過(guò)改變極化晶體的周期結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)的調(diào)諧輸出(參考Hong-Yi Lin等2014年發(fā)表在Optik-1nternat1nalJournal for Light and Electron Optics 的文章 Mid-1nfrared, wide-tunable, continuous-wave Nd:YV04/PPMgLN intracavity optical parametric oscillator);外場(chǎng)調(diào)諧，對(duì)非線性晶體施加外場(chǎng)，例如直流電場(chǎng)或磁場(chǎng)，利用晶體折射率的電光效應(yīng)或磁光效應(yīng)，改變晶體折射率，實(shí)現(xiàn)可調(diào)的光學(xué)參量振蕩器。
[0004]對(duì)于一般均勻塊狀非線性晶體構(gòu)成的光學(xué)參量振蕩器，調(diào)諧方式通常采用:(I)臨界相位匹配時(shí)采用調(diào)諧晶體角度來(lái)調(diào)諧輸出波長(zhǎng)；(2)非臨界相位匹配時(shí)采用改變晶體工作溫度來(lái)調(diào)諧輸出波長(zhǎng)。其中非臨界相位匹配方式非線性晶體沿主軸方向切割通光，具有無(wú)走離角、允許角大、非線性系數(shù)高、適合多模泵浦等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)日益受到重視，尤其是以KTP及其同類化合物晶體KTA、RTA等作為非線性晶體的非臨界相位匹配光參量振蕩器，其信號(hào)光輸出波長(zhǎng)在1.5-1.6 μπι人眼安全波段，閑頻光在3-5 μm中紅外波段，這兩個(gè)波段在激光測(cè)距、激光雷達(dá)、光電對(duì)抗及污染氣體檢測(cè)、光譜分析等領(lǐng)域均具有非常重要的價(jià)值。然而，由于KTP類晶體的折射率對(duì)溫度變化很不敏感，無(wú)法利用溫度控制來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出波長(zhǎng)的大范圍調(diào)諧以滿足不同需要。而且至今國(guó)內(nèi)外尚沒(méi)有其他方法實(shí)現(xiàn)非臨界相位匹配KTP類晶體參量振蕩器大范圍調(diào)諧的相關(guān)報(bào)道，限制了這類參量振蕩器的應(yīng)用范圍。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，通過(guò)改變相位匹配條件，實(shí)現(xiàn)光學(xué)參量振蕩器的寬范圍調(diào)諧，以滿足不同應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)激光光源波長(zhǎng)的要求。為此，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是，寬調(diào)諧的光學(xué)參量振蕩器及調(diào)諧裝置，包括泵浦源、會(huì)聚系統(tǒng)、3個(gè)諧振腔鏡、非線性晶體、濾波片、激光探測(cè)器、激光吸收體；泵浦源為脈沖運(yùn)轉(zhuǎn)的激光器，發(fā)出的泵浦光入射到會(huì)聚系統(tǒng)進(jìn)行縮束或聚焦以增強(qiáng)泵浦光功率密度，然后入射到由3個(gè)諧振腔鏡組成的環(huán)形諧振腔內(nèi)，通過(guò)非線性晶體產(chǎn)生非線性效應(yīng)，發(fā)生光學(xué)參量振蕩過(guò)程，非線性晶體位于第1、2個(gè)諧振腔鏡中間位置，來(lái)自會(huì)聚系統(tǒng)的激光依次經(jīng)第I個(gè)諧振腔鏡、非線性晶體、第2個(gè)諧振腔鏡反射到第3個(gè)諧振腔鏡，再經(jīng)第3個(gè)諧振腔鏡反射回第I個(gè)諧振腔鏡形成三角形回路；參量過(guò)程新產(chǎn)生的參量光與泵浦光同時(shí)從第2個(gè)諧振腔鏡輸出，泵浦光經(jīng)濾波片反射到激光收集器中，而產(chǎn)生的參量光則透過(guò)濾波片入射到激光探測(cè)器中對(duì)能量或功率進(jìn)行探測(cè)；第3個(gè)諧振腔鏡的偏轉(zhuǎn)角度能夠進(jìn)行調(diào)節(jié)，使泵浦光與振蕩光之間所夾角度發(fā)生改變，即改變了相位匹配條件，從而實(shí)現(xiàn)光學(xué)參量振蕩器輸出參量光的波長(zhǎng)調(diào)諧。
[0006]通過(guò)手動(dòng)或者計(jì)算機(jī)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)實(shí)現(xiàn)第3個(gè)諧振腔鏡的偏轉(zhuǎn)角度的調(diào)節(jié)。
[0007]所屬泵浦源為脈沖運(yùn)轉(zhuǎn)NchYAG激光器，重復(fù)頻率為100Hz，輸出激光的中心波長(zhǎng)為1064nm單脈沖能量為300mJ，脈沖寬度為10ns，光斑直徑為9mm。
[0008]會(huì)聚系統(tǒng)為一個(gè)凸透鏡與一個(gè)凹透鏡構(gòu)成的縮束望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，其中凸透鏡焦距100cm,凹透鏡焦距-35cm，縮束后的光斑直徑約為3mm ;會(huì)聚系統(tǒng)或者是一個(gè)長(zhǎng)焦凸透鏡，焦距為lm。
[0009]3個(gè)諧振腔鏡均為平面鏡，一起構(gòu)成等腰直角三角形諧振腔；第I個(gè)諧振腔鏡對(duì)泵浦光高透，對(duì)22.5°入射的參量信號(hào)光高反，第2個(gè)諧振腔鏡對(duì)泵浦光高透，對(duì)22.5°入射的信號(hào)光透過(guò)率為20%左右，第3個(gè)諧振腔鏡對(duì)45°入射的信號(hào)光高反。
[0010]非線性晶體為KTP晶體為非臨界相位匹配，沿X軸切割，兩端鍍有對(duì)泵浦光和信號(hào)光的增透膜；當(dāng)采用凸透鏡聚焦的會(huì)聚系統(tǒng)時(shí)，非線性晶體中心應(yīng)位于凸透鏡焦點(diǎn)上。
[0011]濾波片鍍有對(duì)45度入射的泵浦光高反，信號(hào)光高透的介質(zhì)膜。
[0012]與已有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)特點(diǎn)與效果:
[0013]本發(fā)明提出了一種新型的光學(xué)參量振蕩器的調(diào)諧方式，利用三腔鏡所組成的環(huán)形腔，對(duì)其中一個(gè)腔鏡進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)輸出波長(zhǎng)的寬范圍連續(xù)調(diào)諧。尤其對(duì)于非臨界相位匹配的光參量振蕩器，由于角度調(diào)諧可調(diào)范圍很小，而某些晶體對(duì)于溫度調(diào)諧又不敏感，本發(fā)明可以解決其大范圍波長(zhǎng)調(diào)諧的問(wèn)題，且本發(fā)明具有裝置簡(jiǎn)便，結(jié)構(gòu)緊湊，連續(xù)可調(diào)，調(diào)諧快速穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，具有十分重要的應(yīng)用價(jià)值及廣闊的應(yīng)用前景。
【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1 一種寬調(diào)諧的光學(xué)參量振蕩器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015]圖2調(diào)節(jié)環(huán)形腔一個(gè)諧振腔鏡實(shí)現(xiàn)信號(hào)光波長(zhǎng)調(diào)諧的原理。
【具體實(shí)施方式】
[0016]本發(fā)明的目的在于提供一種新型的光學(xué)參量振蕩器及其調(diào)諧方法，通過(guò)調(diào)節(jié)環(huán)形腔光學(xué)參量振蕩器(OPO)的一個(gè)腔鏡，改變泵浦光和振蕩光的夾角，從而改變相位匹配條件，實(shí)現(xiàn)光學(xué)參量振蕩器的寬范圍調(diào)諧，以滿足不同應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)激光光源波長(zhǎng)的要求。
[0017]本發(fā)明通過(guò)在三鏡環(huán)形腔參量振蕩器中調(diào)節(jié)其中一個(gè)腔鏡的角度來(lái)實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)的大范圍可調(diào)諧輸出，調(diào)諧結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，調(diào)諧范圍寬，穩(wěn)定性強(qiáng)，該技術(shù)方法可用于基于任何非線性晶體在任何波段的可調(diào)諧光參量振蕩輸出，具有很好的應(yīng)用前景。
[0018]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為:一種寬調(diào)諧的光學(xué)參量振蕩器，如圖1所示，包括泵浦源(I)、會(huì)聚系統(tǒng)(2)、諧振腔鏡(3) (4) (5)、非線性晶體(6)、濾波片(7)、激光探測(cè)器
(8)、激光吸收體(9)、計(jì)算機(jī)(10)。泵浦源(I)為脈沖運(yùn)轉(zhuǎn)的激光器，發(fā)出的泵浦光入射到會(huì)聚系統(tǒng)(2)進(jìn)行縮束或聚焦以增強(qiáng)泵浦光功率密度，然后入射到由諧振腔鏡(3)、(4)、
(5)組成的環(huán)形諧振腔內(nèi)，通過(guò)非線性晶體(6)產(chǎn)生非線性效應(yīng)，發(fā)生光學(xué)參量振蕩過(guò)程。參量過(guò)程新產(chǎn)生的參量光與泵浦光同時(shí)從諧振腔鏡(5)輸出，泵浦光經(jīng)濾波片(7)反射到激光收集器(9)中，而產(chǎn)生的參量光則