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行頻率變換來實現(xiàn)的器件。自1965年科學(xué)家首次觀察到三波非線性過程中的參量增益后，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)，對光學(xué)參量振蕩器的發(fā)展起到了巨大的推動作用，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，并可以實現(xiàn)連續(xù)或脈沖寬度為納秒、皮秒甚至飛秒量級的脈沖運轉(zhuǎn)。光學(xué)參量振蕩器具有結(jié)構(gòu)簡單、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，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、大氣檢測與軍事等領(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，利用溫控裝置實現(xiàn)對晶體溫度的精確控制，通過不同溫度下晶體性質(zhì)的改變實現(xiàn)輸出波長的連續(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，通過旋轉(zhuǎn)晶體實現(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現(xiàn)波長的調(diào)諧輸出(參考姚寶權(quán)等2000年發(fā)表在“中國激光”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”)；泵浦波長調(diào)諧，通過改變泵浦波長大小，實現(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，還可以通過改變極化晶體的周期結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)波長的調(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);外場調(diào)諧，對非線性晶體施加外場，例如直流電場或磁場，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，實現(xiàn)可調(diào)的光學(xué)參量振蕩器。
[0004]對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)臨界相位匹配時采用調(diào)諧晶體角度來調(diào)諧輸出波長；(2)非臨界相位匹配時采用改變晶體工作溫度來調(diào)諧輸出波長。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，具有無走離角、允許角大、非線性系數(shù)高、適合多模泵浦等優(yōu)點，近年來日益受到重視，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，其信號光輸出波長在1.5-1.6 μπι人眼安全波段，閑頻光在3-5 μm中紅外波段，這兩個波段在激光測距、激光雷達、光電對抗及污染氣體檢測、光譜分析等領(lǐng)域均具有非常重要的價值。然而，由于KTP類晶體的折射率對溫度變化很不敏感，無法利用溫度控制來實現(xiàn)輸出波長的大范圍調(diào)諧以滿足不同需要。而且至今國內(nèi)外尚沒有其他方法實現(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，通過改變相位匹配條件，實現(xiàn)光學(xué)參量振蕩器的寬范圍調(diào)諧，以滿足不同應(yīng)用場合對激光光源波長的要求。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、會聚系統(tǒng)、3個諧振腔鏡、非線性晶體、濾波片、激光探測器、激光吸收體；泵浦源為脈沖運轉(zhuǎn)的激光器，發(fā)出的泵浦光入射到會聚系統(tǒng)進行縮束或聚焦以增強泵浦光功率密度，然后入射到由3個諧振腔鏡組成的環(huán)形諧振腔內(nèi)，通過非線性晶體產(chǎn)生非線性效應(yīng)，發(fā)生光學(xué)參量振蕩過程，非線性晶體位于第1、2個諧振腔鏡中間位置，來自會聚系統(tǒng)的激光依次經(jīng)第I個諧振腔鏡、非線性晶體、第2個諧振腔鏡反射到第3個諧振腔鏡，再經(jīng)第3個諧振腔鏡反射回第I個諧振腔鏡形成三角形回路；參量過程新產(chǎn)生的參量光與泵浦光同時從第2個諧振腔鏡輸出，泵浦光經(jīng)濾波片反射到激光收集器中，而產(chǎn)生的參量光則透過濾波片入射到激光探測器中對能量或功率進行探測；第3個諧振腔鏡的偏轉(zhuǎn)角度能夠進行調(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，從而實現(xiàn)光學(xué)參量振蕩器輸出參量光的波長調(diào)諧。
[0006]通過手動或者計算機驅(qū)動馬達實現(xiàn)第3個諧振腔鏡的偏轉(zhuǎn)角度的調(diào)節(jié)。
[0007]所屬泵浦源為脈沖運轉(zhuǎn)NchYAG激光器，重復(fù)頻率為100Hz，輸出激光的中心波長為1064nm單脈沖能量為300mJ，脈沖寬度為10ns，光斑直徑為9mm。
[0008]會聚系統(tǒng)為一個凸透鏡與一個凹透鏡構(gòu)成的縮束望遠鏡系統(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 ;會聚系統(tǒng)或者是一個長焦凸透鏡，焦距為lm。
[0009]3個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個諧振腔鏡對泵浦光高透，對22.5°入射的參量信號光高反，第2個諧振腔鏡對泵浦光高透，對22.5°入射的信號光透過率為20%左右，第3個諧振腔鏡對45°入射的信號光高反。
[0010]非線性晶體為KTP晶體為非臨界相位匹配，沿X軸切割，兩端鍍有對泵浦光和信號光的增透膜；當(dāng)采用凸透鏡聚焦的會聚系統(tǒng)時，非線性晶體中心應(yīng)位于凸透鏡焦點上。
[0011]濾波片鍍有對45度入射的泵浦光高反，信號光高透的介質(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，對其中一個腔鏡進行調(diào)節(jié)，可以實現(xiàn)輸出波長的寬范圍連續(xù)調(diào)諧。尤其對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，而某些晶體對于溫度調(diào)諧又不敏感，本發(fā)明可以解決其大范圍波長調(diào)諧的問題，且本發(fā)明具有裝置簡便，結(jié)構(gòu)緊湊，連續(xù)可調(diào)，調(diào)諧快速穩(wěn)定等優(yōu)點，具有十分重要的應(yīng)用價值及廣闊的應(yīng)用前景。
【附圖說明】
[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)形腔一個諧振腔鏡實現(xiàn)信號光波長調(diào)諧的原理。
【具體實施方式】
[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，通過調(diào)節(jié)環(huán)形腔光學(xué)參量振蕩器(OPO)的一個腔鏡，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)用場合對激光光源波長的要求。
[0017]本發(fā)明通過在三鏡環(huán)形腔參量振蕩器中調(diào)節(jié)其中一個腔鏡的角度來實現(xiàn)波長的大范圍可調(diào)諧輸出，調(diào)諧結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，調(diào)諧范圍寬，穩(wěn)定性強，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)、激光探測器
(8)、激光吸收體(9)、計算機(10)。泵浦源(I)為脈沖運轉(zhuǎn)的激光器，發(fā)出的泵浦光入射到會聚系統(tǒng)(2)進行縮束或聚焦以增強泵浦光功率密度，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)參量振蕩過程。參量過程新產(chǎn)生的參量光與泵浦光同時從諧振腔鏡(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