本發(fā)明涉及的是激光器應用技術，尤其是一種板條泵浦的中紅外光參量振蕩器。

背景技術：

3-5μm的中紅外激光廣泛應用于光電對抗、大氣監(jiān)測、分子光譜學、激光醫(yī)療等國防、科研及民用領域。近年來隨著應用領域的不斷擴展和深入，高效率、高功率、高光束質量的中紅外固體激光器具有廣闊的發(fā)展前景。得益于成熟的固體激光器技術進步和非線性晶體質量提升，基于頻率變換的光參量振蕩器（OPO）是產(chǎn)生高效率、高功率、高光束質量的中紅外激光的有效途徑之一。目前，應用最廣泛、輸出功率最高的是采用激光泵浦周期極化鈮酸鋰（PPLN）晶體，獲得可調諧的中紅外激光輸出的技術路線。

然而中紅外OPO在向高效率、高功率、高光束質量的“三高”目標發(fā)展過程中，卻面臨著許多技術上急需突破的關鍵問題。首先，由于受到本征光子效率的限制，通過OPO產(chǎn)生的中紅外激光的光子效率由泵浦激光波長和中紅外激光波長共同決定（等于波長的反比，中紅外波長越長效率越低）。因此，提高泵浦激光轉換為近紅外信號光和中紅外閑頻光的總體效率，有利于提升中紅外激光最終的效率，減小非線性晶體的熱積累和損傷幾率，進而提升中紅外激光輸出功率，因此轉換效率是OPO系統(tǒng)中最核心的參數(shù)指標之一。OPO的轉換效率受到多方面因素的影響，例如OPO腔型、泵浦功率密度、相位匹配、脈沖特性、逆轉換效應等，主要涉及到泵浦激光與OPO系統(tǒng)匹配參數(shù)的優(yōu)化。其次，PPLN晶體和中紅外膜層抗損傷閾值，以及PPLN晶體熱效應對中紅外激光的輸出功率有重要影響，最主要的原因是限制了激光的泵浦功率，即便獲得了很高的轉換效率，由于泵浦功率的受限，也難以獲得高功率的中紅外激光輸出。最后，在高功率工作條件下，由于泵浦激光光束質量的退化， PPLN晶體的熱效應，將導致OPO產(chǎn)生的中紅外激光光束質量的惡化，難以滿足應用需求。

近年來，基于板條增益介質的高功率、高光束質量固體激光得到了長足發(fā)展，為OPO的泵浦源提供了一種新的思路和方法，其諸多特性為提高中紅外OPO的轉換效率、輸出功率和光束質量提供了方便，為同時實現(xiàn)中紅外激光“三高”的目標提供了技術支撐。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的，就是針對現(xiàn)有技術所存在的不足，而提供一種板條泵浦的中紅外光參量振蕩器，該方案針對現(xiàn)有泵浦激光類型和參數(shù)與OPO的匹配參數(shù)進行改進優(yōu)化，采用種子光經(jīng)板條功率定標放大后，通過耦合系統(tǒng)的光束整形，而后泵浦PPLN-OPO，實現(xiàn)高效率高功率高光束質量的中紅外激光輸出。

本方案是通過如下技術措施來實現(xiàn)的：

一種板條泵浦的中紅外光參量振蕩器，包括有種子激光器、板條放大器、光束整形系統(tǒng)和PPLN-OPO系統(tǒng)；種子激光器發(fā)出的泵浦光依次經(jīng)過板條放大器、光束整形系統(tǒng)和PPLN-OPO系統(tǒng)后輸出；泵浦光中包括有近紅外信號光、中紅外閑頻光、近紅外閑頻光。

作為本方案的優(yōu)選：PPLN-OPO系統(tǒng)包括有全反鏡、PPLN晶體和輸出鏡；射入的泵浦光依次經(jīng)過全反鏡、PPLN晶體和輸出鏡后輸出。

作為本方案的優(yōu)選：PPLN-OPO系統(tǒng)包括有反射鏡、雙色鏡、PPLN晶體和輸出鏡；射入的泵浦光經(jīng)過雙色鏡后射入PPLN晶體，依次穿過PPPLN晶體和輸出鏡輸出；輸出鏡和PPLN晶體反射的光經(jīng)過雙色鏡反射至反射鏡，再由反射鏡反射回雙色鏡；反射鏡鍍有近紅外信號光和中紅外閑頻光的高反膜；PPLN入射端的雙面鍍有泵浦光、近紅外信號光和中紅外閑頻光增透膜；雙色鏡鍍有泵浦光增透膜、近紅外信號光和中紅外閑頻光高反膜；輸出鏡對近紅外信號光部分反射，對中紅外閑頻光高透或者對近紅外信號反射鏡鍍有光高透，對中紅外閑頻光部分反射；雙色鏡與泵浦光的夾角為45°。

作為本方案的優(yōu)選：反射鏡能夠替換設為布拉格光柵VBG；所述輸出鏡對近紅外信號光高反、對中紅外閑頻光高透；近紅外閑頻光通過VBG輸出。

作為本方案的優(yōu)選：種子激光器包括有棒狀側泵浦模塊、聲光Q開光、泵浦全反鏡、泵浦輸出鏡和偏振片；棒狀泵浦模塊發(fā)出的泵浦光從其兩端射出，一端射出的泵浦光經(jīng)過依次偏振片和泵浦輸出鏡輸出，另一端射出的泵浦光經(jīng)過聲光Q開關后射入泵浦全反鏡反射后，在依次經(jīng)過聲光Q開關、棒狀側泵浦模塊、偏振片和泵浦輸出鏡輸出。

本方案的有益效果可根據(jù)對上述方案的敘述得知，本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，其優(yōu)勢在于：

（1）為了獲得OPO高轉換效率條件下的最佳泵浦功率密度，可以通過設計和調節(jié)種子光的重復頻率和脈沖寬度，使經(jīng)板條放大后的泵浦光保持種子光的脈沖特性，從而實現(xiàn)最佳的泵浦功率密度，獲得高效率的中紅外激光輸出。與通過振蕩器直接輸出泵浦光相比，調節(jié)種子光脈沖特性的技術路線更具靈活性，板條的放大光路以及后續(xù)的光束整形系統(tǒng)不用重新調節(jié)，而在高功率下，振蕩器直接輸出泵浦光的脈沖特性受到增益和諧振腔結構的限制，難以實現(xiàn)較大范圍的重復頻率和脈沖寬度的調節(jié)。

（2）受到PPLN晶體生長和加工工藝的限制，其厚度方向通常較窄，泵浦入射端面呈現(xiàn)窄條的矩形，通常為了更加充分的利用PPLN晶體的有效區(qū)域，需將圓形的光斑整形成橢圓光斑再進行泵浦。而本發(fā)明采用板條激光器進行泵浦，其輸出光斑的形態(tài)也為矩形，通過簡單的光束耦合系統(tǒng)，可以實現(xiàn)與PPLN晶體入射端面有效區(qū)域的最佳重合，提高OPO系統(tǒng)的轉換效率，在相同泵浦功率下降低PPLN損傷幾率，或者在相同泵浦功率密度下，承受更高的泵浦功率，更有利于實現(xiàn)高功率的中紅外激光輸出。

（3）通常而言，一般通過振蕩器輸出的光斑呈現(xiàn)高斯分布（中心較強、邊緣較弱），對于PPLN-OPO系統(tǒng)而言，在高功率泵浦下，其中心較強區(qū)域的功率密度較高，容易引起PPLN晶體的損傷。為了實現(xiàn)高轉換效率的PPLN-OPO，當泵浦光斑的邊緣功率密度達到最佳功率密度時，其中心區(qū)域將超過最佳功率密度，而產(chǎn)生逆轉換效應，導致轉換效率降低。對于種子光經(jīng)板條放大的泵浦光系統(tǒng)，其光斑分布更加均勻，避免了泵浦激光中心強點，減小了PPLN晶體的損傷幾率，可以在整個泵浦光斑內均處于最佳功率密度附近，從而實現(xiàn)高轉換效率的中紅外激光輸出。同時，不含強點的泵浦光斑分布，在相同的PPLN損傷閾值限制下，能承受更高的泵浦功率，從而實現(xiàn)高功率的中紅外激光輸出。

（4）板條激光器具有輸出功率高、光束質量好等突出優(yōu)點。相對其他技術路線的激光器（例如光纖激光器等），對于脈沖工作模式，數(shù)百瓦，甚至數(shù)千瓦的輸出下，板條激光器輸出的激光更具優(yōu)勢。作為PPLN-OPO的泵浦激光，其較小的發(fā)散角在相位匹配條件的調制下，能獲得較好光束質量的中紅外激光輸出。

由此可見，本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，具有突出的實質性特點和顯著的進步，其實施的有益效果也是顯而易見的。

附圖說明

圖1為本發(fā)明具體實施方式一的結構示意圖。

圖2為圖1中種子激光器的一種結構示意圖。

圖3為圖1中PPLN-OPO系統(tǒng)的另一種結構示意圖。

圖中，1為種子激光器，2為板條放大器，3為光束整形系統(tǒng)，4為PPLN-OPO系統(tǒng)，5為全反鏡，6為PPLN晶體，7為輸出鏡，8為泵浦全反鏡，9為聲光Q開光，10為棒狀側泵浦模塊，11為偏振片，12為泵浦輸出鏡，13為雙色鏡。

具體實施方式

本說明書中公開的所有特征，或公開的所有方法或過程中的步驟，除了互相排斥的特征和/或步驟以外，均可以以任何方式組合。

本說明書（包括任何附加權利要求、摘要和附圖）中公開的任一特征，除非特別敘述，均可被其他等效或具有類似目的的替代特征加以替換。即，除非特別敘述，每個特征只是一系列等效或類似特征中的一個例子而已。

具體實施方式一：

種子激光器1采用光纖耦合輸出的808nm二極管激光端面泵浦Nd摻雜的增益晶體，在折疊型的諧振腔中獲得數(shù)瓦、光束質量因子M²<1.5的基模1.064μm輸出。在腔內通過聲光Q開關實現(xiàn)脈沖調制，通過調整增益、腔長、Q開關參數(shù)等，種子激光的脈沖頻率數(shù)千赫茲到數(shù)十千赫茲可調，脈沖寬度數(shù)十納秒到數(shù)百納秒可設計。通過Nd晶體的選型、諧振腔內偏振器件的控制等，種子激光實現(xiàn)線偏振輸出，以實現(xiàn)后續(xù)OPO系統(tǒng)的相位匹配。

板條放大器系統(tǒng)2主要由光束整形和傳輸系統(tǒng)、隔離系統(tǒng)、側泵浦的Nd板條放大模塊等組成。光束整形和傳輸系統(tǒng)主要是將種子激光的光斑大小和形狀調整到與板條增益介質相匹配的大小和形狀，以實現(xiàn)有效的放大提取。隔離系統(tǒng)是防止多通放大的回光對種子激光參數(shù)和性能的影響。側泵浦的Nd板條放大模塊由經(jīng)過整形的808nm二極管激光疊陣、Nd板條晶體、熱沉和其他光學器件組成，是板條放大器系統(tǒng)的核心部件。根據(jù)放大的功率需求，板條放大器系統(tǒng)可設計為單通或多通放大，以及多個板條放大器串接的形式，實現(xiàn)高光束質量高功率的激光輸出。板條放大器在實現(xiàn)功率提升的同時，還可以保持種子激光的脈沖特性。

光束整形系統(tǒng)3由多塊透鏡組成，主要將板條放大器系統(tǒng)2輸出的高功率高光束質量的泵浦激光在PPLN晶體合適位置整形到與PPLN入射端面和OPO諧振腔相匹配的大小，以充分利用PPLN晶體的有效區(qū)域，實現(xiàn)高效率高功率高光束質量的中紅外激光輸出。

PPLN-OPO系統(tǒng)4是將放大后的泵浦激光在PPLN晶體中通過非線性頻率變換實現(xiàn)特定波長的中紅外激光輸出，通常由OPO諧振腔鏡、非線性晶體（含溫控夾具）組成。對于直線腔系統(tǒng)，OPO全反鏡5鍍有泵浦激光增透膜、近紅外信號光和中紅外閑頻光高反膜，PPLN晶體入射雙端面鍍有泵浦激光、近紅外信號光和中紅外閑頻光的增透膜，OPO輸出鏡7對近紅外信號光部分反射，對中紅外閑頻光高透（對應于信號光單諧振結構），或者對近紅外信號光高透，對中紅外閑頻光部分反射（對應于閑頻光單諧振結構）。對于環(huán)形腔結構，可以由三塊或四塊相應的鏡子組成。PPLN晶體置于溫控夾具之中，通過改變其工作溫度，可以實現(xiàn)中紅外激光波長的調諧輸出。

為了實現(xiàn)高效率高功率高光束質量的中紅外激光輸出，需要控制泵浦激光的功率密度，實現(xiàn)最佳閾值倍數(shù)的泵浦，減小逆轉換效應；充分利用PPLN晶體的有效區(qū)域，增加PPLN晶體能夠承受的泵浦功率，減小其損傷幾率；控制高功率泵浦激光的光束質量，根據(jù)相位匹配對發(fā)散角的限制，以及諧振腔對激光模式的選取，以獲得高光束質量的中紅外OPO輸出。

綜上所述，種子激光器采用折疊腔端泵浦結構，實現(xiàn)數(shù)瓦、光束質量因子M²<1.5的1.064μm輸出，再經(jīng)過板條增益模塊定標放大到數(shù)百瓦，通過耦合系統(tǒng)進行光束整形后泵浦PPLN-OPO獲得高效率高功率高光束質量的中紅外激光輸出。

在本實施方式中，PPLN晶體的體積為3mm（厚）×5mm（寬）×50mm（長），入射端面的最佳有效區(qū)域為2.4mm（厚）×4mm（寬），光束整形系統(tǒng)3通過透鏡組將板條增益模塊放大后的泵浦光的光斑大小整形為與PPLN晶體入射端面最佳有效區(qū)域相匹配的大小，并保持其光斑分布較為均勻。OPO諧振腔采用單諧振結構，以避免雙諧振結構下近紅外信號光和中紅外閑頻光在諧振過程中逆轉換為泵浦光，導致轉換效率降低，輸出功率不穩(wěn)定。OPO諧振腔結構、PPLN晶體的增益長度和輸出波長等參數(shù)大致決定了其出光閾值，而在充分利用PPLN有效區(qū)域所確定的泵浦光光斑大小的前提下，為了達到最佳的泵浦功率密度（超閾值倍數(shù)），需要調節(jié)泵浦光的重復頻率和脈沖寬度。由于板條增益模塊的定標放大特性與種子激光的脈沖特性相關，因此可以通過調整種子激光的重復頻率和脈寬實現(xiàn)功率放大后的泵浦光最佳功率密度。種子激光的脈沖特性，可以通過聲光Q開關進行重復頻率和脈沖寬度的調節(jié)，也可以通過諧振腔長和808nm泵浦光斑大小等參數(shù)調節(jié)脈沖寬度等。對于采用折疊腔端泵浦結構的種子激光器其重復頻率數(shù)千赫茲到數(shù)十千赫茲可調，脈沖寬度數(shù)十納秒到數(shù)百納秒可調。因此，在不用調節(jié)板條放大器系統(tǒng)2，光束整形系統(tǒng)3，PPLN-OPO系統(tǒng)4的前提下，僅通過調節(jié)種子激光器1的參數(shù)，可以實現(xiàn)泵浦光功率密度較大動態(tài)范圍的調節(jié)，使其遠離PPLN晶體的損傷閾值，并且達到最佳的泵浦功率密度。

在本實施方式中，PPLN-OPO總的轉換效率已超過60%，總的輸出功率超過150W，近紅外信號光的光束質量因子M²<5，達到了高效率高功率高光束質量的技術指標，是目前國內外公開報道最高輸出功率的OPO。

具體實施方式二：

結合圖1和圖2說明本實施方式，本實施方式與實施方式一所述的區(qū)別在于，種子激光器1采用棒狀側泵浦模塊構成的直線腔系統(tǒng)，如圖2示意。圖中泵浦全反鏡8鍍有1.064μm全反膜，泵浦輸出鏡12鍍有對1.064μm激光部分反射膜，它們組成了種子激光器的諧振腔。聲光Q開關9實現(xiàn)對種子激光的脈沖調制，重復頻率數(shù)千赫茲到數(shù)十千赫茲可調。棒狀側泵浦模塊10的增益介質是直徑2mm、長度106mm，均勻摻雜的Nd:YAG棒，808nm的二極管激光芯片均勻的照射在棒側面。偏振片11放入諧振腔中，以保證種子激光實現(xiàn)線偏振輸出，從而在后續(xù)的PPLN-OPO系統(tǒng)中實現(xiàn)相位匹配。該直線腔側泵浦棒狀激光器能實現(xiàn)數(shù)瓦到數(shù)十瓦，光束質量因子M²<2，脈沖頻率可調，線偏振的種子激光，進而通過板條放大器進行功率的定標放大。

具體實施方式三：

結合圖1說明本實施方式，本實施方式與實施方式一、實施方式二所述的區(qū)別在于，作為種子激光器1采用1mm脈沖光纖激光器，重復頻率、脈沖寬度、光束質量等參數(shù)與實施方式一中的類似。

具體實施方式四：

結合圖1和圖3說明本實施方式，本實施方式與實施方式一、實施方式二、實施方式三所述的區(qū)別在于作為PPLN-OPO系統(tǒng)4采用折疊腔結構，如圖3所示。泵浦光是經(jīng)板條放大，整形與PPLN入射端面的最佳有效區(qū)域相匹配的1.064mm激光。反射鏡5鍍有近紅外信號光和中紅外閑頻光的高反膜。PPLN晶體6入射雙端面鍍有泵浦激光、近紅外信號光和中紅外閑頻光增透膜。雙色鏡13鍍有泵浦激光增透膜、近紅外信號光和中紅外閑頻光高反膜。OPO輸出鏡7對近紅外信號光部分反射，對中紅外閑頻光高透（對應于信號光單諧振結構），或者對近紅外信號光高透，對中紅外閑頻光部分反射（對應于閑頻光單諧振結構）。

PPLN-OPO系統(tǒng)4采用折疊腔結構有利于在熱效應較嚴重的情況下，在諧振腔中實現(xiàn)模式的匹配，獲得高光束質量的中紅外OPO輸出，同時可以調節(jié)OPO系統(tǒng)的出光閾值，進而調節(jié)最佳的泵浦功率密度，實現(xiàn)高轉換效率的中紅外OPO輸出。

具體實施方式五：

結合圖1和圖3說明本實施方式，本實施方式與實施方式四所述的區(qū)別在用布拉格光柵（VBG）替代反射鏡5。VBG對信號光部分反射，同時限制發(fā)散角大的信號光諧振。OPO輸出鏡7對近紅外信號光高反，對中紅外閑頻光高透，中紅外激光通過OPO輸出鏡7輸出，近紅外閑頻光通過VBG輸出。用VBG取代實施方式四中的折疊腔結構，除了具有折疊腔光束質量模式匹配、最佳泵浦功率密度可設計之外，VBG的衍射特性將進一步改善OPO輸出的光束質量。當諧振激光的發(fā)散角大于VBG設計值時，反射率將急劇降低，增大的損耗將不能保證其諧振放大，因此僅有發(fā)散角較小的光能有效諧振放大，保證了OPO的高光束質量輸出。

本發(fā)明并不局限于前述的具體實施方式。本發(fā)明擴展到任何在本說明書中披露的新特征或任何新的組合，以及披露的任一新的方法或過程的步驟或任何新的組合。