專利名稱：復(fù)合腔調(diào)諧光參量振蕩器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學(xué)器件，特別是涉及一種復(fù)合腔調(diào)諧的光參量振蕩器。
利用非線性光學(xué)晶體的參量效應(yīng)，開(kāi)發(fā)高效寬調(diào)諧窄線寬激光器件一直是可調(diào)諧激光領(lǐng)域最為活躍且最具前景的方法之一。
T.K.MINTON等人在OPTICS COMMUNITIONS(Vol.69(1989)289)上的論文指出，他們使用NdYAG激光為泵源泵浦LiNbO3晶體，采用掠入射棱鏡擴(kuò)束，標(biāo)準(zhǔn)具加上自準(zhǔn)直光柵調(diào)諧，實(shí)現(xiàn)了參量激光的窄線寬(單頻)寬調(diào)諧輸出。他們的激光器的光路圖見(jiàn)圖2。泵浦光(8)經(jīng)過(guò)雙色鏡(3)(反泵光，透參量光)激發(fā)非線性晶體LiNbO3(2)，非線性光學(xué)晶體(2)產(chǎn)生的參量光中的信頻光經(jīng)棱鏡(9)擴(kuò)束后經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)具(10)，再被自準(zhǔn)直光柵(11)原路衍射回去，再經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)具(10)、棱鏡(9)注回非線性光學(xué)晶體(2)，經(jīng)非線性光學(xué)晶體(2)放大后照射在腔鏡(15)上，(15)為輸出耦合鏡，它將未輸出的參量光原路返回到非線性光學(xué)晶體(2)，這樣就完成了一個(gè)周期的光諧振過(guò)程。由于棱鏡(9)將光瞳擴(kuò)大，改善了光束的平行度，標(biāo)準(zhǔn)具(10)加上自準(zhǔn)直光柵(11)有大的角色散，加上腔長(zhǎng)較短，就導(dǎo)致僅一個(gè)激光縱模可能超過(guò)閾值產(chǎn)生激光振蕩，即從輸出耦合鏡(15)得到單頻輸出。此種掠入射棱鏡參量激光器實(shí)現(xiàn)了窄線寬運(yùn)轉(zhuǎn)，但存在一個(gè)嚴(yán)重不足，影響其實(shí)用前景，即該設(shè)計(jì)由于設(shè)置大擴(kuò)束棱鏡(9)和高色散光學(xué)元件(標(biāo)準(zhǔn)具(10)和自準(zhǔn)直光柵(11))于腔內(nèi)，在取得窄線寬的同時(shí)，大大的增加了腔內(nèi)損耗，以至于使參量激光振蕩閾值過(guò)高，激光轉(zhuǎn)換效率過(guò)低，因而在強(qiáng)泵浦光的激發(fā)下方可產(chǎn)生低功率輸出，這樣的低功率輸出難以應(yīng)用，更由于強(qiáng)泵浦，極易損壞光學(xué)元件和晶體，也就是說(shuō)，該種設(shè)計(jì)的參量激光器雖能產(chǎn)生窄線寬，但難以實(shí)用化。
本發(fā)明的目的在于克服上述已有技術(shù)的缺點(diǎn)和不足，為了降低器件的激光振蕩閾值，提高激光效率與輸出功率，在可調(diào)諧范圍與線寬不變的前提下，提供一種在泵光、非線性光學(xué)晶體、色散元件構(gòu)成的窄帶參量激光振蕩器光路上附加一片諧振腔鏡形成復(fù)合腔調(diào)諧參量振蕩器。利用復(fù)合腔模式鎖定現(xiàn)象，達(dá)到降低閾值、提高輸出功率的目的。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明利用一個(gè)低品質(zhì)因素(低Q值)的窄帶腔，通過(guò)非線性晶體和共有腔鏡，鎖定一個(gè)高品質(zhì)因子(高Q值)的寬帶腔，使參量激光的信號(hào)波(或閑置波)產(chǎn)生高Q值窄線寬振蕩，從而使閑置波(或信號(hào)波)實(shí)現(xiàn)高效高功率輸出。其具體組成如

圖1所示包括泵光、非線性光學(xué)晶體、分光器、色散元件和由2個(gè)信號(hào)波高反鏡組成的激光諧振腔鏡構(gòu)成復(fù)合腔調(diào)諧光參量振蕩器。對(duì)于非線性光學(xué)晶體，在泵光作用下，產(chǎn)生信號(hào)光和閑置光，對(duì)信號(hào)光同時(shí)存在兩個(gè)激光諧振腔，一個(gè)為窄帶腔，內(nèi)有色散元件，以產(chǎn)生窄線寬參量激光振蕩(或閾值以下的光反饋)，另一個(gè)為寬帶腔，內(nèi)無(wú)色散元件，以產(chǎn)生高Q值低閾值振蕩，這兩個(gè)腔通過(guò)非線性晶體耦合，經(jīng)過(guò)模式競(jìng)爭(zhēng)，寬帶腔的振蕩將被窄帶腔的窄線寬模鎖定，從而實(shí)現(xiàn)低閾值、窄線寬振蕩，并由此導(dǎo)致輸出具有效率高、閾值低、線寬窄的特色。其中泵光包括連續(xù)激光和脈沖激光以及脈沖激光的同步泵浦方式。非線性光學(xué)晶體包括鈮酸鋰LiNbO3，偏硼酸鋇BBO，三硼酸鋰LBO，磷酸二氫鉀KTP，摻氧化鎂鈮酸鋰MgO∶LiNbO3，碘酸鋰LilO3。色散元件調(diào)諧機(jī)構(gòu)包括棱鏡，光柵，F(xiàn)-B標(biāo)準(zhǔn)具，雙折射濾光片，非線性晶體本身的電光效應(yīng)調(diào)諧方式以及它們的各種匹配和組合。本發(fā)明的優(yōu)越性本發(fā)明僅在窄帶參量激光振蕩器光路上附加一片諧振腔鏡構(gòu)成復(fù)合腔，在保持原有技術(shù)具有的窄線寬、寬調(diào)諧特性的前提下，克服原有技術(shù)閾值高，效率低的缺點(diǎn)和不足，實(shí)現(xiàn)了參量振蕩器低閾值(5.27mJ〕、高效率(最高效率＞20％)、窄線寬＜0.02nm，620nm處〕、寬調(diào)諧運(yùn)轉(zhuǎn)(0.41～2.2um)，打開(kāi)了高單色性參量激光實(shí)用化的前景。
下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明圖1是本發(fā)明的光路結(jié)構(gòu)原理3是本發(fā)明復(fù)合腔調(diào)諧光參量振蕩器一種實(shí)施例4是本發(fā)明復(fù)合腔調(diào)諧光參量振蕩器另一種實(shí)施例5是本發(fā)明復(fù)合腔調(diào)諧光參量振蕩器另一種實(shí)施例6是本發(fā)明復(fù)合腔調(diào)諧光參量振蕩器另一種實(shí)施例面說(shuō)明如下(1)輸出耦合鏡；(2)非線性光學(xué)晶體；(3)雙色鏡(導(dǎo)入泵光用，全反泵光，透參量光)；(4)分光器；(5)色散元件(調(diào)諧機(jī)構(gòu))；(6)信號(hào)波高反鏡(透閑置波)；(7)輸出參量光光束；(12)閑置波全反鏡；(8)泵光； (13)聚焦透鏡；(9)擴(kuò)束棱鏡； (14)雙色凹面腔鏡，透泵光，全反信頻光；(10)F-P標(biāo)準(zhǔn)具；(15)輸出耦合鏡；(11)光柵； (16)信號(hào)波全反鏡；
實(shí)施例一按圖3光路制做一臺(tái)復(fù)合腔調(diào)諧光參量振蕩器，調(diào)Q NdYAG激光(1.06um〕作為泵光(8)入射到雙色鏡(3)被反射后激發(fā)非線性晶體(鈮酸鋰LiNbO3)(2)，并在(2)內(nèi)產(chǎn)生參量光，其中一部分被輸出耦合鏡(1)透過(guò)而輸出，大部分被輸出耦合鏡(1)反射并沿原路反方向返回晶體(2)，然后通過(guò)分光器(4)射向色散元件(5)，并被色散元件(5)色散后沿原路反方向返回，這樣由輸出耦合鏡(1)和色散元件(5)組成一個(gè)窄帶諧振腔；在分光器(棱鏡)(4)斜面上反射的一部分參量光被信號(hào)波高反射鏡(6)原路反方向反射回，通過(guò)分光器(4)的斜表面、雙色鏡(3)、非線性晶體(2)而射向信號(hào)波高反射鏡(1)，再次被輸出耦合鏡(1)反射而沿原路反方向返回，這樣信號(hào)波高反射鏡(6)和輸出耦合鏡(1)又組成了一個(gè)寬帶諧振腔，它們共同組成復(fù)合腔。在此復(fù)合腔設(shè)計(jì)中，第一個(gè)棱鏡既是擴(kuò)束器(原有技術(shù))又充當(dāng)了分光器(4)(復(fù)合腔技術(shù))，因已有技術(shù)中窄帶腔光路結(jié)構(gòu)未變，故仍產(chǎn)生窄帶(單頻)參量激光，以此窄帶腔鎖定新形成的寬帶腔，令寬帶腔也產(chǎn)生窄帶振蕩，并且因?qū)拵籕值高，故復(fù)合腔運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)閾值降低，效率可提高10倍，調(diào)諧范圍亦不變。實(shí)施例二按圖4光路結(jié)構(gòu)制做一臺(tái)復(fù)合腔光參量振蕩器，它是實(shí)施例一的簡(jiǎn)化型(稱掠入射棱鏡復(fù)合腔光參量振蕩器)，雖不能產(chǎn)生單頻輸出，但能產(chǎn)生～0.5cm-1的窄帶寬調(diào)諧參量激光，因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易行而具有較高的實(shí)用性。此實(shí)施例泵浦光(8)采用脈沖激光，非線性光學(xué)晶體(2)采用偏硼酸鋇BBO，擴(kuò)束棱鏡斜面兼作分光器(4)，調(diào)諧機(jī)構(gòu)(5)由擴(kuò)束棱鏡和自準(zhǔn)直光柵組成。輸出耦合鏡鏡(1)→雙色鏡(3)→非線性光學(xué)晶體(2)→分光器(4)→調(diào)諧機(jī)構(gòu)(5)組成通常的掠入射棱鏡諧振腔(在此稱窄帶腔)；輸出耦合鏡(1)→雙色鏡(3)→非線性光學(xué)晶體(2)→擴(kuò)束棱鏡(4)→信號(hào)波高反射鏡(6)組成寬帶腔，此兩腔組成復(fù)合腔。擴(kuò)束棱鏡(4)用K9玻璃制造，頂角為41°，分光比約為1∶4(窄帶腔/寬帶腔)，自準(zhǔn)直光柵用1200線對(duì)刻劃光柵。泵光(8)波長(zhǎng)為354.7nm，脈寬～5ns。在這些條件下進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)證明，復(fù)合腔比窄帶腔的效率提高十倍以上，閾值降低近一倍，而線寬不變(均為～0.5cm-1)調(diào)諧范圍亦相同(0.41～2.0μm)。實(shí)施例三按圖5光路結(jié)構(gòu)制做一臺(tái)復(fù)合腔調(diào)諧光參量振蕩器。泵浦光(8)采用脈沖激光(波長(zhǎng)354.7um、脈寬～10um〕。非線性晶體(2)使用偏硼酸鋇BBO，分光器(4)采用石英平行平晶做成，厚約3mm，色散元件(5)采用的光柵為1200線對(duì)/mm刻劃光柵，作自準(zhǔn)直方式構(gòu)置。由閑置波全反鏡(12)→信號(hào)波全反鏡(16)→雙色鏡(3)→非線性光學(xué)晶體(2)→分光器(4)→色散元件(5)組成窄帶腔；由閑置波全反鏡(12)→信號(hào)波全反鏡(1)→雙色鏡(3)→非線性晶體(2)→分光器(4)→信號(hào)波高反射鏡(6)組成寬帶腔。由于在光路上增加了閑置波全反鏡(12)，閑置光從信號(hào)波高反射鏡(6)實(shí)現(xiàn)單向輸出(權(quán)力要求書(shū)3)；由于在光路上增加了分光器(4)，信號(hào)光和閑置光從分光器(4)作部分輸出。該復(fù)合腔光參量振蕩器輸出效率比窄帶腔高2～8倍。實(shí)施例四按圖6光路結(jié)構(gòu)制做一臺(tái)復(fù)合腔調(diào)諧光參量振蕩器。非線性光學(xué)晶體(2)采用溫度調(diào)諧三硼酸鋰LBO晶體，泵浦光(8)采用連續(xù)波調(diào)Q鎖模NdYLF激光二次諧波同步泵浦，輸出耦合鏡鏡(1)→雙色凹面腔鏡(14)→非線性光學(xué)晶體(2)→雙色凹面腔鏡(14)→色散元件(5)組成窄帶腔；輸出耦合鏡鏡(1)→雙色凹面腔鏡(14)→非線性光學(xué)晶體(2)→雙色凹面腔鏡(14)→色散元件(5)→信號(hào)波高反射鏡(6)組成寬帶腔。實(shí)驗(yàn)證明相同泵浦條件下，復(fù)合腔輸出功率為窄帶腔的10倍，復(fù)合腔輸出線寬與可調(diào)諧范圍均與窄帶腔相同。
權(quán)利要求
1.一種復(fù)合腔調(diào)諧光參量振蕩器，包括泵光(8)、非線性光學(xué)晶體(2)、分束器(4)、色散元件(5)、輸出耦合鏡(1)、雙色鏡(3)組成。其中泵光(8)入射到非線性光學(xué)晶體(2)上，產(chǎn)生信號(hào)光和閑置光組成的參量光。參量光一部分由輸出耦合鏡(1)輸出，另一部分被原路反射回經(jīng)非線性光學(xué)晶體(2)放大后，入射到分束器(4)射向色散元件(5)，然后再?gòu)纳⒃?5)返回，由輸出耦合鏡(1)與色散元件(5)形成窄帶諧振腔。其特征在于在窄帶諧振腔光路上的色散元件(5)前方加一塊信號(hào)波高反射鏡(6)，構(gòu)成泵光(8)入射到雙色鏡(3)→非線性光學(xué)晶體(2)→輸出耦合鏡(1)→非線性光學(xué)晶體(2)→雙色鏡(3)→分束器(4)→信號(hào)波高反射鏡(6)寬帶諧振腔。
2.按權(quán)利要求1所述復(fù)合腔調(diào)諧光參量振蕩器，其特征在于所述分光器(4)還包括調(diào)諧機(jī)構(gòu)中的色散元件(5)既做分光器，同時(shí)又兼做諧振腔鏡；
3.按權(quán)利要求1所述復(fù)合腔調(diào)諧光參量振蕩器，其特征在于在激光諧振腔外，靠近信號(hào)波高反射鏡(6)的地方，加一平行信號(hào)波高反鏡(6)的反射鏡，使激光單方向輸出；
4.按權(quán)利要求書(shū)1所述復(fù)合腔調(diào)諧光參量振蕩器，其特征在于所述的泵光，包括連續(xù)激光和脈沖激光，其中脈沖激光還包括同步泵浦在內(nèi)；
5.按權(quán)利要求1所述復(fù)合腔調(diào)諧光參量振蕩器，其特征在于所用非線性光學(xué)晶體是磷酸二氫鉀KTP、鈮酸鋰LiNbO3，偏硼酸鋰BBO，三硼酸鋰LBO，、摻氧化鎂鈮酸鋰MgO2∶LiNbO3、碘酸鋰LilO3。調(diào)諧方式不僅為角度調(diào)諧，還包括溫度調(diào)諧；
6.按權(quán)利要求書(shū)1所述復(fù)合腔調(diào)諧光參量振蕩器，其特征在于所述色散元件包括光柵、棱鏡、F-P標(biāo)準(zhǔn)具、雙折射濾光片和非線性晶體本身電光效應(yīng)調(diào)諧方式以及它們的各種組合。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種光學(xué)器件，特別是一種復(fù)合腔調(diào)諧的光參量振蕩器。本發(fā)明的目的在于降低器件的閾值，提高激光的效率與輸出功率。在可調(diào)諧范圍與線寬不變的前提下，提供一種在泵光、非線性光學(xué)晶體、色散元件構(gòu)成窄帶參量激光振蕩器光路上再附加一塊諧振腔鏡形成的復(fù)合腔調(diào)諧參量振蕩器。利用復(fù)合腔模式鎖定現(xiàn)象，達(dá)到降低閾值、提高輸出功率的效果。已有的實(shí)驗(yàn)證明，本發(fā)明降低閾值可達(dá)5.27(mJ)、可提高效率10倍以上、最高輸出功率大于3MW。
文檔編號(hào)H01S3/05GK1158507SQ9612007
公開(kāi)日1997年9月3日 申請(qǐng)日期1996年10月14日 優(yōu)先權(quán)日1996年1月5日
發(fā)明者許祖彥, 吳窮, 周翊, 張東香, 張秀蘭, 馮寶華, 鄧道群, 余朝文, 肖瑩, 孔羽飛, 何京良, 張黎, 朱湘安 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院物理研究所