专利名称：全固态连续宽带中红外相干光源的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种激光光源，尤其涉及一种全固态连续宽带激光光源，属于非线性光学频率变换技术领域。
背景技术：
红外光在大气中有三个主要传输窗口1～3μm，3～5μm，8～12μm，其中3～5μm波段是衰减最小的红外窗口。该波段激光对大雾、烟尘等具有较强的穿透力，在海平面上传输受到气体分子吸收和悬浮物散射小。红外制导导弹探测器的响应范围在3～5μm波段，因而针对红外导引头的光电对抗迫切需要该波段的激光光源。在3～5μm区域，多数重要的碳氢气体及其它有毒气体分子具有强的吸收特性，因而中红外相干光源在微量气体探测领域有广泛的民用价值如油田开采，天然气管道泄露探测，大气中温室气体探测，毒品稽查，煤矿中甲烷气体探测等。由于3～5μm波段激光在光谱学、遥感、医疗、环保及军事等诸多领域都有重要的应用价值和前景，因此对3～5μm波段激光的研究成为目前世界上十分热门的课题。
近40年来，光学参量振荡器(OPO)被认为是获得传统激光器所达不到的光谱范围内的相干光的理想光源。一台OPO就可以在非常宽的光谱范围中获得连续可调谐的输出，同时OPO还具有全固态设计、高效率和具有可观的输出功率等优点，而且从时间域上OPO可以连续输出或者输出诸如飞秒等超短脉冲。
OPO的性能参数几乎完全依赖于泵浦激光器的光谱特性和光束质量，以及非线性晶体的特性。从目前激光器发展情况看，中红外谱段的相干光源还是要依赖于OPO(采用PPLN晶体)，从工作谱段和时间域来看，脉冲(ns)和锁模(ps/fs)的OPO市场已经有很多成型的产品，但中红外波段(3～5μm)的连续OPO的匮乏一直困扰着广大科研人员。
以激光二极管泵浦的固体激光器为泵浦源的全固态激光器以其高功率、高光束质量、高效率、体积小、重量轻低等特点成为迄今为止最优异的激光器。近些年来，随着准相位匹配技术(QPM的成熟，利用周期极化晶体的非线性光学频率变换技术引起了人们的广泛关注。准相位匹配技术最大优点是非线性转换效率高，并且可以使那些在通常条件下无法实现相位匹配的晶体和通光波段得以实现频率变换，拓宽了应用范围，增加了调谐方式，使困扰人们已久的高效、宽波段激光的输出成为可能。目前，常见的用于准相位匹配的周期极化晶体有PPLN、PPKTP和PPLT，其中PPLN的有效非线性系数较大(16pm/V)，且极化技术成熟，成为应用最为广泛的周期极化晶体，PPLN-OPO是实现非线性光学频率变换的重要手段和有效途径，也是可调谐光源方面的另一个研究热点。因此，利用全固态可调谐激光器泵浦准相位匹配光学参量振荡器，通过调整相关参数，如泵浦波长、极化晶体的温度和周期等，可以得到高输出功率、高效率、调谐范围大、寿命长、结构紧凑的连续运转红外可调谐光源。
发明内容
本专利的发明目的是利用全固态端面泵浦连续Nd:YVO4激光器作为泵浦源，泵浦内腔PPLN-OPO，产生3～5μm的宽带红外光源，满足在光谱学、遥感、医疗、环保及军事等诸多领域的需要。
本发明的技术方案如下一种全固态连续宽带中红外相干光源，包括泵浦源，参量振荡晶体(PPLN)，光学参量谐振腔，其中泵浦源为全固态激光器，利用半导体激光二极管端面连续泵浦Nd:YVO4晶体，采用紧贴或自聚焦耦合方式，产生连续1064nm激光；光学参量谐振腔为由OPO全反镜和OPO输出镜构成的腔体，所述OPO全反镜为平镜，其一面镀1064nm高透膜，另一面镀1064nm高透膜和1400～1500nm高反膜，所述OPO输出镜为平凹镜，其凹面镀1064nm高反膜、1400～1500nm高透膜和3000～5000nm高透膜，其平面镀3000～5000nm高透膜，腔长和曲率半径的大小，以能否实现1064nm和1500nm光的模式匹配而确定；参量振荡晶体(PPLN)的极化周期为28.5μm，双端镀1064nm高透膜、1400～1500nm高透膜、3700～4000nm高透膜，位于上述的谐振腔内，并固定在炉温度在300K到473K可以连续变化的温控炉中。
本发明具有如下的有益效果①全固态激光器的结构紧凑、牢固耐用、价格便宜，在激光应用中占有非常重要的地位。
②端泵激光的光束质量好，在空间上与固体激光器的腔模能得到更好的匹配。而且端泵浦方式耦合效率极高，在中低功率激光器的应用中，尤其是连续激光应用上显示出明显的优势。
③采用周期极化晶体实现准相位匹配光学参量振荡器，是实现可调谐红外光源的一种新型的重要手段和有效途径，利用高功率全固态激光器输出的特定波长，泵浦周期极化晶体，通过调整温度、周期等相关参数，可以得到高输出功率、高效率、可调谐波长范围大、寿命长、结构紧凑而体积小的红外可调谐光源，是一种理想的调谐方式。
④全固态连续波PPLN光学参量振荡器，不仅具有全固态激光器功率水平高、结构紧凑、价格便宜等优势，还具有准相位匹配光学参量振荡器的宽带可调谐，体积小的优点，在大气科学中的痕量气体分析，光声光谱，废气检测，机载大范围陆地和海洋污染探测，大气污染分析，军事应用等领域具有广大的科学研究价值和广阔的应用前景并且填补了该领域的技术空白。
图1为本发明的全固态连续宽带中红外相干光源的结构示意图。图中1.激光二极管；2.Nd:YVO4晶体；3.OPO全反镜；4.PPLN晶体；5.OPO输出具体实施方式
本发明全部采用全固态器件，利用半导体激光器端面连续泵浦Nd:YVO4晶体产生的连续1064nm激光泵浦周期极化LiNbO3晶体(PPLN)光学参量振荡器，采用将PPLN晶体置于激光谐振腔的内腔OPO方案，通过调整温度等相关参数，得到高效率、可调谐波长范围大、寿命长、结构紧凑而体积小的中红外可调谐光源，满足光通讯、红外对抗、环境监测及光谱学研究等诸多领域的应用需求。
激光二极管端面泵浦固体激光器具有较高的泵浦转换效率，通过调节泵浦光斑并对谐振腔进行优化设计，能够获得近衍射极限的高光束质量激光输出，是中小功率连续激光器的首选方式。激光器元件均为全固态，结构紧凑，目前国内激光二极管生产工艺成熟，单管功率已达5W，因此本方案选用激光二极管端面泵浦方式。
Nd:YVO4晶体具有较大的受激发射截面，输出光具有偏振特性，且生长技术成熟，由激光二极管泵浦Nd:YVO4晶体获得1064nm激光的光—光转换效率能够大于50％，M2＜2，因此本方案选用激光二极管端面泵浦Nd:YVO4激光器作为OPO的泵浦源，充分利用其高光束质量和偏振特性，以实现高效率的非线性光学频率变换。
光学参量振荡器被认为是将单一波长向长波长扩展的最重要的非线性光学频率变换技术，具有小型化、高效率和波长可调谐等优点。将光学参量振荡器与全固态激光器相结合，是获得高功率长波长可调谐光源的主要方式。本方案选用PPLN光学参量振荡器将1064nm激光向长波长扩展，以获得3～5μm激光输出。选用内腔OPO方案，将非线性晶体置于激光谐振腔内，通过镀膜使OPO谐振腔与激光器谐振腔相结合，充分利用激光谐振腔腔内功率密度高的特性。由于准相位匹配技术具有极高的非线性转换效率，因此本专利采用周期极化晶体实现准相位匹配光学参量振荡器的方案。PPLN具有较大的非线性系数d33(16pm/V)，极化技术成熟，物化性能稳定且不易潮解，因此，选用PPLN作为OPO的非线性晶体。
下面结合附图对本发明做进一步详述参见图1，本发明的激光光源具有如下的结构①系统全部采用全固态器件；②利用半导体激光二极管端面连续泵浦Nd:YVO4晶体，采用紧贴或自聚焦耦合方式，产生连续1064nm激光；③④OPO全反镜的材料K9或BK7玻璃。平镜，φ＝20mm，一面镀1064nm高透膜(HT)，另一面镀1064nmHT，1400～1500nm高反膜(HR)；⑤参量振荡晶体PPLN尺寸为50×10×1mm，极化周期Λ＝28.5μm。双端镀1064nmHT、1400～1500nmHT、3700～4000nmHT膜。⑥OPO输出镜为φ＝20mm，曲率半径R＝150mm的平凹镜，采用CaF2材料。凹面镀1064nmHR、1400～1500nmHR、3000～5000nmHT膜，平面镀3000～5000nmHT膜；⑦1064nm谐振腔腔长为140mm，OPO谐振腔腔长为110mm，通过控制腔长和曲率半径的大小，能够实现1064nm和1500nm光的模式匹配，工作物质处基模光斑半径为120μm；⑧激光二极管、激光晶体的工作温度为18℃，半导体制冷；PPLN晶体固定在温控炉中，温控炉温度在300K到473K可以连续变化；⑨输出3～5um连续可调的连续运转中红外宽带光源。
权利要求
1.一种全固态连续宽带中红外相干光源，包括泵浦源，参量振荡晶体(PPLN)，光学参量谐振腔，其特征是所述泵浦源为全固态激光器，利用半导体激光二极管端面连续泵浦Nd:YVO4晶体，采用紧贴或自聚焦耦合方式，产生连续1064nm激光；所述光学参量谐振腔为由OPO全反镜和OPO输出镜构成的腔体，所述OPO全反镜为平镜，其一面镀1064nm高透膜，另一面镀1064nm高透膜和1400～1500nm高反膜，所述OPO输出镜为平凹镜，其凹面镀1064nm高反膜、1400～1500nm高透膜和3000～5000nm高透膜，其平面镀3000～5000nm高透膜，腔长和曲率半径的大小，以能否实现1064nm和1500nm光的模式匹配而确定；所述参量振荡晶体(PPLN)的极化周期为28.5μm，双端镀1064nm高透膜、1400～1500nm高透膜、3700～4000nm高透膜，位于上述的谐振腔内，并固定在炉温度在300K到473K可以连续变化的温控炉中。
2.根据权利要求1所述的全固态连续宽带中红外相干光源，其特征在于，所述晶体Nd:YVO4尺寸为3×3×5mm，掺杂浓度1.0at％，其靠近激光二极管端面的一端镀808nm高透膜、1064nm高反膜，靠近输出端的一端镀808nm和1064nm高透膜。
3.根据权利要求1所述的全固态连续宽带中红外相干光源，其特征在于，所述光学参量谐振腔的腔长为110mm，所述OPO输出镜的曲率半径为150mm。
全文摘要
本发明涉及一种激光光源，尤其涉及一种全固态连续宽带激光光源，属于非线性光学频率变换技术领域。本发明利用半导体激光器端面连续泵浦Nd:YVO
文档编号H01S3/00GK1818770SQ200610013289
公开日2006年8月16日 申请日期2006年3月13日 优先权日2006年3月13日
发明者丁欣, 姚建铨, 邹雷, 邹跃, 马洪梅 申请人:天津大学