专利名称：一种内腔式模式失配补偿的光参量振荡器的制作方法
技术领域：
本发明的一种内腔式模式失配补偿的光参量振荡器，涉及一种激光装置，属于光 电子领域
背景技术：
光参量振荡器具有可调谐的优点，且其调谐范围可从紫外到远红外，弥补了普通 激光器只能输出一种波长激光的缺点，是获得宽带可调谐、高相干辐射光源和新波段激光 系统的重要途径，具有很高的应用价值。尤其是近年来，随着一批新型非线性光学晶体的出 现以及光学频率转换技术的日益成熟，光学参量振荡技术取得了突破性的进展，广泛应用 于环境监测、材料处理、数据通信、光电测量、激光测距及激光雷达等领域。目前光学参量振荡器主要可分为外腔式和内腔式两种方式实现。光学参量振荡器 主要由泵浦光(对于内腔式光学参量振荡器，泵浦光又称基频光)泵浦产生一个信号光和 闲频光。外腔式光参量振荡器把泵浦光经过聚焦耦合到光参量振荡器内，可方便实现泵浦 光与光参量振荡器腔模的模式匹配。但外腔式光参量振荡器泵浦光功率较低，采用聚焦系 统来提高功率密度使得系统变得复杂。内腔式光参量振荡器把光参量振荡器振荡腔(下文 简称光参量振荡腔)置于基频激光谐振腔(下文简称基频腔)内，可利用基频光(又称光参 量振荡器的泵浦光)腔内的高功率密度来提高光参量振荡的转换，但基频腔和光参量振荡 腔的模式匹配困难。我们通过理论计算发现当在光参量振荡腔引入一个可变焦距透镜(随 着泵浦功率的升高，透镜焦距变短)，可有效缓减模式失配的问题。当内腔式光参量振荡器 的光参量振荡腔内引入一个透镜，如图1所示。根据图1的激光系统结构计算了基频腔和 光参量振荡腔在非线性光学晶体上的腔模半径，如图2所示。由图2可知，随着泵浦功率的 升高，基频腔在非线性光学晶体上的腔模半径变小，但光参量振荡腔在非线性光学晶体上 的腔模半径不变。所以随着泵浦功率的升高，两个腔模模式失配越来越严重。当缩短光参 量振荡腔内引入的透镜焦距，将有利于缓减高功率下两个腔模模式失配，但会导致低功率 下的两个腔模模式失配。所以如果采用可变焦距透镜，将有利于实现随着泵浦功率升高的 激光的有效输出。
发明内容
本发明的目的是提供一种内腔式模式失配补偿的光参量振荡器，有效缓减内腔式 光参量振荡器模式失配问题，从而提高光参量振荡器的转换效率。本发明技术方案结合附图描述如下本发明的内腔式模式失配补偿的光参量振荡器，光路中依次放置全反腔镜1，激光 晶体2，声光Q开关3，复合腔镜4，对闲频光吸收的平面介质镜7，非线性光学晶体5，输出腔 镜6。其中全反腔镜1和输出腔镜6组成基频腔，由复合腔镜4和输出腔镜6组成光参量振 荡腔。所述的对闲频光吸收的平面介质镜7具有一定的厚度，厚度可以选择2mm到IOmm
3之间.所述的全反腔镜1镀对基频激光高反射的膜系；所述的输出腔镜6镀对基频激光 高反射并对信号光部分透过的膜系；所述的复合腔镜4镀对基频激光高透射，同时对信号 光高反射的膜系；所述的对闲频光吸收的平面介质镜7镀同时对信号光、闲频光和基频激 光增透的膜系。本发明的内腔式模式失配补偿的光参量振荡器实现方式为由激光晶体2产生的 基频光在全反腔镜1和输出腔镜6组成基频腔内谐振，并由声光Q开关进行调制来提高基 频腔内基频光峰值功率，同时由非线性光学晶体5光参量变换产生信号光和闲频光。信号 光在复合腔镜4和输出腔镜6组成光参量振荡腔内振荡加强，并由输出腔镜6输出信号光。 对闲频光吸收的平面介质镜7将对通过的闲频光吸收从而发热，热量由中心向外扩散造成 折射率的梯度变化，起到一个起到类似可变焦距透镜的作用。由于激光泵浦功率的升高，基频光增强，从而信号光和闲频光也增强，所以对闲频 光吸收的平面介质镜7引起的热透镜作用的热焦距变短，即对闲频光吸收的平面介质镜7 起到焦距随着泵浦功率升高而变短的透镜作用。根据前面理论计算，引入对闲频光吸收的 平面介质镜7可起到补偿模式失配的作用。本发明的另一种改进型的内腔式模式失配补偿的光参量振荡器，光路中可以不用 复合腔镜4，对闲频光吸收的平面介质镜7的靠近声光Q开关3的一面改镀对基频激光高透 射，同时对信号光高反射的膜系，起到代替复合腔镜4的作用。
图1，内腔式光参量振荡器腔内引入一个透镜的示意图；图2，基频腔和光参量振荡腔在非线性光学晶体上的腔模半径的计算结果图；图3，一种内腔式模式失配补偿的光参量振荡器的示意图；图4，一种改进型内腔式模式失配补偿的光参量振荡器的示意面说明1为全反腔镜，2为激光晶体，3为声光Q开关，4为复合腔镜，5为非线 性光学晶体，6为输出腔镜，7为对闲频光吸收的平面介质镜。
具体实施例方式实施例1 按照图3的光路制作一台内腔式模式失配补偿的光参量振荡器，用于输 出1.5微米激光。激光晶体2采用NchYVO4 ；非线性光学晶体5采用按θ = 90°，Φ = 0°的非临 界相位匹配切割的KTP ；对闲频光吸收的平面介质镜7采用4mm厚的BK7玻璃镜片。全反 腔镜1镀对1. 06微米基频激光高反射的膜系；输出腔镜6镀对1. 06微米基频激光高反射 并对1. 5微米信号光透过率为13%的膜系；复合腔镜4镀对1. 06微米基频激光高透射，同 时对1. 5微米信号光高反射的膜系；对闲频光吸收的平面介质镜7镀同时对1. 5微米信号 光、3. 5微米闲频光和1. 06微米基频激光增透的膜系。由激光晶体Nd:YV042产生的1. 06微米基频光在全反腔镜1和输出腔镜6组成的 基频腔内谐振，并由声光Q开关进行调制来提高基频腔内基频光峰值功率，同时由非线性 光学晶体KTP5光参量变换产生1. 5微米信号光和3. 5微米闲频光。1. 5微米信号光在复合腔镜4和输出腔镜6组成光参量振荡腔内振荡加强，并由输出腔镜6输出1. 5微米信号 光。对闲频光吸收的平面介质镜7将对通过的3. 5微米闲频光吸收从而发热，热量由中心 向外扩散造成折射率的梯度变化，起到一个热透镜的作用，从而有效的补偿缓减了没有加 对闲频光吸收的平面介质镜7时的模式失配问题。采用光纤耦合的半导体激光器泵浦，在 20W的泵浦功率下，实现了 3W以上1. 5微米信号光，光光转化效率15%以上，相对没有进行 模式失配补偿的光参量振荡器，效率提高近一倍。实施例2 按照图4的光路制作一台内腔式模式失配补偿的光参量振荡器，用于输 出1.5微米激光。激光晶体2采用NchYVO4 ；非线性光学晶体5采用按θ = 90°，Φ = 0°的非临 界相位匹配切割的KTP ；对闲频光吸收的平面介质镜7采用6mm厚的BK7玻璃镜片。全反腔 镜1镀对1. 06微米基频激光高反射的膜系；输出腔镜6镀对1. 06微米基频激光高反射并 对1. 5微米信号光透过率为13%的膜系；对闲频光吸收的平面介质镜7的靠近声光Q开关 3的一面(左面)镀对1. 06微米基频激光高透射，同时对1. 5微米信号光高反射的膜系， 另一面(右面)镀同时对1. 5微米信号光、3. 5微米闲频光和1. 06微米基频激光增透的膜 系。由激光晶体Nd: YV042产生的1. 06微米基频光在全反腔镜1和输出腔镜6组成的 基频腔内谐振，并由声光Q开关进行调制来提高基频腔内基频光峰值功率，同时由非线性 光学晶体KTP5光参量变换产生1. 5微米信号光和3. 5微米闲频光。1. 5微米信号光在对闲 频光吸收的平面介质镜7的左面和输出腔镜6组成光参量振荡腔内振荡加强，并由输出腔 镜6输出1. 5微米信号光。对闲频光吸收的平面介质镜7将对通过的3. 5微米闲频光吸收 从而发热，热量由中心向外扩散造成折射率的梯度变化，起到一个热透镜的作用，从而有效 的补偿缓减了没有加对闲频光吸收的平面介质镜7时的模式失配问题。采用光纤耦合的半 导体激光器泵浦，在20W的泵浦功率下，实现了 3W以上1. 5微米信号光，光光转化效率15% 以上，相对没有进行模式失配补偿的光参量振荡器，效率提高近一倍。实施例3 按照图3(或图4)的光路制作一台内腔式模式失配补偿的光参量振荡 器，用于输出1.5微米激光。与实施例1、2不同的是所述激光晶体2采用Nd:YAG或Nd:YAP或Nd:KGW或 Nd GdVO4,制作一台内腔式模式失配补偿的光参量振荡器。实施例4 按照图3 (或图4)的光路制作一台内腔式模式失配补偿的光参量振荡 器，用于输出1.5微米激光。与实施例1、2不同的是所述非线性光学晶体采用采用按θ = 90°，Φ = 0°的 非临界相位匹配切割的ΚΤΑ，制作一台内腔式模式失配补偿的光参量振荡器。实施例5 按照图3的光路制作一台内腔式模式失配补偿的光参量振荡器，用于输 出2微米激光。激光晶体2采用NchYVO4 ；非线性光学晶体5采用按θ = 90°，Φ = 0°的非临 界相位匹配切割的KTP ；对闲频光吸收的平面介质镜7采用4mm厚的BK7玻璃镜片。全反 腔镜1镀对1. 3微米基频激光高反射的膜系；输出腔镜6镀对1. 3微米基频激光高反射并 对2微米信号光透过率为13%的膜系；复合腔镜4镀对1. 3微米基频激光高透射，同时对2 微米信号光高反射的膜系；对闲频光吸收的平面介质镜7镀同时对2微米信号光、3. 5微米附近闲频光和1. 3微米基频激光增透的膜系。由激光晶体Nd:YV042产生的1. 3微米基频光在全反腔镜1和输出腔镜6组成的 基频腔内谐振，并由声光Q开关进行调制来提高基频腔内基频光峰值功率，同时由非线性 光学晶体KTP5光参量变换产生2微米信号光和3. 5微米附近闲频光。2微米信号光在复 合腔镜4和输出腔镜6组成光参量振荡腔内振荡加强，并由输出腔镜6输出2微米信号光。 对闲频光吸收的平面介质镜7将对通过的3. 5微米附近闲频光吸收从而发热，热量由中心 向外扩散造成折射率的梯度变化，起到一个热透镜的作用，从而有效的补偿缓减了没有加 对闲频光吸收的平面介质镜7时的模式失配问题。采用光纤耦合的半导体激光器泵浦，在 20W的泵浦功率下，实现了 2W以上2微米信号光，光光转化效率10%以上，相对没有进行模 式失配补偿的光参量振荡器，效率提高近一倍。实施例6 按照图4的光路制作一台内腔式模式失配补偿的光参量振荡器，用于输 出2微米激光。激光晶体2采用NchYVO4 ；非线性光学晶体5采用按θ = 90°，Φ = 0°的非临 界相位匹配切割的KTP ；对闲频光吸收的平面介质镜7采用6mm厚的BK7玻璃镜片。全反 腔镜1镀对1. 3微米基频激光高反射的膜系；输出腔镜6镀对1. 3微米基频激光高反射并 对2微米信号光透过率为13%的膜系；对闲频光吸收的平面介质镜7的靠近声光Q开关3 的一面(左面)镀对1. 3微米基频激光高透射，同时对2微米信号光高反射的膜系，另一面 (右面)镀同时对2微米信号光、3. 5微米附近闲频光和1. 3微米基频激光增透的膜系。由激光晶体Nd: YV042产生的1. 3微米基频光在全反腔镜1和输出腔镜6组成的基 频腔内谐振，并由声光Q开关进行调制来提高基频腔内基频光峰值功率，同时由非线性光 学晶体KTP5光参量变换产生2微米信号光和3. 5微米附近闲频光。2微米信号光在对闲频 光吸收的平面介质镜7的左面和输出腔镜6组成光参量振荡腔内振荡加强，并由输出腔镜 6输出2微米信号光。对闲频光吸收的平面介质镜7将对通过的3. 5微米附近闲频光吸收 从而发热，热量由中心向外扩散造成折射率的梯度变化，起到一个热透镜的作用，从而有效 的补偿缓减了没有加对闲频光吸收的平面介质镜7时的模式失配问题。采用光纤耦合的半 导体激光器泵浦，在20W的泵浦功率下，实现了 2W以上2微米信号光，光光转化效率10%以 上，相对没有进行模式失配补偿的光参量振荡器，效率提高近一倍。实施例7 按照图3(或图4)的光路制作一台内腔式模式失配补偿的光参量振荡 器，用于输出2微米激光。与实施例1、2不同的是所述激光晶体2采用Nd:YAG或Nd:YAP或Nd:KGW或 Nd GdVO4,制作一台内腔式模式失配补偿的光参量振荡器。实施例8 按照图3 (或图4)的光路制作一台内腔式模式失配补偿的光参量振荡 器，用于输出2微米激光。与实施例1、2不同的是所述非线性光学晶体采用采用按θ = 90°，Φ = 0°的 非临界相位匹配切割的ΚΤΑ，制作一台内腔式模式失配补偿的光参量振荡器。
权利要求
一种内腔式模式失配补偿的光参量振荡器，光路中依次放置全反腔镜，激光晶体，声光Q开关，复合腔镜，对闲频光吸收的平面介质镜，非线性光学晶体，输出腔镜。其中全反腔镜和输出腔镜组成基频腔，由复合腔镜和输出腔镜组成光参量振荡腔。其特征在于光路放置对闲频光吸收的平面介质镜。
2.按权利要求1所述的一种内腔式模式失配补偿的光参量振荡器，所述的全反腔镜镀 对基频激光高反射的膜系；输出腔镜镀对基频激光高反射并对信号光部分透过的膜系；复 合腔镜镀对基频激光高透射，同时对信号光高反射的膜系；对闲频光吸收的平面介质镜镀 同时对信号光、闲频光和基频激光增透的膜系。
3.按权利要求1所述的一种内腔式模式失配补偿的光参量振荡器，其特征在于当光路 中不用复合腔镜，则对闲频光吸收的平面介质镜的靠近声光Q开关的一面改镀对基频激光 高透射，同时对信号光高反射的膜系，起到代替复合腔镜的作用。
4.按权利要求1所述的一种内腔式模式失配补偿的光参量振荡器，其特性在于其光参 量振荡器可用于产生1. 5微米或2微米激光。
全文摘要
本发明涉及一种内腔式模式失配补偿的光参量振荡器，光路中依次放置全反腔镜，激光晶体，声光Q开关，复合腔镜，对闲频光吸收的平面介质镜，非线性光学晶体，输出腔镜。其特征在于光路放置对闲频光吸收的平面介质镜利用吸收闲频光，起到类似可变焦距透镜的作用，用于补偿非线性光学晶体上基频激光谐振腔和光参量振荡器振荡腔的模式失配的作用。可有效提高光参量振荡器的转换效率。
文档编号H01S3/082GK101986486SQ20091011227
公开日2011年3月16日 申请日期2009年7月29日 优先权日2009年7月29日
发明者张戈, 朱海永, 段延敏, 魏勇, 黄呈辉 申请人:中国科学院福建物质结构研究所