专利名称：一种基于电光效应和光纤放大器的可调谐中红外光源的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种中红外光源，尤其是涉及一种基于电光效应和光纤放大器的可调谐中红外光源。
背景技术：
固体激光器，尤其是全固态激光器因具有结构紧凑、转换效率高、寿命长等优点而被广泛应用于军事、工业加工和科学研究等。通过近红外波段全固态激光器作为泵浦源，通过光参量振荡器是获得3 5 μ m中红激光光源最有效的手段之一。到目前为止，虽然中红外激光器取得了一定的发展，但是在中红外光源高重复频率、高峰值功率光源获得、泵浦源选取、中红外波段介质薄膜宽带设计、低吸收、高损耗控制等方面还有许多技术问题需要解决，尤其当通过光参量手段获得中红外激光光源时，泵浦源的体积、效率、稳定性、光束质量等还有许多问题亟待解决1)泵浦源的全固化、小型化、轻量化；幻泵浦源功率水平和光束质量同时保证；幻泵浦源在高重复频率下脉宽较宽，峰值功率较低、单脉冲能量随重复频率变化较大；4)泵浦源体积大、结构复杂，制冷功耗大、需水冷等。([l]Y.B0netti，andj. Faist, Quantum cascade lasers entering the mid-infrared. Nature Photonics 2009, 3 :32-34; [2]任国光，黄裕年，用激光红外干扰系统保护军用和民航机，激光与红外2006， 36(1) :1-6)。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可获得性能优良的中红外激光输出、可解决中红外激光器的高效散热问题、可降低整机体积、提高输出光的光束质量和转换效率的基于电光效应和光纤放大器的可调谐中红外光源。本发明设有种子光源、光纤放大器、耦合系统、光参量振荡器的输入镜、用于频率变换的非线性晶体和输出耦合镜；所述种子光源设有半导体激光器、准直光学系统、聚焦光学系统、激光晶体、主动调Q用电光晶体、配合电光晶体一起使用的起偏器和主动电光调Q激光器的输出镜，所述半导体激光器、准直光学系统、聚焦光学系统、激光晶体、主动调Q用电光晶体、配合电光晶体一起使用的起偏器、主动电光调Q激光器的输出镜和耦合系统按从左往右顺序依次摆放， 半导体激光器、准直光学系统、聚焦光学系统、激光晶体、主动调Q用电光晶体、配合电光晶体一起使用的起偏器、主动电光调Q激光器的输出镜和耦合系统的中心处于同一光轴上， 半导体激光器、准直光学系统、聚焦光学系统、激光晶体、主动调Q用电光晶体、配合电光晶体一起使用的起偏器、主动电光调Q激光器的输出镜和耦合系统之间的间距可调；所述耦合系统设于种子光源与光纤放大器之间；所述光纤放大器设有光纤和带光纤耦合输出的半导体激光器泵浦源，所述光参量振荡器的输入镜、用于频率变换的非线性晶体和输出耦合镜按从左往右顺序依次摆放，光参量振荡器的输入镜、用于频率变换的非线性晶体和输出耦合镜的中心处于同一光轴上，光参量振荡器的输入镜、用于频率变换的非线性晶体和输出耦合镜之间的间距可调。所述种子光源的波长可为1000 llOOnm。所述种子光源的激光器谐振腔由激光晶体和主动电光调Q激光器的输出镜构成，所述激光晶体的左端面镀制808nm泵浦光增透膜1000 1 IOOnm范围内基频光的高反射膜，激光晶体的右端面镀制基频光增透膜，主动调 Q用电光晶体和配合电光晶体一起使用的起偏器的左右端面和主动电光调Q激光器的输出镜的右端面镀制基频光的增透膜，主动电光调Q激光器的输出镜左端面镀制基频光的部分反射膜。主动调Q用电光晶体和配合电光晶体一起使用的起偏器构成电光Q开关，该Q开光需要通过外部电路进行驱动和控制。所述半导体激光器、准直光学系统、聚焦光学系统、激光晶体、主动调Q用电光晶体、配合电光晶体一起使用的起偏器、主动电光调Q激光器的输出镜和耦合系统之间的间距可调的范围可为0. 5 100mm。所述耦合系统中可设有一个单向器。所述带光纤耦合输出的半导体激光器泵浦源可设至少3个。所述光纤可采用掺的双包层光纤或光子晶体光纤等。所述光参量振荡器的输入镜、用于频率变换的非线性晶体和输出耦合镜之间的间距可调的范围可为0. 5 100mm。本发明提出一种新的技术手段，获得性能优良的中红外激光输出，解决中红外激光器的高效散热问题、降低了整机体积、提高输出光的光束质量和转换效率。具体发明内容如下将发射波长在1. 0 1. 1 μ m的脉冲电光调Q激光器作为光纤放大器的种子光源，经过一级或多级掺镱双包层光纤放大器放大，放大以后的种子光在偏振方向、重复频率、光束质量上基本没有改变，单个脉冲的能量得到逐级放大，最后获得高重复频率、高能量、单频、 线偏振短脉冲的泵浦光，并将其作为中红外激光器的泵浦源，利用非线性晶体通过光参量振荡的方式获得中红外波段的激光输出。该激光输出的波长可以通过改变非线性晶体的工作温度或者横向非线性晶体入射位置等来进行调谐。本发明将光纤放大器和电光调Q激光器结合在一起，一方面可以把能量放大的部分也就是产生冗余热量多的放大级用光纤放大器来实现，利用光纤放大器散热好的特点通过半导体制冷或者简单的传导冷却；另一方面利用了小功率固体激光器、半导体激光器在体积、短脉宽方面的优势进一步简化种子光源的结构，光纤放大器输出光在光束质量、稳定性等方面的优势确保了后端通过光参量手段获得的中红外光源在非线性过程中能有较高的转换效率。获得高效率的中红外激光光源整机、不需水冷减少了体积、光纤输出提高了光束质量，扩大了应用范围和工作环境。
图1为本发明实施例的结构示意图。
具体实施例方式参见图1，本发明实施例设有种子光源、光纤放大器、耦合系统8、光参量振荡器的输入镜13、用于频率变换的非线性晶体14和输出耦合镜15。所述种子光源设有半导体激光器1、准直光学系统2、聚焦光学系统3、激光晶体4、主动调Q用电光晶体5、配合电光晶体一起使用的起偏器6和主动电光调Q激光器的输出镜 7，所述半导体激光器1、准直光学系统2、聚焦光学系统3、激光晶体4、主动调Q用电光晶体 5、配合电光晶体一起使用的起偏器6、主动电光调Q激光器的输出镜7和耦合系统8按从左往右顺序依次摆放，半导体激光器1、准直光学系统2、聚焦光学系统3、激光晶体4、主动调Q用电光晶体5、配合电光晶体一起使用的起偏器6、主动电光调Q激光器的输出镜7和耦合系统8的中心处于同一光轴上，半导体激光器1、准直光学系统2、聚焦光学系统3、激光晶体4、主动调Q用电光晶体5、配合电光晶体一起使用的起偏器6、主动电光调Q激光器的输出镜7和耦合系统8之间的间距可调；所述耦合系统8设于种子光源与光纤放大器之间；所述光纤放大器设有光纤12和带光纤耦合输出的半导体激光器泵浦源9，所述光参量振荡器的输入镜13、用于频率变换的非线性晶体14和输出耦合镜15按从左往右顺序依次摆放，光参量振荡器的输入镜13、用于频率变换的非线性晶体14和输出耦合镜15的中心处于同一光轴上，光参量振荡器的输入镜13、用于频率变换的非线性晶体14和输出耦合镜15 之间的间距可调的范围为0. 5 100mm。所述种子光源的波长可为1000 llOOnm。所述种子光源的激光器谐振腔由激光晶体4和主动电光调Q激光器的输出镜7构成，所述激光晶体4的左端面镀制808nm泵浦光增透膜1000 IlOOnm范围内基频光的高反射膜，激光晶体4的右端面镀制基频光增透膜，主动调Q用电光晶体5和配合电光晶体一起使用的起偏器6的左右端面和主动电光调Q 激光器的输出镜7的右端面镀制基频光的增透膜，主动电光调Q激光器的输出镜7左端面镀制基频光的部分反射膜。主动调Q用电光晶体5和配合电光晶体一起使用的起偏器6构成电光Q开关，该 Q开光需要通过外部电路进行驱动和控制。所述半导体激光器1、准直光学系统2、聚焦光学系统3、激光晶体4、主动调Q用电光晶体5、配合电光晶体一起使用的起偏器6、主动电光调Q激光器的输出镜7和耦合系统 8之间的间距可调的范围可为0. 5 100mm。所述耦合系统8中可设有一个单向器，以保证光的单向传播，防止放大器的反射光回馈到种子光源中，引起系统的不稳定。所述带光纤耦合输出的半导体激光器泵浦源9的功能是为光纤放大器提供泵浦光，为了便于散热，将放大级所需的总泵浦能量分配到波长在975nm附近的若干光纤耦合输出的半导体激光器中。所述带光纤耦合输出的半导体激光器泵浦源9可设至少3个。所述带光纤耦合输出的半导体激光器泵浦源9可设在整个系统所安放的实验平台上，该平台为整个系统提供支撑作用，由于带光纤耦合输出的半导体激光器泵浦源9是一组通过半导体制冷器进行温度控制的波长在975nm附近的带光纤耦合输出的半导体激光器泵浦源，光纤具有一定的长度和弯曲能力，可以在与其他元件不重叠和交叉的情况下，在光纤放大级的左右两侧灵活安放，安放以结构紧凑、整齐排列为原则，相互位置关系和距离不作限制。所述光纤可采用掺的双包层光纤或光子晶体光纤等；将光纤12作为放大级增益介质、半导体激光器作为泵浦源，对种子光进行一级或多级放大，通过对光纤弯曲半径的控制、结构的优化设计来分别抑制高阶模和各种非线性效应，通过应力双折射来获得偏振保持特性，最后获得高峰值功率、线偏振、短脉冲光源。从耦合系统8出射的光的光轴和光纤12的通光轴在同一条水平线上，光纤12的通光轴与光参量振荡器的输入镜13左端面的法线相互平行，耦合系统8和光参量振荡器的输入镜13与光纤12之间存在空气间隙，间隙大小可以在0. 5 IOOmm之间调节，带光纤耦合输出的半导体激光器泵浦源9分布在光纤 12的左右两侧，带光纤耦合输出的半导体激光器泵浦源9与光纤12之间通过光纤熔接进行连接。用于频率变换的非线性晶体14可以是周期极化晶体也可以是普通的非极化晶体，用于频率变换的非线性晶体14左右端面都镀制泵浦光的增透膜。输出耦合镜15左端面镀制泵浦光的高反射膜，信号光的部分透射膜，右端面镀制信号光的增透膜。通过单谐振参量振荡技术将放大器放大输出后的脉冲激光作为泵浦光注入到参量振荡谐振腔中，当泵浦光泵浦到非线性晶体上以后，会对信号光产生一定的增益，通过谐振腔左右腔镜提供的反馈，信号光不断被放大，最终信号光通过输出镜输出。该信号光的波段主要由泵浦光波长，非线性晶体的参数等共同决定，在本发明中，波长位于中红外波段。在垂直于周期极化晶体通光方向截面上，制作多个周期结构，周期大小按一定的步长变化，实现调谐；当泵浦光入射到周期参数不同的周期结构时，输出中红外激光中心波长不同，在每个中心波长附近通过改变晶体的工作温度、非线性温度匹配来改变信号光的波长，最后实现温度调谐，产生的信号光位于3 5 μ m的中红外波段。
权利要求
1.一种基于电光效应和光纤放大器的可调谐中红外光源，其特征在于设有种子光源、光纤放大器、耦合系统、光参量振荡器的输入镜、用于频率变换的非线性晶体和输出耦合镜；所述种子光源设有半导体激光器、准直光学系统、聚焦光学系统、激光晶体、主动调Q 用电光晶体、配合电光晶体一起使用的起偏器和主动电光调Q激光器的输出镜，所述半导体激光器、准直光学系统、聚焦光学系统、激光晶体、主动调Q用电光晶体、配合电光晶体一起使用的起偏器、主动电光调Q激光器的输出镜和耦合系统按从左往右顺序依次摆放，半导体激光器、准直光学系统、聚焦光学系统、激光晶体、主动调Q用电光晶体、配合电光晶体一起使用的起偏器、主动电光调Q激光器的输出镜和耦合系统的中心处于同一光轴上，半导体激光器、准直光学系统、聚焦光学系统、激光晶体、主动调Q用电光晶体、配合电光晶体一起使用的起偏器、主动电光调Q激光器的输出镜和耦合系统之间的间距可调；所述耦合系统设于种子光源与光纤放大器之间；所述光纤放大器设有光纤和带光纤耦合输出的半导体激光器泵浦源，所述光参量振荡器的输入镜、用于频率变换的非线性晶体和输出耦合镜按从左往右顺序依次摆放，光参量振荡器的输入镜、用于频率变换的非线性晶体和输出耦合镜的中心处于同一光轴上，光参量振荡器的输入镜、用于频率变换的非线性晶体和输出耦合镜之间的间距可调。
2.如权利要求1所述的一种基于电光效应和光纤放大器的可调谐中红外光源，其特征在于所述种子光源的波长为1000 llOOnm。
3.如权利要求1所述的一种基于电光效应和光纤放大器的可调谐中红外光源，其特征在于所述种子光源的激光器谐振腔由激光晶体和主动电光调Q激光器的输出镜构成，所述激光晶体的左端面镀制808nm泵浦光增透膜1000 IlOOnm范围内基频光的高反射膜，激光晶体的右端面镀制基频光增透膜，主动调Q用电光晶体和配合电光晶体一起使用的起偏器的左右端面和主动电光调Q激光器的输出镜的右端面镀制基频光的增透膜，主动电光调 Q激光器的输出镜左端面镀制基频光的部分反射膜。
4.如权利要求1所述的一种基于电光效应和光纤放大器的可调谐中红外光源，其特征在于主动调Q用电光晶体和配合电光晶体一起使用的起偏器构成电光Q开关，该Q开光通过外部电路进行驱动和控制。
5.如权利要求1所述的一种基于电光效应和光纤放大器的可调谐中红外光源，其特征在于所述半导体激光器、准直光学系统、聚焦光学系统、激光晶体、主动调Q用电光晶体、配合电光晶体一起使用的起偏器、主动电光调Q激光器的输出镜和耦合系统之间的间距可调的范围为0. 5 100mm。
6.如权利要求1所述的一种基于电光效应和光纤放大器的可调谐中红外光源，其特征在于所述耦合系统中设有一个单向器。
7.如权利要求1所述的一种基于电光效应和光纤放大器的可调谐中红外光源，其特征在于所述带光纤耦合输出的半导体激光器泵浦源设至少3个。
8.如权利要求1所述的一种基于电光效应和光纤放大器的可调谐中红外光源，其特征在于所述光纤为掺的双包层光纤或光子晶体光纤。
9.如权利要求1所述的一种基于电光效应和光纤放大器的可调谐中红外光源，其特征在于所述光参量振荡器的输入镜、用于频率变换的非线性晶体和输出耦合镜之间的间距可调的范围为0. 5 100mm。
全文摘要
一种基于电光效应和光纤放大器的可调谐中红外光源，涉及一种中红外光源。设有种子光源、光纤放大器、耦合系统、光参量振荡器的输入镜、用于频率变换的非线性晶体和输出耦合镜；种子光源设有半导体激光器、准直光学系统、聚焦光学系统、激光晶体、主动调Q用电光晶体、配合电光晶体一起使用的起偏器和主动电光调Q激光器的输出镜，耦合系统设于种子光源与光纤放大器之间；光纤放大器设有光纤和带光纤耦合输出的半导体激光器泵浦源，光参量振荡器的输入镜、用于频率变换的非线性晶体和输出耦合镜按从左往右顺序依次摆放。可获得性能优良的中红外激光输出、可解决中红外激光器的高效散热问题、可降低整机体积、提高输出光的光束质量和转换效率。
文档编号H01S3/115GK102332670SQ20111022370
公开日2012年1月25日 申请日期2011年8月5日 优先权日2011年8月5日
发明者姬彪, 贾富强, 郑新双 申请人:厦门大学