基于体光栅构成环形腔光学参量振荡器的2μm可调谐激光器的制作方法

本发明涉及激光技术领域，尤其涉及一种基于体光栅构成环形腔光学参量振荡器的2μm可调谐激光器。

背景技术：

2μm激光源在军事上有重要的应用价值，且它是泵浦磷锗锌光学参量振荡器（OPO，Optical Parametric Oscillator）产生中红外激光（3-5μm激光）的理想光源。进一步，在医疗、遥感和材料科学等领域，2μm激光源也都有巨大的潜力。因此，2μm激光源一直是国内外研究的热点。

目前，产生2μm激光的方法主要有三种：1）使用掺Tm或掺Ho的固体激光器产生2μm激光；2）使用掺Tm光纤激光器产生2μm激光；3）使用掺铷的1μm固体激光器，泵浦KTPOPO或PPLN OPO等，将1μm激光转换成2μm激光。对于前两种激光器直接产生2μm激光的技术尚未十分成熟，其设备昂贵，成本较高。而第三种利用1μm固体激光器泵浦OPO产生2μm激光的结构简单，技术成熟，成本较低廉，且能够产生较高的功率输出，因此其应用较为广泛。

光学参量振荡器（OPO）技术是一种能够产生宽带连续可调谐激光的技术，其利用非线性晶体的二阶非线性效应，在非线性晶体内传播的泵浦光与两个参量光发生三波耦合相互作用，从而实现光能量从高频泵浦光转换成两个低频参量光，其非常适合用于产生红外及中、远红外波段的激光。使用周期性极化晶体作为非线性晶体，匹配方式满足e→e+e，产生的2μm信号光与闲频光可以全部用来泵浦磷锗锌光学参量振荡器，获得极高效率。为了利用最大非线性系数，克服走离效应，提高转换效率，得到高功率输出，一般采用周期性极化铌酸锂（PPLN）、周期性极化磷酸氟钛钾（PPKTP）和周期性极化钽酸锂（PPLT）作为周期性极化晶体。但是，基于PPLN、PPKTP和PPLT等周期性极化晶体的普通光学参量振荡器输出的2μm激光的线宽都非常宽，一般超过60nm，超出了磷锗锌光学参量振荡器的小于7nm的接收线宽。因此，为了提高中红外激光的转换效率，需要进一步对2μm激光源进行线宽窄化。

利用光学参量振荡器产生2μm激光的激光器的结构可以采用外腔式或内腔式，外腔式结构是指光学参量振荡器设置在1μm激光器的外部，内腔式结构是指光学参量振荡器设置在1μm激光器的内部。在内腔式结构中，为了降低阈值、提高泵浦光的转换效率，使泵浦激光往返通过非线性晶体，输出镜通常对泵浦激光反射，回光打到泵浦激光器上会影响泵浦激光器的使用寿命。

另外，光束质量因子是激光光束质量的评估和控制理论基础，其定义为

其中，R为实际光束的束腰半径，R0为基膜高斯光束的束腰半径，θ为实际光束的远场发散角，θ0为基膜高斯光束的远场发散角。光束质量为1时，具有最好的光束质量。目前由光学参量振荡器产生2μm激光的光束质量与理想情况还有较大差距，仍未能完全满足目前应用的需要。

总体来看，目前基于光学参量振荡器技术得到的光束质量不够好，输出功率不够高，且波长调谐范围也比较小。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术中的缺点与不足，提供一种高效率、高光束质量、线宽窄且波长可调谐的2μm激光器。

本发明是通过以下技术方案实现的：基于体光栅构成环形腔光学参量振荡器的2μm可调谐激光器，包括1μm激光器和环形腔光学参量振荡器，所述环形腔光学参量振荡器包括第一平面镜、非线性晶体、体光栅和反射装置；所述第一平面镜对1μm激光具有高透射率且对2μm激光具有高反射率；所述非线性晶体设置在1μm激光束光腰的位置；所述体光栅部分透射及部分反射2μm激光；所述1μm激光器发出的激光进入所述环形腔光学参量振荡器后依次在所述第一平面镜、非线性晶体、体光栅和反射装置之间单方向环形振荡，最后从所述体光栅输出；所述体光栅与进入所述体光栅的激光之间的角度以及与所述反射装置之间的角度配合，产生波长可调谐的输出激光。

相对于现有技术，本发明的2μm可调谐激光器可输出高光束质量、较大功率及窄线宽的2μm激光，且采用环形腔结构设计，配合调谐体光栅与进入体光栅的激光之间的角度以及与反射装置之间的角度，使激光在腔内保持环形振荡，可以实现2μm附近范围波长的调谐。

进一步，所述反射装置为一凹面腔镜，所述凹面腔镜对2μm激光具有高反射率，从所述体光栅衍射出来的激光经过所述凹面腔镜反射至所述第一平面镜。

进一步，从所述体光栅衍射出来的激光经过所述非线性晶体到达所述凹面腔镜，再由所述凹面腔镜反射至所述第一平面镜。

进一步，所述反射装置为一由至少三个光学镜组成的光学镜组。

进一步，所述光学镜组包括第二平面镜、第三平面镜、腔内正透镜和第四平面镜，所述第二平面镜、第三平面镜和第四平面镜对2μm激光具有高反射率，所述腔内正透镜对2μm激光具有高透射率，从所述体光栅衍射出来的激光经过所述第二平面镜反射至所述第三平面镜，再由所述第三平面镜反射至所述腔内正透镜，再经过所述腔内正透镜聚焦至所述第四平面镜，再由所述第四平面镜反射至所述第一平面镜。

进一步，所述2μm可调谐激光器还包括一双色镜，所述双色镜设于所述环形腔光学参量振荡器后端，对1μm激光具有高反射率且对2μm激光具有高透射率。所述双色镜用于过滤剩余的1μm激光，输出纯净的2μm激光。

进一步，所述2μm可调谐激光器还包括一隔离器，所述隔离器设于所述1μm激光器与所述环形腔光学参量振荡器之间。所述隔离器用于防止返回的1μm激光对激光器以及光路系统产生的不良影响。

进一步，所述隔离器包括第一半波片、分束立方体、45°法拉第旋转器和第二半波片，所述1μm激光器发出的激光依次通过所述第一半波片、分束立方体、45°法拉第旋转器和第二半波片。

进一步，所述2μm可调谐激光器还包括一正透镜，所述正透镜设于所述隔离器与所述环形腔光学参量振荡器之间，对1μm激光具有高透射率。从所述隔离器输出的1μm激光经过所述正透镜聚焦。

进一步，所述体光栅对2μm激光的透射率为30%，反射率为70%。

为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本发明。

附图说明

图1是本发明的基于体光栅构成环形腔光学参量振荡器的2μm可调谐激光器的实施例1的结构示意图。

图2是图1所示环形腔光学参量振荡器400内的光束半径分布图。

图3是图1所示2μm可调谐激光器输出的激光光束质量测量图。

图4是本发明的基于体光栅构成环形腔光学参量振荡器的2μm可调谐激光器的实施例2的结构示意图。

图5是图4所示环形腔光学参量振荡器400’内的光束半径分布图。

具体实施方式

本发明设计特殊环形行波腔结构，采用体光栅作为线宽窄化和波长调谐元件，通过体光栅的激光波长满足布拉格条件：2nΛcosθ=λ，n是折射率，Λ是体光栅周期，λ是衍射激光波长。体光栅对不同的入射激光，在不同的入射角下，只有单一波长的激光能够从体光栅中按特定方向衍射出来。通过体光栅与入射激光之间的角度调谐，实现对输出激光的波长调谐。

以下，通过具体实施例进行详细说明。

实施例1

请参阅图1，其是本发明的基于体光栅构成环形腔光学参量振荡器的2μm可调谐激光器的实施例1的结构示意图，包括沿光路前进方向依次排列的1μm激光器100、隔离器200、正透镜300、环形腔光学参量振荡器400和双色镜500。

具体的，在本实施例中，所述1μm激光器100为Nd:YVO4激光器，输出线偏振的1μm脉冲激光，该Nd:YVO4激光器的重复频率为20KHz，输出平均功率为6.8W。

所述隔离器200包括第一半波片210、分束立方体220、45°法拉第旋转器230和第二半波片240。由1μm激光器100输出的1μm激光只能单方向的依次通过第一半波片210、分束立方体220、45°法拉第旋转器230和第二半波片240，然后输出至正透镜300。所述隔离器200用于防止返回的1μm激光对激光器以及光路系统产生的不良影响。

所述正透镜300的焦距为200mm，对1μm激光具有高透射率。从隔离器200输出的1μm激光经过正透镜300聚焦后，进入环形腔光学参量振荡器400。

所述环形腔光学参量振荡器400包括第一平面镜410、非线性晶体420、体光栅430和反射装置。在本实施例中，该反射装置为凹面腔镜440。经过正透镜300聚焦的1μm激光进入该环形腔光学参量振荡器400内，依次在第一平面镜410、非线性晶体420、体光栅430和凹面腔镜440之间单方向环形振荡，并且在非线性晶体420处不断放大，最后从体光栅430输出。

所述第一平面镜410对1μm激光具有高透射率且对2μm激光具有高反射率。经过正透镜300聚焦的1μm激光非垂直入射第一平面镜410。

所述非线性晶体420设置在1μm激光束光腰的位置。在本实施例中，非线性晶体420为掺氧化镁的周期性极化铌酸锂晶体。从第一平面镜410透射出来的1μm激光进入非线性晶体420，当1μm功率足够高的时候，由于非线性效应，有部分能量转换到2μm。

所述体光栅430部分透射及部分反射2μm激光。在本实施例中，体光栅430对2μm激光的透射率为30%，反射率为70%。经过非线性晶体420放大的2μm激光进入体光栅430，通过调节体光栅430与进入体光栅430的激光之间的角度，调谐从体光栅430衍射出来的激光波长。

所述凹面腔镜440对2μm激光具有高反射率，曲率为125mm。从体光栅430衍射出来的激光经过非线性晶体420到达凹面腔镜440，当体光栅430与进入体光栅430的激光之间的角度发生变化时，从体光栅430衍射出来的激光方向也会发生变化，配合调节凹面腔镜440与从体光栅430衍射出来的激光之间的角度，使激光经过凹面腔镜440反射至第一平面镜410，再由第一平面镜410反射至非线性晶体420，保持环形振荡。

所述双色镜500对1μm激光具有高反射率且对2μm激光具有高透射率。从体光栅430输出的激光经过双色镜500，双色镜500用于过滤剩余的1μm激光，输出纯净的2μm激光。

以下详细说明本发明的2μm可调谐激光器的工作原理：当1μm激光器100开启时，产生的1μm激光依次通过隔离器200中的第一半波片210、分束立方体220、45°法拉第旋转器230和第二半波片240，然后经过正透镜300聚焦进入环形腔光学参量振荡器400，当1μm功率足够高的时候，由于非线性效应，有部分能量转换到2μm。2μm激光依次在第一平面镜410、非线性晶体420、体光栅430和凹面腔镜440之间单方向环形振荡，并且在非线性晶体420处不断放大，部分2μm激光从体光栅430中透射输出。根据布拉格条件2nΛcosθ=λ，体光栅430对于不同的入射光波，只有唯一的波长能够在不同光栅平面的反射光相干加强形成衍射级，才能从体光栅430中按特定的方向衍射出来，而其余波长的光不满足布拉格条件，只能够透射过体光栅430。2μm激光在透射出体光栅430时，利用体光栅430对波长的选择作用，只有很窄线宽的2μm激光形成了环形腔，进而得到了窄线宽的2μm激光输出。进一步，体光栅430与进入体光栅430的激光之间的角度可调谐，对应不同的入射角度，衍射的波长也会不同，根据这一点通过调节体光栅430与进入体光栅430的激光之间的角度，配合调节凹面腔镜440与从体光栅430衍射出来的激光之间的角度，保证凹面腔镜440接收到体光栅430衍射出来的激光并将该激光反射至所述第一平面镜410，再由第一平面镜410反射至非线性晶体420，保持环形振荡，从而实现对2μm激光的输出波长调谐。

在本实施例中，体光栅430正入射时中心波长为2129.6nm，即输出2μm激光随对应调节体光栅430角度变化关系为：λout=2129.6×cosθ。实验中体光栅430角度调谐范围为0～20°，可以实现2μm激光从2000nm到2270nm波段的激光调谐，继续增大角度调节范围可以实现更大范围的波长调谐。

本实施例设定环形腔光学参量振荡器400的腔长为215mm，非线性晶体420贴近体光栅430设置。请参阅图2，其是图1所示环形腔光学参量振荡器400内的光束半径分布图。在该环形腔结构设定下，可看出非线性晶体420处的光束半径为195μm。请参阅图3，其是图1所示2μm可调谐激光器输出的激光光束质量测量图。由图可以看到，该输出激光在水平方向和竖直方向的光束质量因子分别为1.85和2.37，较现有技术的光束质量有所提高。

实施例2

请参阅图4，其是本发明的基于体光栅构成环形腔光学参量振荡器的2μm可调谐激光器的实施例2的结构示意图。本实施例与实施例1的区别在于环形腔光学参量振荡器400’内的反射装置为一光学镜组，包括第二平面镜441、第三平面镜442、腔内正透镜443和第四平面镜444。经过正透镜300聚焦的1μm激光进入该环形腔光学参量振荡器400’内，依次在第一平面镜410、非线性晶体420、体光栅430、第二平面镜441、第三平面镜442、腔内正透镜443和第四平面镜444之间单方向环形振荡，并且在非线性晶体420处不断放大，最后从体光栅430输出。

所述第二平面镜441、第三平面镜442和第四平面镜444对2μm激光具有高反射率，所述腔内正透镜443的焦距为75mm，对2μm激光具有高透射率。从体光栅430衍射出来的激光经过第二平面镜441反射至第三平面镜442，再由第三平面镜442反射至腔内正透镜443，再经过腔内正透镜443聚焦至第四平面镜444，再由第四平面镜444反射至第一平面镜410。当体光栅430与进入体光栅430的激光之间的角度发生变化时，配合调节第二平面镜441与从体光栅430衍射出来的激光之间的角度，使激光经过第二平面镜441反射至第三平面镜442，再由第三平面镜442反射至腔内正透镜443，再经过腔内正透镜443聚焦至第四平面镜444，再由第四平面镜444反射至第一平面镜410，再由第一平面镜410反射至非线性晶体420，保持环形振荡。

以下详细说明本发明的2μm可调谐激光器的工作原理：当1μm激光器100开启时，产生的1μm激光依次通过隔离器200中的第一半波片210、分束立方体220、45°法拉第旋转器230和第二半波片240，然后经过正透镜300聚焦进入环形腔光学参量振荡器400’，当1μm功率足够高的时候，由于非线性效应，有部分能量转换到2μm。2μm激光依次在第一平面镜410、非线性晶体420、体光栅430、第二平面镜441、第三平面镜442、腔内正透镜443和第四平面镜444之间单方向环形振荡，并且在非线性晶体420处不断放大，部分2μm激光从体光栅430中透射输出。根据布拉格条件2nΛcosθ=λ，体光栅430对于不同的入射光波，只有唯一的波长能够在不同光栅平面的反射光相干加强形成衍射级，才能从体光栅430中按特定的方向衍射出来，而其余波长的光不满足布拉格条件，只能够透射过体光栅430。2μm激光在透射出体光栅430时，利用体光栅430对波长的选择作用，只有很窄线宽的2μm激光形成了环形腔，进而得到了窄线宽的2μm激光输出。进一步，体光栅430与进入体光栅430的激光之间的角度可调谐，对应不同的入射角度，衍射的波长也会不同，根据这一点通过调节体光栅430的角度，配合调节第二平面镜441与从体光栅430衍射出来的激光之间的角度，保证第二平面镜441接收到体光栅430衍射出来的激光并将该激光反射至所述第三平面镜442，保持环形振荡，从而实现对2μm激光的输出波长调谐。

在本实施例中，体光栅430正入射时中心波长为2129.6nm，即输出2μm激光随对应调节体光栅430角度变化关系为：λout=2129.6×cosθ，实验中体光栅430角度调谐范围为0～30°，可以实现2μm激光从1850nm到2510nm波段的激光调谐，继续增大角度调节范围可以实现更大范围的波长调谐。

本实施例设定环形腔光学参量振荡器400的腔长为260mm，请参阅图5，其是图4所示环形腔光学参量振荡器400’内的光束半径分布图。在该环形腔结构设定下，可看出非线性晶体420处的光束半径为200μm。

此外，本发明的基于体光栅构成环形腔光学参量振荡器的2μm可调谐激光器还有多种变形结构，主要是环形腔内反射装置可以有多种变形结构，只要该反射装置能配合体光栅调节角度，保持激光在腔内的环形振荡即可。且，本发明的1μm激光器不限于Nd:YVO4激光器，只要能产生1μm激光的激光器即可，本发明的非线性晶体不限于掺氧化镁的周期性极化铌酸锂晶体，只要能将1μm激光转换到2μm激光的周期性极化晶体即可。

相对于现有技术，本发明的2μm可调谐激光器可输出高光束质量、较大功率及窄线宽的2μm激光，且采用环形腔结构设计，配合调谐体光栅与进入体光栅的激光之间的角度以及与反射装置之间的角度，使激光在腔内保持环形振荡，可以实现2μm附近范围波长的调谐。

本发明并不局限于上述实施方式，如果对本发明的各种改动或变形不脱离本发明的精神和范围，倘若这些改动和变形属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变形。