本公开属于激光技术领域，涉及一种碱金属激光器泵浦的光参量振荡器。
背景技术：
3～5μm的中红外激光对烟雾、大气的穿透能力强，在空间光通信、军事对抗、生物医学、气体探测等方面具有较为广阔的应用前景。光参量振荡器是获得中红外激光的主要方式之一。光参量振荡器(opo)具有波长调谐范围宽等优点，可通过周期调谐、波长调谐及温度调谐等多种方式实现大波段范围的激光输出。
随着周期极化晶体制备技术的发展，基于准相位匹配技术的opo得到快速发展。该类型的opo按照晶体的位置可以分为内腔和外腔opo。内腔opo的非线性晶体位于泵浦源的谐振腔内，外腔opo的非线性晶体位于泵浦源的谐振腔外。对于某一极化周期的非线性晶体，在泵浦光(波长λ)的抽运下产生非线性现象，产生波长为λi的闲频光和波长为λs的信号光。
目前，基于mgo：ppln非线性晶体的opo的泵浦源多采用nd：yag激光器或nd：yvo4激光器输出的1064nm激光，总之，由于目前常用的泵浦源均为固体激光器，增益介质为固体，在高功率激光输出时热透镜效应明显，在高泵浦功率密度下输出光束的质量变差；另外，激光的荧光光谱宽，输出波长存在波动，会影响闲频光和信号光的功率稳定性；再者，为了实现较好的晶体工作状态，通常使晶体的工作温度与周期极化时的温度相同，选择工作温度范围为90～180℃，因此，opo需要设置温控炉，精确控制晶体温度，与泵浦源的工作温度相差较大，在结构紧凑方面受温度管理的限制。
技术实现要素：
(一)要解决的技术问题
本公开提供了一种碱金属激光器泵浦的光参量振荡器，以至少部分解决以上所提出的技术问题。
(二)技术方案
根据本公开的一个方面，提供了一种碱金属激光器泵浦的光参量振荡器，包括：输出耦合镜、非线性晶体、三色镜、碱金属蒸气室、偏振器件以及高反射镜依顺序放置，处于一条轴线上；以及温控炉，设置于碱金属蒸汽室、三色镜和非线性晶体的外侧，同时控制碱金属蒸气室、三色镜以及非线性晶体的温度。
在本公开的一些实施例中，碱金属激光器泵浦的光参量振荡器还包括：半导体激光器，输出半导体激光；以及聚焦镜，将半导体激光器输出的激光聚焦，使焦点位于碱金属蒸气室内；偏振器件与半导体激光器输出的光路同轴，实现半导体激光和碱金属激光的耦合，使二者以不同的偏振态通过。
在本公开的一些实施例中，三色镜为镀膜的镜片，对闲频光波段和信号光波段实现反射，对碱金属激光实现透射，与输出耦合镜组成光参量振荡器的谐振腔，对闲频光实现光放大；输出耦合镜输出闲频光，其表面镀有介质膜，介质膜对信号光和碱金属激光实现反射，对闲频光具有预定的输出耦合率。
在本公开的一些实施例中，三色镜对闲频光和信号光的反射率高于99％，对碱金属激光的透过率高于99％，对半导体激光的反射率高于95％；和/或输出耦合镜对信号光和碱金属激光的反射率高于99％，对闲频光的输出耦合率的取值范围为：10％～50％，包括端点值；和/或高反射镜反射振荡的碱金属激光，其反射率高于99.5％。
在本公开的一些实施例中，非线性晶体包括：掺镁的周期极化铌酸锂晶体(mgo：ppln)或周期极化铌酸锂晶体(ppln)；偏振器件包括：偏振分光立方体或格兰激光棱镜。
在本公开的一些实施例中，输出耦合镜对闲频光和信号光均具有预定的输出耦合率；或输出耦合镜对闲频光、信号光和碱金属激光均具有预定的输出耦合率。
在本公开的一些实施例中，输出耦合镜对闲频光和信号光的输出耦合率的取值范围为：10％～80％，包含端点值；或输出耦合镜对闲频光、信号光和碱金属激光的输出耦合率的取值范围为：10％～80％，包含端点值。
在本公开的一些实施例中，碱金属蒸气室中的碱金属单质为以下碱金属单质中的一种：钾、铷或铯。
在本公开的一些实施例中，当碱金属单质为钾时，高反射镜和输出耦合镜对波长为770nm镀膜，反射率高于99％，实现钾激光的放大，三色镜对770nm增透；或当碱金属单质为铷时，高反射镜和输出耦合镜对波长为795nm镀膜，反射率高于99％，实现铷激光的放大，三色镜对795nm增透；或当碱金属单质为铯时，高反射镜和输出耦合镜对波长为895nm镀膜，反射率高于99％，实现铯激光的放大，三色镜对895nm增透。
在本公开的一些实施例中，碱金属蒸气室的内部还充有缓冲气体，该缓冲气体包括甲烷。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开提供的碱金属激光器泵浦的光参量振荡器，具有以下有益效果：
将碱金属气体作为增益介质，由于碱金属激光器具有极高的量子效率，光束质量好，增益介质为气态，在高泵浦功率密度下，热透镜效应小，能够保持较高光束质量的激光输出，使得碱金属激光器泵浦的光参量振荡器具有更高的输出功率；另外，碱金属激光器是光谱均匀加宽的气体激光器，无需光谱选择元件诸如光栅、标准具等，输出激光光谱波长稳定且线宽较窄(10ghz～50ghz)，减弱或消除了泵浦光波长的轻微变化对闲频光中心波长及功率稳定性的影响，同时泵浦光的相干性较好，光参量振荡器的阈值较低，输出闲频光的线宽较窄；再者，碱金属激光器增益介质的工作温度范围介于100℃～200℃之间，与非线性晶体高功率激光输出时选择的工作温度范围(90℃～180℃)相近，可实现碱金属蒸气室和非线性晶体的一体化封装设计，统一控制温度，得到结构紧凑的光参量振荡器。
附图说明
图1为根据本公开实施例碱金属激光器泵浦的光参量振荡器的结构示意图。
【符号说明】
11-半导体激光器；12-聚焦镜；
21-碱金属蒸气室；22-三色镜；
23-非线性晶体；24-温控炉；
25-偏振器件；26-高反射镜；
27-输出耦合镜。
具体实施方式
本公开提供了一种碱金属激光器泵浦的光参量振荡器，将碱金属气体作为增益介质，热透镜效应小，能够保持较高光束质量的激光输出，使得碱金属激光器泵浦的光参量振荡器具有更高的输出功率；采用碱金属激光器，输出激光光谱波长稳定且线宽较窄，减弱或消除了泵浦光波长的轻微变化对闲频光中心波长及功率稳定性的影响；且增益介质与非线性晶体的工作温度范围相近，实现了碱金属蒸气室和非线性晶体的一体化封装设计，统一控制温度，得到结构紧凑的光参量振荡器。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种碱金属激光器泵浦的光参量振荡器。
图1为根据本公开实施例碱金属激光器泵浦的光参量振荡器的结构示意图。
参照图1所示，本公开的碱金属激光器泵浦的光参量振荡器，包括：半导体激光器11、聚焦镜12、偏振器件25、温控炉24、碱金属蒸气室21、三色镜22、非线性晶体23、输出耦合镜27以及高反射镜26；其中：
半导体激光器11，输出半导体激光；
聚焦镜12，与半导体激光器11输出的光路同轴，将半导体激光器11输出的半导体激光聚焦，并使焦点位于碱金属蒸气室21内；
输出耦合镜27和高反射镜26形成碱金属激光的谐振腔，该谐振腔的轴线与半导体激光器11的光轴垂直；
偏振器件25，设置于输出耦合镜27和高反射镜26形成的谐振腔之间，与半导体激光器11输出的光路同轴，经聚焦镜12聚焦的半导体激光入射至该偏振器件25，实现半导体激光和碱金属激光的耦合，使二者以不同的偏振态通过；
碱金属蒸气室21，设置于偏振器件25与输出耦合镜27相对的一侧，内部充有碱金属单质和缓冲气体，经由聚焦后的半导体激光泵浦后，实现碱金属激光上、下两个能级的粒子数反转；
三色镜22，设置于碱金属蒸气室21与输出耦合镜27相对的一侧，为镀膜的镜片，对闲频光波段和信号光波段实现高反，对碱金属激光实现高透，与输出耦合镜27组成光参量振荡器的谐振腔镜；
非线性晶体23，设置于三色镜22与输出耦合镜27相对的一侧，经由碱金属激光泵浦产生非线性现象；
温控炉24，设置于碱金属蒸气室21、三色镜22和非线性晶体23的外侧，同时控制碱金属蒸气室21、三色镜22以及非线性晶体23的温度，提供光参量振荡器工作所需的增益介质工作条件。
下面结合图1，对本实施例中碱金属激光器泵浦的光参量振荡器的各个部分进行详细介绍。
半导体激光器11，输出半导体激光，半导体激光作为泵浦光，用于泵浦温控炉中的碱金属蒸气室21，实现碱金属激光上能级和下能级之间的粒子数反转。该半导体激光器11输出的光束入射至聚焦镜12。
在本实施例中，碱金属蒸气室21中的碱金属单质为铷；但本公开不局限于此，在其它实施例中，碱金属单质可以为钾或铯。
在本实施例中，半导体激光器输出的半导体激光，其在空气中的波长为780.02nm，线宽为0.1nm，其作用是泵浦温控炉中的碱金属蒸气室，实现碱金属激光上能级和下能级之间的粒子数反转。
聚焦镜12将泵浦光聚焦，用于提高泵浦光的功率密度。经聚焦镜聚焦的光束入射至偏振器件25，并使焦点在碱金属蒸气室21内。
在本实施例中，聚焦镜12将泵浦光聚焦，其焦距为75mm，通光孔径φ为50mm，用于提高泵浦光的功率密度。经聚焦镜12聚焦的光束入射至偏振器件25，并使焦点在铷蒸气室内，该焦点的直径为0.8mm。
在本实施例中，偏振器件25为偏振分光立方体，其作用是实现半导体激光与碱金属激光的耦合，使半导体激光和碱金属激光以不同的偏振态通过偏振器件。本公开的偏振器件不局限于此，还可以用其他类型的偏振器件替换，只要能起到如下作用即可：实现半导体激光和碱金属激光的耦合，使二者以不同的偏振态通过，比如格兰激光棱镜。
在本实施例中，半导体激光的偏振态为垂直线偏振，即s-偏振，参照图1中的点所示，铷激光的偏振态为平行线偏振，即p-偏振，参照图1中的双箭头所示。
温控炉24同时控制非线性晶体23、三色镜22和碱金属蒸气室21的温度，用于提供光参量振荡器工作所需的增益介质工作条件。
在本实施例中，温控炉24的温度为150℃。
非线性晶体23是产生非线性现象的媒质，经碱金属激光泵浦产生非线性现象；
本实施例中，非线性晶体23为掺镁的周期极化铌酸锂晶体(mgo：ppln)，如图1所示，该晶体的长度为50mm，宽度和高度均为1mm，极化周期为21.6μm。但本公开不局限于此，非线性晶体23还可以是其他晶体，只要能产生非线性现象即可，比如周期极化铌酸锂晶体(ppln)。
三色镜22是镀膜的镜片，其对闲频光波段和信号光波段高反，对碱金属激光高透，与输出耦合镜27组成光参量振荡器的谐振腔镜；
本实施例中，闲频光的波长为3.2μm，信号光的波长为1.06μm，三色镜22对闲频光和信号光波长的反射率高于99％，对铷激光波长795nm的透过率高于99％，对半导体激光波长的反射率高于95％。
碱金属蒸气室21内部充有碱金属单质和缓冲气体，是碱金属激光器的工作物质，经聚焦后的半导体激光泵浦后，可实现碱金属激光上、下两个能级的粒子数反转。本实施例中，缓冲气体为甲烷，碱金属蒸气室的工作物质为铷和甲烷，甲烷的气压选为80kpa，经聚焦后的半导体激光泵浦后，可实现铷原子激光上下两个能级的粒子数翻转。
本实施例中，输出耦合镜27输出闲频光，其表面镀有介质膜，介质膜对信号光和碱金属激光高反，对闲频光具有预定的输出耦合率。
本实施例中，输出耦合镜27对信号光和碱金属激光的反射率高于99％，对闲频光的输出耦合率为50％。
需要说明的是，输出耦合镜27对闲频光的输出耦合率还可以是其他值，输出耦合率的取值范围为10％～50％，包括端点值。
本实施例中，输出耦合镜27和高反射镜26形成碱金属激光的谐振腔，对铷激光实现光放大。
本实施例中，输出耦合镜27和三色镜26形成光参量振荡器的谐振腔，对闲频光实现光放大。
本实施例中，高反射镜26反射振荡的碱金属激光，其反射率高于99.5％。
在本公开的另一实施例中，碱金属蒸气室21中的碱金属单质为钾，该实施例中对应的高反射镜和输出耦合镜对波长为770nm镀膜，反射率高于99％，实现钾激光的放大；三色镜对770nm增透。
在本公开的又一实施例中，碱金属蒸气室21中的碱金属单质为铯，该实施例中对应的高反射镜和输出耦合镜对波长为895nm镀膜，反射率高于99％，实现铯激光的放大；三色镜对895nm增透。
在本公开的某些实施例中，输出耦合镜27还可对闲频光、信号光均具有预定的输出耦合率，输出耦合率的取值范围为10％～80％，包含端点值，对闲频光、信号光的输出耦合率可以相同，也可以不同，只要满足同时输出闲频光和信号光即可。
在本公开的其它实施例中，输出耦合镜27还可以对闲频光、信号光、碱金属激光均具有预定的输出耦合率，输出耦合率的取值范围为10％～80％，包含端点值，对闲频光、信号光、碱金属激光的输出耦合率可以相同，也可以不同，只要满足同时输出闲频光、信号光和碱金属激光即可。
需要说明的是，本公开的聚焦透镜的焦距和尺寸不局限于实施例所提到的范围，只要能实现对应波段的半导体激光的聚焦，或提高半导体激光功率密度的焦距和尺寸都在本专利的保护范围内；另外，附图中示意的输出耦合镜、三色镜和高反射镜的形状也不局限于附图所示，只要满足谐振腔结构能够产生相应的激光即可。
本公开的碱金属激光器泵浦的光参量振荡器具有如下有益效果：一、将碱金属气体作为增益介质，由于碱金属激光器具有极高的量子效率，光束质量好，增益介质为气态，在高泵浦功率密度下，热透镜效应小，能够保持较高光束质量的激光输出，使得碱金属激光器泵浦的光参量振荡器具有更高的输出功率；二，碱金属激光器是光谱均匀加宽的气体激光器，无需光谱选择元件诸如光栅、标准具等，输出激光光谱波长稳定且线宽较窄(10ghz～50ghz)，减弱或消除了泵浦光波长的轻微变化对闲频光中心波长及功率稳定性的影响，同时泵浦光的相干性较好，光参量振荡器的阈值较低，输出闲频光的线宽较窄；三、碱金属激光器增益介质的工作温度范围介于100℃～200℃之间，与非线性晶体高功率激光输出时选择的工作温度范围(90℃～180℃)相近，可实现碱金属蒸气室和非线性晶体的一体化封装设计，统一控制温度，得到结构紧凑的光参量振荡器。
综上所述，本公开实施例提供了一种碱金属激光器泵浦的光参量振荡器，将碱金属气体作为增益介质，热透镜效应小，能够保持较高光束质量的激光输出，使得碱金属激光器泵浦的光参量振荡器具有更高的输出功率；采用碱金属激光器，输出激光光谱波长稳定且线宽较窄，减弱或消除了泵浦光波长的轻微变化对闲频光中心波长及功率稳定性的影响；且增益介质与非线性晶体的工作温度范围相近，实现了碱金属蒸气室和非线性晶体的一体化封装设计，统一控制温度，得到结构紧凑的光参量振荡器。
当然，根据实际需要，本公开的碱金属激光器泵浦的光参量振荡器还包含其他的元件，由于同本公开的创新之处无关，此处不再赘述。
需注意的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。