人眼安全波段级联倍频光学参量振荡器的制作方法

本发明涉及光学参量振荡器技术领域，特别涉及一种人眼安全波段级联倍频光学参量振荡器。

背景技术：

波长在1.5μm到1.8μm之间波段的激光进入人眼在到达视网膜前被角膜内的晶状体大量的吸收，而不损伤眼底，这个波段的波长被称为人眼安全波长。人眼安全波长的激光器在激光测距、地形地貌测绘、空间通讯和激光雷达等领域获得了广泛的应用。

目前采用1μm到1.1μm波长激光泵浦的光学参量振荡器是获得人眼安全波长激光输出的主要技术方案。专利号us5,181,211提出了采用1μm到1.1μm的全固态激光器泵浦非临界相位匹配的ktp光学参量振荡器，获得了人眼安全波段的信号光和不在人眼安全波段的闲频光。在这类光学参量振荡器中，闲频光的能量约占泵浦光总转换能量的三分之一左右，并作为无用光而移出腔外或被腔内的元件所吸收，限制了人眼安全波长的转换效率。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种人眼安全波段级联倍频光学参量振荡器。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种人眼安全波段级联倍频光学参量振荡器，包括：泵浦光源、输入镜、参量转换晶体、倍频晶体和输出镜；

其中，所述输入镜与输出镜构成人眼安全波段级联倍频光学参量振荡器谐振腔，所述泵浦光源输出1μm-1.1μm的泵浦光至所述参量转换晶体，产生波长为1.5μm-1.8μm的在人眼安全波段的信号光和波长不在人眼安全波段的闲频光，所述闲频光在所述光学参量振荡器谐振腔内振荡，并通过所述倍频晶体频率变换为波长在1.5μm到1.8μm人眼安全波段的倍频光，所述倍频光与信号光作为人眼安全波长的激光共同通过所述输出镜输出。

优选的是，所述输入镜与所述输出镜构成的人眼安全波段级联倍频光学参量振荡器谐振腔是闲频光单波长谐振、非线性倍频输出的光学参量振荡器谐振腔。

优选的是，所述信号光与所述倍频光是波长相同，但偏振方向垂直的在人眼安全波段的激光；

或者所述信号光与所述倍频光是波长不同，且其闲频光的倍频频率变换与信号光逆变换的波长范围不交叠的在人眼安全波段的激光。

优选的是，所述参量转换晶体为：mgo:ppln、ppln、ppkta、pprta、kta、rta或ktp。

优选的是，所述倍频晶体为：mgo:ppln、ppln、mgo:linbo3、linbo3、ppkta、pprta、kta、rta或ktp。

优选的是，不包括耦合透镜，所述人眼安全波段级联倍频光学参量振荡器为直腔式。

优选的是，还包括耦合透镜和折反镜；

所述泵浦光源输出的泵浦光依次经过所述耦合透镜和输入镜后入射到所述参量转换晶体内，参量转换产生所述信号光和闲频光；剩余的所述泵浦光透射所述折反镜后射出所述光学参量振荡器谐振腔，所述信号光和闲频光通过所述折反镜反射到所述倍频晶体内，所述闲频光通过倍频频率变换为波长在人眼安全波段的倍频光，所述信号光直接通过所述倍频晶体与所述倍频光共同由所述输出镜输出，倍频频率变换后剩余的所述闲频光由输出镜反射后继续在所述光学参量振荡器谐振腔内振荡。

优选的是，还包括反射镜；

所述泵浦光源输出的泵浦光依次经过所述耦合透镜和输入镜后入射到所述参量转换晶体内，参量转换产生所述信号光和闲频光；剩余的所述泵浦光透射所述折反镜后射出所述光学参量振荡器谐振腔；所述信号光和闲频光通过所述折反镜反射到所述反射镜，再由所述反射镜反射到所述倍频晶体内，所述闲频光通过倍频频率变换为波长在人眼安全波段的倍频光，所述信号光直接通过所述倍频晶体与所述倍频光共同由所述输出镜输出；倍频频率变换后剩余的所述闲频光由输出镜反射到所述输入镜后继续在所述光学参量振荡器谐振腔内振荡。

优选的是，所述泵浦光源包括激光输入腔镜、激光增益介质、被动调q晶体和共用的所述输出镜，所述激光输入腔镜和输出镜构成所述泵浦光源的激光谐振腔，所述输入镜、参量转换晶体、倍频晶体设置在所述激光谐振腔内；

激光谐振腔的泵浦激光通过所述激光输入腔镜入射到所述激光增益介质中，所述激光增益介质发生自发辐射，通过被动调q晶体的可饱和吸收产生脉冲激光，脉冲激光在所述激光谐振腔内振荡，并通过所述输入镜作为泵浦光输出，入射到所述参量转换晶体内，参量转换产生所述信号光和闲频光；剩余的所述泵浦光、信号光和闲频光共同入射到所述倍频晶体内，所述闲频光通过倍频频率变换为波长在人眼安全波段的倍频光，所述倍频光和信号光作为人眼安全波长的激光共同由所述输出镜输出；剩余的所述泵浦光和剩余的闲频光由所述输出镜反射后继续分别在所述激光谐振腔和光学参量振荡器谐振腔内振荡；

优选的是，还包括折反镜，且所述泵浦光源包括激光输入腔镜、激光增益介质、被动调q晶体和激光高反镜，所述激光输入腔镜和激光高反镜构成所述泵浦光源的激光谐振腔，所述输入镜、参量转换晶体、折反镜设置在所述激光谐振腔内；

激光谐振腔的泵浦激光通过所述激光输入腔镜入射到所述激光增益介质中，所述激光增益介质发生自发辐射，通过被动调q晶体的可饱和吸收产生脉冲激光，脉冲激光在所述激光谐振腔内振荡，并通过所述输入镜作为泵浦光输出，入射到所述参量转换晶体内，参量转换产生所述信号光和闲频光；

剩余的所述泵浦光透射所述折反镜后被所述激光高反镜反射回到所述激光谐振谐振腔内，在激光谐振腔内振荡；

所述信号光和闲频光通过所述折反镜反射到所述倍频晶体内，所述闲频光通过倍频频率变换为波长在人眼安全波段的倍频光，所述信号光直接通过所述倍频晶体与所述倍频光共同由所述输出镜输出，倍频频率变换后剩余的所述闲频光由输出镜反射后继续在所述光学参量振荡器谐振腔内振荡。

本发明的有益效果是：本发明的人眼安全波段级联倍频光学参量振荡器，通过把人眼安全波段光学参量振荡器的无用闲频光频率变换为人眼安全波段的倍频光，克服了的人眼安全波段光学参量振荡器的闲频光能量损失的问题，提高了泵浦光到人眼安全波长的转换效率。

附图说明

图1为本发明的实施例1中的人眼安全波段级联倍频光学参量振荡器的结构示意图；

图2为本发明的实施例3中的人眼安全波段级联倍频光学参量振荡器的结构示意图；

图3为本发明的实施例4中的人眼安全波段级联倍频光学参量振荡器的结构示意图；

图4为本发明的实施例5中的人眼安全波段级联倍频光学参量振荡器的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

本实施例的一种人眼安全波段级联倍频光学参量振荡器，包括：泵浦光源101、输入镜103、参量转换晶体104、倍频晶体106和输出镜107；

其中，所述输入镜103与输出镜107构成人眼安全波段级联倍频光学参量振荡器谐振腔，所述泵浦光源101输出1μm-1.1μm的泵浦光至所述参量转换晶体104，产生波长为1.5μm-1.8μm的在人眼安全波段的信号光和波长不在人眼安全波段的闲频光，所述闲频光在所述光学参量振荡器谐振腔内振荡，并通过所述倍频晶体106频率变换为波长在1.5μm到1.8μm人眼安全波段的倍频光，所述倍频光与信号光作为人眼安全波长的光共同通过所述输出镜107输出。

其中，所述输入镜103与所述输出镜107构成的人眼安全波段级联倍频光学参量振荡器谐振腔是闲频光单波长谐振、非线性倍频输出的光学参量振荡器谐振腔。

其中，所述信号光与所述倍频光是波长相同，但偏振方向垂直的在人眼安全波段的激光；

或者所述信号光与所述倍频光是波长不同，且其闲频光的倍频频率变换与信号光逆变换的波长范围不交叠的在人眼安全波段的激光。

其中，所述参量转换晶体104为：mgo:ppln、ppln、ppkta、pprta、kta、rta或ktp。所述倍频晶体106为：mgo:ppln、ppln、mgo:linbo3、linbo3、ppkta、pprta、kta、rta或ktp。

对于人眼安全波段级联倍频光学参量振荡的结构形式，通过将光学参量振荡器谐振腔设置在泵浦光源101的激光谐振腔的腔内或腔外，可分别构成内腔式和外腔式的结构；而通过光学参量振荡器谐振腔与激光谐振腔共用部分元件或是增加部分元件还可构成在能实现上述功能的不同结构形式，例如直腔式或折叠式人眼安全波段级联倍频光学参量振荡器(外腔式)、四镜环形腔人眼安全波段级联倍频光学参量振荡器(外腔式)、内腔式人眼安全波段级联倍频光学参量振荡器(内腔式)、复合式人眼安全波段级联倍频光学参量振荡器(半内腔式)等。

以上为本发明的总体构思，以下在其基础上提供具体的实施例，以作详细说明。

实施例1

参照图1，本实施例中，该人眼安全波段级联倍频光学参量振荡器在上述基础上还包括耦合透镜102和折反镜105，构成折叠式外腔式人眼安全波段级联倍频光学参量振荡器。

具体为：包括泵浦光源101、耦合透镜102、输入镜103、参量转换晶体104、折反镜105(具体为双色折反镜)，倍频晶体106和输出镜107。所述泵浦光源101与耦合透镜102组成光学参量振荡器的泵浦结构，所述输入镜103与所述输出镜107构成人眼安全波段级联倍频光学参量振荡器谐振腔，所述泵浦光源101发出的泵浦光201，由所述耦合透镜102光束变换，通过所述输入镜103后，入射到所述参量转换晶体104内，产生波长在1.5μm到1.8μm人眼安全波段的信号光202和波长不在人眼安全波段的闲频光203，所述闲频光203在光学参量振荡器谐振腔内单波长振荡，在通过所述倍频晶体106时，倍频变换为人眼安全波段的倍频光204，所述倍频光204与所述信号光202通过所述输出镜107同时输出，剩余的所述闲频光203由输出镜107反射回谐振腔振荡。

在实施例1中，泵浦光源101采用1.064μm输出的声光调q脉冲激光器，输出功率8w，重频40khz；耦合透镜102采用焦距50mm的平凸镜，双面制备1.064μm的增透膜；输入镜采用曲率半径为200mm的平凹镜，靠近耦合透镜102的平面制备1.064μm增透膜，另一个凹面制备泵浦光1.064μm增透、信号光1.596μm和闲频光3.192μm高反的多层介质膜；参量转换晶体104采用准相位匹配的周期极化mgo:ppln晶体，极化周期为31μm，晶体宽度5mm，高度1mm，mgo:ppln晶体的z主轴与1064nm泵浦光的偏振方向平行放置，并由温控炉控制工作温度；折反镜105采用45°入射的平面镜，靠近mgo:ppln晶体的平面制备1.064μm增透、信号光1.596μm和闲频光3.192μm高反的多层介质膜，另一面制备泵浦光1.064μm增透膜；倍频晶体106采用的i类相位匹配的mgo:linbo3，按光束传播波矢与晶体z主光轴的夹角θ＝57°切割，由半导体致冷器控制温度，光束的波矢与晶体z主光轴构成的面为主平面，倍频晶体106的主平面与参量转换晶体104的主平面垂直放置；输出镜107采用曲率半径为200mm的平凹镜，靠近倍频晶体106的凹面制备信号光1.596μm增透和闲频光3.192μm高反的多层介质膜，另一个平面制备1.596μm增透膜。

泵浦光源101输出1.064μm的脉冲泵浦光201，通过耦合透镜102和输入镜103入射到周期极化mgo:ppln晶体内(参量转换晶体104)，其偏振方向平行于mgo:ppln晶体的z主轴，参量转换为1.596μm的信号光和3.192μm的闲频光，也都在mgo:ppln晶体的z主轴方向偏振，剩余的1.064μm的泵浦光201通过折反镜105后透射出谐振腔，1.596μm的信号光202和3.192μm的闲频光203通过折反镜105反射，作为寻常光入射到mgo:linbo3内，其偏振方向都与mgo:linbo3的主平面垂直，3.192μm的闲频光203通过mgo:linbo3时，满足i类相位匹配，通过倍频频率变换，产生了偏振方向与闲频光203垂直，波长与信号光202相同的1.596μm的倍频光204，1.596μm的信号光202通过mgo:linbo3晶体时，不满足相位匹配条件，直接通过后与1.596μm的倍频光204同时由输出镜107输出，倍频频率变换后剩余的闲频光201由输出镜107反射后继续在光学参量振荡器谐振腔内振荡。

实施例2

本实施例中，该人眼安全波段级联倍频光学参量振荡器在上述基础上还包括耦合透镜102，具体包括泵浦光源101、耦合透镜102、输入镜103、参量转换晶体104、倍频晶体106和输出镜107。构成直腔式外腔式人眼安全波段级联倍频光学参量振荡器。即与实施例1的不同之处在于不包括折反镜105。

实施例3

参照图2，本实施例中，该人眼安全波段级联倍频光学参量振荡器在上述基础上还包括反射镜109，构成外腔式四镜环形腔人眼安全波段级联倍频光学参量振荡器。

具体为：该人眼安全波段级联倍频光学参量振荡器包括泵浦光源101、耦合透镜102、输入镜103、参量转换晶体104、折反镜105，倍频晶体106，输出镜107和反射镜109，与实施例1的不同是所述闲频光203由输出镜107直接反射回输入镜103，再由输入镜103反射后与泵浦光201共线通过参量转换晶体后继续在四镜环形谐振腔内振荡。

在实施例3中，输入镜103和折反镜105(具体为双色折反镜)采用平凹镜，凹面曲率半径为50mm；反射镜109和输出镜107采用平面镜，反射镜109的靠近倍频晶体106表面镀制有信号光1.596μm和闲频光3.192μm高反的多层介质膜，另一面不镀膜；输入镜103、折反镜105、反射镜109和输出镜107的入射面都采用入射角为5°到10°制备膜系。实施例3与实施例1的不同是3.192μm的闲频光在谐振腔内环形传播。

所述泵浦光源101输出的泵浦光201依次经过所述耦合透镜102和输入镜103后入射到所述参量转换晶体104内，参量转换产生所述信号光202和闲频光203；剩余的所述泵浦光201透射所述折反镜105后射出所述光学参量振荡器谐振腔；所述信号光202和闲频光203通过所述折反镜105反射到所述反射镜109，再由所述反射镜109反射到所述倍频晶体106内，所述闲频光203通过倍频频率变换为波长在人眼安全波段的倍频光204，所述信号光202直接通过所述倍频晶体106与所述倍频光204共同由所述输出镜107输出；倍频频率变换后剩余的所述闲频203光由输出镜107反射到所述输入镜103后继续在所述光学参量振荡器谐振腔内振荡。

实施例4

参照图3，本实施例中，所述泵浦光源包括激光输入腔镜301、激光增益介质302、被动调q晶体303和共用的所述输出镜108，所述激光输入腔镜301和输出镜108构成所述泵浦光源的激光谐振腔，所述输入镜103、参量转换晶体104、倍频晶体105设置在所述激光谐振腔内；构成内腔式人眼安全波段级联倍频光学参量振荡器。

具体为：该人眼安全波段级联倍频光学参量振荡器，包括激光输入腔镜301，激光增益介质302，被动调q晶体303、输入镜103、参量转换晶体104、倍频晶体106和输出镜108(具体为双高反输出镜)。光学参量振荡器的所述泵浦光源101由激光输入腔镜301、激光增益介质302、被动调q晶体303和所述双高反输出镜108组成，其中激光输入腔镜301和所述双高反输出镜108组成泵浦光源的激光谐振腔，所述激光输入腔镜103与所述输出镜108组成内腔式人眼安全波段级联倍频光学参量振荡器谐振腔，并放置在激光谐振腔内，与实施例1的不同是激光谐振腔与光学参量振荡器谐振腔共用输出镜108。

在实施例4中，激光输入腔镜301为平凹镜，曲率半径r＝100mm，靠近激光增益介质302的凹面制备0.808μm增透和1.064μm高反的多层介质膜，平面制备0.808μm的增透膜；激光增益介质302采用a轴切割的nd:yvo4晶体，长度为8mm，掺杂浓度0.5％，双面制备1.064μm和0.808μm减反膜；被动调q晶体采用可饱和吸收体cr:yag，初始透过率为80％，厚度2mm，双面制备1.064μm和0.808μm减反膜；光学参量振荡器的激光输入腔镜103采用曲率半径为200mm的平凹镜，靠近被动调q晶体303的平面制备1.064μm增透膜，凹面制备泵浦光1.064μm增透，信号光1.534μm、闲频光3.475μm和闲频光的倍频光1.737μm高反的多层介质膜；参量转换晶体104采用kta晶体，按θ＝90°，的ii类非临界相位匹配切割，晶体长度20mm，晶体的z主轴与激光增益介质nd:yvo4晶体的c轴垂直放置；倍频晶体106也采用kta晶体，按θ＝74.6°，的ii类临界相位匹配切割，晶体长度10mm，两个kta晶体主平面的夹角45°放置，都通过半导体制冷器进行温度控制，输出镜108采用平面镜，靠近倍频晶体106的平面制备信号光1.534μm和倍频光1.737μm增透，泵浦光1.064μm和闲频光3.475μm高反的多层介质膜，另一面制备信号光1.534μm和倍频光1.737μm增透膜。

0.808μm的激光通过激光输入腔镜301入射到nd:yvo4晶体，在nd:yvo4晶体内形成粒子数反转，发生自发辐射，由于可饱和吸收体cr:yag晶体的吸收损耗，激光无法起振，随着激光泵浦功率的增加，nd:yvo4晶体的自发辐射增强，cr:yag的激发态能级饱和，晶体被漂白，激光谐振腔q值突变增高，产生了被动调q的1.064μm脉冲激光，在由激光输入腔镜301和输出镜108构成的激光谐振腔内振荡，并通过输入镜101，入射到kta晶体内，参数转换产生了与泵浦光偏振方向平行的1.534μm信号光和垂直的3.475μm闲频光，剩余的1.064μm的泵浦光、1.534μm的信号光与3.475μm的闲频光同时入射到ii类临界相位匹配切割的kta倍频晶体内，3.475μm闲频光分解为相互垂直的两个偏振态，通过ii类相位匹配倍频产生1.737μm的倍频光，1.534μm的信号光与1.737μm的倍频光波长间隔远大于这两个波长频率变换的允许波长范围，不管其偏振方向如何，在ii类临界相位匹配切割的kta内都不满足信号光逆变换的相位匹配，通过倍频晶体kta后，信号光1.534μm与倍频光1.737μm同时作为人眼安全波长通过输出镜108输出到腔外，1.064μm的泵浦光和剩余的3.475μm闲频光由输出镜108反射后继续分别在激光谐振腔和光学参量振荡器谐振腔内振荡。

实施例5

参照图4，本实施例中，该人眼安全波段级联倍频光学参量振荡器在上述基础上还包括折反镜105，且所述泵浦光源包括激光输入腔镜301、激光增益介质302、被动调q晶体303和激光高反镜304，所述激光输入腔镜301和激光高反镜304构成所述泵浦光源的激光谐振腔，所述输入镜103、参量转换晶体104、折反镜105设置在所述激光谐振腔内；构成复合式人眼安全波段级联倍频光学参量振荡器。

具体为：该人眼安全波段级联倍频光学参量振荡器，包括激光输入腔镜301，激光增益介质302，被动调q晶体303、输入镜103、参量转换晶体104、折反镜105(具体为双色折反镜)、倍频晶体106、输出镜107和激光高反镜304。光学参量振荡器的所述泵浦光源101由激光输入腔镜301、激光增益介质302、被动调q晶体303和激光高反镜304组成，其中激光输入腔镜301和激光高反镜304组成泵浦光源的激光谐振腔，所述输入镜103与所述输出镜107组成光学参量振荡器的谐振腔，其中所述输入镜103到所述折反镜105部分光学参量振荡器谐振腔与激光谐振腔复合共用。

本实施例中，激光通过所述激光输入腔镜301入射到所述激光增益介质302中，所述激光增益介质302发生自发辐射，通过被动调q晶体303的可饱和吸收产生脉冲激光，脉冲激光在所述激光谐振腔内振荡，并通过所述输入镜103作为泵浦光输出，入射到所述参量转换晶体104内，参量转换产生所述信号光和闲频光；

剩余的所述泵浦光透射所述折反镜105后被所述激光高反镜304反射回到所述激光谐振谐振腔内，在激光谐振腔内振荡；

所述信号光和闲频光通过所述折反镜105反射到所述倍频晶体106内，所述闲频光通过倍频频率变换为波长在人眼安全波段的倍频光，所述信号光直接通过所述倍频晶体106与所述倍频光共同由所述输出镜107输出，倍频频率变换后剩余的所述闲频光由输出镜107反射后继续在所述光学参量振荡器谐振腔内振荡。

在实施例5中，激光高反镜304采用平面镜，靠近折反镜105的平面制备泵浦光1.064μm高反的多层介质膜，另一面不镀膜，本实施例的其它元器件与前面的实施例1中相同，这里不再重复。实施例5与实施例1的不同之处有：通过折反镜105输出的泵浦光被激光高反镜304反射回到激光谐振谐振腔内，在激光谐振腔内振荡，并多次通过被复合在激光谐振腔内的参量转换晶体104，提高了泵浦光到信号光和闲频光的转换效率。实施例5与实施例4的不同之处有：泵浦光不再通过倍频晶体106，降低了泵浦光的腔内损耗，提高了转换效率，同时，由于不再采用泵浦光与闲频光共用的反输出镜108，降低了元器件的制备和谐振腔的装调等难度。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。