腔内补偿的光参量振荡装置及光谱仪的制作方法

本发明涉及激光技术领域，尤其是涉及一种腔内补偿的光参量振荡装置及光谱仪。

背景技术：

光参量振荡作为当前红外激光技术的重要方法之一，在光谱探测中应用广泛。连续光参量振荡方法由于输出功率稳定、出光波长可以大范围调谐等优点，具有极大的应用潜力。

目前，光参量振荡方法的主要思想是将光参量振荡器中的信号光导出，锁定在稳定的外光腔上，通过调节光参量振荡器的光腔长度补偿光参量振荡器的光腔模式波长的变化。但使用这种方法，补偿信号加载在光参量振荡器的光腔腔镜上，受限于带宽，不能实现快速补偿，难于得到极窄的输出光线宽。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种腔内补偿的光参量振荡装置及光谱仪，利用腔内补偿思想，可以有效压窄信号光和闲频光的线宽，从而实现窄线宽输出。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种腔内补偿的光参量振荡装置，所述光参量振荡装置包括：

光学谐振腔，所述光学谐振腔包括多个腔镜；所述光学谐振腔用于输入泵浦光以及实现信号光多次反射增强；

位于所述光学谐振腔内的非线性晶体，所述非线性晶体用于基于所述泵浦光形成信号光和闲频光；所述闲频光通过一个所述腔镜导出所述光学谐振腔；所述信号光在所述光学谐振腔中共振放大后，部分所述信号光通过另一个所述腔镜导出所述光学谐振腔；

光学频率参考，所述光学频率参考用于基于所述光学谐振腔出射的所述信号，产生控制信号；

位于所述光学谐振腔内的电光晶体；所述电光晶体用于基于所述控制信号，调节所述信号光的频率。

优选的，在上述的光参量振荡装置中，所述光学谐振腔具有四个所述腔镜；该四个所述腔镜依次为第一腔镜至第四腔镜；

所述第一腔镜用于入射所述泵浦光，且反射所述信号光；所述第二腔镜为闲频光导光镜，用于导出所述闲频光，且反射所述信号光；所述第三腔镜为信号光导光镜，能够导出经过共振放大后的部分所述信号光；

所述非线性晶体位于第一腔镜和第二腔镜的光线传播路径之间；

所述电光晶体位于第三腔镜和第四腔镜的光线传播路径之间。

优选的，在上述的光参量振荡装置中，所有所述腔镜均为二色镜；

所述第一腔镜、所述第二腔镜以及所述第四腔镜对所述信号光的反射率大于99％；

所述第三腔镜对所述信号光的反射率大于97％。

优选的，在上述的光参量振荡装置中，所述非线性晶体和所述电光晶体分别位于单独的温控炉内。

优选的，在上述的光参量振荡装置中，所述电光晶体相对的两个通电端面均具有金属镀膜，用于实现导电性；

所述电光晶体的通光端面均具有所述信号光的增透膜。

优选的，在上述的光参量振荡装置中，所述电光晶体为氧化镁掺杂的铌酸锂电光晶体。

优选的，在上述的光参量振荡装置中，所述电光晶体具有设定切角，使得所述信号光以布儒斯特角入射所述电光晶体。

优选的，在上述的光参量振荡装置中，所述光学频率参考用于产生参考信号，基于所述参考信号与所述参考信号的频率比对结果，生成所述控制信号。

优选的，在上述的光参量振荡装置中，所述参考信号包括：原子吸收信号、分子吸收信号和光学腔信号中的任一种。

本发明还提供一种光谱仪，所述光谱仪包括上述任一项所述的光参量振荡装置。

通过上述描述可知，本发明技术方案提供的腔内补偿的光参量振荡装置及光谱仪中，将电光晶体插入到光学谐振腔中，进行快速、高效的反馈控制，利用腔内补偿思想，实现信号光与光学频率参考的快速锁定，并将光学频率参考产生的控制信号加载在电光晶体上，使得补偿带宽大大增加，大幅度降低了信号光的频率噪声和信号光的线宽，从而有效压窄信号光和闲频光的线宽，实现窄线宽输出。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

图1为本发明实施例提供的一种腔内补偿的光参量振荡装置的俯视图；

图2为本发明实施例提供的腔内补偿的光参量振荡装置的信号光线宽测量图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请中的实施例进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

光参量振荡作为当前中红外激光技术的重要方法之一，在光谱探测中应用广泛。连续光参量振荡方法由于输出功率稳定、出光波长可以大范围调谐等优点，具有极大的应用潜力。在目前光参量振荡方法的应用中，存在的主要问题包括：出光线宽较宽。

现有技术中，光腔锁定压窄线宽技术的主要思想是将光参量振荡器中的信号光导出，锁定在稳定的外光腔上，通过调节光参量振荡器的光腔长度补偿光参量振荡器的光腔模式波长的变化。但使用这种方法，补偿信号加载在光参量振荡器的光腔腔镜上，受限于带宽，不能实现快速补偿，难于得到极窄的输出光线宽。

压窄光参量振荡器输出光线宽技术的主要思想是将光参量振荡器中的闲频光导出，锁定在稳定的外光腔上，通过调节光参量振荡器的泵浦光电流补偿光参量振荡器的光腔模式波长的变化。但使用这种方法，非常依赖泵浦激光器的选择和使用，大大限制了光参量振荡器的应用，也不适用于脉冲光参量振荡装置。

因此，为了解决上述问题，本发明提供一种腔内补偿的光参量振荡装置及光谱仪，所述光参量振荡装置包括：

光学谐振腔，所述光学谐振腔包括多个腔镜；所述光学谐振腔用于输入泵浦光；

位于所述光学谐振腔内的非线性晶体，所述非线性晶体用于基于所述泵浦光形成信号光和闲频光；所述闲频光通过一个所述腔镜导出所述光学谐振腔；所述信号光在所述光学谐振腔中共振放大后，部分所述信号光通过另一个所述腔镜导出所述光学谐振腔；

光学频率参考，所述光学频率参考用于基于所述光学谐振腔出射的所述信号，产生控制信号；

位于所述光学谐振腔内的电光晶体；所述电光晶体用于基于所述控制信号，调节所述信号光的频率。

通过上述描述可知，本发明技术方案提供的腔内补偿的光参量振荡装置及光谱仪中，将电光晶体插入到光学谐振腔中，进行快速、高效的反馈控制，利用腔内补偿思想，实现信号光与光学频率参考的快速锁定，并将光学频率参考产生的控制信号加载在电光晶体上，使得补偿带宽大大增加，大幅度降低了信号光的频率噪声和信号光的线宽，从而有效压窄信号光和闲频光的线宽，实现窄线宽输出。

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。

参考图1，图1为本发明实施例提供的一种腔内补偿的光参量振荡装置的俯视图。如图1所示，所述光参量振荡装置包括：

光学谐振腔11，所述光学谐振腔11包括多个腔镜；所述光学谐振腔11用于输入泵浦光以及实现信号光多次反射增强；

位于所述光学谐振腔11内的非线性晶体12，所述非线性晶体12用于基于所述泵浦光形成信号光和闲频光；所述闲频光通过一个所述腔镜导出所述光学谐振腔11；所述信号光在所述光学谐振腔11中共振放大后，部分所述信号光通过另一个所述腔镜导出所述光学谐振腔11；该非线性晶体12与泵浦光和闲频光实现准相位匹配，使泵浦光和信号光发生非线性相互作用，以转化产生闲频光，形成光参量振荡；

光学频率参考13，所述光学频率参考13用于基于所述光学谐振腔11出射的所述信号，产生控制信号；

位于所述光学谐振腔11内的电光晶体14；所述电光晶体14用于基于所述控制信号，调节所述信号光的频率。该电光晶体14置于光参量振荡腔11内，还可以对光参量振荡腔11内信号光相位进行快速补偿。

本发明实施例中，泵浦光透过光学谐振腔11的一个腔镜进入非线性晶体12，形成信号光和闲频光，闲频光通过一个腔镜导出光学谐振腔11，信号光在光学谐振腔11内共振放大后，部分信号光通过另一个腔镜导出光学谐振腔11，进入光学频率参考13，产生控制信号，将控制信号加载在电光晶体14上，可以快速、高效补偿信号光频率的变化，得到窄线宽的信号光和闲频光。

其中，所述非线性晶体12通过特殊掺杂，实现非线相位匹配的功能，所述非线性晶体12无需施加电压。所述电光晶体14为普通掺杂的其他类型非线性晶体，以实现提高光损伤阈值的功能，所述电光晶体14需要通过电压调节频率。

本发明提供的腔内补偿的光参量振荡装置，与现有技术相比，本申请利用腔内补偿思想，实现信号光与光学频率参考的快速锁定，并将光学频率参考13产生的控制信号加载在电光晶体14上，使得补偿带宽大大增加，大幅度降低了信号光的频率噪声和信号光的线宽，从而有效压窄信号光和闲频光的线宽，实现窄线宽输出。

图1所示方式中，所述光学谐振腔11具有四个所述腔镜；该四个所述腔镜依次为第一腔镜15、第二腔镜16、第三腔镜17以及第四腔镜18；所述第一腔镜15用于入射所述泵浦光，且反射所述信号光；所述第二腔镜16为闲频光导光镜，用于导出所述闲频光，且反射所述信号光；所述第三腔镜17为信号光导光镜，能够导出经过共振放大后的部分所述信号光；所述非线性晶体12位于第一腔镜15和第二腔镜16的光线传播路径之间；所述电光晶体14位于第三腔镜17和第四腔镜18的光线传播路径之间。

图1所示中，第四腔镜18与光学频率参考13之间的实线箭头表示光线传播，虚线箭头表示控制信号。

需要说明的是，所述光学谐振腔11内腔镜的数量可以基于需求设定，不限于本申请中四个腔镜。

本发明技术方案中，泵浦光透过第一腔镜15进入非线性晶体12，产生闲频光和信号光，信号光在第一腔镜15、第二腔镜16、第三腔镜17以及第四腔镜18构成的蝶形谐振腔中共振放大，闲频光从第二腔镜16导出，部分信号光从第三腔镜17导出，进入光学频率参考13，产生误差信号和反馈控制信号，将反馈控制信号加载在电光晶体14上，可以快速、高效补偿信号光频率的变化，得到窄线宽的信号光，由于闲频光的频率为泵浦光和信号光的频率差值，从而可以得到窄线宽的闲频光。

进一步的，所有所述腔镜均为二色镜；所述第一腔镜15、所述第二腔镜16以及所述第四腔镜18对所述信号光的反射率大于99％；所述第三腔镜17对所述信号光的反射率大于97％。该二色镜对信号光为高反射，对闲频光和泵浦光为透射。

本发明实施例中，四个所述腔镜为蝶形结构腔镜，其中第一腔镜15和第二腔镜16为平凹面镜，凹面指向光学谐振腔11的内部，第三腔镜17和第四腔镜18为平面镜。四个腔镜要求形成对信号光的稳定谐振腔，四个腔镜的基板都为对泵浦光和闲频光有较高透射的材料，其中，第一腔镜15、第二腔镜16以及第四腔镜18的镀膜要求对信号光的反射率大于99％，对泵浦光和闲频光波段表现为高透射率，第三腔镜17的镀膜要求对信号光的反射率大于97％，对泵浦光和闲频光波段表现为高透射率，其功能是使信号光在光学谐振腔11内稳定共振放大。

本发明实施例中，以1064nm激光作为泵浦光，1750nm激光作为信号光为例，给出信号光线宽测量如图2所示，图2为本发明实施例提供的腔内补偿的光参量振荡装置的信号光线宽测量图。图2方式中，21为测量点，22为模拟线，横轴为相对频率(千赫兹)，由图2可知，采用本发明腔内补偿的光参量振荡装置得到的激光线宽为20千赫兹。

本发明的腔镜，即镀膜的二色镜，对信号光波段为高反射，对于闲频光和泵浦光为透射，泵浦光与闲频光单次通过腔镜和非线性晶体12，实现准相位匹配。

本发明实施例中，所述非线性晶体12和所述电光晶体14分别位于单独的温控炉内。该温控炉用于控制非线性晶体12和电光晶体14的温度，实现信号光频率的控制，电光晶体14置于温控炉中，具备较好的温度稳定性，典型的温度稳定性为温度波动小于10mk。

所述电光晶体14为多面体，如可以为立方体。所述电光晶体14相对的两个表面作为两个通光端，另外两个相对的表面作为通电端。

其中，所述电光晶体14的通光端面均具有所述信号光的增透膜。该通光端面为图1中电光晶体14的左右两端，所述增透膜的透射率大于99％。

所述电光晶体14相对的两个通电端面均具有金属镀膜，用于实现导电性。该电光晶体14还可以为通电端镀膜的电光晶体，通电端膜层具有良好的导电性能，以及优选的特性和长度，可以实现对光腔中信号光相位的快速、高效补偿，电光晶体14对信号光具备较高的折射率稳定性，典型的折射率稳定性波动小于0.1％。

本发明实施例中，电光晶体14的通光端镀膜的选择，能够实现对光学谐振腔11中信号光较低的插入损耗，其长度和特性的选择，能够实现对信号光快速、高效的相位和频率补偿，对电光晶体14折射率稳定性的控制，能够保证光参量振荡装置的稳定运行，对该电光晶体14的温度控制能够实现对信号光较小的幅度调制。

本发明实施例中，电光晶体14的偏振方向与光参量振荡腔11中的非线性晶体12的偏振方向具备较高的一致性，能够保证信号光幅度的稳定。

其中，所述电光晶体14可以为氧化镁掺杂的铌酸锂电光晶体。电光晶体14对信号光具有高透射率，可以通过电信号对其折射率进行调制，进而补偿信号光频率的变化。

本发明实施例中，所述电光晶体14具有设定切角，使得所述信号光以布儒斯特角入射所述电光晶体14，实现信号光的高透射率。该切角可以为图1中电光晶体14长轴和水平方向的夹角。

本发明装置充分发挥光参量振荡腔内快速补偿思想，利用二色镜作为腔镜构成稳定光参量振荡腔11，泵浦光透过第一腔镜15进入光参量振荡腔11，与非线性晶体12作用产生信号光和闲频光，闲频光从第二腔镜16导出，部分信号光从第三腔镜17导出，进入光学频率参考13，产生控制信号，将控制信号加载于电光晶体14上，可以实现对信号光频率的快速、高效补偿，从而实现对闲频光频率的控制，实现窄线宽输出。

本发明实施例中，所述光学频率参考13用于产生参考信号，基于所述参考信号与所述参考信号的频率比对结果，生成所述控制信号。

进一步的，所述参考信号可以包括：原子吸收信号、分子吸收信号和光学腔信号中的任一种。信号光从光学谐振腔11导出后进入光学频率参考13，与光学频率参考13的频率比对，产生控制信号，即误差信号和反馈控制信号。

需要说明的是，所述光学频率参考13可以是原子分子吸收线、光学参考腔、光学频率梳等任意频率参考。

通过上述描述可知，本发明技术方案提供的腔内补偿的光参量振荡装置中，在光学谐振腔内加入电光晶体的补偿方法，将电光晶体插入到光学谐振腔中，进行快速、高效的反馈控制，利用腔内补偿思想，实现信号光与光学频率参考的快速锁定，并将光学频率参考产生的控制信号加载在电光晶体上，使得补偿带宽大大增加，大幅度降低了信号光的频率噪声和信号光的线宽，从而有效压窄信号光和闲频光的线宽，实现窄线宽输出。

本发明采用的腔内补偿的光参量振荡装置，其思路和技术也可以用于连续型和脉冲型光参量振荡装置。

基于上述实施例描述，本发明另一实施例还提供了一种光谱仪，所述光谱仪包括上述实施例中描述的光参量振荡装置。该光谱仪采用上述实施例中描述的腔内补偿的光参量振荡装置，可以有效压窄信号光和闲频光的线宽，从而实现窄线宽输出。

本说明书中各个实施例采用递进、或并列、或递进和并列结合的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的光谱仪而言，由于其与实施例公开的光参量振荡装置相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见光参量振荡装置部分说明即可。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括上述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。