一种产生高效率窄线宽中红外激光的装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及固体激光技术领域，尤其涉及一种产生高效率窄线宽中红外激光的装置及方法。
【背景技术】
[0002]光学参量振荡(0P0)及光学参量振荡放大技术(0ΡΑ)是目前产生高功率中红外激光的常用方法，通常称0Ρ0中输出波长较短的光为信号光，波长较长的光为闲频光。
[0003]准相位匹配技术(QPM)相比于双折射相位匹配技术没有波矢方向和偏振方向的限制可以通过适当的选择偏振光束，利用晶体最大非线性系数，采用非临界相位匹配方式，消除光束之间的走离效应，而PPMg:0LN晶体具有较高的有效非线性系数，较高的抗损伤阈值和可调谐范围广等特点被广泛应用于中红外激光的产生。但是其输出光线宽较宽，并且随输入光波长的变化而变化，输出的高功率参量光线宽一般为几纳米到几十纳米。
[0004]当前的研究热点是在0P0腔中加入光谱压缩器件如体布拉格光栅，F-P标准具等来控制参量光的线宽，然后通入一级0ΡΑ中进行放大，但这些器件的加入增加了光路装调的难度，提高了参量振荡阈值，减小了参量转换效率，并且造价昂贵。
【发明内容】
[0005]针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种产生高效率窄线宽中红外激光的装置及方法，不需要在0Ρ0腔中加入光谱压缩器件，通过选择栗浦光在晶体中的发散角大小和合理分配两级0ΡΑ中栗浦功率来控制线宽，包括0Ρ0中的栗浦光发散角大小和两级0ΡΑ中的栗浦光和闲频光发散角大小。发明所采用的具体技术方案如下:
[0006]—种产生高效率窄线宽中红外激光的装置，包括:栗浦源、第一半波片、第二半波片、第三半波片、镜面法线与光路呈布儒斯特角放置的第一偏振片、镜面法线与光路呈布儒斯特角放置的第二偏振片、镜面法线与光路呈布儒斯特角放置的第三偏振片、镜面法线与光路呈27°角放置的第一反射镜、镜面法线与光路呈27°角放置的第二反射角镜、镜面法线与光路呈27°角放置的第三反射角镜、第四反射镜、第五反射镜、第六反射镜、第七反射镜、第八反射镜、第九反射镜、第十反射镜、第i^一反射镜、第一双色镜、第二双色镜、第三双色镜、第四双色镜、第五双色镜、第六双色镜、第七双色镜、第一耦合透镜、第二耦合透镜、第三耦合透镜、第四耦合透镜、第五耦合透镜、第一非线性晶体、第二非线性晶体、第三非线性晶体、光隔离器；
[0007]栗浦源发出的光经过第一半波片后由第一偏振片分光，第一偏振片分光形成的反射光依次经第一反射镜、第四反射镜、第一親合透镜、第五反射镜、光隔离器、第六反射镜、第六双色镜、第一非线性晶体、第七双色镜后由第一双色镜分光，第一双色镜分光后的透射光经第九反射镜、第四耦合透镜后由第二双色镜反射；
[0008]第一偏振片分光形成的透射光经过第二半波片后由第二偏振片分光，第二偏振片分光后形成的反射光依次通过第二反射角镜、第二親合透镜、第七反射镜后由第二双色镜透射；
[0009]第二双色镜反射或透射形成的光经过第二非线性晶体后由第三双色镜分光，第三双色镜分光形成的反射光依次通过第十反射镜、第i 反射镜、第五親合透镜后由第四双色镜反射；
[0010]第二偏振片分光后形成的透射光依次通过第三半波片、第三偏振片、第三反射角镜、第三耦合透镜、第八反射镜后由第四双色镜透射；
[0011]第四双色镜反射或透射形成的光通过第三非线性晶体后由第五双色镜进行分光。
[0012]作为优选，所述的栗浦源输出的光为线偏光，中心波长为1064nm，线宽为0.05nm，光束质量小于1.5 ；
[0013]作为优选，所述的第四反射镜、第五反射镜、第六反射镜、第七反射镜、第八反射镜与光路呈45°放置，均镀有1064nm高反膜；
[0014]作为优选，所述的第九反射镜、第十反射镜与光路呈45°放置，均镀有2.9μηι高反膜；
[0015]作为优选，所述的第一双色镜与光路呈45°放置，对1.67 μπι的信号光高反，对2.9 μπι的光高透；所述的第二双色镜、第三双色镜、第四双色镜、第五双色镜与光路呈45°放置，对1064nm高透，对2.9 μ m高反；
[0016]作为优选，所述的第六双色镜与光路垂直放置，其对信号光1.67μηι和闲频光2.9 μ m的光高反，且镀有1064nm的减反膜；
[0017]作为优选，所述的第七双色镜与光路垂直放置，其对1064nm的光高反，对1.67 μπι的光部分反射，对2.9 μ m的光高透；
[0018]作为优选，所述的第一耦合透镜、第二耦合透镜、第三耦合透镜为单透镜或透镜组，材料为K9玻璃，镀有1064nm光的高透膜；所述的第四耦合透镜、第五耦合透镜为单透镜或透镜组，材料为CaF2，镀有2.9 μ m光的高透膜；
[0019]作为优选，所述的第一非线性晶体、第二非线性晶体、第一非线性晶体材料为0.5at.%掺MgO的PPLN晶体，其表面镀有1064nm的减反膜和1.67 μ m以及2.9 μ m的高透膜；
[0020]本发明同时提供了一种采用所述装置的控制窄线宽中红外激光输出的方法，它的步骤如下:
[0021]1)栗浦源发出的光经过第一偏振片分光，反射光经过第一反射镜、第四反射镜、第五反射镜、第六反射镜入射到由第六双色镜、第七双色镜以及第一非线性晶体组成的0P0系统中，再利用第一耦合透镜将栗浦光聚焦在0Ρ0系统的PPLN晶体中心，控制光斑直径为0.7mm以减小发散角，为提高转换效率降低阈值栗浦光经过第七双色镜反射后再次通过第一非线性晶体，转动第一半波片调节栗浦光功率，当栗浦功率大于0P0阈值时信号光在0Ρ0腔中振荡，闲频光随信号光在腔中传输，但只在腔中往返一次就由第七双色镜输出，调节栗浦功率是0Ρ0阈值功率的2为3倍时，输出信号光线宽为0.25nm，闲频光线宽为0.75nm ;
[0022]2)栗浦源发出的光经过第一偏振片分光，透射光经过第二偏振片分光，反射光经过第二反射角镜、第七反射镜、第二双色镜进入由第二非线性晶体组成的预放级0ΡΑ中，同时0P0输出的参量光经第一双色镜分光，信号光进入吸收池，闲频光经第九反射镜、第二双色镜反射进入由第二非线性晶体组成的0ΡΑ中，分别调节第二耦合透镜、第二双色镜、第七反射镜、第四耦合透镜使栗浦光和闲频光聚焦在预放级OPA的PPLN晶体中心，并且使两个光光轴重合，此级OPA栗浦光斑直径为0.6mm，闲频光光斑小于栗浦光，转动第二半波片调节栗浦峰值功率密度为3MW/cm2，以保证放大闲频光的同时确保信号光线宽仍然为0.25nm，闲频光线宽为0.75nm ；
[0023]3)步骤2)中经过第二偏振片的透射光经第三偏振片、第三反射角镜、第八反射镜反射进入由第三非线性晶体组成的功放级0ΡΑ中，同时预放级0ΡΑ输出的闲频光和残留的栗浦光经第三双色镜分光，栗浦光进入吸收池，闲频光经第十反射镜、第十一反射镜、第四双色镜反射进入由第三非线性晶体组成的功放级0ΡΑ中，分别调节第三耦合透镜、第八反射镜、第四双色镜、第五耦合透镜使栗浦光和闲频光聚焦在功放级0ΡΑ的PPLN晶体中心，并且使两个光光轴重合，此级0ΡΑ栗浦光斑直径为0.84mm，根据预放级0ΡΑ输出的闲频光大小分配栗浦功率约为预放级栗浦的2倍时得到效率最高的闲频光输出，同时信号光线宽小于
0.5nm，闲频光线宽小于1.5nm。
[0024]与现有技术相比，本发明具有的有益效果是:
[0025]1)本发明在不需要光谱压缩器件的条件下通过选择合适的栗浦光斑大小控制其发散角实现了窄线宽中红外闲频光输出，降低了光路调节难度和成本，减小了腔内损耗。
[0026]2)本发明通过合理控制两级0ΡΑ中栗浦光斑大小，实现了输出闲频光线宽小于
1.5nm
[0027]3)本发明通过合理分配两级0ΡΑ间的栗浦功率，和普通单级0ΡΑ相比在输出光-栗浦光转换效率相近的条件下保证闲频光线宽小于1.5nm。
【附图说明】
[0028]图1为本发明获得到窄线宽中红外激光的装置示意图；
[0029]图2为本发明0P0结构装置示意图；
[0030]图3为本发明0Ρ0输出的信号光光谱图；
[0031]图4为本发明功放级0ΡΑ输出信号光光谱图；
[0032]图中，栗浦源1、第一半波片2、第二半波片3、第三半波片4、第一偏振片5、第二偏振片6、第三偏振片7、第一反射镜8、第二反射角镜9、第三反射角镜10、第四反射镜11、第五反射镜12、第六反射镜13、第七反射镜14、第八反射镜15、第九反射镜16、第十反射镜
17、第^^一反射镜18、第一双色镜19、第二双色镜20、第三双色镜21、第四双色镜22、第五双色镜23、第六双色镜24、第七双色镜25、第一耦合透镜26、第二耦合透镜27、第三耦合透镜28、第四耦合透镜29、第五耦合透镜30、第一非线性晶体31、第二非线性晶体32、第三非线性晶体33、光隔离器34 ;a表不小光斑传输轮廓的栗浦光和参量光实线组，b表不中型光斑传输轮廓的栗浦光和参量光虚线组，c表不大光斑传输轮廓的栗浦光和参量光实线组。
【具体实施方式】