本发明属于非线性光学频率变换、注入锁定和注入放大领域，尤其涉及一种腔镜晶体一体化的超稳腔装置及方法。
背景技术：
非线性频率变换是随着激光技术发展而产生的一门新学科，其在现有材料的基础上，可获得更多波段范围的激光输出，故自出现以来就备受关注。
激光倍频是非线性频率变换应用最多、最广的技术；然而，由于倍频过程对基频光光强依赖很高，在低平均功率、长脉冲或连续输出的基频光倍频中，常用的单通倍频效率非常低，而外腔谐振倍频技术的可将其倍频效率提高两个量级，具有重要的应用价值。特别是基于pdh(pound-drever-hall)技术外腔谐振倍频理论出现后，目前，在较低功率、连续波倍频方面，已有倍频效率达95±1％的报道。但是，由于注入锁定的外腔倍频技术复杂，价格高，要求使用者操作技术专业等难点，大大限制了其进入市场的潜力。
技术实现要素：
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是解决现有的倍频技术复杂，难操作的问题。
(二)技术方案
针对上述现有技术中存在的问题，本发明提供了一种腔镜晶体一体化的超稳腔装置，包括：第一激光器、光学隔离器、变换透镜组、外腔晶体组件和温控仪，所述第一激光器的输出口朝向所述光学隔离器，所述光学隔离器、变换透镜组和外腔晶体组件沿第一激光器输出光的传输方向依次设置，所述温控仪上设有激光输入窗口和激光输出窗口，所述外腔晶体组件设于所述温控仪的内部，且所述外腔晶体组件包括光学晶体和设于所述光学晶体上的谐振腔镜，所述谐振腔镜使所述光学晶体的内部形成谐振腔，所述温控仪通过改变温度控制所述外腔晶体组件的长度。
其中，所述光学晶体为棒状、块状或板状结构，且激光输入端面和激光输出端面平行设置或为对称设置的凹面，且所述第一激光器输出光垂直于所述激光输入端面射入所述光学晶体内；所述谐振腔镜包括设于所述光学晶体的激光输入端面上的第一腔镜和设于所述光学晶体的激光输出端面上的第二腔镜，所述第一腔镜对所述第一激光器的输出光部分反射，对经光学晶体变换后的输出光全反射；所述第二腔镜对所述第一激光器的输出光全反射，对经光学晶体变换后输出光高透。
其中，所述光学晶体为多面体结构，其激光输入端面和激光输出端面之间存在一定夹角，且所述谐振腔镜包括设于所述外腔晶体的激光输入端面上的第三腔镜、设于所述外腔晶体的激光输出端面上的第四腔镜和设于所述外腔晶体侧面的第五腔镜，所述第五腔镜的数量为一个或多个；所述第三腔镜对所述第一激光器的输出光部分反射，对经光学晶体变换后输出光全反射，所述第四腔镜对所述第一激光器的输出光全反射，对经光学晶体变换后输出光高透，所述第五腔镜对所述第一激光器的输出光和经光学晶体变换后输出光均全反射；所述第一激光器的输出光经第三腔镜注入到所述光学晶体内、再经第四腔镜和第五腔镜的反射形成闭合光路。
其中，所述的温控仪包括晶体炉和温控电路系统，所述的晶体炉包裹在所述外腔晶体外，所述温控电路系统用于对晶体炉进行精确控温从而精确控制所述光学晶体的长度，使所述光学晶体的共振纵模与所述第一激光器的输出纵模相匹配。
其中，所述光学晶体采用同种材质的晶体高温键合而成，或采用多种透明材料组合而成；所述谐振腔镜采用镀膜的方式制成，或粘接与所述光学晶体不同材质的透明晶体再镀膜制成；所述谐振腔镜的表面为平面、球面或抛物面；所述光学晶体由非线性倍频晶体、增益介质或非线性光参量振荡晶体中的一种制作而成。
其中，该装置还包括第二激光器，所述第二激光器发出的激光入射到所述外腔晶体组件内，用于激活所述光学晶体。
本发明还提供了一种利用上述的腔镜晶体一体化的超稳腔装置进行倍频的方法，包括以下步骤：
(1)第一激光器发射的基频光依次经过光学隔离器、变换透镜组后，注入到由非线性倍频晶体制成的外腔晶体组件内；
(2)调节温控仪的目标温度，使外腔晶体组件的长度发生变化；
(3)调节变换透镜组，使变换后的光束与外腔晶体组件的各个谐振腔镜组合成的谐振腔的本征模式匹配；
(4)重复步骤(2)和(3)，直至所述基频光在外腔晶体组件内共振增强，在非线性倍频晶体的作用下，基频光转化为倍频光从激光输出窗口输出。
本发明还提供了一种利用上述的腔镜晶体一体化的超稳腔装置进行注入锁定的方法，包括以下步骤：
(1)第一激光器发射的输出光依次经过光学隔离器、变换透镜组后，注入到由激光增益介质制成的外腔晶体组件内；
(2)调节温控仪的目标温度，使外腔晶体组件的长度发生变化；
(3)调节变换透镜组，使变换后光束与外腔晶体组件内的谐振腔的本征模式匹配；
(4)重复步骤(2)和(3)，直至光束在谐振腔内谐振，从而实现注入锁定。
本发还提供了一种利用上述的腔镜晶体一体化的超稳腔装置进行光参量振荡的方法，包括以下步骤：
(1)所述第一激光器输出的泵浦光依次经过光学隔离器、变换透镜组后，注入到由非线性光参量振荡晶体制成的外腔晶体组件内；
(2)调节温控仪的目标温度，使外腔晶体组件的长度发生变化；
(3)调节变换透镜组，使变换后的泵浦光与外腔晶体组件的各个谐振腔镜组合成的谐振腔的本征模式匹配；
(4)重复步骤(2)和(3)，直至得到泵浦光在谐振腔内共振增强；
(5)在外腔光参量振荡晶体的非线性效应下，泵浦光转化为信号光从激光输出窗口输出。
本发明提供了一种利用上述的腔镜晶体一体化的超稳腔装置进行注入放大的方法，包括以下步骤：
(1)第一激光器输出的种子光依次经过光学隔离器、变换透镜组后，注入到所述由激光增益介质制成的外腔晶体组件内，同时打开泵浦源激光器，激活激光增益介质；
(2)调节温控仪的目标温度，使所述外腔晶体组件的长度发生变化；
(3)调节变换透镜组，使变换后的种子光与外腔晶体组件的各个谐振腔镜组合成的谐振腔的本征模式匹配；
(4)重复步骤(2)和(3)，直至得到所述种子光在谐振腔内谐振，从而实现注入放大。
(三)有益效果
本发明提供了一种腔镜晶体一体化的超稳腔装置及方法，该装置包括第一激光器、光学隔离器、变换透镜组、外腔晶体组件和温控仪，第一激光器的输出口朝向光学隔离器，光学隔离器、变换透镜组和外腔晶体组件沿第一激光器输出光的传输方向依次设置，温控仪上设有激光输入窗口和激光输入窗口，外腔晶体组件设于温控仪的内部，且外腔晶体组件包括光学晶体和设于光学晶体上的谐振腔镜，谐振腔镜使光学晶体的内部形成谐振腔，温控仪通过改变温度控制外腔晶体组件的长度。该装置利用光学晶体受外界影响单一且稳定的特点，将谐振腔镜集成在光学晶体上形成具有倍频功能的外腔晶体组件，再利用精确的温控仪精确的控制光学晶体的长度，以满足共振条件实现外腔倍频。
除了上面所描述的本发明解决的技术问题、构成的技术方案的技术特征以及有这些技术方案的技术特征所带来的优点之外，本发明的其他技术特征及这些技术特征带来的优点，将结合附图作出进一步说明。
附图说明
图1为本发明实施例一提供的腔镜晶体一体化的超稳腔装置的结构示意图；
图2为本发明实施例一中外腔晶体组件的结构示意图；
图3为本发明实施例二提供的腔镜晶体一体化的超稳腔装置的结构示意图；
图4为本发明实施例二中外腔晶体组件的结构示意图；
图5为本发明实施例三提供的腔镜晶体一体化的超稳腔装置的。
图中，11：第一激光器；12：光学隔离器件；13：变换透镜组；14：外腔晶体组件；15：温控仪；16：激光输入窗口；17：激光输出窗口；18：基频光；19：倍频光；24：外腔晶体组件；34：外腔晶体组件；141：外腔晶体组件；241：光学晶体；310：第二激光器；311：第二激光器的输出光；m1：第一腔镜；m2：第二腔镜；m3：第三腔镜；m4：第四腔镜；m5：第五腔镜。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”、“多根”、“多组”的含义是两个或两个以上，“若干个”、“若干根”、“若干组”的含义是一个或一个以上。
实施例一
如图1和图2所示，本发明实施例提供了一种腔镜晶体一体化的超稳腔装置，包括：第一激光器11、光学隔离器12、变换透镜组13、外腔晶体组件14和温控仪15，第一激光器11的输出口朝向光学隔离器12，光学隔离器12、变换透镜组13和外腔晶体组件14沿第一激光器输出光的传输方向依次设置，温控仪15上设有激光输入窗口16和激光输出窗口17，外腔晶体组件14设于温控仪15的内部，且外腔晶体组件14包括光学晶体141和设于光学晶体141上的谐振腔镜，谐振腔镜使光学晶体的内部形成谐振腔，温控仪15通过改变温度控制外腔晶体组件14的长度。该装置利用光学晶体受外界影响单一且稳定的特点，将谐振腔镜集成在光学晶体上形成外腔晶体组件，再利用精确的温控仪精确的控制光学晶体的长度，以满足共振条件。
进一步地，光学晶体141为棒状结构，其激光输入端面和激光输出端面平行，且第一激光器11的输出光垂直于激光输入端面射入光学晶体141内；谐振腔镜包括设于光学晶体的激光输入端面上的第一腔镜m1和设于光学晶体的激光输出端面上的第二腔镜m2，第一腔镜m1对第一激光器11的输出光部分反射，对经光学晶体141变换后的输出光全反射；第二腔镜m2对第一激光器11的输出光全反射，对经光学晶体141变换后输出光高透。最终达到光束在外腔晶体组件中谐振荡。
进一步地，温控仪15包括晶体炉和温控电路系统，晶体炉包裹在外腔晶体组件14外，温控电路系统用于对晶体炉进行精确控温，从而精确控制光学晶体141的长度，使外腔晶体组件14的纵模与第一激光器输出纵模相匹配。温控仪15的控温精度≤0.01℃，晶体炉可以是全包围结构。实验中，首先粗选kdp晶体最佳倍频温度k0，其次，在k0附近精确调温km，使光学晶体141长度发生变化，实现光学晶体141在谐振腔中共振增强，随即锁定km。
进一步地，光学晶体141采用同种材质的晶体高温键合而成，或采用多种透明材料组合而成；谐振腔镜采用镀膜的方式制成，或粘接与光学晶体141不同材质的透明晶体再镀膜制成；谐振腔镜的表面为平面、球面或抛物面；
进一步地，光学晶体141由非线性倍频晶体、增益介质或非线性光参量振荡晶体中的一种或多种制作而成。在本实施例中光学晶体141可以是激光晶体，也可以是在变频过程中对温度不敏感的变频晶体，如角度匹配下的kdp、lino3、lbo、bbo或者周期性极化晶体，优选kdp，该种晶体生长、加工技术成熟，价格较低；光学质量和损伤阈值较高，能较好的满足要求。在满足相位匹配的条件下，通过计算晶体的静态损耗，确定第一腔镜m1对于第一激光器的输出光的反射率以满足阻抗匹配条件，第一腔镜m1对变换后的输出光全反，第二腔镜m2对第一激光器的输出光全反，对变换后的输出光高透。最终达到第一激光器的输出光在外腔晶体组件中谐振荡。
实施例二
如图3和图4所示，本实施例与实施例一相似，其相同部分不再赘述，二者的区别在于，本实施例中的光学晶体241为多面体结构，其激光输入端面和激光输出端面之间存在一定夹角，且谐振腔镜包括设于外腔晶体的激光输入端面上的第三腔镜m3、设于外腔晶体的激光输出端面上的第四腔镜m4和设于外腔晶体另一侧边上的第五腔镜m5；第五腔镜m5的数量为一个或多个，光学晶体241的激光输出端面的数量为一个或多个；第三腔镜m3对第一激光器的输出光部分反射，对经光学晶体变换后输出光全反射，第四腔镜m4对第一激光器的输出光全反射，对经光学晶体变换后输出光高透，第五腔镜m5对第一激光器的输出光和经光学晶体变换后输出光均全反射；第一激光器的输出光18经第三腔镜m3注入到光学晶体241内、再经第四腔镜m4和第五腔镜m5的反射形成闭合光路。在本实施例中，光学晶体241的形状如图4所示，第五腔镜m5设于光学晶体241的底面上，光束从第三腔镜射m3入到光学晶体的内部，经过折射后射入到第五透镜m5上，经过第五腔镜m5的反射入射到第四腔镜m4上，再经过反射回到第三腔镜m3上，形成一个闭合的光路。
采用实施例一和实施例二的腔镜晶体一体化的超稳腔装置可以对光束进行倍频、注入锁定和光参量振荡等试验。
1、采用实施例一或实施例二的腔镜晶体一体化的超稳腔装置可以对光束进行倍频的方法，进行倍频时，第一激光器11发射单频光，光学晶体141或光学晶体241采用非线性倍频晶体制成，以实施例一的腔镜晶体一体化的超稳腔装置进行倍频为例，其操作步骤主要包括：
(1)第一激光器11发射的基频光依次经过光学隔离器12、变换透镜组13后，注入到由非线性倍频晶体制成的外腔晶体组件14内，变换透镜组13对基频光18进行模式变换，使基频光18的模式匹配外腔晶体组件14中的谐振腔的本证模式，即满足模式匹配；
(2)调节温控仪15的目标温度km，使外腔晶体组件14的长度发生变化；
(3)调节变换透镜组13，使变换后的光束与外腔晶体组件14的各个谐振腔镜组合成的谐振腔的本征模式匹配；
(4)重复步骤(2)和(3)，直至得到的基频光18在外腔晶体组件14中共振增强，在倍频晶体的非线性效应下，基频光18转化为倍频光19从激光输出窗口输出。
2、采用实施例一或实施例二的腔镜晶体一体化的超稳腔装置可以对光束进行注入锁定的方法，第一激光器11发射种子光，外腔晶体组件14或外腔晶体组件24采用激光增益介质制成，以实施例一的腔镜晶体一体化的超稳腔装置进行注入锁定为例，其操作步骤主要包括：
(1)第一激光器11发射的输出光依次经过光学隔离器12、变换透镜组13后，注入到由激光增益介质制成的外腔晶体组件14内；
(2)调节温控仪15的目标温度，使外腔晶体组件14的长度发生变化；
(3)调节变换透镜组13，使变换后光束与外腔晶体组件14内的谐振腔的本征模式匹配；
(4)重复步骤(2)和(3)，直至光束在谐振腔内谐振，从而实现注入锁定。
3、采用实施例一和实施例二的腔镜晶体一体化的超稳腔装置可以对光束进行光参量振荡的方法，第一激光器141采用泵浦源激光器，外腔晶体组件14或外腔晶体组件24采用非线性晶体制成，以实施例一的腔镜晶体一体化的超稳腔装置进行光参量振荡为例，其操作步骤主要包括：
(1)所述第一激光器11输出的泵浦光依次经过光学隔离器12、变换透镜组13后，注入到由外腔光参量振荡晶体制成的外腔晶体组件14内；
(2)调节温控仪15的目标温度，使外腔晶体组件14的长度发生变化；
(3)调节变换透镜组13，使变换后的泵浦光与外腔晶体组件14上各个谐振腔镜组合成的谐振腔的本征模式匹配；
(4)重复步骤(2)和(3)，直至得到泵浦光在谐振腔内共振增强；
(5)在外腔光参量振荡晶体的非线性效应下，泵浦光转化为信号光从激光输出窗口17输出。
实施例三
如图5所示，本实施例与实施例一及实施例二的结构相似，其相同之处不再赘述，本实施例与实施例一及实施例二的区别在于：本实施例的腔镜晶体一体化的超稳腔装置还包括第二激光器310，第二激光器310发射激光到外腔晶体组件34上，用于激活外腔晶体组件34，在本实施例中外腔晶体组件34的结构可以与实施例一中的外腔晶体组件14的结构相同，或者是与实施例二中的外腔晶体组件24的结构相同，第一激光器11选用种子源激光器，第二激光器310选用泵浦源激光器，光学晶体由增益介质制成。
本实施例还提供了利用本实施例的腔镜晶体一体化的超稳腔装置可以对光束进行注入放大的方法，其具体操作步骤主要包括：
1)第一激光器11输出的种子光依次经过光学隔离器12、变换透镜组13后，注入到所述由激光增益介质制成的光学晶体内，同时打开第二激光器310，第二激光器的输出光311激活外腔晶体组件34；
(2)调节温控仪15的目标温度，使所述外腔晶体组件34的长度发生变化；
(3)调节变换透镜组13，使变换后的种子光与外腔晶体组件34上各个谐振腔镜组合成的谐振腔的本征模式匹配；
(4)重复步骤(2)和(3)，直至得到所述种子光在谐振腔内谐振，从而实现注入放大。
在使用时，可以在光束的传输方向上设置反射镜组，反射镜组包括两个平行设置的反射镜，反射镜与光束的传播方向成45度角设置，用于根据需要改变光束的传输方向。在实施例一和实施例二中，反射镜组设置在光学隔离器件和变换透镜组之间，在实施例三种，反射镜组的数量为两组，两组反射镜组分别设于光学隔离器件与变换透镜组之间及泵浦源激光的传输光路上。
作为补充，本发明实施例提供的“腔镜晶体一体化外腔装置”同样可以应用在合频或差频技术。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。