宽调谐、窄线宽纳秒脉冲双共振中红外参量振荡器的制作方法

本发明涉及一种光学器件，尤其涉及宽调谐、窄线宽的纳秒脉冲双共振中红外光学参量振荡器。通过温度、周期、角度调谐实现宽调谐范围激光输出，通过双谐振环形腔实现双波段振荡，结合种子注入技术实现窄线宽激光输出。适用于激光光谱学、激光雷达、激光遥感、环境污染探测、光电探测、激光医疗等领域。

背景技术：

近红外和中红外是光学波段中的非常重要的大气窗口。近红外波段不仅是激光对人眼最安全的波段，且处于大气传输窗口，对烟雾的穿透能力强，由此可发展高精度的测风、雷达等，进行天气预报和全球气候探测；中红外波段对大气透过率高，受气体分子吸收和悬浮物散射的影响小，且许多污染气体(SO₂、CO₂、NO₂、NH₄、NH₃等)在中红外波段具有强烈的吸收峰，因此该波段在激光测距、激光雷达、激光遥感、高灵敏度气体探测等方面具有重要应用。

光学参量振荡器是目前产生中红外激光最普遍的方法，但是，考虑到晶体以及膜系的损伤阈值，传统的光学参量振荡器反射线宽通常为数纳米，连续工作模式，信噪比差，探测灵敏度差，难以满足对于线宽要求比较高的光谱学、激光遥感、环境探测等领域的需求。

双谐振振荡器同时满足信号光和空闲光振荡，可实现紫外到远红外12μm的宽调谐范围激光输出，且不受抽运波长的限制。

准相位匹配技术，可以最大限度的利用晶体的非线性系数，采用多种方式调谐、起振阈值低、无走离效应、结构紧凑、可实现室温运作，在选定方向的匹配可使能量持续地从基频光向参量光转换。

掺入氧化镁的周期性极化晶体(MgO:PPLN、MgO:PPLT)是一种高效率的波长转换非线性晶体，具有透光范围广(0.4～4.5μm)、使用寿命长，有效非线性系数高，低阈值、高效率的特点，是产生近红外-中红外激光波段的重要材料，与MgO:PPLN相比，MgO:PPLT具有更高的热传导系数。通过对多周期极化晶体进行温度、周期、角度调谐，可实现宽调谐的双波长输出。

常规的种子注入激光器系统采用压电陶瓷控制激光器的腔长，但由于压电陶瓷的非线性特性和振荡，往往导致激光器输出单频特性变差。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种小型化、宽调谐、窄线宽全固态纳秒脉冲中红外光学参量振荡器，解决脉冲光学参量振荡器线宽压窄、频率调谐和光谱控制等关键技术难题，可以注入任一谐振单频种子光，实现近红外信号光、中红外空闲光双波段的光谱压窄，应用前景光明。

本发明的技术解决方案如下：

宽调谐、窄线宽纳秒脉冲双共振中红外参量振荡器，特征在于该振荡器包含：单频泵浦光、双共振谐振腔、电学控制部分和种子光四部分；

所述的泵浦光路包括1.064μm泵浦源、聚焦透镜、安装在可旋转的支架上的1.064μm半波片和偏振片；

所述的双共振谐振腔包括平凹第一腔镜、固定在晶体温控炉上的多周期极化晶体、平凹第二腔镜、平面第三腔镜、平面第四腔镜和分光镜，所述的多周期极化晶体与晶体温控炉一起固定在四维调整架上，用于调节多周期极化晶体的周期和角度；在平面第三腔镜和平面第四腔镜的中间插入电光晶体，二者的延长线上设有光电二极管；

所述的电学控制处理部分包括光电二极管、电光晶体、电光晶体驱动源和电光调制器和PID控制系统构成。所述的电光晶体驱动源的输出端与电光晶体的输入端相连，所述的PID控制系统的输入端分别与所述的光电二极管输出端、电光调制器的输出端相连，所述的PID控制系统的输出端与所述的电光晶体驱动源的输入端相连。

所述的种子光包括单频FPB种子激光器、准直透镜、隔离器、半波片、聚焦透镜和半透半反镜，所述的准直透镜、半波片和聚焦透镜均镀有对种子光高透的介质膜，半透半反镜的透射光路上设有电光调制器。

沿泵浦光路传播路径为：1.064μm泵浦源发出的泵浦光经过聚焦透镜耦合聚焦后，依次经1.064μm半波片、偏振片和双色镜后，再从平凹第一腔镜透射，入射到多周期极化晶体的中心位置，通过四维调整架调节多周期极化晶体的位置和角度，产生近红外信号光和中红外空闲光，剩余泵浦光从平凹第二腔镜透射出去。所述的偏振片与泵浦光路呈布儒斯特角放置，所述的偏振片与1.064μm半波片构成光强调节装置，用于调节入射泵浦光的光强；

沿种子光路传播路径为：单频FPB种子激光器发出的种子激光依次经过准直透镜、隔离器、半波片、聚焦透镜、半透半反镜和双色镜后耦合到泵浦光路，进而透过平凹第一腔镜，再经过多周期极化晶体后以15°度入射角入射到平凹第二腔镜，后依次经过平凹第二腔镜、平面第三腔镜、平面第四腔镜的全反射作用反射回平凹第一腔镜，反射后入射到平凹第一腔镜的种子激光一部分直接透过平凹第一腔镜和分光镜直接输出，另一部分经过平凹第一腔镜反射回入射种子光路，在环形腔内形成振荡闭合回路。所述的聚焦透镜用于把种子光耦合到多周期极化晶体的中心位置，所述的双色镜镀有对1.064μm高透，种子光45°高反的介质膜，所述的分光镜镀有对近红外信号光高透，对中红外空闲光高反的介质膜。

所述的电学控制部分在工作周期内，电光调制器对通过半透半反镜的种子光进行频率、振幅调制，所述的光电二极管接受近红外信号光经过平面第三腔镜透射形成的干涉信号，同经过电光调制器后的信号混合产生误差信号，该误差信号经过PID控制系统进行处理，PID控制系统的输出驱动电光晶体驱动源，通过调节电光晶体驱动源电压驱动电光晶体，调节腔长，使光学参量振荡器的信号光频率锁定在种子激光频率上，获得窄线宽激光输出。所述的电光晶体为砷化镓晶体，所述的光电二极管为铟鎵砷光电探测器。

所述的隔离器对种子激光的隔离度不小于20dB，便于对种子激光器进行有效保护。

所述的晶体温控炉的控温范围为20～200℃，控温精度为±0.1℃。

本发明具有以下优点：

1、基于单频脉冲激光器输出的1.064μm激光泵浦多周期极化晶体，通过周期、角度、温度调谐，可以获得可调谐的双谐振近红外-中红外激光输出，具有调谐方便、覆盖范围广的优点；

2、本发明的环形腔结构有利于激光模式的稳定振荡和种子激光注入，双谐振腔能够实现近红外信号光和中红外空闲光双谐振单频参量激光输出。

3、本发明采用主被动结合的频率控制技术控制半导体种子激光器频率特性，进而注入到光学谐振腔，通过电光晶体，将光学参量振荡器的谐振腔锁定在种子激光器的频率上，实现压窄光学参量光的线宽，提高光参量转换的效率的特点。

附图说明

图1是本发明宽调谐、窄线宽纳秒脉冲双共振中红外激光振荡器实施例的结构示意图。

图2是电学控制处理连线图。

具体实施方式

为进一步说明本发明的具体技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如下：

先参照图1，图1是本发明宽调谐、窄线宽纳秒脉冲双共振中红外参量振荡器的结构示意图，本发明包含四部分：单频泵浦光、双共振谐振腔、电学控制部分和种子光：

所述的单频泵浦光包括1.064μm泵浦源1-1、聚焦透镜1-2、安装在可旋转的支架上的1.064μm半波片1-3、偏振片1-4和双色镜1-5；

所述的双共振谐振腔包括平凹第一腔镜2-1、固定在晶体温控炉2-3上的多周期极化晶体2-2、平凹第二腔镜2-4、平面第三腔镜2-5、平面第四腔镜2-6和分光镜2-7，所述的多周期极化晶体2-2与晶体温控炉2-3一起固定在四维调整架上，用于调节多周期极化晶体2-2的周期和角度；在平面第三腔镜2-5和平面第四腔镜2-6的中间插入电光晶体3-2，二者的延长线上设有光电二极管3-1；

所述的种子光包括单频FPB种子激光器4-1、准直透镜4-2、隔离器4-3、半波片4-4、聚焦透镜4-5和半透半反镜4-6，半透半反镜4-6的透射光路上设有电光调制器3-4。

沿泵浦光路传播路径为：1.064μm泵浦源1-1发出的泵浦光经过聚焦透镜1-2耦合聚焦后，依次经1.064μm半波片1-3、偏振片1-4和双色镜1-5后，再从平凹第一腔镜2-1透射，入射到多周期极化晶体2-2的中心位置，通过四维调整架调节多周期极化晶体的位置和角度，产生近红外信号光和中红外空闲光，剩余泵浦光从平凹第二腔镜2-3透射出去。所述的偏振片1-4与泵浦光路呈布儒斯特角放置，所述的偏振片1-4与1.064μm半波片1-3构成光强调节装置，用于调节入射泵浦光的光强；

沿种子光路传播路径为：单频FPB种子激光器4-1发出的种子激光依次经过准直透镜4-2、隔离器4-3、半波片4-4、聚焦透镜4-5、半透半反镜4-6和双色镜1-5后耦合到泵浦光路，进而透过平凹第一腔镜2-1，再经过多周期极化晶体2-2后以15°度入射角入射到平凹第二腔镜2-4，后依次经过平凹第二腔镜2-4、平面第三腔镜2-5、平面第四腔镜2-6的全反射作用反射回平凹第一腔镜2-1，反射后入射到平凹第一腔镜2-1的种子激光一部分直接透过平凹第一腔镜2-1和分光镜2-7直接输出，另一部分经过平凹第一腔镜2-1反射回入射种子光路，在环形腔内形成振荡闭合回路。所述的聚焦透镜4-5用于把种子光耦合到多周期极化晶体2-2的中心位置，所述的双色镜1-5镀有对1.064μm高透，种子光45°高反的介质膜，所述的分光镜2-7镀有对近红外信号光高透，对中红外空闲光高反的介质膜。

所述的电学控制部分在工作周期内，电光调制器3-4对通过半透半反镜4-6的种子光进行频率、振幅调制，所述的光电二极管3-1接受近红外信号光经过平面第三腔镜2-5透射形成的干涉信号，同经过电光调制器3-4后的种子光信号混合产生误差信号，该误差信号再经过PID控制系统3-4的处理，PID控制系统3-4的输出作用于电光晶体驱动源3-3，通过调节电光晶体驱动源电压驱动电光晶体3-2，调节腔长，使光学参量振荡器的近红外信号光频率锁定在种子激光频率上，获得窄线宽近红外信号光和中红外空闲光输出。所述的电光晶体3-2为砷化镓晶体，所述的光电二极管3-1为铟鎵砷光电探测器。

所述的1.064μm泵浦源1-1为激光二极管泵浦的Nd:YAG调Q激光器，输出波长为1.064μm，线宽接近傅里叶变换极限。

所述的平凹第一腔镜2-1镀有对1.064μm增透，对近红外信号光和中红外空闲光均部分透过、且透过率相同的介质膜；所述的平凹第二腔镜2-4镀有对1.064μm增透，对近红外信号光和中红外空闲光均高反的介质膜，所述的平面第三腔镜2-5，腔内反光面镀有对1.064μm高透，对近红外信号光高透，对中红外空闲光高反的介质膜，另一面镀有对1.064μm高透，对中红外空闲光的高反膜；所述的平面第四腔镜2-6镀有对1.064μm高透、近红外信号光和中红外空闲光均高反的介质膜。

所述的多周期极化晶体2-2，其材料为MgO:PPLN或MgO:PPLT，其极化结构为多周期结构，极化周期为29μm、29.5μm、30μm、30.5μm,等间距变化，尺寸大小为50mm*3mm*7mm，该多周期极化晶体两个端面均镀有对1.064μm、近红外和中红外波段增透的介质膜。为了调谐方便，多周期极化晶体和晶体温控炉一起固定在一个四维调整架上，便于对晶体进行周期、角度和温度调谐。

所述的单频FPB种子激光器4-1为通过高精细温度和高精度电流稳频方案锁定的单一频率半导体种子激光器。

所述的晶体温控炉2-3的控温范围为20～200℃，控温精度为±0.1℃。

所述的准直透镜4-2和聚焦透镜4-5对种子激光进行光束变化，使其在环形谐振腔内与参量谐振光光斑大小一致，达到最佳的模式匹配。

所述的隔离器4-3能保证种子激光的单向传输，避免光学器件表面反射或者从后腔镜漏出的激光进入种子激光器打坏种子激光，该隔离器对种子激光的隔离度不小于20dB。

本发明的具体实施例工作过程是，Nd:YAG泵浦激光器1-1输出的1.064μm非偏振激光经过聚焦透镜1-2，其焦点聚焦在多周期极化晶体2-2的中心处，耦合到多周期极化晶体2-2的泵浦光斑直径大小为800μm；再经过半波片1-3和偏振片1-4组成的光强调节装置，调节入射到环形谐振腔的泵浦光强；单频FPB种子激光器4-1产生的单频激光通过准直透镜4-2准直成平行光束后，经过隔离器4-3，再由聚焦透镜4-5聚焦到多周期极化晶体2-2的中心处，耦合到多周期极化晶体的种子光斑直径大小为600μm，再经过双色镜1-5与泵浦光路重合，入射到双谐振环形腔内。1.064μm泵浦光在多周期极化晶体2-2内部进行频率变换和振荡，经过多周期极化晶体2-2的频率转换过程，近红外信号光(1.3～1.7μm)和中红外空闲光(3.0～4.5μm)沿与入射泵浦光呈30°的方向由平凹第一腔镜2-1出射，剩余泵浦光由平凹第二腔镜2-4出射；输出的中红外空闲光和近红外信号光经过分光片2-7进行分离，信号光经过光纤耦合导入波长计，测量输出信号光具体的谐振波长，在通过调整单频DFB种子激光4-1的电流和温度参数进行控制，使其输出波长中心与测量的信号光输出的中心波长一致。单频FPB种子激光4-1一部分注入到双共振环形腔中，一部分通过电光调制器3-4进行频率、幅度调谐，光电二极管3-2用来探测透过平面第三腔镜的信号光信号，并转换为电信号，该电信号经过带通滤波、放大后，与经过电光调制后的信号进行混合成误差信号，然后该误差信号经过PID控制器系统3-5处理，PID控制系统的输出驱动电光晶体驱动源3-3，电光晶体驱动源给压电晶体3-2施加电压，电光晶体的折射率随之线性变化，进而快速调节腔长，使得输出信号光频率始终锁定在种子激光频率上，从而输出窄线宽的近红外信号光和中红外空闲光。

实验表明。本发明通过单频1.064μm激光泵浦环形双共振谐振腔，结合多周期极化晶体周期、角度、温度调谐，实现了信号光(1.3～1.7μm)和空闲光(3.0～4.5μm)的宽调谐范围激光输出；再通过注入与信号光频率相同的种子激光，可实现单频中红外空闲光、近红外信号光输出，有效压窄了线宽，使输出的激光光谱宽度小于0.1nm，克服了传统的光学参量振荡器透射线宽通常为数纳米、连续工作模式、信噪比差、探测灵敏度差的技术难题。本发明具有宽调谐、双谐振、单频性好的特点。