一种单端输出的腔内泵浦光参量振荡器的制作方法

本发明属于光参量振荡器技术领域，更具体地，涉及一种单端输出的腔内泵浦光参量振荡器。

背景技术：

光参量振荡器(opticalparametricoscillator，opo)利用二阶非线性效应，将入射激光(称为泵浦光)转换为两个频率不同的出射激光，其中一个频率较高者称为信号光，另一个频率较低者称为闲频光，泵浦光的频率等于信号光与闲频光的频率之和；opo用于拓展激光辐射的输出波段，实现宽带可调谐的激光辐射。

腔内泵浦的光参量振荡器将非线性晶体置于泵浦激光器的谐振腔内；利用谐振腔内的高功率密度，实现光参量振荡器的低阈值振荡；通过控制非线性耦合，腔内泵浦的光参量振荡器可以获得极高的功率转换效率。文献g.a.turnbull,m.h.dunn,andm.ebrahimzadeh,“continuous-wave,intracavityopticalparametricoscillatorsananalysisofpowercharacteristics,”appl.phys.b66(6),701–710(1998)对此给出了介绍。

在腔内泵浦光参量振荡器中，振荡的泵浦光和信号光都在非线性晶体中双向传输，闲频光也是双向传输。现有腔内泵浦光参量振荡器的闲频光输出都使用双端输出结构或者只利用一个方向的闲频光，而没有利用另外一个方向的闲频光，造成了输出利用率不高，输出功率较低。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种单端输出的腔内泵浦光参量振荡器，其目的在于解决现有技术的腔内泵浦光参量振荡器的中红外闲频光双端输出利用率不高、输出功率较低的问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种单端输出的腔内泵浦光参量振荡器，包括激光器泵浦源、以及沿激光器泵浦源光路方向依次排列的聚焦透镜、输入耦合镜、激光增益晶体、双色镜、非线性晶体和第一曲面镜，以及设置于双色镜的反射光路上的第二曲面镜；其中，输入耦合镜、激光增益晶体、双色镜、非线性晶体和第一曲面镜构成激光器谐振腔；第一曲面镜、非线性晶体、双色镜和第二曲面镜构成信号光谐振腔；第一曲面镜和第二曲面镜构成曲面镜对；其中，第二曲面镜镀有闲频光高反膜；

工作时，聚焦透镜对激光器泵浦源所发出的激光器泵浦光进行聚焦，输入耦合镜将聚焦透镜的出射光耦合至激光增益晶体，经过激光增益晶体的增益放大形成opo泵浦光；opo泵浦光通过双色镜到达非线性晶体，在非线性晶体内实现光参量转换、产生信号光、前向闲频光和后向闲频光；第一曲面镜对前向闲频光直接耦合输出，而将信号光、激光器泵浦光和opo泵浦光反射至非线性晶体，非线性晶体对反射回来的opo泵浦光进行再次光参量转换，产生信号光、前后闲频光和后向闲频光，对反射回来的信号光直接透射，双色镜将信号光和后向闲频光反射至第二曲面镜，信号光和后向闲频光经过第二曲面镜反射后原路返回，经双色镜反射至非线性晶体，楔形非线性晶体实现对前后向闲频光的相位补偿，相干叠加之后经过第一曲面镜输出；

其中，前向闲频光是指与激光器泵浦光同向的闲频光，后向闲频光是指与激光器泵浦光反向的闲频光。

在本发明提供的上述单端输出的腔内泵浦光参量振荡器中，第二曲面镜采用对闲频光具有高反射率的曲面镜；泵浦激光器提供泵浦，在激光增益晶体中形成粒子数反转，产生opo泵浦光。opo泵浦光通过双色镜后在经过非线性晶体产生信号光、前向闲频光和后向闲频光；信号光在由第一曲面镜、非线性晶体、双色镜和第二曲面镜构成的信号光谐振腔内形成振荡；后向闲频光则经第二曲面镜反射后与前向闲频光经过第一曲面镜耦合输出；

其中，opo泵浦光在信号光谐振腔中是双向传输，因此在两个传输方向均发生光参量转换过程，均能产生闲频光，通过第二曲面镜将后向闲频光进行反射，使其反射后与前向闲频光方向一致，均经过第一曲面镜输出，从而实现了闲频光的单端输出。

本发明中，信号光谐振腔与激光器谐振腔部分重合，可有效降低opo的振荡阈值并提高功率转换效率，非线性晶体置于信号光谐振腔中的曲面镜对之间，实现信号光与opo泵浦光在非线性晶体内的聚焦，以进一步降低opo的振荡阈值、提高opo的功率转换效率、且具有结构简单的特点。

优选的，上述单端输出的腔内泵浦光参量振荡器，还包括设置于非线性晶体上的压电陶瓷，通过设于非线性晶体上的压电陶瓷来调节非线性晶体的横向位置，实现对前向闲频光与后向闲频光相对相位的补偿，获得前向闲频光和后向闲频光的相干增强。

由于存在色散效应，前向闲频光与后向闲频光之间具有相对相位差；本发明为了实现前向闲频光与后向闲频光的相干叠加，优选采用楔形非线性晶体，楔形非线性晶体的一个端面为楔形，其最后一个铁电域的厚度可变；采用压电陶瓷横向移动楔形非线性晶体的位置，实现对前向闲频光与后向闲频光的相对相位的精细调节，以补偿由于空气介质和第一、第二曲面镜反射膜的色散引起的相位改变，从而实现中红外闲频光的单端输出。

优选的，上述单端输出的腔内泵浦光参量振荡器，其中，输入耦合镜镀激光器泵浦光增透膜和opo泵浦光高反膜；双色镜镀激光器泵浦光增透膜、opo泵浦光增透膜、信号光高反膜和闲频光高反膜；第一曲面镜镀激光器泵浦光高反膜、opo泵浦光高反膜、信号光高反膜和闲频光增透膜；第二曲面镜镀信号光高反膜和闲频光高反膜；非线性晶体镀激光器泵浦光增透膜、opo泵浦光增透膜、信号光增透膜和闲频光增透膜；激光增益晶体镀激光器泵浦光增透膜和opo泵浦光增透膜；通过上述镀膜以克服器件自身反射率不足、达到降低激光器阈值的目的。

优选的，上述单端输出的腔内泵浦光参量振荡器，还包括调q器件；该调q器件设置在激光增益晶体与双色镜之间的光路上；用于改变激光器谐振腔的损耗，进而改变谐振腔的振荡阈值，实现调q的参量振荡，使得第一曲面镜输出脉冲形式的中红外闲频光。

优选的，上述单端输出的腔内泵浦光参量振荡器，其激光器泵浦源采用单模半导体激光器、多模半导体激光器、固体激光器或光纤激光器。

优选的，上述单端输出的腔内泵浦光参量振荡器，其激光增益晶体采用布儒斯特角切割或者镀增透膜，实现对激光泵浦波长和激光辐射波长的良好透过率。

优选的，上述单端输出的腔内泵浦光参量振荡器，可通过调整其激光增益晶体的掺杂浓度和长度来实现激光增益晶体对激光器泵浦光的充分吸收。

优选的，上述单端输出的腔内泵浦光参量振荡器，其非线性晶体采用周期极化铌酸锂晶体(ppln)、周期性极化钽酸锂晶体(pplt)或周期性磷酸钛氧钾晶体(ppktp)。

优选的，上述单端输出的腔内泵浦光参量振荡器，其非线性晶体的后端面为楔形，其最后一个铁电域的厚度可调。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

现有的腔内泵浦光参量振荡器的中红外闲频光都使用双端输出结构，闲频光输出利用率不高，输出功率较低；本发明所提供的单端输出的腔内泵浦光参量振荡器，采用对信号光和闲频光均具有高反作用的第二曲面镜对后向闲频光进行反射，使得反射的后闲频光与前向闲频光均通过第一曲面镜单端输出，提高了闲频光的输出利用率；

另一方面，由于光波在自非线性晶体经双色镜至第二曲面镜的自由空间传输、经第二曲面镜的反射、自第二曲面镜经双色镜至非线性晶体的自由空间传输过程中，由于空气介质以及第二曲面镜和双色镜反射膜的色散，会造成三束光波的相对相位差，即(其中分别为泵浦光、信号光和闲频光的相位)的改变；为了使得在反向传输过程中获得对闲频光的参量增益，本发明优选采用楔形非线性晶体，并通过横向移动楔形非线性晶体来实现对相位改变的补偿，实现对三波相对相位的精细调节，以补偿由于空气介质以及曲面镜和双色镜反射膜的色散引起的三波相对相位改变，实现了前、后向闲频光的相干叠加；而现有技术中是将第二曲面镜处的闲频光直接输出，是双端输出，因此浪费了一半的闲频光，相比较而言，本发明的这种技术方案提高了腔内泵浦光参量振荡器的输出功率。

附图说明

图1是本发明实施例1所提供的单端输出的腔内泵浦光参量振荡器的结构示意图；

图2是本发明实施例2所提供的单端输出的腔内泵浦光参量振荡器的结构示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-激光器泵浦源、2-聚焦透镜、3-输入耦合镜、4-激光增益晶体、5-双色镜、6-压电陶瓷、7-楔形非线性晶体、8-第一曲面镜、9-第二曲面镜、10-调q器件。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例1提供的单端输出的腔内泵浦光参量振荡器的结构如图1所示意的，包括依次排列的激光器泵浦源1、聚焦透镜2、输入耦合镜3、激光增益晶体4、双色镜5、非线性晶体7、第一曲面镜8，以及设置于非线性晶体7上的压电陶瓷6，和设置于双色镜5的反射光路上的第二曲面镜9；其中，输入耦合镜3、激光增益晶体4、双色镜5、非线性晶体7和第一曲面镜8构成激光器谐振腔；

其中，聚焦透镜2对激光器泵浦源1所发出的激光器泵浦光进行聚焦，输入耦合镜3对聚焦透镜2的出射光进行耦合，激光增益晶体4对输入耦合镜3的出射光提供增益，产生opo泵浦光；opo泵浦光透过双色镜5入射到非线性晶体7，在非线性晶体7内产生信号光和前、后向闲频光(与激光器泵浦光同向的为前向闲频光，反之为后向闲频光)；

其中，信号光沿光路入射到第一曲面镜8，并在第一曲面镜8的中心处被反射按原路返回，直接透过非线性晶体7经双色镜5反射至第二曲面镜9；第二曲面镜9对信号光进行反射使其按原路返回，在非线性晶体7处聚焦；其中，后向闲频光经双色镜5反射到第二曲面镜9并被第二曲面镜9反射、按原路返回至非线性晶体7，与前向闲频光在非线性晶体7中重叠；上述过程，即为实现单端输出中红外激光的过程；

本实施例中，压电陶瓷6用于横向移动非线性晶体7，以实现对前向闲频光和后向闲频光的相对相位的补偿；相位补偿后的闲频光经第一曲面镜8耦合输出。

实施例1中，输入耦合镜3镀激光器泵浦光增透膜和opo泵浦光高反膜；双色镜4镀激光器泵浦光增透膜、opo泵浦光增透膜、信号光高反膜和闲频光高反膜；第一曲面镜8镀激光器泵浦光高反膜、opo泵浦光高反膜、信号光高反膜和闲频光增透膜；第二曲面镜9镀信号光高反膜和闲频光高反膜；非线性晶体7镀激光器泵浦光增透膜、opo泵浦光增透膜、信号光增透膜和闲频光增透膜；激光增益晶体4镀激光器泵浦光增透膜和opo泵浦光增透膜。

本实施例中，非线性晶体7的后端面为楔形，其最后一个铁电域的厚度可变；在激光器谐振腔内振荡的激光经过非线性晶体7，会产生信号光和闲频光的增益；信号光在由第一曲面镜8、非线性晶体7、双色镜5和第二曲面镜9构成的信号光谐振腔内形成振荡。后向闲频光在经过双色镜5，被第二曲面镜9反射后与前向闲频光在非线性晶体7中实现重叠，经过第一曲面镜8耦合输出；通过压电陶瓷6来移动非线性晶体7的横向位置，以实现对前向闲频光与后向闲频光相对相位的补偿，获得两个方向传输的闲频光的相干叠加。

本实施例中，非线性晶体7采用周期极化的铌酸锂晶体(periodicallypoledlithiumniobate，ppln)，当opo泵浦光的波长为1040纳米，ppln的极化周期为30.2微米时，信号光和闲频光的波长分别为1517纳米和3305纳米；锁定信号光的波长，通过调谐opo泵浦光波长并同步改变ppln的极化周期或温度，可以实现对输出闲频光波长的调谐；锁定opo泵浦光波长，通过改变信号光的波长并同步改变ppln的极化周期或温度，也可以实现对opo输出的闲频光波长的调谐。

具体实现时，激光器泵浦源1可采用单模或多模的半导体激光器、固体激光器或光纤激光器；激光增益晶体介质4通过采用布儒斯特角切割或镀增透膜的方法实现对激光泵浦波长和激光辐射波长的良好透过率；通过选择适当的激光增益晶体、掺杂浓度和激光增益晶体的长度，实现激光增益晶体4对激光器泵浦光的充分吸收。本实施例中，聚焦透镜2用于实现对激光器泵浦源1的聚焦，以实现激光器泵浦光源与opo泵浦光谐振腔空间模式在激光增益晶体4中的匹配。

实施例2

实施例2提供的单端输出的腔内泵浦光参量振荡器的结构如图2所示意的；与实施例1相比，区别在于添加了调q器件10；调q器件10设置在激光增益晶体4与双色镜5之间的光路上；用于改变激光器谐振腔的损耗，进而改变谐振腔的振荡阈值，实现调q的参量振荡，使得第一曲面镜输出脉冲形式的中红外闲频光；与实施例1输出的连续波中红外激光相比，实施例2输出的中红外激光为脉冲形式的，可以应用于气体检测等领域。

上述实施例中，非线性晶体7还可以采用周期性极化钽酸锂晶体(pplt)或周期性磷酸钛氧钾晶体(ppktp)。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。