波长可调谐编码的中红外光参量振荡器的制作方法

本发明涉及一种波长可调谐编码的中红外光参量振荡器，属于中红外激光波长调谐技术领域。

背景技术：

中红外3～5μm的激光器在大气成分监测、激光通信、激光光谱学等领域具有广泛的应用前景。中红外光参量振荡器(opo)可将近红外激光通过非线性过程转换到中红外波段，是实现中红外激光输出的有效技术途径。基于周期性极化泥酸锂(ppln)晶体的光参量振荡器采用准相位匹配技术(qpm)，它有效消除了非线性相互作用的三波走离效应，可充分利用非线性晶体的最大非线性系数，具有光转换效率高的优势，因而中红外光参量振荡激光技术备受关注。目前，中红外光参量振荡器波长调谐通常采用机械移动ppln晶体、旋转ppln晶体或调整ppln晶体工作温度的方法。调整晶体工作温度法对激光波长调谐范围窄，且频繁大范围调整温度容易导致晶体疲劳损伤。机械移动ppln晶体或旋转ppln晶体法的可调谐范围宽，但调谐速度慢，且机械移动ppln晶体极易导致opo谐振腔的失调和光束质量的恶化，无法满足可调谐中红外光参量振荡器在工业、国防领域的应用需求。

技术实现要素：

本发明的目的是解决现有中红外光参量振荡器的波长调谐方法中，调整晶体工作温度法对激光波长调谐范围窄，易导致晶体疲劳损伤；机械移动ppln晶体或旋转ppln晶体法调谐速度慢，极易导致opo谐振腔的失调和光束质量的恶化的技术问题，提供一种波长可调谐编码的中红外光参量振荡器。

本发明解决上述技术问题采取的技术方案如下：

波长可调谐编码的中红外光参量振荡器，包括激光泵浦源、激光隔离器、光束整形器、谐振腔输入镜、多通道ppln晶体和谐振腔输出镜；

还包括由平行平板元件、驱动电机和控制器组成的可编码平行平板单元；

所述平行平板元件和驱动电机皆为多个，且一一对应；

多个平行平板元件沿光传输方向从前至后依次排列，每个平行平板元件具有关闭和打开两种状态，关闭状态为平行平板元件设置在泵浦激光的传输光路之中，平行平板元件能够使从其上出射的泵浦激光相对于入射其上的泵浦激光发生光路平移，且经一个或多个平行平板元件平移后的泵浦激光均恰好能入射多通道ppln晶体的某一个通道，打开状态为平行平板元件移出泵浦激光的传输光路，且关闭状态和打开状态分别具有编码；

所述驱动电机根据接收的编码控制平行平板元件处于打开或关闭状态；

所述控制器发送编码控制驱动电机工作，进而控制平行平板元件打开或关闭；

所述谐振腔输入镜和谐振腔输出镜组成谐振腔，谐振腔输入镜与谐振腔输出镜的有效孔径均大于泵浦光束的最大平移距离；

该振荡器的光路走向为：激光泵浦源发出的泵浦激光经激光隔离器后进入光束整形器整形，整形后的泵浦激光进入可编码平行平板单元，经一个或多个平行平板元件的折射后，泵浦激光经谐振腔输入镜后正入射多通道ppln晶体中的一个通道，然后经谐振腔输出镜输出。

进一步的，平行平板元件的关闭状态是平行平板元件与激光泵浦源的光轴呈布儒斯特角设置。

进一步的，所述平行平板元件选择折射率相同的材料，厚度从前至后呈二进制增加。

进一步的，所述平行平板元件选用折射率不同的光学材料，平行平板元件的厚度也相应不同，最前的平行平板元件选用低折射率高厚度材料，最后平行平板元件的选用高折射率低厚度材料。

进一步的，所述多通道ppln晶体的通道高度相同，具有多极化周期。

进一步的，从平行平板元件上出射的泵浦激光相对于入射平行平板元件的泵浦激光的光路平移的距离恰好等于多通道ppln晶体单个通道宽度的倍数，且从前至后依次排列的平行平板元件对应的倍数呈二进制增长。

进一步的，设定驱动电机接收信号为0时，平行平板元件在驱动电机驱动下打开，驱动电机接收信号为1时，平行平板元件在驱动电机驱动下关闭。

进一步的，所述多个平行平板元件全部打开，泵浦激光入射多通道ppln晶体的第一个通道，多个平行平板元件全部关闭，泵浦激光入射多通道ppln晶体的最后一个通道。

进一步的，多个平行平板元件全部的打开和关闭状态的组合恰好能够使泵浦激光正入射多通道ppln晶体中的全部通道。

本发明的原理是：

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明的波长可调谐编码的中红外光参量振荡器，具有波长调谐范围宽，调谐速度快，输出波长可编码控制，易于操作，方便维护，造价低，可靠性好的优点，具体的：

1、本发明的波长可调谐编码的中红外光参量振荡器，通过本发明的波长可调谐编码的中红外光参量振荡器调整插入泵浦激光路的可编码平行平板单元实现泵浦光束的平行移动控制，实现泵浦激光在ppln晶体不同通道间的切换，消除了移动、旋转ppln晶体调谐法对中红外激光稳定性的影响，如当泵浦激光路中可编码平行平板单元打开时，泵浦激光直线传输并入射到多周期ppln晶体的第一通道，当泵浦激光路可编码平行平板单元关闭时，泵浦激光横向平行移动后入射到多周期ppln晶体的其它通道；

2、本发明的波长可调谐编码的中红外光参量振荡器多周期ppln晶体每一个通道极化周期不同(不同的极化周期对应不同的参量光波长)，通过对可编码平行平板单元开关状态编码控制，可实现泵浦激光精准入射到多通道ppln晶体的任一极化通道，从而实现中红外光参量振荡激光的可调谐、可编码输出

3、本发明的波长可调谐编码的中红外光参量振荡器采用的平行平板原件为无光焦度元件，它对泵浦激光模式匹配影响较小，且造价低，稳定性好，可确保中红外ppln-opo波长调谐、编码的可靠性。

附图说明

图1为本发明的波长可调谐编码的中红外光参量振荡器的结构示意图；

图2为本发明的可编码平行平板单元的工作原理图；

图3为本发明的可编码平行平板单元的工作原理图；

图中，1、激光泵浦源，2、激光隔离器，3、光束整形器，4、可编码平行平板单元，4-1、平行平板元件，4-2、驱动电机，5、谐振腔输入镜，6、多通道ppln晶体，7、谐振腔输出镜。

具体实施方式

为进一步说明本发明的特征和结构，下面结合附图对本发明的技术方案作进一步描述。本实施方式中，以泵浦激光先通过的方向为前。

如图1所示，本发明的波长可调谐编码的中红外光参量振荡器，包括激光泵浦源1、激光隔离器2、光束整形器3、可编码平行平板单元4、谐振腔输入镜5、多通道ppln晶体6和谐振腔输出镜7。

其中，激光泵浦源1、激光隔离器2和光束整形器3同轴设置。

激光泵浦源1为本领域常用设备，能够激励光参量振荡器。激光泵浦源1能够采用光纤、固体、板条等脉冲激光器；激光泵浦源1的激光功率由设计的输出参量光功率确定。本实施方式中，激光泵浦源1选用波长1.064μm，平均功率10w，光斑直径2mm的线偏振激光泵浦源。

激光隔离器2为本领域常用设备，由法拉第旋光器和格兰棱镜组成。激光隔离器2确保激光泵浦源1发射的泵浦激光的单向传输，避免反向激光对激光泵浦源1造成的损伤。本实施方式中，激光隔离器2的工作波长为1.064μm，有效通光口径不小于4mm，隔离度不小于40db。

光束整形器3是由凸透镜和凹透镜组成的缩束系统。光束整形器3匹配泵浦激光斑与光参量振荡器模式，实现高效率激光泵浦。本实施方式中，光束整形器3缩束倍率为四倍，采用石英材料，镀1.064μm减反膜。

谐振腔输入镜5和谐振腔输出镜7组成谐振腔，实现参量光振荡。谐振腔输入镜5与谐振腔输出镜7的有效孔径大于多通道ppln晶体6的总高度，确保泵浦光束平移过程中不超出谐振腔输入镜5与谐振腔输出镜7的有效孔径范围。从而在可编码平行平板单元4对泵浦光束编码控制过程中，确保谐振腔输入镜5与谐振腔输出镜7组成的平腔有效工作，最终实现中红外参量光波长可调谐、编码输出。本实施方式中，谐振腔输入镜5与谐振腔输出镜7为采用氟化钙材料的平面镜，口径φ30mm，厚度3mm。

多通道ppln晶体6优选为通道高度相同、多极化周期的非线性晶体，具体可根据应用需求。多通道ppln晶体6实现泵浦激光向参量光的非线性转化。本实施方式中，多通道ppln晶体6为八个通道ppln晶体，几何尺寸为：长度为30～60mm，高度8mm，宽度1mm。高度方向依次排列极化周期分别为28μm、28.5μm、29μm、29.5μm、30μm、30.5μm、31μm、31.5μm的八个通道，每个通道的横截面为1mm×1mm。多通道ppln晶体6优选为通道高度相同

可编码平行平板单元4由平行平板元件4-1、驱动电机4-2和控制器组成。平行平板元件4-1和驱动电机4-2皆为多个，且一一对应。平行平板元件4-1具有关闭和打开两种状态，关闭状态为平行平板元件4-1设置在泵浦激光的传输路径之中，平行平板元件4-1能够使入射其上的泵浦激光发生偏折，使输出的泵浦激光的光路方向相对于入射的泵浦激光的光路方向发生平移，当多通道ppln晶体6的通道高度相等时，其移动的距离恰好等于多通道ppln晶体6单个通道宽度的倍数，且从前至后依次排列的平行平板元件4-1对应的倍数呈二进制增长；打开状态为平行平板元件4-1移出线偏振泵浦激光传输路径，对其光路不产生影响。多个平行平板元件4-1从前至后依次平行排列。平行平板元件4-1可以选择折射率相同的材料，厚度从前至后呈二进制增加。为提高平行平板元件4-1的透过率，优选平行平板元件4-1与激光泵浦源1发出的线偏振泵浦激光(即激光泵浦源1的光轴)呈布儒斯特角设置。平行平板元件4-1也可以选用折射率不同的光学材料，平行平板元件4-1的厚度也相应不同，比如第一块选用小折射率材料，增加镜片的厚度以提升镜片强度，最后一块选用大折射率材料，降低镜片的厚度使得结构更紧凑美观。平行平板元件4-1关闭状态和打开状态具有编码。如设定打开状态为“0”时，关闭状态为“1”。本实施方式中，平行平板元件4-1采用1.064μm高透的光学材料，这里以光学性能优良的bk7光学玻璃为例进行说明，bk7折射率为n＝1.50663@1.064μm，如图2所示，为了提升线偏振泵浦激光的透过率，泵浦激光以布儒斯特角α(入射角α＝atan(n)＝56.4265°,折射角β＝asin(sin(α)/n)＝33.5736°)入射平行平板元件4-1。这样第一块平行平板元件4-1将泵浦光束平行移动距离等于ppln晶体6的单个通道宽度(1mm)，第一块平行平板元件4-1厚度为d＝cos(β)/sin(α-β)＝2.5749mm；呈二进制递增关系的第二块和第三块平行平板元件4-1的厚度分别为5.1498mm、10.2996mm，它们对泵浦光束平行移动距离分别为2mm和4mm。

驱动电机4-2根据接收的编码控制平行平板元件4-1打开或关闭，如设定接收信号为“0”时，平行平板元件4-1在驱动电机4-2驱动下打开，接收信号为“1”时，平行平板元件4-1在驱动电机4-2驱动下关闭。

本发明的波长可调谐编码的中红外光参量振荡器中的光路走向为：

激光泵浦源1发出的线偏振泵浦激光经激光隔离器2进入光束整形器3整形，整形后的光束进入可编码平行平板单元4，经一个或多个平行平板元件4-1的折射后，泵浦激光经谐振腔输入镜5后正入射多通道ppln晶体6中的一个通道，然后经谐振腔输出镜7输出；

其中，泵浦激光进入多通道ppln晶体6中的哪个通道由多个平行平板元件4-1的开关控制。具体的，每个平行平板元件4-1能够使泵浦激光发生偏折，产生平行位移，通过对平行平板元件4-1编码控制，可实现泵浦激光精准入射到多通道ppln晶体的任一极化通道，进而实现中红外光参量振荡激光的可调谐编码输出。

图如3所示，三个平行平板元件4-1皆关闭，即处于a位置时，泵浦光束依次经过三个平行平板元件4-1，光路横向偏折距离7mm，此时泵浦激光入射多通道ppln晶体6的第八通道。三个平行平板元件4-1均打开，即处于图中b位置，泵浦激光不经过任何一个平行平板元件4-1，无偏折，泵浦光束直线入射多通道ppln晶体6的第一通道。这样通过自由组合平行平板元件4-1的开、关状态，可实现泵浦光束入射多通道ppln晶体6的任一极化通道。基于上述编码，泵浦光束依次从多通道ppln晶体6的第一通道切换到第八通道时，三个平行平板元件4-1的三个驱动电机4-2依次接收的编码信号为：111，110，101，100，011，010，001，000。具体如何设置编码根据实际需要确定，以激光探测的应用需求为例：激光探测需要间隔发射波长为c的探测激光(假设对应于多通道ppln晶体6的第一通道)和波长为d的参考激光(假设对应于多通道ppln晶体6的第二通道)，此时，平行平板元件4-1的驱动电机4-2接收到的编码信号为交替的111和110，从而实现参量激光c、d波长间隔发射。同理，面对更为复杂的编码应用，在将待发射的激光波长和ppln晶体6的极化通道进行一一对应后，即可对平行平板元件4-1的驱动电机4-2的工作状态进行编码，从而实现中红外激光的可编码输出。