3.8微米激光器、激光频率变换器、1.06微米变换至3.8微米的激光频率变换方法与流程

本发明属于激光技术领域，具体的说是涉及一种高效率3.8微米激光器及激光频率变换器以及1.06微米激光变换至3.8微米中红外激光的频率变换方法。

背景技术：

3.8微米中红外激光处于中红外大气窗口中，在大气中传输时，其光波的衰减很小，并且还与一些原子的吸收峰相匹配，因此，在激光雷达、大气环境检测、特殊环境远距离监控以及光谱学研究等诸多领域有重要的应用价值。

目前，获得中红外固体激光输出的主要方法有3种：第1种为二极管直接输出中红外激光；第2种为采用二极管激光直接激射掺杂中红外稀土粒子晶体；第3种为采用中红外非线性晶体光学参量振荡(opo)技术获得；其中，光学参量振荡器能够产生宽光谱可调谐相干输出，并能将现有的激光波长转换到传统激光器无法达到的波段。同时随着性能优良抽运源和中红外非线性晶体技术的发展，opo相继实现了从紫外到远红外的全波段调谐、从连续到超快飞秒的整个时间谱范围运转。

由于1.06微米激光具有很好的可放大性，所以通常采用此激光作为光参量振荡的泵浦源，例如，采用1.06微米激光抽运ppmgln晶体准相位匹配技术实现3.84微米激光输出，平均功率11.2瓦，光光转换效率11.9％。由于这种方法采用的是非简并opo结构，因此光光转换效率较低。

技术实现要素：

鉴于已有技术存在的缺陷，本发明的目的是要提供一种高效率3.8微米激光器，其利用高效受激拉曼与光参量振荡相结合的变频技术手段以实现1.06微米基频激光向中红外波长激光的转换过程。

为了实现上述目的，本发明的技术方案：

一种3.8微米激光器，其特征在于，包括：

泵浦激光器，其用以输出1.06微米泵浦源激光光束；

拉曼变频激光器，其用以接收所述泵浦源激光光束并转换为具有1.9微米激光波长的第一激光光束；

第一二向色镜，其用以自所述第一激光光束中分离出1.9微米激光且透射至光束整形器；

光束整形器；

光参量振荡谐振腔结构，其用以将1.9微米激光转换为具有3.8微米中红外激光波长的第二激光光束；

以及第二二向色镜，其用以自第二激光光束中分离出3.8微米中红外激光；

其中，所述泵浦激光器输出的1.06微米泵浦源激光光束经拉曼变频激光器转换为具有1.9微米激光波长的第一激光光束；经由第一二向色镜分光后，其中1.9微米激光透射至光束整形器，由光参量振荡谐振腔结构将1.9微米激光转换为具有3.8微米中红外激光波长的第二激光光束后通过第二二向色镜自第二激光光束中分离出3.8微米中红外激光。

基于上述方案，进一步优选的，所述光参量振荡谐振腔结构为外腔式简并光参量振荡器，其包括：第一光参量振荡腔镜、光参量振荡变频晶体以及第二光参量振荡腔镜，并依据1.9微米激光是否是单次或者两次通过光参量振荡变频晶体的需求配置相应的第一光参量振荡腔镜以及第二光参量振荡腔镜。

基于上述方案，进一步优选的，

若为单次通过光参量振荡变频晶体，则所述第一光参量振荡腔镜镀附有对1.9微米激光波长増透和对3.8微米波长高反射率的介质膜，所述第二光参量振荡腔镜镀附有对1.9微米激光波长増透和对3.8微米波长具有一定输出率的介质膜；

若为两次通过光参量振荡变频晶体，则所述第一光参量振荡腔镜上镀附有对1.9微米激光波长増透和对3.8微米波长高反射率的介质膜，所述第二光参量振荡腔镜镀附有对1.9微米激光波长高反射率和对3.8微米波长有一定输出率的介质膜；且设置光隔离器进行光隔离以隔离光参量振荡谐振腔结构返回的1.9微米激光。

基于上述方案，进一步优选的，

第一光参量振荡腔镜以及第二光参量振荡腔镜均采用平面镜、或者具有一定曲率的凹面镜或具有一定曲率的凸面镜。

基于上述方案，进一步优选的，

所述光参量振荡变频晶体的数量为一块或多块，并选择下述材质中的任意一种：磷锗锌、铌酸锂、周期极化铌酸锂、硫铟锂、硒镓银、硒化镓、硫镓银或硒化镉。

基于上述方案，进一步优选的，

所述第一二向色镜为镀有对1.9微米激光波长増透和对1.06微米波长高反射率的介质膜的平面镜；所述第二二向色镜为镀有对1.9微米激光波长増透和对3.8微米波长高反射率的介质膜的平面镜。

基于上述方案，进一步优选的，

所述光束整形器为圆透镜或柱面透镜组成的透镜组，所述透镜组中的每一透镜均镀有对1.9微米波长増透的介质膜。

基于上述方案，进一步优选的，

所述激光器还设置有用以分别收集所述第一二向色镜、所述第二二向色镜反射或者透射出的废光的废光收集器。

本发明还要提供一种激光频率变换装置，其上述任意一项方案所述的3.8微米激光器。

本发明还要提供一种1.06微米变换至3.8微米的激光频率变换方法，其特征在于：

步骤1、通过泵浦激光器输出1.06微米泵浦源激光光束；

步骤2、通过拉曼变频激光器接收所述泵浦源激光光束并转换为具有1.9微米激光波长的第一激光光束；

步骤3、通过第一二向色镜自所述第一激光光束中的分离出1.9微米激光且透射至光束整形器；

步骤4、通过光参量振荡谐振腔结构将经由光束整形器所输出的1.9微米激光转换为具有3.8微米中红外激光波长的第二激光光束；

步骤5、通过第二二向色镜自第二激光光束中分离出3.8微米中红外激光；

其中，所述光参量振荡谐振腔结构为外腔式简并光参量振荡器，其包括：第一光参量振荡腔镜、光参量振荡变频晶体以及第二光参量振荡腔镜并依据1.9微米激光是否是单次或者两次通过光参量振荡变频晶体的需求配置相应的第一光参量振荡腔镜以及第二光参量振荡腔镜；若为单次通过光参量振荡变频晶体，则所述第一光参量振荡腔镜镀附有对1.9微米激光波长増透和对3.8微米波长高反射率的介质膜，所述第二光参量振荡腔镜镀附有对1.9微米激光波长増透和对3.8微米波长具有一定输出率的介质膜；若为两次通过光参量振荡变频晶体，则所述第一光参量振荡腔镜上镀附有对1.9微米激光波长増透和对3.8微米波长高反射率的介质膜，所述第二光参量振荡腔镜镀附有对1.9微米激光波长高反射率和对3.8微米波长有一定输出率的介质膜；且设置光隔离器进行光隔离以隔离光参量振荡谐振腔结构返回的1.9微米激光。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明为了解决1.06微米激光直接转换为3.8微米激光技术的光转换效率较低的问题，利用高效受激拉曼与光参量振荡相结合的变频技术手段以实现1.06微米基频激光向中红外波长激光转换的高效率的3.8微米中红外激光输出装置；其能够有效降低阈值并提高转换效率。

附图说明

图1为本发明所述3.8微米激光器对应的结构示意图；

图2为本发明所述3.8微米激光器对应的另一结构示意图。

图中：1、泵浦激光器，2、拉曼变频激光器，3、第一二向色镜，4、光束整形器，5、第一光参量振荡腔镜，6、光参量振荡变频晶体，7、第二光参量振荡腔镜，8、第二二向色镜，9、第一废光收集器，10、第二废光收集器，11、光隔离器。

具体实施方式

为使本发明的目的、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。

如上所述，鉴于现有技术中存在光转换效率较低的问题。如图1，本发明提供了一种3.8微米激光器，其特征在于，包括：

泵浦激光器1，其用以输出1.06微米泵浦源激光光束；

拉曼变频激光器2，其用以接收所述泵浦源激光光束并转换为具有1.9微米激光波长的第一激光光束；

第一二向色镜3，其用以自所述第一激光光束中分离出1.9微米激光且透射至光束整形器；

光束整形器4；

光参量振荡谐振腔结构，其用以将1.9微米激光转换为具有3.8微米中红外激光波长的第二激光光束；

以及第二二向色镜8，其用以自第二激光光束中分离出3.8微米中红外激光；

其中，所述泵浦激光器1输出的1.06微米泵浦源激光光束经拉曼变频激光器2转换为具有1.9微米激光波长的第一激光光束；经由第一二向色镜3分光后，其中1.9微米激光透射至光束整形器4，由光参量振荡谐振腔结构将1.9微米激光转换为具有3.8微米中红外激光波长的第二激光光束后通过第二二向色镜8自第二激光光束中分离出3.8微米中红外激光。

基于上述方案，进一步的优选例1，所述泵浦激光器1的输出波长为1.06微米，其对应的脉宽可以为纳秒、皮秒或者飞秒，重复频率可以为一赫兹至几百兆赫兹中的任意一种。

基于上述优选例1，进一步的优选例2，所述拉曼变频激光器2可以采用多冲程气体受激拉曼激光器输出多种增益光程的拉曼光，便于达到最优转换效率；且拉曼池中填充有拉曼介质、氢气，以能够输出波长1.9微米的激光，如采用申请号为201410583137.4所述的拉曼变频激光器或者申请号为201410172730.x中提及的激光器。

基于上述优选例2，进一步的优选例3，所述第一二向色镜3为镀有对1.9微米激光波长増透和对1.06微米波长高反射率的介质膜的平面镜；所述第二二向色镜为镀有对1.9微米激光波长増透和对3.8微米波长高反射率的介质膜的平面镜。如所述第一二向色镜3为镀有对1.9微米激光波长透过率大于95％和对1.06微米波长反射率大于95％的介质膜的平面镜；所述第二二向色镜为镀有对1.9微米激光波长透过率大于95％和对3.8微米波长反射率一般大于95％的介质膜的平面镜

基于上述优选例3，进一步的优选例4，所述光束整形器4为圆透镜或柱面透镜组成的透镜组，所述透镜组中的每一透镜均镀有对1.9微米波长透过率大于95％的介质膜。

基于上述优选例4，进一步的优选例5，所述光参量振荡谐振腔结构为外腔式简并光参量振荡器，其包括：第一光参量振荡腔镜5、光参量振荡变频晶体6以及第二光参量振荡腔镜7并依据1.9微米激光是否是单次或者两次通过光参量振荡变频晶体的需求配置相应的第一光参量振荡腔镜以及第二光参量振荡腔镜。

基于上述优选例5，进一步的优选例6，若为单次通过光参量振荡变频晶体，则所述第一光参量振荡腔镜镀附有对1.9微米激光波长増透(其透过率一般大于95％)和对3.8微米波长高反射率(其反射率一般大于95％)的介质膜，所述第二光参量振荡腔镜镀附有对1.9微米激光波长増透(其透过率一般大于95％)和对3.8微米波长具有一定输出率的介质膜；若为两次通过光参量振荡变频晶体，则所述第一光参量振荡腔镜上镀附有对1.9微米激光波长増透(其透过率一般大于95％)和对3.8微米波长高反射率(其反射率一般大于95％)的介质膜，所述第二光参量振荡腔镜镀附有对1.9微米激光波长高反射率(其反射率一般大于95％)和对3.8微米波长有一定输出率的介质膜；且设置光隔离器11进行光隔离以隔离光参量振荡谐振腔结构返回的1.9微米激光；其中光隔离器可以将光参量振荡腔结构返回的1.9微米激光进行光隔离，避免其损伤其他光学元器件。

基于上述优选例6，进一步的优选例7，第一光参量振荡腔镜5以及第二光参量振荡腔镜7均采用平面镜、或者具有一定曲率的凹面镜或具有一定曲率的凸面镜。

基于上述优选例7，进一步的优选例8，所述光参量振荡变频晶体6的数量为一块或多块，并选择下述材质中的任意一种：磷锗锌、铌酸锂、周期极化铌酸锂、硫铟锂、硒镓银、硒化镓、硫镓银或硒化镉。

基于上述优选例8，进一步的优选例9，如图2，所述激光器还设置有用以分别收集所述第一二向色镜3、所述第二二向色镜反8射出的废光的两个废光收集器即第一废光收集器9与第二废光收集器10，所述废光收集器可以采用水冷结构的块状光收集器，其材质为耐激光毁伤的材料。

本发明还要提供一种激光频率变换器，其上述任意一项方案所述的3.8微米中红外激光器。

本发明还要提供一种1.06微米变换至3.8微米的激光频率变换方法，其特征在于：

步骤1、通过泵浦激光器输出1.06微米泵浦源激光光束；

步骤2、通过拉曼变频激光器接收所述泵浦源激光光束并转换为具有1.9微米激光波长的第一激光光束；

步骤3、通过第一二向色镜自所述第一激光光束中的分离出1.9微米激光且透射至光束整形器；

步骤4、通过光参量振荡谐振腔结构将经由光束整形器所输出的1.9微米激光转换为具有3.8微米中红外激光波长的第二激光光束；

步骤5、通过第二二向色镜自第二激光光束中分离出3.8微米中红外激光；

其中，所述光参量振荡谐振腔结构为外腔式简并光参量振荡器，其包括：第一光参量振荡腔镜、光参量振荡变频晶体以及第二光参量振荡腔镜并依据1.9微米激光是否是单次或者两次通过光参量振荡变频晶体的需求配置相应的第一光参量振荡腔镜以及第二光参量振荡腔镜；若为单次通过光参量振荡变频晶体，则所述第一光参量振荡腔镜镀附有对1.9微米激光波长増透(其透过率一般大于95％)和对3.8微米波长高反射率(其反射率一般大于95％)的介质膜，所述第二光参量振荡腔镜镀附有对1.9微米激光波长増透(透过率一般大于95％)和对3.8微米波长具有一定输出率的介质膜；若为两次通过光参量振荡变频晶体，则所述第一光参量振荡腔镜上镀附有对1.9微米激光波长増透(透过率一般大于95％)和对3.8微米波长高反射率(反射率一般大于95％)的介质膜，所述第二光参量振荡腔镜镀附有对1.9微米激光波长高反射率(反射率一般大于95％)和对3.8微米波长有一定输出率的介质膜；且设置光隔离器进行光隔离以隔离光参量振荡谐振腔结构返回的1.9微米激光。

综上所述，本发明采用受激拉曼与光参量振荡相结合的变频技术，先利用受激拉曼获得1.9微米拉曼激光即采用1.06微米激光泵浦氢气池，产生受激拉曼散射光1.9微米(光子转换效率高于80％，对应光光转换效率达44.6％，)，再利用高效率简并光参量振荡获得3.8微米中红外激光即采用1.9微米的拉曼光来作为简并光参量振荡的泵浦光，并且光参量振荡采用泵浦光两次通过增益介质的结构，预计产生光光效率高于50％的3.8微米中红外激光，这样，从1.06微米波长转换到3.8微米波长的转换效率高于22.3％，是非简并光参量振荡效率的2倍以上；因此可见受激拉曼中采用的多冲程多次折返的结构以及光参量振荡中采用泵浦光一次往返的结构和简并光参量振荡方式，均有利于降低阈值和提高转换效率；本发明所述的3.8微米中红外激光器是一种整体光学效率高、便捷的将1.06微米激光转换到3.8微米中红外激光的装置。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。