一种可调谐中红外双频激光系统的制作方法

本发明涉及固体激光器技术领域，具体涉及一种可调谐中红外双频激光系统。

背景技术：

3-5μm中红外激光对烟雾、大气穿透力强，在大气中的氮气和氧气中传输衰减很低，是大气传输窗口的波段，因此在红外激光制导、红外激光雷达、红外激光通信、激光定向红外干扰等军事领域具有重要的应用。同时，3-5μm波段存在许多分子振动谱线，在光谱分析和环境质量监测领域也具有重要的应用。双频激光主要应用于相干探测领域，以双频激光的拍频信号为探测媒介，在保证很高的空间分辨率的同时具有更强的抗大气干扰能力，同时其信号处理系统采用成熟的微波信号处理系统。因此，双频3-5μm中红外激光是中红外相干激光雷达和差分吸收雷的重要激光源。光参量振荡是实现中红外激光的重要方法，具有波长调谐范围大、转换效率高、结构简单、稳定性好的优点。目前的光参量振荡器主要为单频光参量振荡，具有较大波长差的双波长光参量振荡也有报道，但是尚未有可调谐中红外双频激光的产生系统。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种可调谐中红外双频激光系统，能够产生拍频可调谐的中红外双频闲频光。

为达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种可调谐中红外双频激光系统，包括单频红外激光输出模块21、光纤分束器3、声光晶体4、光纤合束器6、光纤功率放大器7以及光参量振荡器20；

所述单频红外激光输出模块21用于输出频率为f0的单频红外激光；

所述光纤分束器3用于按照预设的分光比将所述单频红外激光分为第一单频激光和第二单频激光，其中，所述第一单频激光直接入射到光纤合束器6，所述第二单频激光入射到声光晶体4后再入射到光纤合束器6；

所述声光晶体4用于将第二单频激光的频率变换为f0+frf，其中，frf为声光晶体4的驱动频率；

所述光纤合束器6用于将所述第一单频激光与频率变换为f0+frf的第二单频激光合成一路双频激光；

所述光纤功率放大器7用于将所述双频激光进行功率放大后，入射到所述光参量振荡器20；

所述光参量振荡器20用于将经过功率放大后的双频激光转化为中红外双频闲频光与近红外双频信号光，其中，所述近红外双频信号光在光参量振荡器20内振荡，所述中红外双频闲频光从所述光参量振荡器20中输出，从而得到中红外双频激光。

进一步地，所述光参量振荡器20包括第一平凹腔镜13、第一平面腔镜14、光参量振荡晶体15、第二平面腔镜17以及第二平凹腔镜18；

所述经过功率放大后的双频激光通过所述第一平凹腔镜13入射到光参量振荡晶体15后，从光参量振荡晶体15输出中红外双频闲频光与近红外双频信号光；

所述第二平凹腔镜18用于透射所述中红外双频闲频光，并将所述近红外双频信号光反射到第一平面腔镜14，则所述近红外双频信号光依次通过第一平面腔镜14与第二平面腔镜17反射回第一平凹腔镜13后，再次入射光参量振荡晶体15，实现在光参量振荡器20内的振荡。

进一步地，一种可调谐中红外双频激光系统，还包括温控炉16；

所述温控炉16用于改变光参量振荡晶体15的温度，实现中红外双频闲频光输出波长的可调谐。

进一步地，所述单频红外激光输出模块21包括808nm半导体激光器1与nd:yag晶体2；

所述808nm半导体激光器1出射的激光泵浦所述nd:yag晶体2，得到频率为f0的1064nm单频红外激光。

进一步地，一种可调谐中红外双频激光系统，还包括锗片19；

所述锗片19用于滤除所述光参量振荡器20输出的除中红外双频闲频光外的其它激光。

进一步地，一种可调谐中红外双频激光系统，还包括射频源驱动5；

所述射频源驱动5用于驱动所述声光晶体4，使所述第二单频激光在声光晶体4发生频率变换。

进一步地，一种可调谐中红外双频激光系统，还包括光纤准直透镜8、格兰棱镜9、半波片10、第一激光透镜11以及第二激光透镜12；

所述经过功率放大后的双频激光入射到所述光参量振荡器20前，依次入射到光纤准直透镜8、格兰棱镜9、半波片10、第一激光透镜11以及第二激光透镜12；

所述光纤准直透镜8用于将所述经过功率放大后的双频激光转换为准直激光；

所述格兰棱镜9用于将所述准直激光转换为线偏振光；

所述半波片10用于调节所述线偏振光的偏振方向，使所述线偏振光变为垂直偏振光；

所述第一激光透镜11与第二激光透镜12均用于调节所述垂直偏振光的光斑大小。

进一步地，所述预设分光比为1:2。

有益效果：

1、本发明提供了一种可调谐中红外双频激光系统，采用单频激光通过声光晶体移频再合束的方法实现双频激光，通过光纤放大器后注入光参量振荡器中，实现中红外双频激光的输出；此外，本发明通过改变声光晶体的驱动频率，能够实现输出中红外双频激光拍频的可调谐。

2、本发明提供光参量振荡器包括光参量振荡晶体，且光参量振荡晶体的温度与中红外双频闲频光的波长有关，通过改变光参量振荡晶体的温度和极化周期，可以实现中红外双频闲频光输出波长的可调谐。

附图说明

图1为本发明提供的一种可调谐中红外双频激光系统的结构示意图；

图2为本发明提供的另一种可调谐中红外双频激光系统的结构示意图；

1-808nm半导体激光器、2-nd:yag晶体、3-光纤分束器、4-声光晶体、5-声光驱动源、6-光纤合束器、7-光纤功率放大器、8-光纤准直透镜、9-格兰棱镜、10-半波片、11-第一激光透镜、12-第二激光透镜、13-第一平凹腔镜、14-第一平面腔镜、15-光参量振荡晶体、16-温控炉、17-第二平面腔镜、18-第二平凹腔镜、19-锗片。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

实施例一

参见图1，该图为本实施例提供的一种可调谐中红外双频激光系统的结构示意图。一种可调谐中红外双频激光系统，包括单频红外激光输出模块21、光纤分束器3、声光晶体4、光纤合束器6、光纤功率放大器7以及光参量振荡器20；

所述单频红外激光输出模块21用于输出频率为f0的单频红外激光；

所述光纤分束器3用于按照预设的分光比将所述单频红外激光分为第一单频激光和第二单频激光，其中，所述第一单频激光直接入射到光纤合束器6，所述第二单频激光入射到声光晶体4后再入射到光纤合束器6；

可选的，所述预设分光比为1:2，分别为1/3端和2/3端；其中2/3端通过声光晶体4后进入光纤合束器；1/3端直接进入光纤合束器6；

所述声光晶体4用于将第二单频激光的频率变换为f0+frf，其中，frf为声光晶体4的驱动频率；

所述光纤合束器6用于将所述第一单频激光与频率变换为f0+frf的第二单频激光合成一路双频激光；

所述光纤功率放大器7用于将所述双频激光进行功率放大后，入射到所述光参量振荡器20；

需要说明的是，光纤合束器输出的双频激光，功率为mw量级；利用光纤功率放大器将双频激光的功率放大至几十w量级，作为光参量振荡器的泵浦光。通过改变声光晶体4的频差可以调节双频激光的拍频。

所述光参量振荡器20用于将经过功率放大后的双频激光转化为中红外双频闲频光与近红外双频信号光，其中，所述近红外双频信号光在光参量振荡器20内振荡，所述中红外双频闲频光从所述光参量振荡器20中输出，从而得到中红外双频激光。

实施例二

基于以上实施例，本实施例提供另一种可调谐中红外双频激光系统。参见图2，该图为本实施例提供的另一种可调谐中红外双频激光系统的结构示意图。

一种可调谐中红外双频激光系统，包括单频红外激光输出模块21、光纤分束器3、声光晶体4、射频源驱动5、光纤合束器6、光纤功率放大器7、光纤准直透镜8、格兰棱镜9、半波片10、第一激光透镜11、第二激光透镜12、温控炉16、锗片19以及光参量振荡器20。

进一步地，所述单频红外激光输出模块21包括808nm半导体激光器1与nd:yag晶体2；

所述808nm半导体激光器1出射的激光泵浦所述nd:yag晶体2，得到频率为f0的1064nm单频红外激光。

所述光纤分束器3用于按照预设的分光比将所述频率为f0的1064nm单频红外激光分为第一单频激光和第二单频激光，其中，所述第一单频激光直接入射到光纤合束器6，所述第二单频激光入射到声光晶体4后再入射到光纤合束器6。

所述声光晶体4用于将第二单频激光的频率变换为f0+frf，其中，frf为声光晶体4的驱动频率。

所述射频源驱动5用于驱动所述声光晶体4，使所述第二单频激光在声光晶体4发生频率变换。

所述光纤合束器6用于将所述第一单频激光与频率变换为f0+frf的第二单频激光合成一路双频激光。

所述光纤功率放大器7用于将所述双频激光进行功率放大后，依次入射到光纤准直透镜8、格兰棱镜9、半波片10、第一激光透镜11以及第二激光透镜12。

所述光纤准直透镜8用于将所述经过功率放大后的双频激光转换为准直激光。

需要说明的是，由于所述光纤功率放大器7将所述双频激光进行功率放大后，输出的激光是发散的，因此需要用光纤准直透镜8将发散的双频激光转换为准直激光。

所述格兰棱镜9用于将所述准直激光转换为线偏振光。

所述半波片10用于调节所述线偏振光的偏振方向，使所述线偏振光变为垂直偏振光。

所述第一激光透镜组11与第二激光透镜组12均用于调节所述垂直偏振光的光斑大小。

需要说明的是，光斑大小存在一个最优值，不是越大越好，也不是越小越好，而光斑大小影响最终的中红外双频激光的输出效率，则光纤准直透镜8、第一激光透镜11以及第二激光透镜12相互配合来调制光斑大小，使得实际光斑大小无限接近所述最优值。

需要说明的是，偏振方向也是中红外双频激光的输出效率的影响原因之一。

经过光斑大小调节的垂直偏振光从所述第二激光透镜12出射后，入射到所述光参量振荡器20。

进一步地，所述光参量振荡器20包括第一平凹腔镜13、第一平面腔镜14、光参量振荡晶体15、第二平面腔镜17以及第二平凹腔镜18；

所述经过功率放大后的双频激光通过所述第一平凹腔镜13入射到光参量振荡晶体15后，从光参量振荡晶体15输出中红外双频闲频光与近红外双频信号光；

所述第二平凹腔镜18用于透射所述中红外双频闲频光，并将所述近红外双频信号光反射到第一平面腔镜14，则所述近红外双频信号光依次通过第一平面腔镜14与第二平面腔镜17反射回第一平凹腔镜13后，再次入射光参量振荡晶体15，实现在光参量振荡器20内的振荡。

需要说明的是，经过功率放大后的双频激光的频率分别为f0与f0+frf，光参量振荡晶体15将频率为f0的单频激光部分分别变换为频率为fs1和fi1的信号光和闲频光，将频率为f0+frf的单频激光部分分辨变换为频率为fs2和fi2的信号光和闲频光，其中，频率为fi1和fi2的激光构成中红外双频闲频光，频率为fs1和fs2的激光构成近红外双频信号光，频率为fi1和fi2的中红外双频闲频光从第二平凹腔镜18透射出去，频率为fs1和fs2近红外双频信号光在第一平凹腔镜13、第一平面腔镜14、光参量振荡晶体15、第二平面腔镜17以及第二平凹腔镜18之间来回震荡。

进一步地，所述中红外双频闲频光的波长和近红外双频信号光的波长与光参量振荡晶体15的温度有关；

所述温控炉16用于放置所述光参量振荡晶体15，改变光参量振荡晶体15的温度，实现中红外双频闲频光输出波长的可调谐。其中，温控炉16的温度范围在20°～110°，温度越高，中红外双频闲频光的波长越短，近红外双频信号光的波长越长。

所述锗片19用于滤除所述第二平凹腔镜18输出的除中红外双频闲频光外的其它激光，例如单频红外激光输出模块21输出的单频红外激光，光纤合束器6输出的双频激光，或者第二平凹腔镜18泄漏的近红外双频信号光，这三种光均可能随着激光的传播进入到光参量振荡器20。

下面详细介绍基于本实施例实现双频中红外激光输出的方法。

本实施例提供的一种可调谐中红外双频激光系统采用1064nm双频激光泵浦光参量振荡器的方法实现双频中红外激光输出，该方法具体包括如下步骤：

步骤一：双频1064nm激光由808nm半导体激光器1、单块非平面环形腔nd:yag晶体2、声光晶体4、光纤分束器3、光纤合束器6和光纤功率放大器7组成；

808nm半导体激光器1泵浦单块非平面环形腔nd:yag晶体2输出频率为f0的1064nm单频激光。

1064nm单频激光由光纤分束器3分成两部分，分光比为1：2，分别为1/3端和2/3端；其中2/3端通过移频器后进入光纤合束器3；移频器的驱动频率为frf，则2/3端经过移频器后频率变为f0+frf；1/3端直接进入光纤合束器6。

光纤合束器6输出1064nm双频激光，功率为mw量级；利用光纤功率放大器将1064nm双频激光的功率放大至几十w量级，作为光参量振荡器20的泵浦光。通过改变声光晶体4的频差可以调节1064nm双频激光的拍频。

步骤二：1064nm双频激光由光纤功率放大器7输出后，依次通过光纤准直透镜8、格兰棱镜9、半波片10、第一激光透镜11、第二激光透镜12聚焦到mgo:ppln光参量振荡晶体15。

第一平凹腔镜13、第一平面腔镜14、第二平面腔镜17以及第二平凹腔镜18对近红外双频信号光高反，构成了近红外双频信号光单谐振光参量振荡器。

安放在温控炉16中的光参量振荡晶体15将1064nm双频激光转化为中红外双频闲频光和近红外双频信号光。近红外双频信号光在激光谐振腔内振荡，中红外闲频光由第二平凹腔镜18输出，经由锗片19滤除泵浦光和其它杂散光输出中红外双频闲频光。由于中红外双频闲频光的波长和近红外双频信号光的波长与光参量振荡晶体15的温度和极化周期有关，通过改变光参量振荡晶体的温度和极化周期可以实现输出波长的可调谐。

本发明实施例通过实验，得到了如下结果：输出激光为中红外双频闲频光，功率为w量级，通过改变mgo:ppln光参量振荡晶体15的温度和极化周期，输出波长调谐范围为3-3.8μm，改变射频源驱动5的驱动声光晶体4的频率，双频激光拍频调谐范围为125-175mhz。

第一平凹腔镜13、第二平凹腔镜18平面镀1064nm(r<1％)/1400-1750nm(r<1％)/2800-4300nm(r<10％)，凹面镀1064nm(r<1％)/1400-1750nm(r>99.8％)/2800-4300nm(r<10％)。第一平面腔镜14、第二平面腔镜17内表面镀1064nm(r<1％)/1400-1750nm(r>99.8％)/2800-4300nm(r<10％)，外表面镀1064nm(r<1％)/1400-1750nm(r<1％)/2800-4300nm(r<10％)。光参量振荡晶体15前后端面镀1064nm(r<1％)/1400-1750nm(r<1％)/2800-4300nm(r<10％)。

第一平凹腔镜13、第一平面腔镜14、第二平面腔镜17的材质为h-k9l，第二平凹腔镜18的材质为caf2。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。