一种基于双微盘的微型中红外激光器的制作方法

[0001]
本申请涉及中红外激光技术领域，尤其涉及一种基于双微盘的微型中红外激光器。


背景技术：

[0002]
波长范围在3-5微米的中红外激光最适宜进行红外光谱分析，在医学、生物等多个领域有着广泛的应用；而且，中红外波段激光具有很强的大气穿透能力，因此在气象监测、空间光通信、激光测距、激光雷达、激光制导、遥感等多个方面也有着广泛的应用。
[0003]
在众多产生长波红外波段光源的技术方案中，采用近红外激光器为泵浦光源，通过光参量效应实现频率下转换是获得3～5μm长波红外激光的一种方案，其技术途径包括有差频(df)、光参量产生(opg)、光参量振荡(opo)和光参量放大器(opa)。相对于df和opg技术，opo和opa技术装置简单，能够获得高重复频率、高平均功率输出。
[0004]
基于上述原理，专利号为209418978u的专利，公开了一种高效中红外连续可调谐光参量振荡激光器；专利号为106981818b的专利，公开了一种片状微腔近红外种子光注入锁定可调谐中红外窄线宽纳秒脉冲光参量放大器；专利号为106992426b的专利，公开了一种单端输出的腔内泵浦光参量振荡器。上述专利采用了分离的空间光学元件，如谐振腔镜、透镜、反射镜等构成激光器的主要组成部分，不可避免的造成了激光器的整体结构复杂，体积大，重量重，难以应用于对重量和体积要求较高的领域。


技术实现要素：

[0005]
本申请提供了一种基于双微盘的微型中红外激光器，以满足激光器对重量和体积的较高要求。
[0006]
本申请提供一种基于双微盘的微型中红外激光器，包括激光源、耦合器、回音壁微盘激光器和回音壁微盘光参量振荡器；所述回音壁微盘激光器和所述回音壁微盘光参量振荡器层叠设置；
[0007]
所述耦合器包括第一透镜、下层耦合晶体、上层耦合晶体和第二透镜，所述下层耦合晶体和所述上层耦合晶体层叠设置；
[0008]
所述第一透镜设置在所述激光源与所述下层耦合晶体的入射面之间，所述回音壁微盘激光器与所述下层耦合晶体的下层耦合面相切，所述回音壁微盘激光器与所述上层耦合晶体的上层耦合面相切，所述回音壁微盘光参量振荡器与所述上层耦合晶体的上层耦合面相切，所述第二透镜耦合所述上层耦合晶体的输出面；
[0009]
所述激光源用于产生单频激光，单频激光经过所述第一透镜耦合准直后，由所述下层耦合晶体耦合进入所述回音壁微盘激光器，单频激光经过所述回音壁微盘激光器上能级跃后，形成泵浦光，泵浦光通过所述上层耦合晶体耦合进入所述回音壁微盘光参量振荡器，泵浦光在所述回音壁微盘光参量振荡器中共振增强后，产生近红外波段的信号光和中红外波段的闲频光，信号光和闲频光依次通过所述上层耦合晶体和第二透镜后输出。
[0010]
可选的，所述上层耦合晶体还包括第一反射面和第二反射面；所述第一反射面和所述第二反射面均为弧面；
[0011]
所述泵浦光依次经过所述第一反射面和所述第二反射面的反射聚焦进入所述上层耦合晶体。
[0012]
可选的，还包括分别设置在所述回音壁微盘激光器两侧的第一加热片和第二加热片。
[0013]
可选的，还包括分别设置在所述回音壁微盘光参量振荡器两侧的第三加热片和第四加热片。
[0014]
可选的，所述下层耦合晶体和所述上层耦合晶体的光线折射率均大于所述下层耦合晶体和上层耦合晶体的光线折射率。
[0015]
可选的，所述回音壁微盘激光器的材料为掺钕钒酸钇晶体，厚度为0.5mm，直径为1mm-10mm。
[0016]
可选的，所述回音壁微盘光参量振荡器的材料为铁电晶体。
[0017]
可选的，所述下层耦合晶体和所述上层耦合晶体的材料为金红石。
[0018]
可选的，所述下层耦合面与所述上层耦合面重合；
[0019]
所述回音壁微盘激光器与所述下层耦合面之间的间距为100nm；所述回音壁微盘光参量振荡器与所述上层耦合面之间的间距为100nm。
[0020]
可选的，还包括金属外壳，所述金属外壳内部设置有隔热板，所述金属外壳上设置有用于填充氮气的气密口和引出电控线的线孔。
[0021]
由以上技术方案可知，本申请实施例提供的一种基于双微盘的微型中红外激光器，包括激光源、耦合器、回音壁微盘激光器和回音壁微盘光参量振荡器；所述回音壁微盘激光器和所述回音壁微盘光参量振荡器层叠设置；所述耦合器包括第一透镜、下层耦合晶体、上层耦合晶体和第二透镜，所述下层耦合晶体和所述上层耦合晶体层叠设置；所述第一透镜设置在所述激光源与所述下层耦合晶体的入射面之间，所述回音壁微盘激光器与所述下层耦合晶体的下层耦合面相切，所述回音壁微盘激光器与所述上层耦合晶体的上层耦合面相切，所述回音壁微盘光参量振荡器与所述上层耦合晶体的上层耦合面相切，所述第二透镜耦合所述上层耦合晶体的输出面。
[0022]
在实际应用过程中，所述激光源用于产生单频激光，单频激光经过所述第一透镜耦合准直后，由所述下层耦合晶体耦合进入所述回音壁微盘激光器，单频激光经过所述回音壁微盘激光器上能级跃后，形成泵浦光，泵浦光通过所述上层耦合晶体耦合进入所述回音壁微盘光参量振荡器，泵浦光在所述回音壁微盘光参量振荡器中共振增强后，产生近红外波段的信号光和中红外波段的闲频光，信号光和闲频光依次通过所述上层耦合晶体和第二透镜后输出。通过将所述回音壁微盘激光器和所述回音壁微盘光参量振荡器设计为层叠式的双微盘结构，并利用一个所述耦合器实现激光的多次耦合，使得所述基于双微盘的微型中红外激光器在质量和体积上大幅减少，从而满足激光器对重量和体积的较高要求。
附图说明
[0023]
为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还
可以根据这些附图获得其他的附图。
[0024]
图1为本申请实施例提供的一种基于双微盘的微型中红外激光器的整体结构示意图；
[0025]
图2为本申请实施例提供的一种基于双微盘的微型中红外激光器的双微盘结构示意图；
[0026]
图3为本申请实施例提供的一种基于双微盘的微型中红外激光器的耦合器结构示意图；
[0027]
图4为本申请实施例提供的回音壁微盘光参量振荡器的直线型周期图案示意图；
[0028]
图5为本申请实施例提供的回音壁微盘光参量振荡器的扇型周期图案示意图；
[0029]
图6为图1的俯视结构示意图；
[0030]
图7为图1的侧视结构示意图；
[0031]
图8为本申请实施例提供的一种基于双微盘的微型中红外激光器的外壳结构示意图。
[0032]
图示说明：
[0033]
其中，1-激光源，2-耦合器，21-第一透镜，22-下层耦合晶体，221-入射面，22-下层耦合面，23-上层耦合晶体，231-上层耦合面，232-输出面，233-第一反射面，234-第二反射面，24-第二透镜，3-回音壁微盘激光器，4-回音壁微盘光参量振荡器，5-第一加热片，6-第二加热片，7-第三加热片，8-第四加热片，9-金属外壳，91-气密口，92-线孔。
具体实施方式
[0034]
下面将详细地对实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下实施例中描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。仅是与权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的系统和方法的示例。
[0035]
为了满足激光器对重量和体积的较高要求，本申请实施例提供一种基于双微盘的微型中红外激光器，如图1所示，为本申请实施例提供的一种基于双微盘的微型中红外激光器的整体结构示意图；所述基于双微盘的微型中红外激光器包括激光源1、耦合器2、回音壁微盘激光器3和回音壁微盘光参量振荡器4；如图2所示，为本申请实施例提供的一种基于双微盘的微型中红外激光器的双微盘结构示意图；所述回音壁微盘激光器3和所述回音壁微盘光参量振荡器4层叠设置，形成双微盘结构。所述回音壁微盘激光器3由稀土离子掺杂的晶体组成，例如nd:yag(钇铝石榴石)、nd:yvo4(掺钕钒酸钇)等，所述回音壁微盘激光器3的厚度为0.5mm，直径为1mm-10mm，其优选直径为3mm。
[0036]
所述回音壁微盘激光器3的谐振光波长为1000nm-1500nm，例如1064nm、1342nm等，所述回音壁微盘光参量振荡器4的材料为铁电晶体，例如linbo3(铌酸锂)、litao3(钽酸锂)或ktp(磷酸钛氧钾)等晶体构成，通过室温电场极化方法产生周期畴结构，用以补偿二阶非线性过程的位相失配。其中典型的极化图案如图4和图5所示，图4为本申请实施例提供的回音壁微盘光参量振荡器的直线型周期图案示意图；图5为本申请实施例提供的回音壁微盘光参量振荡器的扇型周期图案示意图；图4和图5中，黑色和白色部分代表极化方向相反的畴。所述激光源1由808nm的分布布拉格反射dbr半导体激光器构成，输出波长为808nm的单
频激光。
[0037]
如图3所示，为本申请实施例提供的一种基于双微盘的微型中红外激光器的耦合器结构示意图；所述耦合器2包括第一透镜21、下层耦合晶体22、上层耦合晶体23和第二透镜24，所述下层耦合晶体22和所述上层耦合晶体23层叠设置。
[0038]
所述下层耦合晶体22和所述上层耦合晶体23的光线折射率均大于所述下层耦合晶体22和上层耦合晶体23的光线折射率，例如，采用金红石材料制作所述下层耦合晶体22和所述上层耦合晶体23；所述第一透镜21设置在所述激光源1与所述下层耦合晶体22的入射面221之间，所述回音壁微盘激光器3与所述下层耦合晶体22的下层耦合面222相切，所述回音壁微盘激光器3与所述上层耦合晶体23的上层耦合面231相切，所述回音壁微盘光参量振荡器4与所述上层耦合晶体23的上层耦合面231相切，所述第二透镜24耦合所述上层耦合晶体23的输出面232。
[0039]
本申请实施例提供的一种基于双微盘的微型中红外激光器，在实际应用过程中，所述激光源1用于产生单频激光，单频激光经过所述第一透镜21耦合准直后，由所述下层耦合晶体22耦合进入所述回音壁微盘激光器3，单频激光经过所述回音壁微盘激光器3上能级跃后，形成泵浦光，泵浦光通过所述上层耦合晶体23耦合进入所述回音壁微盘光参量振荡器4，泵浦光在所述回音壁微盘光参量振荡器4中共振增强后，产生近红外波段的信号光和中红外波段的闲频光，信号光和闲频光依次通过所述上层耦合晶体23和第二透镜24后输出。
[0040]
通过将所述回音壁微盘激光器3和所述回音壁微盘光参量振荡器4设计为层叠式的双微盘结构，并利用一个所述耦合器2实现激光的多次耦合，使得所述基于双微盘的微型中红外激光器在质量和体积上大幅减少，从而满足激光器对重量和体积的较高要求。
[0041]
如图3所示，在本申请的部分实施例中，所述上层耦合晶体23还包括第一反射面233和第二反射面234；所述第一反射面233和所述第二反射面234均为弧面；所述泵浦光依次经过所述第一反射面233和所述第二反射面234的反射聚焦进入所述上层耦合晶体23。以下通过具体实例进行说明。
[0042]
如图6所示，为图1的俯视结构示意图，所述激光源1是波长为808nm，线宽为10mhz，平均功率为100mw的dbr激光器。所述激光源1输出的808nm激光经所述第一透镜21准直后输出，进入下层耦合晶体22，所述回音壁微盘激光器3与所述下层耦合面222之间的间距为100nm；所述回音壁微盘光参量振荡器4与所述上层耦合面231之间的间距为100nm；808nm的激光在下层耦合面222与回音壁微盘激光器3的交界面上形成倏逝波，进入回音壁微盘激光器3，并沿回音壁微盘激光器3的外侧环形侧壁传播。nd:yvo4晶体在吸收了808nm激光后，通过上能级跃迁产生1064nm激光，在回音壁微盘激光器3内形成共振增强的泵浦光，并通过耦合平面出射，泵浦光进入上层耦合面231，依次经过第一反射面233和第二反射面234的反射聚焦，再经由上层耦合面231进入所述回音壁微盘光参量振荡器4，并沿所述回音壁微盘光参量振荡器4外侧传播，在所述回音壁微盘光参量振荡器4中的1064nm激光经过共振增强，当强度超过阈值，产生参量下转换的1548.6nm激光(信号光)和3400nm激光(闲频光)。产生的信号光和闲频光在所述回音壁微盘光参量振荡器4中共振增强，产生的1548.6nm激光和3400nm激光依次通过上层耦合面231、输出面232和第二透镜24输出。
[0043]
在所述回音壁微盘光参量振荡器4中的二阶非线性过程为：1个1064nm光子通过二
阶非线性过程转换为1个1548.6nm光子和1个3400nm光子，根据位相匹配公式，在27℃下，所述回音壁微盘光参量振荡器4的极化周期为30.6μm。通过室温电场极化方式将上述周期按照图5的图形制作。
[0044]
以图6为例，在回音壁微盘激光器3中，808nm激光沿逆时针旋转，而产生的1064nm激光在顺时针和逆时针方向都有分部。顺时针的1064nm激光经下层耦合面222进入下层耦合晶体22，并原路返回重新进入到回音壁微盘激光器3中，转化为逆时针方向旋转。在重复多次上述过程之后，由于激光具有增益竞争效应，逆时针方向旋转的1064nm激光将越来越强，顺时针方向旋转的1064nm激光将越来越弱，从而最终形成激光微盘中的1064nm激光的单向传输和单向输出效果。而在回音壁微盘光参量振荡器4中，由于非线性效应的原因，产生的信号光和闲频光方向与泵浦1064nm激光方向一致，因此只有逆时针方向传输的激光。
[0045]
进一步的，所述回音壁微盘激光器3输出的泵浦激光波长需要和所述回音壁微盘光参量振荡器4的纵模模式重合，才能达到最大耦合效果。为达到此目的，本申请实施例中，所述回音壁微盘激光器3和所述回音壁微盘光参量振荡器4均具有温度控制装置，如图7所示，为图1的侧视结构示意图，所述基于双微盘的微型中红外激光器还包括分别设置在所述回音壁微盘激光器3两侧的第一加热片5和第二加热片6，以及分别设置在所述回音壁微盘光参量振荡器4两侧的第三加热片7和第四加热片8。通过控制所述回音壁微盘激光器3和所述回音壁微盘光参量振荡器4的温度，保证泵浦激光波长和所述回音壁微盘光参量振荡器4的纵模模式重合。
[0046]
所述第一加热片5、所述第二加热片6、所述第三加热片7和所述第四加热片8内部由均由电加热丝和温度传感器例如pt1000)组成。通过控制第一加热片5和第二加热片6，对所述回音壁微盘激光器3的温度进行控制，通过控制第三加热片7和第四加热片8，对所述回音壁微盘光参量振荡器4的温度进行控制，使得回音壁微盘激光器3输出的1064nm激光波长能够与所述回音壁微盘光参量振荡器4的共振波长对准，并使得所述回音壁微盘光参量振荡器4中的信号光和闲频光能够进行双共振。
[0047]
如图8所示，为本申请实施例提供的一种基于双微盘的微型中红外激光器的外壳结构示意图。所述基于双微盘的微型中红外激光器，还包括金属外壳9，所述金属外壳9内部设置有隔热板，所述金属外壳9为密封设计结构，且设置有用于填充氮气的气密口91和引出电控线的线孔92，所述气密口91可重复旋转打开及密封。
[0048]
由以上技术方案可知，本申请实施例提供的一种基于双微盘的微型中红外激光器，包括激光源1、耦合器2、回音壁微盘激光器3和回音壁微盘光参量振荡器4；所述回音壁微盘激光器3和所述回音壁微盘光参量振荡器4层叠设置；所述耦合器2包括第一透镜21、下层耦合晶体22、上层耦合晶体23和第二透镜24，所述下层耦合晶体22和所述上层耦合晶体23层叠设置；所述第一透镜21设置在所述激光源1与所述下层耦合晶体22的入射面221之间，所述回音壁微盘激光器3与所述下层耦合晶体22的下层耦合面222相切，所述回音壁微盘激光器3与所述上层耦合晶体23的上层耦合面231相切，所述回音壁微盘光参量振荡器4与所述上层耦合晶体23的上层耦合面231相切，所述第二透镜24耦合所述上层耦合晶体23的输出面232。
[0049]
在实际应用过程中，所述激光源1用于产生单频激光，单频激光经过所述第一透镜21耦合准直后，由所述下层耦合晶体22耦合进入所述回音壁微盘激光器3，单频激光经过所
述回音壁微盘激光器3上能级跃后，形成泵浦光，泵浦光通过所述上层耦合晶体23耦合进入所述回音壁微盘光参量振荡器4，泵浦光在所述回音壁微盘光参量振荡器4中共振增强后，产生近红外波段的信号光和中红外波段的闲频光，信号光和闲频光依次通过所述上层耦合晶体23和第二透镜24后输出。通过将所述回音壁微盘激光器3和所述回音壁微盘光参量振荡器4设计为层叠式的双微盘结构，并利用一个所述耦合器2实现激光的多次耦合，使得所述基于双微盘的微型中红外激光器在质量和体积上大幅减少，从而满足激光器对重量和体积的较高要求。
[0050]
本申请提供的实施例之间的相似部分相互参见即可，以上提供的具体实施方式只是本申请总的构思下的几个示例，并不构成本申请保护范围的限定。对于本领域的技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下依据本申请方案所扩展出的任何其他实施方式都属于本申请的保护范围。