一种基于级联光学差频产生中红外激光的装置的制作方法

本发明属于中红外激光技术领域，具体涉及基于级联差频的中红外激光光源。

背景技术：

3~5 μm中红外波段激光处于大气窗口区、高温物体热辐射能量集中区及水分子强吸收区，在遥感探测、光电对抗及医疗诊断等领域有着十分重要的应用。与普通波长固定的单峰中红外激光相比，多峰、宽谱及宽调谐中红外激光在一些特殊场合有着更为重要的应用，譬如太赫兹产生，CARS光谱测温技术、相干脉冲合成、量子光学、多组分气体同步检测等，因此中红外激光光源的光谱调控技术一直以来都是非线性变频领域中的研究热点。中红外波段激光主要应用在以下领域：

（1）光谱分析

中红外3-5 μm波段被称为分子的“指纹谱”，该波段峰多且复杂，涵盖了大部分分子的吸收谱线，甲烷、乙烷、丙烷、氯化氢、硫化氢、氟化氢、水蒸气等气体可以用中红外波段检测。因此该波段激光可以更广泛的探测大气成分、大气污染、生化毒剂以及臭氧、水蒸气分布等。

（2）医疗诊断

中红外波段包含了水的吸收峰，辐射生物组织时，组织内部水分子迅速吸收激光能量，瞬间达到汽化温度并受热分解，生物组织汽化带走了大部分热量，因此减少了对周围组织的光化学解离消融作用，从而高精度的消融了病变组织，并大大降低了致突变的风险。

（3）光电对抗

在科技高速发展的现代，在战争中掌握精准打击和反精准打击的对抗技术已经成为作战制胜的关键。通过利用激光对敌方的光电设备或危险目标进行快速精准定位制导摧毁目标，这种作战方式具有高隐蔽性、攻击性以及高精度攻击等特性，特别是通过成像、凝视、多波段复合制导技术手段研制的第四代红外制导导弹，在制导灵敏度和抗干扰能力有突出优势，可以更远更精确的攻击目标。

基于晶体非线性频率变换技术实现的光学参量振荡器（optical parametric oscillator，OPO）具有调谐范围宽，转换效率高，光束质量好，结构紧凑灵活，谱宽选择度高等诸多优点，是目前实现中红外波段激光输出的重要手段之一，获得了业界的青睐并成为了研究热点。由于OPO采用了谐振腔结构，存在阈值的限制，并且对气体检测而言，其单频控制方面有待提高。近年来，基于差频产生的中红外光源，由于具有结构简单、调谐方便、室温运转和无值限制等优良特性，受到了广泛的关注。随着准相位匹配(QPM)技术及各种新型周期性极化非线性品体的应用，中红外DFG光源发展迅速，已成为当前气体光谱检测的主流光源。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于级联光学差频产生中红外激光的装置，可以使级联光中各阶级联光的能量聚集在中红外激光。

本发明的目的是以下述方式实现的：一种基于级联光学差频产生中红外激光的装置，包括第一泵浦源和第二泵浦源，APPLN晶体，PPLN晶体，合束镜，望远镜系统以及相位延迟系统；

从第一泵浦源出射的第一泵浦光进入合束镜；从第二泵浦源出射的第二泵浦光经过相位延迟系统后进入合束镜；第一泵浦光与第二泵浦光在合束镜中合为一束混频光；混频光经过望远镜系统后入射到APPLN晶体中，通过级联光学差频效应产生级联光；级联光入射至PPLN晶体中，经过级联光学差频作用产生中红外激光；

第一泵浦光和第二泵浦光的频率不同；光束传播的平面为X轴和Y轴所确定的平面，Z轴垂直于光束传播的平面，从第一泵浦源出射的第一束泵浦光的初始传播方向为X轴正向，从第二泵浦源出射的第二泵浦光的初始传播方向为Y轴负向，混频光、级联光以及中红外激光的传播方向均为X轴正向。

所述第一泵浦源采用脉冲激光器，第二泵浦源采用脉冲激光器，上述两个泵浦光的偏振方向均为Z轴。

相位延迟系统由第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜和第四反射镜组成；从第二泵浦源出射的第二泵浦光经过由第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜及第四反射镜组成的相位延迟系统进入合束镜。

所述第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜均为平面镜；第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜对第二泵浦光全反射。

所述APPLN晶体和PPLN晶体均为长方体，在X-Y平面内为矩形，晶体的光轴沿Z轴。

所述APPLN晶体由前后两部分组成，前部分晶体的极化周期固定，后部分晶体的极化周期不固定。

APPLN晶体前部分晶体的极化周期为235.13 μm，后部分晶体的极化周期从236.85 μm逐渐减小到234.41 μm。

所述PPLN晶体极化周期满足第160阶-第171阶中任意一阶anti-Stokes级联差频的相位失配等于0，使级联光中各阶级联光的能量聚集在某一中红外激光。

所述级联光是多个频率的级联光混合的一种混频光，且它们共线传播；级联光中相邻阶级联光的频率差等于第一泵浦光与第二泵浦光之间的频率差。

相对于现有技术，本发明提供的基于级联光学差频产生中红外激光的装置与现有的产生中红外激光的装置相比，通过设置APPLN和PPLN晶体的极化周期，可以使各阶级联光的能量聚集在中红外激光，具有光学转换效率高的优点。

附图说明

图1是本发明实施例的结构原理图。

图2是APPLN晶体极化周期沿晶体长度方向的分布。

图3是当两个泵浦源的功率密度分别为300 MW/cm²，APPLN晶体长度为25 mm时，从APPLN晶体得到的级联光谱分布图。

图4是当两个泵浦源的功率密度分别为300 MW/cm²，APPLN晶体长度为25 mm时，在PPLN晶体长度为165 mm处的级联光谱分布。

具体实施方式

以下将结合附图以及具体实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员可以根据下述本发明的内容做出一些非本质的改进和调整。在本发明中，除非另有明确的规定和限定，本申请使用的技术术语应当为本发明所述技术人员所理解的通常意义。

如附图1所示，一种基于级联光学差频产生中红外激光的装置，包括第一泵浦源1和第二泵浦源4，APPLN晶体12，PPLN晶体14，合束镜3，望远镜系统11以及相位延迟系统。

从第一泵浦源1出射的第一泵浦光2进入合束镜3。从第二泵浦源4出射的第二泵浦光5经过相位延迟系统后进入合束镜3。第一泵浦光2与第二泵浦光5在合束镜3中合为一束混频光10。混频光10经过望远镜系统11后入射到APPLN晶体12中，通过级联光学差频产生级联光13。级联光13入射至PPLN晶体14中，经过级联光学差频作用产生中红外激光15。

光束传播的平面为X轴和Y轴所确定的平面，Z轴垂直于光束传播的平面，从第一泵浦源1出射的第一束泵浦光2的初始传播方向为X轴正向，从第二泵浦源4出射的第二泵浦光5的初始传播方向为Y轴反向，混频光10、级联光13以及中红外激光15的传播方向均为X轴正向。第一泵浦光2和第二泵浦光5的频率不同。级联光13中相邻阶级联光的频率差等于第一泵浦光2与第二泵浦光5之间的频率差。

一个泵浦光通过相位延时系统的目的是为了使两个泵浦光相位同步。

相位延迟系统由第一反射镜6、第二反射镜7、第三反射镜8和第四反射镜9组成；从第二泵浦源4出射的第二泵浦光5经过由第一反射镜6、第二反射镜7、第三反射镜8及第四反射镜9组成的相位延迟系统进入合束镜3。泵浦光通过相位延迟系统不改变光的传播方向，泵浦光可以通过不止一个相位延时系统。

所述APPLN晶体12由前后两部分组成，前部分晶体的极化周期固定，后部分晶体的极化周期不固定。

所述PPLN晶体14极化周期满足第160阶-第171阶中任意一阶anti-Stokes级联差频的相位失配等于0，使级联光13中各阶级联光的能量聚集在某一中红外激光15。

本实施例中，第一泵浦源1采用Yb:YAG脉冲激光器，第一泵浦光2的频率为291.26 THz，第二泵浦源4采用Yb:YAG脉冲激光器，第二泵浦光5的频率为290.76 THz。上述两个泵浦光的泵浦功率密度均为300 MW/cm²，重复频率均为10 Hz，光束直径均为1 mm，偏振方向均为Z轴。

本实施例中，第一反射镜6、第二反射镜7、第三反射镜8、第四反射镜9均为平面镜；第一反射镜6、第二反射镜7、第三反射镜8、第四反射镜9对第二泵浦光5全反射。

本实施例中，APPLN晶体12和PPLN晶体14均为长方体，在X-Y平面内为矩形，APPLN晶体的尺寸为X×Y×Z为25 mm×5 mm×2 mm，晶体的光轴沿Z轴。PPLN晶体的尺寸为X×Y×Z为165 mm×5 mm×2 mm，晶体的光轴沿Z轴。

本实施例中，使用望远镜系统的目的是缩束到0.5 mm，缩束的目的是为了使泵浦光完全通过后面的装置，当不需要缩束时，可以不使用望远镜系统。

本实施例中，晶体长度方向为沿X轴正方向，如附图2所示，APPLN晶体极化周期沿晶体长度的分布，APPLN晶体12由前后两部分组成，前部分晶体的极化周期为235.13 μm，后部分晶体的极化周期从236.85 μm逐渐减小到234.41 μm。

本实施例中，级联光13中相邻阶级联光的频率差等于0.5 THz，如附图3所示。

本实施例中，PPLN晶体14的极化周期设定为250 μm。PPLN晶体14的极化周期满足某一阶anti-Stokes级联差频的相位失配等于0，使级联光13中各阶级联光的能量聚集在209.26 THz，如附图4所示。

以上所述的实施例仅是对于本发明技术方案的举例和说明，便于本领域技术人员理解本申请的技术方案，而不是全部的实施方式，本发明的保护范围并不局限于此。以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。本发明的基本思路在于上述基本方案，对于本领域的及任何熟悉本技术领域的技术人员来说，在不脱离发明整体构思和本发明的原理的精神的前提下，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换、等同替换和变型，这些也应该视为本发明的保护范围。