激光设备及方法

本发明主要涉及光学领域，具体涉及非线性光学、非线性材料以及激光器。

背景技术：

1、中波红外和长波红外波长范围内的光生成对于包括气体感测、自由空间通信和激光 雷达在内的许多领域都很重要(参见，杜振辉等，“用于痕量气体感测的中红外可调谐激光宽频指纹吸收光谱技术：综述”，《应用科学》，第9卷，第2期，2019年)。

2、例如，许多气体的基本吸收波段都在中红外波长或长波红外范围内，因此，这是一个用于进行气体感测的有用范围，其中，在该范围内的吸收系数远大于在短红外波中。 中波和长波红外区域具有几个大气吸收可忽略不计的窗口，这使得光能在比电信行业中 广泛使用的标准短波红外波长更长的距离上进行传输和接收(参见，例如，mohammad alikhalighi，murat uysal，“自由空间光通信概述：通信理论视角”，ieee通信调查与教程， 第16卷，第4期，2014年)。这使得中红外和长波红外光对例如激光雷达和自由空间光 通信等应用非常有用，在这些应用中，大气效应会显著降低设备性能。

3、用于测量温室气体(ghg)的常用仪器是基于激光技术的。无论使用的测量方法是激光雷达还是气体光谱法，都需要能够满足各种性能要求的高质量激光器。由于电信行 业中光学技术的兴起，能够发射短波红外(swir)的激光器可在实现高性能的同时还具 有成本效益。然而，许多值得监测的温室气体，包括甲烷和一氧化二氮，其基本吸收带 在中波红外(mwir)波长范围内，这使得能够在mwir中发射的激光源成为检测这些 气体的理想选择。因此，对能够实现包括高输出功率、窄发射波长和可调谐性的高性能 规格、且具有成本效益的mwir激光源有着强烈需求。

4、目前，气体光谱技术通常使用两种类型的激光器：用于3-4微米范围的带间级联激光器(icl)和用于7-11微米范围的量子级联激光器(qcl)(例如，参见美国专利申请 公开号2012/0113426a1；giacomo insero等；“利用取向图案化磷化镓晶体在中红外中的 差频产生”，《光学快报optics letters》，第41卷，第21期，第5114-5117页，2016年；kosterev等人，“量子级联激光器在痕量气体分析中的应用”，《应用物理b》，第90卷， 第165-176页，2008年)。就icl而言，输出功率通常非常低，约为mw级(参见例如， 美国专利9,438,011b2；giacomo insero等人，“利用取向图案化磷化镓晶体在中红外中 的差频产生”，《光学快报optics letters》，第41卷，第21期，第5114-5117页，2016 年)。此外，由于制造icl所需的复杂半导体制造工艺，icl对许多应用来说成本高昂。 量子级联激光器最近已被证实具有3微米范围内的发射波长，但尚未商业化。因此，目 前还没有一种商业上可获得的商用激光器，能够实现高功率、窄发射线宽、低成本以及 3-4微米的中心发射波长。

5、光学参量振荡器是一种可用于产生中波红外光的激光器。虽然光学参量振荡器的成 本比其他中波红外激光器，例如icl和qcl低得多，但它们需要许多额外的光学元件 来创建所需的腔。此外，它们具有更大的发射光谱，这降低了它们在光谱等应用中的有 效性。虽然光学参量振荡器已经实现了窄线宽，但它们需要使用波长选择元件来降低输 出功率。因此，通常使用脉冲操作来增加输出功率；然而，许多光谱技术，如波长调制 光谱技术，需要连续的波源和输出波长的快速扫描，从而阻止了脉冲光参量振荡器的使 用。

6、反向光学参量振荡器代表了可用于产生窄发射线宽mwir光的另一种器件。反向光学参量振荡器的理论分析表明，发射线宽可以是几十皮米(参见，例如，canalias， c.，pasiskevicius，v.“无镜光学参量振荡器”。《自然光子》1，459-462(2007))。然而， 由于技术原因，它们在传统非线性材料上的应用有限。

7、在所证实的器件中，已通过选择能在足够小的区域内极化的材料或通过极化结构和 泵浦光的复杂对准实现了操作(例如，参见citlali e.minor和roger s.cudney，“大体积 ppln和pplt中的无反射镜光学参量振荡：可行性研究”，《应用物理b》2017年)。其 他理论研究表明，在周期性极化铌酸锂中实现反向光学参量振荡的可能性，但这需要使 用更高阶的准相位匹配，从而导致了器件效率的急剧下降，并且可能仅限于脉冲操作(参 见，例如citlali e.minor和roger s.cudney，“大体积ppln和pplt中的无反射镜光学参 量振荡：可行性研究”，《应用物理b》2017年)。已经在ppln中使用相对于泵浦激光 器倾斜的极化周期的四波混频过程的波导中(参见，例如，美国专利no.9,086,609b1) 以及太赫兹波产生(参见，例如美国专利no.10,725,359b2)中证实了无反射镜振荡， 从而允许使用更大的极化周期。还提出了在双光子生成中使用反向光参量产生(参见， 例如，美国专利no.8,970,944b2)，并进行了理论研究，但由于难以实现所需的小极化 尺寸而未能实现。

8、已报道了许多用于光谱学的具有中波红外发射的光学参量振荡器源。已报道了能实 现亚纳米发射线宽的器件(参见例如，美国专利第5,657,119a号)，这与中波红外范围内的许多气体吸收光谱线宽相当。然而，这是通过使用复杂的设置来实现的，该设置需 要精确对准以最佳地运行，这增加了安装或使用期间发生未对准的风险，阻碍了该器件 成为理想的候选器件(参见，例如，y f彭等人，“基于ppmgln的高功率窄线宽光学 参量振荡器”，《激光物理》23，2013；sheng，quan等人，“880nm内泵浦下的连续波 中红外腔内单谐振ppln-opo”，《光学快报optics express》，第20卷，第7期，第8041 页，2012年；giacomo insero等人，“利用取向图案化磷化镓晶体在中红外中的差频产生”， 《光学快报optics letters,》，第41卷，第21期，第5114-5117页，2016年)。已经开发 了其他系统(例如，参见美国专利申请no.5,796,513a)，其在没有复杂结构的情况下实 现了窄发射线宽，但除了泵浦激光器之外还需要使用种子激光器。通过使用双腔内光学 参量振荡器(例如，参见美国专利no.8,867,584b2)，可以实现高的连续波输出功率， 该振荡器具有合适该振荡器具有合适的泵浦源和涂层，以及瓦特级的电势。

9、需要具有成本效益的方法来产生具有结构简单、小尺寸、高效率、窄线宽和潜在的高速调制能力的mwir和/或lwir相干源。

技术实现思路

1、下面的概述旨在向读者介绍本技术给出的技术教导的各个方面，但不是用于限定本 发明。

2、根据一些方面，提供了一种窄线宽中红外激光器，其包括具有快轴压缩器和泵浦波 长λo的泵浦激光二极管；以及被设置成用于接收泵浦波长λo的光学谐振器，所述光学谐振器包括具有激射波长λp的激光晶体、分色镜和用于产生闲频信号波长λi的非线性 晶体。

3、在一些实施方式中，激光晶体的输入面涂覆有第一涂层，该涂层是在激射波长λp处的高透射涂层，并且在泵浦波长λp处的高反射涂层；以及，激光晶体的输出面涂覆有 第二涂层，该第二涂层是在泵浦波长λp处的抗反射涂层。

4、在一些实施方式中，分色镜被选择为在泵浦波长λp处具有接近零的损耗，在闲频信号波长λi处具有高反射。

5、在一些实施方式中，非线性晶体是用于反向光学参量振荡的取向图案化半导体。

6、在一些实施方式中，非线性晶体包括涂覆有第三涂层的输入面，该第三涂层在激射 波长λp处为抗反射涂层，并且在闲频信号波长λi为高透射率涂层；以及，所述非线性 晶体还包括涂覆有第四涂层的输出面，该第四涂层在激射波长λp处为高反射涂层。

7、根据一些方面，提供了一种窄线宽中红外激光器，其包括：具有快轴压缩器和泵浦波长λo的泵浦激光二极管；以及被设置成用于接收泵浦波长λo的光学谐振器，所述光 学谐振器包括具有激射波长λp的激光晶体和用于产生闲频信号波长λi的非线性晶体， 以及，被设置成接收来自于非线性晶体的输出面的闲频信号波长λi的滤光器。所述光学 谐振器可限制所述泵浦波长λo。

8、在一些实施方式中，激光晶体的输入面涂覆有第一涂层，该涂层是在激射波长λp处的高透射涂层，并且在泵浦波长λp处为高反射涂层；以及，激光晶体的输出面涂覆有 第二涂层，该第二涂层是在泵浦波长λp处的抗反射涂层。

9、在一些实施方式中，非线性晶体是用于反向光学参量振荡的取向图案化半导体。

10、在一些实施方式中，非线性晶体包括涂覆有第三涂层的输入面，该第三涂层在激射 波长λp处为抗反射涂层，并且在闲频信号波长λi为高透射率涂层；以及，所述非线性 晶体还包括涂覆有第四涂层的输出面，该第四涂层在激射波长λp处为高反射涂层和在闲 频信号波长λi处为抗反射或高透射率涂层。

11、在一些实施方式中，所述滤光器在闲频信号波长λi处具有接近零的损耗，在激射波长λp处以及也是由该非线性晶体产生的信号波长λs处具有高抑制性。

12、根据一些方面，提供了一种高功率中红外激光器，其包括：具有快轴压缩器和泵浦波长λo的泵浦激光二极管；以及被设置成用于接收泵浦波长λo的第一光学谐振器，所 述第一光学谐振器包括具有激射波长λp的激光晶体、分色镜和用于产生闲频信号波长λi 和信号波长λs的非线性晶体；以及，被设置成限制信号波长λs的第二光学谐振器，所 述第二光学谐振器包括反射镜、窄带滤光器、分色镜和非线性晶体。所述第一光学谐振 器可限制所述泵浦波长λp。

13、在一些实施方式中，所述激光晶体包括涂覆有第一涂层的输入面，该第一涂层是泵 浦波长λo处的高透射涂层以及在激射波长λp处的高反射涂层；以及，激光晶体的输出面涂覆有第二涂层，该第二涂层是在激射波长λp处的抗反射涂层。

14、在一些实施方式中，非线性晶体是用于反向光学参量振荡的取向图案化半导体。

15、在一些实施方式中，非线性晶体包括涂覆有第三涂层的输入面，该第三涂层在激射 波长λp处为抗反射涂层，在信号波长λs处为抗反射涂层，和在闲频信号波长λi处为高反射涂层；以及，所述非线性晶体还包括涂覆有第四涂层的输出面，该第四涂层在激射 波长λp处为高反射涂层，在在信号波长λs处为高反射涂层，和在闲频信号波长λi处为 高反射或高透射涂层。

16、在一些实施方式中，分色镜在激射波长λp处具有接近零的损耗，在闲频信号波长λi的处具有高反射。

17、在一些实施方式中，所述窄带滤光器在信号波长λs处具有接近零的损耗，在激射波长λp和闲频信号波长λi的处具有高抑制。

18、在一些实施方中，反射镜在信号波长λs处具有高反射。

19、在一些实施方中，所述第二光学谐振器还包括高速光学调制器。

20、在一些实施方式中，所述激光器还包括安装在非线性晶体上的两个电极。

21、根据一些方面，提供了一种调谐闲频信号波长λi的方法，其包括：使用激光器产生泵浦波长λo；以及使用两个电极向非线性晶体施加电压。

22、根据某些方面，提供了一种调谐闲频信号波长λi的方法，其包括：使用激光器产生泵浦波长λo；以及使用两个电极施加通过非线性晶体的电流。