CN100395926C - 一种级联光参量振荡激光器 - Google Patents

Abstract

一种级联光参量振荡激光器，属于激光器技术领域。为了克服高功率长波长激光器装置成本过高或结构复杂等缺点，本发明提出一种新型结构的高平均功率的级联光参量振荡激光器。利用偏振分光元件把一段谐振腔和环形腔的联结起来，在环形腔中放置90度偏振旋转器，组成了一个偏振光循环谐振腔，腔内的激光可以实现两种频率或近简并的偏振光的偏振态循环谐振。把第一级光参量振荡激光器和第二级光参量振荡激光器安放在该谐振腔的光路的合适位置，第一级光参量振荡激光器输出简并或近简并激光泵浦第二级光参量振荡激光器，输出长波长激光。本发明具有结构简单，成本低和利用效率高等特点。

Description

一种级联光参量振荡激光器

技术领域

本发明属于激光器技术领域，特别涉及光参量振荡激光器(Optical Parametric Oscillator，简称OPO)的腔型设计。

背景技术

中红外长波长激光器是研究的热点。其中一种实现长波长激光器的方法是使用1微米左右的激光泵浦第一级OPO产生2微米左右的频率简并激光，然后再用2微米左右的简并激光泵浦第二级OPO，产生中红外长波长激光(详见J.A.C.Terry，K.J.McEwan，and M.J.P.Payne，“A tandem OPO route to the mid-IR，”in Advanced Solid State Lasers，W.R.Bosenberg and M.M.Fejer，eds.，Vol.19 of USA Trends in Optics and Photonics Series(OSA，1998)pp.236-239)。为了得到高平均功率的中红外输出，需要得到高平均功率的2微米激光，因此第一级OPO的非线性晶体需要具有高损伤阈值。磷酸钛氧钾(KTiOPO₄，简称KTP)和其同类晶体是一种较好的可实现2微米简并输出的非线性晶体，具有较大的接受角，可以实现较高的转换效率，具有高损伤阈值。磷化锗锌(ZnGeP₂，简称ZGP)晶体是一种可以输出高功率中红外激光的优秀非线性晶体。为了实现高效率输出，KTP晶体必须选择II类相位匹配，产生的简并激光是频率简并但偏振方向不简并，而ZGP晶体的泵浦光必须是线偏振的，这样给应用带来了困难。通常把第一级OPO的简并激光分光，产生两束线偏振光，分别泵浦两个ZGP晶体的第二级OPO。文献“Cheung，E.，et al.High power optical parametric oscillator source.2000.Big Sky，MT，USA：IEEE”即采用该种方法。该种方式需要两块ZGP晶体，ZGP晶体是昂贵的晶体，因此大大提高了成本，最后根据应用需要可能还要对中红外激光进行合光，增加了装置的复杂性。在文献“Norman Hodgson，Horst weber，“Laser Resonators and Beam Propagation”，Springer，2005”中，作者提到一个通过一个偏振分光元件和1/2波长波片构成的简易法拉第旋转器，可以把正交偏振的激光进行偏振旋转。

发明内容

为了克服前述装置成本过高和结构复杂等缺点，充分利用两种偏振的光，本发明在文献“Norman Hodgson，Horst weber，“Laser Resonators and Beam Propagation”，Springer，2005”提到的简易法拉第旋转器的基础上，提出了一种新型的级联光参量振荡激光器，所述级联光参量振荡激光器包括第一级光参量振荡激光器，第二级光参量振荡激光器和偏振光循环谐振腔；

所述偏振光循环谐振腔包括第一谐振腔和一个环形腔；所述第一谐振腔和环形腔的共用元件是偏振分光元件，它位于所述第一谐振腔和环形腔的联结点；所述第一级光参量振荡激光器为II类相位匹配，按照频率简并或近简并激光输出的相位匹配条件设置在所述第一谐振腔的光路上；短波长泵浦光输入到第一谐振腔以泵浦所述第一级光参量振荡激光器，所述第一级光参量振荡激光器产生波长相等或相近、偏振方向相互垂直的信号光和闲频光两种参量光，即简并或近简并激光；

所述偏振分光元件对所述第一谐振腔中的所述简并或近简并激光中的一种偏振光高透，另一种偏振光高反，使得所述的简并或近简并激光从所述第一谐振腔向所述环形腔传播时分光成为两束偏振光后分别沿环形腔两个相反的方向前进；所述环形腔中设有多个腔镜和一个用来实现所述的两束偏振光偏振方向互换的90度偏振旋转器；

第二级光参量振荡激光器设在所述偏振光循环谐振腔的环形腔中；所述简并或近简并激光经过环形腔时对第二级光参量振荡激光器进行双端泵浦，产生长波长激光输出。

在本发明中，所述第一谐振腔的一端设置第一腔镜，所述第一腔镜镀简并或近简并激光的高反膜。

在本发明中，所述第一级光参量振荡激光器包括第一级光参量振荡激光器腔镜、第一非线性晶体以及与所述偏振光循环谐振腔共用的第一腔镜；第一级光参量振荡激光器腔镜设置在所述第一腔镜和偏振分光元件之间的光路上，第一非线性晶体设置在所述第一腔镜和第一级光参量振荡激光器腔镜之间的光路上。

在本发明的一个方面，所述第一级光参量振荡激光器腔镜镀有对所述短波长泵浦光高反或高透的膜。

在本发明的另一个方面，所述第一级光参量振荡激光器腔镜镀有对所述的简并或近简并激光高透或者部分反射的膜。

在本发明中，第二级光参量振荡激光器包括左腔镜、右腔镜，以及设在左腔镜和右腔镜之间的光路上的第二非线性晶体。

在本发明的一个方面，所述左腔镜和右腔镜之一设置在所述环形腔腔外的光路延长线上。

在本发明的另一个方面，所述左腔镜和右腔镜同时设置在所述环形腔腔外的光路延长线上。

在本发明中，所述的90度偏振旋转器为所述简并或近简并激光的1/2波长波片。

在本发明中，所述的偏振分光元件为所述简并或近简并激光的偏振片。

本发明可以充分地利用偏振简并激光生成长波长激光输出，具有结构简单，成本低和利用效率高等特点。

附图说明

图1是本发明所述的级联光参量振荡激光器的第一个实施例示意图。

图2是本发明所述的级联光参量振荡激光器的第二个实施例示意图。

图3是本发明所述的级联光参量振荡激光器的第三个实施例示意图。

图4是本发明所述的级联光参量振荡激光器的第四个实施例示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例来进一步说明本发明。

本发明所述的级联OPO的第一个实施例，，如图1所示，包含第一级OPO、第二级OPO和偏振光循环谐振腔。上述三部分中的元件有共用现象。第一级OPO为简并或近简并激光输出，第二级OPO为普通OPO输出(可简并也可以非简并)。偏振光循环谐振腔由第一谐振腔和一个环形腔组成。偏振分光元件1和第一腔镜3组成第一谐振腔；偏振分光元件1，第一反射镜4和第二反射镜5组成了三角环形腔，三个元件位于三角环形腔的三个顶点处。偏振分光元件1为所述第一谐振腔和环形腔的共用元件，其放置的角度使得所述第一谐振腔中的简并或近简并激光13的一种偏振光高透，而另一种偏振光高反，并使得所述的两种线偏振光分光成两束偏振光后分别沿环形腔两个相反的方向前进。90度偏振旋转器2设在所述环形腔的光路中，用来实现所述的两束偏振光的偏振方向互换。

第一级OPO包括第一级OPO腔镜7、第一非线性晶体8以及与所述偏振光循环谐振腔共用的第一腔镜3；第一级OPO腔镜7设置在所述第一腔镜3和偏振分光元件1之间的光路上，第一非线性晶体8(如KTP等)为II类相位匹配，按照频率简并激光输出的相位匹配条件设置在所述第一腔镜3和第一级光参量振荡激光器腔镜7之间的光路上。

第二级OPO设在所述偏振光循环谐振腔的环形腔中，包括左腔镜6、右腔镜10和第二非线性晶体9；第二非线性晶体9(如ZGP等晶体)设在左腔镜6和右腔镜10之间的光路上。

左腔镜6和右腔镜10组成了第二非线性晶体9的谐振腔，选择左腔镜6和右腔镜10其中一个腔镜作为输出镜，输出镜对第二非线性晶体9产生的长波长激光14部分反，另外一个腔镜则高反。图1中选择了右腔镜10作为输出镜。

下面简要介绍上述实施例的工作过程。在光参量过程中，输入一个泵浦光λ_p，输出两个参量光：信号光λ_s和闲频光λ_i。

$\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_p}=\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_s}+\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_i}$

该公式表达了参量过程中的能量守恒。如果输出的信号光λ_s和闲频光λ_i两者波长相等，就称为简并光，如果两者差别很小，就称为近简并光。

$\frac{n_p}{{\mathrm{\λ}}_p}=\frac{n_s}{{\mathrm{\λ}}_s}+\frac{n_i}{{\mathrm{\λ}}_i}$

该公式表达了参量过程中的动量守恒，n_p、n_s和n_i分别是泵浦光λ_p、信号光λ_s和闲频光λ_i在OPO中的非线性晶体中的折射率。只有当上述两个公式代表的条件吻合时，光参量过程才发生。为了满足这个条件，泵浦光λ_p必须按照特定的角度入射进入非线性晶体，而非线性晶体也必须工作在特定的温度条件下(因为晶体折射率随温度变化)，这个条件称为相位匹配条件。如果某种特定的相位匹配条件能够使得信号光λ_s和闲频光λ_i两者波长相等或相近，就可以得到简并或近简并光的输出。对于不同的非线性晶体，其输出简并或近简并光的条件不同。泵浦光λ_p和信号光λ_s、闲频光λ_i的偏振方式都不一样称为I类相位匹配，泵浦光λ_p的偏振方式和信号光λ_s、闲频光λ_i两者其中之一相同称为II类相位匹配。

所述第一级OPO是II类相位匹配，外部的短波长泵浦光12输入到第一谐振腔以泵浦所述第一级OPO。所述第一级OPO产生信号光和闲频光，所述信号光和闲频光两束参量光波长相等或相近，偏振方向垂直，称为简并或近简并激光13；该简并或近简并激光13通过偏振分光元件1时，被分成两束，一束偏振光不改变传播方向，沿着三角环形腔的一条边前进，另外一束偏振光改变方向，沿着三角环形腔的另外一条边前进。90度偏振旋转器2为两束光在环形腔内的相遇点，每束激光在穿过90度偏振旋转器2后，偏振方向改变成和另外一束激光原来的方向一样，同时将沿着另外一束激光先前通过的光路反方向前进，所以两种偏振光的经过路径一样，最后又都经过偏振分光元件1返回第一级OPO，参与光参量作用，偏振光至此完成了一次偏振循环。这样的结构在环形腔中形成了一个单一的偏振光，第二级OPO在环形腔中相当于两个端面被同时泵浦，产生长波长激光14，长波长激光14最终将通过三角环形腔的其中一块镜片输出。90度偏振旋转器2放置在环形腔内长波长激光14不经过的光路上，以减小损耗。当第一级OPO腔镜7对简并或近简并激光13高透时，简并或近简并激光13在整个偏振光循环谐振腔内部形成一个大谐振，相当于第一级OPO和第二级OPO形成了一个内腔结构，第二级OPO处在第一级OPO的腔内；当第一级OPO腔镜7对简并激光部分反时，简并或近简并激光13在第一级OPO的谐振腔内谐振，也在偏振光循环谐振腔内运行，相当于第一级OPO和第二级OPO形成了一个复合腔结构。一般情况下，第一级OPO腔镜7优选为对简并或近简并激光13高透。第一级OPO腔镜7对短波长泵浦光12高反和高透，对应双程泵浦和单程泵浦两种泵浦方式。第一腔镜3镀简并或近简并激光13的高反膜。第二级OPO产生的长波长激光从环形腔中输出，起输出作用的环形腔腔镜对第二级OPO产生的长波长激光14高透，如图1中的第一反射镜4。

本发明所述的级联OPO的第二个实施例，如图2所示，第二级OPO的左腔镜6放到环形腔之外，靠近第二反射镜5，位于第一反射镜4和第二反射镜5之间的光路在腔外的延长线上；右腔镜10也放到环形腔之外，靠近第一反射镜4，位于第一反射镜4和第二反射镜5之间的光路在腔外的延长线上，第一反射镜4和第二反射镜5镀长波长激光14的高透膜，以减小损耗。

本发明所述的级联OPO的第三个实施例，如图3所示。左腔镜6和右腔镜10也可以选择其中一块放在环形腔之外，图中选择了右腔镜10放在环形腔之外，位于偏振分光元件1和第一反射镜4之间的光路在腔外的延长线上。第二级OPO可以放在环形腔的任意一段中，在实施例1和实施例2中，放在了第一反射镜4和第二反射镜5之间的光路上，在实施例3中，则放在了偏振分光元件1和第一反射镜4之间的光路上。

环形腔部分可以包含多个反射镜，其形状不一定是三角形，也可以是平行四边形等各种多边形。但是组成环形腔的腔镜越多，则损耗越大。级联OPO的第四个实施例，如图4所示，环形腔是平行四边形，增加了第三反射镜11。在环形腔光路中，也可以使用棱镜代替反射镜，完成折叠光路的功能。

文中所述偏振分光元件1可以是偏振片，也可以是格兰棱镜等其它能够完成偏振光分束的偏振器件。光路中可以放入不影响偏振的光学元件作为光路调节。90度偏振旋转器2可以是简并或近简并激光13的1/2波长波片，其光轴和简并或近简并激光13的两个偏振方向成45度角。90度偏振旋转器2也可以是其它偏振旋转元件。

本发明最典型的应用是中红外级联OPO，泵浦光为1064nm的激光，第一级OPO采用为KTP类的非线性晶体作为非线性晶体，产生2128nm附近的简并或近简并激光，该简并或近简并激光泵浦第二级OPO，第二级OPO采用ZGP作为非线性晶体，形成高效的3～5微米中红外输出。如果采用图1所示的结构，则短波长泵浦光12为1064nm的激光，第一非线性晶体8为KTP晶体，第二非线性晶体9为ZGP晶体，简并或近简并激光13的波长约为2128nm，为了得到2128nm附近的简并或近简并激光，KTP晶体要满足简并或近简并条件。同时为了得到较高效率，KTP晶体要采用II类相位匹配。根据短波长泵浦光12的波长和输出光的波长，在300K的工作温度下，根据前面所述的动量守恒和能量守恒的两个公式，以及晶体本身的折射率表达式，可以计算出简并光要求的角度，在KTP晶体主轴xyz坐标系中，入射光在xz平面内，与z轴夹角约为54度即可得到2128nm的简并或近简并激光13输出。为了便于使用，通常是把晶体沿垂直该方向的一个平面切割，使得1064nm的短波长泵浦光12可以正入射晶体表面。对于不同的晶体，其简并II类相位匹配角度是不一样的，但是本领域的技术人员都可以根据公知的常识和现有技术，以前述的步骤得到角度值。

本发明结构简单，充分利用了第一级OPO输出的简并或近简并激光，不存在长波长合光等附加装置，是一个高效的级联OPO。

Claims (10)

1.一种级联光参量振荡激光器，其特征在于：所述级联光参量振荡激光器包括第一级光参量振荡激光器，第二级光参量振荡激光器和偏振光循环谐振腔；

所述偏振光循环谐振腔包括第一谐振腔和一个环形腔；所述第一谐振腔和环形腔的共用元件是偏振分光元件(1)，它位于所述第一谐振腔和环形腔的联结点；所述第一级光参量振荡激光器为II类相位匹配，按照频率简并或近简并激光输出的相位匹配条件设置在所述第一谐振腔的光路上；短波长泵浦光(12)输入到第一谐振腔以泵浦所述第一级光参量振荡激光器，所述第一级光参量振荡激光器产生波长相等或相近、偏振方向相互垂直的信号光和闲频光两种参量光，即简并或近简并激光(13)；

所述偏振分光元件(1)对所述第一谐振腔中的所述简并或近简并激光(13)中的一种偏振光高透，另一种偏振光高反，使得所述的简并或近简并激光(13)从所述第一谐振腔向所述环形腔传播时分光成为两束偏振光后分别沿环形腔两个相反的方向前进；所述环形腔中设有多个腔镜和一个用来实现所述的两束偏振光偏振方向互换的90度偏振旋转器(2)；

第二级光参量振荡激光器设在所述偏振光循环谐振腔的环形腔中；所述简并或近简并激光(13)经过环形腔时对第二级光参量振荡激光器进行双端泵浦，产生长波长激光(14)输出。

2.根据权利要求1所述的级联光参量振荡激光器，其特征在于：所述第一谐振腔的一端设置第一腔镜(3)，所述第一腔镜(3)镀简并或近简并激光(13)的高反膜。

3.根据权利要求1所述的级联光参量振荡激光器，其特征在于：所述第一级光参量振荡激光器包括第一级光参量振荡激光器腔镜(7)、第一非线性晶体(8)以及与所述偏振光循环谐振腔共用的第一腔镜(3)；第一级光参量振荡激光器腔镜(7)设置在所述第一腔镜(3)和偏振分光元件(1)之间的光路上，第一非线性晶体(8)设置在所述第一腔镜(3)和第一级光参量振荡激光器腔镜(7)之间的光路上。

4.根据权利要求3所述的级联光参量振荡激光器，其特征在于：所述第一级光参量振荡激光器腔镜(7)镀有对所述短波长泵浦光(12)高反或高透的膜。

5.根据权利要求3所述的级联光参量振荡激光器，其特征在于：所述第一级光参量振荡激光器腔镜(7)镀有对所述的简并或近简并激光(13)高透或者部分反射的膜。

6.根据权利要求1所述的级联光参量振荡激光器，其特征在于：第二级光参量振荡激光器包括左腔镜(6)、右腔镜(10)，以及设在左腔镜(6)和右腔镜(10)之间的光路上的第二非线性晶体(9)。

7.根据权利要求6所述的级联光参量振荡激光器，其特征在于：所述左腔镜(6)和右腔镜(10)之一设置在所述环形腔腔外的光路延长线上。

8.根据权利要求6所述的级联光参量振荡激光器，其特征在于：所述左腔镜(6)和右腔镜(10)同时设置在所述环形腔腔外的光路延长线上。

9.根据权利要求1至8中任一权利要求所述的级联光参量振荡激光器，其特征在于：所述的90度偏振旋转器(2)为所述简并或近简并激光(13)的1/2波长波片。

10.根据权利要求1至8中任一权利要求所述的级联光参量振荡激光器，其特征在于：所述的偏振分光元件(1)为所述简并或近简并激光(13)的偏振片。

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