CN115000790B - 低泵浦阈值高转换效率的脉冲中远红外激光光参量振荡器 - Google Patents

Abstract

本发明提出低泵浦阈值高转换效率的脉冲中远红外激光光参量振荡器，包括：激光泵浦源、光参量谐振腔、多个参量晶体、一个倍频晶体、多个反射镜；光参量谐振腔包括第一回字型谐振光路和第二回字型谐振光路组成的双回字型谐振腔；各个反射镜与谐振光路的光轴成预定夹角；构成光参量谐振腔的第一回字型谐振光路和第二回字型谐振光路；激光泵浦源的激光透过第一反射镜M1注入第一回字型谐振光路和第二回字型谐振光路，倍频晶体放置在第二反射镜M2和第三反射镜M3之间；或放置在第五反射镜M5和第六反射镜M6之间；参量晶体放置在第一反射镜M1和第二反射镜M2之间和第三反射镜M3和第四反射镜M4之间；第四反射镜M4是闲频光输出镜。

Description

低泵浦阈值高转换效率的脉冲中远红外激光光参量振荡器

技术领域

本发明属非线性激光晶体技术领域，尤其涉及一种低泵浦阈值高转换效率的脉冲中远红外激光光参量振荡器。

背景技术

当前，中远红外激光在光电对抗、环境监测、医学、分子光谱学等领域有着广泛而重要的应用。光参量振荡器(OPO)可将成熟的1μm激光转换为中远红外激光，并具有全固化、小型化、输出波长宽波段可调、结构简单等优点。

但在脉冲激光泵浦的OPO中，低泵浦阈值和高泵浦转换效率是一对矛盾，在OPO腔镜对信号光的反射率较高的条件下，当泵浦能量较低时，腔内的信号光也能振荡增强至阈值能量附近，因此泵浦阈值较低；当泵浦能量较高时，腔内的信号光功率密度过高，此时信号光会向泵浦光进行逆转换，逆转换过程将会严重影响泵浦光的转换效率，因此泵浦转换效率较低。在OPO腔镜对信号光的反射率较低的条件下，当泵浦能量较低时，腔内的信号光很难振荡增强至阈值能量附近，因此泵浦阈值较高；当泵浦能量较高时，由于腔镜反射率较低，因此腔内的信号光功率密度不太高，此时逆转换程度较小，因此泵浦转换效率较高。

此外，在同一OPO腔内还存在逆转换程度在空间和时间上不一致的情况。脉冲泵浦激光在空间和时间上一般遵循高斯分布，在脉冲时间中心和光斑中心处，泵浦光能量较强，逆转换程度较高；在脉冲起始段、结束段和光斑边缘处，泵浦光能量较弱，逆转换程度较低；OPO腔内逆转换程度的不平衡也是导致低阈值和高转换效率矛盾的重要原因。

降低阈值最常见的技术手段就是提高OPO腔镜对信号光的反射率。2002年，张宽收等人利用对信号光高反射率的OPO腔镜，获得了低泵浦阈值的中红外激光输出。在1.06μm激光泵浦PPLN输出2.12μm的条件下，当OPO前后腔镜对信号光的反射率分别为99.8％和99.2％时，泵浦阈值仅为1.5mW，但此时输出的中红外激光能量较小。当泵浦能量为阈值功率的4倍时，转换效率为15％。文中提到，如果提高OPO腔镜对信号光的透射率，同一设计条件下可以获得更高的功率的中红外激光输出。

提高泵浦转换效率最常见的技术手段就是降低OPO腔镜对信号光的反射率。2017年，Wang L等人利用对信号光低反射率的OPO腔镜，获得了高转换效率的中红外激光输出。在2.09μm激光泵浦ZGP输出3.6-4.8μm激光时，当OPO前后腔镜对信号光的反射率分别为高反和50％时，转换效率最高达到了75.7％。

除了OPO腔镜反射率会对泵浦阈值和泵浦转换效率产生影响之外，非线性晶体对参量光的吸收也会影响阈值和转换效率。以1.06um泵浦KTP和KTA输出人眼安全波段激光(1.6um)为例，此时参量光(3.2um)在OPO腔内振荡，由于KTP在3.2um波段的吸收要高于KTA，参量光在腔内振荡时损耗较大，因此同一设计条件下KTP OPO的泵浦阈值要高于KTA OPO，但转换效率高于KTA OPO。2015年，Li H等人用1.06um激光泵浦KTA OPO输出1.57um激光，转换效率约为26％。相似条件下，2018年，M.Kaskow等人用1.06um激光本浦KTP OPO输出1.57um激光，转换效率约为51％。

科研人员还探索了其他提高泵浦转换效率的方法，例如利用参量晶体将泵浦光和信号光倍频以消耗信号光、双波长激光泵浦参量晶体等。

2015年，蒋涛等人利用泵浦产生的信号光(1300-1500nm)与泵浦光(1064nm)和频产生红橙光，获取可见光的同时降低了腔内的信号光强度。

2021年，Wang P等人将1060nm和1120nm的光纤激光注入PPLN中，1060nm激光泵浦PPLN产生信号光(1627nm)和闲频光(3042nm)，1120nm的泵浦光再与信号光(1627nm)差频产生3593nm的闲频光，该设计消耗了腔内一部分信号光，抑制了逆转换，同时输出两个波长的中红外激光(3042nm、3593nm)。

现有技术的方案之一如附图1所示，利用泵浦产生的信号光(1300-1500nm)与泵浦光(1064nm)和频产生红橙光。

如图1所示，M1-M3镜之间产生1064nm的泵浦光，M3-M4之间为OPO，产生中红外激光和红橙光。其中，M3镜对1064nm激光高透，对1300-1500nm信号光、580-650nm红橙光、2.5-4.5μm闲频光高反。M4对2.5-4.5μm闲频光、580-650nm红橙光高透，对1300-1500nm信号光高反。

通过调节PPLN晶体的温度来改变信号光和闲频光的波长，并获得不同波长的红橙光。

现有技术的方案二：双波长泵浦PPLN晶体。如图2所示，M1和M2镜对泵浦光(1-1.2μm)和闲频光(3-4μm)高透，对信号光(1.4-1.7μm)高反。泵浦光1060nm激光泵浦PPLN，输出1627nm的信号光和3042nm的闲频光，泵浦光1120nm激光与产生的1627nm信号光差频产生3593nm的闲频光。

固定1060nm激光能量，通过调节输入的1120nm激光能量，获得高转换效率的中红外激光输出。

方案一的缺点在于PPLN晶体既作为光参量振荡晶体将泵浦光转换为信号光和闲频光，又作为和频晶体将信号光和泵浦光转换为红橙光，因此在相位匹配上难以做到既兼容光参量振荡过程又兼容和频过程，转换效率受限。

方案二的缺点在于需要两个泵浦光同时工作，增加了系统的复杂性。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出了一种低泵浦阈值高转换效率的脉冲中远红外激光光参量振荡器，其特征在于，所述光参量振荡器包括激光泵浦源、光参量谐振腔、多个参量晶体、一个倍频晶体、多个反射镜；

所述光参量谐振腔包括第一回字型谐振光路和第二回字型谐振光路组成的双回字型谐振腔；

所述多个反射镜包括第一反射镜M1、第二反射镜M2、第三反射镜M3、第四反射镜M4、第五反射镜M5和第六反射镜M6；各个反射镜与通过所述双回字型谐振腔光路的光轴成预定夹角；；

所述第一反射镜M1、第二反射镜M2、第三反射镜M3与第四反射镜M4构成光参量谐振腔的第一回字型谐振光路；

所述第一反射镜M1、第五反射镜M5、第六反射镜M6与第四反射镜M4构成光参量谐振腔的第二回字型谐振光路；

所述第五反射镜M5位于第二反射镜M2外侧的光轴延长线上，所述第六反射镜M6位于第三反射镜M3外侧的光轴延长线上；

所述激光泵浦源的激光透过所述第一反射镜M1注入第一回字型谐振光路和第二回字型谐振光路，经过第二反射镜M2、第三反射镜M3、第四反射镜M4反射后由所述第一反射镜M1透射出第一回字型谐振光路；

同时激光透过所述第一反射镜M1注入第二回字型谐振光路，经过第五反射镜M5、第六反射镜M6、第四反射镜M4反射后由所述第一反射镜M1透射出所述第一回字型谐振光路；

所述倍频晶体放置在所述第二反射镜M2和第三反射镜M3之间；或者所述倍频晶体放置在所述第五反射镜M5和第六反射镜M6之间；

同时在所述第一反射镜M1和第二反射镜M2之间和所述第三反射镜M3和第四反射镜M4之间放置所述参量晶体；

所述第四反射镜M4是输出闲频光的闲频光输出镜。

进一步的，所述倍频晶体是LBO晶体；所述参量晶体为BGSe晶体或KTA晶体。

进一步的，所述激光泵浦源的激光为Nd：YAG脉冲激光器，激光的脉冲宽度为ns级；激光的光斑半径≥2mm。

进一步的，当所述倍频晶体放置在所述第二反射镜M2和第三反射镜M3之间时，由所述第三反射镜M3作为输出信号光的倍频光的倍频光输出镜；

当所述倍频晶体放置在所述第五反射镜M5和第六反射镜M6之间时，由所述第六反射镜M6作为输出信号光的倍频光的倍频光输出镜。

进一步的，所述倍频晶体两个光学面均镀有对所述信号光的增透膜和对所述倍频光的增透膜。

进一步的，各个反射镜的反射膜和透射膜的选取为：

第一反射镜M1对所述激光泵浦源的激光透过率T>95％，对信号光反射率R>99％；

所述第四反射镜M4对闲频光和倍频光透过率T>95％；，对激光泵浦源的激光和所述信号光反射率R>99％。

进一步的，各个反射镜的反射膜和透射膜的选取为：

当所述倍频晶体放置在所述第二反射镜M2和第三反射镜M3之间时，所述第二反射镜M2对泵浦光和闲频光透过率T>95％，对信号光1.14-1.65μm反射率R>99％；

所述第三反射镜M3对所述泵浦光、闲频光和所述信号光的倍频光透过率T>95％；对信号光反射率R>99％；

所述第五反射镜M5对泵浦光和闲频光反射率R>99％；

所述第六反射镜M6对泵浦光和闲频光反射率R>99％。

进一步的，各个反射镜的反射膜和透射膜的选取为：

当所述倍频晶体放置在所述第五反射镜M5和第六反射镜M6之间时，

所述第二反射镜M2对泵浦光和闲频光反射率R>99％，对信号光透过率T>95％；

所述第三反射镜M3对泵浦光和闲频光反射率R>99％，对信号光透过率T>95％；

所述第五反射镜M5对所述信号光反射率R>99％；

所述第六反射镜M6对所述信号光反射率R>99％；对所述信号光的倍频光透过率T>95％。

进一步的，所述反射镜的高反射率或者高透射率，由反射镜的镜面镀膜提供。

进一步的，各个反射镜与通过所述双回字型谐振腔光路的光轴的预定夹角为45度。

本发明提供的低阈值高转换效率的脉冲中远红外激光产生办法，既可获得低的泵浦阈值，又能在时间和空间上抑制脉冲泵浦光的逆转换，为提高中远红外激光的转换效率提供了有效的方法。

附图说明

图1为现有技术的泵浦产生的信号光1300-1500nm与泵浦光和频产生红橙光。

图2为现有技术的双波长泵浦PPLN晶体。

图3为本发明的双回字型谐振腔的光参量振荡器结构示意图。

图4为本发明的第一实施例的双回字型谐振腔的光参量振荡器结构图。

图5为本发明的第二实施例的双回字型腔谐振腔的光参量振荡器结构图。

图6为本发明的第三实施例的双回字型腔谐振腔的光参量振荡器结构图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式作出详细说明。

本发明提出了一种低泵浦阈值高转换效率的脉冲中远红外激光光参量振荡器，其特征在于，所述光参量振荡器包括激光泵浦源、光参量谐振腔、多个参量晶体、一个倍频晶体、多个反射镜；

所述光参量谐振腔包括第一回字型谐振光路和第二回字型谐振光路组成的双回字型谐振腔；

所述多个反射镜包括第一反射镜M1、第二反射镜M2、第三反射镜M3、第四反射镜M4、第五反射镜M5和第六反射镜M6；各个反射镜与与通过所述双回字型谐振腔光路的光轴成预定夹角；

所述第一反射镜M1、第二反射镜M2、第三反射镜M3与第四反射镜M4构成光参量谐振腔的第一回字型谐振光路；

所述第一反射镜M1、第五反射镜M5、第六反射镜M6与第四反射镜M4构成光参量谐振腔的第二回字型谐振光路；

所述第五反射镜M5位于第二反射镜M2外侧的光轴延长线上，所述第六反射镜M6位于第三反射镜M3外侧的光轴延长线上；

所述激光泵浦源的激光透过所述第一反射镜M1注入第一回字型谐振光路和第二回字型谐振光路，经过第二反射镜M2、第三反射镜M3、第四反射镜M4反射后由所述第一反射镜M1透射出所述第一回字型谐振光路；

同时激光透过所述第一反射镜M1注入第二回字型谐振光路，经过第五反射镜M5、第六反射镜M6、第四反射镜M4反射后由所述第一反射镜M1透射出所述第一回字型谐振光路；

所述倍频晶体放置在所述第二反射镜M2和第三反射镜M3之间；或者所述倍频晶体放置在所述第五反射镜M5和第六反射镜M6之间；

同时在所述第一反射镜M1和第二反射镜M2之间和所述第三反射镜M3和第四反射镜M4之间放置所述参量晶体；

所述第四反射镜M4是输出闲频光的闲频光输出镜。

本发明采用在双回字型腔内插入倍频晶体的方式，获得低泵浦阈值、高转换效率的脉冲中远红外激光。泵浦光和闲频光在第一回字型谐振光路单次通过，信号光在第二回字型谐振光路振荡，第一回字型谐振光路种放置将泵浦光转换为信号光和闲频光的非线性晶体，第二回字型谐振光路中放置对信号光倍频的倍频晶体。当泵浦能量较低时，信号光在倍频晶体中的消耗较小，可以快速起振，泵浦阈值较低；当信号光功率密度较高时，将一部分信号光倍频转换为可见光，另一部分信号光继续在第二回字型谐振光路之间振荡。此举抑制了逆转换、提高了泵浦转换效率，且可以通过观察输出可见光的强弱来判断OPO腔内信号光的强度。

进一步的，所述倍频晶体是LBO晶体；所述参量晶体为BGSe晶体或KTA晶体。

进一步的，所述激光泵浦源的激光为Nd：YAG脉冲激光器，激光的脉冲宽度为ns级；激光的光斑半径≥2mm。

如图3所示，M1、M2、M3、M4组成第一回字型谐振光路，M1、M5、M6、M4组成第二回字型谐振光路。Nd：YAG输出脉宽为几纳秒至几十纳秒的1.06μm脉冲激光，M1镜对泵浦光1064nm高透，对信号光1.14-1.65μm高反；M2和M3镜对泵浦光1064nm、闲频光3-17μm高反，对信号光1.14-1.65μm高透；M4镜对泵浦光1064nm、信号光1.14-1.65μm高反，对闲频光3-17μm高透；M5镜对信号光1.14-1.65μm高反；M6镜对信号光1.14-1.65μm高反、对信号光的倍频光570-825nm高透。参晶体镀增透膜，对泵浦光1064nm、信号光1.14-1.65μm、闲频光3-17μm高透。倍频晶体镀增透膜，对信号光1.14-1.65μm、信号光的倍频可见光570-825nm高透。

在泵浦脉冲时间的起始段、结束段以及泵浦光斑空间的边缘处，泵浦光1064nm通过参量晶体后产生少量的信号光1.14-1.65μm和闲频光3-17μm，此时的信号光较弱，通过M1、参量晶体、M5、倍频晶体、M6镜、参量晶体、M4、M1之间振荡增强，此时倍频效率不高，信号光正常起振；泵浦光通过M1镜输出；闲频光通过M4镜输出。

在泵浦脉冲时间中心以及泵浦光斑空间的中心处，泵浦光1064nm通过参量晶体后产生大量的信号光1.14-1.65μm和闲频光3-17μm，此时的信号光较强，通过倍频晶体后，一部分信号光倍频产生可见光570-825nm，可见光通过M6镜输出，另一部分信号光经M6镜反射，继续在M1、M5、M6、M4镜之间振荡。泵浦光通过M1镜输出；闲频光通过M4镜输出；由于腔内的信号光强度受到了抑制，因此泵浦光向闲频光的转换效率也随之增加。

Claims (10)

1.一种低泵浦阈值高转换效率的脉冲中远红外激光光参量振荡器，其特征在于，所述光参量振荡器包括激光泵浦源、光参量谐振腔、多个参量晶体、一个倍频晶体、多个反射镜；

所述光参量谐振腔包括第一回字型谐振光路和第二回字型谐振光路组成的双回字型谐振腔；

所述多个反射镜包括第一反射镜（M1）、第二反射镜（M2）、第三反射镜（M3）、第四反射镜（M4）、第五反射镜（M5）和第六反射镜（M6）；各个反射镜与通过所述双回字型谐振腔光路的光轴成预定夹角；

所述第一反射镜（M1）、所述第二反射镜（M2）、所述第三反射镜（M3）与所述第四反射镜（M4）构成所述光参量谐振腔的所述第一回字型谐振光路；

所述第一反射镜（M1）、所述第五反射镜（M5）、所述第六反射镜（M6）与所述第四反射镜（M4）构成所述光参量谐振腔的所述第二回字型谐振光路；

所述第五反射镜（M5）位于所述第二反射镜（M2）外侧的光轴延长线上，所述第六反射镜（M6）位于所述第三反射镜（M3）外侧的光轴延长线上；

所述激光泵浦源的激光透过所述第一反射镜（M1）注入所述第一回字型谐振光路和所述第二回字型谐振光路，经过所述第二反射镜（M2）、所述第三反射镜（M3）、所述第四反射镜（M4）反射后由所述第一反射镜（M1）透射出所述第一回字型谐振光路；

同时所述激光透过所述第一反射镜（M1）注入所述第二回字型谐振光路，经过所述第五反射镜（M5）、所述第六反射镜（M6）、所述第四反射镜（M4）反射后由所述第一反射镜（M1）透射出所述第一回字型谐振光路；

所述倍频晶体放置在所述第二反射镜（M2）和所述第三反射镜（M3）之间；或者所述倍频晶体放置在所述第五反射镜（M5）和所述第六反射镜（M6）之间；

同时在所述第一反射镜（M1）和第二反射镜（M2）之间以及所述第三反射镜（M3）和第四反射镜（M4）之间放置所述参量晶体；

所述第四反射镜（M4）是输出闲频光的闲频光输出镜。

2.如权利要求1所述的光参量振荡器，其特征在于，所述倍频晶体是LBO晶体；所述参量晶体为BGSe晶体或KTA晶体。

3.如权利要求2所述的光参量振荡器，其特征在于，所述激光泵浦源的激光为Nd：YAG脉冲激光器，所述激光的脉冲宽度为ns级；所述激光的光斑半径≥2mm。

4.如权利要求1所述的光参量振荡器，其特征在于，当所述倍频晶体放置在所述第二反射镜（M2）和所述第三反射镜（M3）之间时，由所述第三反射镜（M3）作为输出信号光的倍频光的倍频光输出镜；

当所述倍频晶体放置在所述第五反射镜（M5）和所述第六反射镜（M6）之间时，由所述第六反射镜（M6）作为输出信号光的倍频光的倍频光输出镜。

5.如权利要求4所述的光参量振荡器，其特征在于，所述倍频晶体两个光学面均镀有对所述信号光的增透膜和对所述倍频光的增透膜。

6.如权利要求4所述的光参量振荡器，其特征在于，所述各个反射镜的反射膜和透射膜的选取为：

所述第一反射镜（M1）对所述激光泵浦源的激光透过率T>95%，对所述信号光反射率R>99%；

所述第四反射镜（M4）对所述闲频光和所述倍频光透过率T>95%；对所述激光泵浦源的激光和所述信号光反射率R>99%。

7.如权利要求6所述的光参量振荡器，其特征在于，所述各个反射镜的反射膜和透射膜的选取为：

当所述倍频晶体放置在所述第二反射镜（M2）和所述第三反射镜（M3）之间时：

所述第二反射镜（M2）对泵浦光和所述闲频光透过率T>95%，对所述信号光反射率R>99%；

所述第三反射镜（M3）对所述泵浦光、所述闲频光和所述信号光的倍频光透过率T>95%；对所述信号光反射率R>99%；

所述第五反射镜（M5）对所述泵浦光和所述闲频光反射率R>99%；

所述第六反射镜（M6）对所述泵浦光和所述闲频光反射率R>99%。

8.如权利要求6所述的光参量振荡器，其特征在于，所述各个反射镜的反射膜和透射膜的选取为：

当所述倍频晶体放置在所述第五反射镜（M5）和所述第六反射镜（M6）之间时：

所述第二反射镜（M2）对泵浦光和所述闲频光反射率R>99%，对所述信号光透过率T>95%；

所述第三反射镜（M3）对所述泵浦光和所述闲频光反射率R>99%，对所述信号光透过率T>95%；

所述第五反射镜（M5）对所述信号光反射率R>99%；

所述第六反射镜（M6）对所述信号光反射率R>99%；对所述信号光的倍频光透过率T>95%。

9.如权利要求6-8中任一项所述的光参量振荡器，其特征在于，所述反射镜的高反射率或者高透射率，由所述反射镜的镜面镀膜提供。

10.如权利要求1所述的光参量振荡器，其特征在于，所述各个反射镜与通过所述双回字型谐振腔光路的光轴的预定夹角为45度。