CN201518383U - 一种中红外相干光源装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于光学器件技术领域，提供了一种中红外相干光源装置；中红外相干光源装置包括：泵浦激光器、光学参量谐振腔以及位于所述光学参量谐振腔内并固定于温控炉中的两块级联多周期的周期极化晶体；由泵浦激光器产生的泵浦光进入内置有周期极化晶体的光学参量谐振腔中进行频率转换并振荡放大后出射以产生中红外相干光；周期极化晶体为周期极化掺氧化镁铌酸锂晶体。本实用新型采用两块级联的多周期PPMgLN晶体实现准相位匹配光学参量振荡器，通过调整PPMgLN晶体的温度、周期等相关参数，在调谐波长范围3～5μm条件下得到了高输出功率及高转换效率的中红外相干光源，更好地满足了实际应用需求。
Description
技术领域
本实用新型涉及光学器件技术领域，更具体地说，涉及一种波长可调谐的中红外相干光源装置。
背景技术
红外光在大气中有三个主要的传输窗口：1～3μm，3～5μm，8～12μm，其中3～5μm是衰减最小的红外窗口，该波段激光对大雾、烟尘等具有较强的穿透力，因而在热寻踪导弹及红外对抗上明确应用需求输出的3～5μm波长范围的激光器；另外，在此波段中多数重要的碳氢气体及其他有毒气体分子具有较强的吸收特性，因而，中红外相干光源在微量气体探测领域有广泛的应用，如生化站剂的探测及煤矿中甲烷气体探测等。所以中红外相干光源在远程环境污染物和痕量气体的检测、废气检测、机载大范围陆地和海洋污染探测、中红外光谱、军事上红外追踪搜索靶标导航以及激光医疗诊治等方面都具有广阔的实用价值。
近几十年来，光学参量谐振腔(OPO)一直被认为是输出宽带光谱范围相干光的理想光源，其性能参数几乎完全依赖于泵浦激光器的光谱特性、光束质量以及非线性晶体的特性。随着准相位匹配(QPM)技术的成熟，利用周期极化晶体的非线性光学频率变换技术引起了广泛的关注。
目前高脉冲能量的中红外准相位匹配OPO光源，主要是通过利用大孔径非线性光子晶体来实现高能量的输出。然而，对连续波长3～5μm的中红外准相位匹配OPO的研究发现，3μm处中红外光源的输出功率最高可达1瓦左右，但随着波长的增加，该光源输出的中红外激光在晶体中的吸收损耗也增大，因而其输出功率也逐渐降低，在5μm处其出功率最高仅达20毫瓦，而且其转换效率低，最多只有百分之几，不能很好的满足实际应用需求。
发明内容
本实用新型要解决的技术问题在于，针对现有技术的中红外相干光源输出功率及转化效率较低的缺陷，提供一种高功率、宽调谐的中红外相干光源装置。
本发明实施例是这样实现的，一种中红外相干光源装置，其特征在于，所述中红外相干光源装置包括：泵浦激光器、光学参量谐振腔以及位于所述光学参量谐振腔内并固定于温控炉中的两块级联多周期的周期极化晶体；由所述泵浦激光器产生的泵浦光进入内置有所述周期极化晶体的光学参量谐振腔中进行频率转换并振荡放大后出射以产生中红外相干光；所述周期极化晶体为周期极化掺氧化镁铌酸锂晶体。
进一步地，所述泵浦激光器为输出泵浦光波长为1.064μm的Nd:YAG固体激光器。
进一步地，所述光学参量谐振腔包括输入镜M1及输出镜M2，所述输入镜M1为输入耦合镜，所述输入镜M1的凹面镀有1.064μm增透膜、1.4～2μm高反膜及2.5～5μm增透膜；所述输出镜M2为输出耦合镜，所述输出镜M2的凹面镀有2.5～5μm增透膜、1.4～2μm高反膜及1.064μm增透膜。
进一步地，所述周期极化晶体包括两块级联的周期极化掺氧化镁铌酸锂晶体，其极化周期为26～31μm之间且以0.5μm为间隔分布。
进一步地，所述中红外相干光源装置还包括调整周期极化掺氧化镁铌酸锂晶体周期位置的高精密五维调整架。
进一步地，所述温控炉的温度可调范围为40～200℃。
进一步地，所述中红外相干光源装置还包括依次设置在所述泵浦激光器和光学参量谐振腔之间的用于调整泵浦光的偏振方向的偏振棱镜以及对泵浦光进行束腰变换的透镜；所述偏振棱镜使泵浦光的偏振方向和所述周期极化晶体的z轴平行；所述透镜使泵浦光的束腰参数与所述光学参量谐振腔的束腰参数匹配。
进一步地，所述中红外相干光源装置还包括紧贴于输出镜M2的平面输出端的滤波片，所述滤波片上镀有2.5～5μm增透膜及1.064μm和1.4～2μm高反膜。
本实用新型采用两块级联的PPMgLN晶体实现准相位匹配光学参量振荡器，通过调整PPMgLN晶体的温度、周期等相关参数，在调谐波长范围3～5μm条件下得到了高输出功率及高转换效率的中红外相干光源，更好地满足了实际应用需求。
附图说明
图1是本实用新型较佳实施例的中红外相干光源装置的结构示意图。
具体实施方式
请参阅图1，图1是本实用新型较佳实施例的中红外相干光源装置的结构示意图。
本实用新型的中红外相干光源装置包括泵浦激光器1、偏振棱镜2、透镜3、光学参量谐振腔4、周期极化晶体5以及滤波片6。其中，由泵浦激光器1产生的泵浦光经偏振透镜2调整其偏振方向，再经过透镜3进入内置有周期极化晶体5的光学参量谐振腔4进行频率转换，闲频光最后经由滤波片6滤波后出射以产生所需的中红外相干光；周期极化晶体5可以为周期极化掺氧化镁铌酸锂晶体(Periodically poled Mgo-doped Lithium Niobate，PPMgLN)。
其中，泵浦激光器1为激光二极管(Laser Diode，LD)，本实用新型较佳实施例中泵浦激光器1选取输出波长为1.064μm的Nd:YAG固体激光器。由于Nd:YAG晶体具有较大的受激发射截面，输出光具有偏振特性，且生长技术成熟，其输出的波长为1.064μm激光的光-光转换效率能大于50％，本实用新型充分利用其高光束质量和偏振特性，以实现高效率的非线性光学频率变换。
偏振棱镜2用于调整泵浦光的偏振方向，使其偏振方向和周期极化晶体5的z轴平行。
透镜3用于调整入射的泵浦光的束腰半径，使其束腰参数与光学参量谐振腔4的束腰参数匹配，以提高中红外激光产生的转换效率。
光学参量谐振腔4是实现将单一短波长泵浦光向长波扩展的重要部件，其包括输入镜M1及输出镜M2，其中输入镜M1为输入耦合镜(平凹镜)，其凹面镀有1.064μm增透膜HT(透射率T＞90％)、1.4～2μm高反膜HR(反射率R＞99.8％)及2.5～5μm增透膜HT(透射率T＞10％)；输出镜M2为输出耦合镜(平凹镜)，其凹面镀有2.5～5μm增透膜HT(透射率T＞90％)、1.4～2μm高反膜HR(反射率R＞99.8％)及1.064μm增透膜HT(透射率T＞10％)。
在本实用新型中，周期极化PPMgLN具有较高的非线性光学系数、较低矫顽场、更高的损伤阈值以及光折变阈值等优点，使中红外OPO对泵浦激光器的功率要求大大降低，低的矫顽场是允许厚的晶体被极化成大孔径准相位匹配(QPM)装置，从而真正使高功率宽调谐中红外OPO光源从实验室走向实际应用。PPMgLN具有极化周期在26～31μm之间且以0.5μm的间隔设定。由于加工较长的周期极化晶体很难，本实施例中选取同样两块级联的PPMgLN晶体，且其极化周期为28.5μm。周期极化晶体5内置于光学参量谐振腔4中，并固定在控温炉中，该控温炉的温度可调范围为40～200℃，通过控制该控温炉的温度可改变周期极化晶体5的温度；另外，周期极化晶体5上还设有高精密五维调整架，可精密调整周期极化晶体5的极化周期位置。
可以理解，本实用新型中的周期极化晶体5也可采用单独一块掺氧化镁铌酸锂晶体，但目前加工较长的周期极化晶体很难实现。
滤波片6紧贴于输出镜M2的平面输出端，其镀有2.5～5μm增透膜HT(透射率T＞90％)、1.064μm和1.4～2μm高反膜HR(反射率R＞98％)。
本实用新型的中红外相干光源装置工作时，先由Nd:YAG固体泵浦激光器1输出波长为1.064μm的激光光束(为偏振方向一定的线性光)，经过偏振棱镜2使其偏振方向和周期极化晶体5的z轴平行，接着该激光光束经透镜3进行束腰变换使其束腰参数与光学参量谐振腔4的束腰参数匹配，再从输入镜M1进入光学参量谐振腔4并射入周期极化晶体5，经过频率转换为信号光和闲频光，信号光在腔内往复振荡放大，闲频光一次通过腔最后从光学参量谐振腔4的输出镜M2并经由滤波片6出射。
通过调节控温炉和高精密五维调整架改变周期极化晶体5的温度(可调范围40～200℃)及其极化周期，可实现2.789-4.957μm范围内连续可调谐的中红外激光输出。当泵浦激光器1平均输出功率为8.15W时，在波长为3.344μm处，利用两块PPMgLN晶体级联结构产生了平均功率为2.23W的闲频光输出，此时光-光转换效率达到27.4％，而用一块PPMgLN晶体获得了平均功率为1.88W的闲频光输出，此时光-光转换效率达到23.1％。因此本实用新型的中红外相干光源装置在中红外输出波段内均具有较高的输出功率和转换效率。
与现有技术相比，本实用新型采用两块级联的PPMgLN晶体实现准相位匹配光学参量振荡器，通过调整PPMgLN晶体的温度、周期等相关参数，在调谐波长范围3～5μm条件下得到了高输出功率及高转换效率的中红外相干光源，更好地满足了实际应用需求。
以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的权利要求范围之内。
Claims (8)
1.一种中红外相干光源装置，其特征在于，所述中红外相干光源装置包括：泵浦激光器、光学参量谐振腔以及位于所述光学参量谐振腔内并固定于温控炉中的两块级联多周期的周期极化晶体；由所述泵浦激光器产生的泵浦光进入内置有所述周期极化晶体的光学参量谐振腔中进行频率转换并振荡放大后出射以产生中红外相干光；所述周期极化晶体为周期极化掺氧化镁铌酸锂晶体。
2.根据权利要求1所述的中红外相干光源装置，其特征在于，所述泵浦激光器为输出泵浦光波长为1.064μm的Nd:YAG固体激光器。
3.根据权利要求1所述的中红外相干光源装置，其特征在于，所述光学参量谐振腔包括输入镜M1及输出镜M2，所述输入镜M1为输入耦合镜，所述输入镜M1的凹面镀有1.064μm增透膜、1.4～2μm高反膜及2.5～5μm增透膜；所述输出镜M2为输出耦合镜，所述输出镜M2的凹面镀有2.5～5μm增透膜、1.4～2μm高反膜及1.064μm增透膜。
4.根据权利要求1所述的中红外相干光源装置，其特征在于，所述周期极化晶体包括两块级联的周期极化掺氧化镁铌酸锂晶体，其极化周期为26～31μm之间且以0.5μm为间隔分布。
5.根据权利要求4所述的中红外相干光源装置，其特征在于，所述中红外相干光源装置还包括调整周期极化掺氧化镁铌酸锂晶体周期位置的高精密五维调整架。
6.根据权利要求1所述的中红外相干光源装置，其特征在于，所述温控炉的温度可调范围为40～200℃。
7.根据权利要求1所述的中红外相干光源装置，其特征在于，所述中红外相干光源装置还包括依次设置在所述泵浦激光器和光学参量谐振腔之间的用于调整泵浦光的偏振方向的偏振棱镜以及对泵浦光进行束腰变换的透镜；所述偏振棱镜使泵浦光的偏振方向和所述周期极化晶体的z轴平行；所述透镜使泵浦光的束腰参数与所述光学参量谐振腔的束腰参数匹配。
8.根据权利要求7所述的中红外相干光源装置，其特征在于，所述中红外相干光源装置还包括紧贴于输出镜M2的平面输出端的滤波片，所述滤波片上镀有2.5～5μm增透膜及1.064μm和1.4～2μm高反膜。
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|---|---|---|---|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20100630 Termination date: 20120928 |