專利名稱：一種基于微片激光器和光纖放大器的可調諧中紅外光源的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種中紅外光源，尤其是涉及一種基于微片激光器和光纖放大器的可調諧中紅外光源。
背景技術：
固體激光器，尤其是全固態激光器因具有結構緊湊、轉換效率高、壽命長等優點而被廣泛應用于軍事、工業加工和科學研究等。通過近紅外波段全固態激光器作為泵浦源，通過光參量振蕩器是獲得3 5 μ m中紅激光光源最有效的手段之一。到目前為止，雖然中紅外激光器取得了一定的發展，但是在中紅外光源高重復頻率、高峰值功率光源獲得、泵浦源選取、中紅外波段介質薄膜寬帶設計、低吸收、高損耗控制等方面還有許多技術問題需要解決，尤其當通過光參量手段獲得中紅外激光光源時，泵浦源的體積、效率、穩定性、光束質量等還有許多問題亟待解決1)泵浦源的全固化、小型化、輕量化；幻泵浦源功率水平和光束質量同時保證；幻泵浦源在高重復頻率下脈寬較寬，峰值功率較低、單脈沖能量隨重復頻率變化較大；4)泵浦源體積大、結構復雜，制冷功耗大、需水冷等。([l]Y.B0netti，andj. Faist, Quantum cascade lasers entering the mid-infrared. Nature Photonics2009, 3 :32-34; [2]任國光，黃裕年，用激光紅外干擾系統保護軍用和民航機，激光與紅外2006， 36(1) :1-6)。
發明內容
本發明的目的在于提供一種可獲得性能優良的中紅外激光輸出、可解決中紅外激光器的高效散熱問題、可降低整機體積、提高輸出光的光束質量和轉換效率的基于微片激光器和光纖放大器的可調諧中紅外光源。本發明設有種子光源、耦合系統、光纖放大器、光參量振蕩器的輸入鏡、用于頻率變換的非線性晶體和輸出耦合鏡；所述種子光源設有半導體激光器、準直光學系統、聚焦光學系統、激光介質和被動調Q晶體，所述耦合系統設于種子光源與光纖放大器之間，所述光纖放大器設有光纖和光纖耦合輸出的半導體激光器泵浦源，所述半導體激光器、準直光學系統、聚焦光學系統、激光介質、被動調Q晶體和耦合系統按從左至右順序依次擺放，所述半導體激光器、準直光學系統、聚焦光學系統、激光介質、被動調Q晶體和耦合系統的中心處于同一光軸上，所述半導體激光器、準直光學系統、聚焦光學系統、激光介質、被動調Q晶體和耦合系統之間的間距可調；所述光參量振蕩器的輸入鏡、用于頻率變換的非線性晶體和輸出耦合鏡按從左往右順序依次擺放，所述光參量振蕩器的輸入鏡、用于頻率變換的非線性晶體和輸出耦合鏡的中心處于同一光軸上，所述光參量振蕩器的輸入鏡、用于頻率變換的非線性晶體和輸出耦合鏡之間的間距可調。所述種子光源的波長可為1. 0 1. 1 μ m，所述種子光源的諧振腔由激光介質和被動調Q晶體構成，激光介質的左端面鍍制808nm泵浦光增透膜和1000 IlOOnm范圍內基頻光的高反射膜，激光介質的右端面鍍制基頻光增透膜，同時也是該基頻光的輸出鏡，被動調Q晶體的左端面鍍基頻光增透膜，被動調Q晶體的右端面鍍基頻光的部分反射膜；所述光纖耦合輸出的半導體激光器泵浦源可為一組通過半導體制冷器進行溫度控制的波長在975nm附近的帶光纖耦合輸出的半導體激光器泵浦源，功能是為光纖放大器提供泵浦光，為了便于散熱，將光纖放大器所需的總泵浦能量分配到波長在975nm附近的若干光纖耦合輸出的半導體激光器中，所述光纖耦合輸出的半導體激光器可設至少3個。所述半導體激光器、準直光學系統、聚焦光學系統、激光介質、被動調Q晶體和耦合系統之間的間距可調的范圍可為0. 5 100mm。所述耦合系統中可設有一個單向器，以保證光的單向傳播，防止放大器的反射光回饋到種子光源中，引起系統的不穩定。所述光纖耦合輸出的半導體激光器泵浦源設在整個系統所安放的實驗平臺上，該平臺為整個系統提供支撐作用，由于所述光纖耦合輸出的半導體激光器泵浦源是一組通過半導體制冷器進行溫度控制的波長在975nm附近的帶光纖耦合輸出的半導體激光器泵浦源，光纖具有一定的長度和彎曲能力，可以在與其他元件不重疊和交叉的情況下，在光纖放大器的左右兩側靈活安放，安放以結構緊湊、整齊排列為原則，相互位置關系和距離可不作限制。所述光纖可為摻yb3+的雙包層光纖或光子晶體光纖；從耦合系統出射的光的光軸和光纖的通光軸在同一條水平線上，光纖的通光軸與光參量振蕩器的輸入鏡左端面的法線相互平行，耦合系統和光參量振蕩器的輸入鏡與光纖之間存在空氣間隙，間隙大小可以在0. 5 IOOmm之間調節，所述光纖耦合輸出的半導體激光器泵浦源分布在光纖的左右兩側，所述光纖耦合輸出的半導體激光器泵浦源與光纖之間通過光纖熔接進行連接。將光纖作為放大級增益介質、半導體激光器作為泵浦源，對種子光源進行一級或多級放大，通過對光纖彎曲半徑的控制、結構的優化設計來分別抑制高階模和各種非線性效應，通過應力雙折射來獲得偏振保持特性，最后獲得高峰值功率、線偏振、短脈沖光源。所述光參量振蕩器的輸入鏡、用于頻率變換的非線性晶體和輸出耦合鏡之間的間距可調的范圍可為0. 5 100mm。所述用于頻率變換的非線性晶體的左右端面都鍍制泵浦光的增透膜；所述輸出耦合鏡的左端面鍍制泵浦光的高反射膜和信號光的部分透射膜，所述輸出耦合鏡的右端面鍍制信號光的增透膜。所述用于頻率變換的非線性晶體可采用周期極化晶體或普通的非極化晶體。本發明將發射波長在1. 0 11 μ m的被動調Q脈沖微片激光器發出的光作為光纖放大器的種子光源，經過一級或多級摻鐿雙包層光纖放大器放大，種子光源在偏振方向、重復頻率、光束質量上基本不變，單個脈沖的能量得到逐級放大，最后獲得高重復頻率、高能量、單頻、線偏振短脈沖的泵浦光，并將其作為中紅外激光器的泵浦源，利用非線性晶體通過光參量振蕩的方式獲得中紅外波段的激光輸出。該激光輸出的波長可以通過改變非線性晶體的工作溫度或者橫向非線性晶體入射位置等來進行調諧。本發明將光纖放大器與微片激光器結合，一方面可把能量放大的部分即產生冗余熱量多的放大級用光纖放大器實現， 利用光纖放大器散熱好的特點通過半導體制冷或簡單的傳導冷卻；另一方面利用小功率固體激光器、半導體激光器在體積、短脈寬方面的優勢進一步簡化種子光源的結構，光纖放大器輸出光在光束質量、穩定性等方面的優勢確保了后端通過光參量手段獲得的中紅外光源在非線性過程中能有較高的轉換效率。獲得高效率的中紅外激光光源整機、不需水冷減少了體積、光纖輸出提高了光束質量，擴大了應用范圍和工作環境。
圖1為本發明實施例的結構組成示意圖。
具體實施例方式以下實施例將結合附圖對本發明作進一步的說明。參見圖1，本發明實施例設有種子光源、耦合系統、光纖放大器、光參量振蕩器的輸入鏡11、用于頻率變換的非線性晶體12和輸出耦合鏡13;所述種子光源設有半導體激光器 1、準直光學系統2、聚焦光學系統3、激光介質4和被動調Q晶體5，所述耦合系統設于種子光源與光纖放大器之間，所述光纖放大器設有光纖10和光纖耦合輸出的半導體激光器泵浦源7，所述半導體激光器1、準直光學系統2、聚焦光學系統3、激光介質4、被動調Q晶體5 和耦合系統6按從左至右順序依次擺放，所述半導體激光器1、準直光學系統2、聚焦光學系統3、激光介質4、被動調Q晶體5和耦合系統6的中心處于同一光軸上，所述半導體激光器 1、準直光學系統2、聚焦光學系統3、激光介質4、被動調Q晶體5和耦合系統6之間的間距可調，間距可調的范圍可為0. 5 100mm。所述光參量振蕩器的輸入鏡11、用于頻率變換的非線性晶體12和輸出耦合鏡13按從左往右順序依次擺放，其中心處于同一光軸上，所述光參量振蕩器的輸入鏡11、用于頻率變換的非線性晶體12和輸出耦合鏡13之間的間距可調， 間距可調的范圍可為0. 5 100mm。所述種子光源的波長可為1. 0 11 μ m，所述種子光源的諧振腔由激光介質4和被動調Q晶體5構成，激光介質4的左端面鍍制808nm泵浦光增透膜和1000 1 IOOnm范圍內基頻光的高反射膜，激光介質4的右端面鍍制基頻光增透膜，同時也是該基頻光的輸出鏡， 被動調Q晶體5的左端面鍍基頻光增透膜，被動調Q晶體5的右端面鍍基頻光的部分反射膜。所述光纖耦合輸出的半導體激光器泵浦源7可為一組通過半導體制冷器進行溫度控制的波長在975nm附近的帶光纖耦合輸出的半導體激光器泵浦源，功能是為光纖放大器提供泵浦光，為了便于散熱，將光纖放大器所需的總泵浦能量分配到波長在975nm附近的若干光纖耦合輸出的半導體激光器中，所述光纖耦合輸出的半導體激光器可設至少3 個。所述耦合系統6中可設有一個單向器，以保證光的單向傳播，防止放大器的反射光回饋到種子光源中，引起系統的不穩定。所述光纖耦合輸出的半導體激光器泵浦源7設在整個系統所安放的實驗平臺上， 該平臺為整個系統提供支撐作用，由于所述光纖耦合輸出的半導體激光器泵浦源7是一組通過半導體制冷器進行溫度控制的波長在975nm附近的帶光纖耦合輸出的半導體激光器泵浦源，光纖具有一定的長度和彎曲能力，可以在與其他元件不重疊和交叉的情況下，在光纖放大器的左右兩側靈活安放，安放以結構緊湊、整齊排列為原則，相互位置關系和距離可不作限制。所述光纖10可為摻yb3+的雙包層光纖或光子晶體光纖；從耦合系統6出射的光的光軸和光纖10的通光軸同軸，光纖10的通光軸與光參量振蕩器的輸入鏡11左端面的法線相互平行，耦合系統6和光參量振蕩器的輸入鏡11與光纖10之間存在空氣間隙，間隙大小可以在0. 5 IOOmm之間調節，所述光纖耦合輸出的半導體激光器泵浦源7分布在光纖 10的左右兩側，所述光纖耦合輸出的半導體激光器泵浦源7與光纖10之間通過光纖熔接進行連接。將光纖10作為放大級增益介質、半導體激光器作為泵浦源，對種子光源進行一級或多級放大，通過對光纖彎曲半徑的控制、結構的優化設計來分別抑制高階模和各種非線性效應，通過應力雙折射來獲得偏振保持特性，最后獲得高峰值功率、線偏振、短脈沖光源。所述用于頻率變換的非線性晶體12的左右端面都鍍制泵浦光的增透膜；所述輸出耦合鏡13的左端面鍍制泵浦光的高反射膜和信號光的部分透射膜，所述輸出耦合鏡13 的右端面鍍制信號光的增透膜。所述用于頻率變換的非線性晶體12可采用周期極化晶體或普通的非極化晶體。
權利要求
1.一種基于微片激光器和光纖放大器的可調諧中紅外光源，其特征在于設有種子光源、耦合系統、光纖放大器、光參量振蕩器的輸入鏡、用于頻率變換的非線性晶體和輸出耦合鏡；所述種子光源設有半導體激光器、準直光學系統、聚焦光學系統、激光介質和被動調 Q晶體，所述耦合系統設于種子光源與光纖放大器之間，所述光纖放大器設有光纖和光纖耦合輸出的半導體激光器泵浦源，所述半導體激光器、準直光學系統、聚焦光學系統、激光介質、被動調Q晶體和耦合系統按從左至右順序依次擺放，所述半導體激光器、準直光學系統、聚焦光學系統、激光介質、被動調Q晶體和耦合系統的中心處于同一光軸上，所述半導體激光器、準直光學系統、聚焦光學系統、激光介質、被動調Q晶體和耦合系統之間的間距可調；所述光參量振蕩器的輸入鏡、用于頻率變換的非線性晶體和輸出耦合鏡按從左往右順序依次擺放，所述光參量振蕩器的輸入鏡、用于頻率變換的非線性晶體和輸出耦合鏡的中心處于同一光軸上，所述光參量振蕩器的輸入鏡、用于頻率變換的非線性晶體和輸出耦合鏡之間的間距可調。
2.如權利要求1所述的一種基于微片激光器和光纖放大器的可調諧中紅外光源，其特征在于所述種子光源的波長為1. 0 1. 1 μ m，所述種子光源的諧振腔由激光介質和被動調 Q晶體構成。
3.如權利要求1所述的一種基于微片激光器和光纖放大器的可調諧中紅外光源，其特征在于所述光纖耦合輸出的半導體激光器設至少3個。
4.如權利要求1所述的一種基于微片激光器和光纖放大器的可調諧中紅外光源，其特征在于所述半導體激光器、準直光學系統、聚焦光學系統、激光介質、被動調Q晶體和耦合系統之間的間距可調的范圍為0. 5 100mm。
5.如權利要求1所述的一種基于微片激光器和光纖放大器的可調諧中紅外光源，其特征在于所述耦合系統中設有一個單向器。
6.如權利要求1所述的一種基于微片激光器和光纖放大器的可調諧中紅外光源，其特征在于所述光纖為摻的雙包層光纖或光子晶體光纖。
7.如權利要求1所述的一種基于微片激光器和光纖放大器的可調諧中紅外光源，其特征在于從耦合系統出射的光的光軸和光纖的通光軸在同一條水平線上，光纖的通光軸與光參量振蕩器的輸入鏡左端面的法線相互平行，耦合系統和光參量振蕩器的輸入鏡與光纖之間存在空氣間隙，間隙大小在0. 5 IOOmm之間調節，所述光纖耦合輸出的半導體激光器泵浦源分布在光纖的左右兩側，所述光纖耦合輸出的半導體激光器泵浦源與光纖之間通過光纖熔接進行連接。
8.如權利要求1所述的一種基于微片激光器和光纖放大器的可調諧中紅外光源，其特征在于所述光參量振蕩器的輸入鏡、用于頻率變換的非線性晶體和輸出耦合鏡之間的間距可調的范圍為0. 5 100mm。
9.如權利要求1所述的一種基于微片激光器和光纖放大器的可調諧中紅外光源，其特征在于所述用于頻率變換的非線性晶體的左右端面都鍍制泵浦光的增透膜；所述輸出耦合鏡的左端面鍍制泵浦光的高反射膜和信號光的部分透射膜，所述輸出耦合鏡的右端面鍍制信號光的增透膜。
10.如權利要求1所述的一種基于微片激光器和光纖放大器的可調諧中紅外光源，其特征在于所述用于頻率變換的非線性晶體采用周期極化晶體或普通的非極化晶體。
全文摘要
一種基于微片激光器和光纖放大器的可調諧中紅外光源，涉及一種中紅外光源。設有種子光源、耦合系統、光纖放大器、光參量振蕩器的輸入鏡、非線性晶體和輸出耦合鏡；種子光源設有半導體激光器、準直光學系統、聚焦光學系統、激光介質和被動調Q晶體，耦合系統設于種子光源與光纖放大器之間，光纖放大器設有光纖和光纖耦合輸出的半導體激光器泵浦源，半導體激光器、準直光學系統、聚焦光學系統、激光介質、被動調Q晶體和耦合系統依次擺放，半導體激光器、準直光學系統、聚焦光學系統、激光介質、被動調Q晶體和耦合系統同軸。可獲得性能優良的中紅外激光輸出、解決中紅外激光器的高效散熱問題、降低整機體積、提高輸出光的光束質量和轉換效率。
文檔編號H01S3/094GK102332672SQ20111022389
公開日2012年1月25日 申請日期2011年8月5日 優先權日2011年8月5日
發明者姬彪, 賈富強, 鄭新雙 申請人:廈門大學