寬調諧、窄線寬納秒脈沖雙共振中紅外參量振蕩器的制作方法

本發明涉及一種光學器件，尤其涉及寬調諧、窄線寬的納秒脈沖雙共振中紅外光學參量振蕩器。通過溫度、周期、角度調諧實現寬調諧范圍激光輸出，通過雙諧振環形腔實現雙波段振蕩，結合種子注入技術實現窄線寬激光輸出。適用于激光光譜學、激光雷達、激光遙感、環境污染探測、光電探測、激光醫療等領域。

背景技術：

近紅外和中紅外是光學波段中的非常重要的大氣窗口。近紅外波段不僅是激光對人眼最安全的波段，且處于大氣傳輸窗口，對煙霧的穿透能力強，由此可發展高精度的測風、雷達等，進行天氣預報和全球氣候探測；中紅外波段對大氣透過率高，受氣體分子吸收和懸浮物散射的影響小，且許多污染氣體(SO₂、CO₂、NO₂、NH₄、NH₃等)在中紅外波段具有強烈的吸收峰，因此該波段在激光測距、激光雷達、激光遙感、高靈敏度氣體探測等方面具有重要應用。

光學參量振蕩器是目前產生中紅外激光最普遍的方法，但是，考慮到晶體以及膜系的損傷閾值，傳統的光學參量振蕩器反射線寬通常為數納米，連續工作模式，信噪比差，探測靈敏度差，難以滿足對于線寬要求比較高的光譜學、激光遙感、環境探測等領域的需求。

雙諧振振蕩器同時滿足信號光和空閑光振蕩，可實現紫外到遠紅外12μm的寬調諧范圍激光輸出，且不受抽運波長的限制。

準相位匹配技術，可以最大限度的利用晶體的非線性系數，采用多種方式調諧、起振閾值低、無走離效應、結構緊湊、可實現室溫運作，在選定方向的匹配可使能量持續地從基頻光向參量光轉換。

摻入氧化鎂的周期性極化晶體(MgO:PPLN、MgO:PPLT)是一種高效率的波長轉換非線性晶體，具有透光范圍廣(0.4～4.5μm)、使用壽命長，有效非線性系數高，低閾值、高效率的特點，是產生近紅外-中紅外激光波段的重要材料，與MgO:PPLN相比，MgO:PPLT具有更高的熱傳導系數。通過對多周期極化晶體進行溫度、周期、角度調諧，可實現寬調諧的雙波長輸出。

常規的種子注入激光器系統采用壓電陶瓷控制激光器的腔長，但由于壓電陶瓷的非線性特性和振蕩，往往導致激光器輸出單頻特性變差。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種小型化、寬調諧、窄線寬全固態納秒脈沖中紅外光學參量振蕩器，解決脈沖光學參量振蕩器線寬壓窄、頻率調諧和光譜控制等關鍵技術難題，可以注入任一諧振單頻種子光，實現近紅外信號光、中紅外空閑光雙波段的光譜壓窄，應用前景光明。

本發明的技術解決方案如下：

寬調諧、窄線寬納秒脈沖雙共振中紅外參量振蕩器，特征在于該振蕩器包含：單頻泵浦光、雙共振諧振腔、電學控制部分和種子光四部分；

所述的泵浦光路包括1.064μm泵浦源、聚焦透鏡、安裝在可旋轉的支架上的1.064μm半波片和偏振片；

所述的雙共振諧振腔包括平凹第一腔鏡、固定在晶體溫控爐上的多周期極化晶體、平凹第二腔鏡、平面第三腔鏡、平面第四腔鏡和分光鏡，所述的多周期極化晶體與晶體溫控爐一起固定在四維調整架上，用于調節多周期極化晶體的周期和角度；在平面第三腔鏡和平面第四腔鏡的中間插入電光晶體，二者的延長線上設有光電二極管；

所述的電學控制處理部分包括光電二極管、電光晶體、電光晶體驅動源和電光調制器和PID控制系統構成。所述的電光晶體驅動源的輸出端與電光晶體的輸入端相連，所述的PID控制系統的輸入端分別與所述的光電二極管輸出端、電光調制器的輸出端相連，所述的PID控制系統的輸出端與所述的電光晶體驅動源的輸入端相連。

所述的種子光包括單頻FPB種子激光器、準直透鏡、隔離器、半波片、聚焦透鏡和半透半反鏡，所述的準直透鏡、半波片和聚焦透鏡均鍍有對種子光高透的介質膜，半透半反鏡的透射光路上設有電光調制器。

沿泵浦光路傳播路徑為：1.064μm泵浦源發出的泵浦光經過聚焦透鏡耦合聚焦后，依次經1.064μm半波片、偏振片和雙色鏡后，再從平凹第一腔鏡透射，入射到多周期極化晶體的中心位置，通過四維調整架調節多周期極化晶體的位置和角度，產生近紅外信號光和中紅外空閑光，剩余泵浦光從平凹第二腔鏡透射出去。所述的偏振片與泵浦光路呈布儒斯特角放置，所述的偏振片與1.064μm半波片構成光強調節裝置，用于調節入射泵浦光的光強；

沿種子光路傳播路徑為：單頻FPB種子激光器發出的種子激光依次經過準直透鏡、隔離器、半波片、聚焦透鏡、半透半反鏡和雙色鏡后耦合到泵浦光路，進而透過平凹第一腔鏡，再經過多周期極化晶體后以15°度入射角入射到平凹第二腔鏡，后依次經過平凹第二腔鏡、平面第三腔鏡、平面第四腔鏡的全反射作用反射回平凹第一腔鏡，反射后入射到平凹第一腔鏡的種子激光一部分直接透過平凹第一腔鏡和分光鏡直接輸出，另一部分經過平凹第一腔鏡反射回入射種子光路，在環形腔內形成振蕩閉合回路。所述的聚焦透鏡用于把種子光耦合到多周期極化晶體的中心位置，所述的雙色鏡鍍有對1.064μm高透，種子光45°高反的介質膜，所述的分光鏡鍍有對近紅外信號光高透，對中紅外空閑光高反的介質膜。

所述的電學控制部分在工作周期內，電光調制器對通過半透半反鏡的種子光進行頻率、振幅調制，所述的光電二極管接受近紅外信號光經過平面第三腔鏡透射形成的干涉信號，同經過電光調制器后的信號混合產生誤差信號，該誤差信號經過PID控制系統進行處理，PID控制系統的輸出驅動電光晶體驅動源，通過調節電光晶體驅動源電壓驅動電光晶體，調節腔長，使光學參量振蕩器的信號光頻率鎖定在種子激光頻率上，獲得窄線寬激光輸出。所述的電光晶體為砷化鎵晶體，所述的光電二極管為銦鎵砷光電探測器。

所述的隔離器對種子激光的隔離度不小于20dB，便于對種子激光器進行有效保護。

所述的晶體溫控爐的控溫范圍為20～200℃，控溫精度為±0.1℃。

本發明具有以下優點：

1、基于單頻脈沖激光器輸出的1.064μm激光泵浦多周期極化晶體，通過周期、角度、溫度調諧，可以獲得可調諧的雙諧振近紅外-中紅外激光輸出，具有調諧方便、覆蓋范圍廣的優點；

2、本發明的環形腔結構有利于激光模式的穩定振蕩和種子激光注入，雙諧振腔能夠實現近紅外信號光和中紅外空閑光雙諧振單頻參量激光輸出。

3、本發明采用主被動結合的頻率控制技術控制半導體種子激光器頻率特性，進而注入到光學諧振腔，通過電光晶體，將光學參量振蕩器的諧振腔鎖定在種子激光器的頻率上，實現壓窄光學參量光的線寬，提高光參量轉換的效率的特點。

附圖說明

圖1是本發明寬調諧、窄線寬納秒脈沖雙共振中紅外激光振蕩器實施例的結構示意圖。

圖2是電學控制處理連線圖。

具體實施方式

為進一步說明本發明的具體技術內容，以下結合實施例及附圖詳細說明如下：

先參照圖1，圖1是本發明寬調諧、窄線寬納秒脈沖雙共振中紅外參量振蕩器的結構示意圖，本發明包含四部分：單頻泵浦光、雙共振諧振腔、電學控制部分和種子光：

所述的單頻泵浦光包括1.064μm泵浦源1-1、聚焦透鏡1-2、安裝在可旋轉的支架上的1.064μm半波片1-3、偏振片1-4和雙色鏡1-5；

所述的雙共振諧振腔包括平凹第一腔鏡2-1、固定在晶體溫控爐2-3上的多周期極化晶體2-2、平凹第二腔鏡2-4、平面第三腔鏡2-5、平面第四腔鏡2-6和分光鏡2-7，所述的多周期極化晶體2-2與晶體溫控爐2-3一起固定在四維調整架上，用于調節多周期極化晶體2-2的周期和角度；在平面第三腔鏡2-5和平面第四腔鏡2-6的中間插入電光晶體3-2，二者的延長線上設有光電二極管3-1；

所述的種子光包括單頻FPB種子激光器4-1、準直透鏡4-2、隔離器4-3、半波片4-4、聚焦透鏡4-5和半透半反鏡4-6，半透半反鏡4-6的透射光路上設有電光調制器3-4。

沿泵浦光路傳播路徑為：1.064μm泵浦源1-1發出的泵浦光經過聚焦透鏡1-2耦合聚焦后，依次經1.064μm半波片1-3、偏振片1-4和雙色鏡1-5后，再從平凹第一腔鏡2-1透射，入射到多周期極化晶體2-2的中心位置，通過四維調整架調節多周期極化晶體的位置和角度，產生近紅外信號光和中紅外空閑光，剩余泵浦光從平凹第二腔鏡2-3透射出去。所述的偏振片1-4與泵浦光路呈布儒斯特角放置，所述的偏振片1-4與1.064μm半波片1-3構成光強調節裝置，用于調節入射泵浦光的光強；

沿種子光路傳播路徑為：單頻FPB種子激光器4-1發出的種子激光依次經過準直透鏡4-2、隔離器4-3、半波片4-4、聚焦透鏡4-5、半透半反鏡4-6和雙色鏡1-5后耦合到泵浦光路，進而透過平凹第一腔鏡2-1，再經過多周期極化晶體2-2后以15°度入射角入射到平凹第二腔鏡2-4，后依次經過平凹第二腔鏡2-4、平面第三腔鏡2-5、平面第四腔鏡2-6的全反射作用反射回平凹第一腔鏡2-1，反射后入射到平凹第一腔鏡2-1的種子激光一部分直接透過平凹第一腔鏡2-1和分光鏡2-7直接輸出，另一部分經過平凹第一腔鏡2-1反射回入射種子光路，在環形腔內形成振蕩閉合回路。所述的聚焦透鏡4-5用于把種子光耦合到多周期極化晶體2-2的中心位置，所述的雙色鏡1-5鍍有對1.064μm高透，種子光45°高反的介質膜，所述的分光鏡2-7鍍有對近紅外信號光高透，對中紅外空閑光高反的介質膜。

所述的電學控制部分在工作周期內，電光調制器3-4對通過半透半反鏡4-6的種子光進行頻率、振幅調制，所述的光電二極管3-1接受近紅外信號光經過平面第三腔鏡2-5透射形成的干涉信號，同經過電光調制器3-4后的種子光信號混合產生誤差信號，該誤差信號再經過PID控制系統3-4的處理，PID控制系統3-4的輸出作用于電光晶體驅動源3-3，通過調節電光晶體驅動源電壓驅動電光晶體3-2，調節腔長，使光學參量振蕩器的近紅外信號光頻率鎖定在種子激光頻率上，獲得窄線寬近紅外信號光和中紅外空閑光輸出。所述的電光晶體3-2為砷化鎵晶體，所述的光電二極管3-1為銦鎵砷光電探測器。

所述的1.064μm泵浦源1-1為激光二極管泵浦的Nd:YAG調Q激光器，輸出波長為1.064μm，線寬接近傅里葉變換極限。

所述的平凹第一腔鏡2-1鍍有對1.064μm增透，對近紅外信號光和中紅外空閑光均部分透過、且透過率相同的介質膜；所述的平凹第二腔鏡2-4鍍有對1.064μm增透，對近紅外信號光和中紅外空閑光均高反的介質膜，所述的平面第三腔鏡2-5，腔內反光面鍍有對1.064μm高透，對近紅外信號光高透，對中紅外空閑光高反的介質膜，另一面鍍有對1.064μm高透，對中紅外空閑光的高反膜；所述的平面第四腔鏡2-6鍍有對1.064μm高透、近紅外信號光和中紅外空閑光均高反的介質膜。

所述的多周期極化晶體2-2，其材料為MgO:PPLN或MgO:PPLT，其極化結構為多周期結構，極化周期為29μm、29.5μm、30μm、30.5μm,等間距變化，尺寸大小為50mm*3mm*7mm，該多周期極化晶體兩個端面均鍍有對1.064μm、近紅外和中紅外波段增透的介質膜。為了調諧方便，多周期極化晶體和晶體溫控爐一起固定在一個四維調整架上，便于對晶體進行周期、角度和溫度調諧。

所述的單頻FPB種子激光器4-1為通過高精細溫度和高精度電流穩頻方案鎖定的單一頻率半導體種子激光器。

所述的晶體溫控爐2-3的控溫范圍為20～200℃，控溫精度為±0.1℃。

所述的準直透鏡4-2和聚焦透鏡4-5對種子激光進行光束變化，使其在環形諧振腔內與參量諧振光光斑大小一致，達到最佳的模式匹配。

所述的隔離器4-3能保證種子激光的單向傳輸，避免光學器件表面反射或者從后腔鏡漏出的激光進入種子激光器打壞種子激光，該隔離器對種子激光的隔離度不小于20dB。

本發明的具體實施例工作過程是，Nd:YAG泵浦激光器1-1輸出的1.064μm非偏振激光經過聚焦透鏡1-2，其焦點聚焦在多周期極化晶體2-2的中心處，耦合到多周期極化晶體2-2的泵浦光斑直徑大小為800μm；再經過半波片1-3和偏振片1-4組成的光強調節裝置，調節入射到環形諧振腔的泵浦光強；單頻FPB種子激光器4-1產生的單頻激光通過準直透鏡4-2準直成平行光束后，經過隔離器4-3，再由聚焦透鏡4-5聚焦到多周期極化晶體2-2的中心處，耦合到多周期極化晶體的種子光斑直徑大小為600μm，再經過雙色鏡1-5與泵浦光路重合，入射到雙諧振環形腔內。1.064μm泵浦光在多周期極化晶體2-2內部進行頻率變換和振蕩，經過多周期極化晶體2-2的頻率轉換過程，近紅外信號光(1.3～1.7μm)和中紅外空閑光(3.0～4.5μm)沿與入射泵浦光呈30°的方向由平凹第一腔鏡2-1出射，剩余泵浦光由平凹第二腔鏡2-4出射；輸出的中紅外空閑光和近紅外信號光經過分光片2-7進行分離，信號光經過光纖耦合導入波長計，測量輸出信號光具體的諧振波長，在通過調整單頻DFB種子激光4-1的電流和溫度參數進行控制，使其輸出波長中心與測量的信號光輸出的中心波長一致。單頻FPB種子激光4-1一部分注入到雙共振環形腔中，一部分通過電光調制器3-4進行頻率、幅度調諧，光電二極管3-2用來探測透過平面第三腔鏡的信號光信號，并轉換為電信號，該電信號經過帶通濾波、放大后，與經過電光調制后的信號進行混合成誤差信號，然后該誤差信號經過PID控制器系統3-5處理，PID控制系統的輸出驅動電光晶體驅動源3-3，電光晶體驅動源給壓電晶體3-2施加電壓，電光晶體的折射率隨之線性變化，進而快速調節腔長，使得輸出信號光頻率始終鎖定在種子激光頻率上，從而輸出窄線寬的近紅外信號光和中紅外空閑光。

實驗表明。本發明通過單頻1.064μm激光泵浦環形雙共振諧振腔，結合多周期極化晶體周期、角度、溫度調諧，實現了信號光(1.3～1.7μm)和空閑光(3.0～4.5μm)的寬調諧范圍激光輸出；再通過注入與信號光頻率相同的種子激光，可實現單頻中紅外空閑光、近紅外信號光輸出，有效壓窄了線寬，使輸出的激光光譜寬度小于0.1nm，克服了傳統的光學參量振蕩器透射線寬通常為數納米、連續工作模式、信噪比差、探測靈敏度差的技術難題。本發明具有寬調諧、雙諧振、單頻性好的特點。