一种大功率远程探测多组分气体激光器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及中红外激光器。特别是基于准相位匹配OPO (光参量振荡)原理，输出波长可调谐的中红外激光器。
【背景技术】
[0002]随着工业化和现代化的突飞猛进，环境污染也变得愈发严重，环境污染已成为21世纪人类所面临的共同难题。许多污染气体在大气中含量较低，但却必须严格检测，如硫氧化物，氮氧化物，甲烷，二氧化硫等。因此。检测这些低浓度气体时，要求探测方法具有较高的的灵敏度。目前，灵敏气体检测的方法有很多种。就光学方法而言，可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)是高灵敏气体浓度检测的典型方法，这种方法同时还具有高速度，高分辨，非接触，可实时在线监测等优势。TDLAS检测方法要求使用单模性质很好的激光光源，要求线宽在MHz量级。通常的光源采用可调谐半导体激光器，由于本身的性质，功率常在小功率(<30mff),无法远距离测量。本发明利用光纤放大器对种子光频率的不变特性，作为OPO中红外转化的泵浦源，进行激光中红外频率转化，进而实现频率变化与种子源变化一致的中红外输出。
[0003]光谱学中将波长范围为0.75微米到1000微米的光称为红外线，其中一般将3至20微米的光称为中红外光。此波段的光有很多特性，尤其是3至5微米波段，此波段的光在大气中传输时损耗较低，是十分重要的大气红外窗口 ；除此，该波段还覆盖了很多碳氢气体和其他很多有毒气体的吸收峰。因此该波段的激光可以用于定向红外干扰、激光测距、光谱分析、大气污染物监测、有毒气体探测等。
[0004]目前获得中红外激光的方式大致有下面几种:气体激光器、量子级联激光器、二极管激光器、固体激光器及其抽运光的光参量振荡器(OPO)，其中随着作为OPO抽运源的固体激光器和光纤激光器的迅猛发展、新型非线性晶体材料的不断出现，光参量振荡技术取得了重大进展，成为了获得中红外激光输出的重要手段。
[0005]光参量振荡器在产生激光输出时具有很多优势:调谐范围广、不受抽运波长约束；可使用多种非线性晶体，而且调谐方式多样，包括温度调谐、周期调谐、角度调谐等；结构紧凑、可全固化，系统稳定性增强；可实现大功率、高光束质量、窄线宽输出等。
[0006]OPO技术早在1962年就被提出来了，理论被不断完善，实验上受限于抽运源和非线性晶体，一直很难有重大突破。直到上世纪80年代，随着基于双折射位相匹配(BPM)的晶体的出现，及半导体抽运的全固态激光器的发展，OPO技术有了很大的突破。
[0007]上世纪90年代发展起来的基于准位相匹配(QPM)技术的光学超晶格材料，如周期极化的钽酸锂(PPLT)、铌酸锂(PPLN)、掺镁铌酸锂(PPMgO = LN)、磷酸钛氧钾等，具有透光范围宽、有效二阶非线性系数大、吸收损耗小、抗光损伤阈值高的优点，把OPO技术推向了一个新的高度。
[0008]环形腔光参量振荡方法是获得大功率中红外激光的方法，目前中红外激光器普遍为硬铝，钢等金属材料。这样在输出激光时热量的积蓄会使金属材料发生热形变，金属的热形变会使泵浦激光束通过晶体的位置发生改变，从而对输出激光的波长功率产生影响，无法达到相关激光应用领域如探测气体等。
【发明内容】
[0009]本发明的目的是，提出一种可用于污染气体检测用的激光源。要求是输出功率大01.5W)以达到远距测量的要求，输出激光频率要与前端的可调谐半导体频率变化一致。且稳定性高，不发生模式跳变，能精准对准气体的吸收峰。同时因该激光器基于准相位匹配OPO原理(光参量振荡)，可以在较大范围内实现了输出波长的调节。
[0010]本发明的技术方案为:一种大功率远程探测多组分气体激光器，包括窄线宽光纤放大器泵浦源(I)、光学折镜系统(2)、光学参量振荡器系统(3)、减震外壳(4)。所述窄线宽光纤放大器泵浦源(I)通过光学折镜系统(2)将泵浦光注入光学参量振荡腔(3)。在谐振腔中通过非线性晶体，将1064nm泵浦光转化为短波长信号光和长波长闲频光，同时因谐振腔的腔镜镀膜使信号光腔内振荡，输出长波长的中红外波段激光输出。
[0011]窄线宽光纤放大器泵浦源(1)，其输出波长为1064nm，线宽要求为〈50MHz，功率>20ff的红外激光；
[0012]光学参量振荡腔采用环形腔设计。
[0013]所述的光学参量振荡器系统(3)，由镀膜腔镜、级联结构非线性晶体、高精度温控炉三部分组成；所述镀膜腔镜，各腔镜需要镀多层膜，参数为532nmHR，1064nmHT，1.4μπι-2.1 ymHR，3 μπι-4μπιΗΤ。Ml，M2 为平镜，M3，M4 为凹镜，曲率半径 R = -100mm。
[0014]所述级联结构非线性晶体，在纵向上设置两种周期28.5 μπι，30.3微米的非线性晶体结构，使1064nm泵浦光依次通过非线性晶体，发生频率转换。可通过控制晶体温度来调谐输出波长。
[0015]温控炉炉体为陶瓷结构，减少热形变，其控制电路部分采用PID控制电路，测温原件为精度为0.01的高精度热敏电阻PT100。
[0016]减震外壳(4)，外壳与光路板的连接为软性连接，避免了高频振荡对光路的影响。
[0017]本发明的有益效果，本发明输出功率大(>1.5W)以达到远距测量的要求，输出激光频率与前端的可调谐半导体频率变化一致。且稳定性高，不发生模式跳变，能精准对准气体的吸收峰。该激光器基于准相位匹配OPO原理(光参量振荡)，可以在较大范围内实现了输出波长的调节。因所用光学镜架元件尺寸均为半英寸大小，大大缩小整体装置体积。本发明可稳定获得甲烧和二氧化硫的特征吸收峰3.3 μ m，4 μ m波长处的大功率连续激光。
【附图说明】
[0018]图1为本发明整体装置图；
[0019]图2为本发明光路图；
[0020]图3为本发明光路底板装置；
[0021]图4为本发明28.5 μπι周期晶体温度调控曲线；
[0022]图5为本发明30.3 μπι周期晶体温度调控曲线。
【具体实施方式】
[0023]下面结合附图对本发明做进一步说明。
[0024]本发明采用工业生产成熟的1064nm光纤放大器作为OPO的泵浦源，I通过光纤扩束准直系统注入到光学谐振腔中。将一定掺杂浓度的周期极化晶体置于谐振腔振荡基模的束腰处。通过非线性晶体，1064nm非线性频率转化为短波长的闲频光和长波长的信号光，同时腔镜镀膜对短波长闲频光高反，信号光高透，以使闲频光在腔内振荡，输出中红外的信号光。
[0025]使用的非线性掺Mg铌酸锂晶体，为了获得同一块晶体输出3.3 μ m，4 μ m，设计晶体结构为级联结构。所谓级联结构就是两种周期的晶体(非线性掺Mg铌酸锂用于产生0P0，可参见本申