专利名称：一种基于体光栅构成半内腔式光学参量振荡器的2μm激光器的制作方法
技术领域：
本发明属于激光技术领域，尤其是涉及一种基于体光栅构成半内腔式光学参量振荡器的2 μ m激光器。
背景技术：
2μπι激光源在军事上有重要的应用价值，且它是泵浦磷锗锌光学参量振荡器(0Ρ0, Optical Parametric Oscillator)产生中红外激光(3-5 μ m激光)的理想光源。进一步，在医疗、遥感和材料科学等领域，2 μ m激光源也都有巨大的潜力。因此，2 μ m激光源一直是国内外研究的热点。目前，产生2 μ m激光的方法主要有三种:1)使用掺Tm或掺Ho的固体激光器产生2μπι激光；2)使用掺Tm光纤激光器产生2μπι激光；3)使用掺铷的Iym固体激光器，泵浦ΚΤΡ0Ρ0或PPLN 0Ρ0等，将Iym激光转换成2 μ m激光。对于前两种激光器直接产生2 μ m激光的技术尚未十分成熟，其设备昂贵，成本较高。而第三种利用Iym固体激光器泵浦0P0产生2 μ m激光的结构简单，技术成熟,成本较低廉,且能够产生较高的功率输出，因此其应用较为广泛。光学参量振荡器(0P0) 技术是一种能够产生宽带连续可调谐激光的技术，其利用非线性晶体的二阶非线性效应，在非线性晶体内传播的泵浦光与两个参量光发生三波耦合相互作用，从而实现光能量从高频泵浦光转换成两个低频参量光，其非常适合用于产生红外及中、远红外波段的激光。利用光学参量振荡器产生2μπι激光的激光器的结构可以采用外腔式或内腔式。外腔式结构是指光学参量振荡器设置在I μ m激光器的外部，内腔式结构是指光学参量振荡器设置在Iym激光器的内部。相对于外腔式,基于内腔式光学参量振荡器的激光器能够充分利用Iym激光器谐振腔内的高功率密度；并且，Iym激光在谐振腔内来回振荡，多次通过光学参量振荡器内的非线性晶体，增加了非线性相互作用的有效长度，从而进一步提高光学参量振荡器从I μ m到2 μ m的转换效率。因此，使用I μ m激光器泵浦内腔式光学参量振荡器是目前产生2 μ m激光的最有效的方法。另外，光束质量因子是激光光束质量的评估和控制理论基础。其定义为
P ΚχθAT = —~—
馬X代其中:R为实际光束的束腰半径，R0为基模高斯光束的束腰半径，Θ为实际光束的远场发散角，Θ ^为基模高斯光束的远场发散角。光束质量因子为I时,具有最好的光束质量。请参阅图1，其是现有技术的一种基于内腔式光学参量振荡器的2μπι激光器的结构不意图。该2 μ m激光器依序包括设置在同一光路上的第一平面镜1、声光Q开关2、激光晶体3、第二平面镜4、非线性晶体5和第三平面镜6。该激光晶体3具体为Nd = YALO激光棒。该激光晶体3产生的激光在第一平面镜I和第三平面镜6之间来回振荡,期间光束不断地被激光晶体3放大，从而产生I μ m激光。I μ m激光在透过非线性晶体5的期间，当
1μ m功率足够高的时候，由于非线性效应，有部分能量转换到2 μ m。2 μ m激光在第二平面镜4和第三平面镜6之间振荡，且在非线性晶体5中不断放大，2 μ m激光从第三平面镜6中透射输出。为了获得大功率的2μπι激光，其采用了紧凑的设计，即第一平面镜I与第三平面镜6之间的距离为22.5cm。但是,该基于内腔式光学参量振荡器的2 μ m激光器产生的光束质量并不理想。请参阅图2，其是该基于内腔式光学参量振荡器的2μπι激光器的光束质量测量图。由图可看出，其Iym的光束质量为16.15和20.02，2 μ m的光束质量为8.54和16.2，均与光束质量理想值I相差甚远。事实上，目前内腔式光学参量振荡器产生大功率
2μ m激光的光束质量与理想情况还有较大差距，仍未能完全满足目前应用的需要。进一步，为了利用最大非线性系数，克服走离效应，提高转换效率，得到高功率输出，一般采用周期性极化铌酸锂(PPLN)、周期性极化磷酸氟钛钾(PPKTP)和周期性极化钽酸锂(PPLT)作为周期性极化晶体。但是，基于PPLN、PPKTP和PPLT等周期性极化晶体的普通光学参量振荡器输出的2 μ m激光的线宽都非常宽，一般超过60nm，超出了磷锗锌光学参量振荡器的小于7nm的接收线宽。因此，为了提高中红外激光的转换效率，需要进一步对2μπι激光源进行线宽窄化。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的缺点与不足，提供一种大功率高光束质量且线宽窄的2 μ m激光器。本发明是通过以下技术方案实现的:一种基于体光栅构成半内腔式光学参量振荡器的2 μ m激光器，依序包括第一平面镜、激光晶体、声光Q开关、第二平面镜、非线性晶体、第三平面镜和体光栅，其中，该第一平面镜、激光晶体、声光Q开关、和第三平面镜构成I μ m激光器；该第二平面镜、非线性晶体和体光栅构成光学参量振荡器，该第二平面镜和非线性晶体依序设置在该I μ m激光器的声光Q开关和第三平面镜之间，该第三平面镜设置在非线性晶体和体光栅之间，从而使该体光栅设置在I μ m激光器的腔外，以形成半内腔式的光学参量振荡器的2 μ m激光器的结构；该激光晶体主节面处具有大光束半径；该第一平面镜对I μ m激光具有高反射率；该第二平面镜对2 μ m激光具有高反射率且对I μ m激光具有高透射率；该第三平面镜对I μ m激光具有高反射率且对2 μ m激光具有高透射率；该非线性晶体设置在I μ m激光束共焦参数最大的位置；该体光栅部分透射及部分反射2 μ m激光。进一步，该Iym激光器还包括偏振片，该第一平面镜、激光晶体和声光Q开关设置在第一光轴上，该第二平面镜、非线性晶体、第三平面镜和体光栅设置在第二光轴上，该第一光轴和第二光轴垂直，该偏振片为45°偏振片,其分别与第一光轴和第二光轴成45度角。当该激光晶体的主节面的模半径值为0.7mm，该激光晶体激光棒的热透镜焦距为300mm时，该第一镜片到激光晶体的距离为350mm，该第三镜片到激光晶体的距离为720mm。当该激光晶体的主节面的模半径值为1.0mm，该激光晶体激光棒的热透镜焦距为300mm时，该第一镜片到激光晶体的距离为330mm，该第三镜片到激光晶体的距离为1480mmo
该体光栅对2 μ m激光的反射率为70%,具有30%的输出。以及，该体光栅与该第二平面镜的距离为105mm或，进一步，该I μ m激光器还包括凹透镜和凸透镜，该第一平面镜、凹透镜、凸透镜、声光Q开关、激光晶体、第二平面镜、非线性晶体、第三平面镜和体光栅依序设置在同一光轴上。当该激光晶体的主节面的模半径值为1.0mm，该激光晶体激光棒的热透镜焦距为300mm时，该第一平面镜到凹透镜的距离为40mm，该凹透镜到凸透镜的距离为20mm，该凸透镜到激光晶体的距离为140mm，该激光晶体到第三平面镜的距离为160mm，该体光栅与该第二平面镜的距离为105mm。相对于现有技术，本发明的基于内腔式光学参量振荡器的2 μ m激光器可输出高光束质量及较大功率的2 μ m激光，其结构简单，成本低廉。为了能更清晰的理解本发明，以下将结合
阐述本发明的具体实施方式
。
图1是现有技术的一种基于内腔式光学参量振荡器的2 μ m激光器的结构示意图。图2是图1所示的激光器的光束质量测量图。图3是本发明的基于体光栅及内腔式光学参量振荡器的2μηι激光器的实施例1的结构示意图。图4是图3所示2 μ m激光器中的I μ m激光器的模半径分布图。图5是3所不2 μ m激光器输出的2 μ m激光光束质量测量图。图6是3所不2 μ· m激光器输出的2 μ m激光功率测量图。图7是图3所示2 μ m激光器输出的2 μ m激光的频谱图。图8是本发明的基于内腔式光学参量振荡器的2μπι激光器的实施例2的结构示意图。图9是图7所示2 μ m激光器中的I μ m激光器的模半径分布图。图10是图8所示的2 μ m激光器输出的2 μ m激光的频谱图。
具体实施例方式发明人经过研究发现，为了获得大功率高光束质量的2 μ m激光输出，需通过以下方式设置2 μ m激光器:首先要保证I μ m泵浦激光器采用大基模体积设计，即，I μ m激光在激光棒主节面处的光束半径尽可能设计得较大，这样，才能使I μ m的光束质量达到较高的水平；其次，是要使光学参量振荡器放置在I μ m激光束共焦参数最大的位置，即光学参量振荡器的非线性晶体设置在I μ m激光束共焦参数最大的位置，以降低相位失配的量，从而提高I μ m至2 μ m转换效率，且保持较好的光束质量。进一步，为了窄化基于PPLN、PPKTP和PPLT等周期性极化晶体的普通光学参量振荡器输出的2 μ m激光的线宽，以提高中红外激光的转换效率，需要进一步对上述2 μ m激光源进行线宽窄化，在本发明中采用体光栅来窄化线宽，以避免引入额外的损耗，在保证转换效率的同时窄化线宽。以下，通过具体实施例进行详细说明。
实施例1:请参阅图3，其是本发明的实施例1的基于体光栅构成半内腔式光学参量振荡器的2 μ m激光器的结构不意图。本发明的2 μ m激光器依序包括第一平面镜11、激光晶体12、声光Q开关13、偏振片14、第二平面镜15、非线性晶体16、第三平面镜17和体光栅18。其中，该第一平面镜11、激光晶体12、声光Q开关13、偏振片14和第三平面镜17构成I μ m激光器10 ;该第二平面镜15、非线性晶体16和体光栅18构成光学参量振荡器20。该光学参量振荡器20的部分元件第二平面镜15和非线性晶体16设置在该I μ m激光器10的内腔内，该光学参量振荡器20的兀件体光栅18设置在I μ m激光器10的腔外,从而形成半内腔式的光学参量振荡器的2 μ m激光器的结构。该第一平面镜11、激光晶体12和声光Q开关13设置在第一光轴上，该第二平面镜15、非线性晶体16和第三平面镜17和体光栅18设置在第二光轴上，该第一光轴和第二光轴垂直。该偏振片14为45度偏振片，因此，该偏振片14分别与第一光轴和第二光轴成45度角。该第一平面镜IlSlym高反镜，即对I μ m的激光具有高反射率的反射镜。该激光晶体12为Nd = YAG激光棒，其放置于一个激光模块的内部。该激光模块为激光二极管泵浦模块，其包括泵浦、冷却系统等副配装置。在本实施例中，该Nd: YAG激光棒直径为4mm，长度为110mm，在电流为24A时有最大泵浦功率500W。该声光Q开关13以固定的频率周期性地开和关，用以使激光器产生脉冲输出。该偏振片14为I μ m偏振片,其入射角度设置为45度，对I μ m的激光进行起偏，使I μ m激光线偏振输出。该第二平面镜15对I μ m激光具有高透射率，对2 μ m激光具有高反射率。该非线性晶体16为非线性晶体，在本实施例中，为周期极化铌酸锂(PPLN)。
该第三平面镜17对I μ m激光具有高反射率，对2 μ m激光具有高透射率。该体光栅18为反射式体光栅，通过紫外线照射后进行热加工，在光敏玻璃中经过折射率调制后制作完成。在本实例中，该体光栅18作为2μπι激光器的输出腔镜，利用其对波长的选择作用来实现光谱的线宽窄化。在本实施例中，该体光栅18的厚度为3.54mm，反射中心波长为2.129 μ m,反射率为70%，具有30%的输出，反射带宽小于0.6nm。以下详细说明本发明的2 μ m激光器的工作原理:首先，当该I μ m激光器10开启时，激光晶体12 (在本实施例中为Nd = YAG激光棒)在激光二极管的泵浦下，激光晶体的工作物质从低能态被激发到高能态，产生粒子数反转。此时，该声光Q开关13为关闭状态。该声光Q开关13以固定的频率周期性地开和关。当该声光Q开关13突然打开后，从噪声里面产生的微弱光在该激光晶体12的放大下增强，并在第一平面镜11和第三平面镜17之间来回振荡，期间光束不断地被激光晶体12放大，从而产生I μ m激光。I μ m激光在透过非线性晶体16的期间，由于光学参量振荡器是在I μ m激光器的内部，在非线性晶体16处的I μ m激光的功率非常大，当I μ m功率足够高的时候，由于非线性效应，有部分能量转换到2 μ m。2 μ m激光在第二平面镜15和体光栅18之间振荡，且在非线性晶体16中不断放大，部分2 μ m激光从体光栅18中透射输出。进一步，根据布拉格条件，体光栅18对于不同的入射光波，只有唯一的波长能够在不同光栅平面的反射光相干加强形成衍射级，才能从体光栅中按特定的方向衍射出来。而其余波长的光不满足布拉格条件，只能够透射过体光栅。2μηι激光在透射出体光栅18时,利用体光栅18对波长的选择作用，只有很窄线宽的2 μ m激光形成了振荡，进而得到了窄线宽的2 μ m激光输出。为了使本发明的2μπι激光器输出的2μπι激光的光束质量提高且保持较大功率，需对本发明2 μ m激光器的结构参数做进一步的设置:首先，为获得功率较高的Iym激光，激光器的工作电流设定在激光晶体12所在的激光模块允许的较大值21A。此时，测量得到激光晶体12激光棒的热透镜焦距为f=300mm。而为了获得高光束质量，首先应保证I μ m泵浦激光有接近基模(TMtltl模)的光束质量，即光束质量因子M2 1，因此，泵浦激光器采用大基模体积设计。即，Iym激光在激光棒主节面的模半径尽可能设计得较大，由于激光棒热效应的限制，激光棒主节面的模半径的最小值一般可以取0.7mm — 1.0mm或接近激光棒半径的值,这样既充分利用了激光棒的有效增益，又能以激光棒的孔径作为光阑，限制高阶模振荡，从而让泵浦激光器在近基模状态下运转。在本实施例中，激光器为平平腔结构，激光棒主节面上的光束半径为
权利要求
1.一种基于体光栅构成半内腔式光学参量振荡器的2 μ m激光器,其特征在于:依序包括第一平面镜、激光晶体、声光Q开关、第二平面镜、非线性晶体、第三平面镜和体光栅，其中，该第一平面镜、激光晶体、声光Q开关、和第三平面镜构成I μ m激光器；该第二平面镜、非线性晶体和体光栅构成光学参量振荡器，该第二平面镜和非线性晶体依序设置在该I μ m激光器的声光Q开关和第三平面镜之间，该第三平面镜设置在非线性晶体和体光栅之间，从而使该体光栅设置在I μ m激光器的腔外，以形成半内腔式的光学参量振荡器的2 μ m激光器的结构；该激光晶体主节面处具有大光束半径；该第一平面镜对Iym激光具有高反射率；该第二平面镜对2μπι激光具有高反射率且对Iym激光具有高透射率；该第三平面镜对I μ m激光具有高反射率且对2 μ m激光具有高透射率；该非线性晶体设置在I μ m激光束共焦参数最大的位置；该体光栅部分透射及部分反射2 μ m激光。
2.根据权利要求1所述的2μ m激光器，其特征在于:该I μ m激光器还包括偏振片，该第一平面镜、激光晶体和声光Q开关设置在第一光轴上，该第二平面镜、非线性晶体、第三平面镜和体光栅设置在第二光轴上，该第一光轴和第二光轴垂直，该偏振片为45°偏振片，其分别与第一光轴和第二光轴成45度角。
3.根据权利要求1所述的2μ m激光器，其特征在于:该I μ m激光器还包括凹透镜和凸透镜，该第一平面镜、凹透镜、凸透镜、声光Q开关、激光晶体、第二平面镜、非线性晶体、第三平面镜和体光栅依序设置在同一光轴上。
4.根据权利要求2所述的2μπι激光器，其特征在于:该激光晶体的主节面的模半径值为0.7mm，该激光晶体激光棒的热透镜焦距为300mm，该第一镜片到激光晶体的距离为350mm,该第三镜片到激光晶体的距离为720mm。
5.根据权利要求2所述的2μπι激光器，其特征在于:该激光晶体的主节面的模半径值为1.0mm，该激光晶体激光棒的热透镜焦距为300mm，该第一镜片到激光晶体的距离为330mm,该第三镜片到激光晶体的距离为1480mm。
6.根据权利要求2所述的2μ m激光器,其特征在于:该体光栅对2 μ m激光的反射率为70%，具有30%的输出。
7.根据权利要求2所述的2μ m激光器，其特征在于:该体光栅与该第二平面镜的距离为 105mm。
8.根据权利要求3所述的2μπι激光器，其特征在于:该激光晶体的主节面的模半径值为1.0mm，该激光晶体激光棒的热透镜焦距为300mm，该第一平面镜到凹透镜的距离为40mm，该凹透镜到凸透镜的距离为20mm，该凸透镜到激光晶体的距离为140mm，该激光晶体到第三平面镜的距离为160mm，该体光栅与该第二平面镜的距离为105mm。
9.根据权利要求1 6中任意一权利要求所述的2μ m激光器,其特征在于:该激光晶体为Nd = YAG激光棒。
10.根据权 利要求7所述的2μ m激光器，其特征在于:该非线性晶体为周期极化铌酸锂。
全文摘要
一种基于体光栅构成半内腔式光学参量振荡器的2μm激光器，依序包括第一平面镜、激光晶体、声光Q开关、第二平面镜、非线性晶体、第三平面镜和体光栅，其中，该第一平面镜、激光晶体、声光Q开关、和第三平面镜构成1μm激光器；该第二平面镜、非线性晶体和体光栅构成光学参量振荡器；该激光晶体主节面处具有大光束半径；该第一平面镜对1μm激光具有高反射率；该第二平面镜对2μm激光具有高反射率且对1μm激光具有高透射率；该第三平面镜对1μm激光具有高反射率且对2μm激光具有高透射率；该非线性晶体设置在1μm激光束共焦参数最大的位置；该体光栅部分透射及部分反射2μm激光。本发明的2μm激光器可输出高光束质量、较大功率及窄线宽的2μm激光，其结构简单，成本低廉。
文档编号H01S3/081GK103236638SQ201310109999
公开日2013年8月7日 申请日期2013年3月29日 优先权日2013年3月29日
发明者王彪, 郭靖, 何广源, 焦中兴 申请人:中山大学