一种光学参量振荡器的制作方法

本发明涉及激光器领域，尤其涉及一种光学参量振荡器。

背景技术：

激光器的结构主要包括：增益介质、谐振腔和泵浦源。一般激光器的工作原理是基于增益介质的粒子数反转，通过谐振腔的选频和反馈进行受激辐射放大后输出相干激光。光学参量振荡器原理上是基于非线性介质的二阶非线性光学转换，泵浦激光在非线性介质内转换成两束激光，一束为信号光，另一束为闲频光，然后通过谐振腔的选频和反馈进行非线性光学转换放大后输出相干激光。光学参量振荡器光源具有波长调谐范围宽、能量转换效率高、能同时产生两束相纠缠的相干光、全固态结构等优点，在激光化学、量子相干、医学等领域具有广泛的应用。高能量的光学参量振荡器在激光雷达、医学光声成像以及激光自身的频率拓展等领域都有很大的应用需求。近年来得益于非线性光学晶体生长技术的成熟，光学参量振荡器的设计取得了重要的进展。

光学参量振荡器的输出能量主要受到能量转换效率和最高泵浦激光能量的限制，其中，最高泵浦激光能量受限于非线性光学晶体和各光学元件的功率密度损伤阈值，因此提高输出能量关键在于合理的设计谐振腔，以提高光学参量振荡器的能量转换效率。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

基于上述问题，本发明提供了一种光学参量振荡器，通过合理的配置谐振腔等结构将泵浦光生成两束准共线泵浦光，合理的谐振腔设计可以提高能量转换效率，另外单脉冲输出能量除了提高转换效率外还应该考虑在不超过损伤阈值情况下如何提高最高泵浦能量，提高泵浦能量在一定程度上也可以提高转换效率，以克服现有高能量脉冲光学参量振荡器的输出能量和能量转换效率上的不足。

(二)技术方案

本发明提供了一种光学参量振荡器，包括：泵浦激光源装置100，用于产生泵浦光；泵浦光控制装置200，用于接收泵浦光，并对泵浦光的光斑尺寸和偏振方向进行调节，包括双色镜208，并将调节后的泵浦光通过双色镜208导出；谐振腔装置300，包括非线性光学晶体301、高反射率腔镜302以及输出耦合镜303，其中，非线性光学晶体301设于高反射率腔镜302和输出耦合镜303之间，双色镜208设于输出耦合镜303和非线性光学晶体301之间，非线性光学晶体301用于接收双色镜208导出的泵浦光并实现非线性光学转换生成信号光和闲频光，并将其导出至高反射率腔镜302；高反射率腔镜302的法线方向与泵浦光方向设有预设夹角，用于反射泵浦光至非线性光学晶体301，以使反射的泵浦光与入射的泵浦光在晶体内部形成准共线，两束准共线泵浦光生成的信号光和闲频光依次通过双色镜208和输出耦合镜303输出。

可选地，泵浦光控制装置200沿光路方向还依次包括高能吸收光阑202、偏振分束立方体204、透镜207，且偏振分束立方体204前后各设一半波片203分别为第一半波片和第二半波片，且所述第一半波片和第二半波片可旋转，透镜207前后各设一光路校准光阑206分别为第一光路校准光阑和第二光路校准光阑，其中，高能吸收光阑202用于限制泵浦光的光斑尺寸以及吸收经谐振腔光路偏离后的泵浦光，以保护所述泵浦激光源装置100不被返回的泵浦光损伤；半波片203用于旋转泵浦光的线偏振方向；偏振分束立方体204用于将泵浦光的水平偏振成分和竖直偏振成分分开，并将泵浦光的竖直偏振成分发送至第二半波片；光路校准光阑206用于校准泵浦光路；透镜207用于调节泵浦光的光斑尺寸；从第二光路校准光阑出射的泵浦光通过双色镜208导出。

可选地，透镜207包括平凸透镜2071和平凹透镜2072，平凸透镜2071和平凹透镜2072的平面部分相对平行设置且其之间的距离为所述平凸透镜2071和平凹透镜2072的焦距之和。

可选地，高反射率腔镜302的法线方向与泵浦光方向设有预设夹角小于或等于0.3°。

可选地，谐振腔装置300还包括电动促动器系统304，其上表面设有非线性光学晶体301，用于带动非线性光学晶体301旋转。

可选地，电动促动器系统304包括晶体固定柱3041、旋转臂3042、旋转台3043、直流伺服电动促动器3044、复位弹簧3045以及蓝宝石垫片3046，其中，晶体固定柱3041用于承载非线性光学晶体301，晶体固定柱3041固定于旋转臂3042的一端，旋转臂3042轴接于旋转台3043，直流伺服电动促动器3044通过蓝宝石垫片3046与旋转臂3042的另一端垂直连接，复位弹簧3045的一端与旋转臂3042的一端垂直连接，复位弹簧3045的另一端固定。

可选地，输出耦合镜303输出的光还包括残余泵浦光，光学参量振荡器还包括监测控制系统400，监测控制系统400包括第一滤色镜401、第二滤色镜402以及闲频光高反射镜403，其中，第一滤色镜401用于过滤残余泵浦光，并将过滤后的光束发送至第二滤色镜402，第二滤色镜402用于分离闲频光和信号光，并将闲频光发送至闲频光高反射镜403。

可选地，监测控制系统400还包括光束取样镜404、光纤光谱仪405、控制电脑406以及促动器控制器407，其中，光束取样镜404用于反射部分信号光至光纤光谱仪405，光纤光谱仪405用于测量信号光的波长，控制电脑406用于实时显示波长并利用促动器控制器407控制电动促动器系统304旋转。

可选地，泵浦光控制装置200还包括激光能量收集器205，用于收集残余泵浦光以及偏振分束立方体204分出的水平偏振泵浦光。

可选地，泵浦光控制装置200还包括多个高反射镜201，用于改变泵浦光的方向。

(三)有益效果

本发明提供了一种光学参量振荡器，至少具有如下有益效果：

(1)在保证泵浦光功率密度不大于非线性光学晶体和各光学元件损伤阈值的前提下，利用能连续调节泵浦光能量的泵浦光控制装置200获得尽可能高的泵浦光功率密度，提高非线性光学转换的能量转换效率；

(2)在保证泵浦光功率密度不大于非线性光学晶体和各光学元件损伤阈值的前提下，利用能调控泵浦光光斑尺寸的泵浦光控制装置200获得大泵浦光斑直径，提高最高单脉冲泵浦能量和输出脉冲能量；

(3)采用准共线双程泵浦的光路设计，提高泵浦激光能量的转换效率；

(4)采用经实验测定的最优反射率的输出耦合镜303，保证最优化的泵浦光能量转换效率；

(5)在保证不出现逆向非线性光学转换(即信号光与闲频光逆向和频转换为泵浦光)的前提下采用大尺寸(光程长度)非线性光学晶体，提高非线性光学转换过程的光能增益，并压缩输出泵浦光的光谱线宽。

附图说明

图1示意性示出了本公开实施例的光学参量振荡器的结构示意图；

图2示意性示出了本公开实施例的电动促动器系统304结构的俯视图；

图3示意性示出了本公开实施例的电动促动器系统304结构的右视图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明提供了一种光学参量振荡器，参见图1，包括：泵浦激光源装置100，用于产生泵浦光；泵浦光控制装置200，用于接收泵浦光，并对泵浦光的光斑尺寸和偏振方向进行调节，包括双色镜208，并将调节后的泵浦光通过双色镜208导出；谐振腔装置300，包括非线性光学晶体301、高反射率腔镜302以及输出耦合镜303，其中，非线性光学晶体301设于平行紧凑放置的高反射率腔镜302和输出耦合镜303之间，双色镜208设于输出耦合镜303和非线性光学晶体301之间，非线性光学晶体301用于接收双色镜208导出的泵浦光并实现非线性光学转换生成信号光和闲频光，并将其导出至高反射率腔镜302；高反射率腔镜302的法线方向与泵浦光方向设有预设夹角，用于反射泵浦光至非线性光学晶体301，以使反射的泵浦光与入射的泵浦光在晶体内部形成准共线，两束准共线泵浦光生成的信号光和闲频光依次通过所述双色镜208和输出耦合镜303输出。下面将以泵浦光波长为532nm，非线性光学晶体301为ktp晶体为例对本方案进行详细说明。

泵浦激光源装置100，用于产生泵浦光；

具体的，本发明实施例中泵浦激光源装置100的脉冲重复频率为10hz、脉冲宽度为10ns、光斑直径为10mm的nd：yag激光器，通过倍频晶体二次谐波产生的波长532nm的激光作为光学参量振荡器非线性光学转换过程的泵浦源。

泵浦光控制装置200，用于接收泵浦光，并对泵浦光的光斑尺寸和偏振方向进行调节，包括双色镜208，并将调节后的泵浦光通过双色镜208导出；

具体的，泵浦光控制装置200设于泵浦激光源装置100后，用于接收并控制泵浦激光源装置100产生的泵浦光，以获得一定光斑尺寸、一定偏振、能量连续可调的泵浦光，并将泵浦光引入到谐振腔装置300中，且可吸收经谐振腔装置300光路偏离后返回的泵浦光，防止返回的泵浦激光损伤泵浦激光源装置100。沿泵浦光传播方向依次包括高能吸收光阑202、偏振分束立方体204、透镜207、双色镜208，且偏振分束立方体204前后各设一半波片203分别为第一半波片和第二半波片，且第一半波片和第二半波片可旋转；透镜207前后各设一光路校准光阑206分别为第一光路校准光阑和第二光路校准光阑，其中，高能吸收光阑202的外径为40mm，通光孔径为9mm，一方面用于限制泵浦光的光斑尺寸，另一方面用于吸收经谐振腔装置300光路偏离后返回的泵浦光，防止返回的泵浦激光损伤泵浦激光源装置100；半波片203可以连续旋转泵浦光的线偏振方向，本发明实施例中的半波片203为两个，分别为第一半波片和第二半波片，分别设于偏振分束立方体204的前后，用于旋转进入所述偏振分束立方体204的泵浦光以及从偏振分束立方体204射出的泵浦光的线偏振方向；偏振分束立方体204可以将泵浦光的水平偏振成分和竖直偏振成分分开，并将泵浦光的竖直偏振成分发送至第二半波片，本发明实施例中，偏振分束立方体204与第一半波片203一起组成泵浦光能量衰减器，实现对竖直偏振的泵浦光能量的连续调节，并保证引导至下一光学元件的波长为532nm的泵浦光的偏振为本发明实施例中ktp晶体相位匹配条件所要求的竖直偏振，同时将多余的水平偏振分量引导至激光能量收集器205中进行收集，防止无用泵浦光出射到光路以外的自由空间；光路校准光阑206用于校准泵浦光路，本发明实施例中光路校准光阑206的数量为两个，分别为第一光路校准光阑和第二光路校准光阑，分别设于透镜207的前后；透镜207用于调节泵浦光的光斑尺寸，透镜207包括平凸透镜2071和平凹透镜2072，平凸透镜2071和平凹透镜2072一起组成一个伽利略望远镜系统，平凸透镜2071和平凹透镜2072的平面部分相对平行设置且其之间的距离为平凸透镜2071和平凹透镜2072的焦距之和，可选情况下平凸透镜2071和平凹透镜2072的距离可以进行微调从而使得出射光为平行光，入射泵浦光从平凸透镜2071的凸面进入，从平凹透镜2072的凹面射出；双色镜208设于谐振腔装置300中，对波长532nm的泵浦光的反射率大于99％，对谐振腔装置300内新产生的信号光和闲频光的波长的透射率大于96％，用于将从第二光路校准光阑出射的泵浦光导出至谐振腔装置300，且不会影响谐振腔装置300内的光反馈和激光振荡。在保证泵浦光功率密度不大于非线性光学晶体301以及各光学元件损伤阈值的前提下采用尽可能高的泵浦光功率密度，提高非线性光学转换的能量转换效率，并采用大泵浦光斑直径，提高最高单脉冲泵浦能量和输出脉冲能量。

该泵浦光控制装置200还包括多个高反射镜201，用于改变泵浦光的方向，本发明实施例中泵浦激光源装置100产生的泵浦光经过3个高反射镜201改变方向后垂直射于高能吸收光阑202，从偏振分束立方体204射出的竖直偏振的泵浦光经过一个高反射镜201后垂直射于第二半波片，从第二半波片射出的泵浦光经过一个高反射镜201后垂直射于第一光路校准光阑，从第二光路校准光阑射出的泵浦光经过一个高反射镜201后射于双色镜208。

谐振腔装置300，包括非线性光学晶体301、高反射率腔镜302以及输出耦合镜303，其中，非线性光学晶体301设于高反射率腔镜302和输出耦合镜303之间，双色镜208设于输出耦合镜303和非线性光学晶体301之间，非线性光学晶体301用于接收双色镜208导出的泵浦光并实现非线性光学转换生成信号光和闲频光，并将其导出至高反射率腔镜302；高反射率腔镜302的法线方向与泵浦光方向设有预设夹角，用于反射泵浦光至非线性光学晶体301，以使反射的泵浦光与入射的泵浦光在晶体内部形成准共线，两束准共线泵浦光生成的信号光和闲频光依次通过所述双色镜208和输出耦合镜303输出。

具体的，谐振腔装置300，用于实现泵浦光的波长选择、非线性光学转换的光能增益与反馈并产生振荡，最终稳定输出激光。高反射率腔镜302和一个经由实验测定和优化反射率的输出耦合镜303组成一个谐振腔，高反射率腔镜302和输出耦合镜303平行紧凑放置。非线性光学晶体301放置于谐振腔中，用于获得非线性光学转换的光能增益，在保证不出现逆向非线性光学转换的前提下采用大光程长度的非线性光学晶体，提高非线性光学转换过程的光能增益，并压缩输出泵浦光的光谱线宽，该非线性光学晶体301的材料可以为ktp(ktiopo4)、lnb(linbo3)等，本发明实施例中，非线性光学晶体301的材料采用ktp晶体，非线性光学晶体301设于高反射率腔镜302和输出耦合镜303之间，用于实现非线性光学转换光能增益，ktp晶体具有损伤阈值高、非线性系数高、温敏系数低等优点，本发明实施例中根据所需输出波长范围采用两块可互相更换的ktp晶体，尺寸均为14mm*9mm*20mm，14mm*9mm的两个面为通光面，通光面均镀有宽带增透膜，主轴平面均为xz面，切割角为φ＝0度，θ＝70度和θ＝53度，采用第1i类相位匹配；双色镜208设于输出耦合镜303和非线性光学晶体301之间，非线性光学晶体301用于接收双色镜208导出的泵浦光并实现非线性光学转换生成信号光和闲频光，并将其导出至高反射率腔镜302；高反射率腔镜302在泵浦光波长处具有高反射率，可以使泵浦光来回两次经过非线性光学晶体301，实现光学参量过程的双程泵浦，提高能量转换效率，同时消除由非线性光学晶体折射率引起的光路走离，保证整个波长调谐范围内输出光束的空间稳定性，高反射率腔镜302的法线方向与非线性光学晶体301导出的泵浦光方向设有预设夹角，该夹角的大小一般不大于0.3°，且高反射率腔镜302尽可能靠近非线性光学晶体301，使经高反射率腔镜302反射返回的泵浦光在非线性光学晶体301内部与入射的泵浦光接近重合，实现准共线双程泵浦，也即生成两束准共线泵浦光，两束准共线泵浦光在非线性光学晶体301内均可对生成的信号光和闲频光进行非线性光学转换放大，生成的信号光和闲频光依次通过所述双色镜208和输出耦合镜303输出。同时高反射率腔镜302反射返回的泵浦光在上述泵浦光控制装置200中获得大于泵浦光光斑直径的偏离距离，从而可由一个高能吸收光阑202吸收，防止返回的泵浦光损伤泵浦激光源装置100。本发明实施例中，高反射率腔镜302对波长为532nm的泵浦光、新生成的信号光和闲频光同时具有大于96％的反射率，输出耦合镜303为信号光的输出装置，对信号光的透射率约为50％，对闲频光的透射率不大于50％，该高反射率腔镜302和输出耦合镜303平行放置，间距为7cm，组成一个谐振腔，高反射率腔镜302将波长为532nm的泵浦光返回，使波长为532nm的泵浦光来回两次经过ktp晶体，实现双程泵浦，并消除由所述ktp晶体折射率引起的光路走离，保证整个波长调谐范围内输出激光束的空间稳定性。高反射率腔镜302的反射面与ktp晶体也即非线性光学晶体301端面间距为8mm，高反射率腔镜302的法线方向与非线性光学晶体301导出的泵浦光方向的夹角为0.2°，返回的波长532nm的泵浦光在所述ktp晶体内部与入射波长532nm泵浦光近似重合，实现准共线双程泵浦，同时返回的波长532nm的泵浦光在所述高能吸收光阑202处获得12mm的偏离距离，并被所述高能吸收光阑202完全吸收，保证泵浦激光源装置100不被返回的波长为532nm泵浦光损伤。

该谐振腔装置300还包括电动促动器系统304，其上表面设有非线性光学晶体301，用于带动非线性光学晶体301旋转。

如图2和图3所示，电动促动器系统304包括晶体固定柱3041、旋转臂3042、旋转台3043、直流伺服电动促动器3044、复位弹簧3045以及蓝宝石垫片3046，其中，晶体固定柱3041用于承载非线性光学晶体301，晶体固定柱3041固定于旋转臂3042的一端，旋转臂3042轴接于旋转台3043，该旋转臂由ss304不锈钢加工而成，直流伺服电动促动器3044通过蓝宝石垫片3046与旋转臂3042的另一端垂直连接，复位弹簧3045的一端与旋转臂3042的一端垂直连接，复位弹簧3045的另一端固定。直流伺服电动促动器3044结合复位弹簧3045推动旋转臂3042驱动旋转台3043，进而实现对ktp晶体光轴方向和泵浦光束方向夹角的精准调节，实现对输出激光的波长调谐，旋转臂3042与直流伺服电动促动器3044接触位置设有一片蓝宝石垫片3046，防止长期工作时直流伺服电动促动器3044顶端的旋进损坏旋转臂3042接触面，保证对ktp晶体光轴方向调谐的长期工作的稳定性。

输出耦合镜303输出的光还包括残余泵浦光，光学参量振荡器还包括监测控制系统400，该监测控制系统400包括第一滤色镜401、第二滤色镜402以及闲频光高反射镜403，其中，本发明实施例中第一滤色镜401优选为长波通滤色镜用于过滤残余泵浦光，第一滤色镜401对波长532nm的残余泵浦光的反射率大于99％，并将反射的残余泵浦光发送至激光能量收集器205收集，对非线性光学转换产生的信号光和闲频光的透过率大于96％，并将过滤后的光束发送至第二滤色镜402；本发明实施例中第二滤色镜402优选为短波通滤色镜用于分离闲频光和信号光，第二滤色镜402对闲频光的反射率大于99％，且对信号光的透射率大于98％，实现信号光和闲频光的分离，并将闲频光发送至闲频光高反射镜403反射输出。

该监测控制系统400还包括光束取样镜404、光纤光谱仪405、控制电脑406以及促动器控制器407，其中，光束取样镜404用于反射部分信号光至光纤光谱仪405，光纤光谱仪405用于测量信号光的波长，控制电脑406用于实时显示波长并利用促动器控制器407控制电动促动器系统304旋转，实现波长的实时在线定位和连续扫描。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。