一种光束指向稳定的大转角调谐短波红外相干光源

1.本发明涉及红外光学技术领域，具体地说是一种光束指向稳定的大转角调 谐短波红外相干光源。


背景技术：

2.自激光问世以来，由于其在方向性、单色性和相干性上的突出性能，使得 激光技术飞速发展，在国防、医疗及通信方面有着广泛的应用。但由于传统波 段的划分，2.5μm作为近红外光与中红外光的分界线，导致以2.5μm这一波长为 中心的光源发展水平稍显落后，而光谱分析、遥感和成像等研究领域恰恰需要 该波段的相干光源。
3.目前，还没有相应的激光增益介质可直接获得1.6-3.2μm全覆盖的可调谐激 光，一般采用光学参量振荡器的方式获得此波段的激光输出，其中角度调谐以 范围大、快速和操作简单等优点成为一种常用的方法，若要实现输出相干光 1.6-3.2μm波长范围的全覆盖，该调谐方法是目前行之有效的。但该方法在调谐 过程中会因非线性晶体的旋转造成输出光束的横向位移，改变光束指向，影响 后续使用。


技术实现要素：

4.本发明针对现有技术的不足，提供了一种光束指向稳定的大转角调谐短波 红外相干光源，利用泵浦光与非线性晶体相互作用产生相干短波红外光，通过 旋转非线性晶体实现输出波长的可调谐输出，根据调谐产生的光束偏移距离和 直角棱镜所需补偿位移的关系保持光束指向稳定。可以输出正入射波长为2.5 μm，调谐范围为1.6-3.2μm的短波红外相干光源。
5.一种光束指向稳定的大转角调谐短波红外相干光源，包括沿泵浦光源出光 方向依次设置的泵浦激光器、磁光隔离器、凸透镜、凹透镜、opo输入镜、非 线性晶体、opo输出镜、滤光片、固定直角棱镜和移动直角棱镜；
6.所述泵浦激光器发射泵浦光束；所述磁光隔离器使泵浦光单向传输；所述 凸透镜和凹透镜的轴线均与泵浦激光束重合，且凹透镜设在凸透镜的焦点处；
7.所述光学参量振荡器包括由opo输入镜和opo输出镜构成的谐振腔，以及 谐振腔内的非线性晶体；所述非线性晶体中轴线与泵浦光束的夹角θ可变；所 述谐振腔用于使输入的泵浦光在腔内的非线性晶体作用下，发生频率下转换， 产生1.6-3.2μm波长的短波红外信号光与闲频光，所述opo输出镜输出剩余泵浦 光和闲频光；
8.所述滤光片用于反射剩余泵浦光，透射短波红外光；
9.所述固定直角棱镜和移动直角棱镜反转放置，斜面平行，组成平行折射结 构，所述移动直角棱镜与固定直角棱镜的横向相对位置可变，用于改变折射结 构的有效厚度。
10.所述泵浦激光器为掺钕钇铝石榴石激光器，输出的泵浦激光波长为1.064 μm；所述磁光隔离器为空间光隔离器，镀1.064μm增透膜。
11.还包括：在凹透镜与opo输入镜之间设置第一45
°
反射镜和第二45
°
反射镜， 反射
泵浦光改变光路方向。
12.所述opo输入镜为平面镜，材质为k9玻璃，入射面镀有泵浦光增透膜，出 射面镀有泵浦光增透膜和信号光高反膜；所述opo输出镜为平面镜，材质为 caf2，入射面镀有泵浦光高透、信号光高反和闲频光高透膜，出射面镀有泵浦 光高透和闲频光高透膜。
13.所述的滤光片材质为caf2，表面镀有泵浦光高反膜和1.6-3.2μm短波红外光 增透膜。
14.所述固定直角棱镜和移动直角棱镜均是以等腰直角三角形为底面的直三棱 柱，材质为caf2，表面镀有1.6-3.2μm短波红外增透膜。
15.所述非线性晶体为砷酸钛氧钾晶体；所述非线性晶体设在水平转台上，转 台转动改变所述非线性晶体中轴线与泵浦光束的夹角θ。
16.所述移动直角棱镜设在水平一维直线位移台上，并可沿垂直于闲频光方向 调整其与固定直角棱镜的相对位置l，从而改变折射结构的有效厚度，补偿调谐 过程中因非线性晶体旋转造成的短波红外闲频光光束的输出方向的横向位移偏 差。
17.还包括上位计算机，所述计算机与泵浦激光器、磁光隔离器、非线性晶体 下方的水平转台、移动直角棱镜下方的一维直线位移台连接，用于输出指令信 号控制各器件工作。
18.一种光束指向稳定的大转角调谐中长波红外相干光源控制方法，包括以下 步骤：
19.步骤1：预先标定夹角θ与距离l之间的关系模型： l＝a
×
(θ3)+b
×
(θ2)+c
×
θ+d；，其中，a、b、c、d为经过多次预先标定后的模 型系数；
20.步骤2：调整并实时检测非线性晶体8中轴线与泵浦光束的夹角θ；
21.步骤3：根据关系模型，计算对应当前夹角θ的跟随横向相对位置距离l；
22.步骤4：调整移动直角棱镜12沿闲频光方向调整其与固定直角棱镜11的横向 相对位置距离l至步骤3计算的值，用于改变折射结构的有效厚度，补偿调谐过 程中因非线性晶体8旋转大转角造成的中长波红外闲频光光束的输出方向上的 横向位移偏差，实现光束指向稳定。
23.本发明具有以下有益效果及优点：
24.1.本发明所采用的氧化物非线性晶体(包括但不限于kta)光学参量振荡 器，通过旋转非线性晶体角度，改变相位匹配条件，实现宽调谐短波红外相干 光的输出。
25.2.本发明所采用的补偿光束位移的方法，利用平移台移动棱镜的位置对因 晶体旋转调谐导致的光束位移进行补偿，从而得到光束指向稳定的宽调谐短波 红外光，对后续的波谱分析和小尺寸样品检测等应用提供了极大的便利。
附图说明
26.图1是本发明提供的光束指向稳定的大转角调谐短波红外相干光源装置实 施例立体示意图；
27.图2是本发明提供的光束指向稳定的大转角调谐短波红外相干光源装置实 施例俯视图；
28.图3是本发明装置的控制方法流程图；
29.其中，1为泵浦激光器，2为磁光隔离器，3为凸透镜，4为凹透镜，5为第一 45
°
反射
镜，6为第二45
°
反射镜，7为opo输入镜，8为非线性晶体，9为opo输出 镜，10为滤光片，11为固定直角棱镜，12为移动直角棱镜。
具体实施方式
30.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对 本发明的具体实施方法做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以 便于充分理解本发明。但本发明能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施， 本领域技术人员可以在不违背发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受 下面公开的具体实施的限制。
31.除非另有定义，本文所使用的所有技术和科学术语与属于本发明的技术领 域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在发明的说明书中所使用的术语只 是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
32.如图1所示，本发明提供的一种光束指向稳定的大转角调谐短波红外相干 光源，包括泵浦激光器1、磁光隔离器2、凹透镜3、凸透镜4、第一45
°
反射镜 5、第二45
°
反射镜6、opo输入镜7、非线性晶体8、opo输出镜9、滤光片10、 固定直角棱镜11和移动直角棱镜12。所述泵浦激光器1产生用于opo的泵浦 激光，泵浦光依次通过磁光隔离器2、凸透镜3、凹透镜4、第一45
°
反射镜5、 第二45
°
反射镜6、opo输入镜7、非线性晶体8、opo输出镜9、滤光片10、 固定直角棱镜11和移动直角棱镜12。所述磁光隔离器2保证激光单向传输，避 免返回光造成激光器损伤；所述凸透镜3和凹透镜4轴线与泵浦激光束重合， 用于提升光束能量密度；所述第一45
°
反射镜5和第二45
°
反射镜6用于反射泵 浦光，使结构更加紧凑；所述光学参量谐振腔包括opo输入镜7和opo输出 镜9，利于信号光在腔内振荡以及短波红外闲频光透射输出；所述非线性晶体8 满足参量振荡的相位匹配条件，实现高效能量转换和短波红外调谐输出，且非 线性晶体8中轴线与泵浦光束的夹角θ可变；所述滤光片10设置在opo输出 镜9后，其通光面与泵浦输出光束呈一定倾斜角度，使泵浦光按照一定倾斜角 度反射，使透过滤光片10的光全部为短波红外光；所述固定直角棱镜11与移 动直角棱镜12反转放置，斜面平行，组成平行折射结构，通过调整所述移动直 角棱镜12沿垂直于闲频光方向的横向位置，改变移动直角棱镜12与固定直角 棱镜11的相对位置l，改变折射结构的有效厚度，从而利用折射对由于非线性 晶体8旋转大转角θ产生的输出光束横向偏移进行补偿，使输出光束的位置稳 定保持不变。
33.如图3所示，通过旋转非线性晶体8，改变相位匹配角度θ，调节短波红外 光源的输出波长。
34.装置工作原理：
35.步骤1：预先标定夹角θ与距离l之间的关系模型： l＝-0.00434
×
(θ3)+0.30402
×
(θ2)-14.06119
×
θ+1355.17902，该关系模型用于补偿调谐 过程中因非线性晶体8旋转造成的短波红外闲频光光束的输出方向上的位移；
36.步骤2：调整并实时检测非线性晶体8中轴线与泵浦光束的夹角θ；
37.步骤3：根据关系模型，计算对应当前夹角θ的跟随距离l；
38.步骤4：调整移动直角棱镜12沿闲频光方向调整其与固定直角棱镜11的横 向相对位置距离l至步骤3计算的值，从而改变折射结构的有效厚度(指光线 在固定直角棱镜7和移动直角棱镜8中传播的光程)，补偿调谐过程中因非线性 晶体8旋转大转角造成的中长波
红外闲频光光束的输出方向上的横向位移偏差， 实现光束指向稳定。
39.实施例1：
40.进一步的，可以采用实施例1的人为手动调整：在步骤2中，人为手动调 整非线性晶体8中轴线与泵浦光束的夹角θ；步骤4中，移动直角棱镜11与固 定直角棱镜12的距离l。
41.实施例2：
42.更进一步的，可以在上述实施例1装置基础上，还可通过设置移动设备得 到自动调整的实施例2技术方案，如图2所示。将非线性晶体8设在转台上， 转台连接上位计算机。将移动直角棱镜12设在一维直线运动模组上，一维直线 运动模组上的电机连接上位计算机。上位计算机中设有程序模块，当执行程序 时输出指令给转台、一维直线运动模组，实现如下流程步骤，如图3所示：
43.步骤s1：预先标定夹角θ与距离l之间的关系模型： l＝-0.00434
×
(θ3)+0.30402
×
(θ2)-14.06119
×
θ+1355.17902，该关系模型用于补偿调谐 过程中因非线性晶体8旋转造成的中长波红外闲频光光束的输出方向上的位移；
44.步骤s2：转台反馈夹角，并通过计算机转台程序界面实时显示非线性晶体 8中轴线与泵浦光束的夹角θ；
45.步骤s3：根据关系模型，计算对应当前夹角θ的跟随距离l；
46.步骤s4：控制一维直线运动模组上的电机转动，带动移动直角棱镜12沿中 长波红外闲频光方向调整其与固定直角棱镜11的相对位置l，从而改变折射结 构的有效厚度，补偿调谐过程中因非线性晶体8旋转大转角造成的中长波红外 闲频光光束的输出方向上的横向位移偏差，实现光束指向稳定。
47.实际应用时，泵浦激光器1为商用掺钕钇铝石榴石(nd:yag)激光器，所 输出的泵浦激光波长为1.064μm。磁光隔离器2为空间光隔离器，镀1.064μm 增透膜，保证泵浦激光单向传输，避免返回光造成激光器损伤。凸透镜3和凹 透镜4轴线与泵浦激光束重合，且凹透镜4设在凸透镜3的焦点处用于提升光 束能量密度。第一45
°
反射镜5和第二45
°
反射镜6用于反射泵浦激光，使光路 结构更加紧凑。泵浦激光通过opo输入镜7进入非线性晶体8，通过旋转非线 性晶体8，改变相位匹配条件，产生可调谐短波红外激光，再由opo输出镜9 输出。opo输入镜7为平面镜，k9玻璃材质，入射面镀有1.064μm泵浦光增 透膜，出射面镀有1.6-3.2μm光高反膜；opo输出镜9为平面镜，caf2材质， 入射面镀有泵浦光高透、信号光高反和短波红外光高透膜，出射面镀有泵浦光 高透和短波红外高透膜。实际操作时，opo输出镜9分为两组，输出1.6-2.1μm 短波红外光时，采用镜片为入射面镀有泵浦光高透、1.6-2.1μm闲频光高透和 2.2-3.2μm信号光高反膜，出射面镀有泵浦光高透和闲频光高透膜；输出2.2-3.2 μm短波红外光时，采用镜片为入射面镀有泵浦光高透、1.6-2.1μm信号光高反 和2.2-3.2μm闲频光高透膜，出射面镀有泵浦光高透和闲频光高透膜。非线性晶 体8为砷酸钛氧钾晶体，通光面尺寸15
×
7mm2，镀有1.06μm和1.6-3.2μm增 透膜，长度为20mm，该晶体具有较大的二阶非线性系数和较高的损伤阈值， 同时晶体的介电属性保证了参量振荡过程的相位匹配，有利于实现高效的能量 转换和短波红外光输出，通过旋转非线性晶体从而实现波长调谐。滤光片10材 质为caf2，表面镀有泵浦光高反膜和1.6-3.2μm短波红外光增透膜，用于滤除 剩余的泵浦光，使透过滤光片10的光全部为短波红外光。固定直角棱镜11和 位移直角棱镜12均是以等腰直角三角形为底面的直三棱柱，直角边长为25mm， 高为25mm，
材质为caf2，表面镀1.6-3.2μm短波红外增透膜，减少短波红外 光的反射损耗。
48.上述利用直角棱镜平移实现补偿因短波红外调谐产生的光束偏移的装置， 适用于光谱分析、遥感和成像等应用研究，本发明结构简单，操作简便，更好 的满足了实际应用的需求。