CN102402097A - 波长转换方法、光参量振荡器和光参量放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及激光器技术领域，公开了一种波长转换方法，所述方法使用一定波长的激光泵浦砷酸钛氧钾KTA晶体得到波长大于3.7μm的激光，其中，KTA晶体采用XZ折射率主轴平面内处于KTA晶体的相位匹配曲线的边缘位置的相位匹配角。本发明还提供了利用该方法实现的光参量振荡器和光参量放大器。本发明利用1.064μm左右的激光直接泵浦KTA晶体得到大于3.7μm波长的激光，由于没有经过中间波长激光的光参量转换，所以实现过程简单。KTA晶体相比其它晶体(如ZGP、PPLN)有更高的损伤阈值，因此更利于高能量密度输出。而且，由于KTA晶体生产工艺相对成熟，价格也较其它晶体(如ZGP、PPLN等)更低廉，所以降低了实现成本。
Description
技术领域
本发明涉及激光器技术领域，具体涉及一种波长转换方法、光参量振荡器和光参量放大器。
背景技术
波长大于3.7μm(微米)的激光在光电对抗、气体探测等领域有重要的应用，目前应用广泛的红外探测器对这一波段有比较敏感的作用。实现这一波长激光的方法有很多，其中光参量变换方法由于实现结构简单、体积小以及波长可调谐的特性，成为目前实现波长大于3.7μm的激光的有效手段。
所谓光参量变换的方法是利用晶体二阶非线性光学变换将注入泵浦激光的波长转换成波长更长的激光。当激光通过双折射晶体时，按照偏振状态分成寻常光(o光)和非寻常光(e光)。当注入晶体的激光满足内相位匹配条件的时候，可以发生光参量变换过程。
光参量变换过程中，一个泵浦光子湮灭产生一个信号光子和一个闲频光子，三个波长的激光满足相位匹配条件：
其中λ1、λ2、λ3分别是信号光、闲频光和泵浦光的波长，n1、n2、n3分别是偏振状态的信号光、闲频光和泵浦光在晶体中的折射率。三个波长满足：
光参量变换过程中，信号光和闲频光统称为参量光，对于这两个参量光，如果把其中之一称作信号光，另一个称为闲频光。如果只有泵浦光注入非线性晶体内，从晶体中输出了信号光和闲频光，则这个装置可以称为光参量生成器(OPG)。如果较强的泵浦光和较弱的参量光注入非线性晶体中，从晶体中输出了较强的参量光，这是一个光参量放大的过程，这个装置可以称为光参量放大器(OPA)。如果在非线性晶体两端加入谐振腔，将泵浦光注入谐振腔和晶体内，当至少一种参量光在谐振腔内振荡时，这叫做光参量振荡器(OPO)。根据谐振腔的类型，OPO可以分为单谐振OPO(只有信号光振荡)和双谐振OPO(信号光和闲频光同时振荡)；如果泵浦光被谐振腔镜反射，从而两次通过非线性晶体，可以称为双程泵浦OPO。
常用非线性频率变换产生大于3.7μm波长激光的方法是利用2μm波长的激光器通过光参量过程得到，常用的晶体是ZnGeP2(ZGP)、AgGaS2等晶体。对于脉冲宽度为10ns的脉冲，这两种晶体的损伤阈值分别为2J/cm2和1J/cm2，实际应用中由于镀膜工艺的限制，损伤阈值会更低，因而不利于大功率密度和大能量密度运转。并且2μm波长的激光需要通过多级光参量过程产生或者通过Tm、Ho等离子掺杂的激光晶体产生，这两种方法在实际应用中都会增加***的复杂性。目前用ZGP晶体，10ns脉冲宽度的激光可以得到约30mJ、波长大于3.7μm的激光。产生这个波段的激光，也可以用LiNbO3(LN)和周期性极化的LiNbO3(PPLN)晶体，但是由于制作工艺水平的限制，LN晶体的在实际使用中的损伤阈值在0.5J/cm2左右(脉冲宽度10ns)，PPLN晶体的损伤阈值则更低。目前大口径的PPLN晶体生长技术还不成熟，这类晶体也不利于输出大能量密度和大功率密度的激光，利用这类晶体理论上可以产生30mJ左右波长大于3.7μm的激光(脉冲宽度10ns)。利用沿X-cut的砷酸钛氧钾(KTiOAsO4，简称为KTA)晶体通过1.5μm波长的激光泵浦也可以产生这个波段的激光(参见发明US6834063)，但是1.5μm波长的激光首先要经过1.064μm左右的激光泵浦X-cut的KTA晶体得到，增加了***的复杂性。由于大能量波长大于3.7μm的激光在遥感气体探测和中红外波长军事对抗等领域有重要的应用潜力，利用简单便携的结构实现更大能量的输出有实际应用价值。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明所要解决的技术问题是：如何设计一种实现过程简单，成本低的波长转换方法，以及由该方法实现的光参量振荡器和光参量放大器。
(二)技术方案
为解决上述技术问题，本发明提供了一种波长转换方法，所述方法使用一定波长的激光泵浦KTA晶体得到波长大于3.7μm的激光，其中，KTA晶体采用XZ折射率主轴平面内处于KTA晶体的相位匹配曲线的边缘位置的相位匹配角。
优选地，所述一定波长为1047nm～1064nm的波长。
优选地，所述一定波长为1.064μm的波长。
优选地，所述KTA晶体采用XZ折射率主轴平面内41.2°的相位匹配角。
优选地，所述波长大于3.7μm的激光为波长大于3.7μm的红外波段的激光。
优选地，所述波长大于3.7μm的激光为3.7～3.8μm波段、中心波长为波长3.75μm的红外波段的激光。
优选地，所述KTA晶体为单块的形式、多块串联的形式，或者多块走离补偿的形式。
优选地，所述一定波长的激光为泵浦光，产生所述泵浦光的激光晶体为Nd3+和Yb3+掺杂的晶体，被掺杂的基体晶体是YAG、YVO4和YLF中的一种。
本发明还提供了一种光参量振荡器(包括外腔OPO和内腔外腔OPO)，其利用所述的方法实现，包括KTA晶体和谐振腔镜。
本发明还提供了一种光参量放大器，其利用所述的方法实现，包括KTA晶体。
(三)有益效果
本发明利用1.064μm左右的激光直接泵浦KTA晶体得到大于3.7μm波长的激光，由于没有中间波长的光参量过程，所以实现过程简单。KTA晶体相比其它晶体(如ZGP、PPLN)有更高的损伤阈值，因此更利于高能量密度输出。而且，由于KTA晶体生产工艺相对成熟，价格也较其它晶体(如ZGP、PPLN等)更低廉，所以降低了实现成本。
附图说明
图1为本发明获得的闲频光的光谱图；
图2为本发明实施例1的外腔式OPO***结构图；
图3为本发明实施例2的OPA***结构图；
图4为本发明实施例3的内腔式OPO***结构图。
具体实施方式
下面对于本发明所提出的一种波长转换方法、光参量振荡器和光参量放大器，结合附图和实施例详细说明。
本发明实施例基于1.064μm左右波长激光(为泵浦光)泵浦砷酸钛氧钾(KTiOAsO4，简称KTA)晶体，泵浦光在KTA晶体中发生光参量变换过程，生成波长大于3.7μm的红外波段的激光。该KTA晶体为XZ折射率主轴平面内41.2°相位匹配的KTA晶体。本发明的实验中，利用1.064μm波长的激光泵浦KTA晶体得到了3.7～3.8μm波段、中心波长3.75μm的激光，能量约60～70mJ，脉冲宽度约7ns，光斑直径为9mm。
本发明中，相位匹配发生的位置处在KTA晶体的相位匹配曲线的边缘，由于折射率测量的不精确性和实际相位匹配过程的微小变动，目前对这个位置的相位匹配过程有很多预测，预测模型基本相同，预测结果却有不小差异。印度Burdwan University大学的Das等人最近对3.7μm以下波长的相位匹配过程进行了研究，同时也列举了不同的预测结果，对于3.7μm～4.0μm波段却没能给出实验结果。本发明则在实验上得到了波长大于3.7μm的激光，填补了KTA晶体输出大能量中红外波长激光的部分空白。这里利用1.064μm波长的激光泵浦41.2°XZ折射率主轴平面(即XZ平面)内相位匹配的KTA晶体得到波长3.75μm的激光，不是简单地对KTA晶体匹配角度的改变，而是对1.064μm波长泵浦的KTA晶体的XZ平面XZ折射率主轴平面内相位匹配曲线边缘临界位置的相位匹配情况的探索和验证。实验上得到了3.7～3.8μm的波长成分，说明这个角度的相位匹配过程是存在的，并且由于实际输出了较大的能量，说明利用这种方法产生大能量波长大于3.7μm的激光是可行的。本发明的实验中，用1.064μm波长的激光直接泵浦一级OPO(该OPO包括KTA晶体和谐振腔镜)得到了大能量3.75μm波长的激光，由于没有参量放大过程，所以实现结构简单也是本发明的优点，这个优点在实际应用中更有优势。在这个匹配角度附近，微调KTA晶体，可以得到大能量波长大于3.7μm的激光。由于KTA晶体生产工艺相对成熟，价格较ZGP、PPLN等晶体低廉，所以整个***在压缩成本上也更有优势。
为了验证用KTA晶体实现波长大于3.7μm大能量激光输出的可能性，本发明设计了KTA晶体OPO。其中KTA晶体采用在XZ折射率主轴平面内41.2°切割，泵浦光采用10Hz、1.064μm的激光，泵浦光能量为800mJ，脉冲宽度10ns，空间分布形式为***顶分布。谐振腔采用外腔泵浦、信号光单谐振的形式，KTA晶体采用两块晶体走离补偿的形式。本发明实验得到了60mJ、3.75μm中心波长的闲频光(如图1所示)，脉冲宽度为7ns。
如图2所示为本发明的一个应用实施例，该实施例采用外腔OPO的形式。XZ折射率主轴平面内41.2°附近切割的KTA晶体放置在OPO谐振腔内，晶体可以采用单块的形式、多块串联的形式，或者多块走离补偿的形式，闲频光中心波长大于3.7μm。泵浦方式采用外腔泵浦的结构，即OPO谐振腔与泵浦源谐振腔相互独立。实验中的OPO谐振腔采用了平平谐振腔的结构，即两个平面腔镜(即图2中的OPO输入镜和OPO输出镜)组成的谐振腔。实际应用的时候，谐振腔也可以采用其它谐振腔类型，例如共焦谐振腔、共心谐振腔、非稳腔等形式。大能量密度、低重频、低功率密度的泵浦光注入到OPO谐振腔中，信号光在OPO谐振腔中产生并振荡。如果采用双谐振OPO的形式，信号光和闲频光将会同时在OPO中振荡。泵浦光波长采用1047nm～1064nm的波长。产生泵浦光的激光晶体可以为Nd3+和Yb3+掺杂的晶体，被掺杂的基体晶体可以是YAG、YVO4、YLF等晶体。KTA晶体的尺寸根据实际OPO参数设计。
如图3所示，本发明的另一个应用实例是光参量放大器。将大能量的泵浦光和较弱的信号光注入沿41.2°附近切割的KTA晶体中，通过OPA过程得到大能量的闲频光，闲频光中心波长大于3.7μm。KTA晶体放置在OPO谐振腔内，晶体可以采用一块或者多块串联的形式，也可以采用走离补偿的形式。
图3中的45°镜对泵浦光具有高透过率，对信号光具有高反射率。大能量密度、低重频、低功率密度的泵浦光注入到KTA晶体中，信号光在KTA晶体中与泵浦光发生光参量放大现象，得到大能量的闲频光。泵浦光波长采用1047nm～1064nm的波长。产生泵浦光的激光晶体可以为Nd3+和Yb3+掺杂的晶体，被掺杂的基体晶体可以是YAG、YVO4、YLF等晶体。KTA晶体的长度根据实际OPO参数设计，KTA晶体可以选择为单块的形式、多块串联的形式，或者多块走离补偿的形式。
如图4所示，本发明的又一个应用实例是内腔式OPO，即OPO谐振腔放置在泵浦光谐振腔内，谐振腔也可以采用其它谐振腔类型，例如共焦谐振腔、共心谐振腔、非稳腔等形式。OPO的谐振腔与泵浦光谐振腔可以使用相同的腔镜，也可以使用相互独立的腔镜。XZ折射率主轴平面内41.2°附近切割的KTA晶体放置在OPO谐振腔内，晶体可以采用单块的形式、多块串联的形式，或者多块走离补偿的形式，闲频光中心波长大于3.7μm。泵浦光可以采用大能量密度、低重频、低功率密度的形式运转。大能量密度、低重频、低功率密度的泵浦光在泵浦光谐振腔内运转并注入到OPO谐振腔中，信号光在OPO谐振腔中产生并振荡。如果采用双谐振OPO的形式，信号光和闲频光将会同时在OPO中振荡。泵浦光波长采用1047nm～1064nm的波长。产生泵浦光的激光晶体可以为Nd3+和Yb3+掺杂的晶体，被掺杂的基体晶体可以是YAG、YVO4、YLF等晶体。KTA晶体的长度根据实际OPO参数设计。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的发明保护范围应由权利要求限定。
Claims (10)
1.一种波长转换方法，其特征在于，所述方法使用一定波长的激光泵浦KTA晶体得到波长大于3.7μm的激光，其中，KTA晶体采用XZ折射率主轴平面内处于KTA晶体的相位匹配曲线的边缘位置的相位匹配角。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述一定波长为1047nm～1064nm的波长。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述一定波长为1.064μm的波长。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述KTA晶体采用XZ折射率主轴平面内41.2°的相位匹配角。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述波长大于3.7μm的激光为波长大于3.7μm的红外波段的激光。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述波长大于3.7μm的激光为3.7～3.8μm波段、中心波长为波长3.75μm的红外波段的激光。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述KTA晶体为单块的形式、多块串联的形式，或者多块走离补偿的形式。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述一定波长的激光为泵浦光，产生所述泵浦光的激光晶体为Nd3+和Yb3+掺杂的晶体，被掺杂的基体晶体是YAG、YVO4和YLF中的一种。
9.一种光参量振荡器，其特征在于，其利用权利要求1～8中任一项所述的方法实现，包括KTA晶体和谐振腔镜。
10.一种光参量放大器，其特征在于，其利用权利要求1～8中任一项所述的方法实现，包括KTA晶体。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: BEIJING QIFENG LANDA OPTICS TECHNOLOGY DEVELOPMENT Effective date: 20120619 |
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| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| C53 | Correction of patent for invention or patent application | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Gong Mali Inventor after: Liu Qiang Inventor after: Liu Jianhui Inventor after: Yan Ping Inventor after: Huang Lei Inventor after: Zhang Haitao Inventor after: Liu Jingfeng Inventor before: Gong Mali Inventor before: Liu Qiang Inventor before: Liu Jianhui Inventor before: Yan Ping Inventor before: Huang Lei Inventor before: Zhang Haitao |
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| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: INVENTOR; FROM: GONG MALI LIU QIANG LIU JIANHUI YAN PING HUANG LEI ZHANG HAITAO TO: GONG MALI LIU QIANG LIU JIANHUI YAN PING HUANG LEI ZHANG HAITAO LIU JINGFENG |
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| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20120619 Address after: 100084 Beijing Haidian District Tsinghua Yuan 100084-82 mailbox Applicant after: Tsinghua University Co-applicant after: Beijing Qifeng Landa Optical Technology Development Co.,Ltd. Address before: 100084 Beijing Haidian District Tsinghua Yuan 100084-82 mailbox Applicant before: Tsinghua University |
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| C04 | Withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |
Open date: 20120404 |