CN105514779A - 高功率窄线宽的连续波可见光光学参量振荡器 - Google Patents

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高静
张龙
田玉冰
檀慧明
***
杨建明
鞠乔俊
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Abstract

本发明公开一种高功率窄线宽的连续波可见光光学参量振荡器，包括：泵浦激光器、呈环形腔的谐振腔；泵浦激光器产生的泵浦光，由输入镜进入谐振腔，经第一反射镜发射到光学参量振荡器非线性晶体转换，输出信号光、闲频光和剩余泵浦光，剩余泵浦光经第二反射镜、第三反射镜后输出；信号光经第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜、光学参量振荡器-倍频非线性晶体、输出镜反射到输入镜进入谐振腔继续振荡；闲频光经第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜、光学参量振荡器-倍频非线性晶体，转换成宽波段可见光激光经输出镜输出。本发明采用单频400nm-540nm激光作为泵浦源，环形腔作为谐振腔，提高输出功率，改善光束质量，减小线宽。

Description

高功率窄线宽的连续波可见光光学参量振荡器
技术领域
本发明涉及医疗保健设备和生物医学领域，更具体地说，本发明涉及一种高功率窄线宽的连续波可见光光学参量振荡器。
背景技术
可调谐相干光源在医学诊断与治疗、激光测距、非线性光学、大气环境检测以及光谱测量等诸多领域都具有重要的应用前景。可调谐激光器目前常用的是掺钛蓝宝石激光器、染料激光器、色心激光器以及光学参量振荡器等。其中掺钛蓝宝石激光器的可调谐波长范围达到650-1100nm。475-630nm波段只有染料激光器能达到，但染料激光器很难实现窄线宽单频运转。还有一些其他的固体和气体激光器如掺钕激光器、氦氖激光器、光纤激光器和CO2激光器等，它们的波长是离散的或者可调谐波长范围很小。
OPO(OpticalParametricOscillator，光学参量振荡器)，在调谐范围和输出功率方面均优于掺钛蓝宝石激光器和染料激光器，特别是近年来一些新型而高效率的非线性晶体的出现和发展，使得光参量振荡器成为目前世界上调谐范围最宽的一种固体激光器，是获得宽波段可调谐、高相干辐射光源和新波段激光的重要途径，弥补了普通激光器及其频率变换只能输出某些特定波长激光的缺陷，并且具有结构紧凑，使用方便以及功率高，能够产生从紫外到红外的激光辐射等特点。因此对于实现可见光宽波段的可调谐输出，一般采用光学参量振荡器技术。
光学参量振荡器是利用非线性晶体的混频特性来实现频率变换的器件。由门雷-罗威关系可知，在差频过程中，每湮没一个光子，同时要产生两个低频光子，在此过程中这两个低频光波获得增益。以二阶非线性光学效应为基础的光学参量振荡技术可以将激光向低频范围扩展，产生可调谐的相干辐射。光学参量振荡效应是以泵浦光提供增益，非线性晶体作为参量转换的媒介，把能量耦合给信号光并使其得到放大，同时产生一个新的伴生光——闲频光。
在参量振荡过程中，参量光(信号光)不需要由外部提供，可以由噪声(自发辐射)起振充当，在谐振腔中利用泵浦光得到增益，克服损耗后形成振荡并获得输出。因此，将非线性晶体放入相应的谐振腔中，只要输入高频泵浦光，就可以使背景辐射中的信号光和闲频光同时得到放大。
光学参量振荡器从出现到现在，成果***。人们对脉冲、锁模和连续运转方式的OPO进行了大量的研究，但是由于连续波泵浦的OPO相对于脉冲、锁模运转方式的OPO具有更高的阈值，这就要求其泵浦光可以提供较高的泵浦功率，非线性晶体要有更大的非线性系数，所以连续波OPO的发展一直比较缓慢。Kumar等人于2011年通过OPO采用输出功率达到几十瓦的高功率单频激光器作为泵浦源，实现了一种高功率单谐振OPO。泵浦功率为28.6W时OPO的总输出功率达到了17.5W，转换效率达到61％，其中信号光功率为9.8W，闲频光功率为7.7W。2011年，山西大学的刘春春等人报导一个基于PPKTP晶体的高效率连续宽调谐单频双共振光学参量振荡器，泵浦端为526.5nm倍频Nd:YLF激光器，该OPO阈值为30mW，在390mW的泵浦功率下，可以产生156mW(0.8μm)信号光和89mW(1.5μm)闲频光近红外输出。
但总体来看，目前连续波OPO技术能实现的连续调谐波长范围还比较小，特别是多集中在近红外波段，对于可见光波段激光输出的研究成果还比较少。同时光束质量不够好，激光线宽较宽，输出功率也不够高。
发明内容
针对上述技术中存在的不足之处，本发明提供一种高功率窄线宽的连续波可见光光学参量振荡器，采用单频400nm-540nm激光作为泵浦源，环形腔作为谐振腔，使得在提高输出功率的同时，改善光束质量，减小线宽。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，本发明通过以下技术方案实现：
本发明所述的高功率窄线宽的连续波可见光光学参量振荡器，包括：泵浦源，其包括产生单频泵浦光的泵浦激光器；
谐振腔，其呈环形腔，所述谐振腔包括位于所述泵浦激光器输出端的输入镜、第一反射镜、光学参量振荡器非线性晶体、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜、光学参量振荡器-倍频非线性晶体、输出镜；
其中，所述泵浦激光器产生的泵浦光，由所述输入镜进入所述谐振腔，经所述第一反射镜发射到所述光学参量振荡器非线性晶体转换，输出宽波段可调谐的近红外激光和剩余泵浦光，所述宽波段可调谐的近红外激光包括信号光和闲频光；
所述剩余泵浦光经所述第二反射镜、所述第三反射镜透射后输出；
所述信号光经所述第二反射镜、所述第三反射镜、所述第四反射镜反射，所述光学参量振荡器-倍频非线性晶体透射、所述输出镜反射到所述输入镜进入所述谐振腔继续振荡；
所述闲频光经所述第二反射镜、所述第三反射镜、所述第四反射镜反射，所述光学参量振荡器-倍频非线性晶体透射，转换成宽波段可见光激光，经输出镜输出。
优选的是，所述谐振腔为六镜环形腔。
优选的是，所述泵浦激光器是输出波长400nm-540nm单频激光的光纤激光器或半导体激光器或固体激光器。
优选的是，所述泵浦激光器是输出中心波长532nm、功率大于10W的单频激光的光纤激光器或半导体激光器或固体激光器。
优选的是，所述宽波段可见光激光是波长为500nm-780nm的高功率窄线宽的连续波可见激光。
优选的是，所述输入镜是平面镜，朝向所述泵浦激光器的镜面镀有400nm-540nm增透膜，另一镜面镀有400nm-540nm增透膜且近红外高反膜；
所述输出镜是平凹镜，朝向所述谐振腔内侧的镜面镀有780nm-1000nm高反且1000nm-1560nm部分透射膜及500nm-780nm增透膜，另一镜面镀有近红外增透膜且500nm-780nm增透膜。
优选的是，所述光学参量振荡器非线性晶体的两个通光面镀有400nm-540nm增透膜且近红外增透膜；
所述光学参量振荡器-倍频非线性晶体的两个通光面镀有500nm-780nm增透膜且近红外增透膜。
优选的是，所述第一反射镜是平凹镜，朝向所述输入镜的镜面镀有400nm-540nm高反膜且近红外高反膜；
所述第二反射镜是平凹镜，朝向所述谐振腔内侧的镜面镀有400nm-540nm部分透射且近红外高反膜；
所述第三反射镜是平面镜，朝向所述谐振腔内侧的镜面镀有400nm-540nm部分透射且近红外高反膜；
所述第四反射镜是平凹镜，朝向所述谐振腔内侧的镜面镀有近红外高反膜。
优选的是，还包括位于所述泵浦激光器和所述输入端之间的光束耦合***，所述光束耦合***包括光隔离器和耦合透镜。
本发明至少包括以下有益效果：
1)泵浦激光器产生单频泵浦光，有利于保证泵浦光的单频稳定性；
2)本发明的谐振腔呈环形腔，结构紧凑稳定，防止驻波产生、抑制多纵模，达到改善光束质量、获得窄线宽激光输出的优点；
3)光学参量振荡器非线性晶体采用温度调谐与周期调谐相结合的调谐方式，实现谐振腔输出宽波段可调谐的连续波可见光激光；
4)通过光学参量振荡器非线性晶体的准相位匹配，可以利用非线性晶体的最大非线性系数，也可调节谐振腔内闲频光的功率密度，使之倍频效率达到最大，从而提高总的转换效率；
5)谐振腔呈六镜环形腔，有利于频率稳定和激光器稳定运转，提高非线性转换效率；
6)泵浦激光器输出波长400nm-540nm、功率大于10W的单频激光，有利于提高输出功率、改善光束质量。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明所述的高功率窄线宽的连续波可见光光学参量振荡器的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
如图1所示，本发明提供一种高功率窄线宽的连续波可见光光学参量振荡器，包括：
泵浦源10，其包括产生单频泵浦光的泵浦激光器11；
谐振腔20，其呈环形腔，谐振腔20包括输入镜21、第一反射镜22、光学参量振荡器非线性晶体23、第二反射镜24、第三反射镜25、第四反射镜26、光学参量振荡器-倍频非线性晶体27、输出镜28；输入镜21位于泵浦激光器11输出端；
其中，泵浦激光器11产生的泵浦光，由输入镜21进入谐振腔10，经第一反射镜22发射到光学参量振荡器非线性晶体23转换，输出宽波段可调谐的近红外激光和剩余泵浦光，宽波段可调谐的近红外激光包括信号光和闲频光；
剩余泵浦光经第二反射镜24、第三反射镜25透射后输出；
信号光经第二反射镜24、第三反射镜25、第四反射镜26反射，光学参量振荡器-倍频非线性晶体27透射、输出镜28反射到输入镜21进入谐振腔继续振荡；
闲频光经第二反射镜24、第三反射镜25、第四反射镜26反射，光学参量振荡器-倍频非线性晶体27透射，转换成宽波段可见光激光，经输出镜28输出。
本发明提供的一种高功率窄线宽的连续波可见光光学参量振荡器，泵浦激光器11产生单频泵浦光，有利于保证泵浦光的单频稳定性；谐振腔20呈环形腔，结构紧凑稳定，防止驻波产生、抑制多纵模，改善光束质量、获得窄线宽激光输出；光学参量振荡器非线性晶体23采用温度调谐与周期调谐相结合的调谐方式，实现谐振腔输出宽波段可调谐的连续波近红外激光；通过光学参量振荡器非线性晶体23的准相位匹配，可以利用非线性晶体的最大非线性系数，也可调节谐振腔20内闲频光的功率密度，使之倍频效率达到最大，从而提高总的转换效率。
上述实施方式中，光学参量振荡器非线性晶体23为单块晶体、多块级联中的任一种，晶体规格为0.5×8.2×30mm，极化周期为8.0-8.7μm，周期个数为10。光学参量振荡器非线性晶体23为周期性极化化学计量比钽酸锂、周期性极化铌酸锂、周期性极化掺氧化镁铌酸锂、周期性极化掺镁铌酸锂、周期性极化磷酸钛氧钾、周期性极化砷酸钛氧铷中的任一种。光学参量振荡器非线性晶体23为室温、温控炉控温状态中的任一种。
上述实施方式中，光学参量振荡器-倍频非线性晶体27为磷酸钛氧钾、磷酸二氢钾、砷酸钛氧钾、三硼酸锂、偏硼酸钡、硼酸铋、铌酸钾、砷酸钛氧铷、周期性极化铌酸锂、周期性极化磷酸钛氧钾晶体中的任一种。作为本实施方式的优选具体实施方式，光学参量振荡器-倍频非线性晶体27采用板条形三硼酸锂晶体，晶体尺寸为3×3×10mm，切割角度为11.4°，
作为上述实施方式的优选实施方式，谐振腔20为六镜环形腔，光学参量振荡器的结构紧凑，易于消除空间烧孔效应，防止驻波产生、抑制多纵模产生，有利于频率稳定，能较好地改善光束质量，获得窄线宽输出，同时提高非线性转换效率。
作为本发明的另一种实施方式，泵浦激光器11是输出波长400nm-540nm单频激光的光纤激光器或半导体激光器或固体激光器。波长400nm-540nm单频激光，有利于提高输出功率，改善光束质量，减小线宽。
作为上述实施方式的优选方式，泵浦激光器11是输出中心波长532nm、功率大于10W的单频激光的光纤激光器或半导体激光器或固体激光器。泵浦激光器11输出中心波长532nm、功率大于10W的单频激光，输出功率、光束质量和线宽均达到最佳。
上述实施方式中，宽波段可见光激光是波长为500nm-780nm的高功率窄线宽的连续波可见激光。通过本发明提供的高功率窄线宽的连续波可见光光学参量振荡器，可实现输出波长为500nm-780nm的高功率窄线宽的连续波可见激光。
作为本发明的另一种实施方式，输入镜21是平面镜，朝向泵浦激光器11的镜面镀有400nm-540nm增透膜，另一镜面镀有400nm-540nm增透膜且近红外高反膜；作为优选实施方式，输入镜21朝向泵浦激光器11的镜面镀有532nm增透膜(透过率大于96％)，另一镜面镀有532nm增透膜(透过率大于96％)且800-1560nm高反膜(反射率大于99.8％)；
输出镜28是平凹镜，朝向谐振腔20内侧的镜面镀有近红外部分透射膜及500nm-780nm增透膜，另一镜面镀有近红外增透且500nm-780nm增透膜；作为优选实施方式，输出镜28朝向谐振腔20内侧的镜面镀有780nm-1000nm高反(反射率大于99.8％)且1000-1560nm部分透射(透过率大于90％)及500-780nm增透膜，另一镜面镀有1000-1560nm增透且500-780nm增透膜(透过率大于98％)。
作为本发明的另一种实施方式，光学参量振荡器非线性晶体23的两个通光面镀有400nm-540nm增透膜且近红外增透膜；作为优选实施方式，光学参量振荡器非线性晶体23的两个通光面镀有532nm增透且800-1560nm增透膜(透过率大于98％)。
光学参量振荡器-倍频非线性晶体27的两个通光面镀有400nm-780nm增透膜且近红外增透膜。作为优选实施方式，光学参量振荡器-倍频非线性晶体27的两个通光面镀有500-780nm增透且800-1560nm增透膜(透过率大于98％)。
作为本发明的另一种实施方式，第一反射镜22是平凹镜，朝向输入镜21的镜面镀有400nm-540nm高反膜且近红外高反膜；作为优选实施方式，第一反射镜22朝向输入镜21的镜面镀有532nm高反(反射率大于99.8％)且800-1560nm高反膜(反射率大于99.8％)。
第二反射镜24是平凹镜，朝向谐振腔20内侧的镜面镀有400nm-540nm部分透射且近红外高反膜；作为优选实施方式，第二反射镜24朝向谐振腔20内侧的镜面镀有532nm部分透射(透过率大于90％)且800-1560nm高反膜(反射率大于99.8％)。
第三反射镜25是平面镜，朝向谐振腔20内侧的镜面镀有400nm-540nm部分透射且近红外高反膜；作为优选实施方式，第三反射镜25朝向谐振腔20内侧的镜面镀有532nm部分透射(透过率大于90％)且800-1560nm高反膜(反射率大于99.8％)。
第四反射镜26是平凹镜，朝向谐振腔20内侧的镜面镀有近红外高反膜。作为优选实施方式，第四反射镜26朝向谐振腔20内侧的镜面镀有800-1560nm高反膜(反射率大于99.8％)。
作为本发明的另一种实施方式，还包括位于泵浦激光器11和输入端之间的光束耦合***30。光束耦合***30为几何耦合***、光谱耦合***中的至少一种。本实施方式的优选实施方式是光束耦合***30包括光隔离器和耦合透镜。光隔离器用于防止泵浦光从输入镜返回对泵浦激光器11造成损伤；耦合透镜使泵浦光聚焦。
本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (9)

1.一种高功率窄线宽的连续波可见光光学参量振荡器，其特征在于，包括：
泵浦源，其包括产生单频泵浦光的泵浦激光器；
谐振腔，其呈环形腔，所述谐振腔包括位于所述泵浦激光器输出端的输入镜、第一反射镜、光学参量振荡器非线性晶体、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜、光学参量振荡器-倍频非线性晶体、输出镜；
其中，所述泵浦激光器产生的泵浦光，由所述输入镜进入所述谐振腔，经所述第一反射镜发射到所述光学参量振荡器非线性晶体转换，输出宽波段可调谐的近红外激光和剩余泵浦光，所述宽波段可调谐的近红外激光包括信号光和闲频光；
所述剩余泵浦光经所述第二反射镜、所述第三反射镜透射后输出；
所述信号光经所述第二反射镜、所述第三反射镜、所述第四反射镜反射，所述光学参量振荡器-倍频非线性晶体透射、所述输出镜反射到所述输入镜进入所述谐振腔继续振荡；
所述闲频光经所述第二反射镜、所述第三反射镜、所述第四反射镜反射，所述光学参量振荡器-倍频非线性晶体透射，转换成宽波段可见光激光，经输出镜输出。
2.如权利要求1所述的高功率窄线宽的连续波可见光光学参量振荡器，其特征在于，所述谐振腔为六镜环形腔。
3.如权利要求1所述的高功率窄线宽的连续波可见光光学参量振荡器，其特征在于，所述泵浦激光器是输出波长400nm-540nm单频激光的光纤激光器或半导体激光器或固体激光器。
4.如权利要求3所述的高功率窄线宽的连续波可见光光学参量振荡器，其特征在于，所述泵浦激光器是输出中心波长532nm、功率大于10W的单频激光的光纤激光器或半导体激光器或固体激光器。
5.如权利要求1所述的高功率窄线宽的连续波可见光光学参量振荡器，其特征在于，所述宽波段可见光激光是波长为500nm-780nm的高功率窄线宽的连续波可见激光。
6.如权利要求1所述的高功率窄线宽的连续波可见光光学参量振荡器，其特征在于，
所述输入镜是平面镜，朝向所述泵浦激光器的镜面镀有400nm-540nm增透膜，另一镜面镀有400nm-540nm增透膜且近红外高反膜；
所述输出镜是平凹镜，朝向所述谐振腔内侧的镜面镀有780nm-1000nm高反且1000nm-1560nm部分透射膜及500nm-780nm增透膜，另一镜面镀有近红外增透膜且500nm-780nm增透膜。
7.如权利要求1所述的高功率窄线宽的连续波可见光光学参量振荡器，其特征在于，
所述光学参量振荡器非线性晶体的两个通光面镀有400nm-540nm增透膜且近红外增透膜；
所述光学参量振荡器-倍频非线性晶体的两个通光面镀有500nm-780nm增透膜且近红外增透膜。
8.如权利要求1所述的高功率窄线宽的连续波可见光光学参量振荡器，其特征在于，
所述第一反射镜是平凹镜，朝向所述输入镜的镜面镀有400nm-540nm高反膜且近红外高反膜；
所述第二反射镜是平凹镜，朝向所述谐振腔内侧的镜面镀有400nm-540nm部分透射且近红外高反膜；
所述第三反射镜是平面镜，朝向所述谐振腔内侧的镜面镀有400nm-540nm部分透射且近红外高反膜；
所述第四反射镜是平凹镜，朝向所述谐振腔内侧的镜面镀有近红外高反膜。
9.如权利要求1-8中任一项所述的高功率窄线宽的连续波可见光光学参量振荡器，其特征在于，还包括位于所述泵浦激光器和所述输入端之间的光束耦合***，所述光束耦合***包括光隔离器和耦合透镜。
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