一種人眼安全波段連續輸出的共享腔光參量振蕩器的製作方法
2023-05-03 09:51:52 2
本發明屬於光學參量振蕩器領域，特別涉及一種人眼安全波段連續輸出的共享腔光參量振蕩器結構。
背景技術：
光參量振蕩器是利用普通雙折射晶體(如KTP、KTA、LBO)或周期性極化晶體(如PPMgLN、PPKTP、PPKTA)的非線性差頻效應來實現頻率變換的器件，可以有效拓寬現有雷射器的光譜範圍。相對於其他可調諧雷射光源(如染料雷射器、鈦藍寶石雷射器、泛頻一氧化碳雷射器)，具有調諧範圍寬、性能穩定可靠、效率高、結構簡單緊湊等優點，廣泛地應用於雷射測距、光譜分析、光纖通信、光電對抗等領域。
波長1.4～1.9μm的雷射具有很高的水吸收係數，當該波段雷射輻射人眼時，大部分的能量會被水分子吸收，對人眼的損傷較小，具有人眼安全特性。光參量振蕩技術是獲得人眼安全雷射的主要方法。傳統的人眼安全光參量振蕩器通常採用內腔式諧振腔結構(耦合腔結構)，即基頻光諧振腔和信號光諧振腔是分離的。如文獻「Simultaneous dual-wavelength eye-safe KTP OPO intracavity pumped by a Nd:GYSGG laser」(Journal of Physics D:Applied Physics,49,065101,2016)採用KTP非臨界相位匹配方法，獲得了1562.1、1567.4nm人眼安全雷射。這種耦合腔結構複雜，調節起來也比較麻煩，穩定性差。文獻「Mid-infrared,wide-tunable,continuous-wave Nd:YVO4/PPMgLN intracavity optical parametric oscillator」(Optik,125,6969-6971,2014)也採用耦合腔結構，獲得了1.43～1.66μm人眼安全雷射，但是耦合腔至少需要三個透鏡，降低了系統的穩定性。而且泵浦源採用光纖耦合結構，聚焦系統採用雙聚焦透鏡，價格比較昂貴。
2005年.臺灣Y.F.Chen課題組提出了一種新穎的共享腔結構，即基頻光和信號光採用同一個諧振腔(共享腔)。與傳統的耦合式諧振腔相比，共享腔結構更簡單緊湊、調節更容易，輸出的信號光穩定性更好。參見文獻「Compact efficient passively Q-switched Nd:GdVO4/PPLN/Cr4+:YAG tunable intracavity optical parametric oscillator」(Optics Express,13,9543-9547,2005)。2013年，文獻「Influence of output coupling on the performance of a passively Q-switched Nd:YAG laser with intracavity optical parametric oscillator」(Optics.Express 21,7583-7589,2013)報導了Cr:YAG被動調Q輸出的KTP人眼安全1572nm共享腔光參量振蕩器，但是輸出波長僅有一個，且不能調諧。
目前共享腔光參量振蕩器，都是脈衝輸出(被動調Q、主動調Q、鎖模運轉等)，連續波輸出的未見報導，本案由此產生。
本案涉及到的幾個術語解釋如下：
Nd:YAG：摻釹離子的釔鋁石榴石晶體。
PPMgLN：摻氧化鎂的周期性極化鈮酸鋰晶體。
GRIN：梯度折射率。
人眼安全雷射：波長1.4～1.9μm的雷射具有很高的水吸收係數，當該波段雷射輻射人眼時，大部分的能量會被水分子吸收，對人眼的損傷較小，具有人眼安全特性。
光參量振蕩器：一種在光頻域的參量振蕩器，即利用二階非線性效應將入射基頻光轉換為兩個頻率不同的出射光，其中一個頻率較高的稱為信號光，另一個頻率更低的稱為閒頻光。在頻率轉換的過程中滿足能量守恆和動量守恆定律。
技術實現要素：
本發明的目的，在於提供一種人眼安全波段連續輸出的共享腔光參量振蕩器，其結構簡單緊湊，可以實現連續波人眼安全波段雷射輸出。
為了達成上述目的，本發明的解決方案是：
一種人眼安全波段連續輸出的共享腔光參量振蕩器，包括泵浦源系統、自聚焦透鏡、雷射晶體、周期性極化晶體PPMgLN和諧振腔輸出鏡，其中，泵浦源系統產生的泵浦光通過自聚焦透鏡進行聚焦後，送入雷射晶體；所述雷射晶體的出射光依次經過周期性極化晶體PPMgLN、諧振腔輸出鏡後，由諧振腔輸出鏡進行輸出。
上述泵浦源系統位於自聚焦透鏡入射側的焦點位置。
上述自聚焦透鏡的兩側外表面均鍍有泵浦光808nm增透膜，尺寸Ф3×10mm3。
上述雷射晶體採用Nd:YAG或Nd:YVO4。
上述雷射晶體Nd:YAG的入射面鍍有泵浦光808nm增透膜、1064～1600nm高反膜，出射面鍍有1064～1600nm增透膜，Nd3+離子的摻雜濃度1-at.％，長度8mm，銦箔包裹。
上述雷射晶體位於自聚焦透鏡出射側的焦點位置。
上述周期性極化晶體PPMgLN的兩面均鍍有1064～1600nm的增透膜，包含29.0、29.5、30.0、30.5、31.0μm五個極化周期，PPMgLN的厚度1mm，長度50mm。
上述周期性極化晶體PPMgLN的每一個周期的中部對應雷射晶體出射面的光線輸出位置。
上述諧振腔輸出鏡的入射面鍍有基頻光1064nm高反膜。
上述諧振腔輸出鏡的入射面中部與周期性極化晶體PPMgLN出射面的光線輸出位置相對應。
採用上述方案後，本發明利用光參量振蕩的方式實現人眼安全波段可調諧輸出，基頻1064nm雷射器和光參量振蕩器共用一個諧振腔(共享腔)，結構簡單緊湊、性能穩定可靠，通過改變PPMgLN晶體的周期(29.0、29.5、30.0、30.5、31.0μm)，可以獲得1450、1475、1505、1542、1590nm五個波段的人眼安全雷射，可以用於雷射測距和光纖通信等。本發明具體具有以下有益效果：
1)採用共享腔結構，即雷射晶體的一面鍍有1064～1600nm高反膜，輸出鏡鍍有基頻光1064nm高反膜，信號光的反射率大概為85％，即晶體表面和輸出鏡同時作為基頻雷射和信號光的諧振腔，此結構簡單緊湊，信號光功率更穩定；
2)採用五個極化周期(29.0、29.5、30.0、30.5、31.0μm)的周期性極化晶體PPMgLN，可以獲得1450、1475、1505、1542、1590nm五個波段的人眼安全雷射；
3)PPMgLN具有非常高的非線性係數，不需要脈衝的基頻光(被動調Q、主動調Q、鎖模運轉等)，可以實現連續波信號光輸出，拓寬了光參量振蕩器的應用範圍；
4)泵浦源採用c封裝單管半導體雷射器，耦合鏡採用自聚焦透鏡(GRIN)，降低了耦合系統的複雜性，價格經濟實惠。
附圖說明
圖1是本發明的結構示意圖。
具體實施方式
以下將結合附圖，對本發明的技術方案及有益效果進行詳細說明。
如圖1所示，本發明提供一種人眼安全波段連續輸出的共享腔光參量振蕩器，包括泵浦源系統1、自聚焦透鏡(GRIN)2、雷射晶體Nd:YAG 3、周期性極化晶體PPMgLN 4和諧振腔輸出鏡5，下面分別介紹。
泵浦源系統1為c封裝單管半導體雷射器，用於產生泵浦光，其輸出波長808nm，輸出功率8W，所述泵浦源系統1位於自聚焦透鏡2入射側的焦點位置，使得其產生的泵浦光能通過自聚焦透鏡2進行聚焦。
所述自聚焦透鏡2的兩側外表面均鍍有泵浦光808nm增透膜，尺寸Ф3×10mm3，自聚焦透鏡2將泵浦源系統1產生的泵浦光進行聚焦後，送入雷射晶體Nd:YAG 3。
雷射晶體Nd:YAG 3位於自聚焦透鏡2出射側的焦點位置，所述雷射晶體Nd:YAG 3的入射面鍍有泵浦光808nm增透膜、1064～1600nm高反膜(作為基頻光和光參量振蕩器諧振腔的輸入鏡)，出射面鍍有1064～1600nm增透膜，Nd3+離子的摻雜濃度1-at.％，長度8mm，銦箔包裹，半導體製冷器降溫並控制溫度。
所述周期性極化晶體PPMgLN 4的兩面均鍍有1064～1600nm的增透膜，包含五個極化周期(29.0、29.5、30.0、30.5、31.0μm)，PPMgLN的厚度1mm，長度50mm，且所述周期性極化晶體PPMgLN 4的每一個周期的中部對應雷射晶體Nd:YAG 3出射面的光線輸出位置。
所述諧振腔輸出鏡5的入射面鍍有基頻光1064nm高反膜，信號光的反射率約為85％，此諧振腔輸出鏡為雷射器和光參量振蕩器共用耦合輸出鏡，輸出鏡襯底為K9玻璃，可以有效地吸收中紅外閒頻光，實現單諧振光參量振蕩。所述諧振腔輸出鏡5的入射面中部與周期性極化晶體PPMgLN 4出射面的光線輸出位置相對應。
本發明的工作原理是：泵浦源系統1發出的808nm泵浦光，通過自聚集透鏡(GRIN)2聚焦進入雷射晶體Nd:YAG 3；在泵浦光的激勵下，雷射晶體實現粒子數反轉，在諧振腔作用下，產生高功率連續1064nm基頻光；在周期性極化晶體PPMgLN 4和光參量振蕩器諧振腔輸出鏡5的共同作用下，可以實現光參量振蕩，實現非線性頻率變換，在周期分別為29.0、29.5、30.0、30.5、31.0μm獲得信號光1450、1475、1505、1542、1590nm五個波長的人眼安全雷射。
本發明需要特別指出的是：
1)雷射晶體Nd:YAG的一面鍍有泵浦光808nm增透膜、1064～1600nm高反膜(作為基頻光和光參量振蕩器諧振腔的輸入鏡)，另一面鍍有1064～1600nm增透膜，晶體可以用Nd:YVO4替代，長度2mm到15mm均可，但是鍍的膜不可替代。
2)諧振腔輸出鏡鍍有基頻光1064nm高反(反射率大於99％)，信號光反射率約為85％。基頻光雷射器和光參量振蕩器共用一個諧振腔輸出鏡。共享腔結構不可替代。
3)非線性周期性極化晶體PPMgLN的五個周期(29.0、29.5、30.0、30.5、31.0μm)，不可替換。
4)泵浦源採用c封裝單管半導體雷射器，耦合鏡採用自聚焦透鏡(GRIN)。不可替換。
5)共享腔的長度為65mm。可以替代。
以上實施例僅為說明本發明的技術思想，不能以此限定本發明的保護範圍，凡是按照本發明提出的技術思想，在技術方案基礎上所做的任何改動，均落入本發明保護範圍之內。