多种子注入腔内差频实现多波长中红外光学参量振荡器制造技术

本发明专利技术涉及一种多种子注入腔内差频实现多波长中红外光学参量振荡器，属于多波长激光技术范畴。本发明专利技术通过在一个稳定的光纤激光泵浦光学参量振荡器内注入多个不同波长的种子光，由于光学参量振荡器腔内已经存在一个稳定的强信号光，所注入的多波长种子光会和该信号光差频，从而产生多个不同波长的中红外激光输出；本发明专利技术不需引入复杂的波长选择器件或定制特殊极化的晶体，腔内仅存在一个信号光，多种子光源均与该信号光差频产生多波长输出，结构简单，容易实现，性能稳定可靠；本发明专利技术所用种子光线宽、波长、强度、包络等参数相对独立，扩展性强，能够实现多种不同类型的激光输出，所产生的多个激光波长的数量、强度、频率间隔稳定可控。

【技术实现步骤摘要】
多种子注入腔内差频实现多波长中红外光学参量振荡器
本专利技术涉及一种多种子注入腔内差频实现多波长中红外光学参量振荡器，属于多波长激光技术范畴，可广泛应用于频率梳、多波长激光和非线性频率变换等领域。
技术介绍
多波长激光在激光通信、遥感遥测、科学研究等领域有着广泛的应用，人们可以通过多光谱合束、多光栅级联、多级拉曼效应或多级布里渊效应等多种方式产生多峰激光，这些方案工作波段大多集中于近红外波段，难以实现中红外激光输出，特别是在3～5微米的中红外波段，由于大多数材料在该波段有着强烈的吸收，相关波长选择器件研制困难，价格昂贵，而且难以实现间隔较窄的波长区分，限制了现有多波长中红外激光器的性能水平。差频(DFG)技术和光学参量振荡器(OPO)是两种用于产生中红外激光的非线性频率变换技术，差频(DFG)激光器，不需要谐振腔，而是向非线性晶体中同时注入泵浦光ωp和信号光ωs，即可输出闲频光ωi，该过程需要满足式1给出的能量守恒条件：ωp＝ωi+ωs(1)光学参量振荡器(OPO)技术是差频技术发展而来的，需要搭建谐振腔，仅注入泵浦光ωp即可实现频率变换，其原理是通过设计晶体的结构，产生满足相位匹配条件(即式2)的特定频率信号光ωs和频率为ωi的闲频光(中红外激光)。ωpn(ωp)＝ωin(ωi)+ωsn(ωs)(2)式2中n(ω)为晶体折射率，其值为光频率的函数，改变晶体的结构即折射率n(ω)的分布可以改变相位匹配条件，在同一泵浦光ωp条件下实现另一对新波长的信号光ω′s和频率为ω′i的闲频光，这一过程即称作波长的调谐，上述过程同时也必须满足式1。因此，要通过光学参量振荡器(OPO)技术实现多波长输出，需要在腔内放入多块不同晶体满足不同的相位匹配条件(参考文献1：ZhangT,YaoJ,ZhuX,etal.Widelytunable,high-repetition-rate,dualsignal-waveopticalparametricoscillatorbyusingtwoperiodicallypoledcrystals[J].OpticsCommunications,2007,272(1):111-115)，或在一块晶体内生成不同结构(参考文献2：JiF,LuR,LiB,etal.Mid-infraredtunabledual-wavelengthgenerationbasedonaquasi-phase-matchedopticalparametricoscillator[J].OpticsCommunications,2009,282(1):126-128)，工艺复杂且限定了使用波段，难以实现更多波长的激光输出。参考文献三采用多波长脉冲激光器作为泵浦光源(参考文献3：张卫，彭跃峰，魏星斌等，一种双波段多波长红外光参量振荡器，中国专利技术专利申请公开日：2015-02-18)该方案要求设计非线性晶体使其满足多对参量光的相位匹配条件，工艺复杂且限定了使用波段，难以实现更多波长的激光输出。与光学参量振荡器(OPO)技术不同之处在于，差频(DFG)激光器需要同时注入泵浦光ωp和信号光ωs，因而闲频光ωi波长完全由注入激光波长确定(即能量守恒条件，式1：ωi＝ωp-ωs)。当晶体的结构不满足相位匹配条件时(即公式2)，系统存在波矢失配Δk如式3：Δk＝ωpn(ωp)-ωin(ωi)-ωsn(ωs)(3)波矢失配Δk对差频效率的影响如式(4)所述，式中η为差频效率，Ip为晶体中泵浦光ωp功率密度，Is为晶体中信号光ωs功率密度，而Ii为晶体中闲频光ωi功率密度，显然，当Δk≠0时，通过提高信号光ωs功率密度Is可以在一定程度上弥补相位失配的效率影响。η＝Ii/Ip∝Is·sin2(ΔkL/2)/(ΔkL/2)2(4)本专利技术利用DFG技术的这一特点，在一个稳定的光学参量振荡器(泵浦光ωp，建立信号光ωs的振荡，输出中红外激光ωi)中注入一个弱种子ωp2，此时，种子光ωp2与信号光ωs不满足相位匹配条件，即存在波矢失配Δk，但由于信号光ωs功率较高，因此不需要改变晶体结构也可以通过差频过程高效地实现另一波长的中红外激光ωi2＝ωp2-ωs输出。该方案结构简单，波长可控，适用波段广，性能稳定可靠。此前国防科学技术大学利用晶体自拉曼效应，在一个光学参量振荡器内实现了多波长中红外激光输出，其多波长来源于晶体自身的拉曼效应，频率的间隔由晶体的拉曼频移确定，无法调控(具体参见中国专利技术专利申请：基于晶体自拉曼效应的多波长中红外光学参量振荡器，公开日：2016.09.07)，而本专利技术通过外加种子光提供差频源，通过改变注入种子激光的频率间隔、波长数量、谱线宽度、激光强度等参数可以灵活地调控输出激光的相应特性，此外，还可以采用注入调谐种子光的方式实现输出激光波长的实时调谐，更具创新性和实用性。
技术实现思路
本专利技术目的是提出一种多种子注入光学参量振荡器腔内差频实现多波长激光输出的装置，旨在利用光纤激光器共轴输出特性和光学参量振荡器腔内功率密度高的优势，在一个稳定的光纤激光泵浦光学参量振荡器内注入多个不同波长的种子光，由于光学参量振荡器腔内已经存在一个稳定的强信号光，所注入的多波长种子光会和该信号光差频，从而产生多个不同波长的中红外激光输出；本专利技术不需引入复杂的波长选择器件或定制特殊极化的晶体，腔内仅存在一个信号光，多种子光源均与该信号光差频产生多波长输出，结构简单，容易实现，性能稳定可靠。本专利技术采用的技术方案为：多种子注入腔内差频实现多波长中红外光学参量振荡器，包括种子激光源、泵浦光源、谐振腔、非线性变频晶体四个部分，所述种子激光源用于提供频率为ω1、ω2、ω3、……的待变换近红外种子光，并最终注入泵浦光源；所述泵浦光源用于提供频率为ωp的泵浦光并入射光学参量振荡器谐振腔内的非线性变频晶体，在谐振腔内建立频率为ωs的信号光振荡，并与泵浦光ωp差频产生频率为ωi中红外波段的闲频光输出，ωi＝ωp-ωs；所述非线性变频晶体用于通过相位匹配方式为泵浦光ωp和信号光ωs产生闲频光ωi的光学参量过程提供增益，同时为信号光ωs与种子光源频率为ω1、ω2、ω3、……的激光提供差频增益；通过优化谐振腔结构和腔镜反射率使光学参量振荡器谐振腔内信号光ωs功率极强，此时由于光学参量振荡器腔内信号光ωs功率极强，信号光ωs与种子激光源中频率为ω1、ω2、ω3、……的激光分别产生差频，输出频率为ωd1、ωd2、ωd3、……的中红外差频激光，ωdj＝ωj-ωs,j＝1,2,3,......。如上所述的种子激光源性能相互独立，其功率强度、中心波长、谱线宽度等参数可以自行调节。如上所述的种子激光源根据时序分类，可以是脉冲激光光源，也可以是连续激光光源。如上所述的种子激光源根据光谱稳定性分类，可以是固定波长激光，也可以是波长可调谐激光，当为注入种子光可调谐时，输出激光波长具有调谐特性。如上所述的种子激光源根据谱线宽度分类，各种子光可以是宽带激光，也可以是窄线宽激光。各种子光源ω1、ω2、ω3、……的谱线宽度由自身决定，相应的频率为ωd1、ωd2、ωd3、……的中红外差频激光谱线宽度正比于对应种子光源。如上所述的种子激光源之间可以采用级联结构，也可以采用并联结构。如上所本文档来自技高网...

【技术保护点】
多种子注入腔内差频实现多波长中红外光学参量振荡器，其特征在于：所述振荡器包括种子激光源、泵浦光源、谐振腔、非线性变频晶体四个部分，所述种子激光源用于提供频率为ω

【技术特征摘要】
1.多种子注入腔内差频实现多波长中红外光学参量振荡器，其特征在于：所述振荡器包括种子激光源、泵浦光源、谐振腔、非线性变频晶体四个部分，所述种子激光源用于提供频率为ω1、ω2、ω3、……的待变换近红外种子光，并最终注入泵浦光源；所述泵浦光源用于提供频率为ωp的泵浦光并入射光学参量振荡器谐振腔内的非线性变频晶体，在谐振腔内建立频率为ωs的信号光振荡，并与泵浦光ωp差频产生频率为ωi中红外波段的闲频光输出，ωi＝ωp-ωs；所述非线性变频晶体用于通过相位匹配方式为泵浦光ωp和信号光ωs产生闲频光ωi的光学参量过程提供增益，同时为信号光ωs与种子光源频率为ω1、ω2、ω3……的激光提供差频增益；通过优化谐振腔结构和腔镜反射率使光学参量振荡器谐振腔内信号光ωs功率极强，此时由于光学参量振荡器腔内信号光ωs功率极强，信号光ωs与种子激光源中频率为ω1、ω2、ω3、……的激光分别产生差频，输出频率为ωd1、ωd2、ωd3、……的中红外差频激光，ωdj＝ωj-ωs,j＝1,2,3,......。2.根据权利要求1所述多种子注入腔内差频实现多波长中红外光学参量振荡器，其特征在于：所述的种子激光源性能相互独立，其功率强度、中心波长、谱线宽度可以自行调节。3.根据权利要求1所述多种子注入腔内差频实现多波长中红外光学参量振荡器，其特征在于：所述的种子激光源根据时序分类，可以是脉冲激光光源，也可以是连续激光光源。4.根据权利要求1所述多种子注入腔内差频实现多波长中红外光学参...

【专利技术属性】
技术研发人员：李霄，许晓军，陈金宝，尚亚萍，王鹏，沈梅力，司磊，刘泽金，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科学技术大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43