一种小型高效一体化的环形光参量振荡/放大器制造技术

一种小型高效一体化的环形光参量振荡/放大器，将环形光参量振荡器技术和光参量放大器技术相结合，将环形光参量振荡器输出的泵浦光和信号光共同在光参量放大器中进行放大且将二者设计成采用共线泵浦方式的一体化环形结构，在显著提高了转换效率的同时极大简化了器件的体积尺寸；同时由于采用了振荡放大技术，本发明专利技术的输出信号光光束质量明显优于单一的多晶体光参量振荡器，能同时满足军用激光器对体积尺寸、光束质量和效率等方面的要求。光束质量和效率等方面的要求。光束质量和效率等方面的要求。

【技术实现步骤摘要】
一种小型高效一体化的环形光参量振荡/放大器
[0001]

[0002]本专利技术涉及一种光参量振荡器和光参量放大器，特别涉及一种具有结构紧凑可靠、高转换效率和高光束质量特性的一体化环形光参量振荡/放大器。
[0003]
技术介绍

[0004]目前，激光装备（激光测距机、激光目标照射器等）通常使用的是1.06μm波长的Nd:YAG激光器，但Nd:YAG激光源暴露出了一些缺点，包括人眼不安全和对战场烟雾的穿透能力差等。鉴于此，各国纷纷开展了新一代人眼安全激光技术的研究工作。
[0005]光参量振荡（OPO）技术是利用具有一定功率密度的泵浦光作用于非线性晶体，当满足相位匹配条件时，将产生信号光和闲频光，并对信号光加以谐振放大，从而获得所需要的信号光输出。因此将现有的Nd:YAG激光器输出的1.06μm激光作为泵浦光通过OPO技术转换为1.57μm波长激光（信号光）是实现对人眼安全波长激光输出的一条有效途径，但是目前OPO技术在工程应用中存在三个严重问题分别是返回光问题、转换效率问题和光束质量问题，下面具体论述。
[0006]传统直腔式OPO是由一对相互平行放置的输入镜和输出镜及一块或多块非线性晶体（KTP或KTA）构成。其中输入镜镀有对泵浦光的增透膜，由于泵浦光通常是垂直于三者通光面入射的，因此十分容易导致少量由于光学元件表面反射的泵浦光通过输入镜直接返回到泵浦源激光器。这些返回光严重干扰了泵浦光Q开关过程中巨脉冲的产生，影响了泵浦光的输出稳定性甚至产生局部强点以至损坏泵浦源激光器中的光学元件。目前解决这一问题的途径主要有两个：一是在泵浦源激光器和OPO之间放置一光隔离器；二是将OPO的光轴人为的偏离泵浦光的光轴，使返回的泵浦光与进入OPO的泵浦光形成一定角度使之进入不了泵浦源激光器。但这两种办法均存在问题，首先光隔离器的体积和重量通常较大，这对要求小巧便携的军用激光器来说难以接受，同时光隔离器的温度特性尤其是低温特性较差，这点也难以满足军用激光器对大范围温度内正常工作的要求；其次，采用OPO光轴偏离泵浦光光轴的方法也是以降低系统转换效率和信号光光束质量为代价的，这都满足不了军用激光器对功耗和光束质量的要求。
[0007]为了彻底解决上述直腔式OPO的返回光问题，人们提出了一种采用环形结构的OPO，所谓环形腔通常是指能提供多边形振荡回路的谐振腔，在环形OPO中由于其所有腔镜均与泵浦光成一定角度，因此任何元件的表面反射光均无法进入泵浦源激光器，同时泵浦光抽运为环形路线，残余泵浦光也不会返回到泵浦光谐振腔之内，因此从根本上解决了直腔式OPO的返回光问题，可直接置于泵浦源的前面，使得器件整体结构十分小巧紧凑。
[0008]但由于在环形腔OPO中泵浦光为单次通过非线性晶体造成了光参量振荡阈值较高和泵浦光到信号光的转换效率较低等问题，一定程度上限制了其在高转换效率需求场合的
应用。为了提高环形腔OPO的转换效率，一个有效措施是通过增加非线性晶体的个数，但是该方法在提高转换效率的同时恶化信号光的光束质量，这也是不足取的。因此，研制一种高转换效率的环形腔OPO同时保持较好的光束质量是目前OPO工程应用领域一个亟待解决的课题。
[0009]军用激光器光束质量的好坏直接影响了作用于目标表面的激光束能量密度大小，光束质量越好即作用于目标的能量越集中，反之越分散，因此光束质量是设计激光器时的一个关键指标。虽然采用直线型非稳腔结构的OPO可以明显改善输出信号光的光束质量，但由于其仍然存在上述直腔式OPO的返回光问题而难以在一个体积重量受到苛刻限制的军用激光器中获得实际应用。另一个提高OPO光束质量的办法是采用光参量放大（OPA）技术，即将有较好光束质量的OPO小能量信号光（种子光）通过OPA进行放大，在OPA泵浦光的作用下信号光能量成倍提高同时保留了注入信号光较好的光束质量。可以看出，通过OPA技术可以同时获得高的转换效率和高的光束质量，但在实际应用中该技术需将泵浦光分成两束分别用于泵浦OPO和OPA，二者还需通过时间延迟线的调节来保证OPA的泵浦光与从OPO输出的信号光同时到达OPA中的非线性晶体，造成器件结构复杂和体积庞大。
[0010]综上所述，若将环形腔OPO技术和OPA技术相结合，利用环形腔OPO设计解决返回光问题，再进一步利用OPA技术获得高的转换效率和高的光束质量是将OPO技术真正军事应用工程化的一条有效途径。
[0011]
技术实现思路

[0012]本专利技术的目的是设计一种具有结构紧凑可靠、高转换效率和高光束质量特性的小型高效一体化的环形光参量振荡/放大器，并能同时满足军用激光器对体积尺寸、光束质量和效率等方面的要求。
[0013]实施本专利技术的技术方案如下：一种小型高效一体化的环形光参量振荡/放大器，由两块全反射直角棱镜和一个用于出射和入射的45度平面镜构成一种四边形的环形OPO谐振腔，泵浦光的光轴平行于该四边形的一条边，通过与其光轴成45度放置的平面镜入射到OPO腔内，先后经过其中一个直角棱镜两直角面的两次全反射和另一个直角棱镜底面的一次全反射后沿四边形的环形路线回到入射处的平面镜并从该处离开该环形OPO，且出射方向垂直于入射方向。由于所有反射面均与泵浦光轴成45度，因此任何反射光均垂直于入射光即无法沿原方向返回泵浦光激光器，这就解决了返回光的问题。
[0014]在该环形OPO中，用于波长转换的非线性晶体（KTP等）可放置于平行于入射光轴的两条边处且通光面垂直于入射的泵浦光，当泵浦光强度到达一定值时，信号光得以产生并在腔内谐振放大，最终亦由平面镜出射，其方向与出射泵浦光的方向一致。在该技术方案中采用全反射直角棱镜替代普通环形OPO中的45度反射镜的目的主要有两个:一是利用全反射棱镜的自准直特性极大的简化了调试和装配难度；二是利用全反射的原理同时实现泵浦光和信号光的反射，故无需镀制相对复杂的光学反射膜层，还可实现输出信号波长的调谐。
[0015]为了进一步提高转换效率，从环形OPO平面镜处同时出射且方向一致的剩余泵浦光和信号光经另一个全反射直角棱镜底面的全反射（转向90度）后进入由一块或两块非线
性晶体（与环形OPO中一致）组成的OPA中。在OPA中非线性晶体的作用下，剩余泵浦光进一步转化为信号光同时保留了较好的光束质量。这种将OPO输出的信号光和剩余泵浦光直接注入OPA中进行信号光放大的共线结构保证了OPA泵浦光与信号光在时间和空间上完全重合，可以获得最佳的放大效果和最好的光束质量，且无需通过时间延时线对OPA泵浦光进行调节来保证OPA的泵浦光与从OPO输出的信号光同时到达OPA中的非线性晶体，极大简化了OPA的结构。
[0016]本专利技术设计了一种利用棱镜全反射的环形OPO和采用共线泵浦方式的OPA，环形OPO谐振腔利用了棱镜的全反射和自准直特性，在简化结构的同时提高了器件的可靠性；OPA采用共线泵浦方式，直接置于环形OPO之后并通过棱镜的全反射将二者设计成结构紧凑可靠、一体化的“e”型光路。该技术在利用环形OPO解决OPO返回光问题的同时利用OPA获得了高的转本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种小型高效一体化的环形光参量振荡/放大器，其特征在于：包括环形OPO和OPA两部分，环形OPO和OPA通过棱镜的全反射形成共线的“e”光路。2.根据权利要求1所述的小型高效一体化的环形光参量振荡/放大器，其特征在于：由两块全反射直角棱镜和一个用于出射和入射的45度平面镜构成一种四边形的环形OPO谐振腔，泵浦光的光轴平行于该四边形的一条边，通过与其光轴成45度放置的平面镜入射到OPO腔内，先后经过其中一个直角棱镜两直角面的两次全反射和另一个直角棱镜底面的一次全反射后沿四边形的环形路线回到入射处的平面镜并从该处离开该环形OPO，且出射方向垂直于入射方向。3.根据权利要求2所述的小型高效一体化的环形光参量振荡/放大器，其特征在于：环形OPO由平面镜、两块直角棱镜及两块KTP晶体组成。4...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘旭，谭朝勇，陈霞，朱孟真，魏靖松，米朝伟，
申请(专利权)人：中国人民解放军陆军工程大学，
类型：发明
国别省市：