激光设备及方法技术

一种窄线宽中红外激光器，包括：具有快轴压缩器以及泵浦波长为λ

【技术实现步骤摘要】
激光设备及方法


[0001]本专利技术主要涉及光学领域，具体涉及非线性光学、非线性材料以及激光器。

技术介绍

[0002]中波红外和长波红外波长范围内的光生成对于包括气体感测、自由空间通信和激光 雷达在内的许多领域都很重要(参见，杜振辉等，“用于痕量气体感测的中红外可调谐激 光宽频指纹吸收光谱技术：综述”，《应用科学》，第9卷，第2期，2019年)。
[0003]例如，许多气体的基本吸收波段都在中红外波长或长波红外范围内，因此，这是一 个用于进行气体感测的有用范围，其中，在该范围内的吸收系数远大于在短红外波中。 中波和长波红外区域具有几个大气吸收可忽略不计的窗口，这使得光能在比电信行业中 广泛使用的标准短波红外波长更长的距离上进行传输和接收(参见，例如，Mohammad AliKhalighi，Murat Uysal，“自由空间光通信概述：通信理论视角”，IEEE通信调查与教程， 第16卷，第4期，2014年)。这使得中红外和长波红外光对例如激光雷达和自由空间光 通信等应用非常有用，在这些应用中，大气效应会显著降低设备性能。
[0004]用于测量温室气体(GHG)的常用仪器是基于激光技术的。无论使用的测量方法是 激光雷达还是气体光谱法，都需要能够满足各种性能要求的高质量激光器。由于电信行 业中光学技术的兴起，能够发射短波红外(SWIR)的激光器可在实现高性能的同时还具 有成本效益。然而，许多值得监测的温室气体，包括甲烷和一氧化二氮，其基本吸收带 在中波红外(MWIR)波长范围内，这使得能够在MWIR中发射的激光源成为检测这些 气体的理想选择。因此，对能够实现包括高输出功率、窄发射波长和可调谐性的高性能 规格、且具有成本效益的MWIR激光源有着强烈需求。
[0005]目前，气体光谱技术通常使用两种类型的激光器：用于3
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4微米范围的带间级联激 光器(ICL)和用于7
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11微米范围的量子级联激光器(QCL)(例如，参见美国专利申请 公开号2012/0113426A1；Giacomo Insero等；“利用取向图案化磷化镓晶体在中红外中的 差频产生”，《光学快报Optics Letters》，第41卷，第21期，第5114
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5117页，2016年；Kosterev等人，“量子级联激光器在痕量气体分析中的应用”，《应用物理B》，第90卷， 第165
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176页，2008年)。就ICL而言，输出功率通常非常低，约为mW级(参见例如， 美国专利9,438,011B2；Giacomo Insero等人，“利用取向图案化磷化镓晶体在中红外中 的差频产生”，《光学快报Optics Letters》，第41卷，第21期，第5114
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5117页，2016 年)。此外，由于制造ICL所需的复杂半导体制造工艺，ICL对许多应用来说成本高昂。 量子级联激光器最近已被证实具有3微米范围内的发射波长，但尚未商业化。因此，目 前还没有一种商业上可获得的商用激光器，能够实现高功率、窄发射线宽、低成本以及 3
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4微米的中心发射波长。
[0006]光学参量振荡器是一种可用于产生中波红外光的激光器。虽然光学参量振荡器的成 本比其他中波红外激光器，例如ICL和QCL低得多，但它们需要许多额外的光学元件 来创建所需的腔。此外，它们具有更大的发射光谱，这降低了它们在光谱等应用中的有 效性。虽然光学参量振荡器已经实现了窄线宽，但它们需要使用波长选择元件来降低输 出功率。
因此，通常使用脉冲操作来增加输出功率；然而，许多光谱技术，如波长调制 光谱技术，需要连续的波源和输出波长的快速扫描，从而阻止了脉冲光参量振荡器的使 用。
[0007]反向光学参量振荡器代表了可用于产生窄发射线宽MWIR光的另一种器件。反向 光学参量振荡器的理论分析表明，发射线宽可以是几十皮米(参见，例如，Canalias， C.，Pasiskevicius，V.“无镜光学参量振荡器”。《自然光子》1，459
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462(2007))。然而， 由于技术原因，它们在传统非线性材料上的应用有限。
[0008]在所证实的器件中，已通过选择能在足够小的区域内极化的材料或通过极化结构和 泵浦光的复杂对准实现了操作(例如，参见Citlali E.Minor和Roger S.Cudney，“大体积 PPLN和PPLT中的无反射镜光学参量振荡：可行性研究”，《应用物理B》2017年)。其 他理论研究表明，在周期性极化铌酸锂中实现反向光学参量振荡的可能性，但这需要使 用更高阶的准相位匹配，从而导致了器件效率的急剧下降，并且可能仅限于脉冲操作(参 见，例如Citlali e.Minor和Roger S.Cudney，“大体积PPLN和PPLT中的无反射镜光学参 量振荡：可行性研究”，《应用物理B》2017年)。已经在PPLN中使用相对于泵浦激光 器倾斜的极化周期的四波混频过程的波导中(参见，例如，美国专利No.9,086,609B1) 以及太赫兹波产生(参见，例如美国专利No.10,725,359B2)中证实了无反射镜振荡， 从而允许使用更大的极化周期。还提出了在双光子生成中使用反向光参量产生(参见， 例如，美国专利No.8,970,944B2)，并进行了理论研究，但由于难以实现所需的小极化 尺寸而未能实现。
[0009]已报道了许多用于光谱学的具有中波红外发射的光学参量振荡器源。已报道了能实 现亚纳米发射线宽的器件(参见例如，美国专利第5,657,119A号)，这与中波红外范围 内的许多气体吸收光谱线宽相当。然而，这是通过使用复杂的设置来实现的，该设置需 要精确对准以最佳地运行，这增加了安装或使用期间发生未对准的风险，阻碍了该器件 成为理想的候选器件(参见，例如，Y F彭等人，“基于PPMgLN的高功率窄线宽光学 参量振荡器”，《激光物理》23，2013；Sheng，Quan等人，“880Nm内泵浦下的连续波 中红外腔内单谐振PPLN
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OPO”，《光学快报Optics Express》，第20卷，第7期，第8041 页，2012年；Giacomo Insero等人，“利用取向图案化磷化镓晶体在中红外中的差频产生”， 《光学快报Optics Letters,》，第41卷，第21期，第5114
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5117页，2016年)。已经开发 了其他系统(例如，参见美国专利申请No.5,796,513A)，其在没有复杂结构的情况下实 现了窄发射线宽，但除了泵浦激光器之外还需要使用种子激光器。通过使用双腔内光学 参量振荡器(例如，参见美国专利No.8,867,584B2)，可以实现高的连续波输出功率， 该振荡器具有合适该振荡器具有合适的泵浦源和涂层，以及瓦特级的电势。
[0010]需要具有成本效益的方法来产生具有结构简单、小尺寸、高效率、窄线宽和潜在的 高速调制能力的MWIR和/或LWIR相干源。

技术实现思路

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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种窄线宽中红外激光器，其包括：a.泵浦激光二极管，其具有快轴压缩器以及泵浦波长为λ
o
；以及b.光学谐振器，其被设置成接收所述泵浦波长λ
o
，所述光学谐振器包括具有激射波长λ
p
的激光晶体、分色镜以及用于产生闲频信号波长λ
i
的非线性晶体。2.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于：所述激光晶体的输入面涂覆有第一涂层，所述第一涂层为在激射波长λ
o
处的高透射涂层以及在所述泵浦波长λ
p
处的高反射涂层；以及，所述激光晶体的输出面涂覆有第二涂层，所述第二涂层为在泵浦波长λ
p
处的抗反射涂层。3.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于：所述分色镜被选择为在泵浦波长λp处具有接近零的损耗，在闲频信号波长λi处具有高反射。4.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于：所述非线性晶体是用于反向光学参量振荡的取向图案化半导体。5.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于：所述非线性晶体包括涂覆有第三涂层的输入面，所述第三涂层在激射波长λp处为抗反射涂层，且在闲频信号波长λi为高透射率涂层；以及，所述非线性晶体的输出面涂覆有第四涂层，所述第四涂层在激射波长λp处为高反射涂层。6.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于：还包括安装在所述非线性晶体上的两个电极。7.一种调谐闲频波长λi的方法，其包括：利用权利要求6所述的激光器产生泵浦波长λ
o
，以及，利用所述两个电极向所述非线性晶体施加电压。8.一种调谐闲频波长λi的方法，其包括：利用权利要求6所述的激光器产生泵浦波长λ
o
，以及，利用所述两个电极施加通过所述非线性晶体的电流。9.一种窄线宽中红外激光器，其包括：a.泵浦激光二极管，其具有快轴压缩器以及泵浦波长为λ
o
；以及b.光学谐振器，其被设置成接收所述泵浦波长λ
o
，所述光学谐振器包括具有激射波长λ
p
的激光晶体，和用于产生闲频信号波长λ
i
的非线性晶体；以及c.滤光器，其被设置成接收来自于所述非线性晶体的输出面的闲频信号波长λi。10.根据权利要求9所述的激光器，其特征在于：所述激光晶体的输入面涂覆有第一涂层，所述第一涂层为在激射波长λ
o
处的高透射涂层，和在泵浦波长λp处的高反射涂层；以及，所述激光晶体的输出面涂覆有第二涂层，所述第二涂层为在泵浦波长λp处的抗反射涂层。11.根据权利要求9所述的激光器，其特征在于：所述非线性晶体是用于反向光学参量振荡的取向图案化半导体。12.根据权利要求9所述的激光器，其特征在于：所述非线性晶体包括涂覆有第三涂层的输入面，所述第三涂层在激射波长λp处为抗反射涂层，并且在闲频信号波长λi处为高透射涂层；以及，所述非线性晶体还包括涂覆有第四涂层的输出面，所述第四涂层在激射波长λp处为高反射涂层，并且在所述闲频信号波长λ...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐长青，利亚姆，
申请(专利权)人：麦克马斯特大学，
类型：发明
国别省市：