[发明专利]一种利用参量转换技术产生中波红外激光输出的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种新的激光产生方法，尤其涉及一种中波红外波段的激光产生方法。

背景技术

激光波长在2—5微米波段的中波红外激光器在生物医学、环境监测和国防领域具有重要的应用价值。3.6微米和3.8微米是很好的大气窗口波段，该波段的激光在大气中具有很好的透射率，是激光信号传输的良好波段，适合空间激光传输；2.9微米波长的激光在生物组织内具有强烈的吸收，因此激光作用深度小，易于控制工作部位，止血能力也比较强，是一种高品质的激光手术刀；波段3-5微米的光谱波段中存在大量气体分子的本征吸收峰，因此具有吸收强度大、谱线窄的特点，非常适合于做微量或痕量气体成分的检测。此外，3-5微米波段的激光与红外制导导弹的窗口波段重合，可以用于带内干扰，因此是光电对抗的有效激光器。目前，产生中波红外的技术手段有很多种，可用的固体激光器件，包括量子级联的半导体激光器、基于参量转换技术的光参量振荡器或光参量放大器、以及直接采用激光增益介质产生激光振荡的固体激光器和光纤激光器。

量子级联的半导体激光器具有结构紧凑的特点，但是不适合作为高峰值功率的激光输出。采用激光增益介质直接产生激光振荡的中波红外激光器，一般由于量子效率的问题，工作效率较低，且一般要求低温工作，尤其不适合高功率激光研制。因此，为了获得高功率的中波红外激光输出，一般采用参量转换技术。

参量转换技术是一种较为成熟的光频转换技术，它通过三波混频或四波混频原理将较短波长的泵浦激光转换为较长波长的激光，参量转换的技术方案包括自发参量下转换、参量放大和参量振荡。自发参量下转换技术直接利用一束高峰值功率的泵浦激光入射到非线性激光晶体中产生的参量激光，结构简单，但是因为阈值很高，对泵浦激光的峰值功率要求很高，总的转换效率较低，同时获得的产量下转换激光输出谱段一般较大，很多时候不能满足应用需求；参量放大技术一般利用一束波长较短、强度较大的脉冲激光作为泵光，同时采用一束波长较长的激光作为信号光，两束光同时入射到激光非线性晶体中，产生差频，此时信号光将获得放大，同时产生一个波长更长、光子能量等于泵光光子能量和信号光光子能量之差的闲散光。与自发参量下转换技术相比，参量放大技术具有阈值较低、转换效率较高的特点，是一种更为实用的光频转换技术，但是其缺点是对激光非线性晶体的要求较高，光频转换时需要严格保证参量转换时的相位匹配关系，因此对于特定结构的晶体，必须精细调节并严格控制其工作温度使能保证相位匹配关系得到满足，并以此获得较高的差频转换效率。与上述两种参量转换技术不同，光参量振荡技术借助于谐振腔的帮助，使得信号光或闲散光在谐振腔内产生激光振荡，可以实现较高的光频转换效率，且对晶体的相位匹配关系并没有非常严格要求。此时激光非线性晶体的工作温度的改变一般只导致光参量振荡器输出激光波长的改变，因此可以认为其相位匹配关系在一定程度上是自洽的。总的来说，在热透镜效应等影响谐振腔稳定的因素不明显的条件下，光参量振荡器可以获得较为理想的转换效率。

但是，随着激光功率的增加，尤其是当谐振腔内各个波长的激光在非线性激光晶体中有一定量的吸收时，激光晶体将产生严重的热透镜效应，并导致腔稳定性变差，腔内损耗增加，总的光参量振荡器的光频转换效率大幅降低。为解决这一问题，在高功率激光工作条件下，必须采用谐振腔热透镜补偿措施以解决高功率工作时的腔稳定性问题，导致激光器结构变得复杂，光频转换效率降低，高功率的参量激光输出难以实现。此外，光参量振荡器中因为包含谐振腔，整个激光器就存在谐振腔失谐所引起的一系列问题，由于环境因素的变化，激光器的长期工作稳定性较难保证。

发明内容

本发明的目的是针对目前光参量转换技术实际使用中的相关问题，充分利用光参量放大技术的特点，并采用新型技术方法彻底解决其常规的参量放大技术对相位匹配要求非常严格的问题，使得能够获得一种激光转换效率高、激光输出波长可调、系统结构紧凑、性能可靠、环境稳定性好、适合高功率输出的新型激光变频系统，能够广泛应用于各类中波红外激光器研制中。

本发明方法利用一组特殊构造的脉冲光纤激光器系统作为泵源，一个非线性激光晶体作为光频转换用器件。