[发明专利]全固态中红外光参量振荡器

说明书

技术领域

本发明涉及中红外激光，特别是一种全固态中红外光参量振荡器，基于周期极化晶体、准相位匹配技术，利用内腔式OPO的方式，其中泵浦源采用被动调Q的1.6μm脉冲激光，实现高功率中红外激光输出的全固态中红外光参量振荡器。

背景技术

由于3～5μm波段内的中红外激光正好处于大气窗口，而且还处在一些有害、有毒气体以及水和二氧化碳等重要分子的吸收带上，中红外激光在激光雷达、遥感、环境监测、医疗以及红外对抗等方面有着重要应用价值和前景。

基于获得中红外波段3～5μm激光，国内外相关机构开展了大量研究工作并取得了一定成绩。其中最热门的研究主要集中在中红外固体激光器、中红外半导体量子级联激光器和光学参量振荡器。从固体激光器中直接获得中红外激光输出，目前研究较多的是基于Er³⁺、Fe²⁺、Ho³⁺、Dy³⁺等不同激活离子的基质材料。例如采用高掺杂Er³⁺离子的Er:YAG激光晶体作为增益介质，利用980nm半导体激光器作为泵浦源，可以得到3μm附件的中红外激光输出。另外还可以利用3μm的Er:YAG激光器泵浦掺Fe²⁺的ZnSe，得到3.95～5.05μm波段的中红外激光输出。但是通过固体激光器直接得到中红外激光输出的效率目前还是比较低的，而且可供选择的增益介质还非常有限。中红外半导体量子级联激光器有结构简单、体积小和可实现任意波长等优点，但是由于量子阱的制作工艺比较复杂，目前这方面的研究尚处于起步状态。另一方面，中红外半导体量子级联激光器对工作温度要求比较苛刻，虽然目前已获得室温下连续光输出，但若实现高功率中红外激光还是具有相当大的难度。

目前，通过参量转换的光学参量振荡器是实现高功率中红外激光输出的一个重要途径。由于近红外激光器技术发展的日益成熟，全固化小型化的近红外激光器已经商业化，并且大非线性系数、高损伤阈值和高稳定性的非线性光学材料的研制成功，极大地促进了OPO技术的发展。特别是准相位匹配技术出现以来，因准相位匹配技术可以充分利用非线性晶体的最大非线性系数、消除了空间走离效应和采用较长的非线性晶体，并且制作周期极化晶体的工艺也日益成熟，基于准相位匹配技术的光学参量振荡器已成为获得3～5μm波段中红外激光的一个非常有效的技术路线。近十几年来，利用1μm附近的激光作为QPM-OPO泵浦源的研究在国内外进行了很多，并且也取得了非常好的成绩。但是受到1μm泵浦光到中红外激光的量子转换效率的极大限制，依然无法超出Manley-Rowe关系的量子限制。近年来，随着2μm激光器的发展以及2μm激光材料的成熟，很多研究人员采取2μm激光器作为泵浦源，以便能够超出利用1μm激光器作为泵浦源的量子转换效率的限制。但是目前利用2μm激光器作为泵浦源的QPM-OPO的转换效率并没有得到很大提高，这主要是因为2μm激光材料的荧光线宽都比较宽，为QPM-OPO提供一个理想的窄线宽的2μm激光泵浦源比较困难。到目前为止，利用2μm激光泵浦PPLN-OPO的转换效率最高才能达到30％左右。另外，2μm激光器基本上都采用790nm附近的激光二极管(以下简称为LD)作为泵浦源，因此OPO整个系统的量子效率受到极大的限制。最近一些研究人员又把目光转向Er掺杂光纤激光器和Er掺杂光纤激光器泵浦的Er:YAG激光器OPO的泵浦源，泵浦源不仅输出的1.6μm激光处在人眼安全波段，而且相对于1μm泵浦源的量子转换效率得到提高以及比2μm激光更容易实现窄线宽输出。比如S.Desμmoulins等人报道了利用1.54μm脉冲的Er,Yb双掺的光纤激光器作为OPO的泵浦源，泵浦PPLN晶体得到了中红外激光的调谐输出。美国的Y.E.Young等人报道了采用1645nm的Er:YAG激光器作为PPLN晶体的泵浦源，在简并点处得到了3290nm中红外激光的3.7W输出。以上两种实验中采用了同带泵浦技术也就是利用掺Er的光纤激光器作为Er:YAG激光器的泵浦源，但是采用1.6μm激光作为QPM-OPO泵浦源的系统中并没有实现全固化，复杂的结构给整个系统增加了体积，而且整个系统中Er掺杂光纤激光器都要采用980nm附近的LD作为泵浦源，导致整个QPM-OPO系统的量子转换效率受到最初一级泵浦源的极大限制。

发明内容