本發(fā)明涉及一種光學(xué)器件，尤其涉及寬調(diào)諧、窄線寬的納秒脈沖雙共振中紅外光學(xué)參量振蕩器。通過(guò)溫度、周期、角度調(diào)諧實(shí)現(xiàn)寬調(diào)諧范圍激光輸出，通過(guò)雙諧振環(huán)形腔實(shí)現(xiàn)雙波段振蕩，結(jié)合種子注入技術(shù)實(shí)現(xiàn)窄線寬激光輸出。適用于激光光譜學(xué)、激光雷達(dá)、激光遙感、環(huán)境污染探測(cè)、光電探測(cè)、激光醫(yī)療等領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

近紅外和中紅外是光學(xué)波段中的非常重要的大氣窗口。近紅外波段不僅是激光對(duì)人眼最安全的波段，且處于大氣傳輸窗口，對(duì)煙霧的穿透能力強(qiáng)，由此可發(fā)展高精度的測(cè)風(fēng)、雷達(dá)等，進(jìn)行天氣預(yù)報(bào)和全球氣候探測(cè)；中紅外波段對(duì)大氣透過(guò)率高，受氣體分子吸收和懸浮物散射的影響小，且許多污染氣體(SO₂、CO₂、NO₂、NH₄、NH₃等)在中紅外波段具有強(qiáng)烈的吸收峰，因此該波段在激光測(cè)距、激光雷達(dá)、激光遙感、高靈敏度氣體探測(cè)等方面具有重要應(yīng)用。

光學(xué)參量振蕩器是目前產(chǎn)生中紅外激光最普遍的方法，但是，考慮到晶體以及膜系的損傷閾值，傳統(tǒng)的光學(xué)參量振蕩器反射線寬通常為數(shù)納米，連續(xù)工作模式，信噪比差，探測(cè)靈敏度差，難以滿(mǎn)足對(duì)于線寬要求比較高的光譜學(xué)、激光遙感、環(huán)境探測(cè)等領(lǐng)域的需求。

雙諧振振蕩器同時(shí)滿(mǎn)足信號(hào)光和空閑光振蕩，可實(shí)現(xiàn)紫外到遠(yuǎn)紅外12μm的寬調(diào)諧范圍激光輸出，且不受抽運(yùn)波長(zhǎng)的限制。

準(zhǔn)相位匹配技術(shù)，可以最大限度的利用晶體的非線性系數(shù)，采用多種方式調(diào)諧、起振閾值低、無(wú)走離效應(yīng)、結(jié)構(gòu)緊湊、可實(shí)現(xiàn)室溫運(yùn)作，在選定方向的匹配可使能量持續(xù)地從基頻光向參量光轉(zhuǎn)換。

摻入氧化鎂的周期性極化晶體(MgO:PPLN、MgO:PPLT)是一種高效率的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換非線性晶體，具有透光范圍廣(0.4～4.5μm)、使用壽命長(zhǎng)，有效非線性系數(shù)高，低閾值、高效率的特點(diǎn)，是產(chǎn)生近紅外-中紅外激光波段的重要材料，與MgO:PPLN相比，MgO:PPLT具有更高的熱傳導(dǎo)系數(shù)。通過(guò)對(duì)多周期極化晶體進(jìn)行溫度、周期、角度調(diào)諧，可實(shí)現(xiàn)寬調(diào)諧的雙波長(zhǎng)輸出。

常規(guī)的種子注入激光器系統(tǒng)采用壓電陶瓷控制激光器的腔長(zhǎng)，但由于壓電陶瓷的非線性特性和振蕩，往往導(dǎo)致激光器輸出單頻特性變差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種小型化、寬調(diào)諧、窄線寬全固態(tài)納秒脈沖中紅外光學(xué)參量振蕩器，解決脈沖光學(xué)參量振蕩器線寬壓窄、頻率調(diào)諧和光譜控制等關(guān)鍵技術(shù)難題，可以注入任一諧振單頻種子光，實(shí)現(xiàn)近紅外信號(hào)光、中紅外空閑光雙波段的光譜壓窄，應(yīng)用前景光明。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下：

寬調(diào)諧、窄線寬納秒脈沖雙共振中紅外參量振蕩器，特征在于該振蕩器包含：?jiǎn)晤l泵浦光、雙共振諧振腔、電學(xué)控制部分和種子光四部分；

所述的泵浦光路包括1.064μm泵浦源、聚焦透鏡、安裝在可旋轉(zhuǎn)的支架上的1.064μm半波片和偏振片；

所述的雙共振諧振腔包括平凹第一腔鏡、固定在晶體溫控爐上的多周期極化晶體、平凹第二腔鏡、平面第三腔鏡、平面第四腔鏡和分光鏡，所述的多周期極化晶體與晶體溫控爐一起固定在四維調(diào)整架上，用于調(diào)節(jié)多周期極化晶體的周期和角度；在平面第三腔鏡和平面第四腔鏡的中間插入電光晶體，二者的延長(zhǎng)線上設(shè)有光電二極管；

所述的電學(xué)控制處理部分包括光電二極管、電光晶體、電光晶體驅(qū)動(dòng)源和電光調(diào)制器和PID控制系統(tǒng)構(gòu)成。所述的電光晶體驅(qū)動(dòng)源的輸出端與電光晶體的輸入端相連，所述的PID控制系統(tǒng)的輸入端分別與所述的光電二極管輸出端、電光調(diào)制器的輸出端相連，所述的PID控制系統(tǒng)的輸出端與所述的電光晶體驅(qū)動(dòng)源的輸入端相連。

所述的種子光包括單頻FPB種子激光器、準(zhǔn)直透鏡、隔離器、半波片、聚焦透鏡和半透半反鏡，所述的準(zhǔn)直透鏡、半波片和聚焦透鏡均鍍有對(duì)種子光高透的介質(zhì)膜，半透半反鏡的透射光路上設(shè)有電光調(diào)制器。

沿泵浦光路傳播路徑為：1.064μm泵浦源發(fā)出的泵浦光經(jīng)過(guò)聚焦透鏡耦合聚焦后，依次經(jīng)1.064μm半波片、偏振片和雙色鏡后，再?gòu)钠桨嫉谝磺荤R透射，入射到多周期極化晶體的中心位置，通過(guò)四維調(diào)整架調(diào)節(jié)多周期極化晶體的位置和角度，產(chǎn)生近紅外信號(hào)光和中紅外空閑光，剩余泵浦光從平凹第二腔鏡透射出去。所述的偏振片與泵浦光路呈布儒斯特角放置，所述的偏振片與1.064μm半波片構(gòu)成光強(qiáng)調(diào)節(jié)裝置，用于調(diào)節(jié)入射泵浦光的光強(qiáng)；

沿種子光路傳播路徑為：?jiǎn)晤lFPB種子激光器發(fā)出的種子激光依次經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直透鏡、隔離器、半波片、聚焦透鏡、半透半反鏡和雙色鏡后耦合到泵浦光路，進(jìn)而透過(guò)平凹第一腔鏡，再經(jīng)過(guò)多周期極化晶體后以15°度入射角入射到平凹第二腔鏡，后依次經(jīng)過(guò)平凹第二腔鏡、平面第三腔鏡、平面第四腔鏡的全反射作用反射回平凹第一腔鏡，反射后入射到平凹第一腔鏡的種子激光一部分直接透過(guò)平凹第一腔鏡和分光鏡直接輸出，另一部分經(jīng)過(guò)平凹第一腔鏡反射回入射種子光路，在環(huán)形腔內(nèi)形成振蕩閉合回路。所述的聚焦透鏡用于把種子光耦合到多周期極化晶體的中心位置，所述的雙色鏡鍍有對(duì)1.064μm高透，種子光45°高反的介質(zhì)膜，所述的分光鏡鍍有對(duì)近紅外信號(hào)光高透，對(duì)中紅外空閑光高反的介質(zhì)膜。

所述的電學(xué)控制部分在工作周期內(nèi)，電光調(diào)制器對(duì)通過(guò)半透半反鏡的種子光進(jìn)行頻率、振幅調(diào)制，所述的光電二極管接受近紅外信號(hào)光經(jīng)過(guò)平面第三腔鏡透射形成的干涉信號(hào)，同經(jīng)過(guò)電光調(diào)制器后的信號(hào)混合產(chǎn)生誤差信號(hào)，該誤差信號(hào)經(jīng)過(guò)PID控制系統(tǒng)進(jìn)行處理，PID控制系統(tǒng)的輸出驅(qū)動(dòng)電光晶體驅(qū)動(dòng)源，通過(guò)調(diào)節(jié)電光晶體驅(qū)動(dòng)源電壓驅(qū)動(dòng)電光晶體，調(diào)節(jié)腔長(zhǎng)，使光學(xué)參量振蕩器的信號(hào)光頻率鎖定在種子激光頻率上，獲得窄線寬激光輸出。所述的電光晶體為砷化鎵晶體，所述的光電二極管為銦鎵砷光電探測(cè)器。

所述的隔離器對(duì)種子激光的隔離度不小于20dB，便于對(duì)種子激光器進(jìn)行有效保護(hù)。

所述的晶體溫控爐的控溫范圍為20～200℃，控溫精度為±0.1℃。

本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1、基于單頻脈沖激光器輸出的1.064μm激光泵浦多周期極化晶體，通過(guò)周期、角度、溫度調(diào)諧，可以獲得可調(diào)諧的雙諧振近紅外-中紅外激光輸出，具有調(diào)諧方便、覆蓋范圍廣的優(yōu)點(diǎn)；

2、本發(fā)明的環(huán)形腔結(jié)構(gòu)有利于激光模式的穩(wěn)定振蕩和種子激光注入，雙諧振腔能夠?qū)崿F(xiàn)近紅外信號(hào)光和中紅外空閑光雙諧振單頻參量激光輸出。

3、本發(fā)明采用主被動(dòng)結(jié)合的頻率控制技術(shù)控制半導(dǎo)體種子激光器頻率特性，進(jìn)而注入到光學(xué)諧振腔，通過(guò)電光晶體，將光學(xué)參量振蕩器的諧振腔鎖定在種子激光器的頻率上，實(shí)現(xiàn)壓窄光學(xué)參量光的線寬，提高光參量轉(zhuǎn)換的效率的特點(diǎn)。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明寬調(diào)諧、窄線寬納秒脈沖雙共振中紅外激光振蕩器實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是電學(xué)控制處理連線圖。

具體實(shí)施方式

為進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的具體技術(shù)內(nèi)容，以下結(jié)合實(shí)施例及附圖詳細(xì)說(shuō)明如下：

先參照?qǐng)D1，圖1是本發(fā)明寬調(diào)諧、窄線寬納秒脈沖雙共振中紅外參量振蕩器的結(jié)構(gòu)示意圖，本發(fā)明包含四部分：?jiǎn)晤l泵浦光、雙共振諧振腔、電學(xué)控制部分和種子光：

所述的單頻泵浦光包括1.064μm泵浦源1-1、聚焦透鏡1-2、安裝在可旋轉(zhuǎn)的支架上的1.064μm半波片1-3、偏振片1-4和雙色鏡1-5；

所述的雙共振諧振腔包括平凹第一腔鏡2-1、固定在晶體溫控爐2-3上的多周期極化晶體2-2、平凹第二腔鏡2-4、平面第三腔鏡2-5、平面第四腔鏡2-6和分光鏡2-7，所述的多周期極化晶體2-2與晶體溫控爐2-3一起固定在四維調(diào)整架上，用于調(diào)節(jié)多周期極化晶體2-2的周期和角度；在平面第三腔鏡2-5和平面第四腔鏡2-6的中間插入電光晶體3-2，二者的延長(zhǎng)線上設(shè)有光電二極管3-1；

所述的種子光包括單頻FPB種子激光器4-1、準(zhǔn)直透鏡4-2、隔離器4-3、半波片4-4、聚焦透鏡4-5和半透半反鏡4-6，半透半反鏡4-6的透射光路上設(shè)有電光調(diào)制器3-4。

沿泵浦光路傳播路徑為：1.064μm泵浦源1-1發(fā)出的泵浦光經(jīng)過(guò)聚焦透鏡1-2耦合聚焦后，依次經(jīng)1.064μm半波片1-3、偏振片1-4和雙色鏡1-5后，再?gòu)钠桨嫉谝磺荤R2-1透射，入射到多周期極化晶體2-2的中心位置，通過(guò)四維調(diào)整架調(diào)節(jié)多周期極化晶體的位置和角度，產(chǎn)生近紅外信號(hào)光和中紅外空閑光，剩余泵浦光從平凹第二腔鏡2-3透射出去。所述的偏振片1-4與泵浦光路呈布儒斯特角放置，所述的偏振片1-4與1.064μm半波片1-3構(gòu)成光強(qiáng)調(diào)節(jié)裝置，用于調(diào)節(jié)入射泵浦光的光強(qiáng)；

沿種子光路傳播路徑為：?jiǎn)晤lFPB種子激光器4-1發(fā)出的種子激光依次經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直透鏡4-2、隔離器4-3、半波片4-4、聚焦透鏡4-5、半透半反鏡4-6和雙色鏡1-5后耦合到泵浦光路，進(jìn)而透過(guò)平凹第一腔鏡2-1，再經(jīng)過(guò)多周期極化晶體2-2后以15°度入射角入射到平凹第二腔鏡2-4，后依次經(jīng)過(guò)平凹第二腔鏡2-4、平面第三腔鏡2-5、平面第四腔鏡2-6的全反射作用反射回平凹第一腔鏡2-1，反射后入射到平凹第一腔鏡2-1的種子激光一部分直接透過(guò)平凹第一腔鏡2-1和分光鏡2-7直接輸出，另一部分經(jīng)過(guò)平凹第一腔鏡2-1反射回入射種子光路，在環(huán)形腔內(nèi)形成振蕩閉合回路。所述的聚焦透鏡4-5用于把種子光耦合到多周期極化晶體2-2的中心位置，所述的雙色鏡1-5鍍有對(duì)1.064μm高透，種子光45°高反的介質(zhì)膜，所述的分光鏡2-7鍍有對(duì)近紅外信號(hào)光高透，對(duì)中紅外空閑光高反的介質(zhì)膜。

所述的電學(xué)控制部分在工作周期內(nèi)，電光調(diào)制器3-4對(duì)通過(guò)半透半反鏡4-6的種子光進(jìn)行頻率、振幅調(diào)制，所述的光電二極管3-1接受近紅外信號(hào)光經(jīng)過(guò)平面第三腔鏡2-5透射形成的干涉信號(hào)，同經(jīng)過(guò)電光調(diào)制器3-4后的種子光信號(hào)混合產(chǎn)生誤差信號(hào)，該誤差信號(hào)再經(jīng)過(guò)PID控制系統(tǒng)3-4的處理，PID控制系統(tǒng)3-4的輸出作用于電光晶體驅(qū)動(dòng)源3-3，通過(guò)調(diào)節(jié)電光晶體驅(qū)動(dòng)源電壓驅(qū)動(dòng)電光晶體3-2，調(diào)節(jié)腔長(zhǎng)，使光學(xué)參量振蕩器的近紅外信號(hào)光頻率鎖定在種子激光頻率上，獲得窄線寬近紅外信號(hào)光和中紅外空閑光輸出。所述的電光晶體3-2為砷化鎵晶體，所述的光電二極管3-1為銦鎵砷光電探測(cè)器。

所述的1.064μm泵浦源1-1為激光二極管泵浦的Nd:YAG調(diào)Q激光器，輸出波長(zhǎng)為1.064μm，線寬接近傅里葉變換極限。

所述的平凹第一腔鏡2-1鍍有對(duì)1.064μm增透，對(duì)近紅外信號(hào)光和中紅外空閑光均部分透過(guò)、且透過(guò)率相同的介質(zhì)膜；所述的平凹第二腔鏡2-4鍍有對(duì)1.064μm增透，對(duì)近紅外信號(hào)光和中紅外空閑光均高反的介質(zhì)膜，所述的平面第三腔鏡2-5，腔內(nèi)反光面鍍有對(duì)1.064μm高透，對(duì)近紅外信號(hào)光高透，對(duì)中紅外空閑光高反的介質(zhì)膜，另一面鍍有對(duì)1.064μm高透，對(duì)中紅外空閑光的高反膜；所述的平面第四腔鏡2-6鍍有對(duì)1.064μm高透、近紅外信號(hào)光和中紅外空閑光均高反的介質(zhì)膜。

所述的多周期極化晶體2-2，其材料為MgO:PPLN或MgO:PPLT，其極化結(jié)構(gòu)為多周期結(jié)構(gòu)，極化周期為29μm、29.5μm、30μm、30.5μm,等間距變化，尺寸大小為50mm*3mm*7mm，該多周期極化晶體兩個(gè)端面均鍍有對(duì)1.064μm、近紅外和中紅外波段增透的介質(zhì)膜。為了調(diào)諧方便，多周期極化晶體和晶體溫控爐一起固定在一個(gè)四維調(diào)整架上，便于對(duì)晶體進(jìn)行周期、角度和溫度調(diào)諧。

所述的單頻FPB種子激光器4-1為通過(guò)高精細(xì)溫度和高精度電流穩(wěn)頻方案鎖定的單一頻率半導(dǎo)體種子激光器。

所述的晶體溫控爐2-3的控溫范圍為20～200℃，控溫精度為±0.1℃。

所述的準(zhǔn)直透鏡4-2和聚焦透鏡4-5對(duì)種子激光進(jìn)行光束變化，使其在環(huán)形諧振腔內(nèi)與參量諧振光光斑大小一致，達(dá)到最佳的模式匹配。

所述的隔離器4-3能保證種子激光的單向傳輸，避免光學(xué)器件表面反射或者從后腔鏡漏出的激光進(jìn)入種子激光器打壞種子激光，該隔離器對(duì)種子激光的隔離度不小于20dB。

本發(fā)明的具體實(shí)施例工作過(guò)程是，Nd:YAG泵浦激光器1-1輸出的1.064μm非偏振激光經(jīng)過(guò)聚焦透鏡1-2，其焦點(diǎn)聚焦在多周期極化晶體2-2的中心處，耦合到多周期極化晶體2-2的泵浦光斑直徑大小為800μm；再經(jīng)過(guò)半波片1-3和偏振片1-4組成的光強(qiáng)調(diào)節(jié)裝置，調(diào)節(jié)入射到環(huán)形諧振腔的泵浦光強(qiáng)；單頻FPB種子激光器4-1產(chǎn)生的單頻激光通過(guò)準(zhǔn)直透鏡4-2準(zhǔn)直成平行光束后，經(jīng)過(guò)隔離器4-3，再由聚焦透鏡4-5聚焦到多周期極化晶體2-2的中心處，耦合到多周期極化晶體的種子光斑直徑大小為600μm，再經(jīng)過(guò)雙色鏡1-5與泵浦光路重合，入射到雙諧振環(huán)形腔內(nèi)。1.064μm泵浦光在多周期極化晶體2-2內(nèi)部進(jìn)行頻率變換和振蕩，經(jīng)過(guò)多周期極化晶體2-2的頻率轉(zhuǎn)換過(guò)程，近紅外信號(hào)光(1.3～1.7μm)和中紅外空閑光(3.0～4.5μm)沿與入射泵浦光呈30°的方向由平凹第一腔鏡2-1出射，剩余泵浦光由平凹第二腔鏡2-4出射；輸出的中紅外空閑光和近紅外信號(hào)光經(jīng)過(guò)分光片2-7進(jìn)行分離，信號(hào)光經(jīng)過(guò)光纖耦合導(dǎo)入波長(zhǎng)計(jì)，測(cè)量輸出信號(hào)光具體的諧振波長(zhǎng)，在通過(guò)調(diào)整單頻DFB種子激光4-1的電流和溫度參數(shù)進(jìn)行控制，使其輸出波長(zhǎng)中心與測(cè)量的信號(hào)光輸出的中心波長(zhǎng)一致。單頻FPB種子激光4-1一部分注入到雙共振環(huán)形腔中，一部分通過(guò)電光調(diào)制器3-4進(jìn)行頻率、幅度調(diào)諧，光電二極管3-2用來(lái)探測(cè)透過(guò)平面第三腔鏡的信號(hào)光信號(hào)，并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，該電信號(hào)經(jīng)過(guò)帶通濾波、放大后，與經(jīng)過(guò)電光調(diào)制后的信號(hào)進(jìn)行混合成誤差信號(hào)，然后該誤差信號(hào)經(jīng)過(guò)PID控制器系統(tǒng)3-5處理，PID控制系統(tǒng)的輸出驅(qū)動(dòng)電光晶體驅(qū)動(dòng)源3-3，電光晶體驅(qū)動(dòng)源給壓電晶體3-2施加電壓，電光晶體的折射率隨之線性變化，進(jìn)而快速調(diào)節(jié)腔長(zhǎng)，使得輸出信號(hào)光頻率始終鎖定在種子激光頻率上，從而輸出窄線寬的近紅外信號(hào)光和中紅外空閑光。

實(shí)驗(yàn)表明。本發(fā)明通過(guò)單頻1.064μm激光泵浦環(huán)形雙共振諧振腔，結(jié)合多周期極化晶體周期、角度、溫度調(diào)諧，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)光(1.3～1.7μm)和空閑光(3.0～4.5μm)的寬調(diào)諧范圍激光輸出；再通過(guò)注入與信號(hào)光頻率相同的種子激光，可實(shí)現(xiàn)單頻中紅外空閑光、近紅外信號(hào)光輸出，有效壓窄了線寬，使輸出的激光光譜寬度小于0.1nm，克服了傳統(tǒng)的光學(xué)參量振蕩器透射線寬通常為數(shù)納米、連續(xù)工作模式、信噪比差、探測(cè)靈敏度差的技術(shù)難題。本發(fā)明具有寬調(diào)諧、雙諧振、單頻性好的特點(diǎn)。