基于晶体自拉曼效应的多波长中红外光学参量振荡器

摘要

本发明涉及一种利用晶体自身拉曼效应和光学参量过程产生多波长激光输出的中红外光学参量振荡器，属于多波长激光技术范畴。所述振荡器包括泵浦光源、谐振腔、非线性变频晶体、局部折射率调制系统四个部分。本发明旨在利用光学参量振荡器的宽波段调谐能力和腔内振荡光功率较高的特点，通过设计谐振腔结构和参数，使谐振腔中的信号光产生稳定的多阶拉曼激光，再通过对非线性晶体折射率进行局部调制等途径使拉曼激光与泵浦光可以高效差频，进而得到稳定的多波长激光输出。本发明仅需一个单一波长的泵浦光即可实现多个不同波长的近红外信号光和中红外激光输出，且不需引入复杂的波长选择器件或定制特殊极化的晶体，结构简单，容易实现，性能稳定可靠。

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用晶体自身拉曼效应和光学参量过程产生多波长激光输出的中红外光学参量振荡器，属于多波长激光技术范畴，可广泛应用于频率梳、多波长激光和非线性频率变换等领域。

背景技术

多波长激光在激光通信、遥感遥测、科学研究等领域有着广泛的应用，特别是一些波长间隔较窄(小于数十纳米量级)的多波长激光(也称作多峰激光)，可以形成频率梳，在多光谱成像和气体成分检测等方面有着不可替代的作用。人们可以通过多光谱合束、多光栅级联、多级拉曼效应或多级布里渊效应等多种方式产生多峰激光，但这些方案工作波段大多集中于近红外波段，难以实现中红外激光输出，且需要在系统中加入光栅或窄带镀膜片等波长选择器件实现多波长，这些器件的加入一方面限制了系统的波段范围，另一方面提高了系统的复杂性和成本，不利于较高功率条件下的应用。特别是在3～5微米的中红外波段，由于大多数材料在该波段有着强烈的吸收，相关波长选择器件研制困难，价格昂贵，而且难以实现间隔较窄的波长区分，限制了现有多波长中红外激光器的性能水平。

光学参量振荡器是一种宽调谐相干光源，其基本原理是差频，即一束频率和强度比较高的激光束(称作泵浦光ω_p)与一束频率及强度较低的光束(称作信号光ω_s)同时通过满足相位匹配条件的非线性介质，结果是信号光获得放大，同时还产生另一束激光(称作闲频光ω_i)输出，闲频光的频率为泵浦光频率与信号光频率之差(即ω_i＝ω_p-ω_s)。由于光学参量振荡器不依赖于能级结构，而是通过相位匹配产生增益，因此其工作波段远超过常规固体激光器，是目前产生大范围连续可调波长(波长覆盖范围从紫外光到可见光到红外光)激光的唯一方法，也是实现中红外激光输出的重要途径。

在设计过程中，光学参量振荡器主要考虑晶体的折射率使其满足相位匹配条件，由于晶体折射率n是温度和对应光频率的函数，对于双折射相位匹配型晶体，相位匹配条件如公式(1)所示：

ω_pn(ω_p,T)-ω_sn(ω_s,T)-ω_in(ω_i,T)＝0>

准相位匹配型晶体，是指通过对晶体进行周期极化工艺，使其折射率随极化周期Λ变化，其相位匹配条件如公式(2)所示：

$\Lambda =\frac{2\pi }{{\omega }_{p}n({\omega }_p,T)-{\omega }_{s}n({\omega }_s,T)-{\omega }_{i}n({\omega }_i,T)}---\left(2\right)$

式中n为晶体折射率，是温度和对应光频率的函数，n(ω_p,T)、n(ω_s,T)、n(ω_i,T)分别为晶体在温度T条件下，对应光频率为ω_p、ω_s和ω_i时的折射率。

由式(1)和式(2)可知，对于给定的泵浦光ω_p和信号光ω_s，仅会产生一个频率为ω_i的 中红外激光。要实现多波长输出，通常需要在腔内放入多块不同晶体满足不同的相位匹配条件(参考文献1：Zhang>

本发明提出了一种利用光学参量振荡器中晶体的自拉曼效应获得多波长中红外激光输出的装置，通过在光学参量振荡器中对晶体进行局部调制，在系统内除了实现泵浦光与信号光的差频之外，还可以实现泵浦光与信号光的各阶拉曼光之间的差频，进而得到稳定的多波长激光输出。该方案具有宽波段调谐能力，且不需要外加光栅或窄带镀膜镜片等波长选择器件，结构简单，波长可控，适用波段广，性能稳定可靠。

发明内容

本发明目的是提出一种多波长光学参量振荡器，旨在利用光学参量振荡器的宽波段调谐能力和腔内振荡光功率较高的特点，通过设计谐振腔结构和参数，使谐振腔中的信号光产生稳定的多阶拉曼激光，再通过对非线性晶体折射率进行局部调制等途径使拉曼激光与泵浦光可以高效差频，进而得到稳定的多波长激光输出。本发明仅需一个单一波长的泵浦光即可实现多个不同波长的近红外信号光和中红外激光输出，且不需引入复杂的波长选择器件或定制特殊极化的晶体，结构简单，容易实现，性能稳定可靠。

本发明采用的技术方案为：基于晶体自拉曼效应的多波长中红外光学参量振荡器，主要包括泵浦光源、谐振腔、非线性变频晶体、局部折射率调制系统四个部分，泵浦光源用于提供频率为ω_p的近红外泵浦光并入射谐振腔内的非线性变频晶体，在谐振腔内建立频率为ω_s的近红外信号光振荡，并与泵浦光ω_p差频产生频率为ω_i的中红外波段闲频光输出，ω_i＝ω_p-ω_s；通过改变谐振腔参数如改变腔镜反射率、曲率半径及相对位置等，可以改变信号光ω_s功率密度，使其在非线性变频晶体中产生信号光ω_s的一阶拉曼光ω_r1；通过局部折射率调制系统改变非线性变频晶体的相位匹配条件，实现泵浦光ω_p和ω_r1的差频，输出中红外波段的差频光ω_d1，ω_d1＝ω_p-ω_r1。

如上所述的泵浦光源用于提供频率为ω_p的泵浦光，可以是脉冲激光光源，也可以是连续激光光源。

如上所述的谐振腔由多面腔镜组成，用于提供信号光ω_s和拉曼光ω_r1的反馈，建立信号光ω_s和拉曼光ω_r1振荡，可以是驻波腔，也可以是行波腔。

如上所述的非线性变频晶体用于通过相位匹配方式为泵浦光ω_p和信号光ω_s产生闲频光ω_i的过程提供增益、通过晶体自身的拉曼效应为信号光ω_s产生一阶曼光ω_r1过程提供增益以及 通过相位匹配方式为泵浦光ω_p和拉曼光ω_r1差频产生ω_d1的过程提供增益，可以是准相位匹配晶体，也可以是双折射相位匹配晶体。如上所述的局部折射率调制系统用于在非线性变频晶体内部形成预设的折射率分布，使非线性变频晶体能够同时满足泵浦光ω_p和信号光ω_s差频产生闲频光ω_i的相位匹配条件，以及泵浦光ω_p和拉曼光ω_r1差频产生中红外波段的激光ω_d1的相位匹配条件。

如上所述的局部折射率调制系统可以通过如下四种方式进行调制：1.制备过程中在非线性变频晶体内部引入局部折射率分布；2.引入局部温度控制装置控制非线性变频晶体边界产生温度差；3.外加非线性变频晶体可以有较强吸收的吸收光源或者利用晶体对闲频光存在的自吸收效应使晶体内部形成温度差分布；4.对非线性变频晶体外加电场或压力场进行调制。

由上述技术方案可以看出，本发明所述装置同时实现了频率为ω_i的闲频光和频率为ω_d1的差频光这两种中红外激光输出。本发明还可以通过改变谐振腔参数如改变腔镜反射率、曲率半径及相对位置来改变信号光ω_s的功率密度，使其在非线性变频晶体中产生信号光ω_s的一阶及高阶拉曼光ω_r1、ω_r2、ω_r3、ω_r4、……，通过局部折射率调制系统改变非线性变频晶体的相位匹配条件，实现泵浦光ω_p和信号光ω_s的一阶及高阶拉曼光的差频，输出中红外波段的多波长差频光ω_d1、ω_d2、ω_d3、ω_d4、……，其中ω_dj＝ω_p-ω_rj,j＝1,2,3......。

本发明具有以下技术效果：

1、本发明可以在单一波长激光泵浦条件下实现多波长中红外激光输出；

2、本发明利用了非线性变频晶体自身拉曼频移较窄的特点，不需外加光栅或窄带镀膜片等波长选择器件，就可以实现间隔较窄的中红外多波长激光输出；

3、本发明可以通过改变谐振腔参数和局部折射率调制方案，实现不同波长数量的中红外激光输出；

4、本发明结构简单，适用波段广，所产生的波长数量和强度稳定可控。

附图说明

图1为本发明实施例1：通过正向接入TEC实现外加温度调制的多波长中红外光学参量振荡器原理示意图；

图2为本发明实施例2：通过双TEC反向串联获得外加温度调制的多波长中红外光学参量振荡器原理示意图；

图3为本发明实施例3：通过外加同轴吸收光源实现温度调制的多波长中红外光学参量振荡器原理示意图；

图4为本发明实施例4：通过晶体自吸收实现温度调制的多波长中红外光学参量振荡器原理示意图；

图5为本发明实施例5：通过引入侧面非均匀辐照吸收光源实现温度调制的多波长中红外光学参量振荡器原理示意图；

图6为本发明实施例6：通过外加压力调制实现的多波长中红外光学参量振荡器原理示意图；

图7为本发明实施例7：通过外加电场调制实现的多波长中红外光学参量振荡器原理示意图；

图中：1、泵浦光源；2、高反射腔镜；3、周期极化铌酸锂(PPLN)晶体；4、输出腔镜；5、正向接入半导体制冷器(TEC)；6、直流电源；7、反向接入半导体制冷器(TEC)；8、外加吸收光源；9、合束镜；10、整形镜；11、微位移器；12、微位移驱动器；13、电场调制器；14、驱动电源。

图8为实施例1实验结果：输出激光光谱图(a)近红外波段光谱；(b)中红外波段光谱；

图9为实施例4实验结果：输出激光光谱图(a)近红外波段光谱；(b)中红外波段光谱；

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细描述。

附图1为本发明实施例1：通过正向接入TEC实现外加温度调制的多波长中红外光学参量振荡器的原理示意图。该实施例中泵浦光源1为系统提供频率为ω_p的泵浦光，泵浦光入射由高反射腔镜201和输出腔镜202组成的谐振腔中，其中非线性变频晶体3为单周期PPLN晶体，其周期为Λ。非线性变频晶体3后半段固定于由正向接入TEC>

直流电源402不工作时，根据式(2)，由高反射腔镜201输出腔镜202组成的谐振腔仅产生一个频率为ω_s的近红外信号光振荡，并与泵浦光ω_p差频得到一个频率为ω_i的中红外闲频光输出。谐振腔内信号光ω_s功率远高于泵浦光ω_p，由于非线性变频晶体3自身的拉曼效应，谐振腔内将产生信号光ω_s的一阶拉曼光ω_r1，控制高反射腔镜201和输出腔镜202的反射率和带宽，可以使ω_r1在谐振腔内同样建立振荡。此时谐振腔内同时有两组近红外激光ω_r1与ω_s振荡而仅有一个频率为ω_i的中红外激光输出。

改变直流电源402的输出电流，可以改变正向接入TEC 401表面温度，使其表面温度变为T₂，此时非线性变频晶体3的前端温度仍为温度T，后端温度变为T₂，且T₂满足式(3)：

$\Lambda =\frac{2\pi }{{\omega }_{p}n({\omega }_p,T_2)-{\omega }_{r1}n({\omega }_{r1},T_2)-{\omega }_{d1}n({\omega }_{d1},T_2)}---\left(3\right)$

式(3)即泵浦光ω_p与信号光的一阶拉曼光ω_r1高效差频的相位匹配条件，此时可以获得中红外差频光ω_d1的稳定输出。系统整机将可以实现两组近红外激光ω_r1与ω_s的输出，以及ω_i和ω_d1两个波长的中红外激光输出。

如上所述的泵浦光源1用于提供频率为ω_p的泵浦光，可以是脉冲激光光源，也可以是连续激光光源。

如上所述的高反射腔镜201和输出腔镜202构成了谐振腔，用于提供信号光ω_s和信号光的一阶拉曼光ω_r1的反馈并建立振荡，可以是驻波腔也可以是行波腔，也可以由多面腔镜或同类功能器件代替。

如上所述的PPLN为准相位匹配的非线性变频晶体，用于提供三种机制的激光增益：通过相位匹配方式为泵浦光ω_p和信号光产生闲频光ω_i的光学参量过程提供增益，通过晶体自身的拉曼效应为信号光ω_s产生一级拉曼光ω_r1过程提供增益，通过相位匹配方式为泵浦光ω_p和拉曼光ω_r1差频产生ω_d1的过程提供增益。PPLN可以由具有同类功能的器件代替，可以是准相位匹配晶体也可以是双折射相位匹配晶体，包括但不限于KTP、KDP、BBO、KTA、PPLN、PPMgLN、PPLT、ZGP、PPKTP等非线性晶体。

如上所述正向接入TEC 401和直流电源402组成的局部折射率调制系统4用于在非线性变频晶体内部产生折射率分布使其既满足式(2)也满足式(3)，正向接入TEC 401用于使非线性变频晶体产生温度差，可以用同类功能的器件代替，包含但不限于电阻丝、制冷器、加热炉等。

附图2为本发明实施例2：通过双TEC反向串联获得外加温度调制的多波长中红外光学参量振荡器的原理示意图。该实施例中由正向接入TEC 401与反向接入TEC 403和直流电源402共同构成局部折射率调制系统4，PPLN晶体前半段固定于反向接入TEC 401上，后半段固定于正向接入TEC 403上，由直流电源402给正向接入TEC401和反向接入TEC 403供电，改变直流电源402的电流大小即可改变正向接入TEC 401和反向接入TEC 403的表面温度，并在PPLN晶体内形成不同的温度分布最终导致PPLN晶体中出现局部的折射率调制，与实施例1方案相比，实施例2有利于在晶体中实现多个不同的温度场，从而实现更多波长的激光输出。

附图3为本发明实施例3：通过外加同轴吸收光源实现温度调制的多波长中红外光学参量振荡器的原理示意图。该实施例中，外加吸收光源401通过合束镜402与泵浦光合束后入射PPLN晶体，吸收光源401与合束镜402组成局部折射率调制系统4，由于PPLN晶体对吸收光源401所发出的光存在较强吸收，在PPLN晶体中会形成前端高后端低的温度分布，改变吸收光源401的强度和辐射波长可以对PPLN晶体的温度分布进行调制。

如上所述的吸收光源401为波长位于所用PPLN晶体吸收波段的光源，可以是红外辐射源也可以是可见光源或紫外光源，包括但不限于10.6微米的CO2激光、4～5微米的量子级联激光、红外波段的黑体辐射源等。

如上所述的合束镜402用于将泵浦光和吸收光合束，可以是偏振合束镜，也可以是光谱合束镜，也可以是空间合束镜，包含但不限于偏振片、光栅、二色镜等。

附图4为本发明实施例4：通过晶体自吸收实现温度调制的多波长中红外光学参量振荡器原理示意图。实施例4与前面三个实施例的不同之处在于两点：

(1)、该实验中谐振腔采用四面腔镜即高反射腔镜201、203、204和输出腔镜202组成环形腔结构；

(2)、该实施例的局部折射率调制系统4是利用非线性变频晶体3的自吸收效应来实现的，该实施例仅适用于非线性变频晶体对闲频光ω_i存在一定吸收效果时。该实施例中，泵浦光ω_p入射PPLN晶体，在谐振腔内建立频率为ω_s的信号光振荡，并与泵浦光ω_p差频产生频率为ω_i 中红外波段的闲频光输出。由于PPLN晶体3对闲频光ω_i存在自吸收效应，会导致非线性变频晶体3中形成前端温度低，后端温度高的温度分布，当温度分布满足式(3)即泵浦光ω_p与信号光拉曼光ω_r1高效差频相位匹配条件时，可以获得中红外差频光ω_d1的稳定输出。系统整机将实现两组近红外激光ω_s与ω_r1的输出，以及ω_s和ω_d1两个波长的中红外激光输出。

附图5为本发明实施例5：通过引入侧面非均匀辐照吸收光源实现温度调制的多波长中红外光学参量振荡器的原理示意图。该实施例中，外加吸收光源401和整形镜402组成局部折射率调制系统4，外加吸收光源401通过整形镜402后辐射光源被调制为所需要的强度分布并照射到非线性变频晶体3的侧面，由于非线性变频晶体3对吸收光源401所发出的光存在较强吸收，在非线性变频晶体3中会形成预设的温度分布，改整形镜402的形态和焦距等参数可以对非线性变频晶体3的温度分布进行调制。

如上所述的整形镜402用于将吸收光源401辐射的光场调制为所需要的强度分布，可以通过相位调制实现，也可以通过强度调制实现，包含但不限于非球面镜组，衰减片组，相差板组，空间光调制器等。

附图6为本发明实施例6：通过外加压力调制实现的多波长中红外光学参量振荡器的原理示意图。该实施例中微位移器401和微位移驱动器402构成局部折射率调制系统4，非线性变频晶体3后半段固定于微位移器401中，由微位移驱动器402控制微位移器401的形变大小，即可在非线性变频晶体3内形成不同的压力分布，最终导致非线性变频晶体3中出现局部的折射率调制。

如上所述的微位移器401用于对非线性变频晶体施加预设的压力分布，可以是通过挤压方式实现，也可以通过拉伸方式实现，包含但不限于压电陶瓷微位移器、步进电机等。

如上所述的微位移驱动器402用于驱动微位移器401产生微位移。

附图7为本发明实施例7：通过外加电场调制实现的多波长中红外光学参量振荡器的原理示意图。该实施例中电场调制器401和驱动电源402构成局部折射率调制系统4，非线性变频晶体3后半段固定于电场调制器401中，由驱动电源402控制电场调制器401的输出电压，即可在非线性变频晶体3内形成不同的电场分布，最终导致非线性变频晶体3中出现局部的折射率调制。

如上所述的电场调制器401用于对非线性变频晶体施加预设的电场分布，包含但不限于电极对、电极阵列等。

如上所述的驱动电源402用于驱动电场调制器401。

附图8为本发明实施例1的实验结果，用近红外光谱仪测量本发明所述多波长红外激光器输出激光包含三个波长的近红外激光输出，分别是信号光ω_s(实测波长1602nm)，信号光的一阶拉曼光ω_r1(实测波长1617nm)和信号光的二阶拉曼光ω_r2(实测波长1632nm)，用中红外光谱仪测量输出激光包含两个波长的中红外激光输出，分别是闲频光ω_i(实测波长3129nm)以及泵浦光ω_p(实测波长1060nm)与信号光拉曼光ω_r1高效差频得到的中红外差频光ω_d1(实测波长3074nm)。该实验中在晶体中形成的温度差太小，因此没有实现泵浦光ω_p与 信号光二阶拉曼光ω_r2的差频，仅得到了频率为ω_i和ω_d1的双波长中红外激光输出。

附图9为本发明实施例4的实验结果，用近红外光谱仪测量本发明所述多波长红外激光器输出激光包含两个波长的近红外激光输出，用中红外光谱仪测量输出激光包含两个波长的中红外激光输出。