半导体激光器泵浦的腔内泵浦连续波光参量振荡器

摘要

本发明公开了一种半导体激光器泵浦的腔内泵浦连续波光参量振荡器，包括：单横模半导体激光器、聚焦透镜、输入耦合镜、激光增益晶体、激光凹面镜、双色镜、第一凹面镜、非线性晶体、第二凹面镜、OPO信号光输出耦合镜和OPO泵浦光高反镜；激光增益晶体产生的OPO泵浦光在输入耦合镜和激光凹面镜的作用下聚焦于激光增益晶体；激光增益晶体为Yb:KYW或Yb:KGW。本发明采用三能级的掺镱激光增益介质，激光产生过程的量子缺陷较小，可以获得更高的功率转换效率，同时激光产生过程中产生的热量较少；使用单横模高亮度半导体激光器作为泵浦源，可以在三能级激光增益介质中高效获得粒子数反转；采用单横模激光器作为泵浦源的另一个优势是可以获得低强度噪声的激光输出。

说明书

技术领域

本发明涉及光参量振荡器领域，更具体地，涉及一种半导体激光器泵浦的腔内泵浦连续波光参量振荡器。

背景技术

光参量振荡器(Optical Parametric Oscillator，OPO)利用二阶非线性效应，将入射激光(称为泵浦光)转换为两个频率不同的出射激光，其中一个频率较高者称为信号光，另一个频率更低的称为闲频光，泵浦光的频率等于信号光和闲频光的频率之和；OPO用于拓展激光辐射的输出波段，实现宽带可调谐的激光辐射。

腔内泵浦的光参量振荡器将非线性晶体置于泵浦激光器的谐振腔内；利用谐振腔内的高功率密度，能够实现连续波光参量振荡器的低阈值振荡；通过控制非线性耦合，腔内泵浦的光参量振荡器可以获得极高的功率转换效率。文献G.A.Turnbull，M.H.Dunn，and M.Ebrahimzadeh，“Continuous-wave，intracavity optical parametric oscillators an analysis of power characteristics，”Appl.Phys.B 66(6)，701–710(1998)对此给出了详细的讨论。

现有的腔内泵浦连续波光参量振荡器一般使用多模半导体激光器作为激光的外界泵浦源；为了实现粒子数反转，一般使用四能级系统的激光增益介质，如Nd:YVO₄(掺钕钒酸钇晶体)，其使用808nm的多模半导体激光器泵浦产生1064nm的激光。使用四能级系统的主要缺点是激光产生过程的量子缺陷较大，导致偏低的功率转换效率以及激光产生过程中较多的热量产生。此外，多模泵浦源的另一个劣势是强度噪声偏高，导致腔内泵浦连续波光参量振荡器输出功率的不稳定。

发明内容

本发明的目的在于提供一种单横模半导体激光器直接泵浦的腔内泵浦单谐振连续波光参量振荡器，克服现有技术中由于多模激光器输出功率不稳定和激光增益介质上能级寿命比泵浦光的寿命长很多导致的光参量振荡器输出功率不稳定的问题，并改善现有技术中激光产生过程伴随较多的热量产生、OPO功率转换效率低的问题。

本发明提供了一种半导体激光器泵浦的腔内泵浦连续波光参量振荡器，包括：单横模半导体激光器、聚焦透镜、输入耦合镜、激光增益晶体、激光凹面镜、双色镜、第一凹面镜、非线性晶体、第二凹面镜、OPO信号光输出耦合镜和OPO泵浦光高反镜；单横模半导体激光器输出的激光沿着光路依次经过聚焦透镜和输入耦合镜后聚焦于激光增益晶体；激光增益晶体产生的OPO泵浦光中一个方向经所述输入耦合镜中心反射后到达所述OPO泵浦光高反镜中心并使得该光线原路返回；OPO泵浦光中另一方向经过所述激光凹面镜中心反射后垂直通过所述双色镜，再经过所述第一凹面镜中心反射后垂直通过所述非线性晶体后到达所述第二凹面镜中心并使得该光线原路返回；由所述非线性晶体产生的OPO信号光中一个方向经所述第一凹面镜反射到所述双色镜，再经过所述双色镜反射后垂直到达所述OPO信号光输出耦合镜中心并使得该光线原路返回；OPO信号光中另一方向到达所述第二凹面镜中心并使得该光线原路返回。

本发明采用第一凹面镜和所述第二凹面镜的目的是实现OPO信号和泵浦光在所述非线性晶体内的聚焦，以降低OPO的振荡阈值。

更进一步地，激光增益晶体产生的OPO泵浦光在所述输入耦合镜和激光凹面镜的作用下聚焦于激光增益晶体；在非线性晶体中产生的OPO信号光和OPO泵浦光在第一凹面镜和第二凹面镜的作用下聚焦于非线性晶体。

更进一步地，激光增益晶体为Yb:KYW或Yb:KGW。

更进一步地，输入耦合镜镀单横膜半导体激光器激光增透和OPO泵浦光高反膜；激光凹面镜镀OPO泵浦光高反膜；双色镜镀OPO泵浦光增透、信号光高反膜；第一曲面镜和第二曲面镜镀OPO泵浦光和信号光高反、闲频光增透膜；OPO信号光输出耦合镜镀OPO信号光部分反射膜；OPO泵浦光高反镜镀OPO泵浦光高反膜；非线性晶体镀OPO泵浦、信号和闲频光增透膜；激光增益晶体镀单横模半导体激光器输出激光和OPO泵浦光增透膜；其中，高反膜是指功率反射率大于99％的膜，增透膜是指功率透射率大于97％的膜，部分反射膜是指反射率小于15％的膜。

更进一步的地，激光增益晶体通过采用布儒斯特角切割或镀增透膜的方式实现对激光泵浦波长和激光辐射波长的良好透过率；通过选择适当的稀土掺杂浓度和晶体厚度，即便于实现所述Yb:KYW(或Yb:KGW)激光增益晶体对单横模半导体激光器泵浦光的充分吸收，又有利于热量扩散。比如，稀土掺杂浓度为10％；晶体厚度为1毫米。

与现有的技术相比，本发明有以下有益效果：

(1)现有的腔内泵浦的光参量振荡器一般采用四能级的掺Nd激光增益介质。本发明采用三能级的掺Yb激光增益介质，激光产生过程的量子缺陷较小，因而可以获得更高的功率转换效率，同时激光产生过程伴随较少的热量产生。

(2)现有的腔内泵浦的光参量振荡器一般采用多横模半导体激光器作为泵浦源。本发明使用单横模半导体激光器作为泵浦源，可以在三能级激光增益介质中高效获得粒子数反转；采用单横模激光器作为泵浦源的另一个优势是单横模激光器一般比多横模半导体激光器的强度噪声更低，有利于提高光参量振荡器输出功率的稳定性。

(3)现有的腔内泵浦的光参量振荡器一般激光器谐振腔和OPO信号光谐振腔的结构比较简单，没有在激光增益介质(或晶体)和非线性晶体内形成很好的聚焦。本发明使用聚焦透镜和输入耦合镜使得外部半导体激光器激光聚焦于激光增益晶体内，使用输入耦合镜和激光凹面镜使得OPO信号光于激光增益介质(或晶体)内聚焦；使用第一凹面镜和第二凹面镜使得OPO泵浦光和OPO信号光聚焦于非线性晶体内。因而可以降低激光器和OPO的阈值，同时可以分别调整各自阈值使得OPO达到最大转化效率。

(4)现有的光参量振荡器一般采用腔外泵浦结构，本发明采用腔内泵浦的光参量振荡器。将非线性晶体置于泵浦激光器的谐振腔内，利用该谐振腔内泵浦激光的高功率密度，可以实现相比腔外泵浦OPO更低的阈值振荡。

附图说明

图1是本发明实施例提供的单横模半导体激光器直接泵浦的腔内泵浦单谐振连续波光参量振荡器的结构示意图。

其中，1为单横模半导体激光器、2为聚焦透镜、3为输入耦合镜、4为Yb:KYW(或Yb:KGW)激光增益晶体、5为激光凹面镜、6为双色镜、7为第一凹面镜、8为非线性晶体、9为第二凹面镜、10为OPO信号光输出耦合镜，11为OPO泵浦光高反镜。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供了一种单横模半导体激光器直接泵浦的腔内泵浦单谐振连续波光参量振荡器，所述腔内泵浦单谐振光参量振荡器包括：单横模半导体激光器、聚焦透镜、输入耦合镜、Yb:KYW(掺镱钨酸钇钾晶体)(或Yb:KGW，即掺镱钨酸钇钾晶体)激光增益晶体、激光凹面镜、双色镜、第一凹面镜、非线性晶体、第二信号凹面镜、OPO信号光输出耦合镜和OPO泵浦光高反镜。

其中，输入耦合镜镀单横模半导体激光增透和激光(即OPO泵浦光)高反膜；所述激光凹面镜镀激光(即OPO泵浦光)高反膜；所述双色镜镀OPO泵浦光增透和OPO信号光高反膜；所述第一曲面镜和第二曲面镜镀OPO泵浦光和信号光高反、闲频光增透膜；所述OPO信号光输出耦合镜镀OPO信号光部分反射膜；所述OPO泵浦光高反镜镀OPO泵浦光高反膜；所述非线性晶体镀OPO泵浦、信号和闲频光增透膜；所述Yb:KYW(或Yb:KGW)激光增益晶体镀单横模半导体激光器输出激光和OPO泵浦光增透膜。

单横模半导体激光器作为激光器的泵浦源，经聚焦透镜和所述输入耦合镜后聚焦于所述Yb:KYW(或Yb:KGW)激光增益晶体；OPO泵浦光在由所述OPO泵浦光高反镜、所述输入耦合镜、所述Yb:KYW(或Yb:KGW)激光增益晶体、所述激光凹面镜、所述双色镜、所述第一凹面镜、所述非线性晶体和所述第二凹面镜所构成的激光器谐振腔内形成激光振荡；

非线性晶体置于激光器谐振腔内，腔内振荡的激光经过所述非线性晶体，会产生OPO信号光和闲频光的增益；OPO信号光在由所述OPO信号光输出耦合镜、所述双色镜、所述第一凹面镜、所述非线性晶体和所述第二凹面镜构成的OPO信号光谐振腔内形成振荡，产生的OPO信号光经过所述OPO信号光输出耦合镜输出，产生的OPO闲频光经过所述第一凹面镜和所述第二凹面镜输出；采用所述第一凹面镜和所述第二凹面镜的目的是实现OPO信号和泵浦光在所述非线性晶体内的聚焦，以降低OPO的振荡阈值。

单横模半导体激光器具体为：中心波长为981纳米的单横模半导体激光器，以匹配所述Yb:KYW(或Yb:KGW)激光增益晶体的峰值吸收波长；

Yb:KYW(或Yb:KGW)激光增益晶体通过采用布儒斯特角切割或镀增透膜的方法实现对激光泵浦波长和激光辐射波长的良好透过率；通过选择适当的稀土掺杂浓度和晶体厚度，实现所述Yb:KYW(或Yb:KGW)激光增益晶体对所述单横模半导体激光器泵浦光的充分吸收。

聚焦透镜用于实现对单横模半导体激光器激光的聚焦，以实现与激光谐振腔空间模式在所述Yb:KYW(或Yb:KGW)激光增益晶体中的匹配。

非线性晶体可以是周期极化的铌酸锂晶体、磷酸钛氧钾晶体或其它能产生非线性增益的晶体。

为了更进一步说明本发明实施例提供的半导体激光器泵浦的腔内泵浦连续波光参量振荡器，下面结合实例和附图1对本发明做进一步的说明。

现有的腔内泵浦的光参量振荡器一般采用四能级的掺Nd激光增益介质。本发明采用三能级的掺Yb激光增益介质，其泵浦光和辐射光的波长间隔较四能级的掺Nd激光增益介质小，且其辐射光谱更宽。激光产生过程的量子缺陷较小，因而可以获得更高的功率转换效率；同时激光产生过程中产生的热量较少；更宽的辐射谱可以支持更宽的OPO泵浦光波长的调谐范围。现有的腔内泵浦的光参量振荡器一般采用多模半导体激光器作为泵浦源。本发明使用单横模高亮度半导体激光器作为泵浦源，可以在三能级激光增益介质中高效获得粒子数反转；采用单横模激光器作为泵浦源的另一个优势是可以获得低强度噪声的激光输出。

该腔内泵浦单谐振连续波光参量振荡器包括：单横模半导体激光器1、聚焦透镜2、输入耦合镜3、Yb:KYW(或Yb:KGW)激光增益晶体4、激光凹面镜5、双色镜6、第一凹面镜7、非线性晶体8、第二凹面镜9、OPO信号光输出耦合镜10和OPO泵浦光高反镜11。单横模半导体激光器1输出激光沿着光路依次经过聚焦透镜2和输入耦合镜3后聚焦于Yb:KYW(或Yb:KGW)激光增益晶体4；激光凹面镜5沿着该光路紧随其后，且要求Yb:KYW(或Yb:KGW)激光增益晶体4产生的激光(即OPO泵浦光)在输入耦合镜3和激光凹面镜5的作用下聚焦于该激光增益晶体4；Yb:KYW(或Yb:KGW)激光增益晶体4产生的OPO泵浦光一个方向是经输入耦合镜3中心反射后到达OPO泵浦光高反镜11中心并使得该光线原路返回；另一方向是经过激光凹面镜5中心反射后垂直通过双色镜6，再经过第一凹面镜7中心反射后垂直通过非线性晶体8，最后到达第二凹面镜9中心并使得该光线原路返回，且要求在非线性晶体8中产生的OPO信号光和OPO泵浦光在第一凹面镜7和第二凹面镜9的作用下聚焦于非线性晶体8；产生的OPO信号光经第一凹面镜7反射到双色镜6，再经过双色镜6反射后垂直到达OPO信号光输出耦合镜10中心并使得该光线原路返回。

其中，输入耦合镜3镀单横膜半导体激光器1激光增透和激光(即OPO泵浦光)高反膜；激光凹面镜5镀激光(即OPO泵浦光)高反膜；双色镜6镀OPO泵浦光增透、信号光高反膜；第一曲面镜7和第二曲面镜9镀OPO泵浦光和信号光高反、闲频光增透膜；OPO信号光输出耦合镜10镀OPO信号光部分反射膜；OPO泵浦光高反镜11镀OPO泵浦光高反膜；非线性晶体7镀OPO泵浦、信号和闲频光增透膜；Yb:KYW(或Yb:KGW)激光增益晶体4镀单横模半导体激光器1输出激光和OPO泵浦光增透膜。其中高反膜要求功率反射率大于99％，增透膜功率透射率大于97％，部分反射膜反射率小于15％。

单横模半导体激光器1作为激光器的泵浦源，经聚焦透镜2和输入耦合镜3后聚焦于Yb:KYW(或Yb:KGW)激光增益晶体4；OPO泵浦光在由OPO泵浦光高反镜11、输入耦合镜3、Yb:KYW(或Yb:KGW)激光增益晶体4、激光凹面镜5、双色镜6、第一凹面镜7、非线性晶体8和第二凹面镜9所构成的激光器谐振腔内形成激光振荡。

腔内振荡的激光经过谐振腔内的非线性晶体8，会产生OPO信号光和闲频光的增益；OPO信号光在由OPO信号光输出耦合镜10、双色镜6、第一凹面镜7、非线性晶体8和第二凹面镜9构成的谐振腔内形成振荡，产生的OPO信号光经过OPO信号光输出耦合镜10输出，产生的OPO闲频光经过第一凹面镜7和第二凹面镜9输出；采用第一凹面镜7和第二凹面镜9的目的是实现OPO信号和泵浦光在非线性晶体8内的聚焦，使得OPO信号光和泵浦光在非线性晶体8内的光斑减小，相当于光强增大，以降低OPO的振荡阈值。

在本发明实施例中，非线性晶体8可以选择周期极化的铌酸锂晶体(Periodically Poled Lithium Niobate，PPLN)，当OPO的泵浦光(即激光)的波长为1040纳米，PPLN的极化周期为30.2微米时，信号光和闲频光的波长分别为1517纳米和3305纳米。锁定OPO信号光的波长，通过调谐OPO的泵浦光波长并同步改变PPLN的极化周期或温度，可以实现对OPO输出闲频光波长的调谐；锁定OPO的泵浦光波长，通过改变OPO信号光的波长并同步改变PPLN的极化周期或温度，也可以实现对OPO输出闲频光波长的调谐。

在本发明实施例中，单横模半导体激光器1为中心波长为981纳米的单横模半导体激光器，以匹配Yb:KYW(或Yb:KGW)激光增益晶体4的峰值吸收波长。

在本发明实施例中，Yb:KYW(或Yb:KGW)激光增益晶体4通过采用布儒斯特角切割或镀增透膜的方法实现对激光泵浦波长(即单横模半导体激光器1输出波长)和激光辐射波长的良好透过率；选择适当的稀土掺杂浓度和晶体厚度，以实现Yb:KYW(或Yb:KGW)激光增益晶体4对单横模半导体激光器1输出激光的充分吸收。

在本发明实施例中，聚焦透镜2用于实现对单横模半导体激光器1输出激光的聚焦，使得该激光与泵浦光在激光增益晶体4中的光斑大小相近、横向模式空间上相互重合；以实现与激光谐振腔空间模式在Yb:KYW(或Yb:KGW)激光增益晶体4中的匹配。

在本发明实施例中，非线性晶体8可以是周期极化的铌酸锂晶体(PPLN)、磷酸钛氧钾晶体(KTP)或其它能产生非线性增益的晶体。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。