[发明专利]宽调谐的光学参量振荡器及调谐装置

说明书

技术领域

本发明属于激光技术中的固体激光器及非线性光学频率变换领域，特别涉及一种宽调谐的光学参量振荡器及调谐装置。

技术背景

光学参量振荡器(OPO)是利用非线性晶体进行频率变换来实现的器件。自1965年科学家首次观察到三波非线性过程中的参量增益后，关于光学参量振荡器的相关研究也被广泛开展。光学参量振荡器的发展与非线性晶体的发展密不可分。20世纪80年代中后期，损伤阈值高、透明范围宽、有效非线性系数大的非线性晶体的出现，对光学参量振荡器的发展起到了巨大的推动作用，也使得光学参量振荡器的发展走向实用阶段。光学参量振荡的谐振方式主要有单谐振与双谐振两种,并可以实现连续或脉冲宽度为纳秒、皮秒甚至飞秒量级的脉冲运转。光学参量振荡器具有结构简单、工作性能可靠、分辨率高、重复频率高、转换效率高以及调谐范围宽等优点，作为调谐范围较宽的固体激光器，光学参量振荡器已经应用于航空航天、生物医疗、化学检测、大气检测与军事等领域。

目前，光学参量振荡的调谐方式主要分为以下几种：温度调谐，利用温控装置实现对晶体温度的精确控制，通过不同温度下晶体性质的改变实现输出波长的连续调谐(参考Yabai He等2001年发表在Applied Optics的文章Tunable single-mode operation of a pulsed optical parametric oscillator pumped by a multimode laser)；角度调谐，通过旋转晶体实现晶体与泵浦光之间的角度改变，利用不同条件的相位匹配实现波长的调谐输出(参考姚宝权等2000年发表在“中国激光”的文章“利用KTP光学参量振荡器获得可调谐人眼安全激光”)；泵浦波长调谐，通过改变泵浦波长大小，实现闲频光的调谐输出(参考M.E.Klein等2000年发表在Optical Letters的文章Diode-pumped singly resonant continuous-wave optical parametric oscillator with wide continuous tuning of the near-infrared idler wave)；如果利用周期极化晶体，还可以通过改变极化晶体的周期结构来实现波长的调谐输出(参考Hong-Yi Lin等2014年发表在Optik-International Journal for Light and Electron Optics的文章Mid-infrared,wide-tunable,continuous-wave Nd:YVO4/PPMgLN intracavity optical parametric oscillator)；外场调谐，对非线性晶体施加外场，例如直流电场或磁场，利用晶体折射率的电光效应或磁光效应，改变晶体折射率，实现可调的光学参量振荡器。

对于一般均匀块状非线性晶体构成的光学参量振荡器，调谐方式通常采用：(1)临界相位匹配时采用调谐晶体角度来调谐输出波长；(2)非临界相位匹配时采用改变晶体工作温度来调谐输出波长。其中非临界相位匹配方式非线性晶体沿主轴方向切割通光，具有无走离角、允许角大、非线性系数高、适合多模泵浦等优点，近年来日益受到重视，尤其是以KTP及其同类化合物晶体KTA、RTA等作为非线性晶体的非临界相位匹配光参量振荡器，其信号光输出波长在1.5-1.6μm人眼安全波段，闲频光在3-5μm中红外波段，这两个波段在激光测距、激光雷达、光电对抗及污染气体检测、光谱分析等领域均具有非常重要的价值。然而，由于KTP类晶体的折射率对温度变化很不敏感，无法利用温度控制来实现输出波长的大范围调谐以满足不同需要。而且至今国内外尚没有其他方法实现非临界相位匹配KTP类晶体参量振荡器大范围调谐的相关报道，限制了这类参量振荡器的应用范围。

发明内容