[发明专利]多种子注入腔内差频实现多波长中红外光学参量振荡器

说明书

技术领域

本发明涉及一种多种子注入腔内差频实现多波长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，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，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，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。

差频(DFG)技术和光学参量振荡器(OPO)是两种用于产生中红外激光的非线性频率变换技术，差频(DFG)激光器，不需要谐振腔，而是向非线性晶体中同时注入泵浦光ω_p和信号光ω_s，即可输出闲频光ω_i，该过程需要满足式1给出的能量守恒条件：

ω_p＝ω_i+ω_s(1)

光学参量振荡器(OPO)技术是差频技术发展而来的，需要搭建谐振腔，仅注入泵浦光ω_p即可实现频率变换，其原理是通过设计晶体的结构，产生满足相位匹配条件(即式2)的特定频率信号光ω_s和频率为ω_i的闲频光(中红外激光)。

ω_pn(ω_p)＝ω_in(ω_i)+ω_sn(ω_s)(2)

式2中n(ω)为晶体折射率，其值为光频率的函数，改变晶体的结构即折射率n(ω)的分布可以改变相位匹配条件，在同一泵浦光ω_p条件下实现另一对新波长的信号光ω′_s和频率为ω′_i的闲频光，这一过程即称作波长的调谐，上述过程同时也必须满足式1。

因此，要通过光学参量振荡器(OPO)技术实现多波长输出，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 T,Yao J,Zhu X,et al.Widely tunable,high-repetition-rate,dual signal-wave optical parametric oscillator by using two periodically poled crystals[J].Optics Communications,2007,272(1):111-115)，或在一块晶体内生成不同结构(参考文献2：Ji F,Lu R,Li B,et al.Mid-infrared tunable dual-wavelength generation based on a quasi-phase-matched optical parametric oscillator[J].Optics Communications,2009,282(1):126-128)，工艺复杂且限定了使用波段，难以实现更多波长的激光输出。参考文献三采用多波长脉冲激光器作为泵浦光源(参考文献3：张卫，彭跃峰，魏星斌等，一种双波段多波长红外光参量振荡器，中国发明专利申请公开日：2015-02-18)该方案要求设计非线性晶体使其满足多对参量光的相位匹配条件，工艺复杂且限定了使用波段，难以实现更多波长的激光输出。

与光学参量振荡器(OPO)技术不同之处在于，差频(DFG)激光器需要同时注入泵浦光ω_p和信号光ω_s，因而闲频光ω_i波长完全由注入激光波长确定(即能量守恒条件，式1：ω_i＝ω_p-ω_s)。当晶体的结构不满足相位匹配条件时(即公式2)，系统存在波矢失配Δk如式3：

Δk＝ω_pn(ω_p)-ω_in(ω_i)-ω_sn(ω_s)(3)