[发明专利]一种基于外腔差频的快速可调谐中红外辐射源装置及实现方法

说明书

本发明提供了一种基于外腔差频的快速可调谐中红外辐射源装置及实现方法，泵浦源采用Nd:YAG调Q激光器；泵浦光倍频晶体采用KTP晶体，倍频晶体切角满足Ⅱ类相位匹配条件，外腔差频晶体为BaGa₄Se₇晶体，对侧面进行光学抛光，晶体置于可旋转振镜平台之上，与计算机相连，采用计算机控制改变BaGa₄Se₇晶体以及KTP‑OPO中KTP晶体的外加电压，从而实现KTP‑OPO波长以及差频输出中红外辐射的波长快速调谐。本发明实现具有转换效率高、室温运转、调谐速度快、结构紧凑切易于实现的高性能中红外辐射源，同时通过电脑同时控制KTP‑OPO输出波长以及BaGa₄Se₇晶体的相位匹配条件实现中红外波长快速调谐。

技术领域

本发明创造属于非线性光学领域，尤其是涉及一种基于外腔差频的快速可调谐中红外辐射源装置及实现方法。

背景技术

中红外是指波长处于2-20μm之间的电磁波。该频段覆盖了3-5μm以及8-12μm两个重要的大气窗口，且中红外波段包含了许多重要分子的特征振动跃迁谱以及黑体辐射光谱。中红外光凭借以上特性，在遥感、医疗、材料加工、化学物质检测、环境监控、军事精确制导以及光电对抗等蓝光凭借其独特物理性质等诸多实用领域有着巨大的应用背景。相较于可见光波段以及近红外波段，中红外波段由于其光子能量更低，利用激光手段产生中红外光波对于激光增益介质的带隙提出了较高要求。利用掺杂晶体或光纤作为激光增益介质直接产生中红外激光一般无法实现波长调谐，且无法实现更长波长的中红外输出。因此，目前非线性频率变换仍是产生中红外辐射的最佳方法。

产生中红外辐射的非线性频率变换方法主要包括：(1)基于CO₂激光器产生的10.6μm倍频(SHG)方法实现中红外输出，该方法由于前段10.6μm激光能量较大，因此输出能量较高，但是受限于基频的调谐特性，其调谐范围较窄；(2)基于1μm或2μm泵浦的光学参量振荡(OPO)技术，该方法根据不同的非线性晶体设计不同的泵浦波长以及腔型结构，可以实现高能量、宽调谐的中红外辐射源，但其系统较为复杂且对腔镜镀膜提出较高要求；(3)基于ps脉冲泵浦的光学参量放大(OPA)技术，该方法利用ps激光高峰值功率特性以提高非线性光学转换效率；(4)外腔以及内腔差频(DFG)技术，该方法结构紧凑易于实现且调谐范围宽，但是基于目前常用的非线性晶体，差频手段受限于晶体非线性系数，其转换效率较低。

非线性光学晶体性能很大程度上决定了基于非线性光学频率变换技术的中红外辐射源中输出能量、转换效率以及调谐范围等性能。目前主要应用氧化物以及非氧化物两种类型的非线性晶体作为非线性频率变换介质实现中红外输出，但是氧化物类型晶体，例如KTP晶体、KTA晶体、LiNbO₃晶体等，由于自身光学模式造成的其在4μm以上波段极大的吸收系数限制了基于该种类型非线性晶体的中红外辐射源输出波长范围。非氧化物类型晶体具有更宽的透光波段，较大的非线性系数以及较高的损伤阈值，适合作为高性能宽带可调谐中红外辐射源的非线性频率变换介质。目前，AgGaS2(硫镓银)晶体通过OPO方法已实现了最宽至11.3μm的超宽调谐范围中红外输出，但是其损伤阈值较低，限制了其输出能量以及转换效率；HgGa₂S₄(硫镓汞)晶体可以实现高能量中红外输出，但是其生长条件极为苛刻；ZnGeP₂(磷锗锌)晶体是目前最为成熟的中红外晶体，通过OPO以及DFG等手段均可实现中红外输出，但是其晶体带隙结构造成的双光子吸收效应使其不适合采用1μm激光泵浦，必须采用长波泵浦，这也造成了其前端泵浦系统的复杂性。此外，包括周期极化晶体等人工晶体也可以用于产生中红外辐射，但其成本较高。