一种利用参量转换技术产生中波红外激光输出的方法

技术领域

本发明涉及一种新的激光产生方法，尤其涉及一种中波红外波段的激光产生方法。

背景技术

激光波长在2—5微米波段的中波红外激光器在生物医学、环境监测和国防领域具有重要的应用价值。3.6微米和3.8微米是很好的大气窗口波段，该波段的激光在大气中具有很好的透射率，是激光信号传输的良好波段，适合空间激光传输；2.9微米波长的激光在生物组织内具有强烈的吸收，因此激光作用深度小，易于控制工作部位，止血能力也比较强，是一种高品质的激光手术刀；波段3-5微米的光谱波段中存在大量气体分子的本征吸收峰，因此具有吸收强度大、谱线窄的特点，非常适合于做微量或痕量气体成分的检测。此外，3-5微米波段的激光与红外制导导弹的窗口波段重合，可以用于带内干扰，因此是光电对抗的有效激光器。目前，产生中波红外的技术手段有很多种，可用的固体激光器件，包括量子级联的半导体激光器、基于参量转换技术的光参量振荡器或光参量放大器、以及直接采用激光增益介质产生激光振荡的固体激光器和光纤激光器。

 量子级联的半导体激光器具有结构紧凑的特点，但是不适合作为高峰值功率的激光输出。采用激光增益介质直接产生激光振荡的中波红外激光器，一般由于量子效率的问题，工作效率较低，且一般要求低温工作，尤其不适合高功率激光研制。因此，为了获得高功率的中波红外激光输出，一般采用参量转换技术。

参量转换技术是一种较为成熟的光频转换技术，它通过三波混频或四波混频原理将较短波长的泵浦激光转换为较长波长的激光，参量转换的技术方案包括自发参量下转换、参量放大和参量振荡。自发参量下转换技术直接利用一束高峰值功率的泵浦激光入射到非线性激光晶体中产生的参量激光，结构简单，但是因为阈值很高，对泵浦激光的峰值功率要求很高，总的转换效率较低，同时获得的产量下转换激光输出谱段一般较大，很多时候不能满足应用需求；参量放大技术一般利用一束波长较短、强度较大的脉冲激光作为泵光，同时采用一束波长较长的激光作为信号光，两束光同时入射到激光非线性晶体中，产生差频，此时信号光将获得放大，同时产生一个波长更长、光子能量等于泵光光子能量和信号光光子能量之差的闲散光。与自发参量下转换技术相比，参量放大技术具有阈值较低、转换效率较高的特点，是一种更为实用的光频转换技术，但是其缺点是对激光非线性晶体的要求较高，光频转换时需要严格保证参量转换时的相位匹配关系，因此对于特定结构的晶体，必须精细调节并严格控制其工作温度使能保证相位匹配关系得到满足，并以此获得较高的差频转换效率。与上述两种参量转换技术不同，光参量振荡技术借助于谐振腔的帮助，使得信号光或闲散光在谐振腔内产生激光振荡，可以实现较高的光频转换效率，且对晶体的相位匹配关系并没有非常严格要求。此时激光非线性晶体的工作温度的改变一般只导致光参量振荡器输出激光波长的改变，因此可以认为其相位匹配关系在一定程度上是自洽的。总的来说，在热透镜效应等影响谐振腔稳定的因素不明显的条件下，光参量振荡器可以获得较为理想的转换效率。

但是，随着激光功率的增加，尤其是当谐振腔内各个波长的激光在非线性激光晶体中有一定量的吸收时，激光晶体将产生严重的热透镜效应，并导致腔稳定性变差，腔内损耗增加，总的光参量振荡器的光频转换效率大幅降低。为解决这一问题，在高功率激光工作条件下，必须采用谐振腔热透镜补偿措施以解决高功率工作时的腔稳定性问题，导致激光器结构变得复杂，光频转换效率降低，高功率的参量激光输出难以实现。此外，光参量振荡器中因为包含谐振腔，整个激光器就存在谐振腔失谐所引起的一系列问题，由于环境因素的变化，激光器的长期工作稳定性较难保证。

发明内容

本发明的目的是针对目前光参量转换技术实际使用中的相关问题，充分利用光参量放大技术的特点，并采用新型技术方法彻底解决其常规的参量放大技术对相位匹配要求非常严格的问题，使得能够获得一种激光转换效率高、激光输出波长可调、系统结构紧凑、性能可靠、环境稳定性好、适合高功率输出的新型激光变频系统，能够广泛应用于各类中波红外激光器研制中。

本发明方法利用一组特殊构造的脉冲光纤激光器系统作为泵源，一个非线性激光晶体作为光频转换用器件。

所构造的新型脉冲光纤激光器系统包含一个脉冲光纤激光器、一段光谱展宽用光纤和一个光纤激光放大器，将能够实现三个功能。首先，它能产生特定波长的脉冲激光振荡，如Yb脉冲光纤激光器，它可以产生1.01微米到1.1微米之间任意波长的激光振荡。在这一部分，可以通过直接的光纤激光振荡或者光纤激光放大，使得该脉冲激光输出具有足够的平均功率和峰值功率。其次，较高功率的单一波长上述光纤激光输出后进入后级的光谱展宽光纤中，将激光光谱由单一波长激光大幅度展宽为宽光谱输出的激光，其最大展宽光谱范围可以达到1010nm到2200nm。此时，经过光谱展宽光纤输出的激光将包含一定比例没有展宽的原始特定波长激光和一定比例展宽过的宽谱激光。其三，经过光谱展宽后的光纤激光输出，再次经由一个光纤激光放大器做最后的功率放大，此时没有展宽的原始特定波长激光将获得绝大部分的放大后激光功率，已经展宽的宽谱激光将获得相对较小的功率放大。经过这一级的光纤激光放大后，光纤输出的激光的功率绝大部分为展宽前初始波长波段激光的功率，并同时包含部分功率的宽带光谱激光。当光纤材料的色散对于激光脉宽的影响尚不明显时，这两部分激光的脉冲特性将基本相同。

具备上述三种功能的光纤激光器，将从同一根光纤中输出一个同时包含特定波长的高功率泵浦激光和中等功率的宽带光谱激光。将该激光经由光学透镜聚焦到非线性激光晶体，可以利用光参量放大技术产生高效的中波红外激光输出。此时，由于宽带光谱激光的存在，利用光参量放大技术进行参量激光放大将没有严格的相位匹配要求，因此对非线性激光晶体工作温度也没有严格要求，其相位匹配的情况类似于光参量振荡器，将是一种自洽的关系。哪一个波段的激光会被参量放大，将完全取决于非线性晶体工作时的相位匹配关系，参量转换输出的激光波长将完全由泵浦激光的波长和非线性激光晶体工作时的相位匹配关系决定。

上述的光谱展宽光纤可以是微结构的光子晶体光纤，也可以是常规结构的光纤。其光纤长度可以根据需要的光谱展宽程度来选取。

上述的非线性激光晶体可以是利用双折射相位匹配的块状激光晶体，如三硼酸锂晶体，也可以是畴向按特定规律反转的人工畴结构非线性激光晶体，如周期性畴结构反转的掺镁铌酸锂晶体。

本发明主要用以解决当前参量转换技术中难以同时保证高效参量转换并获得高功率参量激光输出的技术难题，并具有激光转换效率高、激光输出波长可调、系统结构紧凑、性能可靠、环境稳定性好、适合高功率输出的特点，可以获得一种新型的高效激光变频系统，能够广泛应用于各类中波红外激光器研制中。本发明中，激光输出波长的改变可以经由激光非线性晶体特性的改变得以实现，如实现波长切换、宽带激光输出等功能，都不再需要同时改变信号光的特性。由于高峰值功率的泵光与宽谱激光同时从一个光纤输出，并具有很好的脉冲一致性，在非线性激光晶体中可以获得非常好的空间模式匹配和脉冲时间匹配，因此可以获得极高的光频转换效率。因为没有了激光谐振腔的约束，整个光频转换激光头的复杂度大为降低，结构变得非常紧凑，谐振腔的失谐问题将不复存在，激光器系统的长期稳定性将变得非常好。即使在高功率工作条件下激光非线性晶体中产生了很强的热透镜效应，但是由于泵光与信号光在模式上始终匹配，因此仍然不会有激光振荡腔中常见的腔模失配问题。基于上述原因，按照本发明所述技术，可以在不同的激光泵浦条件下始终保持极高的光频转换效率，并最终获得超高功率的中波红外激光输出。

附图说明

图1是一种利用参量转换技术产生中波红外激光输出的方法的原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，一个脉冲光纤激光器1，输出高功率的单一波长的激光；脉冲光纤激光器1的激光输出经由连接光纤直接进入到后端的光谱展宽光纤2，进行光谱展宽；光谱展宽后的激光从光纤2输出，经由连接光纤进入到后端的光纤激光放大器3，进行激光功率放大；功率放大后的激光经由透镜4，耦合到非线性激光晶体5，实现参量放大，并产生高功率的中波红外激光输出。

所述的脉冲光纤激光器1是一种具有较高峰值功率、激光波长处于1010nm到1120nm之间的脉冲光纤激光器。

所述的光谱展宽光纤2是一种微结构光子晶体光纤或普通的单模石英光纤。

所述的光纤激光放大器3是一种常规的光纤激光放大器，可以是线偏振的光纤激光放大器，也可以是偏振不敏感的随机偏振的光纤激光放大器。

所述的透镜4为普通光学透镜。

所述的非线性激光晶体5可以是双折射相位匹配的单一块状激光晶体，如三硼酸锂晶体，也可以是周期性畴极化反转的激光晶体，如周期性畴极化反转的掺镁铌酸锂晶体。

本发明主要用以解决当前参量转换技术中难以同时保证高效参量转换并获得高功率参量激光输出的技术难题，并具有激光转换效率高、激光输出波长可调、系统结构紧凑、性能可靠、环境稳定性好、适合高功率输出的特点，可以获得一种新型的高效激光变频系统，能够广泛应用于各类中波红外激光器研制中。本发明中，激光输出波长的改变可以经由激光非线性晶体特性的改变得以实现，如实现波长切换，宽带激光输出等功能，都不再需要同时改变信号光的特性。由于高峰值功率的泵光与宽谱激光同时从一个光纤输出，并具有很好的脉冲一致性，在非线性激光晶体中可以获得非常好的空间模式匹配和脉冲时间匹配，因此可以获得极高的光频转换效率。因为没有了激光谐振腔的约束，整个光频转换激光头的复杂度大为降低，结构变得非常紧凑，谐振腔的失谐问题将不复存在，激光器系统的长期稳定性将变得非常好。即使在高功率工作条件下激光非线性晶体中产生了很强的热透镜效应，但是由于泵光与信号光在模式上始终匹配，因此仍然不会有激光振荡腔中常见的腔模失配问题。基于上述原因，按照本发明所述技术，可以在不同的激光泵浦条件下始终保持极高的光频转换效率，并最终获得超高功率的中波红外激光输出。