光纤激光器作为泵浦源的腔内泵浦光参量振荡器

摘要

本发明公开了一种光纤激光器作为泵浦源的腔内泵浦光参量振荡器，光纤激光器的泵浦源发射单模增益光纤吸收带内的激光，经合束器后进入单模增益光纤，形成粒子数反转，并在光纤激光器谐振腔内形成激光振荡；非线性晶体置于光纤激光器谐振腔内，腔内振荡的激光经过非线性晶体，会产生OPO信号光和OPO闲频光；OPO信号光的谐振腔与光纤激光器谐振腔部分重合，可以有效地降低OPO的振荡阈值并提高功率转换效率。本发明将非线性晶体置于一对曲面镜之间，并利用输出耦合镜和高反镜来增加OPO信号光腔的腔长，可以降低OPO信号和泵浦光在非线性晶体内的光斑面积，达到进一步降低OPO振荡阈值的目的；可以有效地降低OPO的振荡阈值，提高OPO的功率转换效率且结构简单。

说明书

技术领域

本发明涉及光参量振荡器领域，更具体地，涉及一种光纤激光器作为泵浦源的腔内泵浦光参量振荡器。

背景技术

光参量振荡器(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；光参量振荡器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。

连续波单谐振光参量振荡器一般采用光纤放大器作为泵浦源；采用较长的周期极化的非线性晶体，例如周期极化的铌酸锂晶体(PPLN)，作为增益介质以降低振荡阈值，此时振荡阈值一般为2W左右；当泵浦功率为10W时，输出的闲频光功率约为1W。典型的连续波单谐振的光参量振荡器的配置与实验结果如文献E.Andrieux，T.Zanon，M.Cadoret，A.Rihan，and J.-J.Zondy，“500GHz mode-hop-free idler tuning range with a frequency-stabilized singly resonant optical parametric oscillator，”Opt.Lett.36，1212–1214(2011)所示。

这类单谐振光参量振荡器的结构相对复杂，当采用连续波泵浦源时，振荡阈值偏高、转换效率低。将光参量振荡器置于激光器的谐振腔内，可以降低光参量振荡器的振荡阈值，并提高非线性转换效率；无需使用光隔离器元件，因而结构相对简单。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种以光纤激光器作为泵浦源的腔内泵浦单谐振光参量振荡器，旨在解决现有技术振荡阈值高、转换效率低和结构复杂的问题。

本发明提供了一种光纤激光器作为泵浦源的腔内泵浦光参量振荡器，包括：泵浦源、光纤光栅反射镜、单模增益光纤、合束器、准直透镜、偏振片、双色镜、第一曲面镜、非线性晶体和第二曲面镜；泵浦源发射单模增益光纤吸收带内的激光，经合束器后进入单模增益光纤并形成OPO泵浦光；OPO泵浦光在由所述光纤光栅反射镜、单模增益光纤、合束器、准直透镜、偏振片、双色镜、第一曲面镜和第二曲面镜构成的第一谐振腔内形成激光振荡；非线性晶体位于所述第一谐振腔内，且设置在所述第一曲面镜和所述第二曲面镜之间；在所述第一谐振腔内振荡的激光经过所述非线性晶体会产生OPO信号光和OPO闲频光；OPO信号光经由所述双色镜、第一曲面镜和所述第二曲面镜构成的第二谐振腔内形成振荡，所述OPO闲频光经过所述第一曲面镜和所述第二曲面镜分别输出。

本发明提供了一种光纤激光器作为泵浦源的腔内泵浦光参量振荡器，包括：泵浦源、光纤光栅反射镜、单模增益光纤、合束器、准直透镜、偏振片、双色镜、输出耦合镜、第一曲面镜、非线性晶体和第二曲面镜；所述泵浦源发射单模增益光纤吸收带内的激光，经合束器后进入单模增益光纤形成OPO泵浦光；所述OPO泵浦光在由所述光纤光栅反射镜、所述单模增益光纤、所述合束器、所述准直透镜、所述偏振片、所述双色镜、所述第一曲面镜和所述第二曲面镜构成的第一谐振腔内形成激光振荡；所述非线性晶体位于所述第一谐振腔内，且设置在所述第一曲面镜和所述第二曲面镜之间；在所述第一谐振腔内振荡的激光经过所述非线性晶体产生OPO信号光和OPO闲频光；所述OPO信号光在由所述输出耦合镜、所述双色镜、所述第一曲面镜和所述第二曲面镜构成的第三谐振腔内形成振荡，所述OPO信号光经过所述输出耦合镜输出，所述OPO闲频光经过所述第一曲面镜和所述第二曲面镜分别输出。

本发明提供了一种光纤激光器作为泵浦源的腔内泵浦光参量振荡器，包括：泵浦源、光纤光栅反射镜、单模增益光纤、合束器、准直透镜、偏振片、双色镜、第一曲面镜、非线性晶体、第二曲面镜和高反镜；泵浦源发射单模增益光纤吸收带内的激光，经合束器后进入单模增益光纤形成OPO泵浦光；所述OPO泵浦光在由所述光纤光栅反射镜、所述单模增益光纤、所述合束器、所述准直透镜、所述偏振片、所述双色镜、所述第一曲面镜、所述第二曲面镜和所述高反镜构成的第四谐振腔内形成激光振荡；所述非线性晶体位于所述第四谐振腔内，且设置在所述第一曲面镜和所述第二曲面镜之间；在所述第四谐振腔内振荡的激光经过所述非线性晶体产生OPO信号光和OPO闲频光；所述OPO信号光在由所述双色镜、所述第一曲面镜、所述第二曲面镜和所述高反镜构成的第五谐振腔内形成振荡，所述OPO闲频光经过所述第一曲面镜和所述第二曲面镜分别输出。

本发明提供了一种光纤激光器作为泵浦源的腔内泵浦光参量振荡器，包括：泵浦源、光纤光栅反射镜、单模增益光纤、合束器、准直透镜、偏振片、双色镜、输出耦合镜、第一曲面镜、非线性晶体、第二曲面镜和高反镜；所述泵浦源发射单模增益光纤吸收带内的激光，经所述合束器后进入单模增益光纤形成OPO泵浦光；OPO泵浦光在由所述光纤光栅反射镜、单模增益光纤、合束器、准直透镜、偏振片、双色镜、第一曲面镜、第二曲面镜和所述高反镜构成的第四谐振腔内形成激光振荡；非线性晶体位于所述第四谐振腔内，且设置在所述第一曲面镜和所述第二曲面镜之间；在所述第四谐振腔内振荡的激光经过所述非线性晶体产生OPO信号光和闲频光；所述OPO信号光在由所述输出耦合镜、所述双色镜、所述第一曲面镜、所述非线性晶体、所述第二曲面镜和所述高反镜构成的第六个谐振腔内形成振荡，所述OPO信号光经过所述输出耦合镜输出，所述OPO闲频光经过所述第一曲面镜和所述第二曲面镜分别输出。

本发明中，光纤光栅反射镜对OPO泵浦光(即光纤激光器所产生的激光)提供高反射；输出耦合镜镀OPO信号光高反或部分反射膜；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；非线性晶体镀OPO泵浦、信号和闲频光增透膜；高反镜镀OPO泵浦和信号光高反膜；高反膜的反射率达到99％或以上，增透膜的透射率达到90％或以上。

采用第一曲面镜和第二曲面镜的目的是实现OPO信号和泵浦光在非线性晶体内的聚焦，以降低OPO的振荡阈值；采用输出耦合镜和高反镜来增加OPO信号光腔的腔长，目的是进一步降低OPO信号和泵浦光在非线性晶体内的光斑面积，进一步降低OPO的振荡阈值。

更进一步地，泵浦源为单模或多模的半导体激光器、固体激光器或光纤激光器。

更进一步地，单模增益光纤为掺Nd、掺Yb、掺Er、掺Tm或掺Ho的单包层或双包层光纤。

更进一步地，合束器为波分复用合束器、泵浦合束器或激光合束器。

更进一步地，准直透镜用于实现对光纤激光的准直和实现与OPO泵浦谐振腔空间模式的匹配。

更进一步地，偏振片用于选择光纤激光器的激光偏振方向，满足所述非线性晶体对泵浦光偏振的要求。

更进一步地，非线性晶体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。

与现有的技术相比，本发明有以下有益效果：

(1)与现有的腔外泵浦的光参量振荡器相比，将OPO置于光纤激光器的谐振腔内，使得OPO泵浦光在OPO信号光谐振腔内振荡，降低了OPO的振荡阈值；提高了OPO的功率转换效率；无需使用光隔离器元件，因而结构相对简单。

(2)与现有的腔内泵浦的光参量振荡器相比，采用光纤激光器可以提供更优良的光束质量及更高的功率转换效率。

(3)将OPO置于光纤激光器的谐振腔内，由于自由空间光学元件到光纤的耦合损耗较大，导致光纤激光器谐振腔的Q值偏低，激光器谐振腔内的功率密度仅比腔外有少量提高，因而将OPO置于光纤激光器谐振腔内时OPO的振荡阈值依然偏高；本发明通过将非线性晶体置于一对曲面镜之间，并利用输出耦合镜和高反镜来增加OPO信号光腔的腔长，以降低OPO信号和泵浦光在非线性晶体内的光斑面积，达到进一步降低OPO振荡阈值的目的。

附图说明

图1是本发明实施例1提供的光纤激光器腔内泵浦单谐振光参量振荡器的结构示意图。

图2是本发明实施例2提供的光纤激光器腔内泵浦单谐振光参量振荡器的结构示意图。

图3是本发明实施例3提供的光纤激光器腔内泵浦单谐振光参量振荡器的结构示意图。

图4是本发明实施例4提供的光纤激光器腔内泵浦单谐振光参量振荡器的结构示意图。

其中，1为光纤激光器的泵浦源，2为光纤光栅反射镜，3为单模增益光纤、4为合束器、5为准直透镜、6为偏振片、7为双色镜、8为输出耦合镜、9为第一曲面镜、10为非线性晶体、11为第二曲面镜、12为高反镜。

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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图4所示，在本发明中，以光纤激光器作为泵浦源的腔内泵浦单谐振光参量振荡器，腔内泵浦单谐振光参量振荡器包括：光纤激光器的泵浦源1、光纤光栅反射镜2、单模增益光纤3、合束器4、准直透镜5、偏振片6、双色镜7、输出耦合镜8、第一曲面镜9、非线性晶体10、第二曲面镜11和高反镜12，其中，

光纤光栅反射镜2对OPO泵浦光(即光纤激光器所产生的激光)提供高反射；输出耦合镜8镀OPO信号光高反或部分反射膜；双色镜7镀OPO泵浦光增透、信号光高反膜；第一曲面镜9和第二曲面镜11镀膜，此膜对OPO泵浦光和信号光高反、对闲频光增透；非线性晶体10镀OPO泵浦、信号和闲频光增透膜；高反镜12镀OPO泵浦和信号光高反膜；这里的高反膜的反射率达到99％或以上，增透膜的透射率达到90％或以上。

光纤激光器的泵浦源1发射单模增益光纤3吸收带内的激光，经合束器4后进入单模增益光纤3；OPO泵浦光在由光纤光栅反射镜2、单模增益光纤3、合束器4、准直透镜5、偏振片6、双色镜7、第一曲面镜9、非线性晶体10、第二曲面镜11和高反镜12构成的光纤激光器谐振腔内形成激光振荡；腔内振荡的激光经过非线性晶体10，会产生OPO信号光和闲频光的增益；OPO信号光在由输出耦合镜8、双色镜7、第一曲面镜9、非线性晶体10、第二曲面镜11和高反镜12构成的谐振腔内形成振荡，产生的OPO信号光经过所述输出耦合镜输出，产生的OPO闲频光经过第一曲面镜和第二曲面镜输出；采用第一曲面镜和第二曲面镜的目的是实现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；采用输出耦合镜和高反镜来增加OPO信号光腔的腔长，目的是进一步降低OPO信号和泵浦光在所述非线性晶体内的光斑面积，以进一步降低OPO的振荡阈值。

在本发明实施例中，光纤激光器的泵浦源具体可以为半导体激光器、固体激光器或光纤激光器；单模增益光纤具体可以为：掺Nd、掺Yb、掺Er、掺Tm或掺Ho的单包层或双包层光纤。合束器具体可以为：波分复用合束器或泵浦/激光合束器。准直透镜用于实现对光纤激光的准直，并用于实现与OPO泵浦谐振腔空间模式的匹配。偏振片用于选择光纤激光器的激光偏振方向，满足非线性晶体对泵浦光偏振的要求。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。

其中，光纤光栅反射镜对OPO泵浦光提供高反射；输出耦合镜镀OPO信号光高反或部分反射膜；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相同的膜，此膜对OPO泵浦光和信号光高反、对闲频光增透；非线性晶体10镀膜，此膜为对OPO泵浦、信号和闲频光的增透膜；高反镜12镀对OPO泵浦和信号光的高反膜。

在本发明实施例中，当单模增益光纤3采用掺Yb光纤时，光纤激光器的泵浦源1可采用波长为976纳米的半导体激光器，光纤光栅反射镜2的反射波长为1064纳米，则光纤激光器的波长、即OPO泵浦光的波长为1064纳米；非线性晶体10可以选择PPLN，当PPLN的极化周期为30.8微米时，信号光和闲频光的波长分别为1570纳米和3306纳米；通过改变光纤光栅反射镜2的反射波长或改变PPLN的极化周期或温度，可以实现对OPO输出信号光和闲频光波长的调谐。

在本发明实施例中，单模增益光纤3可以是掺Nd、掺Yb、掺Er、掺Tm或掺Ho的单包层或双包层光纤。因为不同的掺杂会工作在不同的波长，这样可以根据需要的波长来选择适应的掺杂介质。对于单包层或双包层光纤的选择，是依赖于泵浦源的，当泵浦源1为单模激光器时，单模增益光纤3为单包层光纤，合束器4为波分复用合束器；当泵浦源1多模激光器时，单模增益光纤3为双包层光纤，合束器4为多模泵浦/激光合束器。这样不论泵浦源是单模还是多模激光器，都适用于实验。

在本发明实施例中，光纤激光器的泵浦源1可以是能够在单模增益光纤3中实现粒子数反转的单模或多模的半导体激光器、固体激光器或光纤激光器。

在本发明实施例中，准直透镜5用于实现对光纤激光的准直，并用于实现与OPO泵浦谐振腔空间模式的匹配，使得在空间中，两个同轴的高斯光束相对于透镜互为物象共轭关系。

在本发明实施例中，偏振片6用于选择光纤激光器的激光偏振方向，偏振方向需要与非线性晶体所需求的方向保持一致，以满足所述非线性晶体对泵浦光偏振的要求。

在本发明实施例中，非线性晶体10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。周期极化铌酸锂晶体(PPLN晶体)是一种高效的波长转换的非线形晶体，透光范围广，0.4～4.5微米区间，覆盖了近、中红外区域，使用寿命长，可用于倍频、差频、和频及光学参量振荡和光学参量放大等。磷酸钛氧钾(KTP)晶体是一种具有优良的非线性光学性质、已得到了广泛重视和应用的非线性光学晶体，KTP晶体是正光性双晶，其透光波段为350nm～4.5um，可以实现1.064um钕离子激光及其他波段激光倍频、和频、光参量振荡的位相匹配。

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。

为了更进一步的说明本发明实施例提供的光纤激光器作为泵浦源的腔内泵浦光参量振荡器，下面结合具体实例和附图对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示，本发明实施例1提供的光纤激光器腔内泵浦单谐振光参量振荡器包括：光纤激光器的泵浦源1、光纤光栅反射镜2、单模增益光纤3、合束器4、准直透镜5、偏振片6、双色镜7、第一曲面镜9、非线性晶体10和第二曲面镜11；其中光纤激光器的泵浦源1发射单模增益光纤3吸收带内的激光，经合束器4后进入单模增益光纤3，在这里形成OPO的泵浦光；OPO泵浦光在由光纤光栅反射镜2、单模增益光纤3、合束器4、准直透镜5、偏振片6、双色镜7、第一曲面镜9、非线性晶体10和第二曲面镜11构成的光纤激光器谐振腔内形成激光振荡；腔内振荡的激光经过非线性晶体10，会产生OPO信号光和闲频光；OPO信号光在由双色镜7、第一曲面镜9、非线性晶体10和第二曲面镜11构成的谐振腔内形成振荡，产生的OPO闲频光经过第一曲面镜和第二曲面镜输出。

与现有的腔内泵浦的光参量振荡器相比，采用基于光纤激光器的腔内泵浦光参量振荡器可以提供更优良的光束质量及更高的功率转换效率；然而，将OPO置于光纤激光器的谐振腔内，由于自由空间光学元件到光纤的耦合损耗较大，导致光纤激光器谐振腔的Q值偏低；因而与腔外泵浦的光参量振荡器相比，将OPO置于激光器谐振腔内只能小幅度地降低OPO的振荡阈值，运用曲面镜可以降低OPO信号和泵浦光在非线性晶体内的光斑面积，达到进一步降低OPO振荡阈值的目的；此时第二曲面镜11用作OPO信号光与泵浦光谐振腔的端镜，而双色镜7用作OPO信号光谐振腔的另一个端镜。

如图2所示，本发明实施例2提供的光纤激光器腔内泵浦单谐振光参量振荡器包括：光纤激光器的泵浦源1、光纤光栅反射镜2、单模增益光纤3、合束器4、准直透镜5、偏振片6、双色镜7、输出耦合镜8、第一曲面镜9、非线性晶体10和第二曲面镜11；其中，光纤激光器的泵浦源1发射单模增益光纤3吸收带内的激光，经合束器4后进入单模增益光纤3，在这里形成OPO的泵浦光；OPO泵浦光在由光纤光栅反射镜2、单模增益光纤3、合束器4、准直透镜5、偏振片6、双色镜7、第一曲面镜9、非线性晶体10和第二曲面镜11构成的光纤激光器谐振腔内形成激光振荡；腔内振荡的激光经过非线性晶体10，会产生OPO信号光和闲频光的增益；OPO信号光在由输出耦合镜8、双色镜7、第一曲面镜9、非线性晶体10和第二曲面镜11构成的谐振腔内形成振荡，产生的OPO信号光经过所述输出耦合镜输出，产生的OPO闲频光经过第一曲面镜和第二曲面镜输出。

与实施例1相比，加上输出耦合镜8，此时第二曲面镜11用作OPO信号光与泵浦光谐振腔的端镜。本发明利用输出耦合镜来增加OPO信号光腔的腔长，可以降低OPO信号和泵浦光在非线性晶体内的光斑面积，达到进一步降低OPO振荡阈值的目的。

如图3所示，本发明实施例3提供的光纤激光器腔内泵浦单谐振光参量振荡器包括：光纤激光器的泵浦源1、光纤光栅反射镜2、单模增益光纤3、合束器4、准直透镜5、偏振片6、双色镜7、第一曲面镜9、非线性晶体10、第二曲面镜11和高反镜12；其中光纤激光器的泵浦源1发射单模增益光纤3吸收带内的激光，经合束器4后进入单模增益光纤3，在这里形成OPO的泵浦光；OPO泵浦光在由光纤光栅反射镜2、单模增益光纤3、合束器4、准直透镜5、偏振片6、双色镜7、第一曲面镜9、非线性晶体10、第二曲面镜11和高反镜12构成的光纤激光器谐振腔内形成激光振荡；腔内振荡的激光经过非线性晶体10，会产生OPO信号光和闲频光的增益；OPO信号光在由双色镜7、第一曲面镜9、非线性晶体10、第二曲面镜11和高反镜12构成的谐振腔内形成振荡，产生的OPO闲频光经过第一曲面镜和第二曲面镜输出。

与实施例1相比，加上高反镜12，此时双色镜7用作OPO信号光谐振腔的端镜。本发明利用高反镜来增加OPO信号光腔的腔长，可以降低OPO信号和泵浦光在非线性晶体内的光斑面积，达到进一步降低OPO振荡阈值的目的。

如图4所示，本发明实施例4提供的光纤激光器腔内泵浦单谐振光参量振荡器包括：光纤激光器的泵浦源1、光纤光栅反射镜2、单模增益光纤3、合束器4、准直透镜5、偏振片6、双色镜7、输出耦合镜8、第一曲面镜9、非线性晶体10、第二曲面镜11和高反镜12；其中，光纤激光器的泵浦源1发射单模增益光纤3吸收带内的激光，经合束器4后进入单模增益光纤3，在这里形成OPO的泵浦光；OPO泵浦光在由光纤光栅反射镜2、单模增益光纤3、合束器4、准直透镜5、偏振片6、双色镜7、第一曲面镜9、非线性晶体10、第二曲面镜11和高反镜12构成的光纤激光器谐振腔内形成激光振荡；腔内振荡的激光经过非线性晶体10，会产生OPO信号光和闲频光的增益；OPO信号光在由输出耦合镜8、双色镜7、第一曲面镜9、非线性晶体10、第二曲面镜11和高反镜12构成的谐振腔内形成振荡，产生的OPO信号光经过所述输出耦合镜输出，产生的OPO闲频光经过第一曲面镜和第二曲面镜输出。

与实施例1相比，加上高反镜12和输出耦合镜8，本发明利用输出耦合镜和高反镜来增加OPO信号光腔的腔长，可以降低OPO信号和泵浦光在非线性晶体内的光斑面积，达到进一步降低OPO振荡阈值的目的。

本领域的技术人员可以理解附图只是几个优选实施例的示意图。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。