一种中红外激光产生装置

技术领域

本申请涉及中红外激光技术领域，尤其涉及一种中红外激光产生装置。

背景技术

波长范围在2-5微米的中红外激光最适宜进行红外光谱分析，在医学、生物等多个领域有着广泛的应用；而且，中红外波段激光具有很强的大气穿透能力，因此在气象监测、空间光通信、激光测距、激光雷达、激光制导、遥感等多个方面也有着广泛的应用。

光参量振荡器作为一种产生中红外激光的参量振荡器，它将输入的频率为ω

现有光参量振荡器需要采用光纤耦合器连接光纤系统(输入光纤和输出光纤)，输入激光以空间光耦合入光参量振荡器的谐振腔，并以空间光的形式输出，为了保证光纤耦合器内部的光学元件与参量振荡器内部的光学元件相耦合，光纤耦合器与光参量振荡器的连接必须达到一定的安装精度，而在使用过程中，需要经常更换光纤耦合器，容易导致光纤耦合器与光参量振荡器的连接不稳定，从而造成光参量振荡器很难与光纤系统耦合。

发明内容

本申请提供了一种中红外激光产生装置，以解决传统光参量振荡器的谐振腔与光纤系统耦合困难的问题。

本申请提供一种中红外激光产生装置，包括盖板、光学层、制冷层和散热层；盖板、光学层、制冷层和散热层依次连接；

光学层包括输入光纤、准直耦合镜组、环形谐振腔、输出耦合镜组和输出光纤；

输入光纤为单模光纤，输入光纤用于传输泵浦光；

准直耦合镜组包括第一准直镜和第二准直镜；

环形谐振腔包括前腔镜、周期极化晶体、后腔镜、第一平面镜、干涉仪和第二平面镜；前腔镜、后腔镜、第一平面镜和第二平面镜形成环形结构的参量谐振腔；

输出耦合镜组包括第一输出耦合镜、分光镜和第二输出耦合镜；

输入光纤输入的泵浦光依次经过第一准直镜、第二准直镜和前腔镜后聚焦于周期极化晶体，泵浦光转变为闲频光和信号光，闲频光经过后腔镜反射后依次经过第一平面镜、干涉仪、第二平面镜、前腔镜、周期极化晶体后，再次到达后腔镜，在环形谐振腔中振荡；

经过周期极化晶体转变的信号光依次经过后腔镜、第一输出耦合镜、分光镜和第二输出耦合镜聚焦进输出光纤中。

可选的，光学层上沿激光的传播路径设置有光路凹槽；

在输入光纤处，述输入光纤通过橡胶圈或紫外胶连接光路凹槽；

在输出光纤处，输出光纤通过橡胶圈或紫外胶连接光路凹槽。

可选的，光学层上设置有光学观察孔；光学观察孔通过光路凹槽连通环形谐振腔。

可选的，光学层还包括转轴，转轴连接干涉仪，干涉仪为一片对闲频光透明的薄片介质。

可选的，第一准直镜和第二准直镜镀有对输入光纤输入的泵浦光增透的增透膜；

输入光纤的光纤端面设置在第一准直镜的焦点上；第一准直镜与第二准直镜之间的距离，小于第一准直镜与第二准直镜的焦距之和。

可选的，前腔镜、后腔镜、第一平面镜和第二平面镜均镀有对闲频光高反的高反膜，以及对泵浦光和信号光增透的增透膜；

前腔镜和后腔镜是曲率半径为-40mm的凹面镜；周期极化晶体的中心设置在前腔镜的焦点上，周期极化晶体为长50mm，宽1mm，厚1mm的周期极化铌酸锂或周期极化钽酸锂晶体，周期极化晶体的两端镀有对泵浦光、闲频光和信号光增透的增透膜。

可选的，光学层上还设置有散热凹槽；

分光镜镀有对泵浦光高反的高反膜，以及对信号光增透的增透膜，分光镜与入射光路呈67.5°放置，以使反射光出射角为22.5°，散热凹槽与分光镜的夹角为67.5°。

可选的，输出光纤的光纤端面设置在第二输出耦合镜的焦点上；

第一输出耦合镜与第一准直镜关于周期极化晶体对称；第二输出耦合镜与第二准直镜关于周期极化晶体对称；

第一输出耦合镜的焦距等于第一准直镜的焦距；第二输出耦合镜的焦距等于第二准直镜的焦距。

本申请提供一种中红外激光产生装置，包括盖板、光学层、制冷层和散热层；盖板、光学层、制冷层和散热层依次连接；光学层包括输入光纤、准直耦合镜组、环形谐振腔、输出耦合镜组和输出光纤；输入光纤为单模光纤，输入光纤提供泵浦光；准直耦合镜组包括第一准直镜和第二准直镜；环形谐振腔包括前腔镜、周期极化晶体、后腔镜、第一平面镜、干涉仪和第二平面镜；前腔镜、后腔镜、第一平面镜和第二平面镜形成环形结构的参量谐振腔；输出耦合镜组包括第一输出耦合镜、分光镜和第二输出耦合镜。

通过在环形谐振腔与输入光纤之间设置准直耦合镜组，在环形谐振腔与输出光纤之间设置输出耦合镜组，避免使用光纤耦合器带来的安装精度要求，保证在中红外激光产生装置的内部，实现环形谐振腔与光纤系统的稳定耦合。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为一种中红外激光产生装置整体结构示意图；

图2为一种中红外激光产生装置的光学层结构示意图；

图3为一种中红外激光产生装置的环形谐振腔结构示意图；

图4为一种中红外激光产生装置的准直耦合镜组和输出耦合镜组结构示意图；

图5为一种中红外激光产生装置的反光镜结构示意图；

图6为一种中红外激光产生装置的干涉仪结构示意图；

图示说明：其中，1-盖板，2-光学层，21-输入光纤，22-准直耦合镜组，221-第一准直镜，222-第二准直镜，23-环形谐振腔，231-前腔镜，232-周期极化晶体，233-后腔镜，234-第一平面镜，235-干涉仪，236-第二平面镜，24-输出耦合镜组，241-第一输出耦合镜，242-分光镜，243-第二输出耦合镜，25-输出光纤，26-转轴，27-散热凹槽，28-光路凹槽，29-光学观察孔，3-制冷层，4-散热层。

具体实施方式

下面将详细地对实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下实施例中描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。仅是与权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的系统和方法的示例。

参见图1，为一种中红外激光产生装置整体结构示意图。

参见图2，为一种中红外激光产生装置的光学层结构示意图。

参见图3，为一种中红外激光产生装置的环形谐振腔结构示意图。

参见图4，为一种中红外激光产生装置的准直耦合镜组和输出耦合镜组结构示意图。

本申请提供的中红外激光产生装置，包括盖板1、光学层2、制冷层3和散热层4；所述盖板1、所述光学层2、所述制冷层3和所述散热层4依次连接。

所述光学层2包括输入光纤21、准直耦合镜组22、环形谐振腔23、输出耦合镜组24和输出光纤25。

所述输入光纤21为单模光纤，所述输入光纤21用于传输泵浦光。

所述准直耦合镜组22包括第一准直镜221和第二准直镜222。

所述环形谐振腔23包括前腔镜231、周期极化晶体232、后腔镜233、第一平面镜234、干涉仪235和第二平面镜236；所述前腔镜231、所述后腔镜233、所述第一平面镜234和所述第二平面镜236形成环形结构的参量谐振腔。

所述输出耦合镜组24包括第一输出耦合镜241、分光镜242和第二输出耦合镜243。

所述输入光纤21输入的泵浦光依次经过所述第一准直镜221、所述第二准直镜222和所述前腔镜231后聚焦于所述周期极化晶体232，输入的激光转变为闲频光和信号光，闲频光经过后腔镜233反射后依次经过所述第一平面镜234、所述干涉仪235、所述第二平面镜236、所述前腔镜231和所述周期极化晶体232后，再次到达所述后腔镜233，在所述环形谐振腔23中振荡。

经过所述周期极化晶体232转变的信号光依次经过所述后腔镜233、所述第一输出耦合镜241、所述分光镜242和所述第二输出耦合镜243聚焦进所述输出光纤25中。

本申请实施例中，所述盖板1设置在所述光学层2上，对所述光学层2内部的光学仪器进行隔离，避免在所述光学层2内部的光学反应受到外界干扰。

进一步的，在所述光学层2的下方依次设置制冷层3和散热层4。通过所述制冷层3和所述散热层4对所述光学层2进行温度控制，使所述光学层2中光学反应产生的热量被即时消除，保证所述光学层的输出功率和激光的波长稳定性。

进一步的，所述制冷层3和所述散热层4采用TEC(Thermo Electric Cooler，半导体致冷器)。TEC是利用半导体材料的珀尔帖效应制成的，珀尔帖效应是指当直流电流通过两种半导体材料组成的电偶时，其一端吸热，一端放热的现象。重掺杂的N型和P型的碲化铋主要用作TEC的半导体材料，碲化铋元件采用电串联，并且是并行发热。TEC包括一些P型和N型对(组)，它们通过电极连在一起，并且夹在两个陶瓷电极之间；当有电流从TEC流过时，电流产生的热量会从TEC的一侧传到另一侧，在TEC上产生热侧和冷侧，这就是TEC的加热与致冷原理。

进一步的，所述盖板1、所述光学层2、所述制冷层3和所述散热层4通过螺栓连接。

本申请实施例中，所述光学层2包括输入光纤21、准直耦合镜组22、环形谐振腔23、输出耦合镜组24和输出光纤25。所述输入光纤21、所述准直耦合镜组22、所述环形谐振腔23、所述输出耦合镜组24和所述输出光纤25处于光学层的同一水平面内。

进一步的，所述输入光纤21为单模光纤，输入波长为1.064μm的激光，单模光纤的中心玻璃芯很细，因此，其模间色散很小，适用于远程通讯，这样单模光纤对光源的谱宽和稳定性有较高的要求，即谱宽要窄，稳定性要好。

进一步的，所述准直耦合镜组22包括第一准直镜221和第二准直镜222，所述输入光纤21输入的泵浦光依次经过第一准直镜221和第二准直镜222的准直处理，变成平行光。

进一步的，所述环形谐振腔23包括前腔镜231、周期极化晶体232、后腔镜233、第一平面镜234、干涉仪235和第二平面镜236，所述前腔镜231、所述周期极化晶体232和所述后腔镜233处于同一直线上，泵浦光经过所述准直耦合镜组22后，由所述前腔镜231聚焦于所述周期极化晶体232的中心，泵浦光转变为闲频光和信号光。其中，闲频光的波长为1.5μm-2μm，信号光的波长为2-5μm。

进一步的，所述干涉仪235设置在所述第一平面镜234和所述第二平面镜236之间，通过所述第一平面镜234、所述干涉仪235和所述第二平面镜236的结构，将闲频光反射到所述前腔镜231，由所述前腔镜将闲频光聚焦于所述周期极化晶体232。

在所述周期极化晶体232中，泵浦光、信号光和闲频光相互重叠，三个不同频率光的相互作用导致信号光和闲频光的幅度增益(参数放大)，以及与信号光和闲频光相对应的泵浦光幅度衰减，增益使得闲频光在所述环形谐振腔23中振荡，补偿闲频光在来回振荡中的损耗。

进一步的，所述输出耦合镜组24包括第一输出耦合镜241、分光镜242和第二输出耦合镜243，通过所述第一输出耦合镜241和所述第二输出耦合镜243将信号光聚焦进所述输出光纤25。

进一步的，所述第一输出耦合镜241将信号光聚焦到所述分光镜242上，所述分光镜242将信号光中夹杂的泵浦光分离，透过所述分光镜242的信号光经过所述第二输出耦合镜243聚焦进所述输出光纤25中。

本申请提供一种中红外激光产生装置，包括盖板1、光学层2、制冷层3和散热层4；所述光学层2包括输入光纤21、准直耦合镜组22、环形谐振腔23、输出耦合镜组24和输出光纤25；所述输入光纤21为单模光纤，所述输入光纤21提供泵浦光；所述准直耦合镜组22包括第一准直镜221和第二准直镜222；所述环形谐振腔23包括前腔镜231、周期极化晶体232、后腔镜233、第一平面镜234、干涉仪235和第二平面镜236；所述前腔镜231、所述后腔镜233、所述第一平面镜234和所述第二平面镜236形成环形结构的参量谐振腔；所述输出耦合镜组24包括第一输出耦合镜241、分光镜242和第二输出耦合镜243。

通过在所述环形谐振腔23与所述输入光纤21之间设置所述准直耦合镜组22，在所述环形谐振腔23与所述输出光纤25之间设置所述输出耦合镜组24，避免使用光纤耦合器带来的安装精度要求，保证在中红外激光产生装置的内部，实现所述环形谐振腔23与光纤系统(输入光纤21和输出光纤25)的稳定耦合，同时可以使得中红外激光产生装置结构更加小巧，所述环形谐振腔23与光纤系统的耦合更加简单。

通过所述前腔镜231、所述后腔镜233、所述第一平面镜234和所述第二平面镜236组成环形结构的参量谐振腔，所述环形谐振腔23中的所述第一平面镜234、所述干涉仪235和所述第二平面镜236可以有效改变参量谐振腔光路的方向，使所述环形谐振腔23在有限的空间下，尽量延长参量谐振腔光路的长度，从而使中红外激光产生装置的整体结构更紧凑。

本申请提供的中红外激光产生装置，所述光学层2上沿激光的传播路径设置有光路凹槽28。

在所述输入光纤21处，所述述输入光纤21通过橡胶圈或紫外胶连接所述光路凹槽28。

在所述输出光纤25处，所述输出光纤25通过橡胶圈或紫外胶连接所述光路凹槽28。

本申请实施例中，在所述光学层2上，为了方便激光的传播与保护，在激光的传播路径上设置光路凹槽28，保证激光在所述光路凹槽28中传播。

进一步的，所述输入光纤21或所述输出光纤25与所述光路凹槽28之间采用橡胶圈或者紫外胶固定，采用橡胶圈固定的方式，可以方便的实现所述输入光纤21或所述输出光纤25与所述光路凹槽28的反复连接，操作毕竟方便，适用于需要经常拆卸或者更换光纤系统的场合，同时可以根据所述输入光纤21或所述输出光纤25的不同规格选择对应的橡胶圈。

采用紫外胶固定的方式，可以保证所述输入光纤21或所述输出光纤25与所述光路凹槽28连接的稳定性，缺点是使得光纤系统的拆卸或更换变得麻烦，适用于不需要经常拆卸或者更换光纤系统的场合。根据所述输入光纤21或所述输出光纤25的规格不同，在连接时，设置的紫外胶厚度需要进行相应的改变。

进一步的，紫外胶即紫外线固化UV(Ultra Violet ray)胶、光敏胶、无影胶，紫外胶固化速度快，固化后即可搬动，固化设备简单，在固化的等待时间内可以调整，并且在可以重复实胶多次固化。

本申请提供的中红外激光产生装置，所述光学层2上设置有光学观察孔29；所述光学观察孔29通过所述光路凹槽28连通所述环形谐振腔23。

本申请实施例中，所述光学层2上还设置了四个光学观察孔29，分别观测所述环形谐振腔23的所述前腔镜231、所述后腔镜233、所述第一平面镜234和所述第二平面镜236处的激光。通过在所述前腔镜231、所述后腔镜233、所述第一平面镜234和所述第二平面镜236透射激光的光路上设置光路凹槽28连通所述光学观察孔29。

进一步的，通过所述光学观察孔29对所述环形谐振腔23内的激光进行观测，依据所述光学观察孔29的观测结果，对所述干涉仪235进行调整，以保证所述环形谐振腔23内的闲频光谐振效果最佳。

进一步的，在所述光学观察孔29上设置有孔塞，若需要对环形谐振腔23进行观察，则从所述光学观察孔中拔出孔塞，若观察结束，则将孔塞按入所述光学观察孔29。

参见图6，为一种中红外激光产生装置的干涉仪结构示意图。

本申请提供的中红外激光产生装置，所述光学层2还包括转轴26，所述转轴26连接所述干涉仪235，所述干涉仪235为一片对闲频光透明的薄片介质。

本申请实施例中，所述转轴26连接所述干涉仪235，所述干涉仪235可以通过转轴26进行角度调整，通过调整所述干涉仪235的角度，使闲频光在所述环形谐振腔23内的光路适当改变，进而调整闲频光的光路长度，实现激光波长调整。

本申请提供的中红外激光产生装置，所述第一准直镜221和所述第二准直镜222镀有对所述输入光纤21输入的泵浦光增透的增透膜。

所述输入光纤21的光纤端面设置在所述第一准直镜221的焦点上；所述第一准直镜221与所述第二准直镜222之间的距离，小于所述第一准直镜221与所述第二准直镜222的焦距之和。

本申请实施例中，所述输入光纤21的光纤端面设置在所述第一准直镜221的焦点上，保证所述输入光纤21输入的泵浦光可以完全到达所述第一准直镜221，并由所述第一准直镜221进行第一步的准直处理后，传播到所述第二准直镜222；所述第一准直镜221与所述第二准直镜222之间的距离，小于所述第一准直镜221与所述第二准直镜222的焦距之和。

进一步的，所述第一准直镜221是焦距为6mm的凸透镜，所述第二准直镜222是焦距为40mm的凸透镜，所述第一准直镜221和所述第二准直镜222之间的距离为14mm。

进一步的，所述第一准直镜221和所述第二准直镜222镀有对所述输入光纤21输入的泵浦光增透的增透膜，保证所述第一准直镜221和所述第二准直镜222对泵浦光的透过率。增透膜是一种表面光学镀层，利用光的干涉原理，使膜的前表面与后表面反射的光的光程差满足干涉加强条件，从而减少反射光来增加光在表面的透过率。

本申请提供的中红外激光产生装置，所述前腔镜231、所述后腔镜233、所述第一平面镜234和所述第二平面镜236均镀有对闲频光高反的高反膜，以及对泵浦光、闲频光和信号光增透的增透膜。

所述前腔镜231和所述后腔镜233是曲率半径为-40mm的凹面镜；所述周期极化晶体232的中心设置在所述前腔镜231的焦点上，所述周期极化晶体232为长50mm，宽1mm，厚1mm的周期极化铌酸锂或周期极化钽酸锂晶体，所述周期极化晶体232的两端镀有对泵浦光、闲频光和信号光增透的增透膜。

本申请实施例中，所述前腔镜231、所述后腔镜233、所述第一平面镜234和所述第二平面镜236均镀有对闲频光高反的高反膜，以及对泵浦光和信号光增透的增透膜。保证在所述环形谐振腔23中的光学元件对闲频光呈高反状态，使闲频光在所述环形谐振腔23中循环，使泵浦光和信号光有效透射过所述环形谐振腔23中的光学元件。

其中，高反膜是一种表面光学镀层，利用光的干涉原理，使膜的前表面与后表面反射的光的光程差满足干涉减弱条件，从而减少透射光来增加光在表面的反射率。

进一步的，所述周期极化晶体232的中心设置在所述前腔镜231的焦点上，保证所述前腔镜231将泵浦光和闲频光聚焦在所述周期极化晶体232上；所述前腔镜231和所述后腔镜233关于所述周期极化晶体232的中心对称设置。

进一步的，所述周期极化晶体232为长50mm，宽1mm，厚1mm的周期极化铌酸锂或周期极化钽酸锂晶体，所述周期极化晶体232的两端镀有对泵浦光和信号光增透的增透膜，保证所述周期极化晶体232对泵浦光和信号光具有较高的透过率。

参见图5，为一种中红外激光产生装置的反光镜结构示意图。

本申请提供的中红外激光产生装置，所述光学层2上还设置有散热凹槽27。

所述分光镜242镀有对泵浦光高反的高反膜，以及对信号光增透的增透膜，所述分光镜242与入射光路呈67.5°放置，以使反射光出射角为22.5°，所述散热凹槽27与所述分光镜242的夹角为67.5°。

本申请实施例中，所述分光镜242与所述第一输出耦合镜241和所述第二输出耦合镜243之间的光路呈67.5°，所述分光镜242的反射光出射角为22.5°，利用分光镜242将夹杂在信号光中的泵浦光分离。

进一步的，所述散热凹槽27与所述分光镜242的夹角为67.5°，即保证所述散热凹槽27与所述第一输出耦合镜241到所述分光镜242的光路呈45°。

所述分光镜242反射的泵浦光功率较高，会产生大量的热量，在所述分光镜242的反射光光路上设置散热凹槽27，通过散热凹槽27吸收光路中的热量。

进一步的，所述分光镜242镀有对泵浦光高反的高反膜，保证所述分光镜242对泵浦光实现更好的分离效果。

本申请提供的中红外激光产生装置，所述输出光纤25的光纤端面设置在所述第二输出耦合镜243的焦点上。

所述第一输出耦合镜241与所述第一准直镜221关于所述周期极化晶体232对称；所述第二输出耦合镜243与所述第二准直镜222关于所述周期极化晶体232对称。

所述第一输出耦合镜241的焦距等于所述第一准直镜221的焦距；所述第二输出耦合镜243的焦距等于所述第二准直镜222的焦距。

本申请实施例中，所述输出光纤25的光纤端面设置在所述第二输出耦合镜243的焦点上，但是不局限于设置在所述第二耦合输出镜243的焦点上，还可以设置在所述第二耦合输出镜243的焦点附近。所述输出光纤25的光纤端面设置的位置，只要可以保证所述第二耦合输出镜243将信号光完全聚焦进所述输出光纤25即可，优选为将所述输出光纤25的光纤端面中心设置在所述第二输出耦合镜243的焦点上。

进一步的，所述第一输出耦合镜241使焦距为6mm的凸透镜，所述第二输出耦合镜243是焦距为40mm的凸透镜。

本申请提供一种中红外激光产生装置，包括盖板1、光学层2、制冷层3和散热层4；所述光学层2包括输入光纤21、准直耦合镜组22、环形谐振腔23、输出耦合镜组24和输出光纤25；所述输入光纤21为单模光纤，所述输入光纤21提供泵浦光；所述准直耦合镜组22包括第一准直镜221和第二准直镜222；所述环形谐振腔23包括前腔镜231、周期极化晶体232、后腔镜233、第一平面镜234、干涉仪235和第二平面镜236；所述前腔镜231、所述后腔镜233、所述第一平面镜234和所述第二平面镜236形成环形结构的参量谐振腔；所述输出耦合镜组24包括第一输出耦合镜241、分光镜242和第二输出耦合镜243。

通过在所述环形谐振腔23与所述输入光纤21之间设置所述准直耦合镜组22，在所述环形谐振腔23与所述输出光纤25之间设置所述输出耦合镜组24，避免使用光纤耦合器带来的安装精度要求，保证在中红外激光产生装置的内部，实现所述环形谐振腔23与光纤系统(输入光纤21和输出光纤25)的稳定耦合，同时可以使得中红外激光产生装置结构更加小巧，所述环形谐振腔23与光纤系统的耦合更加简单。

通过所述前腔镜231、所述后腔镜233、所述第一平面镜234和所述第二平面镜236组成环形结构的参量谐振腔，所述环形谐振腔23中的所述第一平面镜234、所述干涉仪235和所述第二平面镜236可以有效改变参量谐振腔光路的方向，使所述环形谐振腔23在有限的空间下，尽量延长参量谐振腔光路的长度，从而使中红外激光产生装置的整体结构更紧凑。

本申请提供的实施例之间的相似部分相互参见即可，以上提供的具体实施方式只是本申请总的构思下的几个示例，并不构成本申请保护范围的限定。对于本领域的技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下依据本申请方案所扩展出的任何其他实施方式都属于本申请的保护范围。