[发明专利]中红外光参量转换器

说明书

技术领域

本发明涉及一种中红外光参量转换器，属于激光技术领域，具体涉及到中红外非线性频率转换技术、光参量振荡器/放大器技术，适用于光电对抗、生化威胁探测、成像激光雷达、微量气体探测等。

背景技术

3～5μm波段中红外激光是大气的一个窗口，对大雾、烟尘等具有较强的穿透力，在海平面上传输受到气体分子吸收和悬浮物散射小，而且对多数重要的碳氢气体及其它有毒分子具有腔的吸收特性。因此，利用中红外激光的这些特性，3～5μm波段可应用光电对抗、生化威胁探测、成像激光雷达、微量气体探测等技术领域。光参量振荡器(OPO)是产生3～5μm激光最常用的装置，其利用非线性晶体频率下转换技术，将近红外1.06μm激光转换成2～5μm激光。在众多中红外光参量振荡器使用的非线性晶体中，KTA(砷酸钛氧钾)晶体具有高的损伤阈值(≥500MW/cm²，1064nm，10ns)，透光范围合适(350nm～5000nm)，且在3～5μm波段光参量转换具有合适的相位匹配角，可直接将1.06μm激光通过光参量转换到2～5μm激光。另外，目前可以说KTA晶体是实现高功率中红外激光输出性价比最高的非线性晶体。因此，中红外KTA光参量转换技术具有广泛的应用前景。但是，现有的光参量转换技术方案仍存在不少缺点。

1、文献“Design of a tunable mid-IR source for DIAL detection of trace gases”(Pro of SPIE vol 6406，64091B，(2006))利用1.06μmNd:YAG激光泵浦临界相位匹配光参量振荡器实现2.3μm～4.5μm，转换效率小于4.4％，从文献KTA在X-Z面的角度调谐曲线可以看出，3～5μm激光以闲频光的形式输出，相对应的信号光为1.4μm～1.6μm，但由于光参量振荡相位匹配角θ＝41°～49°远离非临界相位匹配角，致使光参量振荡器具有较大的走离角、小的泵浦光接收角和有效非线性系数，这对泵浦光的光束质量提出了更高的要求，也降低了参量光的转换效率，而且，信号光子能量和闲频光子能量之间具有大的量子数亏损，在产生光子数相同的情况下，3～5μm闲频光能量比信号光1.4μm～1.6μm的能量低很多，因此，通过此方法很难获得高功率中红外激光。

2、文献“中红外砷酸钛氧钾光参变振荡器的实验研究”(激光技术，第31卷，第3期，2007年6月)中，利用电光调Q灯抽运1064nm Nd:YAG抽运复合腔砷酸钛氧钾光学参变振荡器实现了中红外激光输出，其中KTA晶体沿X轴切割，切割角θ＝90°，φ＝0°，为非临界相外匹配，信号光1547nm能量为36mJ，闲频光3407nm能量为11mJ，从中可以看出，由于信号光子能量和闲频光子能量之间的量子数亏损，中红外闲频光能量比信号光低很多。由上所述可见，通过1.06μm直接泵浦KTA光参量振荡器获得高功率中红外激光是比较困难的。

3、美国专利“monolithic serial optical parametric oscillator”(专利号US6344920 B1)采用1.06μm激光泵浦第一级非临界相位匹配KTA光参量振荡器产生1.53μm人眼安全激光，然后用1.53μm人眼安全激光泵浦第二级非临界相位匹配KTA光参量振荡器实现2.59μm信号光和3.76μm闲频光输出，此方法通过增加泵浦光波长，使信号光和闲频光之间的量子数亏损减小，从而提高了中红外闲频光的转换效率，在该专利中，将两级光参量振荡器通过镜片镀膜的方法共用一个谐振腔，简化了结构，但增加了镀膜的难度。目前，镀膜水平有限，膜层的激光损伤阈值很难满足高能量激光泵浦光参量振荡器的需要。

4、以上的1、2和3所述的光参量振荡器还具有如下共同点：根据光参量振荡器的特性可知，由于光参量振荡器的阈值效应，只有泵浦光功率密度超过阈值才能进行有效的光参量转换，这将导致泵浦光脉冲能量一部份被损失；另外，在高能量光参量振荡器中，为了避免激光损坏腔镜膜层和非线性晶体，泵浦光的光斑必须足够的大，这将导致光参量振荡器谐振腔具有高的菲列尔数，从而引起高阶横模参量光振荡致使输出激光光束质量变差。

发明内容

在中红外激光很多应用领域特别是激光定向红外对抗中，要求激光器输出高光束质量、高能量中红外激光，本发明的目的在于，克服上述现有技术缺点，提供一种高光束质量、高能量中红外激光输出的中红外光参量转换器。

本发明的技术方案是：