一种新型中红外数字光学参量振荡器的制作方法

1.本发明涉及光学参量振荡器，尤其涉及一种新型中红外数字光学参量振荡器。


背景技术：

2.中红外激光通常是指波长在2～20um的激光，其在激光光谱检测、化学成分分析等领域具有广泛的应用前景。与传统的紫外激光器、可见光激光器和近红外激光器不同，在2～20um波段，典型的co和co2气体激光器可以分别输出5um、9.3um和10.6um波长，掺钬和掺铥光纤/固体激光器在2～3um可以输出一些特殊的波长，而其它中红外波长的激光通常很难直接获得。随着激光技术和非线性光学技术的发展，光学参量振荡器(opo)成为获得中红外激光最重要的手段，其利用非线性晶体的二阶非线性光学效应，通过泵浦光与非线性晶体的相互作用将泵浦光转换成两个频率较低(波长较长)的输出光，即信号光和闲频光。
3.另一方面，随着光场调控技术的发展，以圆柱矢量光束、涡旋光束、矢量偏振涡旋光束等为代表的新型结构光束成为了研究热点。但是在中红外波段，几乎没有可以用于产生中红外圆柱矢量光束、涡旋光束、矢量偏振涡旋光束等新型结构光束的空间光调制器(slm)、数字微透镜(dmd)、光学涡旋波片(q-plate)等光电器件和系统，因此无法使用空间光调制器等将中红外高斯光束转换为圆柱矢量光束、涡旋光束、矢量偏振涡旋光束等新型结构光束。
4.因此，只能基于光学参量振荡器，将圆柱矢量光束、涡旋光束、矢量偏振涡旋光束等泵浦光转换为对应的中红外新型结构光束。但是，通常来说，一套光学参量振荡器，只能输出一种模式。为了获得不同模式的中红外光束，通常需要更换不同的泵浦源和光束转换模块、增加或减少各种光学元器件，甚至需要改变整个光学参量振荡器的系统结构，过程复杂且需要重新准直以及设置参数导致耗费大量时间。


技术实现要素：

5.发明目的：本发明目的是提供一种新型中红外数字光学参量振荡器，从源头上解决了中红外光学参量振荡器的模式可调谐问题。
6.技术方案：本发明包括依次设置的激光器、光束准直系统、空间光调制器、辅助光场调控模块、聚焦透镜、镀膜腔镜和分光镜，其中，镀膜腔镜形成的谐振腔内设有极化晶体，所述的极化晶体置于光束聚焦后的束腰位置。
7.所述的镀膜腔镜包括镀膜前腔镜和镀膜后腔镜，两者形成线型谐振腔。
8.所述的镀膜腔镜包括第一镀膜平凹镜、第二镀膜平凹镜、第一镀膜平面镜和第二镀膜平面镜，四者形成环形谐振腔。
9.所述的镀膜腔镜包括反射镜、第一平凹透镜和第二平凹透镜，三者形成v型谐振腔。
10.所述的空间光调制器能够对光束整形，在已知输入光场和期望光场下，加载在空间光调制器上的相位图可以由下式计算：
11.假设初始入射光场的复振幅分布为
[0012][0013]
式中，a为其振幅；
[0014]
所需的期望光场的复振幅分布为：
[0015][0016]
当入射光场经过空间光调制器后，叠加相位φ(x,y)得：
[0017]
e＝e1exp[iφ(x1,y1)].
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(3)
[0018]
经过菲涅尔衍射传输后的输出光场为：
[0019][0020]
式中，k为波数，λ为波长；
[0021]
此时所求出的相位，就是加载到空间光调制器上的相位。
[0022]
所述的空间光调制器及辅助光场调控模块将扩束准直后的高斯光束转换为圆柱矢量光束、涡旋光束或矢量偏振涡旋光束。
[0023]
所述的辅助光场调控模块包括1/2波片和1/4波片，通过控制入射光线与1/2波片和1/4波片快轴的夹角实现对偏振态的调控。
[0024]
所述的光束准直系统采用长短焦距凸透镜组成的倒置望远镜结构，用于将泵浦脉冲激光器产生的泵浦光扩束准直后照射到空间光调制器上。
[0025]
所述的分光镜能够将光学参量振荡器的信号光和闲频光分离开来。
[0026]
有益效果：本发明将空间光调制器和光学参量振荡器结合起来，通过软件编程控制空间光调制器上加载的相位图，实现对泵浦源的模式转换，进而实现模式可调谐的新型数字中红外光学参量振荡器；其结构简单，一套装置便可获得中红外圆柱矢量光束、涡旋光束、矢量偏振涡旋光束等新型结构光束输出，从源头上解决了中红外光学参量振荡器的模式可调谐问题。
附图说明
[0027]
图1为线型腔数字中红外光参量振荡器的光路结构示意图；
[0028]
图2为环形腔数字中红外光参量振荡器的光路结构示意图；
[0029]
图3为v型腔数字中红外光参量振荡器的光路结构示意图；
[0030]
图4(a-c)为空间光调制器加载拓扑荷数为1的涡旋光束的相位图及产生的光场强度和相位分布图，图4(d-f)所示为空间光调制器加载拓扑荷数为2的涡旋光束的相位图及产生的光场强度和相位分布图；
[0031]
图5(a)为空间光调制器加载的径向偏振光的相位图，图5(b-c)为其x与y分量的光场强度分布图，图5(d)为其光强分布图，如图5(e)所示为空间光调制器加载的角向偏振光的相位图，图5(f-g)为其x与y分量的光场强度分布图，图5(h)为其光强分布图。
具体实施方式
[0032]
下面结合附图对本发明作进一步说明。
[0033]
实施例1
[0034]
如图1所示，本发明的线型腔数字中红外光参量振荡器包括依次设置的泵浦脉冲激光器1、光束准直系统2、空间光调制器3、辅助光场调控模块4、聚焦透镜5、镀膜腔镜6和分光镜8，其中，镀膜腔镜6形成的谐振腔内设有周期极化晶体7，周期极化晶体7置于泵浦光聚焦后的束腰位置。泵浦脉冲激光器1产生的高斯光束经光束准直系统2扩束准直后照射到空间光调制器3上。
[0035]
泵浦脉冲激光器1作为光学参量振荡器的泵浦源，其输出波长为1064nm，脉冲宽度为10ps～10ns量级，重复频率1～100khz，输出功率0～10w可调。光束准直系统2采用两片长短焦距凸透镜组成的倒置望远镜结构，用于将泵浦脉冲激光器1产生的泵浦光扩束准直后照射到空间光调制器3上。辅助光场调控模块4包括1/2波片41和1/4波片42，通过控制入射光线与1/2波片41和1/4波片42快轴的夹角实现对偏振态的调控，辅助光场调控模块4与空间光调制器配合，可以将泵浦激光器输出的高斯光束分别转换为圆柱矢量光束、涡旋光束、矢量偏振涡旋光束等新型结构光束。
[0036]
空间光调制器3及辅助光场调控模块4，通过软件编程控制空间光调制器3上加载的相位图，对光场的振幅/相位/偏振态进行调控，在辅助光场调控模块4的配合下，将泵浦脉冲激光器1输出的高斯光束转化为圆柱矢量光束、涡旋光束、矢量偏振涡旋光束等新型结构光束，实现泵浦光的模式可调谐。
[0037]
镀膜腔镜6包括镀膜前腔镜61和镀膜后腔镜62，两者形成线型谐振腔，镀膜前腔镜61上镀有镀膜ht1064nm，hr(1.2μm-1.9μm)，hr(2.5μm-4μm)，镀膜后腔镜62上镀有镀膜hr1064nm，hr(1.2μm-1.9μm)，ht(2.5μm-4μm)。由谐振腔稳定性条件可得：
[0038][0039][0040]
式中，g为谐振腔参数，l为谐振腔腔长，r1，r2分别为输入镜和输出镜曲率半径。
[0041]
根据0＜g1，g2＜1可得谐振腔腔长在0～400mm之间均能得到稳定输出的光束。
[0042]
根据1064nm泵浦光高斯光束的q参数传播理论，得到光束的复参数1/q为：
[0043][0044]
式中，r为腔内信号等相面曲率半径，m2为泵浦光光束质量因子，ω为信号光光斑半径。根据abcd矩阵得到传播变换后的q参数：
[0045][0046]
此时得到腔内的光束参数：
[0047]
[0048]
式中，r为腔内信号光等相面曲率半径，ω为信号光光斑半径。
[0049]
依据实际情况中具体选择的聚焦透镜以及上述(3)-(5)式通过计算模拟从而选择合理的谐振腔腔长。
[0050]
聚焦透镜5用来控制泵浦光束腰半径，聚焦透镜5的焦距一般为100～200mm。周期极化晶体7采用5mol.％掺氧化镁周期性极化铌酸锂(mgo:ppln)，晶体的长度为40毫米，宽度为4毫米，厚度为3毫米，单个均匀光栅周期为30μm，晶体的两个端面分别镀有1064nm与1.2μm-1.9μm的增透涂层。分光镜8的参数为hr1064nm，hr(1.2μm-1.9μm)，ht(2.5μm-4μm)，用于将光学参量振荡器的信号光9和闲频光10分离开来。
[0051]
空间光调制器3对光束整形，主要是在其液晶上加载相位图来实现，利用透镜的傅里叶变换来得到目标光场。因此，在已知输入光场和期望光场下，加载在空间光调制器3上的相位图可以由下式计算：
[0052]
假设初始入射光场的复振幅分布为
[0053][0054]
式中，a为其振幅。
[0055]
所需的期望光场的复振幅分布为：
[0056][0057]
当入射光场经过空间光调制器3后，叠加相位φ(x,y)得：
[0058]
e＝e1exp[iφ(x1,y1)].
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(8)
[0059]
经过菲涅尔衍射传输后的输出光场为：
[0060][0061]
式中，k为波数，λ为波长。
[0062]
通过算法计算要使得最终输出光场m尽可能的接近期望光场e2。此时所求出的相位，就是加载到空间光调制器上的相位。
[0063]
空间光调制器3及辅助光场调控模块4将扩束准直后的高斯光束转换为圆柱矢量光束、涡旋光束、矢量偏振涡旋光束等新型结构光束。例如：通过在加载相位图可以将高斯光束转换为涡旋光束；旋转1/2波片41可以调控入射线偏振泵浦光偏振态与1/4波片42快轴的夹角，当夹角为θ时，1/2波片、1/4波片和空间光调制器对偏振光作用的琼斯矩阵分别为：
[0064][0065][0066][0067]
通过琼斯矩阵运算，便可以得到的对应新型结构光束的琼斯矢量表达式。如图4(a-c)所示为空间光调制器加载拓扑荷数为1的涡旋光束的相位图及产生的光场强度和相
位分布图，图4(d-f)所示为空间光调制器加载拓扑荷数为2的涡旋光束的相位图及产生的光场强度和相位分布图；产生径向偏振及角向偏振涡旋光束，需要将半波片及四分之一的角度调至为45
°
、-45
°
(快轴方向相对于水平面)；如图5(a)所示为空间光调制器加载的径向偏振光的相位图，图5(b-c)为其x与y分量的光场强度分布图，图5(d)为其光强分布图，如图5(e)所示为空间光调制器加载的角向偏振光的相位图，图5(f-g)为其x与y分量的光场强度分布图，图5(h)为其光强分布图。
[0068]
聚焦透镜5用来聚焦经空间光调制器及其辅助光场调控模块调控后泵浦光，模式匹配条件要求聚焦后的泵浦光的束腰半径小于光学参量振荡器的束腰半径，所以需要用聚焦系统来控制泵浦光束腰半径。聚焦透镜焦距一般为100～200mm，采用单透镜的方法，非线性晶体透镜效应比较小，虽然会影响泵浦光束腰的位置，但是不会改变泵浦光束腰半径的大小。
[0069]
实施例1采用线型腔光学参量振荡器，线型腔光学参量振荡器结构比较简单、器件调控容易、光学参量振荡器阈值较低。将泵浦源出射的高斯光束扩束准直后入射到空间光调制器上，利用空间光调制器及辅助光场调控模块对光束的整形，获得圆柱矢量光束、涡旋光束、矢量偏振涡旋光束等泵浦光，经透镜聚焦后进入线型腔光学参量振荡器腔内，从而获得对应模式输出的中红外新型结构光束。
[0070]
实施例2
[0071]
如图2所示，本发明的环形腔数字中红外光参量振荡器包括依次设置的泵浦脉冲激光器1、光束准直系统2、空间光调制器3、辅助光场调控模块4、聚焦透镜5、镀膜腔镜6和分光镜8，其中，镀膜腔镜6形成的谐振腔内设有周期极化晶体7。与实施例1不同的是：镀膜腔镜6包括第一镀膜平凹镜63、第二镀膜平凹镜64、第一镀膜平面镜65和第二镀膜平面镜66，四者形成如图2所示的环形谐振腔。第一镀膜平凹镜63上镀膜参数为ht1064nm，hr(1.2μm-1.9μm)，hr(2.5μm-4μm)，第二镀膜平凹镜64上镀膜参数为hr1064nm，hr(1.2μm-1.9μm)，ht(2.5μm-4μm)，第一镀膜平面镜65和第二镀膜平面镜66的镀膜参数为ht1064nm，hr(1.2μm-1.9μm)，hr(2.5μm-4μm)。第一镀膜平凹镜63、第二镀膜平凹镜64曲率半径取值应保证环形腔为稳定腔，当输出模式为中红外圆柱矢量光束、涡旋光束、矢量偏振涡旋光束等新型结构光束时，一般要求谐振腔的菲涅尔数f≥2。
[0072]
环形腔光学参量振荡器中参量光只通过非线性晶体一次，同时反射的泵浦光与入射的泵浦光不在一条直线上，降低了逆转换效应产生的可能性，且泵浦阈值较低。
[0073]
实施例3
[0074]
图3为本发明提供的v形腔数字中红外光参量振荡器的光路结构示意图，包括依次设置的泵浦脉冲激光器1、光束准直系统2、空间光调制器3及辅助光场调控模块4、聚焦透镜5、镀膜腔镜6和分光镜8，其中，镀膜腔镜6形成的谐振腔内设有周期极化晶体7。
[0075]
镀膜腔镜6包括反射镜67、第一平凹透镜68和第二平凹透镜69，三者形成如图3所示的v型谐振腔。反射镜67双面镀有1064nm的增透膜，右侧面镀有hr(1.2μm-4μm)。第一平凹透镜68的镀膜参数为hr(1.2μm-1.9μm)、hr(1064nm)、ht(2.5μm-4μm)。第二平凹透镜69的镀膜参数为hr(1.2μm-4μm)。第一平凹透镜68和第二平凹透镜69的曲率半径取值应保证谐振腔为稳定腔，当输出模式为中红外圆柱矢量光束、涡旋光束、矢量偏振涡旋光束等新型结构光束时，一般要求谐振腔的菲涅尔数f≥2。
[0076]
实施例3采用v型腔光学参量振荡器，输出的参量光与泵浦光不共线，可等效为较长的线形腔，导致其激光阈值升高。