分时合成的光参量振荡装置的制作方法

1.本发明涉及波长变换技术领域，尤其涉及一种分时合成的光参量振荡装置。


背景技术：

2.光参量振荡器(optical parametric oscillator，opo)是利用非线性晶体的混频特性来实现频率变换。其中，磷酸钛氧钾晶体光参量振荡器(ktp
‑
opo)技术是基于磷酸钛氧钾(ktp)和非线性频率变换技术，在非临界相位匹配条件(θ＝90
°
和)下，利用ktp晶体较高的损伤阈值和较大的非线性频率转换系数，实现波长变换。目前国内外对于高重频高能量ktp
‑
opo技术的研究尚不成熟，技术路线局限于单光路opo。对于高重频高能量激光泵浦的ktp晶体光参量振荡器(ktp
‑
opo、)，谐振腔内光功率密度较高，ktp晶体对基波和参量光能的吸收和晶体的冷却使晶体内部产生不均匀的温度分布，导致晶体内折射率分布发生不均匀变化，使得激光器输出光束的光束质量和输出功率受到一定的限制，甚至会影响激光的稳定性。同时，ktp晶体长时间在高重频高能量激光作用下，它组分中的ti
4
离子由于获得一个电子变成ti
3
离子从而出现“gray tracks”现象，即“灰线”现象，最终导致激光器的输出功率降低。ktp晶体在高重频高能量激光下的热效应和“灰线”现象极大地限制了高重频高能量ktp
‑
opo技术的发展。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种分时合成的光参量振荡装置及方法，以期部分地解决上述技术问题中的至少之一。
4.为了实现上述目的，作为本发明的一方面，提供了一种分时合成的光参量振荡装置，所述光参量振荡装置包括泵浦源、电光晶体、偏振片、反射镜和光参量振荡模块，其中，
5.所述泵浦源用于为光参量振荡装置提供特定波长的激光，实现激光注入；当所述电光晶体的外加电压达到半波电压时，所述电光晶体改变光束的偏振方向之后通过偏振片和反射镜分别作用于对应的光参量振荡模块，所述光参量振荡模块用于实现波长变换，最终将多束光束进行合束输出。
6.其中，2路光路切换及偏振合束由1个电光晶体、2个偏振片、2个反射镜和2个光参量振荡模块实现。
7.其中，所述2路光路切换及偏振合束中的第一路光束为：由泵浦源发出的波长为1.064μm的p偏振泵浦光，通过未加电压的电光晶体后偏振态不变，透过第一偏振片后入射至第一光参量振荡模块，出射波长为1.57μm的p偏振信号光，所述p偏振信号光透过第二偏振片实现波长为1.57μm的激光输出。
8.其中，所述2路光路切换及偏振合束中的第二路光束为：由泵浦源发出的波长为1.064μm的p偏振泵浦光，通过外加电压为半波电压的电光晶体后变为s偏振，经第一偏振片和第一反射镜反射后入射至第二光参量振荡模块，出射波长为1.57μm的s偏振信号光，所述s偏振信号光经第二反射镜和第二偏振片实现波长为1.57μm的激光输出。
9.其中，4路光路切换及偏振合束由5个电光晶体、6个偏振片、5个反射镜和4个光参量振荡模块实现。
10.其中，所述4路光路切换及偏振合束中的第一路光束为：由泵浦源发出的波长为1.064μm的p偏振泵浦光，通过第一电光晶体后偏振态不变，透过第一偏振片入射至第二电光晶体；通过第二电光晶体后偏振态不变，透过第四偏振片后入射至第一光参量振荡模块，出射波长为1.57μm的p偏振信号光；信号光透过第五偏振片入射至第五电光晶体；通过第五电光晶体后偏振态不变，透过第六偏振片实现波长为1.57μm的信号光输出；
11.所述4路光路切换及偏振合束中的第二路光束为：由泵浦源发出的波长为1.064μm的p偏振泵浦光，通过第一电光晶体后偏振态不变，透过第一偏振片入射至第二电光晶体；通过外加电压为半波电压的第二电光晶体后为s偏振态，经第四偏振片和第三反射镜反射后入射至第二光参量振荡模块，出射波长为1.57μm的s偏振信号光；波长为1.57μm的信号光经第四反射镜和第五偏振片反射至第五电光晶体；通过外加电压为半波电压的第五电光晶体后变为p偏振光，透过第六偏振片实现波长为1.57μm的信号光输出。
12.所述4路光路切换及偏振合束中的第三路光束为：由泵浦源发出的波长为1.064um的p偏振泵浦光，通过外加电压为半波电压的第一电光晶体后变为s偏振光，经过第一偏振片反射至第三电光晶体；通过第三电光晶体后偏振态不变，经第二偏振片反射至第三光参量振荡模块，出射波长为1.57μm的s偏振信号光；波长为1.57μm的信号光经第二反射镜和第三偏振片反射至第四电光晶体；通过第四电光晶体后偏振态不变；经第五反射镜和第六偏振片反射实现波长为1.57μm的信号光输出；
13.所述4路光路切换及偏振合束中的第四路光束为：由泵浦源发出的波长为1.064μm的p偏振泵浦光，通过外加电压为半波电压的第一电光晶体后变为s偏振光，经过第一偏振片反射至第三电光晶体；通过外加电压为半波电压的第三电光晶体后变为p偏振光，通过第二偏振片，经第一反射镜反射至第四光参量振荡模块，出射波长为1.57μm的p偏振信号光；波长为1.57μm的信号光通过第三偏振片至第四电光晶体；通过外加电压为半波电压的第四电光晶体后变为s偏振光；经第五反射镜和第六偏振片反射实现波长为1.57μm的信号光输出。
14.其中，所述光参量振荡装置通过增加电光晶体和偏振片实现n路光路的分时合成，其中n≥2。
15.其中，通过改变所述光参量振荡模块中的非线性晶体类型，实现不同波段的高重频高能量激光输出。
16.其中，所述光参量振荡装置的工作流程如下：
17.泵浦源发射激光实现激光注入；
18.通过改变外加电压改变电光晶体的工作状态；
19.依次输出不同光束；
20.实现不同光束的分时合成。
21.基于上述技术方案可知，本发明的分时合成的光参量振荡装置相对于现有技术至少具有如下有益效果之一或其中的一部分：
22.(1)本发明提出的分时合成的光参量振荡装置能够有效地降低ktp晶体的热效应，进而为高重频高能量ktp
‑
opo技术的发展创造条件。
23.(2)该分时合成的光参量振荡装置，相较于现有的单光路ktp
‑
opo具有更低的晶体热效应，在高重频高能量ktp
‑
opo的应用上更加有优势。
24.(3)该装置能够极大地缓解ktp晶体长时间在高重频高能量激光作用下的“灰线”现象和热效应，提高激光器输出功率。
25.(4)该光路切换方式基于电光晶体实现，与机械选通的方式相比，具有可靠性高、响应快的特点。
附图说明
26.图1是本发明实施例提出的ktp
‑
opo装置图；
27.图2是本发明实施例提出的2光路分时合成的光参量振荡的装置图；
28.图3是本发明实施例提出的分时合成工作流程图；
29.图4是本发明实施例提出的2光路分时合成光束示意图；
30.图5是本发明实施例提出的4光路分时合成装置图；
31.图6是本发明实施例提出的4光路分时合成光束示意图。
具体实施方式
32.本发明提出了一种分时合成的光参量振荡装置和方法，即利用电光晶体磷酸二氘钾(kd*p)和偏振片实现多光路(≥2)分时合成，共光轴激光输出，以突破高重频高能量ktp光参量振荡器发展的技术瓶颈。
33.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
34.如图1所示，为现有技术的opo模块的示意图。泵浦源采用1.064μm激光器，opo谐振腔由平面镜m1及输出耦合镜m2构成，m1一面镀1.064μm增透膜，另一面镀1.064μm增透膜(透过率99.5％)及1.57μm和3.3μm高反膜(反射率99.5％)。m2为一平镜，对1.064μm和3.3μm高反(反射率99.5％)，对1.57μm的透过率为30％，ktp采用x方向切割的(θ＝90，)ii类非临界相位匹配，两端镀1.57μm、1.064μm及3.3μm增透膜。ktp晶体亦用铟箔包裹并放在铝块夹具中采用水循环冷却，水温保持在25℃左右。
35.泵浦源发射的1.064μm激光透过m1注入到ktp晶体内部，1.064μm的泵浦光经ktp之后得到1.57μm的信号光和3.3μm的闲频光，其中，泵浦光(1.064μm)和闲频光(3.3μm)经m2反射，信号光(1.57μm)经m2输出。
36.本发明提出的分时合成的光参量振荡装置包括泵浦源、电光晶体、偏振片、反射镜和光参量振荡模块。其中，所述泵浦源用于为光参量振荡装置提供特定波长的激光，实现激光注入；当所述电光晶体的外加电压达到半波电压时，所述电光晶体改变光束的偏振方向之后通过偏振片和反射镜分别作用于对应的光参量振荡模块，所述光参量振荡模块用于实现波长变换，最终将多束光束进行合束输出。所述电光晶体用于改变光束的偏振方向；所述偏振片和反射镜用于光路切换与光束合成。
37.本发明提出的2路分时合成的光参量振荡的装置图如图2所示。泵浦光束通过电光晶体(kd*p)和偏振片实现光路切换以及光束合成。当电光晶体的外加电压达到半波电压时，该晶体的作用与“半波片”相同。通过电光晶体能够改变1.064μm光束的偏振方向，结合
偏振片和反射镜实现1.064μm光束的光路切换。切换后的光路(1)和(2)依次作用于对应的opo模块，最后通过偏振合束技术实现共光轴激光输出。
38.光束(1)：p偏振泵浦光(1.064μm)，通过电光晶体(未加电压)后偏振态不变，透过偏振片1后入射至opo模块1，出射p偏振信号光(1.57μm)；信号光透过偏振片2实现激光(1.57μm)输出。
39.光束(2)：p偏振泵浦光(1.064μm)，通过电光晶体(半波电压)后变为s偏振，经偏振片1和反射镜1反射后入射至opo模块2，出射s偏振信号光(1.57μm)；信号光(1.57μm)经反射镜2和偏振片2实现激光(1.57μm)输出。
40.在分时合成过程中，首先用电光晶体改变光束的偏振态，再通过偏振片将偏振方向相互垂直的2束线偏振光合成1束。如图2所示，2束光的光路切换及偏振合束由1个电光晶体、2个偏振片和2个反射镜实现。具体工作流程如图3所示。
41.上述采用的光路切换方案具有分时选通的特点，即，1.064μm的光脉冲分时依次通过不同的opo模块。由于电光晶体的半波电压通常为7600v左右，对应的高压电压开关、充放电时间通常＜1ms，因此，在>1ms内(2个脉冲间隔的时间)可实现光路切换，使得光脉冲能够依次通过不同的opo模块。其中，电光晶体组成2种不同的工作状态，分别对应2路光束输出，最后通过偏振片实现光束分时合成，共光轴激光输出，如图4所示。
42.4路分时合成的光参量振荡的装置图如图5所示。泵浦光束通过电光晶体(kd*p)和偏振片实现光路切换。泵浦源采用1.064μm激光器(波长1.064μm，重频100hz，脉冲能量200mj，脉宽10ns)；电光晶体(1、2、3)尺寸为dia.19
×
28mm3，中心波长为1.064μm，半波电压为7500v；电光晶体(4、5)尺寸为dia.19
×
28mm3，中心波长为1.57μm，半波电压为7500v。当电光晶体的外加电压达到半波电压时，该晶体的作用与“半波片”相同。通过电光晶体能够改变光束的偏振方向，结合偏振片和反射镜实现光束的光路切换及合成。其中，偏振片(1、2、4)尺寸为dia.25
×
5mm3，中心波长1.064μm，入射角45
°
；偏振片(3、5、6)尺寸为dia.25
×
5mm3，中心波长1.57μm，入射角45
°
。反射镜(1、3)为平面反射镜，尺寸dia.25
×
5mm3，中心波长1.064μm，反射率99.8％；反射镜(2、4、5)为平面反射镜，尺寸dia.25
×
5mm3，中心波长1.57μm，反射率99.8％。4路光束(用(1)
‑
(4)表示)分别依次作用于对应的opo模块，输出1.57μm的信号光，最后结合电光晶体和偏振片通过偏振合束技术实现共光轴激光输出。
43.光束(1)：p偏振泵浦光(1.064μm)，通过电光晶体1后偏振态不变，透过偏振片1入射至电光晶体2；通过电光晶体2后偏振态不变，透过偏振片4后入射至opo模块1，出射p偏振信号光(1.57μm)；信号光透过偏振片5入射至电光晶体5；通过电光晶体5后偏振态不变，透过偏振片6实现信号光(1.57μm)输出。
44.光束(2)：p偏振泵浦光(1.064μm)，通过电光晶体1后偏振态不变，透过偏振片1入射至电光晶体2；通过电光晶体2后为s偏振态，经偏振片4和反射镜3反射后入射至opo模块2，出射s偏振信号光(1.57μm)；信号光(1.57μm)经反射镜4和偏振片5反射至电光晶体5；通过电光晶体5后变为p偏振光，透过偏振片6实现信号光(1.57μm)输出。
45.光束(3)：p偏振泵浦光(1.064μm)，通过电光晶体1后变为s偏振光，经过偏振片1反射至电光晶体3；通过电光晶体3后偏振态不变，经偏振片2反射至opo模块3，出射s偏振信号光(1.57μm)；信号光(1.57μm)经反射镜2和偏振片3反射至电光晶体4；通过电光晶体4后，偏振态不变；经反射镜5和偏振片6反射实现信号光(1.57μm)输出。
46.光束(4)：p偏振泵浦光(1.064μm)，通过电光晶体1后变为s偏振光，经过偏振片1反射至电光晶体3；通过电光晶体3后变为p偏振光，通过偏振片2，经反射镜1反射至opo模块4，出射p偏振信号光(1.57μm)；信号光(1.57μm)通过偏振片3至电光晶体4；信号光(1.57μm)通过电光晶体4后变为s偏振光；经反射镜5和偏振片6反射实现信号光(1.57μm)输出。
47.在分时合成过程中，首先用电光晶体改变光束的偏振态，再通过偏振片和电光晶体将偏振方向相互垂直的两束线偏振光合成一束。如图5所示，4束光的光路切换及合束由5个电光晶体、6个偏振片和5个反射镜实现，电光晶体的分时工作状态如表1所示，分时合成示意图如图6所示。
48.表1电光晶体的工作状态
[0049][0050]
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种分时合成的光参量振荡装置，其特征在于，所述光参量振荡装置包括泵浦源、电光晶体、偏振片、反射镜和光参量振荡模块，其中，所述泵浦源用于为光参量振荡装置提供特定波长的激光，实现激光注入；当所述电光晶体的外加电压达到半波电压时，所述电光晶体改变光束的偏振方向之后通过偏振片和反射镜分别作用于对应的光参量振荡模块，所述光参量振荡模块用于实现波长变换，最终将多束光束进行合束输出。2.根据权利要求1所述的光参量振荡装置，其特征在于，2路光路切换及偏振合束由1个电光晶体、2个偏振片、2个反射镜和2个光参量振荡模块实现。3.根据权利要求2所述的光参量振荡装置，其特征在于，所述2路光路切换及偏振合束中的第一路光束为：由泵浦源发出的波长为1.064μm的p偏振泵浦光，通过未加电压的电光晶体后偏振态不变，透过第一偏振片后入射至第一光参量振荡模块，出射波长为1.57μm的p偏振信号光，所述p偏振信号光透过第二偏振片实现波长为1.57μm的激光输出。4.根据权利要求2所述的光参量振荡装置，其特征在于，所述2路光路切换及偏振合束中的第二路光束为：由泵浦源发出的波长为1.064μm的p偏振泵浦光，通过外加电压为半波电压的电光晶体后变为s偏振，经第一偏振片和第一反射镜反射后入射至第二光参量振荡模块，出射波长为1.57μm的s偏振信号光，所述s偏振信号光经第二反射镜和第二偏振片实现波长为1.57μm的激光输出。5.根据权利要求1所述的光参量振荡装置，其特征在于，4路光路切换及偏振合束由5个电光晶体、6个偏振片、5个反射镜和4个光参量振荡模块实现。6.根据权利要求5所述的光参量振荡装置，其特征在于，所述4路光路切换及偏振合束中的第一路光束为：由泵浦源发出的波长为1.064μm的p偏振泵浦光，通过第一电光晶体后偏振态不变，透过第一偏振片入射至第二电光晶体；通过第二电光晶体后偏振态不变，透过第四偏振片后入射至第一光参量振荡模块，出射波长为1.57μm的p偏振信号光；信号光透过第五偏振片入射至第五电光晶体；通过第五电光晶体后偏振态不变，透过第六偏振片实现波长为1.57μm的信号光输出；所述4路光路切换及偏振合束中的第二路光束为：由泵浦源发出的波长为1.064μm的p偏振泵浦光，通过第一电光晶体后偏振态不变，透过第一偏振片入射至第二电光晶体；通过外加电压为半波电压的第二电光晶体后为s偏振态，经第四偏振片和第三反射镜反射后入射至第二光参量振荡模块，出射波长为1.57μm的s偏振信号光；波长为1.57μm的信号光经第四反射镜和第五偏振片反射至第五电光晶体；通过外加电压为半波电压的第五电光晶体后变为p偏振光，透过第六偏振片实现波长为1.57μm的信号光输出；所述4路光路切换及偏振合束中的第三路光束为：由泵浦源发出的波长为1.064μm的p偏振泵浦光，通过外加电压为半波电压的第一电光晶体后变为s偏振光，经过第一偏振片反射至第三电光晶体；通过第三电光晶体后偏振态不变，经第二偏振片反射至第三光参量振荡模块，出射波长为1.57μm的s偏振信号光；波长为1.57μm的信号光经第二反射镜和第三偏振片反射至第四电光晶体；通过第四电光晶体后偏振态不变；经第五反射镜和第六偏振片反射实现波长为1.57μm的信号光输出；所述4路光路切换及偏振合束中的第四路光束为：由泵浦源发出的波长为1.064μm的p偏振泵浦光，通过外加电压为半波电压的第一电光晶体后变为s偏振光，经过第一偏振片反
射至第三电光晶体；通过外加电压为半波电压的第三电光晶体后变为p偏振光，通过第二偏振片，经第一反射镜反射至第四光参量振荡模块，出射波长为1.57μm的p偏振信号光；波长为1.57μm的信号光通过第三偏振片至第四电光晶体；通过外加电压为半波电压的第四电光晶体后变为s偏振光；经第五反射镜和第六偏振片反射实现波长为1.57μm的信号光输出。7.根据权利要求1所述的光参量振荡装置，其特征在于，所述光参量振荡装置通过增加电光晶体和偏振片实现n路光路的分时合成，其中n≥2。8.根据权利要求1所述的光参量振荡装置，其特征在于，通过改变所述光参量振荡模块中的非线性晶体类型，实现不同波段的高重频高能量激光输出。9.根据权利要求1所述的光参量振荡装置，其特征在于，所述光参量振荡装置的工作流程如下：泵浦源发射激光实现激光注入；通过改变外加电压改变电光晶体的工作状态；依次输出不同光束；实现不同光束的分时合成。
技术总结
本发明提供了一种分时合成的光参量振荡装置，所述光参量振荡装置包括泵浦源、电光晶体、偏振片、反射镜和光参量振荡模块，其中，所述泵浦源用于为光参量振荡装置提供特定波长的激光，实现激光注入；当所述电光晶体的外加电压达到半波电压时，所述电光晶体改变光束的偏振方向之后通过偏振片和反射镜分别作用于对应的光参量振荡模块，所述光参量振荡模块用于实现波长变换，最终将多束光束进行合束输出。该分时合成的光参量振荡装置，相较于现有的单光路KTP


技术研发人员：田俊涛 谭荣清 李志永 刘松阳 许文宁 白进周
受保护的技术使用者：中国科学院空天信息创新研究院
技术研发日：2021.03.18
技术公布日：2021/6/29