一種利用參量轉換技術產生中波紅外激光輸出的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種新的激光產生方法，尤其涉及一種中波紅外波段的激光產生方法。
【背景技術】
[0002]激光波長在2— 5微米波段的中波紅外激光器在生物醫學、環境監測和國防領域具有重要的應用價值。3.6微米和3.8微米是很好的大氣窗口波段，該波段的激光在大氣中具有很好的透射率，是激光信號傳輸的良好波段，適合空間激光傳輸；2.9微米波長的激光在生物組織內具有強烈的吸收，因此激光作用深度小，易于控制工作部位，止血能力也比較強，是一種高品質的激光手術刀；波段3-5微米的光譜波段中存在大量氣體分子的本征吸收峰，因此具有吸收強度大、譜線窄的特點，非常適合于做微量或痕量氣體成分的檢測。此外，3-5微米波段的激光與紅外制導導彈的窗口波段重合，可以用于帶內干擾，因此是光電對抗的有效激光器。目前，產生中波紅外的技術手段有很多種，可用的固體激光器件，包括量子級聯的半導體激光器、基于參量轉換技術的光參量振蕩器或光參量放大器、以及直接采用激光增益介質產生激光振蕩的固體激光器和光纖激光器。
[0003]量子級聯的半導體激光器具有結構緊湊的特點，但是不適合作為高峰值功率的激光輸出。采用激光增益介質直接產生激光振蕩的中波紅外激光器，一般由于量子效率的問題，工作效率較低，且一般要求低溫工作，尤其不適合高功率激光研制。因此，為了獲得高功率的中波紅外激光輸出，一般采用參量轉換技術。
[0004]參量轉換技術是一種較為成熟的光頻轉換技術，它通過三波混頻或四波混頻原理將較短波長的泵浦激光轉換為較長波長的激光，參量轉換的技術方案包括自發參量下轉換、參量放大和參量振蕩。自發參量下轉換技術直接利用一束高峰值功率的泵浦激光入射到非線性激光晶體中產生的參量激光，結構簡單，但是因為閾值很高，對泵浦激光的峰值功率要求很高，總的轉換效率較低，同時獲得的產量下轉換激光輸出譜段一般較大，很多時候不能滿足應用需求；參量放大技術一般利用一束波長較短、強度較大的脈沖激光作為泵光，同時采用一束波長較長的激光作為信號光，兩束光同時入射到激光非線性晶體中，產生差頻，此時信號光將獲得放大，同時產生一個波長更長、光子能量等于泵光光子能量和信號光光子能量之差的閑散光。與自發參量下轉換技術相比，參量放大技術具有閾值較低、轉換效率較高的特點，是一種更為實用的光頻轉換技術，但是其缺點是對激光非線性晶體的要求較高，光頻轉換時需要嚴格保證參量轉換時的相位匹配關系，因此對于特定結構的晶體，必須精細調節并嚴格控制其工作溫度使能保證相位匹配關系得到滿足，并以此獲得較高的差頻轉換效率。與上述兩種參量轉換技術不同，光參量振蕩技術借助于諧振腔的幫助，使得信號光或閑散光在諧振腔內產生激光振蕩，可以實現較高的光頻轉換效率，且對晶體的相位匹配關系并沒有非常嚴格要求。此時激光非線性晶體的工作溫度的改變一般只導致光參量振蕩器輸出激光波長的改變，因此可以認為其相位匹配關系在一定程度上是自洽的。總的來說，在熱透鏡效應等影響諧振腔穩定的因素不明顯的條件下，光參量振蕩器可以獲得較為理想的轉換效率。
[0005]但是，隨著激光功率的增加，尤其是當諧振腔內各個波長的激光在非線性激光晶體中有一定量的吸收時，激光晶體將產生嚴重的熱透鏡效應，并導致腔穩定性變差，腔內損耗增加，總的光參量振蕩器的光頻轉換效率大幅降低。為解決這一問題，在高功率激光工作條件下，必須采用諧振腔熱透鏡補償措施以解決高功率工作時的腔穩定性問題，導致激光器結構變得復雜，光頻轉換效率降低，高功率的參量激光輸出難以實現。此外，光參量振蕩器中因為包含諧振腔，整個激光器就存在諧振腔失諧所引起的一系列問題，由于環境因素的變化，激光器的長期工作穩定性較難保證。

【發明內容】

[0006]本發明的目的是針對目前光參量轉換技術實際使用中的相關問題，充分利用光參量放大技術的特點，并采用新型技術方法徹底解決其常規的參量放大技術對相位匹配要求非常嚴格的問題，使得能夠獲得一種激光轉換效率高、激光輸出波長可調、系統結構緊湊、性能可靠、環境穩定性好、適合高功率輸出的新型激光變頻系統，能夠廣泛應用于各類中波紅外激光器研制中。
[0007]本發明方法利用一組特殊構造的脈沖光纖激光器系統作為泵源，一個非線性激光晶體作為光頻轉換用器件。
[0008]所構造的新型脈沖光纖激光器系統包含一個脈沖光纖激光器、一段光譜展寬用光纖和一個光纖激光放大器，將能夠實現三個功能。首先，它能產生特定波長的脈沖激光振蕩，如Yb脈沖光纖激光器，它可以產生1.01微米到1.1微米之間任意波長的激光振蕩。在這一部分，可以通過直接的光纖激光振蕩或者光纖激光放大，使得該脈沖激光輸出具有足夠的平均功率和峰值功率。其次，較高功率的單一波長上述光纖激光輸出后進入后級的光譜展寬光纖中，將激光光譜由單一波長激光大幅度展寬為寬光譜輸出的激光，其最大展寬光譜范圍可以達到1lOnm到2200nm。此時，經過光譜展寬光纖輸出的激光將包含一定比例沒有展寬的原始特定波長激光和一定比例展寬過的寬譜激光。其三，經過光譜展寬后的光纖激光輸出，再次經由一個光纖激光放大器做最后的功率放大，此時沒有展寬的原始特定波長激光將獲得絕大部分的放大后激光功率，已經展寬的寬譜激光將獲得相對較小的功率放大。經過這一級的光纖激光放大后，光纖輸出的激光的功率絕大部分為展寬前初始波長波段激光的功率，并同時包含部分功率的寬帶光譜激光。當光纖材料的色散對于激光脈寬的影響尚不明顯時，這兩部分激光的脈沖特性將基本相同。
[0009]具備上述三種功能的光纖激光器，將從同一根光纖中輸出一個同時包含特定波長的高功率泵浦激光和中等功率的寬帶光譜激光。將該激光經由光學透鏡聚焦到非線性激光晶體，可以利用光參量放大技術產生高效的中波紅外激光輸出。此時，由于寬帶光譜激光的存在，利用光參量放大技術進行參量激光放大將沒有嚴格的相位匹配要求，因此對非線性激光晶體工作溫度也沒有嚴格要求，其相位匹配的情況類似于光參量振蕩器，將是一種自洽的關系。哪一個波段的激光會被參量放大，將完全取決于非線性晶體工作時的相位匹配關系，參量轉換輸出的激光波長將完全由泵浦激光的波長和非線性激光晶體工作時的相位匹配關系決定。
[0010]上述的光譜展寬光纖可以是微結構的光子晶體光纖，也可以是常規結構的光纖。其光纖長度可以根據需要的光譜展寬程度來選取。
[0011]上述的非線性激光晶體可以是利用雙折射相位匹配的塊狀激光晶體，如三硼酸鋰晶體，也可以是疇向按特定規律反轉的人工疇結構非線性激光晶體，如周期性疇結構反轉的摻鎂鈮酸鋰晶體。
[0012]本發明主要用以解決當前參量轉換技術中難以同時保證高效參