技术领域
[0001] 本公开涉及固体
激光器领域，尤其涉及一种实现能量逆转换腔内调控的多光参量振荡器。
背景技术
[0002] 近年来随着光学差频太赫兹、军用多波段激光制导、多信道光纤通信等前沿科技领域的发展，多
波长可调谐激光器的需求越发迫切，这使得多光参量振荡器这一新兴方向逐步得到行业关注，并被广泛研究。
[0003] 基于非周期极化结构掺
氧化镁铌酸锂(MgO：APLN)晶体的光参量振荡器能够通过单
块变频晶体补偿多重
相位失配，进而达到多光参量振荡的目的，是目前多光参量振荡器最合理的技术途径。然而由于单块晶体内复杂的多波能量耦合过程，能量逆转换问题十分严重，极大影响了输出多波长激光的转换效率和
稳定性，尤其在内腔运转方式方面该问题更为明显，具体可参见文献“基于MgO：APLN的多光参量振荡器实验研究及其逆转换过程演化分析，物理学报，2015，64(4)，044203”。
[0004] 针对上述多光参量振荡器的逆转换问题，通过增大腔内谐振参量光损耗能够达到有效抑制逆转换的目的，传统解决方法通常是缩短变频晶体长度、优化
谐振腔结构、非共线相位匹配以及合理设定输出镜谐振参量光透过率等。但这些方法均为被动方式，一旦参数确定后，在多光参量振荡器运转过程中就无法更改或修正，并且伴随基频光注入功率
密度的逐步提高，相应的逆转换也会随之变化，而已设定的优化参数显然无法在整个逆转换变化范围内实现动态匹配。
发明内容
[0005] 本公开提供了一种实现能量逆转换腔内调控的多光参量振荡器，通过在多光参量振荡器腔内引入谐振参量光偏振态
调制器，实现对腔内谐振参量光偏振方向的有效控制，进而改变参与
频率变换的谐振参量光能量配比，达到抑制能量逆转换的目的。
[0006] 本公开提供了一种实现能量逆转换腔内调控的多光参量振荡器，所述多光参量振荡器包括：激光
二极管泵浦源、传能光纤、耦合透镜组、全反镜、激光增益介质、聚焦透镜、第一谐振反射镜、MgO：APLN晶体、第二谐振反射镜、MgO：PPLN偏振态调制器、驱动电源、第三谐振反射镜和输出镜，其中：
[0007] 所述
激光二极管泵浦源与传能光纤连接；
[0008] 所述耦合透镜组和激光增益介质依次放置在所述传能光纤的光路后方；
[0009] 所述全反镜放置在耦合透镜组与激光增益介质之间；
[0010] 所述聚焦透镜、第一谐振反射镜、第二谐振反射镜和输出镜依次放置在所述激光增益介质的光路后方；
[0011] 所述第三谐振反射镜放置在光路侧方，与所述第一谐振反射镜和第二谐振反射镜形成环形参量振荡腔，所述MgO：APLN晶体和MgO：PPLN偏振态调制器位于所述参量振荡腔中；
[0012] 所述MgO：APLN晶体放置在聚焦透镜在所述第一谐振反射镜和第二谐振反射镜之间的聚焦焦点处；
[0013] 所述MgO：PPLN偏振态调制器为一个或一个以上，放置在第一谐振反射镜、第二谐振反射镜与第三谐振反射镜形成的光路上；
[0014] 所述驱动电源的数量与所述MgO：PPLN偏振态调制器的数量对应，分别与对应MgO：PPLN偏振态调制器的两侧
电极片连接，用于提供驱动电源输出；
[0015] 所述全反镜和输出镜构成基频光谐振腔，所述激光增益介质、聚焦透镜、第一谐振反射镜、MgO：APLN晶体和第二谐振反射镜位于所述基频光谐振腔中。
[0016] 本公开还提供了一种实现能量逆转换腔内调控的多光参量振荡器，所述多光参量振荡器包括：激光二极管泵浦源、传能光纤、耦合透镜组、全反镜、激光增益介质、聚焦透镜、第一谐振反射镜、MgO：APLN晶体、第二谐振反射镜、第一MgO：PPLN偏振态调制器、第二MgO：PPLN偏振态调制器、第一驱动电源、第二驱动电源、第三谐振反射镜和输出镜，其中：
[0017] 所述激光二极管泵浦源与传能光纤连接；
[0018] 所述耦合透镜组和激光增益介质依次放置在所述传能光纤的光路后方；
[0019] 所述全反镜放置在耦合透镜组与激光增益介质之间；
[0020] 所述聚焦透镜、第一谐振反射镜、第二谐振反射镜和输出镜依次放置在所述激光增益介质的光路后方；
[0021] 所述第三谐振反射镜放置在光路侧方，与所述第一谐振反射镜和第二谐振反射镜形成环形参量振荡腔，所述MgO：APLN晶体、第一MgO：PPLN偏振态调制器和第二MgO：PPLN偏振态调制器位于所述参量振荡腔中；
[0022] 所述MgO：APLN晶体放置在聚焦透镜在所述第一谐振反射镜和第二谐振反射镜之间的聚焦焦点处；
[0023] 所述第一MgO：PPLN偏振态调制器放置在第二谐振反射镜和第三谐振反射镜之间；
[0024] 所述第二MgO：PPLN偏振态调制器放置在第一谐振反射镜和第三谐振反射镜之间；
[0025] 所述第一驱动电源和第二驱动电源分别与第一MgO：PPLN偏振态调制器和第二MgO：PPLN偏振态调制器的两侧电极片连接，用于提供驱动电源输出；
[0026] 所述全反镜和输出镜构成基频光谐振腔，所述激光增益介质、聚焦透镜、第一谐振反射镜、MgO：APLN晶体和第二谐振反射镜位于所述基频光谐振腔中。
[0027] 可选地，所述全反镜为平平镜，
镀有泵浦光增透膜和基频光高反膜。
[0028] 可选地，所述激光增益介质靠近全反镜的一端镀泵浦光和基频光增透膜，另一端镀基频光增透膜。
[0029] 可选地，所述聚焦透镜为双凸镜，双面均镀有泵浦光增透膜。
[0030] 可选地，所述第一谐振反射镜为平-平镜，双面均镀有基频光增透膜，靠近MgO：APLN晶体一侧单面镀有谐振参量光30°高反膜。
[0031] 可选地，所述MgO：APLN晶体两端面均镀有基频光、
信号光和闲频光增透膜。
[0032] 可选地，所述第二谐振反射镜为平-平镜，双面均镀有基频光和输出参量光增透膜，靠近MgO：APLN晶体一侧单面镀有谐振参量光30°高反膜。
[0033] 可选地，所述第三谐振反射镜为平-平镜，靠近MgO：APLN晶体一侧单面镀有谐振参量光30°高反膜。
[0034] 可选地，所述输出镜为平凹镜，镀有基频光高反膜和输出参量光高透膜。
[0035] 本公开提供的技术方案的有益效果是：本公开在内腔多光参量振荡器腔内引入谐振参量光偏振态调制器，根据Solc滤波原理结合参量光谐振波长设计铌酸锂材料极化结构，通过对其加载
电压形成谐振参量光偏振态调制器，可实现对谐振波长激光偏振态任意
角度的偏转控制，由于该偏转角度直接决定了参与变频能量耦合过程中的谐振参量光e光光强大小，因此可以通过调整加载电压值改变谐振参量光参与频率变换的能量比例，从而根据逆转换反映的实际功率变化选取适当的加载电压，抑制逆转换发生，始终保持高效率输出。相比优化谐振腔结构、更换输出镜谐振参量光透过率等抑制逆转换技术途径，本公开可以随时根据逆转换反映出的输出功率变化情况对激光器进行主动调控，控制
精度高，可控性强，更加有利于实际应用。
附图说明
[0036] 图1为根据本公开一
实施例的一种实现能量逆转换腔内调控的多光参量振荡器的结构示意图；
[0037] 图2为根据本公开一实施例的MgO：PPLN偏振态调制器的工作原理示意图；
[0038] 图3为根据本公开一实施例的谐振参量光e向偏振能量占比与加载电压间的关系示意图。
[0039] 附图中，各附图标记所代表的部件列表如下：1.激光二极管泵浦源 2.传能光纤 3.耦合透镜组 4.全反镜 5.激光增益介质 6.聚焦透镜 7.第一谐振反射镜 8.MgO：APLN晶体 9.第二谐振反射镜 10.第一MgO：PPLN偏振态调制器 11.第二MgO：PPLN偏振态调制器
12.第一驱动电源 13.第二驱动电源 14.第三谐振反射镜 15.输出镜。
具体实施方式
[0040] 下文中，将参考附图详细描述本公开的示例性实施方式，以使本领域技术人员可容易地实现它们。此外，为了清楚起见，在附图中省略了与描述示例性实施方式无关的部分。
[0041] 在本公开中，应理解，诸如“包括”或“具有”等的术语旨在指示本
说明书中所公开的特征、数字、步骤、行为、部件、部分或其组合的存在，并且不欲排除一个或多个其他特征、数字、步骤、行为、部件、部分或其组合存在或被添加的可能性。
[0042] 另外还需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本公开。
[0043] 本公开实施例提供一种实现能量逆转换腔内调控的多光参量振荡器，所述多光参量振荡器包括：激光二极管泵浦源、传能光纤、耦合透镜组、全反镜、激光增益介质、聚焦透镜、第一谐振反射镜、MgO：APLN晶体、第二谐振反射镜、MgO：PPLN偏振态调制器、驱动电源、第三谐振反射镜和输出镜，其中：
[0044] 所述激光二极管泵浦源与传能光纤连接；
[0045] 所述耦合透镜组和激光增益介质依次放置在所述传能光纤的光路后方；
[0046] 所述全反镜放置在耦合透镜组与激光增益介质之间；
[0047] 所述聚焦透镜、第一谐振反射镜、第二谐振反射镜和输出镜依次放置在所述激光增益介质的光路后方；
[0048] 所述第三谐振反射镜放置在光路侧方，与所述第一谐振反射镜和第二谐振反射镜形成环形参量振荡腔，所述MgO：APLN晶体和MgO：PPLN偏振态调制器位于所述参量振荡腔中；
[0049] 所述MgO：APLN晶体放置在聚焦透镜在所述第一谐振反射镜和第二谐振反射镜之间的聚焦焦点处；
[0050] 所述MgO：PPLN偏振态调制器为一个或一个以上，放置在第一谐振反射镜、第二谐振反射镜与第三谐振反射镜形成的光路上；
[0051] 所述驱动电源的数量与所述MgO：PPLN偏振态调制器的数量对应，分别与对应MgO：PPLN偏振态调制器的两侧电极片连接，用于提供驱动电源输出；
[0052] 所述全反镜和输出镜构成基频光谐振腔，所述激光增益介质、聚焦透镜、第一谐振反射镜、MgO：APLN晶体和第二谐振反射镜位于所述基频光谐振腔中。
[0053] 所述多光参量振荡器在工作时，激光二极管泵浦源发射能被激光增益介质吸收主峰波长的泵浦光，通过传能光纤输出，经耦合透镜组聚焦到激光增益介质内部，激光增益介质吸收泵浦光形成粒子数反转，在所述基频光谐振腔内的持续反馈作用下形成基频光振荡，基频光经聚焦透镜进一步形成对MgO：APLN晶体的聚焦泵浦，聚焦产生的多波长谐振参量光通过参量振荡腔反馈形成持续振荡，按照光参量振荡能量守恒定律，与每个谐振参量光波长一一对应同步产生的不同波长参量光经所述输出镜输出。根据e+e→e准相位偏振态匹配条件及谐振参量光波长，通过MgO：PPLN极化周期以及晶畴个数的选取，使得MgO：PPLN偏振态调制器通过加载电压，能够分别实现不同波长谐振参量光偏振方向的角度控制，其中可控波长的数量与MgO：PPLN偏振态调制器的数量相对应，由于谐振参量光的偏振方向发生角度偏转后，此时仅有矢量投影中处于e向偏振的该部分能量参与多光参量振荡过程的能量转换，剩余能量均转化为损耗。
[0054] 下面以双波长输出为例对于本公开进行详细描述。
[0055] 图1为根据本公开一实施例的多光参量振荡器的结构示意图，如图1所示，所述多光参量振荡器包括：激光二极管泵浦源1、传能光纤2、耦合透镜组3、全反镜4、激光增益介质5、聚焦透镜6、第一谐振反射镜7、MgO：APLN晶体8、第二谐振反射镜9、第一MgO：PPLN偏振态调制器10、第二MgO：PPLN偏振态调制器11、第一驱动电源12、第二驱动电源13、第三谐振反射镜14和输出镜15，其中：
[0056] 所述激光二极管泵浦源1与传能光纤2连接；
[0057] 所述耦合透镜组3和激光增益介质5依次放置在所述传能光纤2的光路后方；
[0058] 所述全反镜4放置在耦合透镜组3与激光增益介质5之间；
[0059] 所述聚焦透镜6、第一谐振反射镜7、第二谐振反射镜9和输出镜15依次放置在所述激光增益介质5的光路后方；
[0060] 所述第三谐振反射镜14放置在光路侧方，与所述第一谐振反射镜7和第二谐振反射镜9形成环形参量振荡腔，所述MgO：APLN晶体、第一MgO：PPLN偏振态调制器和第二MgO：PPLN偏振态调制器位于所述参量振荡腔中；
[0061] MgO：APLN晶体8放置在聚焦透镜6在所述第一谐振反射镜7和第二谐振反射镜9之间的聚焦焦点处；
[0062] 所述第一MgO：PPLN偏振态调制器10放置在第二谐振反射镜9和第三谐振反射镜14之间；
[0063] 所述第二MgO：PPLN偏振态调制器11放置在第一谐振反射镜7和第三谐振反射镜14之间；
[0064] 所述第一驱动电源12和第二驱动电源13分别与第一MgO：PPLN偏振态调制器10和第二MgO：PPLN偏振态调制器11的两侧电极片连接，用于提供驱动电源输出；
[0065] 所述全反镜和输出镜构成基频光谐振腔，所述激光增益介质、聚焦透镜、第一谐振反射镜、MgO：APLN晶体和第二谐振反射镜位于所述基频光谐振腔中。
[0066] 在本公开一实施例中，所述全反镜4为平平镜，镀有泵浦光增透膜和基频光高反膜。
[0067] 在本公开一实施例中，所述激光增益介质5靠近全反镜4的一端镀泵浦光和基频光增透膜，另一端镀基频光增透膜。
[0068] 在本公开一实施例中，所述聚焦透镜6为双凸镜，双面均镀有泵浦光增透膜。
[0069] 在本公开一实施例中，所述第一谐振反射镜7为平-平镜，双面均镀有基频光增透膜，靠近MgO：APLN晶体8一侧单面镀有谐振参量光30°高反膜。
[0070] 在本公开一实施例中，所述MgO：APLN晶体8两端面均镀有基频光、信号光和闲频光增透膜。
[0071] 在本公开一实施例中，所述第二谐振反射镜9为平-平镜，双面均镀有基频光和输出参量光增透膜，靠近MgO：APLN晶体8一侧单面镀有谐振参量光30°高反膜。在本公开一实施例中，所述第三谐振反射镜14为平-平镜，靠近MgO：APLN晶体8一侧单面镀有谐振参量光30°高反膜。
[0072] 在本公开一实施例中，所述输出镜15为平凹镜，镀有基频光高反膜和输出参量光高透膜。
[0073] 在本公开一实施例中，所述第一MgO：PPLN偏振态调制器10和第二MgO：PPLN偏振态调制器11均由左右两侧表面固定有平面电极片的MgO：PPLN极化晶体构成，晶体两端面均镀有谐振参量光增透膜，极化周期A＝2d，其中：
[0074] m＝1，2，3......为阶数，取值视加工精度而定，λ0为对应谐振参量光波长，no和ne分别为对应谐振参量光o光与e光折射率。
[0075] 在本公开一实施例中，所述驱动电源加载电压值Uy与对应谐振参量光偏振态偏转角度θ之间的关系满足：
[0076]
[0077] 其中，Wy为晶体两侧表面电极间的距离，γ51为晶体电光系数，N为极化晶畴个数。
[0078] 基于上述多光参量振荡器的结构，所述多光参量振荡器在工作时，激光二极管泵浦源1发射能被激光增益介质5吸收主峰波长的泵浦光，通过传能光纤2输出，经耦合透镜组3聚焦到激光增益介质5内部，激光增益介质5吸收泵浦光形成粒子数反转，在所述基频光谐振腔内的持续反馈作用下形成基频光振荡，在所述基频光谐振腔内形成的基频光经聚焦透镜6进一步形成对MgO：APLN晶体8的聚焦泵浦，聚焦产生的多波长谐振参量光通过参量振荡腔反馈形成持续振荡，按照光参量振荡能量守恒定律，与每个谐振参量光波长一一对应同步产生的不同波长参量光经所述输出镜15输出。根据e+e→e准相位偏振态匹配条件及谐振参量光波长，通过MgO：PPLN极化周期以及晶畴个数的选取，使得第一MgO：PPLN偏振态调制器10和第二MgO：PPLN偏振态调制器11通过加载电压，能够分别实现对两个不同波长谐振参量光偏振方向的角度控制，由于谐振参量光的偏振方向发生角度偏转后，此时仅有矢量投影中处于e向偏振的该部分能量参与多光参量振荡过程的能量转换，剩余能量均转化为损耗。
[0079] 下面以基于MgO：APLN晶体多光参量振荡获得1.57μm和3.84μm双波长参量光输出，调控对应的1.47μm和3.3μm谐振参量光腔内的能量损耗进而达到有效抑制能量逆转换为目的的方案为例对于本公开进行详细描述。
[0080] 上文提及，所述多光参量振荡器包括激光二极管泵浦源、传能光纤、耦合透镜组、全反镜、激光增益介质、聚焦透镜、第一谐振反射镜、MgO：APLN晶体、第二谐振反射镜、第一MgO：PPLN偏振态调制器、第二MgO：PPLN偏振态调制器、第一驱动电源、第二驱动电源、第三谐振反射镜和输出镜。
[0081] 其中，激光二极管泵浦源发射中心波长为808nm的激光，经芯径400μm、数值孔径0.22的传能光纤实现激光输出。
[0082] 其中，激光增益介质采用Nd：YVO4晶体，沿a轴切割，尺寸为：厚×宽×长＝3mm×3mm×16mm，Nd3+离子掺杂浓度为0.25％，两个端面镀有808nm和1064nm增透膜。
[0083] 其中，MgO：APLN晶体尺寸为：厚×宽×长＝1mm×6mm×50mm，MgO掺杂浓度设定在5％，两个端面分别镀有1.064μm/1.4μm～1.7μm/3.3～4.2μm多色增透膜，极化结构为非周期双倒格矢，对应补偿的两个相位失配量分别为0.2041μm-1和0.2135μm-1，对应产生的信号光分别为1.57μm和1.47μm，对应产生的闲频光分别为3.3μm和3.84μm。
[0084] 其中，全反镜为平平镜，镀有808nm泵浦光增透膜和1064nm基频光高反膜。
[0085] 其中，聚焦透镜为平凸镜，镀有1064nm基频光增透膜，焦距为150mm。
[0086] 其中，第一谐振反射镜为平平镜，双面镀有1064nm基频光增透膜，靠近MgO：APLN晶体一侧单面镀有1.4μm～1.5μm、3.1～3.4μm谐振参量光30°高反膜。
[0087] 其中，第二谐振反射镜为平平镜，双面镀有1064nm基频光和1.5μm～1.7μm、3.7～4.2μm输出参量光增透膜，靠近MgO：APLN晶体一侧单面镀有1.4μm～1.5μm、3.1～3.4μm谐振参量光30°高反膜。
[0088] 其中，第三谐振反射镜为平平镜，靠近MgO：APLN晶体8一侧单面镀有1.4μm～1.5μm、3.1～3.4μm谐振参量光高反膜。
[0089] 其中，第一MgO：PPLN偏振态调制器由左右两侧表面固定有平面电极片的MgO：PPLN极化晶体构成，两侧电极片与第一驱动电源相连接，MgO：PPLN极化晶体尺寸为：厚×宽×长＝1mm×5mm×20mm，MgO掺杂浓度设定在5％，两个端面分别镀有1.4μm～1.5μm、3.1～3.4μm谐振参量光增透膜，极化周期为20μm，对应实现1.47μm谐振参量光偏振态调制。
[0090] 其中，第二MgO：PPLN偏振态调制器由左右两侧表面固定有平面电极片的MgO：PPLN极化晶体构成，两侧电极片与第二驱动电源相连接，MgO：PPLN极化晶体尺寸为：厚×宽×长＝1mm×5mm×40mm，MgO掺杂浓度设定在5％，两个端面分别镀有1.4μm～1.5μm、3.1～3.4μm谐振参量光增透膜，极化周期为52.2μm，对应实现3.3μm谐振参量光偏振态调制。
[0091] 其中，输出镜为
曲率半径为200mm的平凹镜，镀有1064nm基频光高反膜和1.5μm～1.7μm、3.7～4.2μm输出参量光高透膜。
[0092] 根据上述实施方式，激光二极管泵浦源发出泵浦光经传能光纤输出后，经耦合透镜组形成对激光增益介质Nd：YVO4晶体1∶1.5光斑比例的聚焦泵浦，聚焦后光斑直径为600μm，激光增益介质Nd：YVO4晶体吸收泵浦光产生粒子数反转，在全反镜和输出镜构成的1064nm基频光谐振腔的反馈作用下产生波长为1064nm的基频光，1064nm的基频光经过聚焦透镜聚焦在MgO：APLN晶体中，产生的1.47μm和3.3μm谐振参量光在第一谐振反射镜、第二谐振反射镜和第三谐振反射镜构成的谐振参量光振荡腔正反馈作用下形成振荡，与1.47μm和
3.3μm谐振参量光对应同步产生的1.57μm和3.84μm参量光经输出镜输出。通过第一驱动电源和第二驱动电源对谐振参量光振荡腔内的第一MgO：PPLN偏振态调制器和第二MgO：PPLN偏振态调制器分别加载电压，能够实现对1.47μm和3.3μm两个波长谐振参量光偏振方向的偏转角度控制，如图2所示，图2中，θ表示谐振参量光偏振方向偏转角度，进而通过偏振方向角度变化来控制参与频率变换过程的e向偏振光能量占比，根据0～900V的加载电压值，计算得出1.47μm和3.3μm谐振参量光e向偏振能量占比与加载电压值的对应关系，如图3所示。
[0093] 综上，本公开实施例提供了一种实现能量逆转换腔内调控的多光参量振荡器，通过在多光参量振荡器腔内引入加载
电场的谐振参量光偏振态调制器，根据逆转换反映的实际功率变化选取适当的电场加载电压，由加载电压控制腔内参与频率变换的谐振参量光能量比例，进而抑制逆转换发生。本公开实施例能够对多光参量振荡器能量逆转换过程实现主动控制，并且控制精度高，可控性强，相比传统被动抑制方法，更加有利于实际应用。
[0094] 以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何
修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
