一种腔内泵浦中红外高阶庞加莱光束光参量振荡器

电气元件制品的制造及其应用技术1.本发明涉及一种光参量振荡器，尤其涉及一种腔内泵浦中红外高阶庞加莱光束光参量振荡器。背景技术：2.高阶庞加莱光束是指可以用高阶庞加莱球表示其高阶偏振态的广义矢量涡旋光束。其中，高阶庞加莱球的上(下)顶点为左(右)旋圆偏振涡旋光束，其携带有的轨道角动量(oam)；高阶庞加莱球赤道上为圆柱矢量光束，包括径向偏振光束、角向偏振光束；而高阶庞加莱球上其它位置为椭圆偏振圆柱矢量光束。高阶庞加莱光束在光通讯、激光加工、光学捕获等领域具有广阔的应用前景。但是，目前关于高阶庞加莱光束的产生研究主要集中在紫外光、可见光和近红外光等波段，而中红外高阶庞加莱光束的产生研究鲜有报道。中红外波段的光谱范围为2.5um到20um，其频率(500-4000cm-1)对应于分子的特征吸收频率。因此，中红外波段也被称为分子的光谱指纹区，在空气质量检测、有毒气体检测、医疗、军事等领域都有着重要的应用前景。中红外高阶庞加莱光束同时具有高阶庞加莱光束和中红外光束的特点和优势，具有广阔的应用前景。所以，中红外高阶庞加莱光束产生成为研究重点。3.近年来，光参量振荡器(opo)因其结构简单，通过泵浦光与非线性晶体的相互作用，可以将泵浦光转换成两个频率较低(波长较长)的信号光和闲频光，成为产生中红外高阶庞加莱光束的首选。但目前，基于光参量振荡器的中红外高阶庞加莱光束的产生研究较少，且还存在阈值高、模式纯度低、效率低等问题。技术实现要素：4.发明目的：本发明目的是提出一种腔内泵浦中红外高阶庞加莱光束光参量振荡器，以实现中红外高阶庞加莱光束的产生。5.技术方案：本发明包括环形腔，所述的环形腔内设有光参量振荡器，所述的光参量振荡器包括沿光路依次设置的聚焦透镜、输入腔镜、呈正交放置的非线性晶体、输出腔镜和二向色镜，光束在光参量振荡器内发生非线性作用，产生信号光和闲频光，信号光在腔内振荡，闲频光透过输出腔镜，并经二向色镜反射输出，获得高阶庞加莱光束。6.所述的非线性晶体包括第一非线性晶体和第二非线性晶体，两者正交放置在一起，分别用于高阶庞加莱光束水平偏振和垂直偏振分量的光参量转换。7.所述第一非线性晶体和第二非线性晶体置于温控炉内。8.所述输入腔镜与输出腔镜形成谐振腔，所述输入腔镜的曲率半径为r1，输出腔镜曲率半径为r2。9.所述光参量振荡器的腔长为l，满足谐振腔的稳定性条件0＜(1-l/r1)(1-l/r2)＜1。10.所述光参量振荡器的输入端设有第一涡旋波片，通过光纤偏振控制器控制单模增益光纤内低阶模的偏振态，经第一光纤准直器扩束准直到第一涡旋波片，将低阶模转换为高阶庞加莱光束后进入光参量振荡器。11.所述高阶庞加莱光束经聚焦透镜聚焦到非线性晶体内部，束腰位置处于第一非线性晶体和第二非线性晶体的中间，且其瑞利长度不小于晶体的总长度。12.所述二向色镜为偏振无关二向色镜，其对1030nm泵浦光高透，对闲频光高反，将闲频光反射输出，获得中红外高阶庞加莱光束。13.所述偏振无关二向色镜透过的泵浦光经第二涡旋波片后还原为低阶模，并经第二光纤准直器耦合回光纤回路。14.有益效果：本发明首次提出利用腔内泵浦光参量振荡器产生中红外高阶庞加莱光束，将中红外光参量振荡器置于高阶庞加莱光束光纤激光器的腔内实现腔内泵浦，相较于腔外泵浦，腔内泵浦方式利用谐振腔内泵浦光的高功率密度，可以降低光参量振荡器阈值，提高泵浦效率；同时，本发明提出采用两片正交放置的非线性晶体放置在光参量振荡器内，分别用于水平和垂直偏振分量光参量转换，以解决非线性晶体光参量转换的线偏振依赖性问题，获得中红外高阶庞加莱光束输出；本发明具有结构简单、泵浦阈值低、泵浦效率高等特点，是中红外高阶庞加莱光束产生的首选。附图说明15.图1为本发明的光路结构示意图；16.图2为产生中红外高阶庞加莱光束的光强分布图；(a1)-(d1)分别为输入的水平线偏振、垂直线偏振、左旋圆偏振、右旋圆偏振光束；(a2-d2)为输出的径向偏振光束、角向偏振光束、右旋圆偏振涡旋光束、左旋圆偏振涡旋光束；17.图3为本发明的非线性晶体极化周期调谐曲线图；18.图4为本发明的非线性晶体工作温度调谐曲线图。具体实施方式19.下面结合附图对本发明作进一步说明。20.如图1所示，本发明主要包括由光纤耦合输出半导体激光器1、波分复用器2、单模增益光纤3、光纤偏振控制器4、第一光纤准直器51、第二光纤准直器52、光隔离器6、第一涡旋波片71、第二涡旋波片72和光参量振荡器9等组成的环形结构，光纤耦合输出半导体激光器1输出波长为1030nm。通过光纤偏振控制器4控制单模增益光纤3内低阶模的偏振态，经第一光纤准直器51扩束准直到第一涡旋波片71，将低阶模转换为高阶庞加莱光束81，然后进入光参量振荡器9。将光参量振荡器9置于高阶庞加莱光束光纤激光器的腔内实现腔内泵浦，以降低光参量振荡器阈值，提高泵浦效率。21.光参量振荡器9包括沿光路依次设置的聚焦透镜91、输入腔镜92、第一非线性晶体93、第二非线性晶体94、输出腔镜95和偏振无关二向色镜96，其中，第一非线性晶体93和第二非线性晶体94置于温控炉97内，偏振无关二向色镜96为平面镀膜二向色镜，其对1030nm泵浦光高透，对闲频光(2.5-5um)高反，将闲频光反射输出，获得中红外高阶庞加莱光束。22.输入腔镜92与输出腔镜95形成稳定光学谐振腔。其中输入腔镜92为镀膜球面镜，其对1030nm的泵浦光高透，对近红外信号光高反，其曲率半径为r1；输出腔镜95为镀膜球面镜，其对1030nm的泵浦光高透，对近红外信号光部分反射(透过率一般为10％-50％)，对中红外闲频光高透，其曲率半径为r2；光参量振荡器9的腔长为l，满足谐振腔的稳定性条件0＜(1-l/r1)(1-l/r2)＜1。23.为了解决光参量转换的线偏振依赖问题，第一非线性晶体93和第二非线性晶体94正交放置，分别用于高阶庞加莱光束81的水平偏振和垂直偏振分量的光参量转换；高阶庞加莱光束81经聚焦透镜91聚焦到非线性晶体内部，束腰位置处于第一非线性晶体93和第二非线性晶体94的中间，且其瑞利长度不小于晶体的总长度。24.第一非线性晶体93、第二非线性晶体94包括并不限于mgo掺杂周期性极化铌酸锂晶体，本实施例的非线性晶体选用完全相同的mgo:ppln晶体，两块mgo:ppln晶体正交放置在一起，分别用于高阶庞加莱光束水平偏振和垂直偏振分量的光参量转换，以解决非线性晶体的光参量转换的线偏振依赖性问题。其光损伤阈值和光折变阈值较高，性能更加稳定并适合室温使用。mgo:ppln晶体的极化周期由泵浦光、信号光和闲频光的准相位匹配条件确定，mgo:ppln晶体的极化周期通常在28～32.5um范围内，工作温度为0-200℃，厚度为1～10mm，且不超过聚焦后泵浦光的瑞利长度。为了获得最大的非线性效应，mgo:ppln晶体的准相位匹配条件为e-》e+e匹配。25.通过调节mgo:ppln晶体的极化周期和温度可以实现光参量振荡器的波长调谐，因此，可以将mgo:ppln晶体放在温控炉97中，实现晶体工作温度的调控。如图3所示，当晶体工作温度在25℃、50℃、100℃、150℃和200℃时，信号光和闲频光的波长与极化周期的调谐曲线，温度恒定时，通过调谐mgo:ppln晶体的极化周期可以实现输出波长的调谐；如图4所示，当极化周期为28um、28.5um、29um、29.5um和30um时，信号光和闲频光的波长与晶体工作温度的调谐曲线，极化周期恒定时，通过调谐mgo:ppln晶体的工作温度也可以实现输出波长的调谐。26.mgo:ppln晶体的准相位匹配光参量振荡器过程的稳态三波耦合方程为[0027][0028][0029][0030]其中，角标s，i，p分别代表信号光、闲频光和泵浦光；e代表庞加莱光束的光波电场强度；c代表真空光束；n代表对应光波在晶体内的折射率；d为有效非线性系数；δk为相位失配量。[0031]高阶庞加莱光束81在光参量振荡器内发生非线性作用，产生信号光和闲频光，信号光(近红外波段)在腔内振荡，而闲频光83(中红外波段)透过输出腔镜95，经偏振无关二向色镜96将闲频光83(中红外波段)输出，获得中红外高阶庞加莱光束输出。而透过的泵浦光经第二涡旋波片72后还原为低阶模82，经第二光纤准直器52耦合回光纤回路。[0032]本发明首次提出利用腔内泵浦光参量振荡器产生中红外高阶庞加莱光束，将中红外光参量振荡器置于高阶庞加莱光束光纤激光器的腔内实现腔内泵浦。相较于腔外泵浦，腔内泵浦方式利用谐振腔内泵浦光的高功率密度，可以降低光参量振荡器阈值，提高泵浦效率。同时，本发明提出采用两片正交放置的非线性晶体放置在光参量振荡器内，分别用于水平和垂直偏振分量光参量转换，以解决非线性晶体的光参量转换的线偏振依赖性问题，获得中红外高阶庞加莱光束输出。本发明具有结构简单、泵浦阈值低、泵浦效率高等特点。









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