一种快速启动中红外激光器及相应的多晶体切换装置

摘要

本公开公开了一种快速启动中红外激光器及相应的多晶体切换装置，所述激光器直腔内从左至右放置有813nm半导体激光器、传能光纤、第一聚焦镜、第二聚焦镜、第一45度分束镜、中红外参量光输出镜、多晶体切换装置、中红外参量光全反镜、第二45度分束镜；所述激光器折形腔内放置有1084nm基频光全反镜、第三45度分束镜、色散棱镜、感光元件和单片机，1084nm基频光全反镜与第二45度分束镜的位置相对；第三45度分束镜与第一45度分束镜的位置相对应，色散棱镜与第三45度分束镜的位置相对应；感光元件与色散棱镜的位置相对应；单片机与感光元件和多晶体切换装置连接。

权利要求

1.一种快速启动中红外激光器，其特征在于，所述激光器包括813nm半导体激光器、传能光纤、第一聚焦镜、第二聚焦镜、第一45度分束镜、中红外参量光输出镜、多晶体切换装置、中红外参量光全反镜、1084nm基频光全反镜、第二45度分束镜、单片机、第三45度分束镜、色散棱镜和感光元件，其中：所述快速启动中红外激光器的直腔内从左至右放置有813nm半导体激光器、传能光纤、第一聚焦镜、第二聚焦镜、第一45度分束镜、中红外参量光输出镜、多晶体切换装置、中红外参量光全反镜、第二45度分束镜；

所述快速启动中红外激光器的折形腔内放置有1084nm基频光全反镜、第三45度分束镜、色散棱镜、感光元件和单片机，其中，所述1084nm基频光全反镜与所述第二45度分束镜的位置相对，使得所述第二45度分束镜能够将入射光反射至所述1084nm基频光全反镜；所述第三45度分束镜与所述第一45度分束镜的位置相对应，所述色散棱镜与所述第三45度分束镜的位置相对应，使得所述第三45度分束镜能够反射一部分激光至所述色散棱镜；所述感光元件与所述色散棱镜的位置相对应，使得所述感光元件能够感应到所述色散棱镜分解输出的不同波长的激光；所述单片机与所述感光元件和多晶体切换装置连接；

所述多晶体切换装置包括底座、多晶体承载装置、多块不同极化周期的Nd:MgO:PPLN晶体和步进电机，所述底座上表面设有弧形凹槽，用于承载所述多晶体承载装置，固定所述步进电机，所述底座与所述多晶体承载装置可相对移动式连接，所述底座与所述步进电机进行机械传动；所述多晶体承载装置为弧形，设置于所述底座弧形凹槽内，其内表面平行铺设多块不同极化周期的MgO:PPLN晶体。

2.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述单片机、色散棱镜、感光元件、多晶体切换装置构成波长反馈式多晶体切换结构。

3.根据权利要求1‑2任一所述的激光器，其特征在于，所述中红外参量光输出镜、所述多晶体切换装置中的Nd:MgO:PPLN晶体和所述中红外参量光全反镜构成所述快速启动中红外激光器的中红外参量振荡腔。

4.根据权利要求3所述的激光器，其特征在于，所述第一45度分束镜、中红外参量振荡腔、所述1084nm基频光全反镜、所述第二45度分束镜构成所述快速启动中红外激光器的

1084nm基频光谐振腔。

5.根据权利要求1、2、4任一所述的激光器，其特征在于，所述第一聚焦镜和第二聚焦镜用于构成变焦耦合镜组，以调节透过所述第一45度分束镜和中红外参量光输出镜聚焦于所述多晶体切换装置中Nd:MgO:PPLN晶体端面的泵浦光斑的大小。

6.根据权利要求1、2、4任一所述的激光器，其特征在于，所述第一45度分束镜用于透射

813nm泵浦光，反射中红外参量光；和/或，

所述中红外参量光输出镜用于透射813nm泵浦光，透射1084nm基频光，以及输出中红外参量光；和/或，所述中红外参量光全反镜用于透射所述1084nm基频光，反射中红外参量光；和/或，所述1084nm基频光全反镜用于反射所述1084nm基频光；和/或，所述第二45度分束镜用于反射所述1084nm基频光至所述1084nm基频光全反镜；和/或，所述第三45度分束镜用于透射所述中红外参量光，反射一部分3.8μm中红外参量光至所述色散棱镜；和/或，所述色散棱镜用于分解出所述3.8μm中红外参量光中不同波长的激光。

7.根据权利要求1、2、4任一所述的激光器，其特征在于，所述感光元件用于感应所述色散棱镜输出的不同波长的激光，对色散棱镜所偏折的中红外参量光进行光谱分析，并且向所述单片机发送电信号。

8.根据权利要求1、2、4任一所述的激光器，其特征在于，所述单片机用于接收感光元件的电信号并进行分析，同时向所述多晶体切换装置中的步进电机发送PWM脉冲信号以控制步进电机的转速。

9.一种可用于权利要求1‑8任一所述的快速启动中红外激光器的多晶体切换装置，其特征在于，所述多晶体切换装置包括底座、多晶体承载装置、多块不同极化周期的Nd:MgO:PPLN晶体和步进电机，其中：

所述底座用于承载所述多晶体承载装置，固定所述步进电机，所述底座与所述多晶体承载装置可相对移动式连接，所述底座与所述步进电机进行机械传动；

所述多晶体承载装置用于承载多块不同极化周期的MgO:PPLN晶体。

说明书

一种快速启动中红外激光器及相应的多晶体切换装置

技术领域

[0001] 本发明涉及激光器领域，尤其涉及一种快速启动中红外激光器及相应的多晶体切换装置。

背景技术

[0002] 中红外激光(3～5μm)具有广泛的应用背景。3～5μm波段的激光是处于大气投射窗口的极其重要的波段之一，这个波段的激光被广泛应用于光电对抗、遥感探测、光谱分析、医疗诊断等军民领域，有着重要的研究意义。

[0003] 中红外光参量振荡技术(OPO)具有结构精细紧凑、波长调谐范围广、输出功率高等优点。周期极化铌酸锂晶体(PPLN)具有非线性系数较大、通光范围广、温度调谐方便、波长调谐方式多样等优点，因此逐渐成为国内外研究的热点。

[0004] 目前，在传统MgO:PPLN‑OPO研究基础上利用MgO:PPLN材料极化结构设计上自由度可灵活把控的突出特点，在MgO:PPLN材料中掺入Nd3+离子，在只有一个光学元件的系统内形成了激光增益、光参量振荡两种物理过程，因此为快速启动中红外激光器实现小型化、集成化目标提供了新的研究导向。

[0005] 传统的多晶体切换装置体积庞大、切换速度慢、可承载的晶体数量少，因此发明一种结构紧凑、晶体切换精准迅速、光机电集成化程度高、可承载大量不同周期极化晶体的波长反馈式多晶体切换装置具有重要意义。

发明内容

[0006] 为了解决上述问题，本发明提供了一种快速启动中红外激光器，及相应的多晶体切换装置，通过激光技术和单片机技术的应用可以实现3.8μm中红外激光的快速输出，突破了传统快速启动中红外激光器无法通过快速切换周期极化晶体以适应复杂环境快速输出激光的技术局限，也解决了目前快速启动中红外激光器体积庞大、调节困难和集成化程度低的问题。

[0007] 根据本发明的一方面，提供一种快速启动中红外激光器，所述快速启动中红外激光器包括813nm半导体激光器、传能光纤、第一聚焦镜、第二聚焦镜、第一45度分束镜、中红外参量光输出镜、多晶体切换装置、中红外参量光全反镜、1084nm基频光全反镜、第二45度分束镜、单片机、第三45度分束镜、色散棱镜和感光元件，其中：

[0008] 所述快速启动中红外激光器的直腔内从左至右放置有813nm半导体激光器、传能光纤、第一聚焦镜、第二聚焦镜、第一45度分束镜、中红外参量光输出镜、多晶体切换装置、中红外参量光全反镜、第二45度分束镜；

[0009] 所述快速启动中红外激光器的折形腔内放置有1084nm基频光全反镜、第三45度分束镜、色散棱镜、感光元件和单片机，其中，所述1084nm基频光全反镜与所述第二45度分束镜的位置相对，使得所述第二45度分束镜能够将入射光反射至所述1084nm基频光全反镜；所述第三45度分束镜与所述第一45度分束镜的位置相对应，所述色散棱镜与所述第三45度分束镜的位置相对应，使得所述第三45度分束镜能够反射一部分激光至所述色散棱镜；所述感光元件与所述色散棱镜的位置相对应，使得所述感光元件能够感应到所述色散棱镜分解输出的不同波长的激光；所述单片机与所述感光元件和多晶体切换装置连接。

[0010] 可选地，所述多晶体切换装置包括底座、多晶体承载装置、多块不同极化周期的Nd:MgO:PPLN晶体和步进电机，其中：

[0011] 所述底座用于承载所述多晶体承载装置，固定所述步进电机，所述底座与所述多晶体承载装置可相对移动式连接，所述底座与所述步进电机进行机械传动；

[0012] 所述多晶体承载装置用于承载多块不同极化周期的MgO:PPLN晶体。

[0013] 可选地，所述单片机、色散棱镜、感光元件、多晶体切换装置构成波长反馈式多晶体切换结构。

[0014] 可选地，所述中红外参量光输出镜、所述多晶体切换装置中的Nd:MgO:PPLN晶体和所述中红外参量光全反镜构成所述快速启动中红外激光器的中红外参量振荡腔。

[0015] 可选地，所述第一45度分束镜、中红外参量振荡腔、所述1084nm基频光全反镜、所述第二45度分束镜1所述第三45度分束镜构成所述快速启动中红外激光器的1084nm基频光谐振腔。

[0016] 可选地，所述第一聚焦镜和第二聚焦镜用于构成变焦耦合镜组，以调节透过所述第一45度分束镜和中红外参量光输出镜聚焦于所述多晶体切换装置中Nd:MgO:PPLN晶体端面的泵浦光斑的大小。

[0017] 可选地，所述第一45度分束镜用于透射所述813nm泵浦光，反射中红外参量光；和/或，

[0018] 所述中红外参量光输出镜用于透射所述813nm泵浦光，反射1084nm基频光，以及输出中红外参量光；和/或，

[0019] 所述中红外参量光全反镜用于透射所述1084nm基频光，反射中红外参量光；和/或，

[0020] 所述1084nm基频光全反镜用于反射所述1084nm基频光；和/或，

[0021] 所述第二45度分束镜用于反射所述1084nm基频光至所述1084nm基频光全反镜；和/或，

[0022] 所述第三45度分束镜用于透射所述中红外参量光，反射一部分3.8μm中红外参量光至所述色散棱镜；和/或，

[0023] 所述色散棱镜用于分解出所述3.8μm中红外参量光中不同波长的激光。

[0024] 可选地，所述感光元件用于感应所述色散棱镜输出的不同波长的激光，对色散棱镜所偏折的中红外参量光进行光谱分析，并且向所述单片机发送电信号。

[0025] 可选地，所述单片机用于接收感光元件的电信号并进行分析，同时向所述多晶体切换装置中的步进电机发送PWM脉冲信号以控制步进电机的转速。

[0026] 根据本发明的另一方面，还提供一种可用于上述快速启动中红外激光器的多晶体切换装置，所述多晶体切换装置包括底座、多晶体承载装置、多块不同极化周期的Nd:MgO:PPLN晶体和步进电机，其中：

[0027] 所述底座用于承载所述多晶体承载装置，固定所述步进电机，所述底座与所述多晶体承载装置可相对移动式连接，所述底座与所述步进电机进行机械传动；

[0028] 所述多晶体承载装置用于承载多块不同极化周期的MgO:PPLN晶体。

[0029] 本发明提供的技术方案的有益效果是：相比于传统多晶体切换机构，本发明利用特殊结构的多晶体承载装置可以安装更多数量的周期极化晶体，利用色散棱镜和感光元件可以进行激光波长分析，利用单片机可以控制步进电机带动多晶体承载装置转动使得周期极化晶体快速到达准确的通光位置，从而实现3.8μm中红外激光的快速输出。本发明在突破了传统快速启动中红外激光器不能同承载大量周期极化晶体以适应复杂的工作环境迅速输出中红外激光的同时，不仅可以根据波长反馈及时切换不同周期的晶体以实现3.8μm中红外激光的稳定输出，而且解决了目前快速启动中红外激光器结构复杂的问题，推动了快速启动中红外激光器向着小型化、光机电算高度集成化方向发展。

附图说明

[0030] 图1为根据本发明一实施例的一种快速启动中红外激光器的结构示意图。

[0031] 图2为根据本发明一实施例的多晶体切换装置的结构示意图。

[0032] 图3为根据本发明另一实施例的多晶体切换装置的结构示意图。

[0033] 图4为根据本发明一实施例的多晶体切换装置的运行流程图。

[0034] 各附图标记所指代的结构组件为：

[0035] 1：813nm半导体激光器；2：传能光纤；3：第一聚焦镜；4：第二聚焦镜；5：第一45度分束镜；6：中红外参量光输出镜；7：多晶体切换机构；8：中红外参量光全反镜；9：1084nm基频光全反镜；10：第二45度分束镜；11：单片机；12：第三45度分束镜；13：色散棱镜；14：感光元件；15：多晶体切换机构底座；16：多晶体承载装置；17：Nd:MgO:PPLN晶体；18：步进电机具体实施方式

[0036] 下文中，将参考附图详细描述本公开实施例的示例性实施方式，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。

[0037] 在本公开实施例中，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。

[0038] 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实施例。

[0039] 图1为根据发明一实施例的一种快速启动中红外激光器的结构示意图，如图1所示，所述快速启动中红外激光器包括813nm半导体激光器1、传能光纤2、第一聚焦镜3、第二聚焦镜4、第一45度分束镜5、中红外参量光输出镜6、多晶体切换装置7、中红外参量光全反镜8、1084nm基频光全反镜9、第二45度分束镜10、单片机11、第三45度分束镜12、色散棱镜13和感光元件14，其中：

[0040] 所述快速启动中红外激光器的直腔内从左至右放置有813nm半导体激光器1、传能光纤2、第一聚焦镜3、第二聚焦镜4、第一45度分束镜5、中红外参量光输出镜6、多晶体切换装置7、中红外参量光全反镜8、第二45度分束镜10；

[0041] 所述快速启动中红外激光器的折形腔内放置有1084nm基频光全反镜9、第三45度分束镜12、色散棱镜13、感光元件14和单片机11，其中，所述1084nm基频光全反镜9与所述第二45度分束镜10的位置相对，使得所述第二45度分束镜10能够将入射光反射至所述1084nm基频光全反镜9；所述第三45度分束镜12与所述第一45度分束镜5的位置相对应，所述色散棱镜13与所述第三45度分束镜12的位置相对应，使得所述第三45度分束镜12能够反射一部分激光至所述色散棱镜13；所述感光元件14与所述色散棱镜13的位置相对应，使得所述感光元件14能够感应到所述色散棱镜13分解输出的不同波长的激光；所述单片机11与所述感光元件14和多晶体切换装置7连接。

[0042] 具体地：

[0043] 所述813nm半导体激光器1用于发射813nm泵浦光。

[0044] 所述传能光纤2用于将所述813nm泵浦光依次传输至所述第一聚焦镜3和所述第二聚焦镜4。

[0045] 所述第一聚焦镜3和第二聚焦镜4用于构成变焦耦合镜组，以调节透过所述第一45度分束镜5和中红外参量光输出镜6聚焦于所述多晶体切换装置7中Nd:MgO:PPLN晶体17端面的泵浦光斑的大小，比如可将所述泵浦光调节为半径为400μm的泵浦光斑，透过所述第一45度分束镜5和中红外参量光输出镜6聚焦于所述Nd:MgO:PPLN晶体17的端面。

[0046] 所述第一45度分束镜5用于透射所述813nm泵浦光，反射中红外参量光。

[0047] 所述中红外参量光输出镜6用于透射所述813nm泵浦光，反射1084nm基频光，以及输出中红外参量光。

[0048] 所述多晶体切换装置7用于承载多块不同极化周期的Nd:MgO:PPLN晶体17，以根据实际应用的需要进行晶体的切换。

[0049] 所述中红外参量光全反镜8用于透射所述1084nm基频光，反射中红外参量光。

[0050] 所述1084nm基频光全反镜9用于反射所述1084nm基频光。

[0051] 所述第二45度分束镜10用于反射所述1084nm基频光至所述1084nm基频光全反镜9。

[0052] 所述第三45度分束镜12用于透射所述中红外参量光，反射一部分3.8μm中红外参量光至所述色散棱镜13。

[0053] 所述色散棱镜13用于分解出所述3.8μm中红外参量光中不同波长的激光。

[0054] 所述感光元件14用于感应所述色散棱镜13输出的不同波长的激光，对色散棱镜13所偏折的中红外参量光进行光谱分析，并且向所述单片机11发送电信号。

[0055] 所述单片机11用于接收感光元件14的电信号并进行分析，同时向所述多晶体切换装置7中的步进电机18发送PWM脉冲信号以控制步进电机18的转速。

[0056] 图2为根据发明一实施例的多晶体切换装置的结构示意图，如图2所示，所述多晶体切换装置包括底座15、多晶体承载装置16、多块不同极化周期的Nd:MgO:PPLN晶体17和步进电机18；其中：

[0057] 所述底座15用于承载所述多晶体承载装置16，固定所述步进电机18，所述底座15与所述多晶体承载装置16可相对移动式连接，比如使用滑轨连接，所述底座15与所述步进电机18比如使用齿轮传动的方式进行机械传动。

[0058] 所述多晶体承载装置16用于承载多块不同极化周期的MgO:PPLN晶体17。

[0059] 所述Nd:MgO:PPLN晶体17用作产生1084nm基频光和中红外参量光的增益介质和变频介质，其在813nm泵浦光的泵浦作用下，产生1084nm基频光，所述1084nm基频光后续通过非线性光学效应产生中红外参量光。其中，所述快速启动中红外激光器输出中红外参量光的波长与1084nm基频光在对应的晶体极化周期通道间驰豫振荡的路径有关。更具体地，所述Nd:MgO:PPLN晶体17卡在预设金属夹具中并安置在所述晶体承载装置16中，当所述Nd:MgO:PPLN晶体17端面位于所述底座15的滑轨最低点位置时为所述Nd:MgO:PPLN晶体17正确的通光位置。

[0060] 所述步进电机18用于在接收到所述快速启动中红外激光器中单片机11发送的脉冲信号时带动所述多晶体承载装置16转动到合适的位置。

[0061] 在本发明一实施例中，所述813nm半导体激光器1的波长为813nm，纤芯半径为200μm、数值孔径0.22。

[0062] 在本发明一实施例中，所述第一45度分束镜5镀有45度角膜，813nm泵浦光高透膜，中红外参量光高反膜。

[0063] 在本发明一实施例中，所述中红外参量光输出镜6为平平镜，镀有1084nm基频光高透膜与中红外参量光高透膜。

[0064] 在本发明一实施例中，所述中红外参量光全反镜8为平平镜，镀有中红外参量光高反膜与1084nm基频光高透膜。

[0065] 在本发明一实施例中，所述1084nm基频光全反镜9为平凹镜，镀有1084nm基频光高反膜。

[0066] 在本发明一实施例中，所述第二45度分束镜10镀有1084nm基频光高反膜。

[0067] 在本发明一实施例中，所述单片机11在接收感光元件14的波长感应数据并进行分析后，向所述步进电机18发送PWM脉冲信号，控制步进电机精确地旋转定位。

[0068] 在本发明一实施例中，所述第三45度分束镜12镀有中红外参量光高透膜，透过率98％。

[0069] 在本发明一实施例中，所述色散棱镜13镀有中红外参量光高透膜。

[0070] 在本发明一实施例中，所述Nd:MgO:PPLN晶体17采用a轴切割，尺寸为：厚×宽×长＝2mm×6mm×40mm，MgO掺杂浓度设置为5％，Nd3+离子掺杂浓度设置为0.4％，两端镀有增透膜，比如对3.7～4.2μm波段参量光增透。本发明由于采用多晶体设计，因此有多块不同极化周期的所述Nd:MgO:PPLN晶体17被采用，极化周期长度范围覆盖了28～32μm。

[0071] 在本发明一实施例中，所述步进电机18用于接收脉冲信号并将其转化为角位移，以带动所述多晶体承载装置16转动到合适的位置。

[0072] 其中，所述单片机11、色散棱镜13、感光元件14、多晶体切换装置7构成了波长反馈式多晶体切换结构。

[0073] 其中，所述中红外参量光输出镜6、所述多晶体切换装置7中的Nd:MgO:PPLN晶体17和所述中红外参量光全反镜8构成所述快速启动中红外激光器的中红外参量振荡腔；所述第一45度分束镜5、中红外参量振荡腔、所述1084nm基频光全反镜9、所述第二45度分束镜10、所述第三45度分束镜12构成所述快速启动中红外激光器的1084nm基频光谐振腔。

[0074] 基于上述方案，所述813nm半导体激光器1发射波长为813nm的泵浦光，所述813nm泵浦光透过所述传能光纤2、第一聚焦镜3、第二聚焦镜4、第一45度分束镜5、中红外参量光输出镜6之后由左端聚焦至所述多晶体切换装置7中的Nd:MgO:PPLN晶体17中，构成单端泵浦模式，所述Nd:MgO:PPLN晶体17吸收主峰波长的泵浦光后形成粒子数反转，当1084nm基频光谐振腔中增益大于损耗时，所述Nd:MgO:PPLN晶体17受激发射1084nm基频光，1084nm基频光透过中红外参量光全反镜8被所述1084nm基频光全反镜9反射进入中红外参量振荡腔，1084nm基频光在中红外参量振荡腔中参与非线性频率变换，当中红外参量振荡腔中增益大于损耗时，由中红外参量光输出镜6输出3.8μm中红外参量光。

[0075] 图1展示了1084nm基频光和3.8μm中红外参量光在快速启动中红外激光器中的传播路径，其中，虚线表示1084nm基频光，实线表示3.8μm中红外参量光。

[0076] 图4为根据本发明一实施例的多晶体切换装置的运行流程图，其中，所述感光元件14判断所接收的所述色散棱镜13偏折的中红外参量光的波长是否为3.8μm，如果中红外参量光的波长是3.8μm，则直接输出激光；如果中红外参量光的波长不是3.8μm，则所述单片机
11向步进电机18发送PWM脉冲信号控制步进电机18旋转并带动所述晶体承载装置16在滑轨上移动到合适的通光位置，旋转编码器是确保步进电机的旋转精度能够达到要求的器件，因此安装旋转编码器并通过联轴器连接步进电机，以实时检测转子位置并向所述单片机11发送电信号，以最终保证晶体位置的精确度。

[0077] 综上，本发明的目的在于解决用于快速启动中红外激光器的多晶体切换装置不能实时感应波长切换周期极化晶体并且稳定性差的问题。通过在激光器的折形腔内搭建45度分光镜对激光器输出的中红外参量光进行分束并反射一小部分中红外参量光入射进色散棱镜，通过色散棱镜对不同波长的中红外参量光进行偏折，偏折出的不同波长激光准确的入射到不同的感光元件上，通过产生强烈反应的感光元件向单片机发射电信号，通过单片机分析感光元件反馈的电信号判断中红外激光的波长并控制多晶体切换装置切换相应极化周期的Nd:MgO:PPLN晶体，最终实现3.8μm中红外激光的输出，并且在保证应用指标的同时，实现了结构紧凑、工作可靠、传动效率高、多晶体切换精准的波长反馈式多晶体切换装置。

[0078] 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。