一種大功率遠(yuǎn)程探測(cè)多組分氣體激光器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及中紅外激光器。特別是基于準(zhǔn)相位匹配OPO (光參量振蕩)原理，輸出波長(zhǎng)可調(diào)諧的中紅外激光器。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著工業(yè)化和現(xiàn)代化的突飛猛進(jìn)，環(huán)境污染也變得愈發(fā)嚴(yán)重，環(huán)境污染已成為21世紀(jì)人類所面臨的共同難題。許多污染氣體在大氣中含量較低，但卻必須嚴(yán)格檢測(cè)，如硫氧化物，氮氧化物，甲烷，二氧化硫等。因此。檢測(cè)這些低濃度氣體時(shí)，要求探測(cè)方法具有較高的的靈敏度。目前，靈敏氣體檢測(cè)的方法有很多種。就光學(xué)方法而言，可調(diào)諧二極管激光吸收光譜(TDLAS)是高靈敏氣體濃度檢測(cè)的典型方法，這種方法同時(shí)還具有高速度，高分辨，非接觸，可實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)等優(yōu)勢(shì)。TDLAS檢測(cè)方法要求使用單模性質(zhì)很好的激光光源，要求線寬在MHz量級(jí)。通常的光源采用可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器，由于本身的性質(zhì)，功率常在小功率(<30mff),無法遠(yuǎn)距離測(cè)量。本發(fā)明利用光纖放大器對(duì)種子光頻率的不變特性，作為OPO中紅外轉(zhuǎn)化的泵浦源，進(jìn)行激光中紅外頻率轉(zhuǎn)化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)頻率變化與種子源變化一致的中紅外輸出。
[0003]光譜學(xué)中將波長(zhǎng)范圍為0.75微米到1000微米的光稱為紅外線，其中一般將3至20微米的光稱為中紅外光。此波段的光有很多特性，尤其是3至5微米波段，此波段的光在大氣中傳輸時(shí)損耗較低，是十分重要的大氣紅外窗口 ；除此，該波段還覆蓋了很多碳?xì)錃怏w和其他很多有毒氣體的吸收峰。因此該波段的激光可以用于定向紅外干擾、激光測(cè)距、光譜分析、大氣污染物監(jiān)測(cè)、有毒氣體探測(cè)等。
[0004]目前獲得中紅外激光的方式大致有下面幾種:氣體激光器、量子級(jí)聯(lián)激光器、二極管激光器、固體激光器及其抽運(yùn)光的光參量振蕩器(OPO)，其中隨著作為OPO抽運(yùn)源的固體激光器和光纖激光器的迅猛發(fā)展、新型非線性晶體材料的不斷出現(xiàn)，光參量振蕩技術(shù)取得了重大進(jìn)展，成為了獲得中紅外激光輸出的重要手段。
[0005]光參量振蕩器在產(chǎn)生激光輸出時(shí)具有很多優(yōu)勢(shì):調(diào)諧范圍廣、不受抽運(yùn)波長(zhǎng)約束；可使用多種非線性晶體，而且調(diào)諧方式多樣，包括溫度調(diào)諧、周期調(diào)諧、角度調(diào)諧等；結(jié)構(gòu)緊湊、可全固化，系統(tǒng)穩(wěn)定性增強(qiáng)；可實(shí)現(xiàn)大功率、高光束質(zhì)量、窄線寬輸出等。
[0006]OPO技術(shù)早在1962年就被提出來了，理論被不斷完善，實(shí)驗(yàn)上受限于抽運(yùn)源和非線性晶體，一直很難有重大突破。直到上世紀(jì)80年代，隨著基于雙折射位相匹配(BPM)的晶體的出現(xiàn)，及半導(dǎo)體抽運(yùn)的全固態(tài)激光器的發(fā)展，OPO技術(shù)有了很大的突破。
[0007]上世紀(jì)90年代發(fā)展起來的基于準(zhǔn)位相匹配(QPM)技術(shù)的光學(xué)超晶格材料，如周期極化的鉭酸鋰(PPLT)、鈮酸鋰(PPLN)、摻鎂鈮酸鋰(PPMgO = LN)、磷酸鈦氧鉀等，具有透光范圍寬、有效二階非線性系數(shù)大、吸收損耗小、抗光損傷閾值高的優(yōu)點(diǎn)，把OPO技術(shù)推向了一個(gè)新的高度。
[0008]環(huán)形腔光參量振蕩方法是獲得大功率中紅外激光的方法，目前中紅外激光器普遍為硬鋁，鋼等金屬材料。這樣在輸出激光時(shí)熱量的積蓄會(huì)使金屬材料發(fā)生熱形變，金屬的熱形變會(huì)使泵浦激光束通過晶體的位置發(fā)生改變，從而對(duì)輸出激光的波長(zhǎng)功率產(chǎn)生影響，無法達(dá)到相關(guān)激光應(yīng)用領(lǐng)域如探測(cè)氣體等。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的是，提出一種可用于污染氣體檢測(cè)用的激光源。要求是輸出功率大01.5W)以達(dá)到遠(yuǎn)距測(cè)量的要求，輸出激光頻率要與前端的可調(diào)諧半導(dǎo)體頻率變化一致。且穩(wěn)定性高，不發(fā)生模式跳變，能精準(zhǔn)對(duì)準(zhǔn)氣體的吸收峰。同時(shí)因該激光器基于準(zhǔn)相位匹配OPO原理(光參量振蕩)，可以在較大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了輸出波長(zhǎng)的調(diào)節(jié)。
[0010]本發(fā)明的技術(shù)方案為:一種大功率遠(yuǎn)程探測(cè)多組分氣體激光器，包括窄線寬光纖放大器泵浦源(I)、光學(xué)折鏡系統(tǒng)(2)、光學(xué)參量振蕩器系統(tǒng)(3)、減震外殼(4)。所述窄線寬光纖放大器泵浦源(I)通過光學(xué)折鏡系統(tǒng)(2)將泵浦光注入光學(xué)參量振蕩腔(3)。在諧振腔中通過非線性晶體，將1064nm泵浦光轉(zhuǎn)化為短波長(zhǎng)信號(hào)光和長(zhǎng)波長(zhǎng)閑頻光，同時(shí)因諧振腔的腔鏡鍍膜使信號(hào)光腔內(nèi)振蕩，輸出長(zhǎng)波長(zhǎng)的中紅外波段激光輸出。
[0011]窄線寬光纖放大器泵浦源(1)，其輸出波長(zhǎng)為1064nm，線寬要求為〈50MHz，功率>20ff的紅外激光；
[0012]光學(xué)參量振蕩腔采用環(huán)形腔設(shè)計(jì)。
[0013]所述的光學(xué)參量振蕩器系統(tǒng)(3)，由鍍膜腔鏡、級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)非線性晶體、高精度溫控爐三部分組成；所述鍍膜腔鏡，各腔鏡需要鍍多層膜，參數(shù)為532nmHR，1064nmHT，1.4μπι-2.1 ymHR，3 μπι-4μπιΗΤ。Ml，M2 為平鏡，M3，M4 為凹鏡，曲率半徑 R = -100mm。
[0014]所述級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)非線性晶體，在縱向上設(shè)置兩種周期28.5 μπι，30.3微米的非線性晶體結(jié)構(gòu)，使1064nm泵浦光依次通過非線性晶體，發(fā)生頻率轉(zhuǎn)換?？赏ㄟ^控制晶體溫度來調(diào)諧輸出波長(zhǎng)。
[0015]溫控爐爐體為陶瓷結(jié)構(gòu)，減少熱形變，其控制電路部分采用PID控制電路，測(cè)溫原件為精度為0.01的高精度熱敏電阻PT100。
[0016]減震外殼(4)，外殼與光路板的連接為軟性連接，避免了高頻振蕩對(duì)光路的影響。
[0017]本發(fā)明的有益效果，本發(fā)明輸出功率大(>1.5W)以達(dá)到遠(yuǎn)距測(cè)量的要求，輸出激光頻率與前端的可調(diào)諧半導(dǎo)體頻率變化一致。且穩(wěn)定性高，不發(fā)生模式跳變，能精準(zhǔn)對(duì)準(zhǔn)氣體的吸收峰。該激光器基于準(zhǔn)相位匹配OPO原理(光參量振蕩)，可以在較大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了輸出波長(zhǎng)的調(diào)節(jié)。因所用光學(xué)鏡架元件尺寸均為半英寸大小，大大縮小整體裝置體積。本發(fā)明可穩(wěn)定獲得甲燒和二氧化硫的特征吸收峰3.3 μ m，4 μ m波長(zhǎng)處的大功率連續(xù)激光。
【附圖說明】
[0018]圖1為本發(fā)明整體裝置圖；
[0019]圖2為本發(fā)明光路圖；
[0020]圖3為本發(fā)明光路底板裝置；
[0021]圖4為本發(fā)明28.5 μπι周期晶體溫度調(diào)控曲線；
[0022]圖5為本發(fā)明30.3 μπι周期晶體溫度調(diào)控曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
[0024]本發(fā)明采用工業(yè)生產(chǎn)成熟的1064nm光纖放大器作為OPO的泵浦源，I通過光纖擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)注入到光學(xué)諧振腔中。將一定摻雜濃度的周期極化晶體置于諧振腔振蕩基模的束腰處。通過非線性晶體，1064nm非線性頻率轉(zhuǎn)化為短波長(zhǎng)的閑頻光和長(zhǎng)波長(zhǎng)的信號(hào)光，同時(shí)腔鏡鍍膜對(duì)短波長(zhǎng)閑頻光高反，信號(hào)光高透，以使閑頻光在腔內(nèi)振蕩，輸出中紅外的信號(hào)光。
[0025]使用的非線性摻Mg鈮酸鋰晶體，為了獲得同一塊晶體輸出3.3 μ m，4 μ m，設(shè)計(jì)晶體結(jié)構(gòu)為級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)。所謂級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)就是兩種周期的晶體(非線性摻Mg鈮酸鋰用于產(chǎn)生0P0，可參見本申