本发明涉及一种基于扇形极化ppln的泵浦增强光参量振荡器，属于激光器，具体为连续光光参量振荡器。
背景技术：
1、中红外激光(波长范围3～5μm)在环境监测、红外遥感、激光雷达、军事对抗等领域具有巨大的应用潜力，是当前科学研究的重点领域。光学参量振荡器(opo)是实现3～5μm波段激光的主要方式之一，而连续光光参量振荡器在其中有着重要的价值。opo利用非线性晶体，将短波长的泵浦光转换为波长较长的信号光和闲频光，从而实现了高效稳定的激光输出。这种技术的应用前景广阔，有望在各种实际应用中发挥重要作用。
2、对于连续opo，调谐性能是非常重要的一个指标。调谐的范围越大，对应的可传感的光谱和可使用的场景越多。然而非线性过程需要晶体与光波满足相位匹配，而晶体可改变的条件有限，所以一般的连续opo的调谐范围小，应用场景有限。
3、不仅如此，在连续opo中，受限于非线性变频过程的特性，对应的阈值一般较大，而且在低泵浦功率下转换效率较低。即使通常情况下使用对信号光高反射率的腔镜，对阈值的降低效果也十分有限。而这种方式会降低输出中红外激光的最大功率，因为腔内信号光功率过高会发生逆转换现象及晶体中出现热透镜效应，影响高功率时opo的输出性能。所以即使对中红外激光器输出功率要求不高的场景下，也需要较高功率的泵浦，不利于中红外激光器的小型化和集成化。
4、对于连续光光参量振荡器，如何提高调谐范围以及有效提高低功率下的转换效率是实现激光器小型化、集成化、实用化的关键问题之一。
5、为了扩大连续光opo的调谐范围，通常采用准相位匹配技术。在这种技术中，使用周期极化铌酸锂(ppln)晶体，并通过调节温度来改变准相位匹配条件，从而实现调谐。另一种方法是使用多周期极化的ppln晶体，通过使用不同的极化周期结合调节温度，可以达到连续的较大调谐范围。还有一种方法是使用扇形极化的ppln晶体，通过使用不同位置对应的不同极化周期，可以实现大范围的调谐，减少对温度调节的依赖，仅通过晶体的位移就可以实现大范围的调谐。
6、为了提高连续opo在低泵浦功率下的转换效率，典型的方法是使用泵浦增强技术。这种技术通常使用对泵浦光具有高反射率的镜片作为输入耦合镜，其反射率r>90％，同时，其余的腔镜也采用对泵浦光具有高反射率的镜片。当满足泵浦光的相干条件时，透射进入腔内的部分泵浦光会在腔内持续振荡，相干增强，此时腔内振荡的泵浦光功率将远高于腔外，从而有效地降低阈值。
7、然而，由于泵浦光的线宽通常较窄，因此对等效腔长非常敏感，微小的空气扰动或温度变化都可能导致腔内振荡功率发生较大的波动。因此，通常采用pound-drever-hall(pdh)技术对腔长进行主动控制，使腔内泵浦振荡功率始终稳定在最大值。但是以上现有方案存在以下缺点：
8、1)在常见的基于扇形极化ppln晶体的opo中，由于晶体极化周期是渐变的，泵浦光束腰处的极化周期并非固定。这导致束腰边缘的泵浦光无法精确满足相位匹配条件，阈值升高且转换效率降低。
9、2)在常见的单通或双通的基于扇形极化ppln晶体的opo中，输出功率随着调谐波长的变化波动较大，不利用实际使用。
10、3)在常见的泵浦增强opo中，由于采用对泵浦光较高反射率的输入耦合镜(>90％)，不满足阻抗匹配，泵浦增强效果会随泵浦光强的提高而快速减弱。因此，转换效率较高的闲频光输出区间很小，一般对应的输出功率仅为百毫瓦级别。
11、4)pdh技术需要使用电光调制器，并以mhz级别的频率对腔模信号进行调制。这对设备的性能要求较高，不利于设备的小型化和集成化。
技术实现思路
1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于满足阻抗匹配的部分透过输入耦合镜的泵浦增强技术。并将该技术应用于基于扇形极化ppln的opo上，实现覆盖宽调谐范围、宽功率范围的高效中红外激光输出，并提高整个调谐范围内输出功率的一致性，以应对不同的使用场景，同时兼顾小型化和集成化。
2、本发明还提供了上述基于扇形极化ppln的泵浦增强opo和对应的主动控制方法和应用。
3、本发明能实现快速大范围的调谐输出，以高效地完成光谱探测或其他场景需求。
4、术语解释：
5、lfgl：低频增益限制模式。
6、lock on:p-i滤波器启用全积分器。
7、本发明的技术方案为：
8、一种基于扇形极化ppln的泵浦增强光参量振荡器，包括光参量振荡器模块和控制模块；
9、所述光参量振荡器模块包括匹配镜组、第一腔镜、第二腔镜、第三腔镜、第四腔镜、扇形极化ppln晶体、温控炉、电控位移台和光束终止器；
10、泵浦光经过所述匹配镜组、第一腔镜汇聚到所述扇形极化ppln晶体中心处，再到所述第二腔镜后反射到所述第三腔镜，到所述第四腔镜反射回所述第一腔镜后形成腔内循环，实现自再现；未利用的泵浦光将从第一腔镜部分出射，由光束终止器接收；
11、所述控制模块包括压电陶瓷、光电探测器、锁相放大器、伺服控制器、高压放大器；
12、所述光电探测器置于所述第三腔镜后，所述光电探测器的输出端口与所述锁相放大器的输入端口相连，所述锁相放大器的输出端口与所述伺服控制器的输入端口a相连，所述锁相放大器的参考信号输出端口与所述伺服控制器的扫描信号输入端口相连，所述伺服控制器的输出端口与所述高压放大器输入端口相连，所述高压放大器输出端口与所述压电陶瓷相连；
13、使用所述锁相放大器产生的参考信号由所述高压放大器放大后直接驱动所述压电陶瓷，对泵浦光腔内振荡强度信号即腔模信号进行调制，再由所述光电探测器接收腔模信号，经过所述锁相放大器与参考信号解调得到误差信号；由所述伺服控制器根据误差信号主动控制所述压电陶瓷的驱动电压，使腔内泵浦光保持稳定。
14、根据本发明优选的，所述光电探测器接收腔模信号，转化为电信号，输入到所述锁相放大器的信号输入端口；
15、所述锁相放大器从干扰环境中分离出特定载波频率信号并放大，所述锁相放大器将从所述光电探测器接收到的信号解调得到误差信号，并从输出端口将误差信号输出到所述伺服控制器的输入端口a；
16、所述伺服控制器接收被控对象的实时数据采集的信号与设定值比较产生的误差信号，通过比例、积分和微分计算进行控制，通过对得到的误差信号进行分析，计算出需要的输出控制信号，从而主动控制目标参数稳定；
17、所述高压放大器将输入电压信号放大后输出，同时设置偏置电压。
18、根据本发明优选的，所述扇形极化ppln晶体的极化周期沿入射端面的宽度方向连续均匀变化，不同的入射位置对应不同的周期；所述扇形极化ppln晶体的表面镀对于泵浦光、信号光、闲频光高透过率的膜。
19、根据本发明优选的，所述扇形极化ppln晶体的极化周期为26-36μm，长为10-80mm，宽为1-15mm，高为0.5-3mm，表面镀有在0.8-1.2μm、1.2-2.0μm、2-5μm波段高透的膜层。
20、进一步优选的，所述扇形极化ppln晶体的极化周期为30-31.8μm，长为50mm，宽为8mm，高为1mm，表面镀有在1.06μm、1.46-1.66μm、2.9-3.6μm波段高透的膜层。
21、根据本发明优选的，光参量振荡器还包括温控炉；
22、所述扇形极化ppln晶体放置于所述温控炉中；所述温控炉用来控制扇形极化ppln晶体的温度。
23、根据本发明优选的，光参量振荡器还包括电控位移台；
24、所述电控位移台上放置有所述温控炉；
25、所述电控位移台的精度为0.1-100nm，行程为1-100mm，位移速度为最大3mm/s。
26、进一步优选的，所述电控位移台的精度为4nm，行程为10mm。
27、根据本发明优选的，泵浦光波长为0.8-1.2μm，生成的信号光波长为1.2-2.0μm，对应的闲频光波长为2-5μm。
28、进一步优选的，泵浦光波长为1.06μm，生成的信号光波长为1.46-1.66μm，对应的闲频光波长为2.9-3.6μm。
29、根据本发明优选的，所述匹配镜组两侧镀有在0.8-1.2μm波段高透的膜层，包括一到多片凸透镜，在0.8-1.2μm波段焦距为50-300mm。
30、进一步优选的，所述匹配镜组两侧镀有在1.06μm波长高透的膜层，包含两片凸透镜，在1.06μm波长焦距为100mm，通过两片凸透镜将泵浦光斑匹配到opo腔中，与腔振荡模式匹配。
31、根据本发明优选的，所述第一腔镜为凹面镜，内侧球面半径为25-300mm，外侧镀在0.8-1.2μm波段高透膜，内侧镀在0.8-1.2μm波段反射率r为30-90％、在1.2-2.0μm波段高反的膜层；
32、所述第二腔镜为凹面镜，内侧球面半径为25-300mm，内侧镀在2-5μm波段高透，在0.8-1.2μm波段和1.2-2.0μm波段高反的膜层，外侧镀在2-5μm波段高透的膜层；
33、所述第三腔镜为平面镜，内侧镀在0.8-1.2μm和1.2-2.0μm波段高反的膜层；
34、所述第四腔镜为平面镜，内侧镀在0.8-1.2μm波段高反，在1.2-2.0μm波段反射率r为90-99.8％的膜层，外侧镀在1.2-2.0μm波段高透的膜层。
35、进一步优选的，所述第一腔镜为凹面镜，内侧球面半径为100mm，外侧镀对于1.06μm波长高透膜，内侧镀对于1.06μm波长反射率r为60％、在1.46-1.66μm波段高反的膜层；
36、所述第二腔镜为凹面镜，内侧球面半径为100mm，内侧镀在2.9-3.6μm波段高透，在1.06μm波长和1.46-1.66μm波段高反的膜层，外侧镀在2.9-3.6μm波段高透的膜层；
37、所述第三腔镜为平面镜，内侧镀在1.06μm波长和1.46-1.66μm波段高反的膜层；
38、所述第四腔镜为平面镜，内侧镀在1.06μm波长高反，在1.46-1.66μm波段反射率r为98.5％的膜层，外侧镀在1.46-1.66μm波段高透的膜层。
39、所述光束终止器为20w及以上功率光束终止器。
40、上述基于扇形极化ppln的泵浦增强光参量振荡器的主动稳定方法，包括：
41、1)锁相放大器将正弦信号即参考信号输送到伺服控制器，作为扫描信号，再输送到高压放大器，经放大后，输送到压电陶瓷，对谐振腔腔长进行调制；
42、2)调节伺服控制器输出的扫描信号的幅值，调节第一腔镜、第二腔镜、第三腔镜、第四腔镜，得到尖锐的腔模信号；
43、3)腔模信号由锁相放大器与参考信号进行混频处理，得到误差信号，并输送到伺服控制器；调节参考信号与腔模信号的相位差、误差信号的偏置以及压电陶瓷偏置电压，使误差信号为0的位置对应腔模信号最大值的位置，且误差信号在零点的斜率较大；
44、4)打开伺服控制器的控制开关至lfgl模式，使腔模信号和误差信号不跳变，接着减小扫描信号的幅值，使腔模信号由尖峰状逐渐平直，并处于尖峰最大值水平；
45、5)打开伺服控制器的控制开关至lock on模式，对谐振腔腔长进行完全锁定，使闲频光输出功率稳定。
46、上述基于扇形极化ppln的泵浦增强光参量振荡器的调谐方法，包括：调节电控位移台位置，使泵浦光从不同的位置入射扇形极化ppln晶体，使用扇形极化ppln晶体不同的极化周期，得到不同的输出波长。
47、上述基于扇形极化ppln的泵浦增强光参量振荡器的应用，包括在高精细度大范围快速光谱探测方面的应用。
48、上述基于扇形极化ppln的泵浦增强光参量振荡器的应用，包括在光谱成像激光雷达方面的应用。
49、本发明与现有的基于扇形极化ppln的光参量振荡器相比，其显著的优点是：
50、1、本发明采用在1.06μm波长处反射率r＝60％的输入耦合镜，使光参量振荡器能在更大的泵浦光功率范围和更大的调谐范围内高效运行，将高效输出的范围从百毫瓦提高到2w，以扩宽应用场景。
51、2、本发明克服普通基于扇形极化ppln的光参量振荡器输出功率随输出波长变化而产生较大波动的缺点，使整个调谐范围都能达到2w的输出功率，最高2.53w的输出功率。
52、3、本发明采用低频调制解调方法的主动控制技术，能够在大范围稳定腔内泵浦光功率以实现稳定的闲频光输出。同时可省去光电调制器，并且降低对器件的性能要求，更有利于小型化、集成化。
1.一种基于扇形极化ppln的泵浦增强光参量振荡器，其特征在于，包括光参量振荡器模块和控制模块；
2.根据权利要求1所述的一种基于扇形极化ppln的泵浦增强光参量振荡器，其特征在于，所述光电探测器接收腔模信号，转化为电信号，输入到所述锁相放大器的信号输入端口；
3.根据权利要求1所述的一种基于扇形极化ppln的泵浦增强光参量振荡器，其特征在于，所述扇形极化ppln晶体的极化周期沿入射端面的宽度方向连续均匀变化，不同的入射位置对应不同的周期；所述扇形极化ppln晶体的表面镀对于泵浦光、信号光、闲频光高透过率的膜；
4.根据权利要求1所述的一种基于扇形极化ppln的泵浦增强光参量振荡器，其特征在于，光参量振荡器还包括温控炉；
5.根据权利要求1所述的一种基于扇形极化ppln的泵浦增强光参量振荡器，其特征在于，泵浦光波长为0.8-1.2μm，生成的信号光波长为1.2-2.0μm，对应的闲频光波长为2-5μm；
6.根据权利要求1所述的一种基于扇形极化ppln的泵浦增强光参量振荡器，其特征在于，所述第一腔镜为凹面镜，内侧球面半径为25-300mm，外侧镀在0.8-1.2μm波段高透膜，内侧镀在0.8-1.2μm波段反射率r为30-90％、在1.2-2.0μm波段高反的膜层；
7.权利要求1-6任一所述的基于扇形极化ppln的泵浦增强光参量振荡器的主动稳定方法，其特征在于，包括：
8.权利要求1-6任一所述的基于扇形极化ppln的泵浦增强光参量振荡器的调谐方法，其特征在于，包括：调节电控位移台位置，使泵浦光从不同的位置入射扇形极化ppln晶体，使用扇形极化ppln晶体不同的极化周期，得到不同的输出波长。
9.权利要求1-6任一所述的基于扇形极化ppln的泵浦增强光参量振荡器的应用，其特征在于，包括在高精细度大范围快速光谱探测方面的应用。
10.权利要求1-6任一所述的基于扇形极化ppln的泵浦增强光参量振荡器的应用，其特征在于，包括在光谱成像激光雷达方面的应用。
