CN109149344A - 一种利用激光差频实现超短脉冲中波红外激光输出的脉冲同步的系统 - Google Patents

一种利用激光差频实现超短脉冲中波红外激光输出的脉冲同步的系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开利用激光差频实现超短脉冲中波红外激光输出的脉冲同步的系统，它利用一个高速响应的光电探测器，将高重复频率的超短脉冲泵浦激光器的光脉冲时间序列转化为电脉冲时间序列，并以此电脉冲时间序列控制一个半导体激光器的开和关，该半导体激光器的输出作为激光差频系统用的信号光，泵浦激光和信号光之间的脉冲沿时间同步通过光纤延迟或者自由空间延迟实现。本发明的系统适合于超短脉冲的飞秒、皮秒等被动锁模激光泵源通过激光差频技术实现超短脉冲的中波红外激光输出，具有脉冲适应性好、脉冲同步可靠、激光差频转换效率高、系统结构紧凑、环境稳定性好、适合高功率输出的特点，具有广泛的应用价值。

Description

一种利用激光差频实现超短脉冲中波红外激光输出的脉冲同 步的系统
技术领域
本发明涉及激光产生的技术领域，具体涉及一种利用激光差频实现超短脉冲中波红外激光输出的脉冲同步的系统。
背景技术
超短脉冲的中波红外激光器在激光与物质作用时具有重要的应用价值，超短脉冲的中波红外激光其脉宽一般在飞秒和皮秒水平，波长处于2.0—5.0微米之间。目前，产生超短脉冲中波红外激光输出的一个有效技术手段是激光差频技术。
激光差频技术在原理上是一种光参量转换技术。光参量转换技术通过三波混频或四波混频原理将较短波长的泵浦激光转换为较长波长的激光，光参量转换的技术方案包括自发参量下转换、参量放大和参量振荡。激光差频技术在本质上属于光参量放大，对于实现中波红外输出的激光差频，一般利用一个波长较短、功率较大的激光作为泵光，结合一个近红外波段的激光作为信号光，一起入射到一个激光非线性晶体中，利用非线性参量增益，实现激光从泵光向目标波长的中波红外激光转换。对于超短脉冲的中波红外激光差频，实现激光差频的泵光和信号光二者、或者二者之一必须是超短脉冲，由此激光差频输出的中波红外激光的脉冲才可能是超短脉冲的。为了得到一个高效率的激光差频转换，比较好的配置是采用超短脉冲的泵源结合一个连续波的信号光或时间同步的脉冲信号光一起入射到激光非线性晶体中。
由于超短脉冲激光的脉冲宽度很窄，往往在皮秒或飞秒水平，且产生超短脉冲激光的方法一般都是采用被动锁模技术，因此，超短脉冲激光输出的时间点存在很大的不确定性。这样，激光差频时，超短脉冲的泵浦激光的脉冲时间点往往难以控制，为保证时间同步，差频用信号光往往只能采用连续光。
连续光的峰值功率水平受限于整个信号光激光器的功率水平，一般较小。而较小的峰值功率水平会相当大程度影响激光差频时的光频转换效率。因此，更好的解决办法是采用脉冲工作模式的信号光，以提升信号光的峰值功率水平。但是采用脉冲模式的信号光就有一个与超短脉冲泵浦光的脉冲时间同步问题，入射到激光非线性晶体中时泵浦激光与信号光二组脉冲必须有时间重叠。
发明内容
针对目前超短脉冲中波红外激光差频产生技术中的激光脉冲同步问题，本发明提出一种激光差频系统，以保证激光差频过程中泵浦光与信号光的脉冲同步，并控制信号光的脉冲宽度尽可能窄，使能获得尽可能高的脉冲峰值功率。本发明的激光差频系统适合于超短脉冲的飞秒、皮秒等被动锁模激光泵源通过激光差频技术实现超短脉冲的中波红外激光输出，脉冲适应性好、脉冲同步可靠、激光差频转换效率高、系统结构紧凑、环境稳定性好、适合高功率输出，具有广泛的应用价值。
本发明的目的通过如下的技术方案来实现：
一种利用激光差频实现超短脉冲中波红外激光输出的脉冲同步的系统，其特征在于，该系统包括超短脉冲输出的被动锁模的固体激光器或光纤激光器、激光分束器、激光放大系统、光电探测器、增益调制半导体激光器、空间合束器或者光纤合束器、光学透镜、激光非线性晶体，所述的固体激光器或光纤激光器的脉冲激光输出经过激光分束器后，主要部分进入所述的激光放大系统用于激光功率放大，一小部分入射到所述的光电探测器，并转换为高速电脉冲信号，该高速电脉冲信号作为时间同步信号，连接到增益调制半导体激光器的驱动电路板，并控制所述的增益调制半导体激光器的开或关，所述的增益调制半导体激光器的输出光作为激光差频系统的信号光，功率放大后的超短脉冲泵浦激光与所述的信号光经过空间合束器或者光纤合束器后，一起经过光学透镜入射到激光非线性晶体中，实现激光差频；通过调节激光放大系统中的空间光路或者光纤合束器中的光纤长度，准确控制超短脉冲激光差频时的时间同步，实现高功率的超短脉冲中波红外激光输出。
进一步地，所述的增益调制半导体激光器的输出光经过光纤激光放大系统放大后作为激光差频系统的信号光。
进一步地，所述的被动锁模的固体激光器或光纤激光器的波长为1030-1100nm，脉宽在100飞秒～1纳秒。
进一步地，所述的激光放大系统为固体激光放大器或光纤激光放大器。
进一步地，所述的光电探测器为带宽大于100MHz的光电二极管或带宽大于100MHz的雪崩光电二极管。
进一步地，所述的增益调制半导体激光器的激光输出波长为1400-1600nm。
进一步地，所述的激光非线性晶体为满足相位匹配条件的激光非线性晶体。
进一步地，所述的激光非线性晶体优选为满足双折射相位匹配的单一块状激光晶体或周期性畴极化反转的激光晶体。
本发明的有益效果如下：
本发明的激光差频系统适合于超短脉冲的飞秒、皮秒等被动锁模激光泵源通过激光差频技术实现超短脉冲的中波红外激光输出，脉冲适应性好、脉冲同步可靠、激光差频转换效率高、系统结构紧凑、环境稳定性好、适合高功率输出，能够广泛应用于皮秒、飞秒脉宽的各类超短脉冲中波红外激光器研制中。本发明中，激光脉冲的同步借由光电探测器通过光纤或电缆的长度控制实现，可以获得极高的时间同步精度，信号光的脉冲宽度很容易控制在百皮秒的水平。基于上述原因，按照本发明所述技术，可以在不同的超短脉冲激光泵浦条件下始终保持极高的光频转换效率，并最终获得超高功率的超短脉冲中波红外激光输出。
附图说明
图1是本发明的利用激光差频实现超短脉冲中波红外激光输出的脉冲同步的激光差频系统的原理示意图；
图中，固体激光器或光纤激光器1、激光分束器2、激光放大系统3、光电探测器4、增益调制半导体激光器5、光纤激光放大系统6、空间合束器或者光纤合束器7、光学透镜8、激光非线性晶体9。
具体实施方式
下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明的利用激光差频实现超短脉冲中波红外激光输出的脉冲同步的系统的原理为，一个被动锁模的固体激光器或光纤激光器系统作为超短脉冲激光差频的泵浦源，一个增益调制的半导体激光器作为信号源，一个激光非线性晶体作为激光差频用的光频转换用器件。被动锁模工作的固体激光器或光纤激光器的激光脉冲输出通过一个高速的光电探测器转换为电脉冲，作为驱动增益调制半导体激光器的时间同步信号。
如图1所示，一种利用激光差频实现超短脉冲中波红外激光输出的脉冲同步的系统，其包括超短脉冲输出的被动锁模的固体激光器或光纤激光器1、激光分束器2、激光放大系统3、光电探测器4、增益调制半导体激光器5、光纤激光放大系统6、空间合束器或者光纤合束7、光学透镜8、激光非线性晶体9，固体激光器或光纤激光器1的脉冲激光输出经过激光分束器2后，主要部分进入激光放大系统3用于激光功率放大，一小部分入射到所述的光电探测器4，并转换为高速电脉冲信号，该高速电脉冲信号作为时间同步信号，连接到增益调制半导体激光器5的驱动电路板，并控制增益调制半导体激光器5的开或关，增益调制半导体激光器5的输出光直接作为激光差频系统的信号光，或经过光纤激光放大系统6作为激光差频系统的信号光，功率放大后的超短脉冲泵浦激光与信号光经过空间合束器或者光纤合束器7后，一起经过光学透镜8入射到激光非线性晶体9中，实现激光差频；通过调节激光放大系统3中的空间光路或者光纤合束器7中的光纤长度，准确控制超短脉冲激光差频时的时间同步，实现高功率的超短脉冲中波红外激光输出。
优选地，被动锁模的固体激光器或光纤激光器1的波长为1030-1100nm，脉宽在100飞秒～1纳秒。
优选地，所述的激光放大系统3为固体激光放大器或光纤激光放大器。
优选地，所述的光电探测器4为带宽大于100MHz的光电二极管或带宽大于100MHz的雪崩光电二极管。
优选地，所述的半导体激光器5的激光输出波长为1400-1600nm。
优选地，所述的激光非线性晶体9为满足相位匹配条件的激光非线性晶体。
优选地，所述的激光非线性晶体9为满足双折射相位匹配的单一块状激光晶体或周期性畴极化反转的激光晶体。
激光分束器2是一种部分反射的激光反射镜或者是一个按比例输出的光纤耦合器。
激光放大系统3是一种常规的固体激光放大器或光纤激光放大器。
高速响应光电探测器4是一种带宽大于100MHz的光电二极管或雪崩光电二极管，由其产生的电脉冲信号的宽度大于入射到光电探测器的超短脉冲泵浦激光的脉冲宽度。所述的增益调制半导体激光器5的驱动电路板，是一个带宽大于1GHz的高速驱动电路板。所述的半导体激光器5是一个激光输出波长在1400-1600nm的半导体激光器。
光纤放大器7是一种掺铒或铒镱共掺的光纤激光放大器。
空间合束器或者光纤合束器8是一种双色反射镜或者一种波长复用的光纤耦合器。
激光非线性晶体10是一种满足相位匹配条件的激光非线性晶体，可以是双折射相位匹配的单一块状激光晶体，如三硼酸锂晶体，也可以是周期性畴极化反转的激光晶体，如周期性畴极化反转的掺镁铌酸锂晶体。
本发明主要用以解决当前超短脉冲激光差频中难以保证泵光和信号光的脉冲时间同步以实现高效光频转换的技术难题，并具有激光转换效率高、系统结构紧凑、性能可靠、环境稳定性好、适合高功率输出的特点，能够广泛应用于皮秒、飞秒脉宽的各类超短脉冲中波红外激光器研制中。本发明中，激光脉冲的同步借由光电探测器通过光纤或电缆的长度控制实现，可以获得极高的时间同步精度，信号光的脉冲宽度很容易控制在百皮秒的水平。基于上述原因，按照本发明所述技术，可以在不同的超短脉冲激光泵浦条件下始终保持极高的光频转换效率，并最终获得超高功率的超短脉冲中波红外激光输出。
本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种利用激光差频实现超短脉冲中波红外激光输出的脉冲同步的系统，其特征在于，该系统包括超短脉冲输出的被动锁模的固体激光器或光纤激光器(1)、激光分束器(2)、激光放大系统(3)、光电探测器(4)、增益调制半导体激光器(5)、空间合束器或者光纤合束器(7)、光学透镜(8)、激光非线性晶体(9)。所述的固体激光器或光纤激光器(1)的脉冲激光输出经过激光分束器(2)后，主要部分进入所述的激光放大系统(3)用于激光功率放大，一小部分入射到所述的光电探测器(4)，并转换为高速电脉冲信号，该高速电脉冲信号作为时间同步信号，连接到增益调制半导体激光器(5)的驱动电路板，并控制所述的增益调制半导体激光器(5)的开或关，所述的增益调制半导体激光器(5)的输出光作为激光差频系统的信号光，功率放大后的超短脉冲泵浦激光与所述的信号光经过空间合束器或者光纤合束器(7)后，一起经过光学透镜(8)入射到激光非线性晶体(9)中，实现激光差频；通过调节激光放大系统(3)中的空间光路或者光纤合束器(8)中的光纤长度，准确控制超短脉冲激光差频时的时间同步，实现高功率的超短脉冲中波红外激光输出。
2.根据权利要求1所述的利用激光差频实现超短脉冲中波红外激光输出的脉冲同步的系统，其特征在于，所述的增益调制半导体激光器(5)的输出光经过光纤激光放大系统(6)放大后作为激光差频系统的信号光。
3.根据权利要求1所述的利用激光差频实现超短脉冲中波红外激光输出的脉冲同步的系统，其特征在于，所述的被动锁模的固体激光器或光纤激光器(1)的波长为1030-1100nm，脉宽在100飞秒～1纳秒。
4.根据权利要求1所述的利用激光差频实现超短脉冲中波红外激光输出的脉冲同步的系统，其特征在于，所述的激光放大系统(3)为固体激光放大器或光纤激光放大器。
5.根据权利要求1所述的利用激光差频实现超短脉冲中波红外激光输出的脉冲同步的系统，其特征在于，所述的光电探测器(4)为带宽大于100MHz的光电二极管或带宽大于100MHz的雪崩光电二极管。
6.根据权利要求1所述的利用激光差频实现超短脉冲中波红外激光输出的脉冲同步的系统，其特征在于，所述的增益调制半导体激光器(5)的激光输出波长为1400-1600nm。
7.根据权利要求1所述的利用激光差频实现超短脉冲中波红外激光输出的脉冲同步的系统，其特征在于，所述的激光非线性晶体(9)为满足相位匹配条件的激光非线性晶体。
8.根据权利要求7所述的利用激光差频实现超短脉冲中波红外激光输出的脉冲同步的激光差频系统，其特征在于，所述的激光非线性晶体(9)优选为满足双折射相位匹配的单一块状激光晶体或周期性畴极化反转的激光晶体。
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