CN110571638B - 一种反射注入泵浦光的宽带双振荡参量振荡器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种反射注入泵浦光的宽带双振荡参量振荡器，属于光参量振荡器领域，包括谐振腔、非线性晶体和介质镜；介质镜的第一平面对泵浦光增反且对信号光增透，其第二平面对信号光增透；工作状态下介质镜位于信号光在谐振腔除聚焦腔外传播方向的任意位置，泵浦光的入射方向位于介质镜第一平面侧，信号光的入射方向位于介质镜第二平面侧，泵浦光与信号光的出射方向重合；非线性晶体位于谐振腔的聚焦腔中；非线性晶体用于对信号光参量放大；介质镜用于将泵浦光反射后，使泵浦光与信号光的出射方向重合。本发明双振荡光参量振荡器腔内并没有宽带的高反膜引入的色散，因此克服了因高反膜的色散而限制信号光宽带的问题。

Description

一种反射注入泵浦光的宽带双振荡参量振荡器
技术领域
本发明属于光参量振荡器领域，更具体地，涉及一种反射注入泵浦光的宽带双振荡参量振荡器。
背景技术
超短脉冲具有良好的空间相干性，极高的峰值功率以及良好的时间分辨率等优点，广泛的应用于各个学科前沿。在可见光与近红外波段，通常采用锁模激光器产生超短脉冲；在中红外波段，一般使用差频产生器和光参量振荡器等方式产生超短脉冲。工作于间并状态的光参量振荡器具备非常宽的相位匹配带宽，适用于超短脉冲与宽带频率梳产生。
在2011年，Nick Leindecker等人通过简并光参量振荡器得到了91fs的脉冲输出，其20dB光谱覆盖范围为2500nm～3800nm(Optics express 19.7(2011):6296-6302)；2015年，2015年，Richard McCraken等人通过补偿了腔内色散的简并光参量振荡器，输出了半高全宽仅为23fs中心波长为1600nm的飞秒激光(Optics letters 40.17(2015):4102-4105)；2018年，Marc Jankowski等人，在Temporal Simultons in Optical ParametricOscillators一文中，提出了一种简并OPO的工作机制，可以尽量利用简并OPO宽带宽的优势，使得输出的脉冲宽度仅受腔内色散限制(10.1103/PhysRevLett.120.053904)。
现有的研究表明，振荡器腔内色散对于简并光参量振荡器输出的脉冲宽度有着关键的作用。在现有的简并光参量振荡器中泵浦光经过一个透射式介质镜进入振荡器，透射式介质镜不仅为透射式泵浦输入耦合镜，同时也是参量振荡器信号光的一个反射镜，因而需要同时满足以下条件：(1)在泵浦光波长范围内为高透；(2)在信号光波长范围内为高反；(3)在信号光波长范围内有较低的色散(在反射条件下)。进一步地，为了在简并光参量振荡器产生光谱宽度较宽的超短脉冲，透射式泵浦输入耦合镜需要在较宽的信号光波长范围内具备高反射率与低色散，然而，由于技术限制，同时满足低色散与高反射率特性的镜片的带宽相对有限，严重限制了简并光参量振荡器的信号光带宽。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种反射注入泵浦光的带宽双振荡光参量振荡器，旨在解决现有的双振荡光参量振荡器因透射式泵浦输入耦合镜的高反膜具有较高色散导致信号光带宽受限的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种反射注入泵浦光的宽带双振荡参量振荡器，包括：谐振腔、非线性晶体和介质镜；
介质镜的第一平面对泵浦光增反且对信号光增透，其第二平面对信号光增透；工作状态下介质镜位于信号光在谐振腔除聚焦腔外传播方向的任意位置，泵浦光的入射方向位于介质镜第一平面侧，信号光的入射方向位于介质镜第二平面侧，泵浦光与信号光的出射方向重合；非线性晶体位于谐振腔的聚焦腔中；
谐振腔用于信号光的循环振荡；非线性晶体用于对信号光参量放大；介质镜用于将泵浦光反射后，使泵浦光与信号光的出射方向重合。
优选地，谐振腔的腔镜为啁啾镜，或谐振腔还包括位于信号光传播光路上的窗口片或斜劈或棱镜对，用于补偿介质镜和非线性晶体的色散；
优选地，介质镜的厚度为300μm～1mm；
优选地，介质镜为二氧化硅或氟化钙；
优选地，非线性晶体为MgO:PPLN或OP-GaAs或OP-GaP；
优选地，非线性晶体的厚度为300μm～3mm；
优选地，谐振腔为全金属镜；
优选地，非线性晶体位于谐振腔中聚焦腔的焦点处；
优选地，泵浦光的时域半高全宽小于100fs。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：
(1)本发明在谐振腔内插入对泵浦光增反且对信号光增透的介质镜，在实际应用中将泵浦光的入射方向位于介质镜第一平面的一侧，信号光的入射方向位于介质镜第二平面的一侧；泵浦光与信号光的出射方向重合，从而使得信号光与泵浦光在经过非线性晶体时光路重合，信号光未被泵浦耦合镜反射，而是透过介质镜，其引入的色散仅包含介质镜基底和镀膜材料的色散，并没有宽带的高反膜引入的色散，因此，本发明在很宽的宽带范围内可以保持低色散，从而克服了因高反膜的色散而限制信号光宽带的问题。
(2)本发明提供的谐振腔的腔镜为啁啾镜，或在信号光传播光路上谐振腔内设置窗口片或斜劈或棱镜对，用于补偿介质镜和非线性晶体引入的色散，使得带宽双振荡参量振荡器具有较低的腔内色散。
(3)本发明优选将介质镜的厚度设置为300μm～1mm，由于介质镜的厚度越大，材料色散越大，且介质镜的材料为二氧化硅或氟化钙时色散也较低，因此，对上述介质镜的选取可有效减少介质镜引入的色散。
(4)本发明优选非线性晶体材料为MgO:PPLN或OP-GaAs或OP-GaP，由于这三种材料的增益带宽相对较宽，且将非线性晶体的厚度设置为300μm～3mm，增益带宽与非线性晶体的厚度成反比，因此，对上述非线性晶体的设置可提高增益带宽。
(5)本发明提供的谐振腔优选为全金属镜，主要原因在于全金属镜的色散较低。
(6)本发明中的非线性晶体最好位于谐振腔中聚焦腔的交点处，可实现信号光经过非线性晶体时功率密度最大，提高非线性转换的效率。
(7)本发明提供的泵浦光的时域半高全宽小于100fs时具有较宽的带宽和较高的峰值功率，核心为有利于非线性转换效率。
附图说明
图1是实施例提供的2.1μm超短脉冲简并飞秒脉冲光参量振荡器；
图2是实施例提供的介质镜示意图；
图3是实施例提供的谐振腔腔内色散情况；
图4是实施例提供的数值仿真中输出脉冲的时域图；
图5是实施例提供的数值仿真中输出脉冲的光谱图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，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。
本发明提供了一种反射注入泵浦光的宽带双振荡参量振荡器，包括：谐振腔、非线性晶体和介质镜；
介质镜的第一平面对泵浦光增反且对信号光增透，其第二平面对信号光增透；工作状态下介质镜位于信号光在谐振腔除聚焦腔外传播方向的任意位置，泵浦光的入射方向位于介质镜第一平面侧，信号光的入射方向位于介质镜第二平面侧，泵浦光与信号光的出射方向重合；非线性晶体位于谐振腔的聚焦腔中；
谐振腔用于信号光的循环振荡；非线性晶体用于对信号光参量放大；介质镜用于将泵浦光反射后，使泵浦光与信号光的出射方向重合。
优选地，谐振腔的腔镜为啁啾镜，或谐振腔还包括位于信号光传播光路上的窗口片或斜劈或棱镜对，用于补偿介质镜和非线性晶体的色散；
优选地，介质镜的厚度为300μm～1mm，其材料为二氧化硅或氟化钙；
优选地，非线性晶体为MgO:PPLN或OP-GaAs或OP-GaP，其厚度为300μm～3mm；
优选地，谐振腔为全金属镜；
优选地，非线性晶体位于谐振腔中聚焦腔的焦点处；
优选地，泵浦光的时域半高全宽小于100fs。
实施例1
图1为2.1μm超短脉冲简并飞秒脉冲光参量振荡器，包括一个介质镜、两个金属反射镜、两个平面反射镜、输出耦合镜和非线性晶体；
其中，两个金属反射镜和两个平面反射镜构成谐振腔；两个金属反射镜构成谐振腔的聚焦腔；两个平面反射镜为金属反射镜；泵浦光为250fs半高全宽，中心波长为1.05μm的高斯脉冲；
介质镜如图2所示，介质镜的第一平面s1对1020nm～1080nm波段增反，对1700nm～2500nm增透，其第二平面s2对1700nm～2500nm增透；介质镜的材料为0.5mm厚的二氧化硅。如图1所示将介质镜插入光参量振荡器内，介质镜可位于信号光在所述谐振腔除聚焦腔外传播方向的任意位置；泵浦光的入射方向位于介质镜第一平面s1侧，信号光的入射方向位于介质镜第二平面s2侧，选择合适的角度使反射的泵浦光同透射介质镜的信号光的光路完全重合，经过金属聚焦后在非线性晶体上聚焦；非线性晶体位于所述谐振腔中聚焦腔的焦点处；
本实施例中使用1mm厚的MgO:PPLN晶体作为非线性晶体，考虑MgO:PPLN晶体与介质镜材料二氧化硅在2.1μm的二阶色散均为负值，选用在2.1μm处二阶色散为正值的硒化锌晶体作为输出耦合镜，输出耦合镜厚度为460μm时正好将腔内2.1μm的二阶色散补偿为0，其放置的角度使得腔内的信号光单程损耗为30％，光参量振荡器的重复频率为80MHz。
由于增透膜的色散通常可以控制到极低(低于±20fs)，同时金属反射镜的色散也极低，腔内二阶色散可近似为插入的各个介质材料的材料色散之和，由图3可知，在1700nm～2500nm范围内，整个光参量振荡器的色散控制在±200fs2内。
按照上述配置的参数进行计算，利用耦合波方程，考虑全部色散进行仿真，得到的脉冲时域图和光谱图分别如图4和图5所示，输出脉冲的半高全宽为34fs，10dB带宽为298nm，基本没有啁啾；考虑2.1μm的光学周期为7fs，输出脉冲仅为五个光学周期。
综上所述，本发明在谐振腔内插入对泵浦光增反且对信号光增透的介质镜，在实际应用中将泵浦光的入射方向位于介质镜第一平面的一侧，信号光的入射方向位于介质镜第二平面的一侧；泵浦光与信号光的出射方向重合，从而使得信号光与泵浦光在经过非线性晶体时光路重合，信号光未被泵浦耦合镜反射，而是透过介质镜，其引入的色散仅包含介质镜基底和镀膜材料的色散，并没有宽带的高反膜引入的色散，因此，本发明在很宽的宽带范围内可以保持低色散，从而克服了因高反膜的色散而限制信号光宽带的问题。
本发明提供的谐振腔的腔镜为啁啾镜，或在信号光传播光路上谐振腔内设置窗口片或斜劈或棱镜对，用于补偿介质镜和非线性晶体引入的色散，使得带宽双振荡参量振荡器具有较低的腔内色散。
本发明优选将介质镜的厚度设置为300μm～1mm，由于介质镜的厚度越大，材料色散越大，且介质镜的材料为二氧化硅或氟化钙时色散也较低，因此，对上述介质镜的选取可有效减少介质镜引入的色散。
本发明优选非线性晶体材料为MgO:PPLN或OP-GaAs或OP-GaP，由于这三种材料的增益带宽相对较宽，且将非线性晶体的厚度设置为300μm～3mm，增益带宽与非线性晶体的厚度成反比，因此，对上述非线性晶体的设置可提高增益带宽。
本发明提供的谐振腔优选为全金属镜，主要原因在于全金属镜的色散较低。
本发明中的非线性晶体最好位于谐振腔中聚焦腔的交点处，可实现信号光经过非线性晶体时功率密度最大，提高非线性转换的效率。
本发明提供的泵浦光的时域半高全宽小于100fs时具有较宽的带宽和较高的峰值功率，核心为有利于非线性转换效率。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种反射注入泵浦光的宽带双振荡参量振荡器，其特征在于，包括：谐振腔、非线性晶体和介质镜；
所述介质镜的第一平面对泵浦光增反且对信号光增透，其第二平面对信号光增透；工作状态下所述介质镜位于信号光在所述谐振腔内除聚焦腔外传播方向的任意位置，泵浦光的入射方向位于介质镜第一平面侧，信号光的入射方向位于介质镜第二平面侧，泵浦光与信号光的出射方向重合；所述泵浦光为飞秒脉冲，所述飞秒脉冲的时域半高全宽小于100fs，所述介质镜用于避免宽带的高反膜引入色散；所述非线性晶体位于所述谐振腔的聚焦腔中；
所述谐振腔用于信号光的循环振荡，所述谐振腔为全金属镜；所述非线性晶体用于对信号光参量放大；所述介质镜用于将泵浦光反射后，使泵浦光与信号光的出射方向重合；其中，所述介质镜的厚度为300μm～1mm；其材料为二氧化硅或氟化钙。
2.根据权利要求1所述的宽带双振荡参量振荡器，其特征在于，所述谐振腔的腔镜为啁啾镜，用于补偿介质镜和非线性晶体的色散；
或所述谐振腔还包括位于信号光传播光路上的窗口片或斜劈或棱镜对，用于补偿介质镜和非线性晶体的色散。
3.根据权利要求1或2所述的宽带双振荡参量振荡器，其特征在于，所述非线性晶体为MgO:PPLN或OP-GaAs或OP-GaP；其厚度为300μm～3mm。
4.根据权利要求1所述的宽带双振荡参量振荡器，其特征在于，所述非线性晶体位于谐振腔中聚焦腔的焦点处。
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