CN1315765A - 超短脉冲啁啾光参量激光器 - Google Patents
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本发明涉及一种参量激光器,特别是涉及啁啾飞秒光参量激光器。由电光光束扫描器、棱镜光束偏折器、非线性激光晶体、激光泵浦光源构成的啁啾光参量发生器,及由空心柱透镜或半边柱透镜、非线性激光晶体、泵浦光源和啁啾光脉宽压缩器构成的飞秒光参量放大器,两者结合组成超短脉冲啁啾光参量激光器。结构简单,价格便宜,实用性强,可做成超高功率超短脉冲的全固化激光器。
Description
本发明涉及一种参量激光器，特别是涉及啁啾飞秒光参量激光器。
飞秒超短脉冲激光是物理学、生物学、医学、化学等各学科和各应用领域研究超快过程的最佳手段。超短脉冲可实现太瓦级超高功率激光，是研究超强过程的工具。超短脉冲激光和超强激光是目前激光领域重大研究方向。
目前产生飞秒强激光的技术是使用锁模技术产生飞秒激光脉冲序列，然后将其展宽成纳秒亚纳秒啁啾脉冲再放大压缩，如美国Spectra-Physics公司1993年以来投放市场的Quant-Ray TSA型钛宝石飞秒激光放大器，是氩离子激光泵浦的锁模飞秒激光器产生的50～80fs,82MHz脉冲激光经脉冲展宽后展宽成纳秒或亚秒的啁啾脉冲，此啁啾脉冲经隔离/选单器，变为10Hz，低重复频率后注入钛宝石放大级，放大后再经啁啾压缩，得到高功率飞秒放大脉冲，此激光器技术复杂，价格高。
本发明的目的在于克服目前飞秒强脉冲激光系统很复杂的缺陷，从而提供一种简单的由电光光束扫描器、棱镜光束偏折器、非线性激光晶体、激光泵浦光源构成啁啾光参量发生器；由空心柱透镜或半边柱透镜、非线性激光晶体、泵浦光源和啁啾光脉宽压缩器构成飞秒光参量放大器。二者结合构成超短脉冲啁啾光参量激光器。本发明简化了装置，降低了价格。
本发明的目的是这样实现的：
以图2为例，由电光光束扫描器1对泵浦光束8进行偏转扫描，经棱镜光束偏折器4再将被扫描的泵浦光束偏折入射到非共线匹配配置的非线性激光晶体2上进行泵浦。非线性激光晶体2放在光轴位置，泵浦光穿过非线性激光晶体2的中心，由此实现了泵浦光束入射角扫描。在光轴方向上(光轴方向为折射率匹配方向)由于泵浦光束的入射角扫描，从而产生一个随入射角改变波长的参量激光即时间啁啾的参量激光。非线性激光晶体3将这个啁啾参量激光初步放大成输出的时间啁啾的参量激光9，非线性激光晶体3放置在光轴位置与非线性激光晶体2相对于等腰棱镜偏折器5的对称位置上，以保证通过非线性晶体2的泵浦光以相对称的同样扫描角扫描泵浦，等腰棱镜偏折器5放置于能偏折泵浦光的任意离轴位置，底边平行于光轴。时间啁啾的参量激光9的脉冲宽度是一个与泵浦光脉宽相适应的纳秒到皮秒范围的脉冲，这样就构成了一个简单的啁啾参量激光发生器。空心柱透镜12放置于参量激光9的前方，参量激光9穿过空心柱透镜12的空心部位，入射到非线性晶体14被参量放大，平凸空心柱透镜12的焦点在非线性激光晶体14的中心。放大级泵浦光11经空心柱透镜12的非空心部位会聚到非线性激光晶体14上，以会聚光代替光束扫描，多入射角泵浦非线性激光晶体14。被非线性激光晶体14放大的参量激光16进入啁啾光脉宽压缩器10压缩成超高功率的超短脉冲，可达到TW级飞秒激光，因而是一个超短脉冲啁啾参量激光器。
电光光束扫描器扫描非共线匹配的泵浦光的入射角，光轴方向为折射率匹配方向，在光轴方向产生一个时间啁啾的400nm～700nm的宽带激光脉冲，经啁啾光脉宽压缩器压缩成超短的飞秒激光脉冲。
本发明以平凸空心柱透镜12，产生会聚光束，会聚光束具有不同的入射角代替光束扫描(不用电光晶体束偏转)，泵浦非线性激光晶体14，作为啁啾宽带放大器，可独立放大任何已有的啁啾激光。
本发明用光束扫描方法产生的啁啾参量激光发生器，其产生的激光脉冲是一个宽脉冲激光，不需要啁啾光脉冲展宽技术而直接进入到光参量放大器中放大，而在参量放大中不需要加光学延迟系统完成泵浦光与被放大的啁啾参量脉冲达到高精度同步的需求，故而是一个简化的放大系统。
所用的非线性激光晶体可以是BBO,LBO或KTP。
所用的电光光束扫描器的电光晶体是KDP,KD*P,KTP,MgO2:LiNbO3,LiNbO3，可以是单级的、多级的、直线型或转折型，电光光束扫描器由一个同步加电压系统控制或同步减电压系统控制。
所产生啁啾参量激光可以是参量光的信号波或者是参量光的闲置波。还可以增加倍频元件，组成倍频啁啾光参量激光器。
啁啾激光脉冲输出后可以增加放大级，其放大级可以是参量放大，也可以是其它激光晶体如钛宝石，LiSAF等可调谐激光晶体的激光放大器。
所有光学元件都安装在光学调整架上。
所用的泵浦光束8是100ps到2ns的短脉冲激光，所用的泵浦光波长是1.064μm,532nm或830nm。
所用的啁啾光脉宽压缩器10可以是双光栅压缩器，单光栅压缩器或非线性光学晶体压缩器。
本发明产生的啁啾参量激光，可以直接进入已有的啁啾激光放大器如钛宝石、氟化铝锶锂类等晶体构成的放大器。
本发明的超短脉冲啁啾光参量激光器简化了锁模、展宽、选单、放大等已有的飞秒激光技术，结构简单、造价低、效率高，可以做成小型全固化的激光器。
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明：
图1是实施例1的飞秒啁啾光参量激光器，
图2是实施例2的单级超短脉冲啁啾光参量激光器，
图3是实施例3的单级超短脉冲啁啾光参量激光器，
图4是实施例4的单级超短脉冲啁啾光参量激光器，
图5是实施例5的飞秒啁啾光参量激光放大器，
其中：(1)电光光束扫描器，
(2),(3),(14),(15)非线性激光晶体，
(4)直角棱镜光束偏折器，(5)等腰棱镜光束偏折器，
(6)全反射镜，(7)宽带全反射镜，(8)入射的泵浦光，
(9)时间啁啾的参量激光，(10)啁啾光脉宽压缩器，
(11)放大级泵浦光，(12)平凸空心柱透镜或半边柱透镜，
(13)双凸空心柱透镜或半边柱透镜，
(16)被放大的啁啾参量激光脉冲，(17)钛宝石激光放大器，
(18)锁模钛宝石激光器，(19)啁啾光脉宽展宽器。
实施例1：
按照图1制作一台飞秒啁啾光参量激光器。电光光束扫描器1以角度扫描方式快速扫描泵浦光束8，再经直角棱镜光束偏折器4将泵浦光束8以角度扫描的方式入射到非线性激光晶体2上，泵浦非线性激光晶体2。剩余的泵浦光经等腰棱镜光束偏折器5(等腰棱镜光束偏折器5在离轴位置上)，以相同扫描速度的角度扫描的方式入射到非线性激光晶体3(非线性激光晶体3放置在光轴位置上，与非线性激光晶体2相对于等腰棱镜偏折器5的对称位置上)上，泵浦非线性激光晶体3。非线性激光晶体2在泵浦光入射角扫描的情况下产生时间啁啾的参量光。非线性激光晶体3将其参量放大，产生时间啁啾的参量激光9，再经空心柱透镜12的空心部位入射到非线性激光晶体14被参量放大，再穿过空心柱透镜13的空心部位入射到非线性激光晶体15被二级参量放大，被放大的啁啾参量激光16进入光脉宽压缩器10压缩成超高功率的超短脉冲激光，其功率可达到TW级。
激光泵浦源11经平凸空心柱透镜12偏折会聚到非线性激光晶体14，泵浦非线性激光晶体14，再经过双凸空心柱透镜13偏折会聚到非线性激光晶体15，用会聚角代替入射角扫描，泵浦非线性激光晶体。其中平凸空心柱透镜12的焦点在非线性激光晶体14的中心，非线性激光晶体14和15分别对称放置在双凸空心柱透镜13的两倍焦距处，以确保泵浦光以相同的偏折会聚角泵浦非线性激光晶体14和15。
实施例2：
按照图2制作一台单级超短脉冲啁啾光参量激光器，其激光发生器部分如实施例1所述，产生的时间啁啾参量激光9经非线性激光晶体14放大，泵浦光11经平凸空心柱透镜12偏折会聚泵浦非线性激光晶体14。被放大的激光脉冲16进入光脉宽压缩器10压缩成超高功率的超短脉冲。
实施例3：
按照图3制作一台单级超短脉冲啁啾光参量激光器。其结构如实施例2。但以平凸半边柱透镜12替换平凸空心柱透镜作为泵浦光11的偏折器，偏折会聚泵浦非线性激光晶体14，放大时间啁啾的参量激光9，放大后的参量激光16经光脉宽压缩器10压缩成超高功率超短脉冲参量激光，可达到TW级飞秒激光。
实施例4：
按照图4制作一台单级超短脉冲啁啾光参量激光器。已有的锁模钛宝石激光器18产生的飞秒激光经啁啾光脉宽展宽器19展宽成时间啁啾的参量激光9，经平凸空心柱透镜12的空心部位入射到非线性激光晶体14被参量放大。泵浦光11经平凸空心柱透镜12的非空心部位会聚到非线性激光晶体14，泵浦非线性晶体14，被放大的啁啾参量激光脉冲16经光脉宽压缩器10压缩成超高功率超短脉冲的激光。
实施例5：
按照图5制作一台飞秒啁啾光参量激光器。电光光束扫描器1以角度扫描方式快速扫描泵浦光束8，再经直角棱镜光束偏折器4将泵浦光束以角度扫描的方式入射到非线性激光晶体2上，泵浦非线性激光晶体2，剩余的泵浦光由等腰棱镜光束偏折器5偏折会聚到非线性激光晶体3上，泵浦非线性激光晶体3，其位置如实施例1所述。非线性激光晶体2在入射角扫描的情况下产生啁啾扫描的参量光。非线性激光晶体3将其参量光放大，产生时间啁啾的参量激光9，经钛宝石激光放大器17放大，再进入啁啾光脉宽压缩器10压缩成超高功率的超短脉冲的激光，可达到TW级激光。
Claims (6)
1．一种超短脉冲啁啾光参量激光器，其特征在于：由电光光束扫描器(1)、棱镜光束偏折器(4)及(5)、非线性激光晶体(2)及(3)构成啁啾光参量发生器，由平凸空心柱透镜(12)、非线性激光晶体(14)构成参量放大器，两者构成啁啾光参量激光器，再加上啁啾光脉宽压缩器(10)，构成超短脉冲啁啾光参量激光器：
由电光光束扫描器(1)对泵浦光束(8)进行偏转扫描，经直角棱镜光束偏折器(4)将被扫描的泵浦光束偏折入射到非共线匹配配置的非线性激光晶体(2)上进行泵浦，非线性激光晶体(2)放在光轴位置，泵浦光穿过非线性激光晶体(2)的中心，光轴方向为折射率匹配方向，在光轴方向上产生随入射角改变波长的参量激光即时间啁啾的参量激光，非线性激光晶体(3)将这个啁啾参量激光初步放大成输出的时间啁啾的参量激光(9)，非线性激光晶体(3)放置在光轴位置与非线性激光晶体(2)相对于等腰棱镜偏折器(5)的对称位置上，等腰棱镜偏折器(5)放置于能偏折泵浦光的任意离轴位置，底边平行于光轴，时间啁啾的参量激光(9)的脉冲宽度是一个与泵浦光脉宽相适应的纳秒到皮秒范围的脉冲，这样就构成了一个啁啾参量激光发生器；
平凸空心柱透镜(12)放置于参量激光(9)的前方，参量激光(9)穿过空心柱透镜(12)的空心部位，入射到非线性晶体(14)被参量放大，平凸空心柱透镜(12)的焦点在非线性激光晶体(14)的中心，放大级泵浦光(11)经空心柱透镜(12)的非空心部位会聚到非线性激光晶体(14)上泵浦非线性激光晶体(14)，被非线性激光晶体(14)放大的参量激光(16)进入啁啾光脉宽压缩器(10)压缩成超高功率的超短脉冲而构成一个超短脉冲啁啾参量激光器；
所有光学元件都安装在光学调整架上；
所用的泵浦光束(8)是100ps到2ns的短脉冲激光，所用的泵浦光波长是1.064μm,532nm或830nm；
所用的啁啾光脉宽压缩器(10)可以是双光栅压缩器，单光栅压缩器或非线性光学晶体压缩器。
2．按权利要求1所述的超短脉冲啁啾光参量激光器，其特征在于：在非线性激光晶体(14)和啁啾光脉宽压缩器(10)之间的光轴方向上还可以顺次加上双凸空心柱透镜或双凸半边柱透镜(13)和非线性激光晶体(15)，其中非线性激光晶体(14)和(15)分别对称放置在双凸空心柱透镜或双凸半边柱透镜(13)的两倍焦距处。
3．按权利要求1所述的超短脉冲啁啾光参量激光器，其特征在于：还可以将平凸空心柱透镜(12)换成半边柱透镜，而成一台单级超短脉冲啁啾光参量激光器。
4．按权利要求1所述的超短脉冲啁啾光参量激光器，其特征在于：还可以已有的锁模钛宝石激光器(18)和啁啾光脉宽展宽器(19)代替电光光束扫描器(1)、非线性激光晶体(3)及(2)和棱镜光束偏折器(4)及(5)，而成一台单级超短脉冲啁啾光参量激光器。
5．按权利要求1所述的超短脉冲啁啾光参量激光器，其特征在于：还可以将平凸空心柱透镜(12)和非线性激光晶体(14)替换成钛宝石激光放大器(17)，而成一台飞秒啁啾光参量激光器。
6．按权利要求1所述的超短脉冲啁啾光参量激光器，其特征在于：所用的非线性激光晶体可以是BBO,LBO或KTP。
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