CN101211088A

CN101211088A - 单晶体可调谐宽带非共线飞秒光参量放大方法及装置

Info

Publication number: CN101211088A
Application number: CNA2006101053389A
Authority: CN
Inventors: 刘红军; 侯米娜; 赵卫; 王屹山
Original assignee: XiAn Institute of Optics and Precision Mechanics of CAS
Current assignee: XiAn Institute of Optics and Precision Mechanics of CAS
Priority date: 2006-12-28
Filing date: 2006-12-28
Publication date: 2008-07-02
Anticipated expiration: 2026-12-28
Also published as: CN101211088B

Abstract

一种单晶体可调谐宽带非共线飞秒光参量放大方法及装置，其将泵浦源输出的光通过玻璃片GP分成两束：一束反射光经透镜L1后聚焦至产生超连续谱的晶体S，再经准直透镜L2准直，透过全反镜M2，入射至非线性晶体BBO，形成光参量放大的水平方向偏振的信号光；另一束透射光通过透镜L3，经延迟器CC延迟至与信号光同步，入射至非线性晶体BBO内倍频后，转变为竖直方向偏振的抽运光。抽运光与信号光经非线性晶体BBO产生第I类相位匹配的非共线光参量放大，同时满足倍频相位匹配角和非共线光参量放大相位匹配角的信号光被放大。本发明解决了背景技术结构复杂、成本较高的技术问题。本发明装配简单，体积小，稳定性好。

Description

单晶体可调谐宽带非共线飞秒光参量放大方法及装置

技术领域

本发明涉及一种基于单晶体的可调谐宽带非共线飞秒光参量放大方法及装置。

背景技术

超短激光脉冲技术在物理学、化学、生物学、医学研究及超快技术领域中具有广泛而特殊的应用。超短激光脉冲技术发展迅速，其产生的超短激光脉冲脉宽越来越宽，强度越来越高。超快过程的研究经常需要可调谐的超短激光脉冲，从红外到可见光波段可调谐的飞秒激光脉冲，可用于研究非线性光学、超快时间分辨光谱学和固体、液体中的超快过程。光参量放大即是获得从红外到可见光波段可调谐的飞秒激光脉冲的最方便、最可靠的方法之一。非共线光参量放大能产生高质量纠缠态光场，可用于完成和验证理论上已提出的量子通讯的实验方案，如：量子离物传态、量子密集编码以及量子纠错等。

传统共线光参量放大，相位匹配条件下可满足中心波长处的抽运光、信号光和闲频光，但对于超短激光脉冲、尤其是飞秒脉冲，激光脉冲具有很宽的频谱，在参量过程中将有部分频率分量不能满足相位匹配条件造成的增益下降。由于共线方式只能使信号光和抽运光在较窄的光谱范围内实现相位匹配，因此放大后信号光的光谱窄化，从而影响到转化效率和输出脉冲的宽度。

超短脉冲非共线光参量放大，具有扩展共线参量变化的可调谐性。通过引入非共线角，可以有效地补偿参量光波的分离，减少参量光波间的群速失配，增加有效互作用长度，从而增加转化效率。超短脉冲的参量放大过程中，采用非共线互作用的方式可以实现信号光和闲频光的群速度匹配，且能大大增加参量光的接收角，因此可以获得极宽的增益带宽，实现高增益。

传统的非共线光参量放大装置，主要包括钛宝石再生放大激光系统、二次谐波产生、超连续谱产生和通过1-2mm type I偏硼酸钡(BBO)非线性晶体的光参量放大四部分，输出从可见光到近红外光的可调谐μJ能量，可通过二次放大阶段放大能量。传统的非共线光参量放大装置采用两块非线性晶体BBO，一块用于对泵浦光源输出光产生倍频效应，一块用于光参量放大。存在的主要缺点是：结构相对复杂，体积较大，两块非线性晶体BBO装配匹配较复杂，成本较高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种单晶体可调谐宽带非共线飞秒光参量放大方法及装置，其解决了背景技术中结构复杂，成本较高的技术问题。

本发明的技术解决方案是：

一种单晶体可调谐宽带非共线飞秒光参量放大方法，其特殊之处在于：该方法的实现步骤包括：

(1)将泵浦源输出的光通过玻璃片GP分成两束；

(2)较弱的一束反射光通过透镜L1后，聚焦至产生超连续谱的晶体S，形成稳定的白光；再经准直透镜L2准直，透过全反镜M2，入射至非线性晶体BBO，形成光参量放大的水平方向偏振的信号光；

(3)较强的一束透射光通过透镜L3，经延迟器CC延迟至与信号光同步，入射至非线性晶体BBO，在非线性晶体BBO内倍频后，转变为竖直方向偏振的抽运光；

(4)入射至非线性晶体BBO内的抽运光与信号光的非共线夹角为3±0.5°，抽运光与信号光产生第I类相位匹配的非共线光参量放大，同时满足倍频相位匹配角和非共线光参量放大相位匹配角的信号光被放大；

(5)根据设计要求微调非线性晶体BBO的相位匹配角，同时调谐抽运光和信号光之间的延迟，得到信号光的设计要求频率成分的光参量放大。

上述经准直透镜L2准直的白光，以通过银镜M、银镜M′反射后入射至全反镜M2为宜。

上述通过玻璃片GP分出的透射光一般占泵浦源输出光的95-94％，通过玻璃片GP分出的反射光一般占泵浦源输出光的5-6％。

上述产生超连续谱的晶体S可采用白宝石、氟化钙片或光子晶体光纤。当产生超连续谱的晶体S采用光子晶体光纤时，通过玻璃片GP分出的反射光应经衰减片衰减后再入射至透镜L1。

一种实现上述单晶体可调谐宽带非共线飞秒光参量放大方法的装置，包括接收泵浦源输出光的玻璃片GP，其特殊之处在于，该装置还包括：设置于玻璃片GP透射光路上的透镜L3，通过全反镜M3接收透镜L3输出光的延迟器CC；设置于玻璃片GP反射光路上的透镜L1，设置于透镜L1输出光路上的产生超连续谱的晶体S，设置于产生超连续谱的晶体S输出光路上的准直透镜L2，设置于准直透镜L2输出光路上的全反镜M2，全反镜M2同时位于延迟器CC的输出光路上；

接收准直透镜L2输出的经全反镜M2的透射光、延迟器CC输出的经全反镜M2的反射光的非线性晶体BBO。

上述准直透镜L2与全反镜M2之间以设置将准直透镜L2输出光反射至全反镜M2的银镜M及银镜M′为宜。

上述玻璃片GP与透镜L1之间以设置全反镜M1为宜。

上述产生超连续谱的晶体S设置于透镜L1之间准直透镜L2，所述产生超连续谱的晶体S距透镜L1焦距处的距离X1为：-1≤X1≤1mm，且X1≠0；所述产生超连续谱的晶体S距准直透镜L2焦距处的距离X2为：-1≤X2≤1mm，且X2≠0。

上述产生超连续谱的晶体S可采用白宝石、氟化钙片或光子晶体光纤等。所述的产生超连续谱的晶体S采用光子晶体光纤时，玻璃片GP分出的反射光路上应设置衰减片。

本发明具有以下优点：

本发明采用单晶体产生光参量放大，结构简单，装配简单，体积小，成本低。

附图说明

图1为本发明的结构原理图。

附图标号说明：GP-玻璃片，M-银镜，M′-银镜，M1-全反镜，M2-全反镜，M3-全反镜，L1-透镜，L2-准直透镜，L3-透镜，CC-延迟器，BBO-非线性晶体，S-产生超连续谱的晶体。

具体实施方式

本发明以非线性晶体BBO作为放大介质，二次谐波和光参量放大发生在同一个非线性晶体中，提供μJ脉冲能量，宽带调谐输出，光谱带宽可达26nm以上，信号光调谐输出范围为475nm～595nm。BBO晶体能量增益一般为1～5mm，以2～3mm为宜，以2mm为佳。

本发明实施例中的泵浦源采用千赫兹高功率钛宝石激光系统，系统输出的超短脉冲：重复频率为1KHz，脉冲宽度40fs，中心波长800nm，单脉冲能量300μJ，带宽37nm。二阶非线性介质采用5mmβ-BBO晶体，切割角θ＝29.2°。

参见图1，本发明单晶体可调谐宽带非共线飞秒光参量放大装置如下：

玻璃片GP设置于泵浦源的输出光路上，玻璃片GP的透射光路上设置有透镜L3，透镜L3的输出光通过全反镜M3反射到延迟器CC。玻璃片GP的反射光经全反镜M1反射的光路上设置有透镜L1，透镜L1输出的光经产生超连续谱的晶体S后的输出光路上设置有准直透镜L2。产生超连续谱的晶体S位于透镜L1之间准直透镜L2，产生超连续谱的晶体S的设置应面足的条件是：产生超连续谱的晶体S距透镜L1焦距处的距离X1为：-1≤X1≤1mm，且X1≠0；产生超连续谱的晶体S距准直透镜L2焦距处的距离X2为：-1≤X2≤1mm，且X2≠0。

准直透镜L2的输出光经银镜M及银镜M′反射后，反射到全反镜M2。全反镜M2同时位于延迟器CC的输出光路上。非线性晶体BBO位于由准直透镜L2输出的经全反镜M2透射的透射光路上，同时位于延迟器CC输出的经全反镜M2反射的反射光路上。产生超连续谱的晶体S可采用白宝石、2mm的氟化钙片或5、6cm的光子晶体光纤。产生超连续谱的晶体S采用光子晶体光纤时，玻璃片GP分出的反射光路上应设置衰减片。

参见图1，本发明单晶体可调谐宽带非共线飞秒光参量放大方法如下：

(1)泵浦源输出的光经过玻璃片GP后分成反射光和透射光。

(2)通过玻璃片GP分出的反射光占泵浦源输出光的5～6％，能量约5～6μJ，通过焦距为100mm的透镜L1后聚焦到2mm的产生超连续谱的晶体S，产生稳定的白光，产生超连续谱的晶体S为白宝石。再经过焦距为50mm的准直透镜L2准直，经过银镜M、银镜M′反射后，透过全反镜M2，入射到非线性晶体BBO，形成光参量放大的水平方向偏振的信号光。非线性晶体BBO，是负单轴第I类相位匹配。

(3)通过玻璃片GP分出的透射光占泵浦源输出光的95～94％，能量约290μJ，通过焦距为550mm的透镜L3，再经延迟器CC延迟至与信号光同步后，入射到非线性晶体BBO。泵浦光输出的中心波长为800nm的光先在非线性晶体BBO之前几百微米处发生倍频作用，然后转化为中心波长400nm的抽运光，抽运光为竖直偏振光。

(4)入射到非线性晶体BBO内的抽运光与信号光的非共线夹角为3°±0.5°，抽运光与信号光产生第I类相位匹配的非共线光参量放大，同时满足倍频相位匹配角和非共线光参量放大相位匹配角的信号光被放大。抽运光与信号光在非线性晶体BBO内发生光参量放大作用，即：千赫兹高功率钛宝石激光系统输出的中心波长为800nm的泵浦光，在非线性晶体BBO内先倍频，转变为竖直方向偏振的光作为抽运光，再与注入的水平方向偏振的信号光产生第I类相位匹配的非共线光参量放大。

(5)根据设计要求微调非线性晶体BBO的相位匹配角，同时调谐抽运光和信号光之间的延迟，则得到信号光的设计要求频率成分的光参量放大，实现波长可调谐的放大。

当产生超连续谱的晶体S采用光子晶体光纤时，通过玻璃片GP分出的较弱的一束反射光经玻璃片GP分出的反射光要经衰减片衰减后入射至透镜L1。

Claims

1.一种单晶体可调谐宽带非共线飞秒光参量放大方法，其特征在于：该方法实现步骤包括：

(1)将泵浦源输出的光通过玻璃片GP分成两束；

2.根据权利要求1所述的单晶体可调谐宽带非共线飞秒光参量放大方法，其特征在于：所述的经准直透镜L2准直的白光，通过银镜M、银镜M′反射后，入射至全反镜M2。

3.根据权利要求1或2所述的单晶体可调谐宽带非共线飞秒光参量放大方法，其特征在于：所述通过玻璃片GP分出的透射光占泵浦源输出光的95-94％，通过玻璃片GP分出的反射光占泵浦源输出光的5-6％。

4.根据权利要求1或2所述的单晶体可调谐宽带非共线飞秒光参量放大方法，其特征在于：所述的产生超连续谱的晶体S为白宝石、氟化钙片或光子晶体光纤；当产生超连续谱的晶体S采用光子晶体光纤时，通过玻璃片GP分出的较弱的一束反射光经玻璃片GP分出的反射光经衰减衰减后入射至透镜L1。

5.一种实现权利要求1所述单晶体可调谐宽带非共线飞秒光参量放大方法的装置，包括接收泵浦源输出光的玻璃片GP，其特征在于，该装置还包括：设置于玻璃片GP透射光路上的透镜L3，通过全反镜M3接收透镜L3输出光的延迟器CC；设置于玻璃片GP反射光路上的透镜L1，设置于透镜L1输出光路上的产生超连续谱的晶体S，设置于产生超连续谱的晶体S输出光路上的准直透镜L2，设置于准直透镜L2输出光路上的全反镜M2；接收准直透镜L2输出的经全反镜M2的透射光、延迟器CC输出的经全反镜M2的反射光的非线性晶体BBO；所述的全反镜M2同时位于延迟器CC的输出光路上。

6.根据权利要求5所述的单晶体可调谐宽带非共线飞秒光参量放大装置，其特征在于：所述的准直透镜L2与全反镜M2之间设置有将准直透镜L2输出光反射至全反镜M2的银镜M及银镜M′。

7.根据权利要求5或6所述的单晶体可调谐宽带非共线飞秒光参量放大装置，其特征在于：所述的玻璃片GP与透镜L1之间设置有全反镜M1。

8.根据权利要求7所述的单晶体可调谐宽带非共线飞秒光参量放大装置，其特征在于：所述的产生超连续谱的晶体S设置于透镜L1之间准直透镜L2，所述产生超连续谱的晶体S距透镜L1焦距处的距离X1为：-1≤X1≤1mm，且X1≠0；所述产生超连续谱的晶体S距准直透镜L2焦距处的距离X2为：-1≤X2≤1mm，且X2≠0。

9.根据权利要求8所述的单晶体可调谐宽带非共线飞秒光参量放大装置，其特征在于：所述的产生超连续谱的晶体S为白宝石、氟化钙片或光子晶体光纤；所述的产生超连续谱的晶体S为光子晶体光纤时，玻璃片GP分出的反射光路上设置有衰减片。