CN103227405B - 一种光纤激光产生紫外超短脉冲的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光纤激光产生紫外超短脉冲的装置，包括有顺次连接的用于提供皮秒级基频光ω1的激光振荡器，用于初步提高基频光ω1能量的光纤预放大器，用于进一步提高基频光ω1能量至发生非线性六波混频产生参量过程的信号光ω2和信号光ω3的光纤主放大器，以及用于将高能量基频光ω1、信号光ω2和信号光ω3转换到紫外波段频率的频率变换器。本案的目的是通过光纤主放大器实现种子脉冲主放大和变频功能的合二为一，而后仅经过一次空间倍频或者和频过程产生紫外波段激光，从而简化了紫外波段激光器的结构，大幅降低了激光器的制造成本。
Description
[技术领域]
本发明涉及一种光纤激光产生紫外超短脉冲的装置。
[背景技术]
紫外激光可应用于前沿科学研究、工程仪器开发和工业装备制造，并能广泛用于生物技术和医疗设备。紫外光源非常适合于科学研研究和工业生产。在科研方面，紫外波段激光在光谱学、原子冷却和捕获、同位素的测量、原子物理、以及量子光学等研究领域方面有重要的应用。工业方面，紫外激光是微加工系统的绝佳选择，广泛用于电路制版和消费电子产品。
由于紫外波段的光子能量较大，难以通过外部激励的方法直接产生皮秒量级的紫外激光辐射，因此，紫外波段皮秒脉冲的产生一般通过非线性晶体的频率变换技术来实现。目前，应用最广泛的产生紫外波段激光的方法有两种，一是直接对近红外激光器进行腔内或腔外3倍频或4倍频来得到紫外波段激光；二是先利用倍频技术将近红外激光转换到可见波段，然后再利用和频技术得到紫外波段激光。其中，第一种方法的有效非线性系数较小，转换效率较低；后一种方法由于利用的是二次非线性极化率，转换效率相比前一种高很多。然而，第二种方法需要两次频率过程，即需要两块非线性光学晶体，这对光学设计、制造成本、光源稳定性等方面提出了较高的要求。
因此，有必要解决如上问题。
[发明内容]
本发明克服了上述技术的不足，提供了一种光纤激光产生紫外超短脉冲的装置，该方案在实现手段上相比传统方法少了一级非线性频率变换的空间结构，在光源结构、稳定性和制造成本上具有不小的优势。
为实现上述目的，本发明采用了下列技术方案：
一种光纤激光产生紫外超短脉冲的装置，包括有顺次连接的用于提供皮秒级基频光ω1的激光振荡器100，用于初步提高基频光ω1能量的光纤预放大器200，用于进一步提高基频光ω1能量至发生非线性六波混频产生参量过程的信号光ω2和信号光ω3的光纤主放大器300，以及用于将高能量基频光ω1、信号光ω2和信号光ω3转换到紫外波段频率的频率变换器400。
所述光纤预放大器200包括有输入端与激光振荡器100输出端连接的第一光隔离器201，所述第一光隔离器201输出端与一波分复用器202的一输入端连接，波分复用器202另一输入端接有用于提供泵浦能量的第一泵浦源203，波分复用器202的复合输出端接有用于将种子脉冲的能量初步提高的第一增益光纤204，所述第一增益光纤204的输出端作为光纤预放大器200的输出端与光纤主放大器300输入端连接。
所述光纤主放大器300包括有输入端与光纤预放大器200输出端连接的第二光隔离器301，所述第二光隔离器301输出端与一合束器302的一输入端连接，所述合束器302上还连接有用于提供泵浦能量的第二泵浦源303和第三泵浦源304，合束器302的复合输出端连接有用于进一步提高基频光ω1的能量至发生信号光非线性六波混频、产生参量过程的信号光ω2和信号光ω3的第二增益光纤305，所述第二增益光纤305的输出端作为光纤主放大器300的输出端与频率变换器400输入端连接。
所述频率变换器400包括有输入端与光纤主放大器300输出端连接的分频器401，所述分频器401输出端上连接有用于频率变换以获得紫外波段激光输出的倍频器或和频器。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、与现有的基于光纤激光器通过四倍频的两次空间倍频过程产生紫外激光的方案相比，本装置的第一次频率变换是在光纤主放大器中产生，实现了种子脉冲主放大和变频功能的合二为一，而后仅经过一次空间倍频或者和频过程即可产生紫外波段激光，不仅简化了紫外波段激光器的结构，而且大幅降低了激光器的制造成本。
2、通过在激光振荡器与光纤主放大器之间设置光纤预放大器，可以初步提高种子脉冲的能量，便于光纤主放大器将种子脉冲的能量提高到更高的级别和发生非线性六波混频。
3、本发明可通过在分频器上连接多个倍频器和和频器，可根据需要输出所需波长的紫外波段激光，同时，多个波长的紫外波段激光同步输出，可用于光学显微成像，相干反斯托克斯拉曼成像，医学检测等多个应用领域。
[附图说明]
图1是本发明的结构原理图。
[具体实施方式]
以下结合附图通过实施例对本发明特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：
如图1所示，一种光纤激光产生紫外超短脉冲的装置，其特征在于包括有顺次连接的用于提供皮秒级基频光ω1的激光振荡器100，用于初步提高基频光ω1能量的光纤预放大器200，用于进一步提高基频光ω1能量至发生非线性六波混频产生参量过程的信号光ω2和信号光ω3的光纤主放大器300，以及用于将高能量基频光ω1、信号光ω2和信号光ω3转换到紫外波段频率的频率变换器400。
如上所述，在本实施例中，所述激光振荡器100提供低能量皮秒级脉冲，其脉冲重复频率为千赫兹到百兆赫兹量级，中心频率ω1=289.6THz，即中心波长为1036nm，平均功率为数个毫瓦，然后输出给光纤预放大器200进行能量初步放大。
所述光纤预放大器200包括有输入端与激光振荡器100输出端连接的第一光隔离器201，所述第一光隔离器201输出端与一波分复用器202的一输入端连接，波分复用器202另一输入端接有用于提供泵浦能量的第一泵浦源203，波分复用器202的复合输出端接有用于将种子脉冲的能量初步提高的第一增益光纤204，所述第一增益光纤204的输出端作为光纤预放大器200的输出端与光纤主放大器300输入端连接。
如上所述，在本实施例中，第一泵浦源203采用单模光纤耦合的半导体激光器，泵浦源波长为976nm，泵浦功率为400mW，所述第一增益光纤204采用掺镱单模光纤，其将基频光ω1的能量初步提高，平均功率从数个毫瓦提升至百毫瓦量级，中心波长保持不变，仍为ω1，然后输出给光纤主放大器300，以便于进一步提高种子脉冲的能量至发生信号光非线性混频产生参量过程的信号光ω2和信号光ω3。
所述光纤主放大器300包括有输入端与光纤预放大器200输出端连接的第二光隔离器301，所述第二光隔离器301输出端与一合束器302的一输入端连接，所述合束器302上还连接有用于提供泵浦能量的第二泵浦源303和第三泵浦源304，合束器302的复合输出端连接有用于进一步提高基频光ω1的能量至发生信号光非线性六波混频、产生参量过程的信号光ω2和信号光ω3的第二增益光纤305，所述第二增益光纤305的输出端作为光纤主放大器300的输出端与频率变换器400输入端连接。
如上所述，在本实施例中，第二泵浦源303和第三泵浦源304都采用多模光纤耦合的半导体激光器，中心波长为976nm，平均功率25W，通过合束器302将信号光和泵浦光进行合束后输出给第二增益光纤305，第二增益光纤305利用有源粒子掺杂吸收第二泵浦源303和第三泵浦源304的高功率泵浦光实现对光纤预放大200输入的基频光ω1进一步放大，而且将放大后的高功率基频光ω1转换成其它波段的信号光ω2和信号光ω3。当第二增益光纤305将基频光ω1的平均功率提升至发生非线性混频过程的阈值时，可产生显著的非线性六波混频效应，即ω3=3×ω2－2×ω1，而信号光ω2的中心频率ω2取决于第二增益光纤305的参数，如芯径和包层的直径、以及数值孔径的大小，在本实施例中采用9/128光纤，数值孔径NA=0.20为例，当信号光ω2在LP22模式中传输时，对应中心频率ω2=361THz,波长为830nm，得出信号光ω3的中心频率ω3=505THz，波长为594nm，然后输出给频率变换器400进行频率变换。
所述频率变换器400包括有输入端与光纤主放大器300输出端连接的分频器401，所述分频器401输出端上分别连接有用于频率变换以获得不同波长的紫外波段激光输出的第一倍频器402、第一和频器404、第二和频器405和第二倍频器403。
如上所述，在本实施例中，倍频器和和频器都可采用BBO等非线性光学晶体进行非线性频率变换，其将光纤主放大器300输出的高能量基频光ω1、信号光ω2和信号光ω3的频率经过倍频或者和频过程，获得不同波长的紫外波段激光，所述第一倍频器402通过2ω3将594nm的激光倍频到297nm；所述第一和频器404通过ω2+ω3将594nm与830nm的激光和频产生346nm；所述第二和频器405通过ω1+ω3将594nm与1036nm的激光和频产生378nm，所述第二倍频器403通过2ω2将830nm的激光倍频到415nm。
如上所述，一切与本案结构相同或相近的技术方案都示为落入本案的保护范围内。
Claims (3)
1.一种光纤激光产生紫外超短脉冲的装置，其特征在于包括有顺次连接的用于提供皮秒级基频光ω1的激光振荡器(100)，用于初步提高基频光ω1能量的光纤预放大器(200)，用于进一步提高基频光ω1能量至发生非线性六波混频产生参量过程的信号光ω2和信号光ω3的光纤主放大器(300)，以及用于将高能量基频光ω1、信号光ω2和信号光ω3转换到紫外波段频率的频率变换器(400)，所述ω3＝3×ω2－2×ω1，所述频率变换器(400)包括有输入端与光纤主放大器(300)输出端连接的分频器(401)，所述分频器(401)输出端上连接有用于频率变换以获得紫外波段激光输出的倍频器或和频器。
2.根据权利要求1所述的一种光纤激光产生紫外超短脉冲的装置，其特征在于所述光纤预放大器(200)包括有输入端与激光振荡器(100)输出端连接的第一光隔离器(201)，所述第一光隔离器(201)输出端与一波分复用器(202)的一输入端连接，波分复用器(202)另一输入端接有用于提供泵浦能量的第一泵浦源(203)，波分复用器(202)的复合输出端接有用于将种子脉冲的能量初步提高的第一增益光纤(204)，所述第一增益光纤(204)的输出端作为光纤预放大器(200)的输出端与光纤主放大器(300)输入端连接。
3.根据权利要求1或2所述的一种光纤激光产生紫外超短脉冲的装置，其特征在于所述光纤主放大器(300)包括有输入端与光纤预放大器(200)输出端连接的第二光隔离器(301)，所述第二光隔离器(301)输出端与一合束器(302)的一输入端连接，所述合束器(302)上还连接有用于提供泵浦能量的第二泵浦源(303)和第三泵浦源(304)，合束器(302)的复合输出端连接有用于进一步提高基频光ω1的能量至发生信号光非线性六波混频、产生参量过程的信号光ω2和信号光ω3的第二增益光纤(305)，所述第二增益光纤(305)的输出端作为光纤主放大器(300)的输出端与频率变换器(400)输入端连接。
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