CN103346465A - 一种波长可调谐深紫外光激光器 - Google Patents

Abstract

一种波长可调谐的深紫外光激光器，属于光电子与激光技术领域。高非线性光学材料放置在高反射镜的出射端，输出光束准直器放置在高非线性光学材料的输出端，泵浦光耦合器放置在靠近高反射镜的输入端，色散补偿元件放置在泵浦光耦合器入射端前面，偏振控制器放置在色散补偿元件入射端前面，泵浦光功率控制器放置在偏振控制器入射端前面，光学隔离器在泵浦光入射端，光谱滤波片放置在整个光路的出射端。本发明克服了泵浦光和深紫外光之间较大的群速度失配问题，不需要倍频元件，光学装置简单，转换效率高。由于泵浦波长、泵浦光功率和泵浦光的偏振态在一定范围内调节，实现了深紫外激光波段可调谐激光输出。

Description

一种波长可调谐深紫外光激光器

技术领域

本发明属于光电子与激光技术领域，涉及光波导理论与技术、非线性光学、光子学与技术领域。它适用于激光光刻、光数据存储、医药、光谱学、光化学、分子生物学、强场物理以及超快过程探测等科学技术领域的应用。

背景技术

随着全固态激光技术以及新型深紫外非线性晶体的发展，对近红外光（NIR）进行级联倍频或和频是目前获得深紫外激光的有效方法。但是，上述方式受较大的群速度失配、非线性材料的长度和透明度、光学装置（如，相位延迟线、色散补偿和非共线光参量放大）的复杂性等因素限制，光光转换效率难以提高。另外，准分子激光器和同步辐射源，因其制作成本高、操作复杂以及可调谐的波长范围窄，制约了深紫外波段对前沿研究的发展和应用。对于传统的非线性光纤，由于受折射率对激光传导模式和色散问题的限制，在紫外光波段也难以实现频率变换。

光子晶体光纤可控的色散特性和增强的模式限制特性，为非线性光学相位匹配提供了新的解决方法。对目前所采用光子晶体光纤产生深紫外激光的方案进行深入的分析，概括起来它们可分为三类：

一类在空芯的光子晶体光纤中填充惰性气体，通过调节填充气体的压力可控制其色散特性，使基波和三次谐波的高阶模之间实现相位匹配，实现深紫外激光输出。但是惰性气体产生非线性需要的激光功率密度较高（达到1014W/cm²），实验中必须用几十飞秒的超短脉冲和较高的平均功率泵浦，这限制了泵浦源的选择；并且，每个纤维端配备压力舱和控制装置增加了实际应用的复杂性，在9×10⁴帕压力下，对光子晶体光纤的结构的也存在着要求。

第二类是在实芯的光子晶体光纤中实现基波和三次谐波的高阶模之间的相位匹配，由于较大的群速度失配、较小的模场重叠面积导致其转换效率极低，仅为0.05%。

第三类是利用实芯拉锥光纤产生色散波，拉锥光纤的零色散点随芯经的减小逐渐降低。虽然转换效率达到4%，由于芯径缩小导致其它非线性效应。

综上所述，由于相对较大的色散和传输损耗，目前在光子晶体光纤中直接产生深紫外激光，存在着转换效率低，实验装置复杂等问题。

发明内容

本发明的目的采用零色散波长在700-800nm的高非线性光子晶体光纤产生四波混频，利用反斯托克斯波产生紫外光波段的三次谐波以及采用零色散长在700-800nm的高非线性光子晶体光纤产生紫外光波段的共振辐射波，克服泵浦光和紫外光之间较大的的群速度失配问题，实现一种波长可调谐的紫外光激光器。

本发明的目的是通过以下方案来实现的：

波长可调谐的紫外光激光器，它包括高非线性光学材料，高反射镜，输出光束准直器，泵浦光耦合器，色散补偿元件，偏振控制器，泵浦光功率控制器，光学隔离器和光谱滤波片。其中棱镜实现紫外光和其它光分离，光谱滤波片对紫外光波段高透，高非线性光学材料放置在高反射镜的后端，输出光束准直器放置在高非线性光学材料的输出端实现对输出光的准直，色散补偿元件放置在泵浦光耦合器入射端前面实现对泵浦光的压缩，浦光功率控制器放置在偏振控制器入射端前面实现泵浦光功率控制，偏振控制器放置在色散补偿元件前端，控制偏振态改变，光学隔离器在泵浦光入射的最前端。

高非线性光学材料零色散波长在700-800nm的高非线性光子晶体光纤；

高反射镜为平平镜或者光纤光栅；

输出光束准直器为显微物镜；

泵浦光耦合器为光纤耦合器或光纤波分复用器。

光谱滤波片为镀紫外至深紫外波段高透膜的平平镜

色散补偿元件为光栅

高非线性光学材料使工作于反常色散区域的近红外泵浦光产生四波混频效应，产生可见光波段的反斯托克斯波；反斯托克斯波产生深紫外光波段的三次谐波。

高非线性光学材料工作于反常色散区域的近红外泵浦光产生紫外光波段的色散波。

减少材料使用长度，能提高反斯托克斯波和色散波的转换效率，可抑制超连续谱的产生。

改变泵浦光波长，满足四波混频的相位匹配条件要求，反斯托克斯波和其三次谐波随之改变，实现深紫外光波段的调谐输出。

调节泵浦光功率控制器改变泵浦光功率，满足四波混频的相位匹配条件要求，能够实现波长可调谐的紫外光输出。

旋转偏振控制器调节泵浦光的偏振方向，满足四波混频的相位匹配条件要求，能够实现紫外光调谐输出。

在本发明中高非线性光学材料为零色散波长在700-800nm的高非线性光子晶体光纤，泵浦光波长处于光子晶体光纤的反常色散区或靠近零色散波长，保证满足相位匹配，光子晶体光纤产生高效四波混频效应，产生反斯托克斯波向三次谐波的转换，克服了较大的群速度失配难题；很好地抑制超连续谱等非线性光学效应对四波混频增益的降低。

在本发明中，能够根据我们所需要的深紫外光的波长、线宽、波长调谐范围，利用的泵浦光的波长、偏振方向和功率范围等技术参数，确定非线性光子晶体光纤的结构设计和材料设计，以获得满足波长可调谐的深紫外激光器要求的光子晶体光纤。

在本发明中，能够使用显微物镜作为泵浦光耦合件，要求在物镜的工作距范围能够放置高反镜；为了减少泵浦光的损耗，泵浦光耦合器对泵浦光镀增透膜。

在本发明中，输出光束准直器采用显微物镜或合适焦距的球面透镜组合；为了减少深紫外光的光学损耗，对输出光光束准直器深紫外光镀增透膜。

在本发明中，泵浦光功率控制器对泵浦光功率的控制，保证产生有效的四波混频效应，并抑制超连续谱等非线性光学效应的产生。

在本发明中，偏振控制器对泵浦光偏振态进行的控制，保证产生有效的四波混频效应。

在本发明中，光学隔离器防止泵浦光的反射光和参量光进入泵浦光激光器，影响泵浦光激光器的输出稳定性。

本发明的工作原理如下：四波混频是非线性介质同时传输多个波长时的一种响应现象，是三阶电极化系数χ³参与的三阶参量过程。

${\hat{P}}_{\mathrm{NL}}=\mathrm{\ϵ}0{\mathrm{\χ}}^{\left(3\right)}:\mathrm{EEE}---\left(1\right)$

为三阶感应非线性极化强度；ε0为真空中的介电常数。假设参与该过程的四个光电场的频率分别为ω₁、ω2、ω3ω4，且均沿X方向线偏振，总电场可写为：

$\stackrel{\→}{E}=\frac{1}{2}\hat{x}\underset{j=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{E}_j\exp \left[(i{\mathrm{\β}}_{j}z-{\mathrm{\ω}}_{j}t)\right]+c.c---\left(2\right)$

假定所有光波沿同一方向z传播，将上式按三次方展开，

${\stackrel{\→}{P}}_{\mathrm{NL}}(\stackrel{\→}{r},t)=\frac{1}{2}x\underset{j=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{E}_j\exp \left[(i{\mathrm{\β}}_{j}z-{\mathrm{\ω}}_{j}t)\right]+c\·c]---\left(3\right)$

P_j（j=1～4）由包含三个电场乘积的项组成。例如，P₄为

$P_4=\frac{3}{4}{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\χ}}_{\mathrm{xxxx}}^{\left(3\right)}[{\left|E_4\right|}^2{E}_4+2({\left|E_1\right|}^2+{\left|E_2\right|}^2+{\left|E_3\right|}^2)E_4+{2E}_1{E}_2{E}_3\exp \left(i{\mathrm{\θ}}_{+}\right)+{2E}_1{E}_2{E}_3^{*}\exp \left(i{\mathrm{\θ}}_{-}\right)+\·\·\·]---\left(4\right)$

式中

θ₊=(k₁+k₂+k₃-k₄)z-(ω₁+ω₂+ω₃-ω₄)t                           （5）

θ_-=(k₁+k₂-k₃-k₄)z-(ω₁+ω₂-ω₃-ω₄)t                           （6）

方程（4）中有两类四波混频，“θ₊”项对应三个光子合成一个光子的情况，新光子频率为ω₄=ω₁+ω₂+ω₃,当ω₁=ω₂=ω₃时，这一项对应于三次谐波；当ω₁=ω₂≠ω₃时，对应频率转换。通常要满足相位匹配条件，即ω₁+ω₂=ω₃+ω₄

ω₁=ω₂时，称为简并四波混频，即两个泵浦光子湮灭，产生一个斯托克斯波（又称为信号波）和一个反斯托克斯波（又称为闲频波）。四波混频把强泵浦波的能量传输给相对泵浦频率ω₁发生了上、下频移的两个光波，只要泵浦光进入光纤并且满足相位匹配条件，频率为ω₃和ω₄的光就能够从噪声中形成。

相位匹配条件要求Δk=0相位匹配条件：

Δk_M+Δk_W+Δk_NL=0                                                  （7）

式（7）中，ΔkM，ΔkM和ΔkNL分别代表由材料色散、波导色散和非线性色散效应引起的相位失配。在简并情况下（ω₁=ω₂）

Δk_M=[n₃ω₃+n₄ω₄-2n₁ω₁]/c                                （8）

Δk_W=[Δn₃ω₃+Δn₄ω₄-(Δn₁+Δn₂)ω₁]/c                        （9）

Δk_NL=γ(P₁+P₂)                                      （10）

式中，Δn1，Δn2和Δn3分别代表三种频率的折射率的变化。为实现相位匹配，它们中至少有一项必须为负。

在单模光纤中有三种技术可实现相位匹配：（1）利用小频移和低泵浦功率减小Δk_M和Δk_NL；（2）运转在零色散波长附近，使得Δk_W几乎能抵消Δk_M+Δk_NL；（3）运转在以反常色散区，使得Δk_W<0，抵消Δk_M+Δk_NL。

对于多模光纤，不同模式传输的光波，使得Δk_W<0，则在此范围内，可实现相位匹配。

对于保偏光纤，可利用其正交偏振传输光波之间的不同有效折射率，实现相位匹配。

因为高阶色散的作用，使得高阶孤子分裂为基阶孤子时，在满足相位匹配的正常色散区就会产生辐射波。该相位匹配条件要求辐射波与孤子具有相同的相速度。相位匹配条件为：

φ(ω_d)=β(ω_d)z-ω_d(z/v_g)                                            （11）

φ(ω_s)=β(ω_s)z-ω_s(z/v_g)+0.5γP_sz                                  （12）

其中，ν_g,S为光孤子群速度，β为传播常数。

本发明的有益效果：

光子晶体光纤中四波混频效应的反斯托克斯波和其三次谐波很容易产生，且反斯托克斯波的转换效率非常高。光子晶体光纤中四波混频效应的色散波很容易产生，并且其波长可根据泵浦功率调节，选用低零色散非线性光子晶体光纤，利用其产生色散波或反斯托克斯波的三次谐波，可实现近红外光到深紫外光的转换。极大地减小了群速度失配，提高了深紫外光功率和转换效率。另外，其波长调谐可通过改变泵浦光功率、泵浦波长和偏振特性实现。深紫外光激光器简单紧凑，便于生产安装和非专业人员操作使用，将扩展深紫外激光在前沿科学领域的发展和应用。

附图说明

图1为一种波长可调谐的深紫外光激光器的光路示意图之一。

图中：1、高非线性光学材料，2、高反射镜，3、输出光束准直器，4、分光棱镜，5、泵浦光耦合器，6、色散补偿元件，7、偏振控制器，8、泵浦光功率控制器，9、光学隔离器，10、光谱滤波镜片。

具体实施方式

结合附图对本发明做进一步描述。

如图1所示，本波长可调谐的深紫外光激光器包括：高非线性光学材料1，高反射镜2，输出光束准直器3，分光棱镜4，泵浦光耦合器5，色散补偿元件6，偏振控制器7，泵浦光功率控制器8，光学隔离器9和光谱滤波镜片10。

高非线性光学材料1放置在高反射镜2的后端，输出光束准直器3放置在高非线性光学材料1的输出端，泵浦光耦合器5放置在靠近高反射镜2的输入端，色散补偿元件6放置在泵浦光耦合器5入射端前面，偏振控制器7放置在色散补偿元件6入射端前面，泵浦光功率控制器8放置在偏振控制器7入射端前面，光学隔离器9在泵浦光入射的最前端，光谱滤波片10放置在整个光路的最后端。

本实施例中所使用的具体器件：

高非线性光学材料1是一种石英基的非线性光子晶体光纤，其零色散波长在700-800nm，长度不大于20cm。

高反射镜2是平平镜：是对高反射镜2的一个侧面，镀对700-850nm泵浦光透过率大于95%的高增透膜；对高反射镜2的另一个侧面，镀对深紫外至可见光波段反射率99.99%的高反射膜的高反射镜。

输出光束准直器3：是40×显微物镜。镀对深紫外至可见光波段高透射膜，透过率99.9%。

分光棱镜4是三棱镜。

泵浦光耦合器5采用40×长焦距物镜。

色散补偿元件6采用光栅。

偏振控制器7采用λ/2石英波片。

泵浦光功率控制器8采用中性光学衰减片。

光学隔离器9对泵浦光高透的光学隔离器。

光谱滤波片10镀对深紫外波段高透射膜，透过率99%。

本发明使用钛宝石锁模激光器（脉宽为飞秒量级）作为泵浦源，泵浦光波长为调谐范围为700-900nm，先后经过光学隔离器9、泵浦光功率控制器8、偏振控制器7、色散补偿元件6、泵浦光耦合器5、高反射镜2，经聚焦进入低零色散波长的非线性光子晶体光纤1，该类微结构光纤产生简并四波混频，产生可将光波段的反斯托克斯波的三次谐波和色散波，到浦光耦合器5，进入经色散棱镜4和滤波镜片10实现深紫外光输出。

Claims (6)

1.一种波长可调谐的深紫外光激光器，其包括：高非线性光学材料（1），高反射镜（2），输出光束准直器（3），分光棱镜（4），泵浦光耦合器（5），色散补偿元件（6），偏振控制器（7），泵浦光功率控制器（8），光学隔离器（9）和光谱滤波片（10）。其中，高非线性光学材料（1）放置在高反射镜（2）的出射端，输出光束准直器（3）放置在高非线性光学材料（1）的输出端，泵浦光耦合器（5）放置在靠近高反射镜（2）的输入端，色散补偿元件（6）放置在泵浦光耦合器（5）入射端前面，偏振控制器（7）放置在色散补偿元件（6）入射端前面，泵浦光功率控制器（8）放置在偏振控制器（7）入射端前面，光学隔离器（9）在泵浦光入射端，光谱滤波片（10）放置在整个光路的出射端。其特征在于：

所述的高非线性光学材料（1）为零色散波长在700-800nm的高非线性光子晶体光纤；

所述的高反射镜(2)为平平镜或者光纤光栅；

所述的输出光束准直器（3）为显微物镜；

所述的泵浦光耦合器（5）为光纤耦合器或光纤波分复用器；

所述的光谱滤波片（10）为镀紫外至深紫外波段高透膜的平平镜；

所述的色散补偿元件（6）为光栅。

2.根据权利要求1所述的一种波长可调谐的深紫外光激光器，其特征在于：高非线性光学材料（1）使工作于反常色散区域的近红外泵浦光能够产生四波混频效应，并满足相位匹配条件，产生可见光波段的反斯托克斯波，近红外到可见光转换效率可达40%；反斯托克斯波可产生深紫外波段的三次谐波。

3.根据权利要求1所述的一种波长可调谐的深紫外光激光器，其特征在于：高非线性光学材料（1）使工作于反常色散区的近红外泵浦光产生紫外光波段的色散波。

4.根据权利要求1所述的一种波长可调谐的深紫外光激光器，其特征在于：高非线性光学材料（1）所用的长度为5-10厘米。抑制超连续谱的产生，能提高反斯托克斯波和色散波的转换效率，。

5.根据权利要求1所述的一种波长可调谐的深紫外光激光器，其特征在于：所述的泵浦波长在700-850nm范围内调谐，实现200-300nm紫外激光调谐输出；所述的波长调谐通过泵浦光功率控制器（8）实现；波长调谐通过所述的旋转偏振控制器（7）实现。

6.根据权利要求1所述的一种波长可调谐的深紫外光激光器，其特征在于：

所述的高反射镜（1）对泵浦光镀增透膜，同时对可见光至深紫外光镀高反膜；所述的输出光光束准直器（4）对可见光至深紫光外镀高透膜。

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