CN103490274A - 高效率多波长超短脉冲激光产生装置 - Google Patents

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申作春
杜艳秋
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Abstract

高效率多波长超短脉冲激光产生装置，涉及非线性光学设备技术领域。它是为了解决超短脉冲泵浦下瞬态受激拉曼散射过程中自相位调制、自聚焦和多光子离解的过程影响严重的问题。本发明的拉曼池由不锈钢管和没有镀膜的融石英入射窗、出射窗构成，内部可以冲入纯净的氢气、甲烷、氘气等，或者与惰性气体的混合气体，或者几种拉曼介质的混合气体。混合工作气体介质可以获得更多的斯托克斯波长输出；缓冲气体的加入能够调节输出斯托克斯波长的强度；等边色散棱镜材料选用重火石玻璃材质。由色散棱镜、第五聚焦镜和选模小孔配合选择不同激光波长输出，并进行能量测量。本发明适用于非线性光学设备技术领域。

Description

高效率多波长超短脉冲激光产生装置
技术领域
本发明涉及的是非线性光学设备技术领域。
背景技术
超短脉冲激光具有飞秒、皮秒量级的持续时间、很高的峰值功率、极宽的光谱宽度等优点，在生物学、化学、光通讯、外科医疗、精细加工制造及物理学等领域得到很广泛的应用。与基于晶体参量过程的扩展激光波长的方法相比，利用气体的受激拉曼散射获得超短新波长激光的方法具有成本低、装置简单、损伤少等优势。但是，在利用超短脉冲激光泵浦拉曼介质获得新波长激光时，受激拉曼散射过程处于强瞬态过程，这样在泵光的最大值和被产生的SRS脉冲间有一个延迟，被产生脉冲的脉宽会降低，传输波会受到相位调制，进而导致泵光和SRS脉冲光谱形状的加宽和变形。除此之外，瞬态受激拉曼散射常常伴有很多非线性效应，如自相位调制，自聚焦，多光子离解，光学击穿等。这些过程的增强会大大抑制斯托克斯光的转换效率，甚至完全压制了受激拉曼散射效应。故在利用氢气、甲烷、氘气等高压气体作为有效的拉曼介质进行激光器设计时，必须计及在超短脉冲泵浦时受激拉曼散射过程与其他非线性过程的相互影响与竞争。
发明内容
本发明是为了克服超短脉冲泵浦下瞬态受激拉曼散射过程中自相位调制、自聚焦和多光子离解等非线性过程严重影响斯托克斯光转换效率的问题，进而提供了一种高效率多波长超短脉冲激光产生装置。
高效率多波长超短脉冲激光产生装置，它包括激光器1、分光片2、第一聚焦镜3，石英光纤4、第二聚焦镜5、第三聚焦镜6、拉曼池7、第四聚焦镜8、等边色散棱镜9、第五聚焦镜10、选模光阑11、第一探测器12、第二探测器13、倍频晶体14和滤光片15；
所述的第一聚焦镜3，石英光纤4、第二聚焦镜5、分光片2、第三聚焦镜6、拉曼池7、第四聚焦镜8、倍频晶体14和滤光片15依次设置在激光器1输出的激光束的光轴上，激光器1输出的激光束经过倍频晶体14倍频后转换成两种混合波长的激光束并入射至滤光片15，经所述滤光片15滤光后的光束入射至第一聚焦镜3，经所述第一聚焦镜3聚焦后的光束入射至石英光纤4，经所述石英光纤4啁啾后的激光束入射至第二聚焦镜5，经所述第二聚焦镜5准直后的激光束入射至分光片2的分光面，经该分光面反射的光束垂直入射至第二探测器13，分光片2与激光器1输出激光束的光轴呈45°角；
经分光片2的分光面透射的光束入射至第三聚焦镜6，经所述第三聚焦镜6聚焦后的激光束入射至拉曼池7，经所述拉曼池7散射后的各阶斯托克斯光入射至第四聚焦镜8，经所述第四聚焦镜8准直后的激光束入射至等边色散棱镜9；
所述第三聚焦镜6和第四聚焦镜8具有相同的焦距，对称共焦放置，二者的焦点位于拉曼池7的中心位置；
所述等边色散棱镜9与激光器1输出的激光束的光轴呈45°角，经等边色散棱镜9分光后的各阶斯托克斯光入射至第五聚焦镜10，经所述第五聚焦镜10将各阶斯托克斯光进行聚焦，并分开，已经分开的各阶斯托克斯光入射至选模光阑11的小孔，经该小孔选模后的出射斯托克斯光垂直入射至第一探测器12。
本发明的拉曼池由带有压力表、充气孔、放气孔的不锈钢管和没有镀膜的融石英入射窗、出射窗构成，整个拉曼池长度为30cm，内部可以冲入纯净的氢气、甲烷、氘气等，或者与惰性气体的混合气体，或者几种拉曼介质的混合气体。混合工作气体介质可以获得更多的斯托克斯波长输出。惰性气体的加入能够调节输出斯托克斯波长的强度。
本发明的等边色散棱镜材料选用重火石玻璃材质。由色散棱镜、第五聚焦镜和选模小孔配合选择不同阶的斯托克斯波长激光输出，并进行能量、脉宽、线宽、波长的测量。
本发明利用飞秒激光入射下石英光纤的自相位调制和群速色散的结合，将飞秒激光脉冲啁啾到皮秒量级，石英光纤的直径为4um，长度为20cm；经过啁啾后的脉宽约为2ps。
本发明结构简单，在受激拉曼散射过程中，泵浦能量大于0且小于80us，激光束经过啁啾后的脉冲能量能够100%抑制自相位调制、自聚焦和多光子离解过程，斯托克斯光转换效率达到20%。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的高效率多波长超短脉冲激光产生装置，它包括激光器1、分光片2、第一聚焦镜3，石英光纤4、第二聚焦镜5、第三聚焦镜6、拉曼池7、第四聚焦镜8、等边色散棱镜9、第五聚焦镜10、选模光阑11、第一探测器12、第二探测器13、倍频晶体14和滤光片15；
所述的第一聚焦镜3，石英光纤4、第二聚焦镜5、分光片2、第三聚焦镜6、拉曼池7、第四聚焦镜8、倍频晶体14和滤光片15依次设置在激光器1输出的激光束的光轴上，激光器1输出的激光束经过倍频晶体14倍频后转换成两种混合波长的激光束并入射至滤光片15，经所述滤光片15滤光后的光束入射至第一聚焦镜3，经所述第一聚焦镜3聚焦后的光束入射至石英光纤4，经所述石英光纤4啁啾后的激光束入射至第二聚焦镜5，经所述第二聚焦镜5准直后的激光束入射至分光片2的分光面，经该分光面反射的光束垂直入射至第二探测器13，分光片2与激光器1输出激光束的光轴呈45°角；
经分光片2的分光面透射的光束入射至第三聚焦镜6，经所述第三聚焦镜6聚焦后的激光束入射至拉曼池7，经所述拉曼池7散射后的各阶斯托克斯光入射至第四聚焦镜8，经所述第四聚焦镜8准直后的激光束入射至等边色散棱镜9；
所述第三聚焦镜6和第四聚焦镜8具有相同的焦距，对称共焦放置，二者的焦点位于拉曼池7的中心位置；
所述等边色散棱镜9与激光器1输出的激光束的光轴呈45°角，经等边色散棱镜9分光后的各阶斯托克斯光入射至第五聚焦镜10，经所述第五聚焦镜10将各阶斯托克斯光进行聚焦，并分开，已经分开的各阶斯托克斯光入射至选模光阑11的小孔，经该小孔选模后的出射斯托克斯光垂直入射至第一探测器12。
工作原理：
激光器1为钛蓝宝石飞秒激光器，输出的800nm、50fs的超快飞秒激光经过倍频晶体14后输出的为400nm、70fs和800nm、50fs的两种混合波长的激光，经过滤光片15后输出的为400nm、70fs的可见光，经第一聚焦镜3耦合进入石英光纤4；超快飞秒激光脉冲经过石英光纤4，结合光纤的自相位调制和群速色散效应，将400nm-700fs的飞秒脉冲啁啾到2ps；经过石英光纤4得到的皮秒脉冲经过第二聚焦镜5聚焦后入射至分光片2后，反射一小部分到达第二探测器13，用来监测激光器1的能量变化情况；经过分光镜2透射的大部分能量经过第三聚焦镜6耦合进入拉曼池7，产生高效率的受激拉曼散射，得到的受激拉曼散射光经过第四聚焦镜8，被等边色散棱镜9分光后，再经第五聚焦镜10聚焦后通过选模小孔11，到达第一探测器12探测各阶斯托克斯光的能量。
第一探测器12和第二探测器13可以换成功率计测得输入及各阶输出光的功率；也可是自相关仪，测量泵浦光及各阶瞬斯托克斯光的脉宽；还可以是能量计，测量泵浦光及各阶斯托克斯光的能量。
在拉曼池7内冲入纯净的甲烷、氢气、氧气或者与惰性气体的混合气体，获得一阶及高阶斯托克斯光，以及一阶和更高阶反斯托克斯光。
具体实施方式二：本实施方式对具体实施方式一所述的高效率多波长超短脉冲激光产生装置的进一步限定，本实施方式中，所述激光器1为钛蓝宝石飞秒激光器，激光器1发射的激光束的波长为800nm，脉宽为50fs。
具体实施方式三：本实施方式对具体实施方式一所述的高效率多波长超短脉冲激光产生装置的进一步限定，本实施方式中，倍频晶体14倍频后转换成两种混合波长的激光束，一束的波长为400nm，脉宽为70fs；另一束的波长为800nm，脉宽为50fs。
具体实施方式四：本实施方式对具体实施方式一所述的高效率多波长超短脉冲激光产生装置的进一步限定，本实施方式中，滤光片15滤光后的光束为可见光，波长为400nm，脉宽为70fs。
具体实施方式五：本实施方式对具体实施方式一所述的高效率多波长超短脉冲激光产生装置的进一步限定，本实施方式中，经石英光纤4啁啾后的激光束波长为400nm，脉宽为2ps。

Claims (5)

1.高效率多波长超短脉冲激光产生装置,其特征在于：它包括激光器（1）、分光片（2）、第一聚焦镜（3），石英光纤（4）、第二聚焦镜（5）、第三聚焦镜（6）、拉曼池（7）、第四聚焦镜（8）、等边色散棱镜（9）、第五聚焦镜（10）、选模光阑（11）、第一探测器（12）、第二探测器（13）、倍频晶体（14）和滤光片（15）；
所述的第一聚焦镜（3），石英光纤（4）、第二聚焦镜（5）、分光片（2）、第三聚焦镜（6）、拉曼池（7）、第四聚焦镜（8）、倍频晶体（14）和滤光片（15）依次设置在激光器（1）输出的激光束的光轴上，激光器（1）输出的激光束经过倍频晶体（14）倍频后转换成两种混合波长的激光束并入射至滤光片（15），经所述滤光片（15）滤光后的光束入射至第一聚焦镜（3），经所述第一聚焦镜（3）聚焦后的光束入射至石英光纤（4），经所述石英光纤（4）啁啾后的激光束入射至第二聚焦镜（5），经所述第二聚焦镜（5）准直后的激光束入射至分光片（2）的分光面，经该分光面反射的光束垂直入射至第二探测器（13），分光片（2）与激光器（1）输出激光束的光轴呈45°角；
经分光片（2）的分光面透射的光束入射至第三聚焦镜（6），经所述第三聚焦镜（6）聚焦后的激光束入射至拉曼池（7），经所述拉曼池（7）散射后的各阶斯托克斯光入射至第四聚焦镜（8），经所述第四聚焦镜（8）准直后的激光束入射至等边色散棱镜（9）；
所述第三聚焦镜（6）和第四聚焦镜（8）具有相同的焦距，对称共焦放置，二者的焦点位于拉曼池（7）的中心位置；
所述等边色散棱镜（9）与激光器（1）输出的激光束的光轴呈45°角，经等边色散棱镜（9）分光后的各阶斯托克斯光入射至第五聚焦镜（10），经所述第五聚焦镜（10）将各阶斯托克斯光进行聚焦，并分开，已经分开的各阶斯托克斯光入射至选模光阑（11）的小孔，经该小孔选模后的出射斯托克斯光垂直入射至第一探测器（12）。
2.根据权利要求1所述的高效率多波长超短脉冲激光产生装置,其特征在于：所述激光器（1）为钛蓝宝石飞秒激光器，激光器（1）发射的激光束的波长为800nm，脉宽为50fs。
3.根据权利要求1所述的高效率多波长超短脉冲激光产生装置,其特征在于：倍频晶体（14）倍频后转换成两种混合波长的激光束，一束的波长为400nm，脉宽为70fs；另一束的波长为800nm，脉宽为50fs。
4.根据权利要求1所述的高效率多波长超短脉冲激光产生装置,其特征在于：滤光片（15）滤光后的光束为可见光，波长为800nm，脉宽为70fs。
5.根据权利要求1所述的高效率多波长超短脉冲激光产生装置,其特征在于：经石英光纤（4）啁啾后的激光束波长为400nm，脉宽为2ps。
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