CN104701725A - 一种中红外飞秒激光器及其参量放大器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种中红外飞秒激光器及其参量放大器，其包括：OPA飞秒泵浦激光器、信号光光源、设置在OPA飞秒泵浦激光器和信号光光源的出射通道上并用于叠加OPA飞秒泵浦激光器发出的泵浦光和信号光光源发出的信号光的波长组束功能的器件、以及用于将叠加后的泵浦光和信号光进行转化输出闲频光的周期性极化二次非线性晶体，结构简单，成本低，调制简单，抗环境干扰能力强，高光学质量输出，高转化效率，高重复频率，利于小型化和便携化。

Description

一种中红外飞秒激光器及其参量放大器

技术领域

本发明涉及激光器技术领域，具体是中红外飞秒激光器及其参量放大器。

背景技术

中红外飞秒激光器在医疗成像、生物医药监测、大气监测、红外雷达、红外激光制导以及天体探测等领域具有广泛的应用。目前生成红外飞秒激光的方法主要有两种，分别为参量振荡(OPO)和参量放大(OPA)。两者都是利用二次非线性原理，在满足相位匹配的基础上，通过频率差分法产生中红外激光，其频率转换公式为λ_p为泵浦光波长，λ_s为信号光波长，λ_i为闲频光波长。

目前基于OPO和OPA的中红外飞秒激光器，结构复杂，造价昂贵，调制难度高。同时激光器的性能在波长覆盖范围，输出功率，重复频率，抗环境干扰能力等方面都存在缺陷。

OPO原理激光器利用谐振腔振荡原理，激发二次非线性晶体的自发辐射效应。其系统结构对谐振腔精度要求极高，因而导致抗环境干扰能力差，湿度，温度等环境变化都会引发输出功率的急剧衰减。同时由于采用自发辐射原理，目前OPO的中红外激光器输平均出功率为几十毫瓦，无法满足实际应用需求。

OPA原理激光器采用混合注入式方法，通过泵浦光和信号光在二次非线性晶体中的差频作用，产生中红外闲频光。然而在参量放大过程中泵浦光和信号光之间会发生的逆转换效应，严重破坏输出光的时域波形和相干性。为保持输出光的光学质量，传统OPA需要将转换效率压制在较低的水平，大约5％～10％，进一步增加转换效率，就会引起“逆转换效应”，破坏输出光光学质量。为了提高输出功率，目前OPA系统多采用二级或多级放大技术，大大增加了系统成本和复杂度，同时造成调制难度提升。

在OPA多级放大技术中，为了保证泵浦光和信号光时域同步，每级放大前还需要添加相位延迟组件，这在进一步提升复杂度和调制难度的同时，还严重限制了OPA系统的重复频率。目前多级OPA系统重复频率停滞在1000Hz～10KHz，限制了信号采样密度，导致其实际应用中受限。同时多级放大和相位延迟组件也降低了OPA系统的抗环境干扰能力，增加了系统规模，不利于便携式包装。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种中红外飞秒激光器及其参量放大器，结构简单，成本低，调制简单，抗环境干扰能力强，高光学质量输出，高转化效率，高重复频率，利于小型化和便携化。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种中红外飞秒参量放大器，其包括：OPA飞秒泵浦激光器1、信号光光源5、设置在OPA飞秒泵浦激光器1和信号光光源5的出射通道上并用于叠加OPA飞秒泵浦激光器1发出的泵浦光和信号光光源5发出的信号光的波长组束功能的器件10、用于将叠加后的泵浦光和信号光进行转化输出闲频光的周期性极化二次非线性晶体11，其中：

泵浦光波长、信号光波长、闲频光波长需要满足二次非线性差频过程中频率转换公式(1)为：λ_p，λ_s，λ_i分别为泵浦光、信号光、闲频光的频率；

根据泵浦光波长、信号光波长、闲频光波长和周期性极化二次非线性晶体的材料折射率决定晶体极化周期，其决定的公式(2)为：其中n_p，n_s，n_i分别为泵浦光、信号光、闲频光对应的材料折射率，m为准相位匹配级数，Λ为极化周期；

泵浦光、信号光、闲频光和周期性极化二次非线性晶体的材料折射率必须满足材料色散条件，公式(3)如下：

$(n_i-n_p)(n_s-n_p)+n_s{\mathrm{\&lambda;}}_p\frac{\&PartialD;n_p}{\&PartialD;{\mathrm{\&lambda;}}_p}+n_p{\mathrm{\&lambda;}}_i\frac{\&PartialD;n_i}{\&PartialD;{\mathrm{\&lambda;}}_i}<......$

$(n_i-n_p)({\mathrm{\&lambda;}}_s\frac{\&PartialD;n_s}{\&PartialD;{\mathrm{\&lambda;}}_s}-{\mathrm{\&lambda;}}_p\frac{\&PartialD;n_p}{\&PartialD;{\mathrm{\&lambda;}}_p})+n_s{\mathrm{\&lambda;}}_i\frac{\&PartialD;n_i}{\&PartialD;{\mathrm{\&lambda;}}_i}+n_p{\mathrm{\&lambda;}}_p\frac{\&PartialD;n_p}{\&PartialD;{\mathrm{\&lambda;}}_p}+.......$

$({\mathrm{\&lambda;}}_p\frac{\&PartialD;n_p}{\&PartialD;{\mathrm{\&lambda;}}_p}-{\mathrm{\&lambda;}}_i\frac{\&PartialD;n_i}{\&PartialD;{\mathrm{\&lambda;}}_i})({\mathrm{\&lambda;}}_s\frac{\&PartialD;n_s}{\&PartialD;{\mathrm{\&lambda;}}_s}-{\mathrm{\&lambda;}}_p\frac{\&PartialD;n_p}{\&PartialD;{\mathrm{\&lambda;}}_p})$

其中：表示n_x对λ_x的一阶求导，其中，x为i，s，或p。

优选地，所述波长组束功能的器件10为：分色镜、分光光栅或分光棱镜。

优选地，还包括：第一半波片2，所述第一半波片2设置在OPA飞秒泵浦激光器1与周期性极化二次非线性晶体11之间。

优选地，还包括：第一光学隔离器3，所述第一光学隔离器3设置在所述OPA飞秒泵浦激光器1的出射光路上。

优选地，还包括：第一光斑控制器4，所述第一光斑控制器4设置在OPA飞秒泵浦激光器1与周期性极化二次非线性晶体11之间。

优选地，还包括：第二半波片6，所述第二半波片6设置在信号光光源5的出射光路上。

优选地，还包括：第二光学隔离器7，所述第二光学隔离器7设置在信号光光源5的出射光路上。

优选地，还包括：第二光斑控制器8，所述第二光斑控制器8设置在信号光光源5与周期性极化二次非线性晶体11之间。

优选地，还包括：第一反光镜9，所述第一反光镜9设置在信号光光源5的出射光路上。

优选地，还包括：第二反光镜12，所述第二反光镜12设置在周期性极化二次非线性晶体11的出射光路上。

优选地，还包括：中红外滤波片13，所述中红外滤波片13设置在周期性极化二次非线性晶体11的出射光路上。

本发明实施例还提供一种中红外飞秒激光器，包括上述任一技术方案所述的中红外飞秒参量放大器。

实施本发明的技术方案，具有以下有益效果：本发明提供的中红外飞秒激光器及其参量放大器，通过一个OPA飞秒泵浦激光器、一个信号光光源和一个周期性极化二次非线性晶体实现一级OPA放大技术，同时泵浦光、信号光、闲频光和周期性极化二次非线性晶体的材料折射率必须满足公式(3)的材料色散条件以实现色散相位延迟技术，成功抑制了OPA中的“逆转换效应”，在保持输出光高光学质量的同时，在一级OPA放大中实现了50％～80％的转换效率。有效提高了OPA系统的输出功率。

该中红外飞秒激光器及其参量放大器摒弃了OPO的谐振腔设计。色散相位延迟技术能够有效提高转换效率，使一级OPA系统便可以达到实际应用的功率需求，避免了二级或多级放大系统，有效的降低了OPA系统的复杂度，成本，以及调制难度。

该中红外飞秒激光器及其参量放大器基于色散相位延迟技术的一级OPA系统极提高了抗环境干扰能力。

该中红外飞秒激光器及其参量放大器基于色散相位延迟技术的一级OPA系统消除了多级OPA系统对重复频率的限制，使重复频率可以达到20MHz～80HMz甚至更高的重复频率。

该中红外飞秒激光器及其参量放大器基于色散相位延迟技术的一级OPA系统，由于系统构造简单，可以做到小型化和便携式的优点。

该中红外飞秒激光器及其参量放大器色散相位延迟技术可适用波段范围广，凡是满足材料色散条件{包括公式(3)}的周期性极化二次非线性晶体均可以使用该色散相位延迟技术。

该中红外飞秒激光器及其参量放大器的色散相位延迟技术不仅可以实现单级OPA高光学质量，高效率输出，还具有压缩脉冲时域宽度功能，进一步提高输出脉冲的时域相干性。

该中红外飞秒激光器及其参量放大器色散相位延迟技术不仅适用于飞秒脉冲激光，其原理和设计结构可以应用于皮秒脉冲激光器。应用范围广阔。

附图说明

图1为本发明实施例提供的中红外飞秒参量放大器第一实施例的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的中红外飞秒参量放大器第二实施例的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的中红外飞秒参量放大器与现有技术输出闲频光的对比图；

图4为本发明实施例提供的中红外飞秒参量放大器第三实施例的结构示意图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供一种中红外飞秒参量放大器，其特征在于，包括：OPA飞秒泵浦激光器1、信号光光源5、设置在OPA飞秒泵浦激光器1和信号光光源5的出射通道上并用于叠加OPA飞秒泵浦激光器1发出的泵浦光和信号光光源5发出的信号光的波长组束功能的器件10、用于将叠加后的泵浦光和信号光进行转化输出闲频光的周期性极化二次非线性晶体11，信号光光源5采用连续激光，连续激光可以保持泵浦光与信号光时域同步，适用于高重复频率系统。如图4所示，信号光光源5也可以采用脉冲激光代替连续激光，根据需求选择是否添加相位延迟装置，其中：

泵浦光波长、信号光波长、闲频光波长需要满足二次非线性差频过程中频率转换公式(1)为：λ_p、λ_s、λ_i分别为泵浦光、信号光、闲频光的频率；

根据泵浦光波长、信号光波长、闲频光波长和周期性极化二次非线性晶体的材料折射率决定晶体极化周期，其决定的公式(2)为：其中n_p、n_s、n_i分别为泵浦光、信号光、闲频光对应的材料折射率，m为准相位匹配级数，Λ为极化周期；

泵浦光、信号光、闲频光和周期性极化二次非线性晶体的材料折射率必须满足材料色散条件，公式(3)如下：

$(n_i-n_p)(n_s-n_p)+n_s{\mathrm{\&lambda;}}_p\frac{\&PartialD;n_p}{\&PartialD;{\mathrm{\&lambda;}}_p}+n_p{\mathrm{\&lambda;}}_i\frac{\&PartialD;n_i}{\&PartialD;{\mathrm{\&lambda;}}_i}<......$

$(n_i-n_p)({\mathrm{\&lambda;}}_s\frac{\&PartialD;n_s}{\&PartialD;{\mathrm{\&lambda;}}_s}-{\mathrm{\&lambda;}}_p\frac{\&PartialD;n_p}{\&PartialD;{\mathrm{\&lambda;}}_p})+n_s{\mathrm{\&lambda;}}_i\frac{\&PartialD;n_i}{\&PartialD;{\mathrm{\&lambda;}}_i}+n_p{\mathrm{\&lambda;}}_p\frac{\&PartialD;n_p}{\&PartialD;{\mathrm{\&lambda;}}_p}+......$

$({\mathrm{\&lambda;}}_p\frac{\&PartialD;n_p}{\&PartialD;{\mathrm{\&lambda;}}_p}-{\mathrm{\&lambda;}}_i\frac{\&PartialD;n_i}{\&PartialD;{\mathrm{\&lambda;}}_i})({\mathrm{\&lambda;}}_s\frac{\&PartialD;n_s}{\&PartialD;{\mathrm{\&lambda;}}_s}-{\mathrm{\&lambda;}}_p\frac{\&PartialD;n_p}{\&PartialD;{\mathrm{\&lambda;}}_p})$

其中：表示n_x对λ_x的一阶求导，其中，x为i，s，或p。材料色散条件满足后，在参量放大过程中：泵浦光、信号光、闲频光会在时域内分离。分离后的泵浦光、信号光和闲频光停止相互作用，从而抑制了逆转换效应，保持了高水平的输出的闲频光的光学质量，实现了高转换效率OPA。

上述实施例提供的参量放大器实现了高转换效率参量放大，能够输出高功率中红外闲频光。

上述实施例的应用实例。泵浦激光器为Yb飞秒激光器，波长为1041nm，脉冲宽度500fs，重复频率21MHz。信号光采用1398nm连续激光。差频后产生4073nm闲频光。周期极化的二次非线性晶体可以采用如：周期性极化铌酸锂(PPLN)。当周期性极化的二次非线性晶体满足条件公式(3)中的材料色散条件后，泵浦光、信号光、以及闲频光在时域内分离，抑制了“逆转换效应”，输出光保持高的光学质量，转换效率为75％。同时闲频光的脉冲宽度通过色散相位延迟技术实现了时域压缩，缩短为350fs。闲频光重复频率由泵浦光决定，为21MHz。闲频光平均输出功率为200mW。从而实现了高光学质量，高重复频率，高转换效率，高功率输出的中红外参量放大器。

图3为相同条件下，满足上述材料色散条件和不满足上述材料色散条件的输出闲频光对比。在使用上述实施例中的条件下，闲频光保持高质量的时域波形，而未采用上述实施例中额条件的闲频光的时域波形严重破坏。上述实施例同样可以适用于皮秒OPA系统。

在上述实施例中，优选地，所述波长组束功能的器件10为：分色镜、分光光栅或分光棱镜。

在其他实施例中，在上述各实施例基础上，该参量放大器还包括：第一半波片2，所述第一半波片2设置在OPA飞秒泵浦激光器1与周期性极化二次非线性晶体11之间。若OPA飞秒泵浦激光器1发出的泵浦光额偏振态与周期性极化二次非线性晶体11不匹配，通过第一半波片2来调节泵浦光的偏振度，使OPA飞秒泵浦激光器1和周期性极化二次非线性晶体11在偏振态上匹配。

在其他实施例中，在上述各实施例基础上，该参量放大器还包括：第一光学隔离器3，所述第一光学隔离器3设置在所述OPA飞秒泵浦激光器1的出射光路上。若泵浦光经过波长组束功能的器件10，周期性极化二次非线性晶体11时产生强烈反射，可以通过在OPA飞秒泵浦激光器1之后添加第一光学隔离器3来消除反射光对泵浦光造成的不良影响。第一光学隔离器3可以由两个偏振器和一个四分之一波片组成，也可以采用其他类型光学隔离器。

在其他实施例中，在上述各实施例基础上，该参量放大器还包括：第一光斑控制器4，所述第一光斑控制器4设置在OPA飞秒泵浦激光器1与周期性极化二次非线性晶体11之间。若OPA飞秒泵浦激光器1额泵浦光在周期性极化二次非线性晶体11中的光学强度不足，或者过高，可以通过第一光斑控制器4来调节泵浦光光学强度。第一光斑控制器4可以由一个凹透镜和一个凸透镜组成，也可以采用其他类型光斑控制器。

在其他实施例中，在上述各实施例基础上，该参量放大器还包括：第二半波片6，所述第二半波片6设置在信号光光源5的出射光路上。若信号光光源5的信号光的偏振态与OPA飞秒泵浦激光器1、周期性极化二次非线性晶体11不匹配，可以通过在信号光光源5之后添加基于信号光波长的第二半波片6，来调节信号光光源5的信号光偏振态。

在其他实施例中，在上述各实施例基础上，该参量放大器还包括：第二光学隔离器7，所述第二光学隔离器7设置在信号光光源5的出射光路上。若信号光经过波长组束功能的器件10、周期性极化二次非线性晶体11时造成强烈反射，可以通过在信号光光源5之后添加基于信号光波长的第二光学隔离器7来消除反射光。

在其他实施例中，在上述各实施例基础上，该参量放大器还包括：第二光斑控制器8，所述第二光斑控制器8设置在信号光光源5与周期性极化二次非线性晶体11之间。若信号光光源5的信号光在周期性极化二次非线性晶体11中光学强度不符合要求，可以通过在信号光光源5和周期性极化二次非线性晶体11之间添加第二光斑控制器8，以调节信号光光强。

在其他实施例中，在上述各实施例基础上，该参量放大器还包括：第一反光镜9，所述第一反光镜9设置在信号光光源5的出射光路上。若信号光光源5的传输方向不利于同OPA飞秒泵浦激光器1进行叠加，可以通过添加第一反光镜9调节信号光传输方向。

在其他实施例中，在上述各实施例基础上，该参量放大器还包括：第二反光镜12，所述第二反光镜12设置在周期性极化二次非线性晶体11的出射光路上。若经过周期性极化二次非线性晶体11输出的闲频光的传输方向和光学散度不理想，可以通过在周期性极化二次非线性晶体11之后添加第二反光镜12来调节输出的闲频光传输方向和光学散度。

在其他实施例中，在上述各实施例基础上，该参量放大器还包括：中红外滤波片13，所述中红外滤波片13设置在周期性极化二次非线性晶体11的出射光路上。如果需要将中红外闲频光从泵浦光和信号光中分离出来，可以在周期性极化二次非线性晶体11之后添加中红外滤波片13来消除泵浦光和信号光。如过使用分光棱镜也可以达到类似作用。

本发明实施例还提供一种中红外飞秒激光器，包括上述任一实施例所述的中红外飞秒参量放大器。

以上实施例仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种中红外飞秒参量放大器，其特征在于，包括：OPA飞秒泵浦激光器(1)、信号光光源(5)、设置在OPA飞秒泵浦激光器(1)和信号光光源(5)的出射通道上并用于叠加OPA飞秒泵浦激光器(1)发出的泵浦光和信号光光源(5)发出的信号光的波长组束功能的器件(10)、用于将叠加后的泵浦光和信号光进行转化输出闲频光的周期性极化二次非线性晶体(11)，其中：

泵浦光波长、信号光波长、闲频光波长需要满足二次非线性差频过程中频率转换公式(1)为：λ_p、λ_s、λ_i分别为泵浦光、信号光、闲频光的频率；

根据泵浦光波长、信号光波长、闲频光波长和周期性极化二次非线性晶体的材料折射率决定晶体极化周期，其决定的公式(2)为：其中n_p，、n_s、n_i分别为泵浦光、信号光、闲频光对应的材料折射率，m为准相位匹配级数，Λ为极化周期；

泵浦光、信号光、闲频光和周期性极化二次非线性晶体的折射率必须满足材料色散条件，公式(3)如下：

$(n_i-n_p)(n_s-n_p)+n_s{\mathrm{\&lambda;}}_p\frac{{\&PartialD;n}_p}{\&PartialD;{\mathrm{\&lambda;}}_p}+n_p{\mathrm{\&lambda;}}_i\frac{{\&PartialD;n}_i}{{\&PartialD;\mathrm{\&lambda;}}_i}<......$

$(n_i-n_p)({\mathrm{\&lambda;}}_s\frac{{\&PartialD;n}_s}{{\&PartialD;\mathrm{\&lambda;}}_s}-{\mathrm{\&lambda;}}_p\frac{{\&PartialD;n}_p}{{\&PartialD;\mathrm{\&lambda;}}_p})+n_s{\mathrm{\&lambda;}}_i\frac{{\&PartialD;n}_i}{\&PartialD;{\mathrm{\&lambda;}}_i}+n_p{\mathrm{\&lambda;}}_p\frac{{\&PartialD;n}_p}{{\&PartialD;\mathrm{\&lambda;}}_p}+......$

$({\mathrm{\&lambda;}}_p\frac{{\&PartialD;n}_p}{{\&PartialD;\mathrm{\&lambda;}}_p}-{\mathrm{\&lambda;}}_i\frac{{\&PartialD;n}_i}{{\&PartialD;\mathrm{\&lambda;}}_i})({\mathrm{\&lambda;}}_s\frac{{\&PartialD;n}_s}{{\&PartialD;\mathrm{\&lambda;}}_s}-{\mathrm{\&lambda;}}_p\frac{{\&PartialD;n}_p}{{\&PartialD;\mathrm{\&lambda;}}_p})$

其中：表示n_x对λ_x的一阶求导，其中，x为i，s，或p。

2.如权利要求1所述中红外飞秒参量放大器，其特征在于，所述波长组束功能的器件(10)为：分色镜、分光光栅或分光棱镜。

3.如权利要求2所述中红外飞秒参量放大器，其特征在于，还包括：第一半波片(2)，所述第一半波片(2)设置在OPA飞秒泵浦激光器(1)与周期性极化二次非线性晶体(11)之间。

4.如权利要求2所述中红外飞秒参量放大器，其特征在于，还包括：第一光学隔离器(3)，所述第一光学隔离器(3)设置在所述OPA飞秒泵浦激光器(1)的出射光路上。

5.如权利要求2所述中红外飞秒参量放大器，其特征在于，还包括：第一光斑控制器(4)，所述第一光斑控制器(4)设置在OPA飞秒泵浦激光器(1)与周期性极化二次非线性晶体(11)之间。

6.如权利要求2所述中红外飞秒参量放大器，其特征在于，还包括：第二半波片(6)，所述第二半波片(6)设置在信号光光源(5)的出射光路上。

7.如权利要求2所述中红外飞秒参量放大器，其特征在于，还包括：第二光斑控制器(8)，所述第二光斑控制器(8)设置在信号光光源(5)与周期性极化二次非线性晶体(11)之间。

8.如权利要求2所述中红外飞秒参量放大器，其特征在于，还包括：第二反光镜(12)，所述第二反光镜(12)设置在周期性极化二次非线性晶体(11)的出射光路上。

9.如权利要求2所述中红外飞秒参量放大器，其特征在于，还包括：中红外滤波片(13)，所述中红外滤波片(13)设置在周期性极化二次非线性晶体(11)的出射光路上。

10.一种中红外飞秒激光器，其特征在于，包括上述任一权利要求所述的中红外飞秒参量放大器。