CN104868354A - 一种光参量激光装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光参量激光装置，包括：泵浦激光器，光束匹配调控模块，光参量产生非线性光学晶体器件，可变孔径光阑，光参量放大非线性光学晶体器件组，光束分光整形准直单元。本发明通过宽调谐输出的泵浦激光器泵浦一组彼此间放置距离优化的在晶体主平面内切割的非线性光学晶体，实现宽调谐的光参量激光产生及高效放大,解决了目前宽调谐光参量激光器存在光束空间走离效应，以及多块晶体间同步角度/温度级联调节难以实现导致的波长调谐极其复杂，难以实用化等问题。
Description
技术领域
本发明涉及激光器领域，具体地，涉及一种多波段超宽调谐光参量激光装置。
背景技术
自1960年第一台红宝石激光器问世以来,人们就开始了可调谐激光器的研究。目前，人们已能控制十余种激光器的输出波长和线宽，例如有机染料激光器(可见/近红外)、色心激光器(可见/近红外)、分子气体激光器(红外/远红外)、半导体激光器(可见/红外)、固体可调谐激光器(近红外)、光参量激光器(紫外/中红外)和自由电子激光器(全波段)等等。从原理上看，自由电子激光器调谐范围最宽，但至今尚在实验开发阶段。其次为光参量激光器，光参量激光器因其调谐范围宽，结构紧凑，使用方便以及功率高，波长覆盖范围宽等诸多优点，已被广泛应用于各科研领域(新材料，生物，化学，共振光谱等)。
光参量激光器技术，是一束入射光与两束出射光的三波相互作用过程。入射光波长固定，称为“泵浦光”。变换后的出射光分别为“信号光”和“闲频光”，按照能量守恒,信号光和闲频光波长可实现连续调谐。光参量激光器包括光参量产生器(Optical ParametricGeneration,OPG)、光参量放大器(Optical Parametric Amplifier,OPA)和光参量振荡器(Optical Parametric Oscillator,OPO)。目前，光参量激光器主要通过晶体角度/温度的改变来实现信号光与闲频光波长的调谐输出。一方面，通过调节晶体角度实现相位匹配时，参与非线性作用的光束由于存在空间走离效应，使得有限孔径内的光束之间发生分离，造成参量光转换效率降低，光束质量变差。而温度调谐只能作用于折射率与色散量对温度变化较敏感的非线性光学晶体，而大多数非线性晶体并不符合，并且晶体温度调谐输出波长范围相对较窄，难以获得超宽调谐输出。光参量振荡器一般需泵浦光聚焦泵浦,参量光束之间的空间走离严重,为了降低光束在晶体内的空间走离,一般采用两块晶体以走离补偿的方式运转,但是两块晶体角度的同步级联调节严重影响了波长的快速及准确调节,难以实用化。种子注入的光参量激光放大器一般涉及到两块及以上同种晶体或者不同的晶体,需精确同步匹配调节种子激光的波长及光参量放大晶体的角度(或者温度),导致其波长的快速准确调节更加难以实现。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明提供一种多波段超宽调谐光参量激光装置，以解决目前宽调谐光参量激光器存在光束的空间走离效应及多块晶体间同步角度/温度级联调节难以实现导致的波长调谐极其复杂，难以实用化等问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供一种光参量激光装置，其特征在于，包括：泵浦激光器、在所述泵浦激光器输出激光方向依次设置的光束匹配调控模块、光参量产生非线性光学晶体器件、可变孔径光阑、光参量放大光学晶体器件组以及光束分光整形准直单元；
所述泵浦激光器用于产生波长可调的泵浦激光光束；
所述光束匹配调控模块用于对所述泵浦激光光束进行准直和整形；
所述光参量产生非线性光学晶体器件，用于在所述泵浦激光光束泵浦条件下辐射产生参量超荧光；
所述可变孔径光阑用于对所述参量超荧光进行空间滤波和频率滤波；
所述光参量放大非线性光学晶体器件组,包括至少一个光参量放大非线性光学晶体器件，用于对通过所述可变孔径光阑的参量超荧光进行无空间走离放大，得到放大的光参量激光光束；
所述光束分光整形准直单元，用于将未参与光参量过程的泵浦激光光束与所述放大的光参量激光光束分束输出；
其中，所述光参量产生非线性光学晶体器件及光参量放大非线性光学晶体器件均采用在晶体主平面内切割的非线性光学晶体。
其中，所述光参量产生非线性光学晶体器件与所述光参量放大非线性光学晶体器件使用相同的非线性光学晶体。
其中，所述泵激光器为宽调谐纳秒(ns)、皮秒(ps)、飞秒(fs)脉宽的Ti:S激光器、Cr3+:LiSrAlF6激光器、染料激光器和可见-近红外光参量激光器中的任一种。
其中，所述光参量产生非线性光学晶体器件及光参量放大非线性光学晶体器件均使用KTiOPO4(磷酸氧钛钾，KTP)、RbTiOAsO4(砷酸钛氧铷，RTP)、KTiOAsO4(砷酸钛氧钾，KTA)、LiNbO3(铌酸锂，LN)、LiInS2(硫铟锂，LIS)、LiGaSe2(硒镓锂，LGSe)、BaGa4S7(硫化镓钡)、BaGa4Se7(硒化镓钡)和SiC(碳化硅)晶体中的任一种。
其中，所述泵浦激光器为单波长Nd激光器、单波长光纤激光器和单波长Tm激光器中的任一种。
其中，所述装置还包括设置在所述光参量放大非线性光学晶体器件组前端的腔镜，和设置在所述光参量放大非线性光学晶体器件组后端的输出镜，所述腔镜、所述光参量放大非线性光学晶体器件组与所述输出镜形成光参量激光谐振腔，所述光参量激光谐振腔用于将所述放大的光参量激光光束振荡输出。
其中，所述光参量放大非线性光学晶体器件组包括多个顺序排列的光参量放大非线性光学晶体器件，并且多个所述光参量放大非线性光学晶体之间的距离可调。
(三)有益效果
本发明通过使用泵浦光波长调谐和非临界相位匹配技术实现参量激光器波长超宽调谐输出，不用调节晶体角度和/或温度，即可实现波长精确调谐，避免了多块晶体角度和/或温度需同步级联调节的问题，以及利用两块以上晶体难以实现精确同步转动带来的波长不匹配的问题。同时，采用在晶体主平面内切割的非线性光学晶体实现非临界相位匹配，避免了非线性过程中参量光的空间走离效应，有利于高效率、高光束质量参量激光输出。另外，本发明可以同时实现三个波长输出,并且这三个波长均可以实现大范围调谐,实现从可见到中红外超宽调谐输出。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了本发明第一实施例的光参量激光器的结构框图；
图2示出了本发明第一实施例中KTA晶体的相位匹配曲线图；
图3示出了本发明第二实施例的光参量激光器的结构框图；
图4示出了本发明第二实施例中KTP晶体的相位匹配曲线图；
图5示出了本发明第三实施例的光参量激光器的结构框图。
图6示出了本发明第三实施例中LN晶体的相位匹配曲线图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，以下实施例用于说明本发明，但不是限制本发明的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明通过宽调谐输出的泵浦激光器泵浦一组彼此间放置距离优化的在晶体主平面内切割的非线性光学晶体，实现宽调谐的光参量激光产生及高效放大,解决了目前宽调谐光参量激光器存在光束空间走离效应，以及多块晶体间同步角度/温度级联调节难以实现导致的波长调谐极其复杂，难以实用化等问题。
本发明提供的光参量激光装置，包括：泵浦激光器、在泵浦激光器输出激光方向依次设置的光束匹配调控模块、光参量产生非线性光学晶体器件、可变孔径光阑、光参量放大光学晶体器件组以及光束分光整形准直单元；
其中，泵浦激光器用于产生波长可调的泵浦激光光束；本发明的实施例的泵浦激光器可以为Ti:S激光器、Cr3+:LiSrAlF6激光器、染料激光器和可见-近红外光参量激光器中的任一种，并且上述激光器均可以是宽调谐纳秒、皮秒或飞秒脉宽的激光器；另外，本实施例的泵浦激光器也可以为泵浦激光器为单波长Nd激光器、单波长光纤激光器和单波长Tm激光器中的任一种。
光束匹配调控模块用于对所述泵浦激光光束进行准直和整形；
光参量产生非线性光学晶体器件，采用在晶体主平面内切割的非线性光学晶体，用于在泵浦激光光束泵浦条件下辐射产生参量超荧光；
可变孔径光阑用于对参量超荧光进行空间滤波和频率滤波；
所述光参量放大非线性光学晶体器件组,包括至少一个在晶体主平面内切割的光参量放大非线性光学晶体器件，用于对通过所述可变孔径光阑的参量超荧光进行无空间走离放大，得到放大的光参量激光光束；例如，光参量放大非线性光学晶体器件组可以包括多个顺序排列的在晶体主平面内切割的光参量放大非线性光学晶体器件，并且多个所述光参量放大非线性光学晶体之间的距离可调。
本发明的实施例的光参量产生非线性光学晶体器件与光参量放大非线性光学晶体器件使用相同的非线性光学晶体，如可以使用KTP、RTP、KTA、LN、LIS、LGSe、BGS、BGSe和SiC晶体中的任一种。
光束分光整形准直单元，用于将未参与光参量过程的泵浦激光光束与所述放大的光参量激光光束分束输出。
另外，上述装置还可以包括设置在所述光参量放大非线性光学晶体器件组前端的腔镜，和设置在所述光参量放大非线性光学晶体器件组后端的输出镜，腔镜、光参量放大非线性光学晶体器件组与输出镜形成光参量激光谐振腔，所述光参量激光谐振腔用于将所述放大的光参量激光光束振荡输出。
本发明的激光装置的工作原理为:
泵浦激光器输出波长可调的泵浦激光光束,其输出的激光光束通过光束匹配调控模块进入光参量产生非线性光学晶体器件以产生参量超荧光，参量超荧光及未参与产生参量超荧光的泵浦激光通过可变孔径光阑以可变的距离传输实现参量超荧光的空间滤波与频率滤波,然后进入光参量放大光学晶体器件组实现参量超荧光的无空间走离放大，光参量产生非线性光学晶体器件及光参量放大非线性光学晶体器件组不需角度和/或温度级联调节,通过改变泵浦激光光束的波长，利用非临界相位匹配技术，即可实现宽调谐的参量激光输出。最后经过光束分光整形准直单元实现未参与光参量过程的泵浦激光光束与产生的放大光参量激光光束分束输出。
根据上述工作原理可知，本发明通过使用泵浦光波长调谐和非临界相位匹配技术实现参量激光器波长超宽调谐输出，不用调节晶体角度和/或温度，即可实现波长精确调谐，避免了多块晶体角度和/或温度需同步级联调节的问题，以及利用两块以上晶体难以实现精确同步转动带来的波长不匹配的问题。同时，采用在晶体主平面内切割的非线性光学晶体实现非临界相位匹配，避免了非线性过程中参量光的空间走离效应，有利于高效率、高光束质量参量激光输出。另外，本发明可以同时实现三个波长输出,并且这三个波长均可以实现大范围调谐,实现从可见到中红外超宽调谐输出。
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的说明。
实施例1：
图1示出了本发明第一实施例的光参量激光器的结构框图；
如图1所示，本发明实施例1为一种多波段超宽调谐KTA光参量激光器。其中，泵浦激光器1采用输出波长为680-1100nm的宽调谐Ti:S激光器；光束匹配调控模块2由会聚透镜和准直透镜(未标出)构成；光参量产生非线性光学晶体器件3和光参量放大非线性光学晶体器件组5采用KTA晶体，切割角为(90°,0°)，用于实现II类非临界相位匹配；光束分光整形准直单元6由镀膜分光镜及会聚透镜和准直透镜(未标出)构成。
本实施例中，泵浦激光器1辐射的泵浦激光光束，经过光束匹配调控模块2进行准直和整形后，进入光参量产生非线性光学晶体器件3(即KTA晶体)产生参量超荧光，光参量产生非线性光学晶体器件3产生的参量超荧光及未参与产生参量超荧光的泵浦激光通过可变孔径光阑4以可变的距离传输实现参量超荧光的空间滤波与频率滤波,然后进入光参量放大光学晶体器件组5(即KTA晶体)实现参量超荧光的无空间走离放大，得到调谐范围1883nm-3528.3nm的信号光和调谐范围1064.4nm-1598.3nm的闲频光，最后经过光束分光整形准直单元6实现未参与光参量过程的泵浦激光光束与产生的光参量激光光束分束输出。
图2所示为泵浦波长分别为680nm、800nm、950nm、1000nm、1080nm情况下KTA晶体的相位匹配曲线图，其中横坐标为相位匹配角，纵坐标为参量波长。
实施例2：
图3示出了本发明第二实施例的光参量激光器的结构框图；
如图3所示，本发明实施例2为一种多波段超宽调谐KTP光参量激光器。本实施例的结构与实施例1的结构类似，不同之处在于：光参量产生非线性光学晶体器件3与光参量放大非线性光学晶体器件组5改为切割角为(90°,0°)的KTP晶体，并且光参量放大非线性光学晶体器件组5由两块KTP晶体(即第一晶体501和第二晶体502)构成，第一晶体501和第二晶体502顺序排列，并且第一晶体501与第二晶体502之间的距离可调。
本实施例中，泵浦激光器1辐射的泵浦激光光束，经过光束匹配调控模块2进行准直和整形后，进入光参量产生非线性光学晶体器件3(即KTP晶体)后产生参量超荧光，参量超荧光及未参与产生参量超荧光的泵浦激光通过可变孔径光阑4以可变的距离进入光参量放大非线性光学晶体501实现参量超荧光的无空间走离放大，得到调谐范围1027nm-1650nm的信号光和调谐范围2013nm-3298nm的闲频光，得到的光参量激光光束及剩余的泵浦激光进入光参量放大晶体502再次进行无空间走离放大，进一步提高参量激光的转换效率。这种多块晶体光参量放大的设置，尤其对于ns(纳秒)级OPA来说，可以通过增加晶体长度取代增大泵浦强度的方式来提高放大效率，避免了高的泵浦强度导致的泵浦激光的非线性光学损耗。最后经过光束分光整形准直单元6实现未参与光参量过程的泵浦激光光束与产生的光参量激光光束分束输出。
图4为泵浦波长分别为680nm、700nm、725nm、750nm、775nm、800nm、825nm、850nm、875nm、900nm、925nm、950nm、975nm、1000nm情况下KTP晶体的相位匹配曲线图。
实施例3：
图5示出了本发明第三实施例的光参量激光器的结构框图。
如图5所示，本发明实施例3为一种多波段超宽调谐LN光参量激光器。本实施例的结构与实施例1的结构类似，不同之处在于：光参量产生非线性光学晶体器件3与光参量放大晶体器件组5改为切割角为90°的LN晶体，并在光参量放大非线性光学晶体器件5前端设置腔镜7，在后端设置输出镜8，形成光参量激光谐振腔。这种结构的优点是振荡脉冲在谐振腔内多次往返，得到多次放大，从而降低了对泵浦激光高强度的要求，提高转换效率。并且，与单程的OPG-OPA结构相比，OPO可以产生与泵浦光带宽相当的参量激光。
本实施例中，泵浦激光器1辐射的泵浦激光光束，经过光束匹配调控模块2进行准直和整形后，进入光参量产生非线性光学晶体器件3(即LN晶体)后产生参量超荧光，参量超荧光及未参与产生参量超荧光的泵浦激光通过可变孔径光阑4以可变的距离进入光参量激光谐振腔。光学谐振腔中的腔镜7和输出镜8通光面都镀有光学薄膜。参量超荧光在谐振腔内多次往返，经过OPO放大后，得到调谐范围为1091.8nm-2275nm的信号光和调谐范围1712nm-2140nm的闲频光，最后，经过光束分光整形准直单元6实现未参与光参量过程的泵浦激光光束与产生的放大的光参量激光光束分束输出。
图6为泵浦波长分别为680nm、800nm、950nm、1000nm和1080nm情况下LN晶体的相位匹配曲线图。
另外，本实施例中通过加入腔镜7和输出镜8形成光学谐振腔的方式，同样适用于实施例1和2，在此不再详述。
虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。
Claims (6)
1.一种光参量激光装置，其特征在于，包括：泵浦激光器、在所述泵浦激光器输出激光方向依次设置的光束匹配调控模块、光参量产生非线性光学晶体器件、可变孔径光阑、光参量放大光学晶体器件组以及光束分光整形准直单元；
所述泵浦激光器用于产生波长可调的泵浦激光光束；
所述光束匹配调控模块用于对所述泵浦激光光束进行准直和整形；
所述光参量产生非线性光学晶体器件，用于在所述泵浦激光光束泵浦条件下辐射产生参量超荧光；
所述可变孔径光阑用于对所述参量超荧光进行空间滤波和频率滤波；
所述光参量放大非线性光学晶体器件组,包括至少一个光参量放大非线性光学晶体器件，用于对通过所述可变孔径光阑的参量超荧光进行无空间走离放大，得到放大的光参量激光光束；
所述光束分光整形准直单元，用于将未参与光参量过程的泵浦激光光束与所述放大的光参量激光光束分束输出；
其中，所述光参量产生非线性光学晶体器件与所述光参量放大非线性光学晶体器件使用相同的非线性光学晶体；所述光参量产生非线性光学晶体器件及光参量放大非线性光学晶体器件均采用在晶体主平面内切割的非线性光学晶体。
2.根据权利要求2所述的光参量激光装置，其特征在于，所述泵激光器为宽调谐纳秒、皮秒及飞秒脉宽的Ti:S激光器、Cr3+:LiSrAlF6激光器、染料激光器和可见-近红外光参量激光器中的任一种。
3.根据权利要求1所述的光参量激光装置，其特征在于，所述光参量产生非线性光学晶体器件及光参量放大非线性光学晶体器件均使用KTiOPO4、RbTiOAsO4、KTiOAsO4、LiNbO3、LiInS2、LiGaSe2、BaGa4S7、BaGa4Se7和SiC晶体中的任一种。
4.根据权利要求1所述的光参量激光装置，其特征在于，所述泵浦激光器为单波长Nd激光器、单波长光纤激光器和单波长Tm激光器中的任一种。
5.根据权利要求1所述的光参量激光装置，其特征在于，所述装置还包括设置在所述光参量放大非线性光学晶体器件组前端的腔镜，和设置在所述光参量放大非线性光学晶体器件组后端的输出镜，所述腔镜、所述光参量放大非线性光学晶体器件组与所述输出镜形成光参量激光谐振腔，所述光参量激光谐振腔用于将所述放大的光参量激光光束振荡输出。
6.根据权利要求1所述的光参量激光装置，其特征在于，所述光参量放大非线性光学晶体器件组包括多个顺序排列的光参量放大非线性光学晶体器件，并且多个所述光参量放大非线性光学晶体之间的距离可调。
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