CN105161960A - 波长可调谐的超短可见与近红外激光脉冲同时产生装置 - Google Patents

Abstract

一种波长可调谐的超短可见与近红外激光脉冲同时产生装置，包括飞秒激光器、可调谐二级非共线光学参量放大系统、啁啾镜-棱镜对压缩系统和超连续近红外白光产生系统，所述的飞秒激光器的输出光束经所述的可调谐二级非共线光学参量放大系统分为二束光，一束光放大后进入所述的啁啾镜-棱镜对压缩系统，另一束光直接进入所述的超连续近红外白光产生系统。本发明可同时获得波长可调谐的，光束质量好的，周期量级的可见及光束质量好的近红外超短激光脉冲。

Description

波长可调谐的超短可见与近红外激光脉冲同时产生装置

技术领域

本发明涉及超短脉冲激光，特别是涉及一种波长可调谐的超短可见与近红外脉冲同时产生装置。

背景技术

近年来，随着飞秒激光技术的发展,超短激光在物理化学等研究领域有着不可替代的作用,尤其可见波段与近红外波段超短脉冲激光在超快泵浦探测等光谱检测方面有着相当广泛的应用前景。但是直接利用受激辐射同时获得可见及近红外超短脉冲非常困难，因此如何利用非共线光学技术，同时产生可见波段和近红外波段超短激光脉冲，并且获得宽带可调谐周期量级的激光脉冲进行可见光泵浦-可见光探测和可见光泵浦-近红外光探测的光谱检测具有重要意义。

Megerle等人提供了一种可调谐可见激光脉冲的产生装置(U.Megerle，I.Pugliesi，C.Schriever,etal.(2009).“Sub-50fsbroadbandabsorptionspectroscopywithtunableexcitation:puttingtheanalysisofultrafastmoleculardynamicsonsolidground”AppliedPhysicsB:LasersandOptics:215-231.)。在此装置中，利用非共线光学参量放大技术产生可调谐激光脉冲，但是由于非线性光学参量放大为I类窄带调谐过程，压缩后脉冲宽度只能达到50fs以下，不能达到周期量级，这对超快泵浦探测等研究产生很大的限制。同时，Zhi等人提供了一种超连续白光产生装置(ZhiG,DoyunL,SchallerRD,etal.(2014).“RelationshipbetweenInterchainInteraction,ExcitonDelocalization,andChargeSeparationinLow-BandgapCopolymerBlends”J.Am.Chem.Soc,10024-10032.)。在此装置中，可以有效的产生超连续白光光谱，但却没有有效的利用激光光源，没有利用未被非共线光学参量放大的800nm激光光源，没有有效的提高激光的利用率，因此如何在一个激光系统中有效的，高效的利用激光能量同时产生可见与近红外激光脉冲显得尤为重要。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种波长可调谐的超短可见与近红外激光脉冲同时产生装置。它的输出光波长可调谐，支持周期量级的超短可见激光脉冲输出，较少的受到外界环境因素的影响，并且可以同时产生近红外波段可调谐输出。

本发明所采用的技术方案如下：

一种波长可调谐的超短可见与近红外激光脉冲同时产生装置，其特点在于，包括飞秒激光器、可调谐二级非共线光学参量放大系统、啁啾镜-棱镜对压缩系统和超连续近红外白光产生系统，所述的飞秒激光器的输出光束经所述的可调谐二级非共线光学参量放大系统分为二束光，一束光放大后进入所述的啁啾镜-棱镜对压缩系统，另一束光直接进入所述的超连续近红外白光产生系统；

所述的啁啾镜-棱镜对压缩系统包括沿入射光光路方向同轴依次放置的啁啾镜对、爬高爬低镜、第一小孔、第二小孔、第一棱镜、一对入射45°反射镜、第二棱镜和90°全反镜，经所述的90°全反镜反射后，沿反射光光路方向依次经所述的第二棱镜、一对入射45°反射镜、第一棱镜和入射45°反射镜构成同轴的反射光光路，所述的入射光光路与反射光光路互相平行；

所述的超连续近红外白光产生系统包括沿光路方向依次放置的聚焦连续可变衰减片、第一滤波片、第一聚焦透镜、白宝石棒、第二滤波片和第二聚焦透镜。

所述的可调谐非共线光学参量放大系统，是两级光参量放大系统，是非共线光参量放大系统，可产生宽带可调谐可见波段输出。

所述的超连续近红外白光产生系统中的光源为二级非共线光学参量放大后剩余的没有被放大的800nm激光。白光产生晶体是白宝石棒或蓝宝石棒。通过超连续白光的产生过程，将激光波长扩展到近红外波段，通过调节白宝石棒的长度和滤波片的滤波范围，可以输出波长可调的近红外光谱。同时，为了引入的稳定的超连续白光，聚焦到宝石棒前的透镜需选取合适的焦距并且宝石棒需选择合适的长度。

所述的啁啾镜-棱镜对压缩系统，是由啁啾镜对和棱镜对构成，棱镜对是BK7、SF10或融融石英。首先利用啁啾镜对光参量放大系统的出射光进行色散补偿，然后利用棱镜对和延时器对啁啾脉冲进行负色散补偿，由此可以产生周期量级的可见飞秒激光脉冲。该啁啾镜对的入射光经过三次折返后出射。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)在先技术使用的非线性光学参量放大技术仅能获得可见超短激光脉冲的输出，这对超快泵浦探测等研究产生很大的限制。本发明采用的是非共线光学参量放大技术结合近红外白光产生技术，可以同时产生周期量级的可见与近红外的宽带激光脉冲。因此，可以进行可见-可见泵浦探测和可见-近红外泵浦探测的光谱检测研究。

(2)由于近红外白光产生系统的原始光是分共线光学参量放大后剩余闲置的800nm光，所以本发明可以更有效的利用激光系统的能量，提高激光的有效利用率。

(3)由于在光参量放大后采用了啁啾镜-棱镜对压缩系统对激光脉宽进行压缩，所以本发明支持周期量级的可见超短激光脉冲。

(4)由于使用的是可调谐二级光参量放大系统，因此本发明可以实现波长可调谐的可见波段的宽光谱的高效的脉冲输出。

(5)由于采用长聚焦透镜、白宝石棒与高通滤波器的结合过程，本发明可以获得近红外可调谐的稳定光谱输出。

(6)由于采用啁啾镜对光参量放大系统的出射光进行色散补偿，然后利用棱镜对和延时器对啁啾脉冲进行负色散补偿，本发明可以产生光束质量好的激光脉冲。

总之本发明可同时获得波长可调谐的，光束质量好的，周期量级的，宽带可见超短与稳定的近红外激光脉冲。

附图说明

图1为本发明波长可调谐的可见与近红外超短激光脉冲同时产生装置的光路结构示意图。

图2为本发明非共线二级光学参量放大输出可调谐可见脉冲激光光谱图。

图3为本发明啁啾镜-棱镜对压缩后最终的可见激光最小脉冲宽度。

图4为本发明超连续白光产生输出近红外脉冲激光光谱图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，图1为本发明波长可调谐的超短可见与近红外激光脉冲同时产生装置的光路结构示意图。由图可见，本发明波长可调谐的超短可见与近红外激光脉冲同时产生装置，该装置的构成沿光路前进方向依次包括：飞秒激光器1、可调谐二级非共线光学参量放大系统2、系统2中放大的激光经过啁啾镜-棱镜对压缩系统3、系统2中未被放大的激光经过超连续近红外白光产生系统4，所述的啁啾镜-棱镜对压缩系统3，沿光路方向依次由第一啁啾镜5、第二啁啾镜6、爬高爬低镜7、第一小孔8、第二小孔9、第一棱镜10、一对入射45°反射镜11、第二棱镜12同轴构成，后经90°全反镜13、第二棱镜12、45°反射镜对11、第一棱镜10、45°反射镜14同轴构成，其中第一同轴与第二同轴光路上下平行。所述的超连续近红外白光产生系统4，沿光路方向依次由聚焦连续可变衰减片15、第一滤波片16、第一聚焦透镜17、白宝石棒18、第二滤波片19、第二聚焦透镜20构成。

图中飞秒激光器1输出的中心波长800nm、脉宽约35fs、能量300μJ、重复频率1kHz的超短脉冲激光，超短激光脉冲首先进入可调谐非共线光学参量放大系统2，波长被调谐到500nm-750nm，然后，可调谐光参量放大系统2输出的脉冲激光进入啁啾-棱镜对压缩系统3；最终得到了光速质量好的、波长可调谐的可见超短激光脉冲。与此同时，经过非共线光学参量放大后剩余的没有参与放大的800nm激光脉冲进入超连续近红外白光产生系统4，激光被扩展到需要的输出近红外波长。

在可调谐二级光参量放大系统2中，由于该系统可调谐出射光的波长，所以可以通过调谐该系统，实现不同中心波长的可见脉冲激光输出。

在啁啾镜-棱镜对压缩系统3中,沿光路方向依次由第一啁啾镜5、第二啁啾镜6、爬高爬低镜7、第一小孔8、第二小孔9、第一棱镜10、45°反射镜对11、第二棱镜12同轴构成，后经90°全反镜13、第二棱镜12、45°反射镜对11、第一棱镜10、45°反射镜14同轴构成，第一同轴与第二同轴光路上下平行。其中，可调谐非共线光学参量放大系统的输出脉冲通过啁啾镜5、6进行三次折返从而产生少量色散补偿、然后入射到由棱镜对构成的色散补偿器进行进一步的色散补偿，从而更好的产生周期量级激光脉冲。

最后，在超连续近红外白光产生系统4中，入射光依次通过连续可变衰减片15、第一滤波片16、第一聚焦透镜17、白宝石棒18、第二滤波片19、第二聚焦透镜20构成。最终获得稳定的白光输出。

该波长可调谐的可见与近红外超短激光脉冲同时产生装置的基本原理是：非共线光学参量放大过程是二阶非线性效应，此过程中能量转换效率和光强的平方成正比，所以可以通过调节种子光的白光的能量使其能量高的脉冲得到高的非线性转换。另外，由于光参量放大系统可调谐输出激光的波长，因此此装置能够实现宽光谱的可调谐激光脉冲输出。采用二次有效放大过程，可以有效提高最终输出的可见光能量。在光参量放大系统后面加入啁啾镜-棱镜对压缩系统，能后有效压缩激光脉冲的脉冲宽度，从而获得良好的光束质量和周期量级的激光脉冲。同时，在超连续近红外白光产生系统中，由于激光聚焦到宝石晶体上存在自相位调制特性，通过选取合适的白宝石棒的长度、旋转白宝石棒的通光角度、调整聚焦到白宝石棒内的聚焦深度以及选取合适的高通滤波片波长，使输出激光脉冲在近红外波段实现可调谐的稳定的脉冲输出。

本发明的具体实施例：入射光的波长为800nm，脉宽约35fs，重复频率1kHz，能量为500μJ。激光脉冲通过可调谐非共线光学参量放大系统后，波长被调谐到宽光谱500nm-750nm范围内。啁啾镜-棱镜对压缩系统中，脉冲在啁啾镜中经过3次色散补偿，入射到棱镜对上的角为布儒斯特角。超连续近红外白光产生系统中的非线性晶体为白宝石棒(长度12mm)，宝石棒前的聚焦透镜为长焦透镜(焦距为500mm)。经过可调谐二级非共线光学参量放大系统后的不同调谐光谱范围如图2所示。图3为实验测得可见波段的激光经过啁啾镜-棱镜对压缩后脉宽为6.4fs的周期量级的激光脉冲。图4为最终的超连续白光产生输出近红外脉冲激光光谱图。

Claims (5)

1.一种波长可调谐的超短可见与近红外激光脉冲同时产生装置，其特征在于，包括飞秒激光器(1)、可调谐二级非共线光学参量放大系统(2)、啁啾镜-棱镜对压缩系统(3)和超连续近红外白光产生系统(4)，所述的飞秒激光器(1)的输出光束经所述的可调谐二级非共线光学参量放大系统(2)分为二束光，一束光放大后进入所述的啁啾镜-棱镜对压缩系统(3)，另一束光直接进入所述的超连续近红外白光产生系统(4)；

所述的啁啾镜-棱镜对压缩系统(3)包括沿入射光光路方向同轴依次放置的啁啾镜对、爬高爬低镜(7)、第一小孔(8)、第二小孔(9)、第一棱镜(10)、一对入射45°反射镜(11)、第二棱镜(12)和90°全反镜(13)，经所述的90°全反镜(13)反射后，沿反射光光路方向依次经所述的第二棱镜(12)、一对入射45°反射镜(11)、第一棱镜(10)和入射45°反射镜(14)构成同轴的反射光光路，所述的入射光光路与反射光光路互相平行；

所述的超连续近红外白光产生系统(4)包括沿光路方向依次放置的聚焦连续可变衰减片(15)、第一滤波片(16)、第一聚焦透镜(17)、白宝石棒(18)、第二滤波片(19)和第二聚焦透镜(20)。

2.根据权利要求1所述的波长可调谐的超短可见与近红外激光脉冲同时产生装置，其特征在于所述的一对入射45°反射镜是由两个45°反射镜且夹角成90°固定平移台上。

3.根据权利要求1所述的波长可调谐的超短可见与近红外激光脉冲同时产生装置，其特征在于所述的啁啾镜对是由第一啁啾镜(5)和第二啁啾镜(6)组成，该啁啾镜对使得入射光经过三次折返后出射。

4.根据权利要求1所述的波长可调谐的超短可见与近红外激光脉冲同时产生装置，其特征在于所述的可调谐二级非共线光学参量放大系统(2)是两级光参量放大系统，且是非共线光参量放大系统。

5.根据权利要求1所述的波长可调谐的超短可见与近红外激光脉冲同时产生装置，其特征在于所述的第一棱镜(10)和第二棱镜(12)是BK7、SF10或熔融石英。