CN106207718B - 一种针对中红外脉冲激光的光谱调控装置 - Google Patents

一种针对中红外脉冲激光的光谱调控装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种针对中红外脉冲激光的光谱调控装置。所述光谱调控装置中，由近红外脉冲激光器发出的近红外脉冲激光，经过光学耦合镜，与中红外脉冲激光一同进入非周期性极化晶体，通过非线性频率转换，以近红外脉冲激光为泵浦光，对中红外脉冲激光的不同光谱成分进行差异化放大，以此实现对其光谱的调控。本发明采用I类准相位匹配技术，通过调节非周期性极化晶体的工作温度，消除晶体内近红外泵浦光与中红外信号光间的群速度失配。因而，本发明适用于飞秒量级的中红外超短脉冲激光，无需对其啁啾展宽，即可直接利用近红外脉冲激光对其进行光谱整形，极大简化了基于非线性频率转换的光谱调控装置的复杂程度。

Description

一种针对中红外脉冲激光的光谱调控装置
技术领域
本发明涉及激光技术领域领域，特别涉及一种针对中红外脉冲激光的光谱调控装置。
背景技术
从强场物理的基础研究到医学和工业应用，中红外脉冲激光被广泛应用于众多不同领域。可是，由于缺少合适的激光增益介质和有效的检测方法，商品化的飞秒激光器仍以钛宝石（Ti:sapphire）固体激光器和掺铒（Er）光纤激光器为主，激光波长一般都小于2μm。
基于现有脉冲激光器，通过非线性频率转换，可以获得任意波长的脉冲激光，例如难以直接产生的中红外波段（3-5 μm）。经过多年发展，准相位匹配（QPM）已成为实现非线性频率转换的相位匹配的成熟技术。通过周期性地改变非线性晶体的极化方向，使泵浦光的能量持续不断地向信号光转移。选择合适的极化周期，理论上，可以实现非线性晶体通光范围内的任意非线性频率转换。周期性极化铌酸锂晶体（PPLN）是其中最为典型的一种周期性极化晶体，被广泛应用于中红外激光的光学频率转换。虽然有很大的有效非线性系数，但PPLN有限的相位匹配带宽限制了它在超短脉冲激光中的应用。在实际应用中，人们通常需要在匹配带宽和转换效率之间权衡。为了克服这种限制，非周期性极化晶体被提出并证明适用于超短脉冲激光的宽带频率转换。通过有规律的改变非线性晶体的极化反转周期，信号光的不同光谱成分均能够在晶体的不同区域满足准相位匹配条件，从而实现宽频谱的光参量放大。理论上，非周期性极化晶体可以提供任意宽度的增益带宽，甚至能够对信号光的光谱进行整形。但是, 其前提是在光参量放大过程中，泵浦光、信号光和闲频光在时间上基本保持同步。但是，通常情况下，相互作用的泵浦光、信号光和闲频光在晶体中的群速度并不相同，一般称之为群速度失配。群速度失配会造成激光脉冲时间上的不同步。其中，泵浦光与信号光间的走离会造成信号光不能持续地放大，导致非周期性极化晶体无法完成原先设定的目标，例如调控输出光谱。为了减小时间走离造成的影响，过去，非周期性极化晶体主要用于啁啾脉冲激光，或者只能使用很短的非周期性极化晶体。这极大地增加了非线性频率转换系统的复杂性，并对其潜在应用设置了难以逾越的障碍。特别是在3-5μm的中红外波段，由于缺乏有效的检测手段，对处于这个光谱区域的超短脉冲激光进行脉冲展宽和压缩仍然是一项艰巨的工程任务。
现有技术还有待改进和提高。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种针对中红外脉冲激光的光谱调控装置，所述装置适用于飞秒量级的中红外超短脉冲激光，无需对其啁啾展宽，即可直接利用近红外脉冲激光对其进行光谱整形。
为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：
一种针对中红外脉冲激光的光谱调控装置，包括：
近红外脉冲激光器；
光学耦合镜；
非周期性极化晶体；
用于对所述非周期性极化晶体的工作温度进行调控的控温炉；
分光镜；
所述近红外脉冲激光器，光学耦合镜，非周期性极化晶体，分光镜依次放置；
由近红外脉冲激光器发出的近红外脉冲激光，经过所述光学耦合镜后，与中红外脉冲激光一同进入所述非周期性极化晶体，通过非线性频率转换，以近红外脉冲激光为泵浦光，对中红外脉冲激光的不同光谱成分进行差异化放大；所述非周期性极化晶体输出的混合光经所述分光镜分离后得到经过光谱调控的中红外脉冲激光。
所述的针对中红外脉冲激光的光谱调控装置中，所述非周期性极化晶体为满足I类准位相匹配的非周期性极化晶体，所述非周期性极化晶体的极化反转周期沿纵向方向呈非周期性变化。
所述的针对中红外脉冲激光的光谱调控装置中，以信号光与泵浦光在所述非周期性极化晶体中的群速度相同时的温度为所述工作温度。
所述的针对中红外脉冲激光的光谱调控装置中，所述非周期性极化晶体为非周期性极化铌酸锂晶体。
所述的针对中红外脉冲激光的光谱调控装置中，所述近红外脉冲激光器为790nm钛宝石飞秒脉冲激光器。
所述的针对中红外脉冲激光的光谱调控装置中，所述分光镜为可以将不同波长的混合光相互分离的光学元件。
相较于现有技术，本发明提供一种针对中红外脉冲激光的光谱调控装置。所述光谱调控装置中，由近红外脉冲激光器发出的近红外脉冲激光，经过所述光学耦合镜后，与中红外脉冲激光一同进入所述非周期性极化晶体，通过非线性频率转换，以近红外脉冲激光为泵浦光，对中红外脉冲激光的不同光谱成分进行差异化放大；所述非周期性极化晶体输出的混合光经所述分光镜分离后得到经过光谱调控的中红外脉冲激光。本发明采用I类准相位匹配技术，通过调节非周期性极化晶体的工作温度，消除晶体内近红外泵浦光与中红外信号光间的群速度失配；在此基础上，以非周期性极化晶体为非线性晶体，通过非线性频率转换，对中红外脉冲激光的不同光谱成分进行差异化放大，以此实现对其光谱的调控。所述技术方案适用于飞秒量级的中红外超短脉冲激光，由于近红外泵浦光与中红外信号光始终保持同步，因此，无需对中红外超短脉冲激光啁啾展宽，即可直接利用近红外脉冲激光对其进行光谱整形，极大简化了基于非线性频率转换的光谱调控装置的复杂程度。
附图说明
图1为本发明提供的针对中红外脉冲激光的光谱调控装置的光路示意图。
图2为泵浦光与信号光满足群速度匹配的前提下，信号光波长随晶体温度的变化曲线。
图3为本发明提供的针对中红外脉冲激光的光谱调控装置中，光参量增益随啁啾脉冲宽度的变化曲线。
图4为本发明提供的针对中红外脉冲激光的光谱调控装置中，啁啾脉冲宽度为425fs时的放大后的中红外脉冲激光的脉冲包络与光谱。
图5为本发明提供的针对中红外脉冲激光的光谱调控装置中，啁啾脉冲宽度为700fs时的放大后的中红外脉冲激光的脉冲包络与光谱。
图6为本发明提供的针对中红外脉冲激光的光谱调控装置中，啁啾脉冲宽度为1250fs时的放大后的中红外脉冲激光的脉冲包络与光谱。
图7为本发明提供的针对中红外脉冲激光的光谱调控装置中，啁啾脉冲宽度为2500fs时的放大后的中红外脉冲激光的脉冲包络与光谱。
具体实施方式
本发明提供一种针对中红外脉冲激光的光谱调控装置。为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
晶体折射率（n）会随温度的不同而变化，晶体内脉冲激光的群速度（v）也是与温度有关的物理量。为了利用非线性晶体最大的非线性系数（d33）， 非周期性极化晶体通常都需要满足 0 类的准相位匹配条件（e+e-›e），要求泵浦光、信号光和闲频光均为 e 偏振光。处于同一偏振态的两种脉冲激光，其群速度存在比较大的差别，而且，这种差异并不能简单地通过改变非周期性极化晶体的工作温度来消除。但是，当这两束激光以正交的方式在晶体中传播（例如，信号光为o偏振光、泵浦光为e偏振光），在特定温度下， 它们会有相同的群速度。为了消除泵浦光与信号光间的群速度失配，所述针对中红外脉冲激光的光谱调控装置采用I类准相位匹配技术，利用脉冲激光的群速度与晶体温度之间的色散关系，通过调控晶体的工作温度，使信号光与泵浦光满足群速度匹配（GVM=0）。在这种时间同步的工作状态下，理论上，即便使用很长的非线性晶体，它们也不会在相互作用的过程中走离。在这样的物理条件下，无须啁啾展宽，即可将非周期性极化晶体直接应用于飞秒量级超短脉冲激光的非线性频率转换，并对其光谱进行调控。
进而，请参阅图1，本发明提供一种针对中红外脉冲激光的光谱调控装置，包括近红外脉冲激光器1、光学耦合镜2、非周期性极化晶体3、用于对所述非周期性极化晶体3的工作温度进行调控的控温炉4和分光镜7。其中，以信号光与泵浦光在所述非周期性极化晶体中的群速度相同时的温度为所述工作温度。
所述近红外脉冲激光器1，光学耦合镜2，非周期性极化晶体3，分光镜7依次放置；由近红外脉冲激光器1发出的近红外脉冲激光，经过所述光学耦合镜2后，与中红外脉冲激光一同进入所述非周期性极化晶体3，通过非线性频率转换，以近红外脉冲激光为泵浦光，对中红外脉冲激光的不同光谱成分进行差异化放大；所述非周期性极化晶体3输出的混合光经所述分光镜7分离后得到经过光谱调控的中红外脉冲激光。所述近红外脉冲激光是指波长在750～2000nm范围内的脉冲激光。
本发明采用I类准相位匹配技术，通过调节非周期性极化晶体的工作温度，消除晶体内近红外泵浦光与中红外信号光间的群速度失配，且通过非线性频率转换，对中红外脉冲激光的不同光谱成分进行差异化放大，从而实现对其光谱的调整。还可通过使用不同的非周期性极化晶体获得不同光谱特性的输出激光。
请参阅图2，图2给出了泵浦光与信号光满足群速度匹配的前提下，信号光波长随晶体温度的变化曲线。从图中可以看出，配合3种不同波长的商品化脉冲激光器，这种群速度匹配方案可以应用于2-5μm的中红外波段，因此，所述中红外脉冲激光的波长为2-5μm。以3 μm的典型中红外波长为例，通过以下实施例，对本发明做进一步详细说明。
图1所示的光谱调控装置中，箭头方向为光传播的方向，近红外脉冲激光A与中红外脉冲激光B经光学耦合镜2耦合后进入到非周期性极化晶体3中。近红外脉冲激光A经光学耦合镜2反射后进入到非周期性极化晶体3中。中红外脉冲激光B透过所述光学耦合镜2，进入到非周期性极化晶体3中。
进一步的，所述近红外脉冲激光器3为790nm钛宝石飞秒脉冲激光器，其输出的波长为790nm的脉冲激光A，经过所述光学耦合镜2，与波长为3μm的中红外脉冲激光B一同进入所述非周期性极化晶体3，以波长为790nm的脉冲激光A为泵浦光，对波长为3μm的中红外脉冲激光B（作为信号光）进行放大，与此同时，实现对其光谱的有效调控。
所述非周期性极化晶体3为满足I类准位相匹配的非周期性极化晶体。所述非周期性极化晶体3的极化反转周期沿纵向方向（即脉冲激光的传播方向）呈非周期性变化。在本实施例中，所述非周期性极化晶体3选用的是非周期性极化铌酸锂晶体（APPLN）。
所述非周期性极化晶体3，其长度以及非周期性变化的极化反转周期是根据输入中红外脉冲激光的光谱特性和想得到的输出光谱特性来确定的，借助这种特别设计的晶体，既能保证中红外脉冲激光的不同光谱成分能够在晶体的不同区域满足准相位匹配条件，获得放大，又能通过合理设计晶体的极化反转周期，调控中红外脉冲激光的不同光谱成分的放大倍数，从而实现对中红外脉冲激光光谱的调控。
所述控温炉4设置在非周期性极化晶体3的下方；所述控温炉4用于对所述非周期性极化晶体3的工作温度进行调控，具体的，所述控温炉4令所述非周期性极化晶体3工作在设定温度，使信号光与泵浦光在所述非周期性极化晶体6中的群速度相同。
所述分光镜9为可以将不同波长的混合光相互分离的光学元件；优选的，为分光棱镜、双色镜中的一种。从所述非周期性极化晶体3输出的混合光C经所述分光镜7分离后得到经过光谱调控的中红外脉冲激光D。
具体的，假设波长为3μm的中红外脉冲激光B的传输极限脉宽为100fs，将其啁啾展宽至不同脉冲宽度。对应的，波长为790nm的近红外脉冲激光A的脉宽与中红外脉冲激光保持一致。为了使波长为790nm的泵浦光与波长为3μm的信号光满足群速度匹配，通过晶体控温炉，将APPLN晶体的温度固定在127℃（设定温度）。APPLN晶体的长度为10mm，极化反转周期从34.06μm到34.24μm线性均匀变化。基于HCP公司的5%掺杂MgO：PPLN的折射率公式，本发明对所述针对中红外脉冲激光的光谱调控装置的运行情况进行了数值模拟。为了证明其优越性，我们对使用满足0类准相位匹配的APPLN（晶体长度为2mm，极化反转周期从21.76μm到21.7μm线性均匀变化）时的情况也进行了模拟。如图3所示，图3中给出了光参量增益随啁啾脉冲宽度的变化曲线。随着啁啾脉冲宽度的减小，激光脉冲间的时间走离越发严重。当中红外脉冲激光的啁啾脉冲宽度大于2ps的时候，无论是I类还是0类QPM，都能得到相当的光参量增益。随着啁啾脉冲宽度的逐渐减小，0类QPM情况下的光参量增益迅速下降，更重要的是，由于泵浦光与信号光群速度的不匹配，在信号光的短波长成分获得放大之前，泵浦光与信号光会在时间上相互走离，导致放大后的中红外脉冲激光的光谱严重“红移”。4种不同啁啾脉冲宽度下的放大后的中红外脉冲激光的脉冲包络与光谱分别列在图4-图7，实线表示I类准相位匹配的曲线，虚线表示0类准相位匹配的曲线，清楚揭示了输出频谱随啁啾脉冲宽度的变化趋势。相比之下，所述针对中红外脉冲激光的光谱调控装置使用满足I类QPM的APPLN晶体，借助非周期性变化的极化反转周期，增加中红外脉冲激光频谱宽度的同时，基本保留了其频谱特征。利用这样的设计，所述针对中红外脉冲激光的光谱调控装置可以直接应用于无啁啾展宽的超短脉冲激光，对飞秒量级的中红外超短脉冲激光的光谱进行调控，增加其带宽，甚至整形。
由此可见，所述针对中红外脉冲激光的光谱调控装置可以使用较长的APPLN晶体，利用脉冲激光的群速度与晶体温度之间的色散关系，令晶体工作在某设定温度，以此消除晶体内近红外泵浦光与中红外信号光间的群速度失配。根据输入中红外脉冲激光的光谱特性和想得到的输出光谱特性，确定非周期性变化的极化反转周期。借助这种特别设计的晶体，中红外脉冲激光的不同光谱成分均能够在晶体的不同区域满足准相位匹配条件，获得放大，又能通过合理设计晶体的极化反转周期，调控中红外脉冲激光的不同光谱成分的放大倍数，从而实现对中红外脉冲激光光谱的调控。由于泵浦光与信号光在时间上始终保持同步，所述针对中红外脉冲激光的光谱调控装置可以直接应用于无啁啾展宽的超短脉冲激光，对飞秒量级的中红外超短脉冲激光的光谱进行调控，增加其带宽，甚至整形。
可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种针对中红外脉冲激光的光谱调控装置，其特征在于，包括：
近红外脉冲激光器；
光学耦合镜；
非周期性极化晶体；
用于对所述非周期性极化晶体的工作温度进行调控的控温炉；
分光镜；
所述近红外脉冲激光器，光学耦合镜，非周期性极化晶体，分光镜依次放置；
由近红外脉冲激光器发出的近红外脉冲激光，经过所述光学耦合镜后，与中红外脉冲激光一同进入所述非周期性极化晶体，通过非线性频率转换，以近红外脉冲激光为泵浦光，对中红外脉冲激光的不同光谱成分进行差异化放大，以达到调控中红外脉冲激光光谱的目的；所述非周期性极化晶体输出的混合光经所述分光镜分离后得到经过光谱调控的中红外脉冲激光；
所述中红外脉冲激光为信号光，所述信号光和所述泵浦光以正交的方式在所述非周期性极化晶体中传播；
所述非周期性极化晶体为满足I类准相位匹配的非周期性极化晶体，所述非周期性极化晶体的极化反转周期由输入的中红外脉冲激光的光谱和需要得到的中红外脉冲激光的光谱共同确定；其作用为，使中红外脉冲激光的不同光谱成分均能够在晶体的不同区域满足准相位匹配条件的同时，不同的光谱成分能获得不同程度的放大；通过这样的差异化放大，达到调控中红外脉冲激光光谱的目的；
在所述工作温度下，所述信号光与所述泵浦光在所述非周期性极化晶体中的群速度匹配；
所述中红外脉冲激光的脉冲宽度小于2ps。
2.根据权利要求1所述的针对中红外脉冲激光的光谱调控装置，其特征在于，所述非周期性极化晶体为非周期性极化铌酸锂晶体。
3.根据权利要求1所述的针对中红外脉冲激光的光谱调控装置，其特征在于，所述近红外脉冲激光器为790nm钛宝石飞秒脉冲激光器。
4.根据权利要求1所述的针对中红外脉冲激光的光谱调控装置，其特征在于，所述分光镜为可以将不同波长的混合光相互分离的光学元件。
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