CN106405974A - 一种产生超宽带光辐射的设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种产生超宽带光辐射的设备和方法。该设备及方法在谐振腔中，通过腔内分光部件选择多个波长分立的窄带信号光(或闲频光)作为振荡光，并通过时延调节部件调节所选定的多个分立窄带信号光波长的相对时延，实现腔内多个分立窄带信号光的同时振荡，在谐振腔中产生超宽带闲频光的输出。本发明通过选择分立的窄带信号光之间合适的频谱距离，从而使得叠加获得的超宽带光输出具有较高的平坦度，而且光相干性好，实现容易，便于应用。本发明无需波长调谐，且可以产生瞬时带宽远高于泵浦光带宽的超宽带激光输出,是一种产生超宽带光辐射(其带宽远远高于泵浦光的带宽)的简单有效的方法。

Description

一种产生超宽带光辐射的设备和方法

技术领域

本发明涉及超宽带光辐射的设备和方法，更具体地，涉及一种基于多个分立的窄带信号光同时振荡的光参量振荡器的超宽带光辐射产生设备及方法。

背景技术

空间相干的超宽带光源在科学研究、元器件测量、物质成份检测、医疗诊断、成像等领域有广泛的应用。例如，空间相干的超宽带中红外光源可用于可以实现对分子的高灵敏度识别和定量检测。

基于黑体辐射的热光源是目前最常用的宽带光源；然而，黑体辐射热光源是非相干光源，光谱亮度低，因而用于光谱测量时所能获得的信噪比较低，效率偏低。基于非线性频率转换的差频产生器和光参量振荡器可用于产生宽带激光输出。但其瞬时输出带宽受限于泵浦激光器的带宽，需要采用波长调谐来实现更宽的输出波长覆盖范围[F.Adler,K.C.Cossel,M.J.Thorpe,I.Hartl,M.E.Fermann,and J.Ye,‘Phase-stabilized,1.5Wfrequency comb at 2.8-4.8microm,’Opt.Lett.34(9),1330–1332(2009)]。近年来，通过采用双振荡光参量振荡器，实现了超过一个倍频程的瞬时光谱覆盖范围[N.Leindecker,A.Marandi,R.L.Byer,K.L.Vodopyanov,J.Jiang,I.Hartl,M.Fermann,andP.G.Schunemann,‘Octave-spanning ultrafast OPO with 2.6-6.1μm instantaneousbandwidth pumped by femtosecond Tm-fiber laser,’Opt.Express 20,7046(2012)]；然而，为了在光参量振荡器中实现信号和闲频光同时振荡，需要在信号和闲频光(光参量振荡器利用二阶非线性效应将入射激光，即泵浦光，转换为两个频率不同的出射激光，其中一个频率较高者称为信号光，另一个频率更低的称为闲频光；泵浦光的频率等于信号光和闲频光的频率之和)的光谱范围内实现大范围精密色散管理，进一步扩展输出带宽的能力受到严重限制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种产生超宽带光辐射的设备和方法，用于产生宽带闲频光，克服现有技术带宽不足、相干性差问题。

本发明提了的一种产生超宽带光辐射的设备，包括泵浦激光器、隔离器、整形系统、非线性晶体、中红外滤光片和谐振腔，其中：

所述泵浦激光器为高重复频率的超短脉冲激光器；

所述谐振腔由两个凹面反射镜、腔内时延调节部件和输出耦合镜组成；所述凹面反射镜的反射面左右相对设置，输出耦合镜、腔内时延调节部件左右对称设置在两个凹面反射镜上方或下方，它们光轴与分别与左、右凹面反射镜的反射光路重合；两个凹面反射镜、输出耦合镜和腔内时延调节部件共同构成一个X形光路谐振腔；其中：所述凹面反射镜对信号光高反，对泵浦光和闲频光高透；所述输出耦合镜部分反射镜，通过反射率的选择，用于调节腔内损耗和输出信号光；

所述腔内时延调节部件作用有三，一是将不同波长的信号光在空间上分开；二是对信号光高反，实现腔内正反馈，并用于调节腔内信号光损耗；三是通过调节不同波长信号光的时延，使不同窄带信号光的时延相同。

所述中红外滤光片设在谐振腔外部靠近右凹面反射镜一端，其光轴与左、右凹面反射镜光轴重合，用于滤除泵浦光，输出所需要的宽频光；

所述隔离器位于泵浦激光器和整形系统之间，用于保护泵浦激光器免于反射光的干扰和损害；

所述整形系统位于隔离器和谐振腔之间，用于将泵浦光准直，使得泵浦光和信号光能够在非线性晶体中在空间上能够重合；

所述非线性晶体设于谐振腔内部，两者与泵浦激光器共同构成光参量振荡器，用于将泵浦光转化为信号光和闲频光；

工作中，泵浦激光器发出泵浦光，经过隔离器之后，通过整形系统耦合到谐振腔中，在经过非线性晶体时，与其内部的自发辐射噪声发生参量反应，产生信号光和闲频光，闲频光和剩余的泵浦光透过右凹面反射镜后离开谐振腔，腔外的中红外滤光片过滤掉剩余的泵浦光获得闲频光输出；非线性晶体中产生的信号光由右凹面镜→输出耦合镜→右凹面镜→非线性晶体→左凹面镜→腔内时延调节部件→左凹面镜→非线性晶体→右凹面镜循环，信号光在两个凹面镜、输出耦合镜、腔内时延调节部件形成的X形光路中来回反射引起振荡；腔内时延调节部件选择出数个窄带信号光，并使其在下一次泵浦脉冲到达非线性晶体中时与其在时间上重合继续发生反应，即选出的窄带信号光在谐振腔内往返一周所需的时间与脉冲激光器产生激光脉冲信号的时间间隔相等(也就是使得信号脉冲能够和每一个泵浦脉冲都能够在非线性晶体中重合)，从而产生超宽带的闲频光输出。

进一步的，所述腔内时延调节部件由腔内分光部件和时延调节部件组成，时延调节部件设在腔内分光部件之后；所述分光部件由光栅组或者棱镜组构成；所述时延调节部件由若干点反射镜实现，各分离反射镜与腔内分光部件分离的各束窄带信号光的出射光路垂直，反射方向与入射方向共光轴反向。

进一步的，所述多个分离的点反射镜能够对信号光高度反射实现正反馈，通过采用不同的反射率能够调节不同波长信号光的反馈强度；点反射镜相对于腔内分光部件的距离能够进行微调，并且根据实际所需调节的时延的大小来确定，使得多个窄带信号光在光参量振荡器中往返一周的时延相等，与泵浦激光器同步，以实现多个窄带信号光的同时振荡，达到同步泵浦。

进一步的，所述泵浦激光器为飞秒或皮秒激光器。

相应地，本发明提出一种产生超宽带光辐射的方法，包括如下步骤：

(1)根据所要产生的宽带光，确定合适的非线性晶体和泵浦激光器。

本步骤需根据非线性晶体的相位匹配带宽以及泵浦光的带宽选择适当的窄带信号光波长及波长间隔，以支持超宽带闲频光的输出。因为本发明的最终目的是实现闲频光的超宽带辐射，每个窄带信号光产生的闲频光的带宽都接近于泵浦光的带宽，不同窄带信号光对应的闲频光要在频域上有一部分重叠才能使得闲频光辐射谱连续起来，所以要根据泵浦光的带宽确定窄带信号光的波长间隔，同时窄带信号光的中心波长应该在相位匹配带宽之内。如采用周期性极化铌酸锂晶体，选择相应的锁模激光器或锁模激光器及放大器(如1微米附近的飞秒锁模光纤激光器)作为泵浦源，并选择相应的振荡器光波段(根据闲频光波长的需求以及现有泵浦光波长进行确定)，选择窄带信号光作为光参量振荡器的振荡光；所述非线性晶体内部的自发辐射的光，通过振荡器谐振腔的选择形成所需的窄带信号光。

(2)根据非线性晶体和泵浦激光器，确定振荡器谐振腔的结构参数；根据泵浦激光器的重复频率来确定谐振腔的腔长；根据闲频光和泵浦光的波长确定非线性晶体的相位匹配角或者极化周期；根据非线性晶体的尺寸、折射率确定谐振腔凹面反射镜的曲率半径，位置和角度；根据信号光的波长确定谐振腔凹面反射镜的反射与透射特性和材质，以达到谐振腔的反射镜对信号光波长高反，对泵浦光波长和闲频光波长高透的效果；

(3)根据所选的窄带信号光，确定腔内时延调节部件结构和参数；腔内分光部件根据透过率优先原则选择光栅对结构或棱镜对结构，其次根据选定的分离的信号光波长确定光栅的中心波长、周期，或者确定棱镜的材料和顶角；腔内时延调节部件结构和参数选取原则是要损耗小到能够使得谐振腔阈值在泵浦激光器功率能够达到的程度，角色散大到能够使得振荡的不同波长的窄带信号光在空间上分开到能够通过仍具有一定尺寸的点反射镜进行分别操作的程度。

为了产生超宽带闲频光的输出，在同步泵浦光参量振荡器的振荡腔中采用棱镜或光栅对或其他色散元件实现窄带信号光辐射波长的空间分束，在棱镜对或光栅对之后设置多个可独立调谐的反射镜，通过压电陶瓷或手动调整各个反射镜至棱镜对或光栅对的距离，从而独立调谐各个选定的分立信号波长在光参量振荡器谐振腔中的时延，以实现各个分立信号波长在光参量振荡器谐振腔中的同时振荡。时延调谐的方法就是指所述的采用棱镜对或者光栅对，使得各个不同波长的光分开分别走不同的光路，通过压电陶瓷或者手动调整各个分立反射镜到棱镜对或者光栅的距离，从而实现对其时延的调谐，最终使得他们每次到达晶体内时与周期性的泵浦光脉冲刚好重叠。

(4)向谐振腔注入泵浦光，通过调节腔内时延调节部件可变参数，使多个窄带信号光同时振荡，从而在振荡器光输出窗口得到频谱宽度为泵浦光频谱宽度数倍的超宽带闲频光。

进一步的，所述步骤(3)中，腔内分光部件根据信号光波长处损耗小、角色散大的原则，选择光栅对结构或棱镜对结构。

该方法在光参量振荡器谐振腔中通过管理所选定的多个分立窄带信号光波长的相对时延，实现光参量振荡器腔内多个分立窄带信号光的同时振荡；由于泵浦光是宽带光源，每个振荡的窄带信号光会对应产生一个宽带闲频光输出(其带宽与泵浦光的带宽相近)；由于多个分立窄带信号光的同时振荡，所产生的多个宽带闲频光同时输出，组合在一起产生超宽带激光输出。该方法是在光参量振荡器中产生超宽带光辐射(其带宽远远高于泵浦光的带宽)的简单有效的方法。

与现有的技术相比，本发明的有益效果是：

1)无需波长调谐，且可以产生瞬时带宽远高于泵浦光带宽的超宽带激光输出。

2)基于现有的单振荡光参量振荡器产生超宽带激光输出，需要对较宽的整个信号光波段实现色散管理，技术上极其难以实现；基于现有的双振荡光参量振荡器产生超宽带激光输出，需要对更宽的整个信号和闲频光波段同时实现色散管理，难度极大；基于我们的发明，只需对选定的几个分立的窄带信号光(或闲频光)波长分别补偿其附近很小一部分带宽的色散和时延，相对容易实现。

3)基于高非线性光纤的超连续谱的输出光谱往往不平坦，不利于应用，本发明可以通过选择分立的窄带信号光之间合适的频谱距离，从而使得叠加获得的超宽带输出的增益谱具有较高的平坦度。

附图说明

图1是本发明实施例1：中红外超宽带光参量振荡器的结构示意图。其中包括锁模激光器(1)、光隔离器(2)、光学整形系统(3)、凹面镜对(4)、非线性光学晶体(5)、腔内输出耦合镜(6)、腔内时延调节部件(7)以及中红外滤波片(8)。

图2是本发明实例1的腔内时延调节部件的一种结构示意图。其中包括棱镜组(9)、多个点反射镜(10)。

图3是本发明实例1的腔内时延调节部件的另一种结构示意图。其中包括光栅组(11)、多个点反射镜(12)。

图4是本发明实施例1的泵浦光的光谱。

图5是本发明实施例1的闲频光的光谱(三条曲线分别表示当窄带信号光波长分别为窄带1480nm，1540nm，1600nm光时闲频光的输出结果)。

图6是本发明实施例1的闲频光的光谱，表示当三个波长分别为1480nm，1540nm，1600nm的窄带信号光同时振荡时闲频光的输出结果)。

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用于解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

下面结合实例和附图对本发明做进一步的说明。

实施例1：

图1是本发明实施例1：中红外超宽带光参量振荡器的结构示意图。其中包括锁模激光器(1)、光隔离器(2)、光学整形系统(3)、凹面镜对(4)、非线性光学晶体(5)、输出耦合镜(6)、腔内时延调节部件(7)以及中红外滤波片(8)。其特征在于：锁模激光器激光为泵浦光，非线性光学晶体设于谐振腔内部，两者与泵浦激光器共同构成光参量振荡器，泵浦光中心波长与特定的信号波长和闲频波长在非线性晶体中实现准相位匹配，当泵浦光光功率高于光参量振荡器阈值就能实现光参量振荡；光参量振荡器，包括非线性晶体、谐振腔，所述谐振腔由反射镜，输出耦合镜，以及腔内分光(可以是棱镜组或光栅组)和时延调节部件组成；分光和时延调节部件(如光栅对，或棱镜对，或其他色散原件与反射镜的组合结构)使得非线性增益带宽内的几个选定的信号波长在空间上分开，通过调整反射镜的位置来改变各个信号光波长的时延使得多个窄带信号光在腔内同时振荡，由于不同波长的光在通过分光部件后具有不同的传播方向，单个点反射镜所能支持的带宽较窄，也就是说能够获得每个能够获得正反馈的信号光的带宽较窄，这天然地导致了窄带的信号光，另外也可以通过添加窄带滤波片对每个信号光带宽进行进一步限制；通过调整振荡的窄带信号光的波长以及同时振荡的窄带信号光之间的波长间隔，就能够使得每个窄带信号光对应的闲频光的波长在频谱上连续起来，从而实现超宽带中红外闲频光输出。

下面结合一个数值模拟的例子作具体说明。

选用的非线性晶体为周期极化的铌酸锂晶体。泵浦光来自锁模光纤激光器及放大器系统，中心波长为1060nm，10dB带宽约为40nm，脉冲宽度为100fs左右，重复频率为100MHz。泵浦光的光谱参阅图4。晶体长度约为500微米，选用较短的非线性晶体的目的是支持较宽的窄带信号光相位匹配带宽。当窄带信号光的中心波长分别为1480nm、1540nm、1600nm，且带宽较窄时，所对应的闲频光的光谱参阅图5。由于窄带信号光带宽极窄，泵浦光的带宽被复制到闲频光的带宽，因而闲频光的带宽与泵浦光相同。通过分光和时延调节部件实现三个窄带信号光的同时振荡，所能获得的超宽带中红外闲频光的光谱参阅图6。可见所获得的光谱带宽远大于泵浦光的带宽。

本发明在光参量振荡器谐振腔中通过分光和时延调节部件选择多个波长分立的窄带信号光(或闲频光)作为振荡光，并通过管理所选定的多个分立窄带信号光波长的相对时延，实现光参量振荡器腔内多个分立窄带信号光的同时振荡，在光参量振荡器中产生超宽带激光输出。所获得的高亮度超宽带光源在科学研究、元器件测量、物质成份检测、医疗诊断、成像等领域有广泛的应用前景。

本领域的技术人员容易理解，以上所述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 (8)

1.一种产生超宽带光辐射的设备，其特征在于，包括泵浦激光器、隔离器、整形系统、非线性晶体、中红外滤光片和谐振腔，其中：

所述泵浦激光器为高重复频率的超短脉冲激光器；

所述谐振腔由两个凹面反射镜、腔内时延调节部件和输出耦合镜组成；所述凹面反射镜的反射面左右相对设置，输出耦合镜、腔内时延调节部件左右对称设置在两个凹面反射镜上方或下方，它们光轴与分别与左、右凹面反射镜的反射光路重合；两个凹面反射镜、输出耦合镜和腔内时延调节部件共同构成一个X形光路谐振腔；其中：所述凹面反射镜对信号光高反，对泵浦光和闲频光高透；所述输出耦合镜为部分反射镜，通过反射率的选择，用于调节腔内损耗和输出信号光；

所述中红外滤光片设在谐振腔外部靠近右凹面反射镜一端，其光轴与左、右凹面反射镜光轴重合，用于滤除泵浦光，输出所需要的宽频光；

所述隔离器位于泵浦激光器和整形系统之间，用于保护泵浦激光器免于反射光的干扰和损害；

所述整形系统位于隔离器和谐振腔之间，用于将泵浦光准直，使得泵浦光和信号光能够在非线性晶体中实现空间重合；

所述非线性晶体设于谐振腔内部，两者与泵浦激光器共同构成光参量振荡器，用于将泵浦光转化为信号光和闲频光；

工作中，泵浦激光器发出泵浦光，经过隔离器之后，通过整形系统耦合到谐振腔中，在经过非线性晶体时，与其内部的自发辐射噪声发生参量反应，产生信号光和闲频光，闲频光和剩余的泵浦光透过右凹面反射镜后离开谐振腔，腔外的中红外滤光片过滤掉剩余的泵浦光获得闲频光输出；

非线性晶体中产生的信号光由右凹面镜→输出耦合镜→右凹面镜→非线性晶体→左凹面镜→腔内时延调节部件→左凹面镜→非线性晶体→右凹面镜循环，信号光在两个凹面镜、输出耦合镜、腔内时延调节部件形成的X形光路中来回反射引起振荡；腔内时延调节部件选择出数个窄带信号光，并使其在下一次泵浦脉冲到达非线性晶体中时与其在时间上重合继续发生反应，即选出的窄带信号光在谐振腔内往返一周所需的时间与脉冲激光器产生激光脉冲信号的时间间隔相等，从而产生超宽带的闲频光输出。

2.根据权利要求1所述的一种产生超宽带光辐射的设备，其特征在于，所述腔内时延调节部件由腔内分光部件和时延调节部件组成，时延调节部件设在腔内分光部件之后；

所述分光部件由光栅组或者棱镜组构成；所述时延调节部件由若干点反射镜实现，各分离反射镜与腔内分光部件分离的各束窄带信号光的出射光路垂直，反射方向与入射方向共光轴反向。

3.根据权利要求1或2所述的一种产生超宽带光辐射的设备，其特征在于，所述腔内时延调节部件作用有三，一是将不同波长的信号光在空间上分开；二是对信号光高反，实现腔内正反馈，并用于调节腔内信号光损耗；三是通过调节不同波长信号光的时延，使不同窄带信号光的时延相同。

4.根据权利要求2所述的一种产生超宽带光辐射的设备，其特征在于，所述多个分离的点反射镜能够对信号光高度反射实现正反馈，通过采用不同反射率的点反射镜能够调节不同波长信号光的反馈强度；点反射镜相对于腔内分光部件的距离能够进行微调，并且根据实际所需调节的时延的大小来确定，使得多个窄带信号光在光参量振荡器中往返一周的时延相等，与泵浦激光器同步，以实现多个窄带信号光的同时振荡，达到同步泵浦。

5.一种产生超宽带光辐射的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)根据所要产生的宽带光，确定合适的非线性晶体和泵浦激光器；

(2)根据非线性晶体和泵浦激光器，确定振荡器谐振腔的结构参数；根据泵浦激光器的重复频率来确定谐振腔的腔长；根据闲频光和泵浦光的波长确定非线性晶体的相位匹配角或者极化周期；根据非线性晶体的尺寸、折射率确定谐振腔凹面反射镜的曲率半径，位置和角度；根据信号光的波长确定谐振腔凹面反射镜的反射与透射特性和材质，以达到谐振腔的反射镜对信号光波长高反，对泵浦光波长和闲频光波长高透的效果；

(3)根据所选的窄带信号光，确定腔内时延调节部件结构和参数；腔内分光部件根据透过率优先原则选择光栅对结构或棱镜对结构，其次根据选定的分离的信号光波长确定光栅的中心波长、周期，或者确定棱镜的材料和顶角；

腔内时延调节部件结构和参数选取原则是要损耗小到能够使得谐振腔阈值在泵浦激光器功率能够达到的程度，角色散大到能够使得振荡的不同波长的信号光在空间上分开到能够通过仍具有一定尺寸的点反射镜进行分别操作的程度。

(4)向谐振腔注入泵浦光，通过调节腔内时延调节部件可变参数，使多个窄带信号光同时振荡，从而在振荡器光输出窗口得到频谱宽度为泵浦光频谱宽度数倍的超宽带闲频光。

6.根据权利要求5所述方法，其特征在于，所述步骤(3)中，腔内分光部件根据信号光波长处损耗小、角色散大的原则，选择光栅对结构或棱镜对结构。

7.根据权利要求1-4所述的任一种产生超宽带光辐射的设备，其特征在于，所述泵浦激光器为飞秒或皮秒激光器。

8.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，所述泵浦激光器为飞秒或皮秒激光器。