CN106575068A - 光学参量发生器 - Google Patents
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Abstract
一种光学参量发生器(601)，包括：馈入光学系统(609)的种子激光器(605)，其中，该种子激光器布置成以信号波的信号频率或以空闲波的空闲频率提供种子束；馈入光学系统(609)的限定类型的泵浦激光器(603)，其中，该泵浦激光器(603)发射超短光学脉冲作为泵浦波；及布置在光学系统(609)中的限定类型的二阶非线性晶体(615)；其中，限定类型的晶体(615)与限定类型的泵浦激光器(603)被选择成使得信号波或空闲波被锁定在泵浦波的边沿。
Description
技术领域
本发明大体上涉及光学参量发生器。
背景技术
当前，存在几种不同的相干光源，其产生中红外范围内的输出，包括：量子级联激光器、红外二极管激光器、气体激光器(尤其是CO2和CO)以及光学参量振荡器和光学参量发生器。对于很多这样的系统而言，输出是在皮秒或纳秒范围内的相对长的脉冲形式或者连续发射形式。在该波长范围内的亚皮秒脉冲的源相对稀少，而且受限于基于同步泵浦的光学参量振荡器(OPO)(其中泵功率不需要十分高)或者光学参量发生器(OPG)(其需要以十分强大的超短脉冲激光器来泵浦)的复杂系统。
诸如光学参量放大器(OPA)、光学参量振荡器(OPO)和光学参量发生器(OPG)的非线性光学装置都可以基于三波混频。这些类型的装置可以用于生成相干中红外光。在这些装置中，不同光学频率的三种波在二阶非线性材料中相互作用，这种材料是展现出与应用的光学电场的平方成比例的偏振的材料。仅各向异性材料展现出二阶非线性，例如铁电晶体。在OPO和OPA的情况下，通常将最高频率的波指定为泵浦波；将中间频率的波指定为信号波；并且将最低频率的波指定为空闲波。
如果泵浦波具有角频率ωp，信号波具有角频率ωs，并且空闲波具有角频率ωi，为了节省能量，成立下列关系式：ωp＝ωs+ωi。对于能量节省而言，ωp,s,i值没有特殊限制。然而，为了使能量在这些相互作用的波之间高效地传输，必须同时满足代表动量守恒的第二条件。其由以下关系式表示：kp＝ks+ki，其中，kp,s,i是相互作用的波的波矢量，并且kp,s,i＝np,s,iωp,s,i/c，其中np,s,i分别是泵浦、信号和空闲频率的线性折射率。一般而言，由于折射率色散，np≠ns≠ni，因此动量守恒需要使用特殊的技术。存在若干这样的技术，包括双折射相位匹配，其中，波的极化和相对于双折射晶体的晶轴的传播方向被选择成实现相位匹配条件；还包括经由周期性极化的准相位匹配，其中，光学非线性的符号沿着传播方向周期性地变换，以实现生成的信号波和从沿着非线性晶体的不同区域生成的空闲波的相长干涉。在后一种情况下，非线性的符号的周期性变换创建了额外的波矢量kg＝2π/Λg，其中，Λg是光栅的周期，从而相位匹配关系式为kp＝ks+ki+kg。Λg的适当变化允许实现相位匹配。
波之间的相互作用由三个可以在许多标准文本中找到的耦合波方程来描述。值得注意的是，能量守恒条件暗示：泵浦光子的消灭导致创建了频率为信号频率和空闲频率一对光子。因此，能量从泵浦波转移到信号波和空闲波，并且这意味着信号波和空闲波可以以泵浦波为代价而被放大。在某些近似估算中，信号频率和空闲频率时的增益可以由解析表达式来表示，并且同样地，可以在标准文本中找到这些解析表达式。
当通过使用双折射相位匹配或准相位匹配实现相位匹配时，总增益可以被简化为：G＝1/4exp(2Γl)，其中，Γ是参量增益系数，l是通过材料的传播距离，并且Γ＝sqrt(2ωsωideff 2Ip/npnsniεoc3)，其中，Ip是泵浦强度，deff是材料的有效二阶非线性；εo是自由空间介电系数(permittivity of free space)，并且np,s,i分别是泵浦频率、信号频率和空闲频率时的线性折射率。值得注意的是，至少当使用持续时间小于几皮秒的短光学脉冲时，在强度低于材料的光损伤阈值条件下，参量放大器的增益可以十分大(>60dB/cm)。在这方面，与常规激光介质相比，光学参量放大器可以提供大得多的增益。
上述的用于增益的解析表达式假设相互作用发生在非线性晶体的连续波或相对长的脉冲之间。然而，由于脉冲变短，并且尤其是当它们变得短于约一皮秒时，必须考虑额外的因素。
在均质线性材料中，小于一皮秒的短脉冲的传播速度由其群折射率(groupindex)确定，群折射率在波长为λ时由ng＝n-λdn/dλ确定，其中，n是介质在波长为λ时的线性折射率。由于折射率的色散，不同波长的群折射率也不同，这导致不同波长的脉冲以vg＝c/ng给出的不同群速度传播。群速度一般指波顶点传播的速度，其不同于组成脉冲的波前的相位速度(其由折射率n直接确定)。此外，由于群速度色散(GVD)，脉冲及时展开，其中，GVD＝-λ/c d2n/dλ2。这些参量的值可以随着波长而显著变化。
通过示例，考虑基于周期性极化铌酸锂(PPLN)的参量放大器的情况。如果我们选择1.04μm的泵浦波长(其接近于常规钕或镱激光器的泵浦波长)和1.407μm的信号波长，其组合将产生4μm的空闲波。泵浦、信号和空闲波的群速度分别为c/2.21004；c/2.18242；c/2.23573，其中c是光在真空的速度，其大约为3x 108m/s。如果我们考虑持续时间为100fs的脉冲的情况，则泵浦波和信号波将仅在晶体中传播1.09mm的距离之后而分离，泵浦波和空闲波在1.17mm的距离后分离。因此，至少出于共线传播的目的，3WM通常仅限于晶体的mm长度。由于有效晶体长度十分短，这意味着总增益将较小，除非使用极高的激光强度。后一种情况可以在由十分强大的短脉冲激光器(>109W)泵浦的光学参量发生器中实现，这种短脉冲激光器例如飞秒放大的钛宝石激光器。存在这种技术的若干可商购实例；然而，这些系统昂贵且复杂，并且产生了顶点值功率十分高的输出脉冲，其不适用于许多应用。
如果强度保持为低或者中等，则增益下降到若干dB/cm，并且这仅足以创建所谓的同步泵浦的OPO。在这种装置中，以高重复率(通常≈50MHz)产生短脉冲的泵浦激光器泵浦包含在其自身的光学谐振器内的短放大晶体，该光学谐振器以信号频率或空闲频率(或二者)循环脉冲。脉冲周期性地返回非线性晶体，并且由同步泵浦脉冲放大，但前提是OPO谐振器的来回时间与泵浦振荡器谐振器中的来回时间精确地匹配。在这种来回匹配条件中，信号波长或空闲波长的脉冲可以在OPO腔的连续跃迁中被放大，并且信号波和空闲波中的功率从噪声中增长。由于功率增加，能量从泵浦波传输到信号波和空闲波。然而，两个谐振器(激光器和OPA)的来回时间必须精确匹配，并且相互作用的波之间的群速度色散的效应必须被最小化，这大体上意味着：由于群速度的不同，OPO晶体必须比分离脉冲所需的长度更短。一般地，在一米左右的长度上，腔长度也必须在微米级别的尺度上是相同的。然而，在力学或者温度波动的情况下维持这种长度匹配是颇具挑战性的，并且需要复杂的锁定方案来获得稳定的操作。可以通过使相互作用的波束在OPO晶体中非共线而降低群速度色散，这潜在地允许使用较长晶体；然而，波束必须足够大以维持晶体长度上的空间重叠。通过同步泵浦的OPO生成中红外的亚皮秒源涉及高度的复杂性和昂贵的硬件。然而，这些装置具有用于探测分子的振动态的科学技术上的应用，或者作为用于非线性光学的源，并且，可以获得基于该原理的商用系统。
发明内容
本发明的目的在于大体上克服或者至少改善现有布置的一个或多个缺陷。
公开的布置寻求通过提供一种改进的光学参量发生器来解决上述问题。
根据本发明的一个方面，提供了一种光学参量发生器，其包括：馈入光学系统的种子激光器，其中，该种子激光器布置成以信号波的信号频率或以空闲波的空闲频率提供种子束；馈入光学系统的限定类型的泵浦激光器，其中，该泵浦激光器发射超短光学脉冲作为泵浦波；及布置在光学系统中的限定类型的二阶非线性晶体；其中，限定类型的晶体与限定类型的泵浦激光器被选择成使得信号波或空闲波被锁定在泵浦波的边沿。
根据本发明另一个方面，提供了一种控制光学参量的方法，该光学参量包括馈入光学系统的种子激光器、馈入光学系统的限定类型的泵浦激光器以及布置在光学系统中的限定类型的二阶非线性晶体，其中，泵浦激光器发出超短光学脉冲作为泵浦波，该方法包括下述步骤：将种子激光器布置成以信号波的信号频率或以空闲波的空闲频率提供种子束；及选择限定类型的晶体与限定类型的泵浦激光器以使得信号波或空闲波被锁定在泵浦波的边沿。
限定类型的晶体和限定类型的泵浦激光器可以被选择成使得泵浦波的群速度介于信号波的群速度和空闲波的群速度之间。
此外，限定类型的晶体与限定类型的泵浦激光器可以被选择成使得信号波和空闲波中的一者或两者被锁定在泵浦波的前沿和/或后沿。
此外，由泵浦激光器发射的超短光学脉冲在持续时间上可以小于1皮秒。
此外，光学参量发生器可以是高增益光学参量发生器。同样地，光学参量发生器的增益可以在40-70dB/cm的范围内、在50-60dB/cm的范围内、或者在60-70dB/cm的范围内。
此外，限定类型的晶体可以选自由铌酸锂、钽酸锂组成的群组。
此外，限定类型的晶体可以选自长度在5-25mm范围内的晶体。
此外，限定类型的泵浦激光器可以选自生成的泵浦波的波长在750nm–1100nm范围内、或1000nm–1050nm范围内、或为1.06μm的泵浦激光器。
此外，限定类型的泵浦激光器可以选自活性介质为镱、掺钛蓝宝石或钕的泵浦激光器。
此外，信号波、空闲波和/或泵浦波的极化可以选择成实现双折射相位匹配。
此外，信号波、空闲波和/或泵浦波的极化可以选择成在周期性极化晶体中实现准相位匹配。
此外，泵浦波可以在750nm和1100nm之间，并且光学参量发生器可以将泵浦波转换成中红外范围。同样地，晶体可以是钽酸锂、铌酸锂或磷酸钛氧钾或其同晶型体。
此外，晶体的长度可能足以导致相互作用的泵浦波、空闲波和信号波由于其各自的群速度而完全分离。
此外，限定类型的晶体和限定类型的泵浦激光器被选择成使得泵浦波的群速度是信号波的群速度和空闲波的群速度的平均值。
此外，非线性晶体的长度和泵浦波、信号波和空闲波的群折射率之间的关系可以被限为Lc>cτp/(|ng:p-ng:s,i|)，其中，Lc是非线性晶体的长度，ng:p,s,i分别是泵浦波、信号波和空闲波的群折射率，并且，τp是泵浦波的持续时间。
还公开了本发明的其他方面。
附图说明
现在将结合附图和附录来描述本发明的各种实施方式的一些方面，附图中：
图1示出了群速度色散被泵浦波的时间相关的放大所抵消的机制；
图2(a)-(g)示出了以对数尺寸描绘的晶体上的各种距离处的一系列脉冲波形。
图3(a)-(e)示出了线性尺度上的一系列脉冲波形，其示出了泵浦波、信号波和空闲波在晶体上的各种距离处的功率。
图4示出了信号波和空闲波相对于泵浦脉冲顶点(peak)的分离。
图5(a)-(b)示出了图3(a)-(b)的扩增跟踪。
图6示出了根据本公开的光学参量发生器的系统框图。
具体实施方式
在任何一个或多个附图中提及具有相同标号的步骤和/或特征时，就本说明书而言，这些步骤和/或特征具有相同的功能或操作，除非出现相反的意图。
根据一个实例，本文描述的光学参量发生器产生了中红外(2-25μm)范围内的输出，其是尤其重要的波长范围，因为在该范围内，可以通过特征吸收光谱来识别所有的分子。此外，中红外范围是能够通过特征发射来识别热源的区域，并且其对于感测和防御应用来说是重要的。
因此，本文描述的光学参量发生器适于用在各种不同的科学领域，例如生物学和医药学。
如背景技术所讨论的，注意到光学参量发生器中的信号脉冲、空闲脉冲和泵浦脉冲中的每一个均以不同的群速度vgp、vgs和vgi来传播。传播期间的脉冲展开由群速度色散GVDp、GVDs和GVDi来控制。通常，当脉冲十分短时，群速度的不同可以阻止功率从泵浦波传递到信号波和空闲波，这是因为三个脉冲在传播穿过非线性晶体时随时间而迅速地分离。为了实现3WM和参量放大，脉冲必须彼此重叠。
本文描述的实例提供了生成超短脉冲的替代方式，与背景技术部分描述的技术相比，这种替代方式允许极大地简化硬件。
描述了一种技术，其中，高增益光学参量放大器被配置成允许泵浦波脉冲单程穿过相对长的光学参量放大器晶体(例如周期性极化的铌酸锂(PPLN))。还提供了其他适当的配置的实例。
如下文将详细解释的，应该理解，晶体的长度应当足以正常地导致相互作用的泵浦波、空闲波和信号波由于其各种的群速度而完全分离。即，Lc>cτp/(|ng:p-ng:s,i|)，其中，Lc是非线性晶体的长度，ng:p,s,i是分别泵浦脉冲和空闲脉冲的群折射率，并且τp是泵浦脉冲的持续时间。
此外，应该理解，可以通过将波反射回穿过晶体利用双程几何结构来配置光学参量发生器。
应该理解，也可以使用其他适当的晶体类型，例如，钽酸锂或磷酸钛氧钾或者其同晶型体。
申请人已经认识到，在某些条件下，可以消除相互作用的脉冲的不同群速率的抑制效应，并且最好地实现这点的条件也提高了光学参量放大器的效率。
图1概述了支持该装置的操作的基本现象。图1示出了群速度色散被泵浦的时间相关的放大所抵消的机制。考虑通过非线性晶体传播的强大的高斯泵浦脉冲，其导致曲线103示意性示出的大的时间相关的增益。在传播通过厚度为的非线性晶体的小单元(smallelement)之后，信号脉冲101(点线)通过这种时间相关的增益被放大。在该元件的输入处，以不同群速度从泵浦脉冲103行进的信号脉冲101最初被定位在泵浦脉冲103的前沿。如果信号脉冲101未通过与泵浦脉冲103之间的非线性相互作用而被放大，则信号脉冲将由于其不同的群速度而继续移动到相对于泵浦脉冲103的右边。然而，在穿过非线性晶体的小单元之后，信号脉冲101由时间相关的增益放大。因此，在元件的输出处，其被时间相关的增益失真，从而创建放大的信号脉冲105(虚线)。由于增益朝着泵浦脉冲103的顶点增加，信号脉冲101的后沿接收比前沿更高的增益，并且因此，在放大之后，放大的信号脉冲105的顶点靠近泵浦脉冲103的顶点移动。事实上，这引入了脉冲顶点的运动，该运动抵消了泵浦脉冲和信号脉冲之间的群速度差异。这种机制实际上将信号脉冲卡(trap)在泵浦波的边沿(即，前沿或后沿)，并且假设增益足够高，这种机制不允许其逃逸，直到泵浦功率由于能量转移到信号脉冲(和空闲脉冲)而耗尽。
信号脉冲由泵浦脉冲放大还产生了空闲脉冲，其将以不同的群速度从泵浦脉冲和信号脉冲行进。因此，为了使这种机制有效，泵浦脉冲必须能够卡住信号脉冲和空闲脉冲，以使相互作用生效。
如果空闲脉冲和泵浦脉冲之间的群速度差异具有与信号脉冲和泵浦脉冲之间的群速度差异相反的符号，则形成了尤其有利的条件。换言之，泵浦脉冲的群速度介于信号脉冲和空闲脉冲的群速度之间。当泵浦脉冲的群速度是信号脉冲和空闲脉冲的群速度的平均值时，出现了优选条件，然而过程对于与此条件相关的偏差具有合理的容差。
根据一个实例，提供了PPLN参量放大器，其中，泵浦波、信号波和空闲波的群速度分别为c/2.21004、c/2.18242、c/2.23573，其中，c是光在真空中的速度。根据该实例，泵浦波的群速度大于空闲波的群速度，但小于信号波的群速度。群速度之间的差值分别为1.72x106m/s(信号-泵浦)和1.56x 106m/s(泵浦-空闲)，这使得群速度之间的差值大体上相等。因此，如果三个脉冲(泵浦、信号和空闲)以时间同步的方式被发射到非线性晶体中，则在三个脉冲穿过非线性晶体时，信号脉冲朝着泵浦脉冲的前沿移动，并且空闲脉冲由于它们的群速度差异而朝着后沿移动。因此，根据图1示出的机制，由于泵浦脉冲引发了强的时间相关的增益，泵浦脉冲可以将信号脉冲卡在其前沿并将空闲脉冲卡在其后沿，抵消了它们不同的群速度的效应。
利用AS-Photonics LLC提供的SNLO软件进行的模拟，这利用平面波近似解了耦合波方程，但考虑了群速度、群速度色散和非线性的效应。对于这些模拟，使用了泵浦脉冲持续时间100fs、大约75kW的峰值泵浦功率(放大信号频率的种子束)的实际情况。种子束功率被设置为仅约等于2.5mW。为了模拟真实情况(其中由连续波激光器提供种子束)，提供了1.407μm、1皮秒长的平顶种子脉冲。因此，为了达到大致等于泵浦功率的功率，增益必须在106至107的范围中。为了实现这点，使用了25mm长的PPLN晶体，其大约比由于群速度色散而完全分离100fs信号脉冲、泵浦脉冲和空闲脉冲所需的长度长20倍。
在这种模拟中，泵浦的输入强度为2.5x 109W/cm2，并且种子的输入强度为22W/cm2。
参考图2(a-g)，以对数尺度绘制了在PPLN晶体的0.001、5、10、12.5、15、20和25mm距离处的一系列脉冲波形。信号脉冲和空闲脉冲的顶点通过图1所示的增益引导机制而锁定到泵浦脉冲直到泵浦耗尽在大约12.5mm处变强，在此之后，脉冲以其正常群速度远离泵浦脉冲。
如从图2(b-d)中显而易见的，信号脉冲和空闲脉冲顶点在被放大时仍然锁定在泵浦脉冲的前沿和后沿中。一些能量未被卡住，并且逃逸，创建了在这些对数图中明显的低强度尾部。在图2(c)中，已经开始了泵浦损耗，并且其在晶体的下几mm上持续。在图2(e)中，泵浦脉冲变得极大的损耗(≈93％)，并且实际上，所有的泵浦功率已经被转移到信号脉冲和空闲脉冲，信号脉冲和空闲脉冲分别包含输入的泵浦脉冲能量的69％和24％。由于泵浦耗尽，增益降低，并且信号脉冲和空闲脉冲不再被泵浦脉冲卡住，并且开始以其各自的群速度随时与泵浦脉冲分离。
图3(a-e)示出了泵浦脉冲、信号脉冲和空闲脉冲在线性尺度上在10、12.5、15、20和25mm之后的功率，其提供了对于脉冲形状的更清楚的表示。示出了穿过PPLN晶体的一系列脉冲波形。如所见的，在12.5mm处，信号脉冲和空闲脉冲已经开始从泵浦脉冲分离，这是因为泵浦功率已经耗尽，并且因此增益已经降低。
图4描述了在从这些模拟中提取时的信号脉冲和空闲脉冲相对于泵浦脉冲的顶点的分离。图4示出了脉冲的时间分离如果保持为较小，直到泵浦耗尽，在泵浦耗尽之后，它们恢复至其未受扰动的群速度。在忽略空间效应并且因此忽略了衍射的情况下计算了该实例，但包含这些现象不会实质上影响脉冲动力学，而脉冲动力学对本发明而言是关键的。信号脉冲和空闲脉冲之间相对于泵浦脉冲的延迟：空闲脉冲(401)；信号脉冲(403)。为空闲脉冲(405)和信号脉冲(407)示出了不具有泵浦增益效应的分离。
该过程的一个重要附加特征在于：与在可忽略相互作用的波之间的群速度差异的条件下所实现的相比，该过程导致高的转换效率。这是因为一旦泵浦功率的大部分已经转移到信号脉冲和空闲脉冲，经由和频产生，能量从信号脉冲和空闲脉冲流回到泵浦脉冲。用于和频产生的条件与光学参量放大的条件相同，并且该过程被称为后退转换。当其发生时，再次生成的泵浦波相对于原始泵浦脉冲被相移，并且这形成失真。一旦功率已经转移到泵浦脉冲，参量放大再次控制能量转移回到信号脉冲和空闲脉冲。由于这些过程以不同速率在脉冲期间的不同时间并且在束的不同位置发生，脉冲和束变得高度失真，并且这降低了其有用性。这将能够在出现束和脉冲质量的不可接受的降级之前实现的转换效率额外地限制为大约30％(总信号和空闲输出/泵输入)。
为了发生后退转换，信号脉冲和空闲脉冲必须在时间上重叠。如从图2(a-g)和图3(a-e)显而易见的，因为信号脉冲和空闲脉冲被分离(其中，一个位于泵浦脉冲的前沿，而另一个位于后沿)，空闲脉冲的顶点处的信号功率十分低，并且信号脉冲的顶点处的空闲功率十分低。图3(a)和3(b)的扩增跟踪在图5(a)和5(b)中示出以进行展示。图5(a)和(b)中的扩增的时间尺度示出了信号脉冲和空闲脉冲顶点的阻止复原(reconversion)的位移。
上述的这些过程具有若干重要的特征：
它们允许消除泵浦信号和空闲信号之间的群速度差异的效应。
它们实现了尤其高的转换效率，事实上转换效率高于相互作用的波的群速度之间无差异时的长脉冲所实现的转换效率。
它们允许使用长晶体，其中，群速度效应通常是性能的主要限制。
因为它们允许使用长晶体，因此还允许使用相对低的泵浦强度，其远低于引发光学损伤的强度，并且因此允许相对低功率的泵浦激光器。
它们允许利用行进波的简单设备几何结构，而不需要复杂的腔或稳定性。
图6示出了光学参量发生器或源601的实例。该发生器具有亚皮秒泵浦激光器603和以信号波长操作的可调种子激光器605。应该理解，作为替代方式，种子激光器也可以以空闲波长来操作。
系统还包括第一望远镜607，以将泵浦波导入光学系统609，从而实现用于非线性过程的最优强度。第二望远镜611类似地将种子波导入光学系统609。分色镜613定位成反射泵浦波，并且朝着二阶非线性晶体615传递信号波。
根据该实例，泵浦激光器是配置为以1041nm发射持续时间为200飞秒的脉冲的镱激光器，并且其用于泵浦10mm长的周期性极化铌酸锂晶体。铌酸锂晶体中的极化周期被选择为28.1μm，并且相互作用的波均沿着晶体的Z轴被极化。种子激光器被调整为1407nm，其对应于在4000nm处生成空闲波。晶体温度被调整在150C附近，以实现完美的相位匹配。泵浦致力于实现每平方厘米大约2GW的功率强度，而功率为10mW的连续种子束致力于每平方厘米大约100W的强度。对于这种相互作用，泵浦波、信号波和空闲波的群折射率的值为2.18234、2.020991和2.23573，从而泵浦群速度介于信号波和空闲波的群速度之间。在这种条件下，能量从泵浦波被有效地转换到信号波和空闲波，其中，大约37％的泵浦能量被转移到放大的1407nm的种子波，并且13％转移到生成的4000nm的空闲波。在这种计算中，使用了SNLO码的全二维建模短脉冲模型，而不是之前使用的更近似的平面波模型。
应该理解，晶体可以被本文所述的任何其他类型的晶体取代。此外，应该理解，晶体的长度可以变化为任何其他适合的长度，例如在5-25mm、5-15mm、10-20mm、15-25mm等范围内。此外，不同的晶体长度可以与本文所述的不同类型的泵浦激光器一起使用。
应该理解，种子激光器可以是低成本连续波激光器，其可以在不同功率下(例如在1-100mW的范围内)操作。
根据一个特定实例，泵浦激光器和种子激光器可以分别以大约100kW和大约10mW的功率来操作。可以利用脉冲重复率在数十MHz范围内的可商购锁模激光器系统来轻易地实现这种泵浦功率。
应该理解，根据晶体非线性(其可以在若干数量级上变化)，泵浦功率的变化可能非常大。
晶体的类型以及泵浦激光器的类型具体被选定或选择成使得泵浦波的群速度介于信号波的群速度和空闲波的群速度之间。
以信号波长、空闲波长和泵浦波长产生输出束617。
如本领域技术人员所意识到的，与现有系统相比，本发明具有十分重大的优势。
因此，提供了用于使用高增益光学参量放大器(其使用二阶非线性材料)来创建超短光学脉冲的系统，其消除了相互作用的脉冲之间的群速度差异的降级效应，这种降级效应通常会阻止放大过程生效。
为光学参量放大器提供增益的高频率泵浦的群速度介于被放大的较低频率的信号波和空闲波的群速度中间(即，之间)。
泵浦脉冲在二阶非线性材料中引起的增益将信号脉冲和空闲脉冲卡在其包络中，由此防止信号脉冲和空闲脉冲与泵浦脉冲分离(由于它们不同的群速度，这通常会发生)。
本文描述的系统适用于共线束，并且不像背景技术中讨论的系统那样需要短晶体。此外，该系统不限制相互作用的束的尺寸。同样地，该系统利用高增益光学参量放大器来操作，并且不需要背景技术部分中所述的更复杂的光学参量振荡器系统。
二阶非线性晶体可以使用双折射相位匹配。
二阶非线性晶体可以使用通过周期性极化的准相位匹配。
非线性介质可以是光学波导的形式。
非线性介质可以是块状晶体的形式。
泵浦激光器可以产生超短脉冲，其持续时间小于1皮秒。
泵浦波长是任意的，只要泵浦的群速度介于信号脉冲和空闲脉冲的群速度之间。
泵浦激光器可以使用基于镱的活性介质，其在1和1.05μm之间发射。
泵浦激光器可以使用基于掺钛蓝宝石的活性介质，其在大约750nm和1100nm之间操作。
泵浦激光器可以使用基于钕的活性介质，其发射大约为1.06μm。
非线性晶体可以是准相位匹配的铌酸锂，并且用于将泵浦辐射从750nm和1100nm之间转换为中红外。
非线性晶体可以是准相位匹配的钽酸锂，并且用于将泵浦辐射从750nm和1100nm之间转换为中红外。
能量从泵浦波转换到信号波和空闲波的最大效率可以被增大，因为从信号脉冲和空闲脉冲到泵浦脉冲的后退转换由于信号脉冲和空闲脉冲不在时间上重叠而被阻止。
应该理解，二阶非线性晶体可以包括晶体的KTP(磷酸氧钛钾(KTiOPO4))族的一种或多种，因为它们在周期性极化(PP)形式的波长范围内具有正确的群速度关系。
还应该理解，适合的非线性晶体的族的一般化学组成为MTiOXO4，其中，M可以是K、Rb或Cs，并且X可以是P或As。
根据一个实例，当使用1064nm的泵浦时，PP-KTP在大约3.4μm的操作波长时具有适当的群速度关系。作为另一实例，同样当使用1040nm的泵浦时，PP-KTA(砷酸氧钛钾(KTiOAsO4))在大约3.8μm的操作波长时也具有适当的群速度关系。
工业适用性
本文描述的布置适用于光学感测工业，并且尤其适用于光学参量发生器工业。
上文仅描述了本发明的一些实施方式，并且可以是不脱离本发明的范围和精神的情况下进行改进和/或改变，实施方式仅仅是示意性的而非限制性的。
在该说明书中，措辞“包括”意味着“主要包括但并不一定只包括”或者“具有”或“包含”，并且不指“仅由……组成”。措辞“包括”的变体相应地具有各种含义。
Claims (20)
1.一种光学参量发生器，其包括：
馈入光学系统的种子激光器，其中，该种子激光器布置成以信号波的信号频率或以空闲波的空闲频率提供种子束；
馈入光学系统的限定类型的泵浦激光器，其中，该泵浦激光器发射超短光学脉冲作为泵浦波；及
布置在光学系统中的限定类型的二阶非线性晶体；
其中，限定类型的晶体与限定类型的泵浦激光器被选择成使得信号波或空闲波被锁定在泵浦波的边沿。
2.如权利要求1所述的光学参量发生器，其中，由泵浦激光器发射的超短光学脉冲在持续时间上小于1皮秒。
3.如权利要求1所述的光学参量发生器，其中，该光学参量发生器是高增益光学参量发生器。
4.如权利要求3所述的光学参量发生器，其中，该光学参量发生器的增益在40-70dB/cm的范围内。
5.如权利要求4所述的光学参量发生器，其中，该光学参量发生器的增益在50-60dB/cm的范围内。
6.如权利要求4所述的光学参量发生器，其中，该光学参量发生器的增益在60-70dB/cm的范围内。
7.如权利要求1所述的光学参量发生器，其中，限定类型的晶体选自由铌酸锂、钽酸锂组成的群组。
8.如权利要求1所述的光学参量发生器，其中，限定类型的晶体选自长度在5-25mm范围内的晶体。
9.如权利要求1所述的光学参量发生器，其中，限定类型的泵浦激光器选自生成的泵浦波的波长在750nm–1100nm范围内或1000nm–1050nm范围内或波长为1.06μm的泵浦激光器。
10.如权利要求1所述的光学参量发生器，其中，限定类型的泵浦激光器选自活性介质为镱、掺钛蓝宝石或钕的泵浦激光器。
11.如权利要求1所述的光学参量发生器，其中，信号波、空闲波和/或泵浦波的极化选择成实现双折射相位匹配。
12.如权利要求1所述的光学参量发生器，其中，信号波、空闲波和/或泵浦波的极化选择成实现准相位匹配。
13.如权利要求12所述的光学参量发生器，其中，泵浦波在750nm和1100nm之间，并且光学参量发生器将泵浦波转换成中红外范围。
14.如权利要求13所述的光学参量发生器，其中，晶体为钽酸锂、铌酸锂或磷酸钛氧钾或其同晶型体。
15.如权利要求1所述的光学参量发生器，其中，晶体的长度足以导致相互作用的泵浦波、空闲波和信号波由于其各自的群速度而完全分离。
16.如权利要求1所述的光学参量发生器，其中，限定类型的晶体和限定类型的泵浦激光器被选择成使得泵浦波的群速度是信号波的群速度和空闲波的群速度的平均值。
17.如权利要求1所述的光学参量发生器，其中，非线性晶体的长度和泵浦波、信号波和空闲波的群折射率之间的关系可以被限为Lc>cτp/(|ng:p-ng:s,i|)，其中，Lc是非线性晶体的长度，ng:p,s,i分别是泵浦波、信号波和空闲波的群折射率，并且，τp是泵浦波的持续时间。
18.如权利要求1所述的光学参量发生器，其中，限定类型的晶体和限定类型的泵浦激光器被选择成使得泵浦波的群速度介于信号波的群速度和空闲波的群速度之间。
19.一种控制光学参量的方法，该光学参量包括馈入光学系统的种子激光器、馈入光学系统的限定类型的泵浦激光器以及布置在光学系统中的限定类型的二阶非线性晶体，其中，泵浦激光器发出超短光学脉冲作为泵浦波，该方法包括下述步骤：
将种子激光器布置成以信号波的信号频率或以空闲波的空闲频率提供种子束；及
选择限定类型的晶体与限定类型的泵浦激光器，以使得信号波或空闲波被锁定在泵浦波的边沿。
20.如权利要求19所述的方法，还包括下述步骤：选择限定类型的晶体和限定类型的泵浦激光器，以使得泵浦波的群速度介于信号波的群速度和空闲波的群速度之间。
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