CN106654835A - 多种子注入腔内差频实现多波长中红外光学参量振荡器 - Google Patents

多种子注入腔内差频实现多波长中红外光学参量振荡器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种多种子注入腔内差频实现多波长中红外光学参量振荡器，属于多波长激光技术范畴。本发明通过在一个稳定的光纤激光泵浦光学参量振荡器内注入多个不同波长的种子光，由于光学参量振荡器腔内已经存在一个稳定的强信号光，所注入的多波长种子光会和该信号光差频，从而产生多个不同波长的中红外激光输出；本发明不需引入复杂的波长选择器件或定制特殊极化的晶体，腔内仅存在一个信号光，多种子光源均与该信号光差频产生多波长输出，结构简单，容易实现，性能稳定可靠；本发明所用种子光线宽、波长、强度、包络等参数相对独立，扩展性强，能够实现多种不同类型的激光输出，所产生的多个激光波长的数量、强度、频率间隔稳定可控。

Description

多种子注入腔内差频实现多波长中红外光学参量振荡器
技术领域
本发明涉及一种多种子注入腔内差频实现多波长中红外光学参量振荡器，属于多波长激光技术范畴，可广泛应用于频率梳、多波长激光和非线性频率变换等领域。
背景技术
多波长激光在激光通信、遥感遥测、科学研究等领域有着广泛的应用，人们可以通过多光谱合束、多光栅级联、多级拉曼效应或多级布里渊效应等多种方式产生多峰激光，这些方案工作波段大多集中于近红外波段，难以实现中红外激光输出，特别是在3～5微米的中红外波段，由于大多数材料在该波段有着强烈的吸收，相关波长选择器件研制困难，价格昂贵，而且难以实现间隔较窄的波长区分，限制了现有多波长中红外激光器的性能水平。
差频(DFG)技术和光学参量振荡器(OPO)是两种用于产生中红外激光的非线性频率变换技术，差频(DFG)激光器，不需要谐振腔，而是向非线性晶体中同时注入泵浦光ωp和信号光ωs，即可输出闲频光ωi，该过程需要满足式1给出的能量守恒条件：
ωp＝ωi+ωs (1)
光学参量振荡器(OPO)技术是差频技术发展而来的，需要搭建谐振腔，仅注入泵浦光ωp即可实现频率变换，其原理是通过设计晶体的结构，产生满足相位匹配条件(即式2)的特定频率信号光ωs和频率为ωi的闲频光(中红外激光)。
ωpn(ωp)＝ωin(ωi)+ωsn(ωs) (2)
式2中n(ω)为晶体折射率，其值为光频率的函数，改变晶体的结构即折射率n(ω)的分布可以改变相位匹配条件，在同一泵浦光ωp条件下实现另一对新波长的信号光ω′s和频率为ω′i的闲频光，这一过程即称作波长的调谐，上述过程同时也必须满足式1。
因此，要通过光学参量振荡器(OPO)技术实现多波长输出，需要在腔内放入多块不同晶体满足不同的相位匹配条件(参考文献1：Zhang T,Yao J,Zhu X,et al.Widelytunable,high-repetition-rate,dual signal-wave optical parametric oscillatorby using two periodically poled crystals[J].Optics Communications,2007,272(1):111-115)，或在一块晶体内生成不同结构(参考文献2：Ji F,Lu R,Li B,et al.Mid-infrared tunable dual-wavelength generation based on a quasi-phase-matchedoptical parametric oscillator[J].Optics Communications,2009,282(1):126-128)，工艺复杂且限定了使用波段，难以实现更多波长的激光输出。参考文献三采用多波长脉冲激光器作为泵浦光源(参考文献3：张卫，彭跃峰，魏星斌等，一种双波段多波长红外光参量振荡器，中国发明专利申请公开日：2015-02-18)该方案要求设计非线性晶体使其满足多对参量光的相位匹配条件，工艺复杂且限定了使用波段，难以实现更多波长的激光输出。
与光学参量振荡器(OPO)技术不同之处在于，差频(DFG)激光器需要同时注入泵浦光ωp和信号光ωs，因而闲频光ωi波长完全由注入激光波长确定(即能量守恒条件，式1：ωi＝ωp-ωs)。当晶体的结构不满足相位匹配条件时(即公式2)，系统存在波矢失配Δk如式3：
Δk＝ωpn(ωp)-ωin(ωi)-ωsn(ωs) (3)
波矢失配Δk对差频效率的影响如式(4)所述，式中η为差频效率，Ip为晶体中泵浦光ωp功率密度，Is为晶体中信号光ωs功率密度，而Ii为晶体中闲频光ωi功率密度，显然，当Δk≠0时，通过提高信号光ωs功率密度Is可以在一定程度上弥补相位失配的效率影响。
η＝Ii/Ip∝Is·sin2(ΔkL/2)/(ΔkL/2)2 (4)
本发明利用DFG技术的这一特点，在一个稳定的光学参量振荡器(泵浦光ωp，建立信号光ωs的振荡，输出中红外激光ωi)中注入一个弱种子ωp2，此时，种子光ωp2与信号光ωs不满足相位匹配条件，即存在波矢失配Δk，但由于信号光ωs功率较高，因此不需要改变晶体结构也可以通过差频过程高效地实现另一波长的中红外激光ωi2＝ωp2-ωs输出。该方案结构简单，波长可控，适用波段广，性能稳定可靠。此前国防科学技术大学利用晶体自拉曼效应，在一个光学参量振荡器内实现了多波长中红外激光输出，其多波长来源于晶体自身的拉曼效应，频率的间隔由晶体的拉曼频移确定，无法调控(具体参见中国发明专利申请：基于晶体自拉曼效应的多波长中红外光学参量振荡器，公开日：2016.09.07)，而本发明通过外加种子光提供差频源，通过改变注入种子激光的频率间隔、波长数量、谱线宽度、激光强度等参数可以灵活地调控输出激光的相应特性，此外，还可以采用注入调谐种子光的方式实现输出激光波长的实时调谐，更具创新性和实用性。
发明内容
本发明目的是提出一种多种子注入光学参量振荡器腔内差频实现多波长激光输出的装置，旨在利用光纤激光器共轴输出特性和光学参量振荡器腔内功率密度高的优势，在一个稳定的光纤激光泵浦光学参量振荡器内注入多个不同波长的种子光，由于光学参量振荡器腔内已经存在一个稳定的强信号光，所注入的多波长种子光会和该信号光差频，从而产生多个不同波长的中红外激光输出；本发明不需引入复杂的波长选择器件或定制特殊极化的晶体，腔内仅存在一个信号光，多种子光源均与该信号光差频产生多波长输出，结构简单，容易实现，性能稳定可靠。
本发明采用的技术方案为：多种子注入腔内差频实现多波长中红外光学参量振荡器，包括种子激光源、泵浦光源、谐振腔、非线性变频晶体四个部分，所述种子激光源用于提供频率为ω1、ω2、ω3、……的待变换近红外种子光，并最终注入泵浦光源；所述泵浦光源用于提供频率为ωp的泵浦光并入射光学参量振荡器谐振腔内的非线性变频晶体，在谐振腔内建立频率为ωs的信号光振荡，并与泵浦光ωp差频产生频率为ωi中红外波段的闲频光输出，ωi＝ωp-ωs；所述非线性变频晶体用于通过相位匹配方式为泵浦光ωp和信号光ωs产生闲频光ωi的光学参量过程提供增益，同时为信号光ωs与种子光源频率为ω1、ω2、ω3、……的激光提供差频增益；通过优化谐振腔结构和腔镜反射率使光学参量振荡器谐振腔内信号光ωs功率极强，此时由于光学参量振荡器腔内信号光ωs功率极强，信号光ωs与种子激光源中频率为ω1、ω2、ω3、……的激光分别产生差频，输出频率为ωd1、ωd2、ωd3、……的中红外差频激光，ωdj＝ωj-ωs,j＝1,2,3,......。
如上所述的种子激光源性能相互独立，其功率强度、中心波长、谱线宽度等参数可以自行调节。
如上所述的种子激光源根据时序分类，可以是脉冲激光光源，也可以是连续激光光源。
如上所述的种子激光源根据光谱稳定性分类，可以是固定波长激光，也可以是波长可调谐激光，当为注入种子光可调谐时，输出激光波长具有调谐特性。
如上所述的种子激光源根据谱线宽度分类，各种子光可以是宽带激光，也可以是窄线宽激光。各种子光源ω1、ω2、ω3、……的谱线宽度由自身决定，相应的频率为ωd1、ωd2、ωd3、……的中红外差频激光谱线宽度正比于对应种子光源。
如上所述的种子激光源之间可以采用级联结构，也可以采用并联结构。
如上所述的种子激光源频率ω1、ω2、ω3、……之间的频率间隔可任意组合，可以是等间隔，也可以采用任意间隔，当采用级联结构耦合时频率间隔不能小于种子源自身谱线宽度，并联结构无此限制。相应的，频率为ωd1、ωd2、ωd3、……的中红外差频激光之间的频率间隔与对应种子光源频率间隔相同。
如上所述的泵浦光源可以是脉冲激光光源，也可以是连续激光光源。
如上所述的谐振腔由多面腔镜组成，可以是驻波腔也可以是行波腔。
如上所述的非线性变频晶体可以是准相位匹配晶体也可以是双折射相位匹配晶体。
本发明具有以下技术效果：
1、结构简单，晶体不需要满足多对参量过程设计。本发明在一个稳定的单振荡光学参量振荡器基础上，注入多种子在光学参量振荡器内部差频实现多波长中红外激光输出，实现单一波长的信号光和多个波长的中红外激光输出，不需要特殊设计晶体或多块晶体组合，系统结构简单，稳定性高；
2、本发明利用了差频技术允许相位失配和光学参量振荡器腔内功率密度高的特点，可以在注入弱种子条件下实现高效差频输出；
3、本发明所产生的多个激光波长的数量、强度、频率间隔稳定可控。本发明利用了光纤激光的宽带增益特性和光学参量振荡器腔内功率密度高的特性，降低了对高效率差频的功率要求，种子数量不受泵浦激光器能级结构限制或高阶拉曼效应影响，可以实现数个、数十个乃至数百个多波长输出；
4、本发明结构简单，适用波段广，具有宽波段调谐能力且不需要外加光栅或窄带镀膜镜片等波长选择器件。本发明利用光纤激光器宽带增益特性结合光学参量振荡器技术可以实现上千纳米的调谐带宽。
5、本发明由多个弱种子注入实现，种子光线宽、波长、强度、包络等参数相对独立，扩展性强，能够实现多种不同类型的激光输出。
6、本发明具有实时快速调谐能力，本发明是在一个定波长稳定光学参量振荡器的基础上采用腔内差频方案发展而来的，改变种子光的波长和强度对系统稳定性影响很小，可以采用注入实时快速调谐近红外种子光的方式得到快速调谐的中红外激光。
附图说明
图1为本发明实施例1：利用光纤光栅实现级联多种子注入获得多波长输出结构示意图；
图2为本发明实施例2：利用光纤光栅实现级联多种子注入结构示意图；
图3为本发明实施例3：利用光纤波分复用器(WDM)实现级联多种子注入结构示意图；
图4为本发明实施例4：利用光纤耦合器实现并联多种子注入结构示意图；
图5为本发明实施例5：级联种子注入实现双波长输出实验效果图：(a)泵浦光谱；(b)信号光谱；(c)中红外光谱；
图6为本发明实施例6：光纤耦合器并联种子注入实现双波长输出实验效果图：(a)泵浦光谱；(b)信号光谱；(c)中红外光谱；
图7为本发明实施例7：级联多种子注入实现三波长输出实验效果图：(a)泵浦光谱；(b)信号光谱；(c)中红外光谱；
图中：1、种子激光源；2、泵浦激光器；3、谐振腔；4、非线性变频晶体；101、种子激光器1；102、种子激光器2；103、种子激光器3；104、光纤波分复用器1(WDM1)；105、WDM2；106、WDM3；107、光纤耦合器；201、半导体激光器；202、光纤合束器；203、高反光纤光栅；204、掺杂光纤；205、低反光纤光栅；206、光纤隔离器；207、光纤激光放大器；301、高反腔镜；302、输出腔镜。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细描述。
附图1为本发明实施例1，该实施例中，基于光纤光栅结构的多个种子激光器101、102、103、……构成种子激光源1，泵浦光源2为系统提供频率为ωp的泵浦光，泵浦光入射由高反射腔镜301、非线性变频晶体4和输出腔镜302组成的光学参量振荡器中，高反射腔镜301和输出腔镜302构成了谐振腔3。
种子激光源1不注入时，该光学参量振荡器仅产生一个频率为ωs的近红外信号光振荡和一个频率为ωi的中红外闲频光输出。通过设计谐振腔3的参数如改变腔镜曲率和反射率等，可以使谐振腔3内信号光ωs功率密度远高于泵浦光ωp。
种子激光源1注入时，由于谐振腔3内存在高功率的信号光ωs，种子激光注入后会优先与信号光ωs根据式4发生差频作用，而非产生新的光学参量过程，再结合谐振腔结构设计，可以使腔内依然仅存在一个近红外信号光ωs振荡。且与频率为ω1、ω2、ω3、……的激光分别产生差频，输出频率为ωd1、ωd2、ωd3、……的中红外差频激光，ωdj＝ωj-ωs,j＝1,2,3,......。
如上所述的泵浦光源2采用光纤光栅组成的光纤振荡器结构，用于提供频率为ωp的泵浦光，可以是脉冲激光光源，也可以是连续激光光源。
如上所述的种子激光源1采用光纤光栅组成的光纤振荡器结构，用于提供频率为ω1、ω2、ω3、……的待变换近红外种子光，可以是脉冲激光光源，也可以是连续激光光源；
如上所述的高反射腔镜301和输出腔镜302构成谐振腔3，用于提供信号光ωs的反馈并建立振荡，可以是驻波腔也可以是行波腔，也可以由多面腔镜或同类功能器件代替。
如上所述的非线性变频晶体4用于通过相位匹配方式为泵浦光ωp和信号光ωs产生闲频光ωi的光学参量过程提供增益；同时为信号光ωs与频率为ω1、ω2、ω3、……的激光分别提供差频增益，差频效率如4式所示，通过优化谐振腔设计提高信号光ωs的强度或改变晶体结构减小波矢失配Δk均可以提高效率，前者结构相对简单。
如上所述的非线性变频晶体4可以是准相位匹配晶体也可以是双折射相位匹配晶体，包括但不限于KTP、KDP、BBO、KTA、PPLN、PPMgLN、PPLT、ZGP、PPKTP等非线性晶体。
附图2展示了本发明实施例1中泵浦光源2和种子激光源1的均为光纤振荡器加放大器(MOPA)结构时种子光激光源1注入的具体实施方式。其中光纤振荡器由半导体激光器201、光纤合束器202、高反光纤光栅203、掺杂光纤204和低反光纤光栅205组成，半导体激光器201用于提供能量，光纤合束器202用于将不同波长的激光合为一束并导入掺杂光纤204以提供增益，高反光纤光栅203和低反光纤光栅205则用于提供反馈，以建立波长为ωp的激光振荡并通过低反光纤光栅205输出激光。光纤放大器207用于提高激光功率，光纤隔离器206用于保护振荡器免受可能的回光影响。
在图2中，多个种子激光源101、102、……等均采用光纤光栅振荡器加放大器结构(MOPA)，通过控制高反光纤光栅203和低反光纤光栅205的带宽，可以实现频率为ω1、ω2、ω3、……的不同波长种子激光输出并通过光纤熔接的方式直接串联起来，得到多波长种子激光源1并注入到泵浦光源2中。
附图3展示了本发明实施例2，利用光纤波分复用器(WDM)实现并联多种子注入结构示意图，该实施例中泵浦光源2和种子激光源1结构不限，但均采用光纤输出。利用多个不同波段的光纤波分复用器将种子激光源输出激光逐级合为一束，最后再与泵浦光源2合为一束并注入光学参量振荡器的谐振腔3内。
如上所述的泵浦光源采用光纤输出，用于提供频率为ωp的泵浦光，可以是脉冲激光光源，也可以是连续激光光源。
如上所述的种子光源采用光纤输出，用于提供频率为ω1、ω2、ω3……的待变换近红外种子光，可以是脉冲激光光源，也可以是连续激光光源；可以是光纤激光源、也可以是带尾纤输出的半导体激光器或者固体激光器或同类功能的其他器件。
如上所述的光纤波分复用器用于将不同波长的激光合束输出，也可以是同类功能的其他器件。
如上所述实施例2和实施例1方案可以单独或混合使用。
附图4展示了本发明实施例3，利用光纤耦合器实现并联多种子注入结构示意图，该实施例中泵浦光源2和种子激光源1结构不限，但均采用光纤输出。利用光纤耦合器将多个不同波长的种子激光源101、102、103、……与泵浦光源2合为一束并注入光学参量振荡器的谐振腔3内。
如上所述的光纤耦合器用于将多个输入光纤的激光合束输出，可以是N*N耦合器也可以是N*1耦合器；可以用镀膜方式实现，也可以用拉锥方式实现；也可以是同类功能的其他器件。
如上所述实施例3、实施例2和实施例1方案均可以单独或混合使用。
附图5给出了级联注入实现双波长输出实验效果图，实验采用一泵浦波长为1060nm的光纤激光器(泵浦光ωp)泵浦光学参量振荡器，采用实施例1方案即光纤光栅直接级联注入结构，将一1070nm的种子激光(种子光ω1)注入，结果如图5所示，输出激光中近红外信号光仅一个波长(1602nm)，说明光学参量振荡器中仅建立了一个信号光ωs振荡(即只产生了一个参量过程)，而中红外激光有两个波长输出，分别是波长为3145nm的闲频光(闲频光ωi)和波长为3232nm的差频光(差频光ωd1＝ω1-ωs)。
附图6给出了并联注入实现双波长输出实验效果图，实验采用一泵浦波长为1060nm的光纤激光器(泵浦光ωp)泵浦光学参量振荡器，采用实施例3方案即光纤耦合器并联注入结构，将一1080nm的种子激光(种子光ω1)注入，结果如图6所示，输出激光中近红外信号光仅一个波长(1600nm)，说明光学参量振荡器中仅建立了一个信号光ωs振荡(即只产生了一个参量过程)，而中红外激光有两个波长输出，分别是波长为3149nm的闲频光(闲频光ωi)和波长为3333nm的差频光(差频光ωd1＝ω1-ωs)
附图5和附图6分别展示了不同频率间隔的种子光注入效果，从图中可以看出差频产生的中红外激光波长也发生了相应改变，验证了上述技术效果3，通过注入不同频率间隔种子光可产生不同频率间隔的中红外激光输出，同时也验证了上述技术效果6，通过注入波长可调种子可以实现波长可调中红外激光输出。
附图7给出了实施例1中采用双种子同时级联注入结构实现三波长中红外激光输出的实验效果图。图7(a)所述实验采用一泵浦波长为1060nm的光纤激光器(泵浦光ωp)泵浦光学参量振荡器，采用实施例1方案即光纤光栅直接级联注入结构，将一1080nm的种子激光(种子光ω1)和一1065nm的种子激光(种子光ω2)注入，结果如图7(b)所示，输出激光中近红外信号光仅一个波长(1604nm)，说明光学参量振荡器中仅建立了一个信号光ωs振荡(即只产生了一个参量过程)，而中红外激光如图7(c)所示有三个波长输出，分别是波长为3132nm的闲频光(闲频光ωi)、种子光1对应的波长为3170nm差频光(差频光ωd1＝ω1-ωs)，种子光2对应的波长为3310nm差频光(差频光ωd2＝ω2-ωs)。
附图7(a)(b)(c)验证了前述技术效果3：本发明所产生的多个激光波长的数量、强度、频率间隔稳定可控。

Claims (10)

1.多种子注入腔内差频实现多波长中红外光学参量振荡器，其特征在于：所述振荡器包括种子激光源、泵浦光源、谐振腔、非线性变频晶体四个部分，所述种子激光源用于提供频率为ω1、ω2、ω3、……的待变换近红外种子光，并最终注入泵浦光源；所述泵浦光源用于提供频率为ωp的泵浦光并入射光学参量振荡器谐振腔内的非线性变频晶体，在谐振腔内建立频率为ωs的信号光振荡，并与泵浦光ωp差频产生频率为ωi中红外波段的闲频光输出，ωi＝ωp-ωs；所述非线性变频晶体用于通过相位匹配方式为泵浦光ωp和信号光ωs产生闲频光ωi的光学参量过程提供增益，同时为信号光ωs与种子光源频率为ω1、ω2、ω3……的激光提供差频增益；通过优化谐振腔结构和腔镜反射率使光学参量振荡器谐振腔内信号光ωs功率极强，此时由于光学参量振荡器腔内信号光ωs功率极强，信号光ωs与种子激光源中频率为ω1、ω2、ω3、……的激光分别产生差频，输出频率为ωd1、ωd2、ωd3、……的中红外差频激光，ωdj＝ωj-ωs,j＝1,2,3,......。
2.根据权利要求1所述多种子注入腔内差频实现多波长中红外光学参量振荡器，其特征在于：所述的种子激光源性能相互独立，其功率强度、中心波长、谱线宽度可以自行调节。
3.根据权利要求1所述多种子注入腔内差频实现多波长中红外光学参量振荡器，其特征在于：所述的种子激光源根据时序分类，可以是脉冲激光光源，也可以是连续激光光源。
4.根据权利要求1所述多种子注入腔内差频实现多波长中红外光学参量振荡器，其特征在于：所述的种子激光源根据光谱稳定性分类，可以是固定波长激光，也可以是波长可调谐激光，当为注入种子光可调谐时，输出激光波长具有调谐特性。
5.根据权利要求1所述多种子注入腔内差频实现多波长中红外光学参量振荡器，其特征在于：所述的种子激光源根据谱线宽度分类，各种子光可以是宽带激光，也可以是窄线宽激光；各种子光源ω1、ω2、ω3、……的谱线宽度由自身决定，相应的频率为ωd1、ωd2、ωd3、……的中红外差频激光谱线宽度正比于对应种子光源。
6.根据权利要求1所述多种子注入腔内差频实现多波长中红外光学参量振荡器，其特征在于：所述的种子激光源之间可以采用级联结构，也可以采用并联结构。
7.根据权利要求1所述多种子注入腔内差频实现多波长中红外光学参量振荡器，其特征在于：所述的种子激光源频率ω1、ω2、ω3、……之间的频率间隔可任意组合，可以是等间隔，也可以采用任意间隔，当采用级联结构耦合时频率间隔不能小于种子源自身谱线宽度。
8.根据权利要求1所述多种子注入腔内差频实现多波长中红外光学参量振荡器，其特征在于：所述的泵浦光源可以是脉冲激光光源，也可以是连续激光光源。
9.根据权利要求1所述多种子注入腔内差频实现多波长中红外光学参量振荡器，其特征在于：所述的谐振腔由多面腔镜组成，可以是驻波腔也可以是行波腔。
10.根据权利要求1所述多种子注入腔内差频实现多波长中红外光学参量振荡器，其特征在于：所述的非线性变频晶体可以是准相位匹配晶体也可以是双折射相位匹配晶体。
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