CN108493753B - 一种基于超连续谱差频的大范围波长可调谐红外激光器 - Google Patents

一种基于超连续谱差频的大范围波长可调谐红外激光器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于超连续谱差频的大范围波长可调谐红外激光器，目的是提供一种能够实现大范围波长可调谐红外激光输出的激光器。本发明由超连续谱泵浦源、透镜组、二色镜组、全反射镜组、微位移器、红外非线性晶体、温控系统和精密调节架组成；透镜组由第一透镜和第二透镜组成；二色镜组由第一二色镜和第二二色镜组成；全反射镜组由第一全反射镜、第二全反射镜、第三全反射镜和第四全反射镜组成；本发明将超连续谱泵浦激光分成波段不同的两束，分别作为泵浦光和信号光泵浦红外非线性晶体，差频效应实现红外激光输出，且通过微调微位移器位置，实现大范围波长可调谐红外激光输出。本发明工作稳定，结构简单，可实现小型化和集成化设计。

Description

一种基于超连续谱差频的大范围波长可调谐红外激光器
技术领域
本发明涉及超连续谱差频激光系统，尤其是一种基于超连续谱差频的大范围波长可调谐红外激光器，该装置能够实现大范围波长可调谐红外激光输出。
背景技术
红外波段包含三个大气窗口，同时又覆盖多种重要的分子特征谱线，因此该波段激光在大气环境监测、生物医学诊断、精密光谱分析、自由空间光通信以及军事光电对抗等领域均具有重要的应用价值。目前红外波段常用的光源主要包括热辐射红外光源，同步辐射源以及光学参量振荡器等。热辐射红外光源是一种宽光谱体辐射光源，常见有红外白炽灯，碳化硅棒以及乳白石英加热管等。其中碳化硅棒在通电加热到1500K后在2-20μm波长范围内近似为黑体辐射。热辐射红外光源的优点是成本低廉，但是谱功率密度较低，光束质量差，难以满足成像和光谱探测等应用中高分辨率的要求。同步辐射源是高能电子在磁场中偏转所产生的光辐射，其谱功率密度通常比热辐射红外光源高。由于同步辐射是在电子同步加速器中产生的，系统体积较为庞大。基于晶体的二阶非线性效应的光参量振荡和差频效应可以将近红外激光变频至红外区域，是获取红外激光输出的有效途径。光参量振荡器是通过一束强泵浦光照射光学谐振腔中的非线性晶体，在腔内激发产生信号光和闲频光输出。通常光参量振荡器输出功率高，但由于采用了谐振腔结构，系统结构较为复杂。近年来，基于差频效应的红外光源，由于具有结构简单、调谐方便等优良特性，受到了广泛的关注。目前比较成熟的中红外非线性晶体有周期性极化的铌酸锂晶体(Periodically poledlithium niobate，PPLN)、周期性极化的磷酸钛氧钾晶体PPLNKTP(PeriodicallypoledPotassium Tianyl Phosphate，PPKTP)和周期性极化的钽酸锂晶体(Periodicallypoled Lithium Tantalate，PPLT)。具有更长透光范围的远红外非线性晶体主要包括：CSP、ZnGeP2(ZGP)、AgGaS2、AgGaSe2、GaP、GaAs、GaSe等。其中，部分晶体也可以刻蚀为周期结构，如orientation-pattern GaP(O-GaP)和orientation-pattern GaAs(O-GaAs)。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于超连续谱差频的大范围波长可调谐红外激光器。该光源能够实现大范围波长可调谐红外激光输出，且结构简单，调谐方便，无需搭建谐振腔。
本发明是通过将超连续谱泵浦激光分成波段不同的两束，这两束光分别作为泵浦光和信号光泵浦红外非线性晶体，通过差频效应实现红外激光输出。微调其中一路的光程，可调节红外非线性晶体中时域重叠的频谱成分，从而实现大范围波长可调谐红外激光输出。
本发明的技术解决方案如下：
一种基于超连续谱差频的大范围波长可调谐红外激光器，它由超连续谱泵浦源、透镜组、二色镜组、全反射镜组、微位移器、红外非线性晶体、温控系统和精密调节架组成。其中透镜组由第一透镜和第二透镜组成。二色镜组由第一二色镜和第二二色镜组成。全反射镜组由第一全反射镜、第二全反射镜、第三全反射镜和第四全反射镜组成。
为描述方便，定义靠近超连续谱泵浦源发射端的一端为前端，定义远离超连续谱泵浦源发射端的一端为后端。超连续谱泵浦源输出端位于第一透镜入射面焦点处。第一二色镜距离第一透镜出射面一段距离，第一二色镜镀有二向色膜的一面靠近第一透镜且与光路呈45度夹角放置。第一全反射镜距离第一二色镜后端一段距离，光路呈45度入射至第一全反射镜反射面。第二全反射镜与第一二色镜相隔一段距离相对放置，光路呈45度入射至第二全反射镜反射面。第三全反射镜与第一全反射镜反射面相隔一段距离相对放置，光路呈45度从第一全反射镜入射至第三全反射镜。第四全反射镜与第三全反射镜反射面相隔一段距离相对放置，光路呈45度从第三全反射镜入射至第四全反射镜。第一全反射镜及第三全反射镜安装在微位移器上。第二二色镜与第二全反射镜和第四全反射镜的位置关系尤如直角三角形的3个顶点，第二二色镜位置为直角顶点。第二二色镜镀有二向色膜的一面靠近第二透镜，第二透镜距离第二二色镜后端一段距离，与第二全反射镜和第二二色镜中心共线。红外非线性晶体入射端面位于第二透镜出射面焦点处。红外非线性晶体置于温控系统中，温控系统固定于精密调节架上。因为从第一透镜到第一二色镜到第一全反射镜到第三全反射镜到第四全反射镜均为平行光束传播，第一二色镜到第二全反射镜也为平行光束传播，第二二色镜到第二透镜也为平行光束传播，因此上述“一段距离”没有特殊要求。
所述超连续谱泵浦源输出波段依据所选红外非线性晶体和目标红外波段而定。超连续谱泵浦源输出波段应位于所选红外非线性晶体低损耗传输窗口。例如，若红外非线性晶体选择PPLN、PPKTP、PPLT、GaP、GaSe、AgGaS2、或者CSP晶体，则超连续谱泵浦源优选近红外超连续谱泵浦源，若红外非线性晶体选择ZGP、AgGaSe2或者GaAs晶体，则超连续谱泵浦源优选中红外超连续谱泵浦源。设目标红外波段为λ1～λ2，超连续谱泵浦源输出波段为λmin～λmax，则要求1/λ1＜1/λmin-1/λmax，λ1为目标红外波段的下限值，λ2为目标红外波段的上限值，λmin为超连续谱泵浦源1输出波段的下限值，λmax为超连续谱泵浦源1输出波段的上限值。
所述的超连续谱泵浦源输出峰值功率大于1kW。
所述的超连续谱泵浦源可以为保偏超连续谱光源或者非保偏超连续谱光源。
第一透镜和第二透镜可以为球面透镜、非球面透镜或者消色差双胶合透镜。其中非球面透镜用以消除球差，消色差双胶合透镜用以消除色差。优选地，第一透镜和第二透镜均为消色差双胶合透镜，在超连续谱泵浦源输出波段范围内平衡色差，使得在宽带泵浦波长范围内焦距基本不变。
所述的第一二色镜和第二二色镜可以为长波通二色镜，也可以为短波通二色镜，要求第一二色镜和第二二色镜截止波长λcutoff相同，且位于超连续谱泵浦源输出波长范围内，即λmin＜λcutoff＜λmax。
所述的第一全反射镜、第二全反射镜、第三全反射镜和第四全反射镜可以为镀银反射镜，在400nm-20μm的宽带范围上具有大于96％的平均反射率，或者镀金反射镜，在800nm-20μm的宽带范围上具有大于96％的平均反射率。各反射镜大小要求为：后一面反射镜能够完全接收前一面反射镜反射的光束，即第二全反射镜能完全接收第一二色镜反射的光束。第三全反射镜能完全接收第一全反射镜反射的光束；第四全反射镜能完全接收第三全反射镜反射的光束。
第一反射镜和第三反射镜安装在微位移器上，微位移器调节精度在μm量级。微位移器的振动带动第一全反射镜和第三全反射镜在垂直第一全反射镜中心和第三全反射镜中心连线方向位移，从而改变该光路光程。微位移器要求调节精度在μm量级。
所述的红外非线性晶体可以为PPLN、PPKTP、PPLT、CSP、ZGP、GaAs、GaP、GaSe、AgGaS2、AgGaSe2晶体。红外非线性晶体的选择主要依据目标红外波段而定。优选地，若目标红外波段为3-5μm，则红外非线性晶体可以选择PPLN、PPKTP、PPLT或者CSP晶体。若目红外标波段为5-12μm，则红外非线性晶体可以选择ZGP、GaAs、GaP、GaSe、AgGaS2、AgGaSe2晶体。
所述的红外非线性晶体长度L范围为1-1000mm，厚度T范围为0.1-100mm，宽度W范围为1-100mm，极化周期Λ范围为1-500μm。
优选地，所述的红外非线性晶体的入射面在超连续谱泵浦源波段具有宽谱增透膜，出射面在目标红外波段具有宽谱增透膜。
温控系统包裹红外非线性晶体并控制其温度，温控系统要求在20-200℃范围内保持0.01℃的精度，温控系统尺寸应大于红外非线性晶体尺寸。温控系统固定于精密调节架上。
所述的精密调节架可以为三轴或者六轴位移台。优选地，精密调节架调节精度在μm量级。
所述的精密调节架用于固定并调节红外非线性晶体位置，使得光束垂直入射至红外非线性晶体的前端面。
本发明的工作过程是：超连续谱泵浦源输出光，依次经第一透镜准直和第一二色镜分光后，形成波段不同的两束，这两束光分别作为泵浦光和信号光。形成第一全反射镜-第三全反射镜-第四全反射镜和第二全反射镜两路光路。微位移器的振动带动第一全反射镜和第三全反射镜在垂直两镜中心连线方向位移，从而改变该光路光程。第二二色镜合束泵浦光和信号光后，经第二透镜聚焦至红外非线性晶体前端面。泵浦光和信号光中不同的频谱成分在红外非线性晶体中时域重叠，重叠的宽带频谱成分之间产生差频效应，从而在红外非线性晶体中实现红外激光输出。通过微位移器的振动，改变第一全反射镜—第三全反射镜—第四全反射镜光路光程，调节红外非线性晶体时域重叠的频谱成分，从而实现红外激光输出的波长调谐。红外非线性晶体置于温控系统中，温控系统控制红外非线性晶体工作温度，防止光致折射率损伤。温控系统固定于精密调节架上。通过调节精密调节架位置，改变红外非线性晶体位置，使得光路垂直入射于红外非线性晶体入射端面。
本发明具有以下优点：
1、红外激光输出波长调谐方便。将超连续谱泵浦激光分成波段不同的两束，这两束光分别作为泵浦光和信号光泵浦红外非线性晶体，通过差频效应实现红外激光输出。微调微位移器位置，可改变其中一路的光程，从而调节红外非线性晶体中时域重叠的频谱成分，实现大范围波长可调谐红外激光输出，
2、红外非线性晶体中的差频过程，无量子亏损，不产生废热，不需要大型水冷装置，因此可以实现小型化和集成化设计，保证了系统工作的稳定性。
3、系统结构简单，无需搭建谐振腔结构。
附图说明
图1为本发明总体结构示意图。
具体实施方案
图1为本发明结构示意图。
如图1所示，本发明由超连续谱泵浦源1、透镜组、二色镜组、全反射镜组、微位移器5、红外非线性晶体6、温控系统7和精密调节架8组成。其中透镜组由第一透镜21和第二透镜22组成。二色镜组由第一二色镜31和第二二色镜32组成。全反射镜组由第一全反射镜41、第二全反射镜42、第三全反射镜43和第四全反射镜44组成。
为描述方便，定义靠近超连续谱泵浦源1发射端的一端为前端，定义远离超连续谱泵浦源1发射端的一端为后端。超连续谱泵浦源1输出端位于第一透镜21入射面焦点处。第一二色镜31距离第一透镜21出射面一段距离，第一二色镜31镀有二向色膜的一面靠近第一透镜21且与光路呈45度夹角放置。第一全反射镜41距离第一二色镜31后端一段距离，光路呈45度入射至第一全反射镜41反射面。第二全反射镜42与第一二色镜31相隔一段距离相对放置，光路呈45度入射至第二全反射镜42反射面。第三全反射镜43与第一全反射镜41反射面相隔一段距离相对放置，光路呈45度从第一全反射镜41入射至第三全反射镜43，第四全反射镜44与第三全反射镜43反射面相隔一段距离相对放置，光路呈45度从第三全反射镜43入射至第四全反射镜44。第一全反射镜41及第三全反射镜43安装在微位移器5上。第二二色镜32与第二全反射镜42和第四全反射镜44的位置关系尤如直角三角形的3个顶点，第二二色镜32位置为直角顶点。第二二色镜32镀有二向色膜的一面靠近第二透镜22，第二透镜22距离第二二色镜32后端一段距离，与第二全反射镜42和第二二色镜32中心共线。红外非线性晶体6入射端面位于第二透镜22出射面焦点处。红外非线性晶体6置于温控系统7中，温控系统7固定于精密调节架8上。
国防科大制备的几款基于超连续谱变频的大范围波长可调谐红外激光器的参数如下：
实施例1，超连续谱泵浦源1为非保偏近红外超连续谱激光光源，光谱范围为900-1200nm，峰值功率约为80kW。第一透镜21和第二透镜22均为消色差双胶合透镜。二色镜组为长波通二色镜，截止波长位于1000nm。全反射镜组为镀银直角棱镜反射镜(400～20μm)。所述的微位移器5与第一全反射镜41和第三全反射镜43紧联，调节精度在μm量级。红外非线性晶体6为PPLN晶体，晶体长度为50mm，厚度为2mm，宽度为3mm，极化周期为25μm。红外非线性晶体6的入射端面在900-1200nm波段范围反射率小于3％,出射端面在900-1200nm波段范围反射率小于5％，出射端面在3600-5000nm波段范围反射率小于10％。温控系统7长度为80mm，包裹红外非线性晶体6。温控系统4控制红外非线性晶体6工作温度为100℃。温控系统7固定于精密调节架8上。精密调节架8为六轴位移台，调节精度在μm量级。通过调节精密调节架8位置，改变红外非线性晶体6位置，使得光路垂直入射于红外非线性晶体6入射端面。通过微调微位移器位置，改变其中一路的光程，从而调节红外非线性晶体中时域重叠的频谱成分，获得3600-5000nm大范围波长可调谐红外激光输出。
实施例2，超连续谱泵浦源1为非保偏近红外超连续谱激光光源，光谱范围为900-1200nm，峰值功率约为80kW。透镜21和透镜22均为球面透镜。二色镜组3为长波通二色镜，截止波长位于1000nm。全反射镜组4为镀银直角棱镜反射镜(400～20μm)。所述的微位移器5与第一全反射镜41和第三全反射镜43紧联，调节精度在μm量级。红外非线性晶体6为PPLN晶体，晶体长度为50mm，厚度为2mm，宽度为3mm，极化周期为25μm。红外非线性晶体6未镀膜。温控系统7长度为80mm，包裹红外非线性晶体6。温控系统4控制红外非线性晶体6工作温度为100℃。温控系统7固定于精密调节架8上。精密调节架8为六轴位移台，调节精度在μm量级。通过调节精密调节架8位置，改变红外非线性晶体6位置，使得光路垂直入射于红外非线性晶体6入射端面。通过微调微位移器位置，改变其中一路的光程，从而调节红外非线性晶体中时域重叠的频谱成分，获得3600-5000nm大范围波长可调谐红外激光输出。相比于实施例一，由于PPLN晶体未镀膜且第一透镜21和第二透镜22为球面透镜，因此效率下降。
实施例3，超连续谱泵浦源1为非保偏短波红外超连续谱激光光源，光谱范围为1900-2700nm，峰值功率约为150kW。透镜21和透镜22均为消色差双胶合透镜。二色镜组3为长波通二色镜，截止波长位于2400nm。全反射镜组4为镀银直角棱镜反射镜(400～20μm)。所述的微位移器5与第一全反射镜41和第三全反射镜43紧联，调节精度在μm量级。红外非线性晶体6为OP-GaAs晶体，晶体长度为30mm，厚度为2mm，宽度为3mm，极化周期为20μm。红外非线性晶体6的入射端面出射端面均未镀膜。温控系统7长度为50mm，包裹红外非线性晶体6。温控系统4控制红外非线性晶体6工作温度为100℃。温控系统7固定于精密调节架8上。精密调节架8为六轴位移台，调节精度在μm量级。通过调节精密调节架8位置，改变红外非线性晶体6位置，使得光路垂直入射于红外非线性晶体6入射端面。通过微调微位移器位置，改变其中一路的光程，从而调节红外非线性晶体中时域重叠的频谱成分，获得6.4-13μm大范围波长可调谐红外激光输出。
以上对本发明所提供的一种基于超连续谱差频的大范围波长可调谐红外激光器的方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方法进行了阐述，以上实施例的说明之时用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (11)

1.一种基于超连续谱差频的大范围波长可调谐红外激光器，其特征在于基于超连续谱差频的大范围波长可调谐红外激光器由超连续谱泵浦源(1)、透镜组、二色镜组、全反射镜组、微位移器(5)、红外非线性晶体(6)、温控系统(7)和精密调节架(8)组成；其中透镜组由第一透镜(21)和第二透镜(22)组成；二色镜组由第一二色镜(31)和第二二色镜(32)组成；全反射镜组由第一全反射镜(41)、第二全反射镜(42)、第三全反射镜(43)和第四全反射镜(44)组成；
超连续谱泵浦源(1)输出端位于第一透镜(21)入射面焦点处；第一二色镜(31)距离第一透镜(21)出射面一段距离，第一二色镜(31)镀有二向色膜的一面靠近第一透镜(21)且与光路呈45度夹角放置；第一全反射镜(41)距离第一二色镜(31)后端一段距离，光路呈45度入射至第一全反射镜(41)反射面；第二全反射镜(42)与第一二色镜(31)相隔一段距离相对放置，光路呈45度入射至第二全反射镜(42)反射面；第三全反射镜(43)与第一全反射镜(41)反射面相隔一段距离相对放置，光路呈45度从第一全反射镜(41)入射至第三全反射镜(43)；第四全反射镜(44)与第三全反射镜(43)反射面相隔一段距离相对放置，光路呈45度从第三全反射镜(43)入射至第四全反射镜(44)；第一全反射镜(41)及第三全反射镜(43)安装在微位移器(5)上；第二二色镜(32)与第二全反射镜(42)和第四全反射镜(44)的位置关系为直角三角形的3个顶点，第二二色镜(32)位置为直角顶点；第二二色镜(32)镀有二向色膜的一面靠近第二透镜(22)；第二透镜(22)距离第二二色镜(32)后端一段距离，与第二全反射镜(42)和第二二色镜(32)中心共线；红外非线性晶体(6)入射端面位于第二透镜(22)出射面焦点处；红外非线性晶体(6)置于温控系统(7)中，温控系统(7)固定于精密调节架(8)上；所述后端为远离超连续谱泵浦源(1)发射端的一端；
所述超连续谱泵浦源(1)为保偏超连续谱光源或者非保偏超连续谱光源，输出峰值功率大于1kW，输出波段λmin～λmax位于红外非线性晶体(6)低损耗传输窗口且要求1/λ1<1/λmin-1/λmax，λ1为目标红外波段的下限值，λ2为目标红外波段的上限值，λmin为超连续谱泵浦源(1)输出波段的下限值，λmax为超连续谱泵浦源(1)输出波段的上限值；
所述第一透镜(21)和第二透镜(22)为球面透镜、非球面透镜或者消色差双胶合透镜；
所述第一二色镜(31)和第二二色镜(32)为长波通二色镜或短波通二色镜；
所述的第一全反射镜(41)、第二全反射镜(42)、第三全反射镜(43)和第四全反射镜(44)为镀银反射镜或镀金反射镜；第一全反射镜(41)和第三全反射镜(43)安装在微位移器(5)上，微位移器(5)的振动带动第一反射镜(41)和第三反射镜(43)在垂直第一全反射镜(41)中心和第三全反射镜(43)中心连线方向位移，从而改变该光路光程；
所述的红外非线性晶体(6)为PPLN、PPKTP、PPLT、CSP、ZGP、GaAs、GaP、GaSe、AgGaS2、AgGaSe2晶体；若目标红外波段为3-5μm，则红外非线性晶体(6)选择PPLN、PPKTP、PPLT或者CSP晶体，若目标红波段为5-12μm，则红外非线性晶体(6)选择ZGP、GaAs、GaP、GaSe、AgGaS2、AgGaSe2晶体；
温控系统(7)包裹红外非线性晶体(6)并控制其温度，温控系统(7)尺寸大于红外非线性晶体尺寸，温控系统(7)固定于精密调节架(8)上；
所述精密调节架(8)为三轴或者六轴位移台，用于固定并调节红外非线性晶体(6)位置，使得光束垂直入射至红外非线性晶体(6)的前端面，所述前端为靠近超连续谱泵浦源(1)发射端的一端。
2.如权利要求1所述的一种基于超连续谱差频的大范围波长可调谐红外激光器，其特征在于若红外非线性晶体(6)选择PPLN、PPKTP、PPLT、GaP、GaSe、AgGaS2、或者CSP晶体，则超连续谱泵浦源(1)选择近红外超连续谱泵浦源，若红外非线性晶体(6)选择ZGP、AgGaSe2或者GaAs晶体，则超连续谱泵浦源(1)选择中红外超连续谱泵浦源。
3.如权利要求1所述的一种基于超连续谱差频的大范围波长可调谐红外激光器，其特征在于所述第一透镜(21)和第二透镜(22)均为消色差双胶合透镜。
4.如权利要求1所述的一种基于超连续谱差频的大范围波长可调谐红外激光器，其特征在于所述第一二色镜(31)和第二二色镜(32)的截止波长相等，且均位于超连续谱泵浦源(1)输出波长范围内，即λmin<λcutoff<λmax，λcutoff为第一二色镜(31)的截止波长。
5.如权利要求1所述的一种基于超连续谱差频的大范围波长可调谐红外激光器，其特征在于所述镀银反射镜要求在400nm-20μm的宽带范围上具有大于96％的平均反射率，镀金反射镜要求在800nm-20μm的宽带范围上具有大于96％的平均反射率。
6.如权利要求1所述的一种基于超连续谱差频的大范围波长可调谐红外激光器，其特征在于各反射镜大小要求为：后一面反射镜能够完全接收前一面反射镜反射的光束，即第二全反射镜(42)能完全接收第一二色镜(31)反射的光束，第三全反射镜(43)能完全接收第一全反射镜(41)反射的光束；第四全反射镜(44)能完全接收第三全反射镜(43)反射的光束。
7.如权利要求1所述的一种基于超连续谱差频的大范围波长可调谐红外激光器，其特征在于所述微位移器(5)调节精度为μm量级。
8.如权利要求1所述的一种基于超连续谱差频的大范围波长可调谐红外激光器，其特征在于所述红外非线性晶体(6)长度L范围为1-1000mm，厚度T范围为0.1-100mm，宽度W范围为1-100mm，极化周期Λ范围为1-500μm。
9.如权利要求1所述的一种基于超连续谱差频的大范围波长可调谐红外激光器，其特征在于所述红外非线性晶体(6)的入射面在超连续谱泵浦源(1)波段具有宽谱增透膜，出射面在目标红外波段具有宽谱增透膜。
10.如权利要求1所述的一种基于超连续谱差频的大范围波长可调谐红外激光器，其特征在于所述温控系统(7)要求在20-200℃范围内保持0.01℃的精度。
11.如权利要求1所述的一种基于超连续谱差频的大范围波长可调谐红外激光器，其特征在于所述精密调节架(8)调节精度为μm量级。
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