CN109445228A - 一种双色同相位飞秒红外激光波长转换装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双色同相位飞秒红外激光波长转换装置包括钛宝石飞秒锁模脉冲激光放大器、竖直折转镜、第一分束片、第二分束片、超连续白光产生装置、白光分光片、两个BBO晶体光参量放大子系统和两个AgGaS2晶体差频子系统，本装置操作简单，易于调节，输出的中红外双波长单独可调，便于实现双光束相位同步，为非线性泵浦探测光学实验提供了更为灵活的光源选择。
Description
技术领域
本发明涉及一种飞秒红外激光波长转换装置，具体的涉及一种双色同相位飞秒红外激光波长转换装置，利用光学参量放大和差频实现稳定的多光束输出的中红外激光系统。
背景技术
传统的中红外飞秒激光系统，中心波长为800nm的飞秒激光首先经过光学参量放大器(optical parametric amplifier,OPA)产生两束波长在1～3μm的近红外激光，这两束近红外激光再通过差频得到在3～10μm波长范围内可调的中红外飞秒激光。这一光谱范围是分子振动的响应区域。因此，用3～10μm的激光激发可以利用振动为内在红外光谱探针，来研究液体分子的动态结构特征。但是，上述方法所产生的中红外激光脉冲光谱宽度有限，如脉宽为35fs的800nm激光仅可产生300cm-1(半高全宽)频宽的中红外激光。这个宽度不能够同时覆盖两个振动频率不同的红外吸收带。如典型的酰胺-I带振动(C＝O伸缩)在1600cm-1(＝6μm)，而典型的N-H伸缩振动在3300cm-1(＝3μm)。因此，所产生的中红外激光飞秒脉冲光源并不能很方便地实现不同振动模式的同时激发，因而限制了分子内不同模式间相互作用的研究。另外，利用两台独立的光参量放大器，则不能保证彼此输出光束的相位同步。而相位同步对于非线性红外光谱技术如多维飞秒红外光谱非常重要。到目前为止，尚没有波长灵活可调的、相位同步稳定的中红外双波长飞秒激光参量放大装置。
发明内容
针对上述出现的技术问题，本发明提供了一种双色同相位飞秒红外激光波长转换装置，为超快光谱领域提供一体化的双波长飞秒红外激光脉冲源，尤其是为在中红外区域进行非线性光学实验提供了两束中心波长单独可调相位同步的飞秒光源。
本发明的技术方案：一种飞秒中红外激光转换系统，包括钛宝石飞秒锁模脉冲激光放大器、竖直折转镜、第一分束片、第二分束片、超连续白光产生装置、白光分光片、两个BBO晶体光参量放大子系统和两个AgGaS2晶体差频子系统，
所述钛宝石飞秒锁模脉冲激光放大器输出的激光通过第一分束片分成能量相等的透射光束和反射光束，
所述反射光束作为BBO-2晶体光参量放大子系统的泵浦源，所述透射光束通过第二分束片分成5％能量的反射光束和95％能量的透射光束；
所述95％能量的透射光束作为BBO-1晶体光参量放大子系统的泵浦源，所述5％能量的反射光束作为超连续白光产生装置的泵浦源；
所述5％能量的反射光束产生的超连续白光经过白光分光片分成能量相等的反射光束和透射光束，其中反射光束作为BBO-1晶体光参量放大子系统的信号源，透射光束作为BBO-2晶体光参量放大子系统的信号源，经过两个参量放大子系统放大的信号光和空闲光再分别入射到两个AgGaS2晶体差频子系统中实现差频。
优选的，所述超连续白光产生装置包括半波片、偏振分光棱镜、小孔光阑、聚焦透镜、蓝宝石窗口和准直透镜。
将中心波长为800nm飞秒脉冲激光源依次用反透比为50:50和5:95的800nm波长分束片分出三束，经过分束片(4)反射出5％能量的光用来泵浦蓝宝石晶体(10)产生超连续白光。分出剩余的光分别用来作为两个β-BaB2O4(BBO)晶体参量放大装置(17、18)的泵浦源。
产生的超连续白光再用白光分束片(13)分成能量相等的两束，分别供这两个BBO晶体做相位同步的信号源。通过相位匹配条件下的两级光参量放大，产生两束波长分别在1.2～1.6μm和1.7～2.4μm范围内可调的近红外光，波长的选择通过转动BBO入射角来调谐。每一个OPA子系统所产生的两束近红外光再各自通过一块AgGaS2晶体差频装置(19、20)，得到波长在3～10μm的中红外光束。
所述参量放大装置(17)包括一块BBO晶体(23)，一块对800nm波长的光反透比为15:85的分束片(24)，焦距为400mm的石英平凸透镜(22、27)，焦距为150mm的石英平凸透镜(31)，焦距为-50mm的石英平凹透镜(32)，分别由两个行程为25mm的一维平移台组成的延迟线A和B，二向色镜(28、34、35)，焦距为-200mm的凹面反射镜(36)，7个镀金反射镜(21、25、26、29、30、33、37)；
所述二向色镜(28、34)对800nm波长高反射低透射，对1.2～2.5μm波长范围高透射低反射；
所述二向色镜(35)对1.7～2.4μm波长范围高反射低透射，对1.2～1.6μm波长范围高透射低反射。
所述参量放大装置(18)包括一块BBO晶体(48)，一块对800nm波长的光反透比为15:85的分束片(50)，焦距为400mm的平凸透镜(46、53)，焦距为150mm的平凸透镜(57)，焦距为-50mm的平凹透镜(58)，分别由两个行程为25mm的一维平移台组成的延迟线C和D，二向色镜(55、62、63)，焦距为-200mm的凹面反射镜(64)，9个镀金反射镜(47、49、51、52、54、55、59、60、61)；所述二向色镜(55、62)对800nm波长的光高反射低透射，对1.2～2.5μm波长范围的光高透射低反射；所述二向色镜(63)对1.7～2.4μm波长范围的光高反射低透射，对1.2～1.6μm波长范围的光高透射低反射；所述白光分束片(13)对1～3μm波长范围的光，反射透射比是50:50。
所述差频装置(19)包括一块AgGaS2晶体(43)，二向色镜(38)，焦距为400mm的镀金凹面反射镜(39、40)，镀金反射镜(41、42)，Ge窗口(44)；所述差频装置(20)包括一块AgGaS2晶体(69)，二向色镜(65)，焦距为400mm的镀金凹面反射镜(66、67)，镀金反射镜(68)，Ge窗口(70)；所述反射镜(40、66)被放置一个小型平移台上；所述二向色镜(38、65)对1.7～2.4μm波长范围的光高反射低透射，对1.2～1.6μm波长范围的光高透射低反射；所述Ge窗口(44、70)对长波长(≥3μm)高通过，对近红外光(≤3μm)低通，可有效滤去近红外光。
两个BBO光参量放大装置共享白光，调控BBO晶体和AgGaS2晶体的相位匹配角，可以实现相位彼此稳定的双波长飞秒中红外激光脉冲输出，中心波长范围覆盖3～10μm，脉宽≤50fs，谱宽≥300cm-1(半高全宽)。
本发明的有益效果：本发明一种双色同相位飞秒红外激光波长转换装置，操作简单，易于调节，输出的中红外双波长单独可调，便于实现双光束相位同步，为非线性泵浦探测光学实验提供了更为灵活的光源选择。
应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。
附图说明
参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：
图1示意性示出为本发明双色同相位飞秒红外激光波长转换装置整体结构示意图。
图2所示为本发明双色同相位飞秒红外激光波长转换装置的详细结构示意图。
图3为参量放大装置和差频装置中非线性晶体(BBO，8(长)×5(宽)×2(厚)mm和AgGaS2，5(长)×5(宽)×0.2(厚)mm)放置示意图。
具体实施方式
通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。
图1所示为本发明双色同相位飞秒红外激光波长转换装置整体结构示意图，在图1中，中心波长在800nm的钛蓝宝石飞秒激光放大器1作为本装置的光驱动，产生的水平偏振光经过竖直折转镜2降低到10cm高度，为了便于实现一个稳定的光路系统，同时偏振光转变为竖直线偏振光。
经分束片3反射的光作为BBO-2参量放大系统18的泵浦源。经分束片4透射的光作为BBO-1参量放大系统17的泵浦源。
经过分束片4反射的光，通过半波片5调制偏振光的水平偏振能量，再通过偏振分光棱镜6滤去竖直偏振光。
透射的水平线偏振光，经过凸透镜9聚焦到蓝宝石窗片10产生包含近红外波段的水平偏振超连续白光。超连续白光经过透镜11准直，通过50:50的白光分光片13，分成能量相等的两束，分别入射到BBO-2参量放大系统18的泵浦源和BBO-1参量放大系统17的泵浦源中，实现信号光和空闲光参量放大。
图2所示为本发明双色同相位飞秒红外激光波长转换装置的详细结构示意图，如图2所示，经分束片13反射的白光作为BBO-1晶体23参量放大的信号种子光源。由分束片4透射的激光经过分束片24，其中反射的15％的光作为一级光参量放大的泵浦光，而透射的85％的光作为二级光参量放大的泵浦光。
反射的光经过凸透镜27聚束，再经过二向色镜28反射到BBO-1晶体23上。分束片24和反射镜25组成延迟线A，用来调节一级泵浦光到达晶体上的时间。调节透镜27与BBO-1晶体23的距离，将泵浦光在晶体上的焦斑直径控制在2mm。经由分束片24透射的二级泵浦光，经过由反射镜29，反射镜30组成的延时线B，经过凸凹透镜31，凹凸透镜32组成的望远镜系统，缩小激光光斑至直径5mm，再由反射镜33和二向色镜34反射到BBO-1晶体23上。
调节延迟线A使白光与泵浦光同时到达晶体，并在晶体中经相位匹配条件实现光参量放大。得到的信号光和空闲光经过二向色镜34滤掉800nm的泵浦光，然后通过二向色镜35，使信号光透射，空闲光反射，从而滤掉信号光。空闲光经过凹面反射镜36准直后，与二级泵浦光以共线的方式入射到BBO-1晶体23上。
调节延迟线B，在晶体中实现信号的二级参量放大，最终得到放大的信号光和闲散光。通过旋转BBO晶体改变光轴与入射光的夹角来调整信号光和空闲光的输出波长，其中信号光的波长调节范围为1.2μm～1.5μm，而空闲光的波长调节范围为1.7μm～2.5μm。放大后的信号光和空闲光再经过反射镜37入射到AgGaS2晶体差频子系统19中。经过二向色镜38，信号光和空闲光实现分离，被凹面反射镜39，凹面反射镜40反射后再次通过二向色镜38共线，经反射镜41，反射镜42反射，入射到AgGaS2晶体43。通过调节延迟线40使信号光和闲散光到达晶体时间同步，在相位匹配条件下实现差频，再通过Ge片44滤去信号光和闲散光，最终输出的是3～10μm的中红外激光。
由分束片13透射的白光经过反射镜45、反射镜47和二向色镜55后，入射到BBO-2晶体48上。其中透镜46起到聚束的作用。
由分束片3反射的激光经过分束片50，其中反射的15％的光作为一级光参量放大的泵浦光，透射的85％的光作为二级光参量放大的泵浦光。一级泵浦光经过凸透镜53缩小在晶体上激光光斑直径至2mm。反射镜51、反射镜52固定在一维平移台上组成延时线C，用来调节一级泵浦光到达晶体的时间。
由分束片50透射的二级泵浦光，由反射镜55反射，经过凸凹透镜57、凹凸透镜58组成的望远镜系统聚束准直至直径为5mm。然后经过由反射镜59、反射镜60组成的延时线D，再由反射镜61和二向色镜62入射到BBO-2晶体48上。白光与一级泵浦光共线地入射到晶体上后，调节延迟线C使泵浦光与白光同时到达晶体，通过相位匹配条件在晶体中实现光参量放大。得到的信号光和空闲光经过二向色镜62滤掉800nm的泵浦光，然后通过二向色镜63，滤掉信号光。反射的空闲光经过凹面反射镜64准直后，与二级泵浦光以共线的方式打到BBO-2晶体48的另一侧，调节延迟线D，在晶体中实现二级参量放大，最终得到经过放大的信号光和空闲光。信号光和空闲光经过二向色镜65实现分离，再次通过反射镜66、反射镜67实现共线，入射到AgGaS2晶体69上。调节延迟线66，使信号光和空闲光到达晶体实现时间同步，通过差频产生中红外激光源。
在相位匹配条件的实现上，为了便于对BBO晶体能够同时兼容泵浦源(竖直线偏振光)和超连续白光信号源(水平线偏振光)，本装置对晶体设计和放置如图3所示。BBO晶体沿较长一边水平放置，一级泵浦光沿a方向入射，二级泵浦光沿b方向入射，光轴沿d方向，旋转轴沿c方向。同时，AgGaS2晶体放置为光轴沿e方向，旋转轴沿f方向。在上述各种入射光情形下可以在这两种晶体上实现相应的第II类相位匹配。
结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。
Claims (2)
1.一种双色同相位飞秒红外激光波长转换装置包括钛宝石飞秒锁模脉冲激光放大器、竖直折转镜、第一分束片、第二分束片、超连续白光产生装置、白光分光片、两个BBO晶体光参量放大子系统和两个AgGaS2晶体差频子系统，
所述钛宝石飞秒锁模脉冲激光放大器输出的激光通过第一分束片分成能量相等的透射光束和反射光束，
所述反射光束作为BBO-2晶体光参量放大子系统的泵浦源，所述透射光束通过第二分束片分成5％能量的反射光束和95％能量的透射光束；
所述95％能量的透射光束作为BBO-1晶体光参量放大子系统的泵浦源，所述5％能量的反射光束作为超连续白光产生装置的泵浦源；
所述5％能量的反射光束产生的超连续白光经过白光分光片分成能量相等的反射光束和透射光束，其中反射光束作为BBO-1晶体光参量放大子系统的信号源，透射光束作为BBO-2晶体光参量放大子系统的信号源，经过两个参量放大子系统放大的信号光和空闲光再分别入射到两个AgGaS2晶体差频子系统中实现差频。
2.根据权利要求1所述的飞秒中红外激光转换系统，所述超连续白光产生装置包括半波片、偏振分光棱镜、小孔光阑、聚焦透镜、蓝宝石窗口和准直透镜。
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| KEISUKE KANESHIMA等: "Generation of carrier-envelope phase-stable mid-infrared pulses via dual-wavelength optical parametric amplification", 《OPTICS EXPRESS》 * |
| VINCENT KEMLIN等: "Dual-wavelength source from 5% MgO:PPLN cylinders for the characterization of nonlinear infrared crystals", 《OPTICS EXPRESS》 * |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111342334A (zh) * | 2020-03-18 | 2020-06-26 | 中国工程物理研究院激光聚变研究中心 | 同源泵浦多谱段光参量振荡光源系统及其控制方法 |
| CN111342334B (zh) * | 2020-03-18 | 2021-10-12 | 中国工程物理研究院激光聚变研究中心 | 同源泵浦多谱段光参量振荡光源系统及其控制方法 |
| CN114268009A (zh) * | 2021-12-24 | 2022-04-01 | 中国科学院物理研究所 | 一种飞秒脉冲激光双波长扩展装置、方法及其光纤激光器 |
| CN114268009B (zh) * | 2021-12-24 | 2023-08-22 | 中国科学院物理研究所 | 一种飞秒脉冲激光双波长扩展装置、方法及其光纤激光器 |
| CN117297759A (zh) * | 2023-05-09 | 2023-12-29 | 海目星激光智能装备(成都)有限公司 | 一种产生中红外飞秒脉冲激光的生物组织微创切割系统 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN109445228B (zh) | 2022-04-26 |
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