CN110187588B - 一种基于级联晶体的宽带光参量放大方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于超快激光技术领域，公开了一种基于级联晶体的宽带光参量放大方法及装置；宽带光参量放大方法包括：将初始飞秒激光被分为两束，其中较弱的一束经过预放大级，产生近红外波段的宽带种子光；较强的一束作为泵浦光。泵浦光经过延时线调节延时，使其在时域上与种子光同步，两者经过二向色镜合并，共同输入至级联晶体内进行光参量放大。级联晶体包含三块II类相位匹配的硼酸钡晶体，且三者的厚度和相位匹配角度均不相同，用于放大种子光的不同波段。经过级联晶体的放大，可以在中红外波段高效率地获取宽带闲频光谱，再通过脉冲压缩器压缩，最终得到周期量级、载波包络相位稳定的超短闲频光脉冲。
Description
技术领域
本发明涉及超快激光技术领域，具体涉及一种基于级联晶体的宽带光参量放大方法及装置。
背景技术
周期量级的高能量飞秒激光脉冲在超快光学等领域有着广泛的应用前景。近年来，得益于光参量放大技术(Optical Parametric Amplification，OPA)的宽增益带宽、高频率可调谐性、无热效应积累的优点，基于该技术已经可以在可见光、近红外及中红外波段的广泛可调谐范围内产生周期量级的超短激光脉冲。因此，光参量放大系统成为了将钛宝石飞秒激光器的频率下转换的首选方案。
光参量放大采用一束高强度、高频率的泵浦光用来放大一束低强度、低频率的种子光，两者在非线性晶体内发生差频作用，种子光被放大得到信号光，同时差频产生一束第三种频率的闲频光。光参量放大系统一般可选择I类相位匹配和II类相位匹配两种方案，如果种子光(信号光)和闲频光的偏振相同，则为I类相位匹配；如果种子光(信号光)和闲频光的偏振不同，则为II类相位匹配。
通常，I类相位匹配条件具有较大的相位匹配带宽，有利于产生宽带的光谱输出，但由于非线性晶体在I类相位匹配条件下的非线性系数较低，系统所得的能量转换效率往往不高。相比之下，II类相位匹配条件下的晶体非线性系数较高，有益于提升系统的能量转换效率，但受到相位匹配带宽的限制，输出光谱的带宽往往不如I类相位匹配的情况。因此，如何在光参量放大系统中同时获取I类相位匹配条件的带宽和II类相位匹配的转换效率是本领域研究的一个重要方向。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种级联晶体的宽带光参量放大方法及装置；其目的是利用三块切割角不同的级联非线性晶体分别放大种子光和闲频光的不同波段，在II类相位匹配情况下获取宽带光谱的闲频光输出；同时，由于泵浦光在三块晶体内连续提供能量用于放大闲频光，因此所得闲频光的能量转换效率也较高。
本发明提供了一种基于级联晶体的宽带光参量放大方法，包括下述步骤：
S1产生含有线性啁啾的飞秒激光，并将所述飞秒激光分为能量不同的两束光；
S2将能量高的一束激光作为泵浦光，并将能量低的一束激光进行预放大后产生近红外波段的宽带种子光；
S3将同步后的泵浦光和宽带种子光在空间上合并后共线输入至级联晶体内进行光参量放大；对光参量放大后的光束进行滤波并提取纯净的宽带闲频光；对所述宽带闲频光进行压缩获得周期量级的超短闲频光。
更进一步地，在步骤S2之后且步骤S3之前还包括：利用延时线调节所述泵浦光与所述宽带种子光的延时，使两者在时域上同步。
更进一步地，在步骤S1中，飞秒激光脉冲在时域上被展宽至100飞秒量级，用于确保后续放大中的不同波长的脉冲之间不会发生走离。
更进一步地，在步骤S2中，所述预放大采用I类相位匹配的BB0晶体中的光参量放大，具体包括：将所述飞秒激光的频率下转换至包含宽带光谱成分的近红外波段，用于提供级联晶体放大所需的宽带种子光。同时，种子光脉冲的能量被提升至接近泵浦光的量级，为后续的高效率放大提供足够的能量基础。
更进一步地，在步骤S3中，级联晶体包括：三块II类相位匹配且切割角度不同的BBO晶体，分别用于放大不同波长的频率成分，从而获取宽带的闲频光输出。此外，由于在三块级联晶体中的持续放大，所得闲频光脉冲可以达到较高的能量转换效率。
本发明还提供了一种基于级联晶体的宽带光参量放大装置，包括：飞秒激光源、分束镜、预放大级、二向色镜、级联晶体、长波通滤波片和脉冲压缩器；飞秒激光源用于产生含有线性啁啾的飞秒激光；分束镜用于将飞秒激光分为能量不同的两束光；预放大级用于将能量低的一束激光进行预放大后产生近红外波段的宽带种子光；二向色镜用于将同步后的泵浦光和宽带种子光在空间上合并；级联晶体用于对二向色镜的输出光束进行光参量放大；长波通滤波片用于对光参量放大后的光束进行滤波并提取纯净的宽带闲频光；脉冲压缩器用于对所述宽带闲频光进行压缩获得周期量级的超短闲频光。
其中，飞秒激光源产生的初始飞秒激光包含一定的线性啁啾，将激光脉冲展宽至约100飞秒，以保证在级联晶体内的放大过程中脉冲之间不会发生走离。
更进一步地，宽带光参量放大装置还包括：延时线，用于调节所述泵浦光与所述宽带种子光的延时，使两者在时域上同步。
更进一步地，预放大级包括：I类相位匹配的BBO晶体，用于将所述飞秒激光的频率下转换至包含宽带光谱成分的近红外波段，为所述级联晶体提供放大所需的宽带种子光。采用预放大级使用I类相位匹配的BBO晶体作为放大介质，将飞秒激光的频率下转换至近红外波段，作为宽带种子光源；且宽带种子光的脉冲能量接近泵浦光脉冲的量级。
更进一步地，级联晶体包括：三块II类相位匹配且切割角度不同的BBO晶体，分别用于放大不同波长的频率成分，从而获取宽带的闲频光输出。同时由于闲频光在级联晶体内被持续放大，因此可以实现较高的能量转换效率。
因此，本发明可以获得以下的有益效果：展宽的泵浦光保证了脉冲之间在级联晶体内不会完全走离，确保了放大过程的持续发生；使用三块切割角不同的级联非线性晶体，分别可以放大闲频光的不同频率成分，因此拓展了输出闲频光的频谱，也提升了系统的能量转换效率。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明级联晶体的啁啾补偿光参量放大装置结构示意图；
图2是本发明一个实施例的BBO晶体切割角分别为27.9°(a)、27.0°(b)和26.6°(c)时泵浦光与闲频光的相位匹配效率图和实验中分别利用不同切割角的晶体所得的闲频光频谱图(d)。
图3是本发明一个实施例的利用级联BBO晶体放大所得的闲频光谱和同样厚度的单块BBO晶体放大所得的闲频光谱。
图4是级联晶体条件下所得的闲频光脉冲被压缩之后在时域上得到的波形。
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仅用以解释本发明，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。
本发明级联晶体的光参量放大方法，包括以下步骤：
S1产生含有线性啁啾的初始飞秒激光，将其分为两束；
S2将较弱的一束激光输入预放大级，产生近红外波段的宽带种子光；将较强的一束激光作为泵浦光；利用延时线调节泵浦光与宽带种子光的延时，使两者在时域上同步；
S3将同步后的泵浦光和宽带种子光在空间上合并，共线输入至级联晶体内进行光参量放大；放大后所得光束经过滤波提取出纯净的宽带闲频光，对其进行压缩，最终得到周期量级的超短闲频光。
上述步骤S1中，初始飞秒激光在产生时即包含一定的线性啁啾，脉冲在时域上被展宽至100飞秒量级，确保后续放大中的不同波长的脉冲之间不会发生走离。
上述步骤S2中，预放大级采用I类相位匹配的BBO晶体中的光参量放大，将初始飞秒激光的频率下转换至近红外波段，且包含宽带光谱成分，用于级联晶体放大的种子光；同时，种子光脉冲的能量被提升至接近泵浦光的量级，为后续的高效率放大提供足够的能量基础。
上述步骤S3中，级联晶体包含三块II类相位匹配且切割角度不同的BBO晶体，分别用于放大不同波长的频率成分，从而获取宽带的闲频光输出；此外，由于在三块级联晶体中的持续放大，所得闲频光脉冲可以达到较高的能量转换效率。
基于上述方法，本发明提出一种级联晶体的光参量放大装置，如图1所示，装置包括飞秒激光源1、分束镜2、预放大级3、延时线4、二向色镜5、级联晶体6、长波通滤波片7和脉冲压缩器8。
飞秒激光源1产生含有线性啁啾的初始飞秒激光，经过分束镜2分为两束：较弱的一束输入预放大级3，通过BBO晶体内的I类相位匹配产生近红外波段的宽带种子光；较强的一束作为泵浦光。泵浦光经过延时线4在时域上与宽带种子光达到同步，经过二向色镜5合并共线输入至级联晶体6内进行光参量放大。输出光束经过长波通滤波片7提取纯净的宽带闲频光，最后经过脉冲压缩器8得到周期量级的超短闲频光输出。
上述装置中，通过调节飞秒激光源1的啁啾，使得初始飞秒激光脉冲被展宽至约100飞秒。这是由于在非线性晶体中，不同波长的脉冲(泵浦光、信号光和闲频光)的群速度不同，如果脉冲宽度过短，会在级联晶体内产生时域上的走离，通过人为地引入线性啁啾则可以避免这一现象的发生。
上述装置中，预放大级采用I类相位匹配的光参量放大系统，利用一小部分光束能量在蓝宝石晶体内的白光作为种子光，将剩余能量用作泵浦光对白光进行放大。在I类相位匹配的BBO晶体内，该系统可以在近红外波段产生宽带的种子光源，脉冲能量相比起白光也大大提高，为后续的级联晶体放大提供充分的能量基础。
上述装置中，级联晶体选用三块BBO晶体，分别选取不同的晶体切割角度，且均为II类相位匹配情况。如此，信号光和闲频光的不同频率成分在三块晶体内分别被放大并实现叠加，最终输出宽带的闲频光谱。此外，由于晶体总厚度较大且闲频光不断地得到放大，泵浦光的能量被充分地利用，实现了很高的能量转换效率。
为了更进一步地说明本发明实施例提供的级联晶体的宽带光参量放大方法及装置，现参照说明书附图并结合具体实例详述如下：
以飞秒钛宝石激光再生放大器作为初始飞秒激光源产生脉宽为25飞秒、中心波长为800纳米、重复频率为1千赫兹的激光脉冲，脉冲能量为1毫焦。将脉冲分为0.8毫焦和0.2毫焦的两束，其中，0.2毫焦的部分输入至预放大级，在一块切割角为20°的I类相位匹配BBO晶体中进行放大，产生中心波长为1400纳米，带宽为300纳米的宽带种子光脉冲，能量约为15微焦，作为级联晶体放大的种子光。剩余0.8毫焦的成分经过光阑的切割，保留约0.5毫焦的光束质量良好的成分用作级联晶体放大的泵浦光。
将泵浦光和种子光通过二向色镜合并，共同输入至级联晶体内进行放大。级联晶体包含三块II类相位匹配的BBO晶体，三者的切割角度分别为26.6°、27.0°和27.9°，三者的厚度分别为1毫米、2毫米和3毫米。
由图2(a)、(b)、(c)分别可以看到，在上述三个不同的晶体角度条件下，同一波长的泵浦光可以分别放大三个不同波段的闲频光(1600纳米至1900纳米、1700纳米至2100纳米、1800纳米至2200纳米)。图2(d)中，实线为晶体角度为27.9°时的输出闲频光谱，虚线为晶体角度为27.0°时的输出闲频光谱，点线为晶体角度为26.6°时的输出闲频光谱。图2(d)给出了实验中分别利用三块BBO晶体得到的闲频光光谱，也与上述结果相符合。然而，在三块晶体内放大所得的闲频光带宽均有限，无法支持周期量级的脉冲输出。
将上述三块BBO晶体级联排列，使得泵浦光、信号光和闲频光在三块晶体内依次发生作用，即可得到图3中实线所表示的闲频光光谱。其中，实线是三块厚度(角度)分别为1毫米(26.6°)、2毫米(27.0°)和3毫米(27.9°)的级联晶体所得的闲频光谱，虚线、点线和点划线分别是利用一块6毫米的BBO晶体在1800纳米、1900纳米和2000纳米中心波长处所得的闲频光谱。作为对比，图中同样给出了单块6毫米(总厚度与级联晶体相同)的BBO晶体内所得的闲频光光谱。可以明显地看出，级联晶体方案所得的闲频光无论是相比起单块薄的晶体的情况还是相比起单块厚的晶体的情况，带宽均出现了明显的提升。在0.5毫焦泵浦能量的条件下，输出闲频光脉冲的能量达到了65.8微焦，转换效率达13.2％。
经过测量，该闲频光脉冲包含时域上的负线性啁啾，利用一块厚度约0.6毫米的硅片即可实现压缩。压缩所得脉冲的时域包络图如图4，脉冲宽度为23.0飞秒。图3中黑色实线对应的脉冲极限宽度约为19.5飞秒，由此可得，本方法所得脉冲具有很好的可压缩性，可以通过简便的手段将其压缩至接近傅里叶变换极限的脉宽。
以上结果表明，利用不同切割角的级联晶体分别放大闲频光光谱的不同波段可以产生宽带的闲频光脉冲，且能量转换效率较高，可用于在光参量放大系统内实现周期量级、载波包络相位稳定、几十至几百微焦级的中红外脉冲输出。
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 (5)
1.一种基于级联晶体的宽带光参量放大方法，其特征在于，包括下述步骤：
S1产生含有线性啁啾的飞秒激光，并将所述飞秒激光分为能量不同的两束光；
S2将能量高的一束激光作为泵浦光，并将能量低的一束激光进行预放大后产生近红外波段的宽带种子光；
S3将同步后的泵浦光和宽带种子光在空间上合并后共线输入至级联晶体内进行光参量放大；对光参量放大后的光束进行滤波并提取纯净的宽带闲频光；对所述宽带闲频光进行压缩获得周期量级的超短闲频光；
在步骤S2中，所述预放大采用I类相位匹配的BBO晶体中的光参量放大，具体包括：将所述飞秒激光的频率下转换至包含宽带光谱成分的近红外波段，用于提供级联晶体放大所需的宽带种子光；
在步骤S3中，级联晶体包括：三块II类相位匹配且切割角度不同的BBO晶体，分别用于放大不同波长的频率成分，从而获取宽带的闲频光输出。
2.如权利要求1所述的宽带光参量放大方法，其特征在于，在步骤S2之后且步骤S3之前还包括：利用延时线调节所述泵浦光与所述宽带种子光的延时，使两者在时域上同步。
3.如权利要求1或2所述的宽带光参量放大方法，其特征在于，在步骤S1中，飞秒激光脉冲在时域上被展宽至100飞秒量级，用于确保后续放大中的不同波长的脉冲之间不会发生走离。
4.一种基于级联晶体的宽带光参量放大装置，其特征在于，包括：飞秒激光源(1)、分束镜(2)、预放大级(3)、二向色镜(5)、级联晶体(6)、长波通滤波片(7)和脉冲压缩器(8)；所述飞秒激光源(1)用于产生含有线性啁啾的飞秒激光；所述分束镜(2)用于将所述飞秒激光分为能量不同的两束光；
所述预放大级(3)用于将能量低的一束激光进行预放大后产生近红外波段的宽带种子光；
所述二向色镜(5)用于将同步后的泵浦光和宽带种子光在空间上合并；
所述级联晶体(6)用于对二向色镜(5)的输出光束进行光参量放大；
所述长波通滤波片(7)用于对光参量放大后的光束进行滤波并提取纯净的宽带闲频光；
所述脉冲压缩器(8)用于对所述宽带闲频光进行压缩获得周期量级的超短闲频光；
所述预放大级(3)包括：I类相位匹配的BBO晶体，用于将所述飞秒激光的频率下转换至包含宽带光谱成分的近红外波段，为所述级联晶体(6)提供放大所需的宽带种子光；
所述级联晶体(6)包括：三块II类相位匹配且切割角度不同的BBO晶体，分别用于放大不同波长的频率成分，从而获取宽带的闲频光输出。
5.如权利要求4所述的宽带光参量放大装置，其特征在于，所述宽带光参量放大装置还包括：延时线(4)，用于调节所述泵浦光与所述宽带种子光的延时，使两者在时域上同步。
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2019
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