CN110190500A - 一种用于窄带飞秒激光器的光参量放大方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于窄带飞秒激光器的光参量放大方法及装置；光参量放大方法包括：产生窄带飞秒激光，将窄带飞秒激光进行展宽增大其光谱的带宽后获得宽带飞秒激光；将宽带飞秒激光分为两束，一束被引入负啁啾后获得啁啾泵浦光，另一束经过拓展光谱并引入正啁啾后获得啁啾种子光；调整啁啾泵浦光与啁啾种子光之间的延时，使两者在时域上重合并共同入射到非线性晶体内进行光参量放大，产生放大后的啁啾信号光与啁啾闲频光，并同时输出衰减的啁啾泵浦光；滤除衰减的啁啾泵浦光和啁啾信号光，得到纯净的啁啾闲频光，并对其进行脉冲压缩后获得超短的飞秒闲频光。本发明可以提升闲频光脉冲的增益带宽。
Description
技术领域
本发明涉及超快激光技术领域，具体涉及一种用于窄带飞秒激光器的光参量放大方法及装置。
背景技术
高能量飞秒激光脉冲具有良好的时间分辨能力和较高的峰值功率，因此在超快激光、强场科学等众多研究领域有着重要的应用。因此，产生超短激光脉冲的研究引起了科学家们极大的关注。商业化的钛蓝宝石(Ti：sapphire)飞秒激光器被广泛应用于超快激光技术的各个方面，基于钛蓝宝石激光器的光参量放大(Optical Parametric Amplification)技术也因其中心波长可调谐、高参量增益、增益带宽大以及放大过程中无热量积累等优点成为了将飞秒激光频率下转换的关键手段之一。
在常见的光参量放大系统中，获得周期量级输出脉宽的前提条件是具有足够带宽的种子光脉冲。利用飞秒激光光束聚焦至蓝宝石晶体的超连续产生方法，可以在近红外至中红外波段获取超宽带的种子白光。此外，针对强场物理研究的高脉冲能量/峰值功率的需求，可以对白光进行一级预放大提高其能量。
需要注意的是，种子光的参数(带宽、能量密度、光束质量等)由初始入射激光的条件所决定，通常情况下，初始激光的带宽越大、脉宽越窄，所能产生的种子白光相应地就会具有更大的带宽。因此，当采用宽带飞秒激光器作为初始光源时，通常可以产生带宽大、能量密度高、光束质量良好的种子白光。
然而，部分商业化的激光器并不具有足够的带宽以用于产生周期量级的激光脉冲，输出脉冲宽度在80飞秒以上甚至超过100飞秒。将这类激光器用作光参量放大器的光源往往只能产生相对窄带的输出脉冲，无法满足部分超快光学研究对于脉宽的需求。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于窄带飞秒激光器的光参量放大方法及装置；其目的在于将初始窄带激光利用熔融石英薄片展宽其光谱成为宽带激光，再向泵浦光与种子光分别引入相反方向的啁啾，以提升闲频光脉冲的光谱范围，最终在窄带入射激光的前提下获取宽带的闲频光。
本发明提供了一种用于窄带飞秒激光器的光参量放大方法，所述方法包括以下步骤：
S1产生窄带飞秒激光；
S2将所述窄带飞秒激光进行展宽增大其光谱的带宽后获得宽带飞秒激光；
S3将所述宽带飞秒激光分为两束，较强的一束被引入负啁啾后获得啁啾泵浦光，较弱的另一束经过拓展光谱并引入正啁啾后获得啁啾种子光；
S4调整所述啁啾泵浦光与所述啁啾种子光之间的延时，使两者在时域上重合并共同入射到非线性晶体内进行光参量放大，产生放大后的啁啾信号光与啁啾闲频光，并同时输出衰减的啁啾泵浦光；
S5滤除衰减的啁啾泵浦光和啁啾信号光，得到纯净的啁啾闲频光，并对其进行脉冲压缩后获得超短的飞秒闲频光。
更进一步地，在所述步骤S3中，宽带飞秒激光分为两束，其中光强较强的一束被引入负啁啾后获得啁啾泵浦光，光强较弱的另一束经过拓展光谱并引入正啁啾后获得啁啾种子光；且啁啾泵浦光脉冲的瞬时频率和啁啾种子光脉冲的瞬时频率呈现相反的变化规律。
更进一步地，在所述步骤S3中，利用熔融石英薄片对其进行光谱展宽。
更进一步地，在所述步骤S3中，通过延时线调整所述啁啾泵浦光与所述啁啾种子光之间的延时，使得啁啾泵浦光在时域上对应啁啾种子光的不同频率成分；通过调节非线性晶体的相位匹配角度，产生中心波长可调谐的宽带闲频光脉冲。
本发明中，窄带飞秒激光需经过光谱展宽器展宽其光谱得到宽带飞秒激光，宽带分秒激光经过分束得到泵浦光与种子光，两者应包含相反方向的啁啾，瞬时频率在时域上表现出相反的变化趋势，从而提升闲频光的增益带宽。另外，啁啾泵浦光脉冲相对于啁啾种子光的延时可以通过延时线调节，从而使得啁啾泵浦光的强度峰值对应啁啾种子光的不同频率成分；相应调节非线性晶体的相位匹配角，可以得到中心波长连续可调谐的宽带闲频光光谱。
本发明还提供了一种用于窄带飞秒激光器的光参量放大装置，包括：窄带飞秒激光源、光谱展宽器、分束镜、超连续白光产生器、半波片、泵浦光展宽器、延时线、二向色镜、非线性晶体、滤波片和脉冲压缩器；窄带飞秒激光源用于产生窄带飞秒激光，光谱展宽器设置在窄带飞秒激光源的出射光路上，用于对窄带飞秒激光进行展宽增大其光谱的带宽后输出宽带飞秒激光；分束镜用于将宽带飞秒激光分为一束光和另一束光；半波片用于改变一束光的偏振态；泵浦光展宽器用于对改变了偏振态的一束光进行展宽并引入负啁啾后输出啁啾泵浦光；超连续白光产生器用于对另一束光进行光谱拓展并引入正啁啾后输出啁啾种子光；延时线用于调整所述啁啾泵浦光与所述啁啾种子光的延时，使得两者在时域上重合；二向色镜用于将延时调整后的啁啾泵浦光与啁啾种子光进行合并后输出；非线性晶体用于对合并后的光束进行光参量放大并获得啁啾信号光、啁啾闲频光和衰减的啁啾泵浦光；长波通滤波片用于滤除信号光和泵浦光，保留纯净的啁啾闲频光；脉冲压缩器用于对所述纯净的啁啾闲频光进行压缩处理，获得超短的飞秒闲频光。
更进一步地，光谱展宽器包括：依次设置的第一透镜、光谱展宽单元和第二透镜，第一透镜用于对窄带激光进行聚焦，聚焦后的激光在焦点附近达到较高的峰值强度；光谱展宽单元包括：多块熔融石英薄片，设置在所述第一透镜的焦点附近；较高峰值强度的激光激发多块熔融石英薄片的非线性过程，实现展宽窄带激光的光谱，获得宽带激光；第二透镜用于对所述宽带激光进行准直。
更进一步地，第一透镜为焦距大于1米的长焦距透镜，熔融石英薄片的厚度小于0.1毫米，第二透镜的焦距为0.5米至1米。
更进一步地，熔融石英薄片的数量为4块～8块。
更进一步地，泵浦光展宽器包括：适用于飞秒激光的且相互平行摆放的两个啁啾镜；当泵浦激光以0°～8°的入射角入射至啁啾镜表面时，泵浦光在啁啾镜表面共反射6次～10次。
因此，本发明可以获得以下的有益效果：展宽初始窄带激光的光谱，并向飞秒泵浦光和飞秒种子光分别引入正啁啾和负啁啾，从而得到谱宽增大的啁啾闲频光输出。同时，调整啁啾泵浦光与啁啾种子光的延时和非线性晶体的相位匹配角度，通过旋转安装非线性晶体的镜架实现对其相位匹配角度的调节，使得啁啾泵浦光放大啁啾种子光的不同频率成分，得到中心波长可调谐的宽带闲频光光谱。
附图说明
图1是本发明用于窄带飞秒激光器的光参量放大装置结构示意图；
图2是本发明中一个实施例的窄带飞秒激光与宽带飞秒激光的频谱对比图；
图3是本发明一个实施例的宽带飞秒激光泵浦时，输出闲频光的频谱和压缩后的闲频光脉冲包络图；
其中，图(a)中实线为宽带飞秒激光泵浦时所得的闲频光谱，虚线为窄带飞秒激光泵浦时所得的闲频光谱；
图(b)为压缩后的超短闲频光脉冲在时域上的包络形状，对应脉冲宽度约为12.6飞秒；
图4是本发明一个实施例的宽带闲频光在不同中心波长处的输出频谱。
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。
本发明提供的一种用于窄带飞秒激光器的光参量放大方法，包括以下步骤：
S1产生初始窄带飞秒激光，光谱的半高全宽小于15纳米；
S2将窄带飞秒激光输入光谱展宽器，产生宽带飞秒激光；利用熔融石英薄片对其进行光谱展宽，薄片展宽方案适用于几十微焦至几毫焦的较宽的能量范围，且使用及调节方便，可以应用在各种不同类型的激光器系统中，最终获取半高全宽大于30纳米的宽带飞秒激光用做光参量放大系统的输入光；
S3将宽带飞秒激光分成两束，分别用于产生泵浦光和种子光；泵浦光经过色散元件得到啁啾泵浦光，种子光经过超连续白光产生器得到啁啾种子光；
S4调整啁啾泵浦光与啁啾种子光的延时，使两者在时域上重合并入射到非线性晶体中进行光参量放大，产生放大后的啁啾信号光和啁啾闲频光，同时输出衰减的啁啾泵浦光；滤除衰减的啁啾泵浦光和啁啾信号光得到纯净的放大后的宽带啁啾闲频光，对宽带啁啾闲频光进行压缩，得到超短闲频光输出。
基于上述方法，本发明提出一种用于窄带飞秒激光器的光参量放大装置，如图1所示，装置包括：窄带飞秒激光源1、光谱展宽器2、分束镜3、超连续白光产生器4、半波片5、泵浦光展宽器6、延时线7、二向色镜8、非线性晶体9、滤波片10和脉冲压缩器11；
窄带飞秒激光源1产生的窄带飞秒激光经过光谱展宽器2，得到宽带飞秒激光，经过分束镜3分为泵浦光和种子光；其中泵浦光经过半波片5调整偏振态，经过泵浦光展宽器6得到啁啾泵浦光；种子光经过超连续白光产生器4得到啁啾种子光；通过延时线7调节啁啾泵浦光与啁啾种子光的延时，使两者在时域上同步；利用二向色镜8将啁啾泵浦光与啁啾种子光合并，共同输入至非线性晶体9进行放大；放大后产生放大的信号光与放大的闲频光，通过滤波片10滤除残留的啁啾信号光与啁啾泵浦光，得到纯净的啁啾闲频光；最后利用脉冲压缩器11压缩啁啾闲频光，得到超短闲频光脉冲输出。
在本发明所述的用于窄带飞秒激光器的光参量放大装置中，窄带飞秒激光需经过光谱展宽器2得到宽带飞秒激光。窄带飞秒激光源1可以为商业化的光纤飞秒激光器或初始脉宽较长的固体飞秒激光器，通常该类激光器产生的脉冲宽度大于100飞秒，对应的初始带宽小于15纳米。
光谱展宽器2可以展宽激光的光谱，同时会引入正啁啾。具体地，光谱展宽器2包括：焦距大于1米的长焦距透镜1块，厚度小于0.1毫米的熔融石英薄片4至8块，焦距为0.5米至1米的透镜1块。初始窄带激光经过长焦距透镜的聚焦，在焦点附近可以达到较高的峰值强度；通过将熔融石英薄片放置于焦点附近，其峰值强度可以激发非线性过程，从而展宽窄带激光的光谱，获得半高全宽大于30纳米的宽带激光；最后再用第二块透镜将光束重新准直，用于后续实验。
超连续白光产生器4包括：凸透镜2块及蓝宝石薄片1块；第一块凸透镜将入射光聚焦，将蓝宝石薄片置于其焦点处，激发超连续白光的产生，再用第二块凸透镜将输出的超连续白光重新准直。
泵浦光展宽器6是通过向泵浦光引入负啁啾实现光谱展宽的。具体地，泵浦光展宽器6包括：适用于飞秒激光的啁啾镜1对，用于向泵浦光引入负啁啾。
非线性晶体9可以采用常见的非线性晶体，如硼酸钡(BBO)，硼酸锂(LBO)等。
在本发明所述的用于窄带飞秒激光器的光参量放大装置中，宽带飞秒激光被分为泵浦光与种子光，并分别引入相反方向的啁啾，使得两者的瞬时频率具有相反的变化规律，从而提升闲频光光谱的增益带宽，获取超短的闲频光脉冲。
在本发明所述的用于窄带飞秒激光器的光参量放大装置中，啁啾泵浦光相对于啁啾种子光的延时可以通过延时线7调节，从而使得啁啾泵浦光的强度峰值对应于啁啾种子光的不同中心频率成分；相应地调节非线性晶体9的相位匹配角，可以得到中心波长连续可调谐的超短闲频光脉冲。
在本发明所述方法中，利用熔融石英薄片阵列将初始窄带激光脉冲的光谱展宽可以得到宽带激光脉冲，将其用做光参量放大的输入激光，可用于产生宽带的闲频光脉冲输出，获取周期量级的闲频光脉冲。相比之下，现有的窄带飞秒激光对应的光谱宽度较窄，用于光参量放大中只能产生窄带的信号光和闲频光，无法得到周期量级脉冲输出。
为了更进一步的说明本发明实施例提供的光参量放大方法以及装置，现结合附图以及具体实例详述如下：
以飞秒钛宝石激光再生放大器作为窄带飞秒激光源产生脉宽为100飞秒，中心波长为800纳米，单脉冲能量为300微焦，重复频率为1000赫兹的窄带飞秒激光。经过长焦距的凸透镜(f＝1.6米)聚焦光束，并利用四块厚度为0.1毫米的熔融石英窗片展宽激光的光谱，利用凸透镜重新准直光束，得到宽带飞秒激光，输出能量约为240微焦，对应80％的透过效率。
图2示出了窄带飞秒激光与宽带飞秒激光的频谱对比图；其中，实线为经过熔融石英薄片展宽光谱后所得的宽带激光光谱，虚线为初始窄带激光光谱；由图2可看出，经过熔融石英窗片的展宽后，激光的带宽(10％峰值强度的带宽)从19纳米被拓展到45纳米，包含了更多的频率成分，对应更短的极限脉宽。利用分束片将宽带飞秒激光分为两束，较强的一束(约210微焦)用于产生泵浦光，较弱的一束(约20微焦)用于产生种子白光。
将泵浦光输入啁啾镜对以引入负色散，得到啁啾泵浦光。将种子光输入超连续白光产生器以拓展其光谱，超连续白光产生器采用强度连续可调滤波片控制脉冲有效能量，并聚焦到蓝宝石晶体内扩展其光谱宽度获取中红外波段的种子成分。通过密度可调滤波片，实际利用的种子光脉冲能量约为2-3微焦；经过蓝宝石晶体的超连续产生过程，在1000纳米至1600纳米波段获得了白光谱，作为本装置的种子光。由于超连续白光产生过程会被动引入正色散，因此可以直接得到包含正啁啾的啁啾种子光。
啁啾泵浦光与啁啾种子光经过二向色镜合并共同入射到非线性晶体内，其中，啁啾泵浦光的延时可以通过延时线调整，以使得两个相互作用的脉冲在时域上重合更好。本装置采用β-硼酸钡(BBO)晶体，晶体切割角度为20度，针对1400纳米处中心波长的相位匹配条件所优化。
图3给出了初始窄带激光与初始宽带激光的条件下输出闲频光的频谱(图(a))和压缩后的闲频光脉冲(图(b))。对比图(a)中的实线与虚线可发现，通过将初始飞秒激光的带宽展宽，所得输出闲频光的光谱从144纳米被拓展至289纳米，增大约一倍。利用宽带飞秒激光入射所得的啁啾闲频光谱经过压缩，可以在时域上得到脉宽为12.5飞秒的超短闲频光脉冲，约为两个光周期。
图4给出了调整啁啾泵浦光与啁啾种子光之间的延时后得到的中心波长可调谐的闲频光谱；其中，图中实线、虚线、点线和点划线分别对应中心波长1770纳米、1850纳米、1930纳米和2060纳米时的输出宽带闲频光频谱。由图中可以看出，在1770纳米至2060纳米的波长范围内，本装置都可以得到宽带的闲频光输出，所得光谱均可以支持周期量级的超短闲频光脉冲。
以上结果表明，利用光谱展宽的初始飞秒激光分为泵浦光与种子光两束，并分别向两者引入相反方向的啁啾，两者之间的光参量放大过程可以产生光谱拓宽、中心波长可调谐的闲频光输出，对应的闲频光脉宽可以被压缩至约两个光周期。
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 (9)
1.一种用于窄带飞秒激光器的光参量放大方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1产生窄带飞秒激光；
S2将所述窄带飞秒激光进行展宽增大其光谱的带宽后获得宽带飞秒激光；
S3将所述宽带飞秒激光分为两束，一束被引入负啁啾后获得啁啾泵浦光，另一束经过拓展光谱并引入正啁啾后获得啁啾种子光；
S4调整所述啁啾泵浦光与所述啁啾种子光之间的延时，使两者在时域上重合并共同入射到非线性晶体内进行光参量放大，产生放大后的啁啾信号光与啁啾闲频光，并同时输出衰减的啁啾泵浦光；
S5滤除衰减的啁啾泵浦光和啁啾信号光，得到纯净的啁啾闲频光，并对其进行脉冲压缩后获得超短的飞秒闲频光。
2.如权利要求1所述的光参量放大方法，其特征在于，在所述步骤S3中，宽带飞秒激光分为两束，其中光强较强的一束被引入负啁啾后获得啁啾泵浦光，光强较弱的另一束经过拓展光谱并引入正啁啾后获得啁啾种子光；且啁啾泵浦光脉冲的瞬时频率和啁啾种子光脉冲的瞬时频率呈现相反的变化规律。
3.如权利要求1或2所述的光参量放大方法，其特征在于，在所述步骤S3中，利用熔融石英薄片对其进行光谱展宽。
4.如权利要求1-3任一项所述的光参量放大方法，其特征在于，在所述步骤S3中，通过延时线调整所述啁啾泵浦光与所述啁啾种子光之间的延时，使得啁啾泵浦光在时域上对应啁啾种子光的不同频率成分；
通过调节非线性晶体的相位匹配角度，产生中心波长可调谐的宽带闲频光脉冲。
5.一种用于窄带飞秒激光器的光参量放大装置，其特征在于，包括：窄带飞秒激光源(1)、光谱展宽器(2)、分束镜(3)、超连续白光产生器(4)、半波片(5)、泵浦光展宽器(6)、延时线(7)、二向色镜(8)、非线性晶体(9)、滤波片(10)和脉冲压缩器(11)；
所述窄带飞秒激光源(1)用于产生窄带飞秒激光，
所述光谱展宽器(2)设置在所述窄带飞秒激光源(1)的出射光路上，用于对所述窄带飞秒激光进行展宽增大其光谱的带宽后输出宽带飞秒激光；
所述分束镜(3)用于将所述宽带飞秒激光分为一束光和另一束光；
所述半波片(5)用于改变所述一束光的偏振态；
所述泵浦光展宽器(6)用于对改变了偏振态的一束光进行展宽并引入负啁啾后输出啁啾泵浦光；
所述超连续白光产生器(4)用于对所述另一束光进行光谱拓展并引入正啁啾后输出啁啾种子光；
所述延时线(7)用于调整所述啁啾泵浦光与所述啁啾种子光的延时，使得两者在时域上重合；
所述二向色镜(8)用于将延时调整后的啁啾泵浦光与啁啾种子光进行合并后输出；
所述非线性晶体(9)用于对合并后的光束进行光参量放大并获得啁啾信号光、啁啾闲频光和衰减的啁啾泵浦光；
所述长波通滤波片(10)用于滤除信号光和泵浦光，保留纯净的啁啾闲频光；
所述脉冲压缩器(11)用于对所述纯净的啁啾闲频光进行压缩处理，获得超短的飞秒闲频光。
6.如权利要求5所述的光参量放大装置，其特征在于，所述光谱展宽器(2)包括：依次设置的第一透镜、光谱展宽单元和第二透镜，
所述第一透镜用于对所述窄带激光进行聚焦，聚焦后的激光在焦点附近达到较高的峰值强度；
所述光谱展宽单元包括：多块熔融石英薄片，设置在所述第一透镜的焦点附近；较高峰值强度的激光激发多块熔融石英薄片的非线性过程，实现展宽窄带激光的光谱，获得宽带激光；
所述第二透镜用于对所述宽带激光进行准直。
7.如权利要求6所述的光参量放大装置，其特征在于，所述第一透镜为焦距大于1米的长焦距透镜，所述熔融石英薄片的厚度小于0.1毫米，所述第二透镜的焦距为0.5米至1米。
8.如权利要求6或7所述的光参量放大装置，其特征在于，所述熔融石英薄片的数量为4块～8块。
9.如权利要求6-8任一项所述的光参量放大装置，其特征在于，所述泵浦光展宽器(6)包括：适用于飞秒激光的且相互平行摆放的两个啁啾镜；当泵浦激光以0°～8°的入射角入射至啁啾镜表面时，泵浦光在啁啾镜表面共反射6次～10次。
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