CN110323663B - 一种产生中红外波段的矢量超短激光脉冲的装置与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种产生中红外波段的矢量超短激光脉冲的装置与方法，采用以高功率高亮度的泵浦源和稀土离子掺杂的倍半氧化物陶瓷为核心元件的增益模块实现中红外对应波段的激光输出，然后利用锁模元件实现脉冲激光的输出，利用环形光阑的双折射选模机制实现矢量光束的输出和控制，再通过高非线性介质实现对腔内非线性的管理，通过啁啾镜实现对色散的管理，最终利用圆形光栅作为波导输出耦合镜，获得中红外波段具有矢量特性的全固态超快激光的输出。本发明获得的中红外波段的径向偏振矢量光束，具有独特的“偏振奇点”效应；且获得的脉冲宽度在光学周期量级，在高精度激光医疗手术、超分辨率成像、量子通讯和阿秒光源等前沿领域具有广泛的应用。

Description

一种产生中红外波段的矢量超短激光脉冲的装置与方法
技术领域
本发明涉及超快激光及矢量光束领域，具体涉及一种产生中红外波段的矢量超短激光脉冲的装置与方法。
背景技术
2～5μm波段的中红外固体超快激光，具有强水吸收、低光子能量、高峰值功率和极高信噪比和短脉宽等特点。特别是光学周期量级的脉冲，由于其极短的时间尺度(～10- 15s)、超高的峰值功率(～106W)等独特性，在高精度激光医疗手术、超分辨率成像、分子指纹谱、量子通讯和阿秒光源等前沿领域具有广泛的应用。特别是矢量超快激光，可应用于微观世界的超快动力学研究和超高功率激光放大器的种子源，极大地推进激光器的发展进程。因此光学周期量级的矢量脉冲成为研究的新热点。
目前直接产生超短脉冲的方法有调Q技术和锁模技术，其中调Q技术主要用来产生纳秒量级的大能量脉冲；而产生飞秒量级的脉冲激光最常用的就是锁模方法。现有固体激光脉冲通过锁模方法很难获得周期量级的超短脉冲，原因主要有以下两点：
(1)增益介质本身的带宽严格限制了中红外波段通过锁模方法获得的脉宽。根据公式Δt＝h/ΔE可知，锁模脉宽严格受限于增益介质的发射带宽和光谱形态。
(2)固体激光系统的弱非线性。这是由于传统基模高斯光束的衍射极限导致的。根据自调制系数的公式δ＝(2πn2)L/λ·Aeff可知，为了获得短脉宽，需要增加非线性来展宽光谱。
现有增加非线性的方法都是基于非线性转换的间接过程，主要分为三种。第一种需要高光束质量的泵浦源(通常是单模光纤激光器)增加泵浦亮度缩小腔模Aeff，增加等效相互作用长度，这种方法成本较高且效果有限；第二种是采用非常低的耦合输出镜(<0.5％)增加腔内功率密度来增强非线性，这种方法能增加的非线性很有限，且牺牲了输出功率；第三种是增加材料的非线性折射率n2，这种方法受限于材料的自身原子排列结构。
综上所述，需要开发新的增加非线性的方法来展宽光谱，从而获得光学周期量级的超短脉冲。
发明内容
本发明的目的是提供一种产生中红外波段的矢量超短激光脉冲的装置。
本发明的另一目的是提供一种基于上述装置产生中红外波段的矢量超短激光脉冲的方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种产生中红外波段的矢量超短激光脉冲的装置，包括激光器泵浦源、光学耦合聚焦系统、平凹镜Ⅰ、激光增益介质、环形光阑、平凹镜Ⅱ、高非线性介质、锁模元件、啁啾镜组、光栅波导输出耦合镜，所述啁啾镜组包括GTI反射镜I，GTI反射镜Ⅱ和GTI反射镜Ⅲ；
激光器泵浦源，用于输出泵浦激光；
光学耦合聚焦系统，用于将泵浦源产生的泵浦激光聚焦到激光增益介质上；
平凹镜Ⅰ，接收激光增益介质产生的增益激光，用于同平凹镜Ⅱ形成共焦谐振腔结构，
激光增益介质，接收光学耦合聚焦系统聚焦的泵浦激光，产生热致双折射效应，并产生中红外对应波段的激光，位置在光学耦合聚焦系统的焦点处；
环形光阑，具有双折射选模机制，控制激光与泵浦光的模式匹配，实现径向偏振和角向偏振矢量光束的选择性输出与能量比例控制；
平凹镜Ⅱ，接收激光增益介质产生的增益激光，用于同平凹镜Ⅰ形成共焦谐振腔结构，并反射到GTI反射镜I上；
GTI反射镜I，接收平凹镜Ⅱ反射的增益激光，用于同GTI反射镜Ⅱ形成共焦结构，在腔内提供负色散；
高非线性介质，用于对腔内非线性进行管理，实现非线性光谱的展宽，放置于GTI反射镜I和GTI反射镜Ⅱ的焦点；
GTI反射镜Ⅱ，接收透过高非线性介质的激光，用于同GTI反射镜I形成共焦结构，在腔内提供负色散，并反射到光栅波导输出耦合镜上；
GTI反射镜Ⅲ，接收平凹镜Ⅰ反射的增益激光，用于在腔内提供负色散，并反射到锁模元件上；
锁模元件，用于启动中红外对应波段脉冲激光，位置在GTI反射镜Ⅲ的焦点处；
光栅波导输出耦合镜，用于将径向偏振光束反射到腔内继续谐振，将角向偏振光束衍射损耗掉，并输出部分径向偏振超快激光用于检测。
优选的，所述激光器泵浦源为高功率高亮度的单模光纤激光器，其输出波长与激光增益介质材料的吸收波长相匹配。
优选的，所述激光增益介质为稀土离子掺杂的倍半氧化物陶瓷，陶瓷基质材料为陶瓷或立方晶系的单晶，掺杂的稀土离子为Er3+、Tm3+、Ho3+中的一种。
优选的，所述环形光阑在腔内的位置灵活，放置在激光器泵浦源和激光增益介质之间，或者放置在激光增益介质之后，或者放置在光栅波导输出耦合镜之前。
优选的，所述锁模元件为半导体可饱和吸收镜，调制深度在0.5％～3％之间，工作波段在2μm～5μm之间。
优选的，所述高非线性介质采用分立式结构，材料选用中红外波段高透过率、高非线性折射率的各向同性的材料。
优选的，所述GTI反射镜I、GTI反射镜Ⅱ和GTI反射镜Ⅲ的数值孔径≥0.7NA，焦距<20mm。
优选的，所述光栅波导输出耦合镜为反射式圆形光栅，其在中红外波段，对于径向偏振光束反射率>95％，对于角向偏振光束反射率<70％。
本发明还提供一种基于上述的装置产生中红外波段的矢量超短激光脉冲的方法，具体步骤为：
S1、采用以激光器泵浦源和激光增益介质为核心元件的增益模块实现中红外对应波段的激光输出，其中激光增益介质产生的热致双折射效应可获得径向偏振分量增益；
S2、利用锁模元件启动脉冲；
S3、利用环形光阑的双折射选模机制实现矢量光束的输出和控制，其中通过调节腔长可实现径向和角向偏振分量的增益选择；
S4、通过高非线性介质实现对腔内非线性的管理，通过啁啾镜组实现对色散的管理；
S5、通过GTI反射镜I、GTI反射镜Ⅱ和GTI反射镜Ⅲ在锁模元件和高非线性介质上实现深度聚焦，获得光斑小，长焦深的径向光束；
S6、利用光栅波导输出耦合镜输出较为纯净的径向偏振光束；
S7、通过对输出激光的时域、频域和横模特性进行监测和反馈，以实现参数的最优化，最终获得中红外波段具有矢量特性的全固态飞秒激光的输出。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)获得了中红外波段周期量级的全固态超短脉冲。在通过锁模方法获得脉冲后，通过克尔介质实现非线性的管理，基于非线性光谱展宽获得周期量级超短脉冲，突破了增益介质本身带宽对脉冲宽度的限制，可直接获得脉冲宽度为2-6个光学周期的高信噪比超短脉冲。中红外波段周期量级的全固态超短脉冲在高精度激光医疗手术，超分辨率成像，量子通讯和阿秒光源等前沿领域具有广泛的应用。
(2)获得了具有超快特性的径向偏振矢量光束。首先通过环形光阑选出矢量光束，再通过啁啾镜进行色散补偿和GTI反射镜进行深聚焦，从而获得小光斑，长焦深的径向偏振矢量光束，最后通过设计光栅波导输出耦合镜对径向偏振和角向偏振光束不同的反射率，得到较为纯净的径向偏振矢量超快光束。矢量超快激光由于其长焦深、小光斑的聚焦特性，可应用于微观世界的超快动力学研究和超高功率激光放大器的种子源，极大推进激光器的发展进程。
附图说明
图1为本发明实施例1直接产生3μm波段超短激光脉冲的装置的腔形设计图；
图2为本发明实施例1直接产生3μm波段超短激光脉冲的装置的探测装置结构示意图；
图3为本发明装置中脉冲变化趋势示意图；
图4为本发明实施例1中获得的径向偏振矢量光束的相机图；
图5为本发明实施例1中获得的脉冲仿真模拟图；
图6为本发明实施例1中获得的光谱仿真模拟图；
图中1-激光器泵浦源，2-平凸镜Ⅰ，3-平凸镜Ⅱ，4-平凹镜Ⅰ，5-激光增益介质，6-环形光阑，7-平凹镜Ⅱ，8-GTI反射镜Ⅰ，9-高非线性介质，10-GTI反射镜Ⅱ，11-GTI反射镜Ⅲ，12-锁模元件，13-光栅波导输出耦合镜，14-反射镜Ⅰ，15-反射镜Ⅱ，16-透镜Ⅰ，17-偏振片，18-中红外相机CCD，19-透镜Ⅱ，20-超短激光脉冲测量仪FROG，21-中红外光谱仪。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
以直接产生3μm波段具有矢量特性的超短激光脉冲的装置为例，采用三焦点的激光腔结构，装置结构如图1所示，图中黑色箭头表示光束走向。具体包括：
泵浦源1，为商用化的高亮度976nm单模光纤激光器，功率为10w，光束质量M2＝1.05。为增益介质5提供产生3μm波段激光的泵浦；且提供高泵浦亮度缩小腔模以提升腔内非线性；且高亮度泵浦增益介质产生的热致双折射效应可获得径向偏振分量增益。
光学耦合聚焦系统，包括平凸镜Ⅰ2和平凸镜Ⅱ3，尺寸为1英寸，焦距为100mm，作用是聚焦光斑。
平凹镜Ⅰ4和平凹镜Ⅱ7，尺寸为1英寸。作为输入镜，在3μm波段反射率为98％以上，使激光在腔内谐振。
激光增益介质5是稀土离子掺杂的倍半氧化物陶瓷，具体为Er:Y2O3陶瓷，掺杂浓度具体为7％，具体尺寸为3mm*3mm*9mm，提供泵浦产生3μm波段激光的增益，具有声子能量低，阈值低的特点。高亮度泵浦增益介质2产生的热致双折射效应可获得径向偏振分量增益。
环形光阑6，采用可变光阑，最小零孔径，最大孔径
Figure BDA0002106104270000051
通过调节环的内外直径和纵向位置控制泵浦光与激光的模式匹配，通过调节腔长实现径向和角向偏振分量的增益选择，从而实现径向偏振和角向偏振矢量光束的选择性输出与能量比例控制。其中环形光阑6在腔内的位置灵活，可放在激光器泵浦源1和增益介质5之间，也可放在增益介质5之后，也可以放在光栅波导输出耦合镜13之前。
GTI反射镜I 8，GTI反射镜Ⅱ10和GTI反射镜Ⅲ11是偏振无关的反射镜，要求GTIM具有短焦距，高数值孔径以此获得小光斑、长焦深的光束分布以实现在锁模元件和克尔介质上的强聚焦，具体参数为焦距12.5mm，对应曲率半径为25mm，数值孔径0.4NA。通过设计GTIM反射镜的模层数和厚度对二阶色散和三阶色散的色散量和符号进行控制，实现色散的精确补偿，从而可对脉冲进行压缩。
高非线性介质9，采用分立式结构，材料选用3μm波段高非线性的各向同性的材料，具体可为Y2O3陶瓷材料。高非线性介质对腔内非线性进行管理从而实现非线性光谱的展宽。
锁模元件12，为3μm波段(2600-3000nm)的商用化半导体可饱和吸收镜(SESAM)，调制深度为1.2％，利用其可饱和吸收效应可产生3μm波段的锁模脉冲，且性能稳定。
光栅波导输出耦合镜13，选用反射式圆形光栅，其应满足在中红外对应波段，对于径向偏振光束反射率>95％，对于角向偏振光束反射率<70％，以便把径向偏振光束反射到腔内继续谐振，把角向偏振光束衍射损耗掉，作为输出耦合器，耦合效率为95％以上，即输出到腔外小于5％的激光用于监测，95％以上的激光用于腔内谐振，降低脉冲锁模阈值，同时增加腔内功率密度以此来增强非线性。
脉冲在腔内传输分别经历增益能量放大、非线性光谱展宽、色散补偿脉冲压缩、窄化脉冲输出、脉冲保持、增益窄化脉冲展宽(开始循环)等阶段。脉冲在腔内动力学演变的具体过程如图3所示。装置首先采用以大功率、高亮度单模光纤激光器泵浦源1和稀土离子掺杂的倍半氧化物陶瓷激光增益介质5为核心元件的增益模块实现3μm波段激光输出，第一个焦点位置在增益介质5上；其次通过锁模元件12可饱和吸收体实现3μm脉冲激光的输出，因为掺杂的增益介质5有限的增益带宽，使能量放大，脉冲窄化；通过高数值孔径的短焦距GTI反射镜在锁模元件12和高非线性介质9上实现深度聚焦，第二个焦点的位置在高非线性介质9上；高非线性介质9对非线性的调制使光谱展宽，从而获得光学周期量级脉冲宽度；其次通过啁啾镜组(GTI反射镜I 8，GTI反射镜Ⅱ10和GTI反射镜Ⅲ11)实现系统的色散管理；通过合理设计光栅波导输出耦合镜13选择出径向偏振光束，大部分留在腔内进行谐振，其余输出腔外进行检测。
上述直接产生3μm波段具有矢量特性的超短激光脉冲的装置可通过中红外相机CCD18(比利时Xenics公司)实时监测输出光束的空间强度分布，使其保证高纯度、窄环形的径向偏振激光输出；通过超短激光脉冲测量仪FROG 20(美国Mesa Photonics)和1.6-3.4μm的中红外光谱仪21(AQ6376)实时监测输出脉冲的脉宽和光谱。脉冲探测装置示意图如图2所示，图中黑色箭头表示光束走向。还包括：
反射镜Ⅰ14，反射镜Ⅱ15，透镜Ⅰ16和透镜Ⅱ19都是在3μm波段高反镜，反射率99.9％以上；作用是校对激光光路，以便于测量。
偏振片17，为可旋转的线性偏振片，具体可为PBS、拨片或格兰棱镜，通过旋转偏振片选择不同的偏振态，以测量输出在不同偏振态下的矢量光束CCD成像。
通过对输出激光的时域、频域和横模特性进行监测和反馈，以实现参数的最优化，最终获得中红外波段具有矢量特性的全固态飞秒激光的输出。
预计获得的径向偏振矢量光束CCD图如图4所示，黑色箭头表示偏振方向，模拟得出在不同偏振方向的径向偏振矢量光束；预计获得的径向偏振矢量光束脉冲图如图5所示；预计获得的径向偏振矢量光束光谱图如图6所示，光束传播截面的偏振态具有径向分布的特征。在仿真模拟中，设定的增益带宽为15nm。在低非线性强度下，由于自相位调制(SPM)强度很弱，输出脉冲的谱宽6.1nm，脉宽1ps，谱宽小于增益介质带宽(对应图5，图6曲线1)，这表明低功率的光在介质中近似线性传播，其获得脉冲的光谱宽度受到增益介质带宽的严格限制；当增加非线性强度至光斑直径为20μm(对应图5，图6曲线2)时，光谱展宽至27nm，已经超过设定的增益介质带宽(15nm)，这表明自相位调制已经产生新的频谱分量，在时域上脉冲压缩至260fs；进一步减小光斑直径至5mm(对应图5，图6曲线3，光斑直径20μm)，光谱带宽展宽至80nm，光谱上出现不对称的调制，这是高非线性下自相位调制和自变陡效应的典型体现，对应脉宽压缩至54fs(小于6个光学周期)，实现了脉冲光谱超过增益介质带宽5倍的展宽。
本发明方法和装置在中红外波段均适用，只需将激光器泵浦源和激光增益介质等换成相应波段，其他参数微调即可实现。

Claims (9)

1.一种产生中红外波段的矢量超短激光脉冲的装置，其特征在于，包括激光器泵浦源（1）、光学耦合聚焦系统、平凹镜Ⅰ（4）、激光增益介质（5）、环形光阑（6）、平凹镜Ⅱ（7）、高非线性介质（9）、锁模元件（12）、啁啾镜组、光栅波导输出耦合镜（13），所述啁啾镜组包括GTI反射镜I（8）、GTI反射镜Ⅱ（10）和GTI反射镜Ⅲ（11）；
激光器泵浦源（1），用于输出泵浦激光；
光学耦合聚焦系统，用于将激光器泵浦源（1）产生的泵浦激光聚焦到激光增益介质（5）上；
平凹镜Ⅰ（4），接收激光增益介质（5）产生的增益激光，用于同平凹镜Ⅱ（7）形成共焦谐振腔结构，
激光增益介质（5），接收光学耦合聚焦系统聚焦的泵浦激光，产生热致双折射效应，并产生中红外对应波段的激光，位置在光学耦合聚焦系统的焦点处；
环形光阑（6），具有双折射选模机制，控制激光与泵浦光的模式匹配，实现径向偏振和角向偏振矢量光束的选择性输出与能量比例控制；
平凹镜Ⅱ（7），接收激光增益介质（5）产生的增益激光，用于同平凹镜Ⅰ（4）形成共焦谐振腔结构，并反射到GTI反射镜I上；
GTI反射镜I（8），接收平凹镜Ⅱ（7）反射的增益激光，用于同GTI反射镜Ⅱ（10）形成共焦结构，在腔内提供负色散；
高非线性介质（9），用于对腔内非线性进行管理，实现非线性光谱的展宽，放置于GTI反射镜I（8）和GTI反射镜Ⅱ（10）的焦点；
GTI反射镜Ⅱ（10），接收透过高非线性介质（9）的激光，用于同GTI反射镜I（8）形成共焦结构，在腔内提供负色散，并反射到光栅波导输出耦合镜（13）上；
GTI反射镜Ⅲ（11），接收平凹镜Ⅰ（4）反射的增益激光，用于在腔内提供负色散，并反射到锁模元件（12）上；
锁模元件（12），用于启动中红外对应波段脉冲激光，位置在GTI反射镜Ⅲ（11）的焦点处；
光栅波导输出耦合镜（13），用于将径向偏振光束反射到腔内继续谐振，将角向偏振光束衍射损耗掉，并输出部分径向偏振超快激光用于检测。
2.根据权利要求1所述的一种产生中红外波段的矢量超短激光脉冲的装置，其特征在于，所述激光器泵浦源（1）为高功率高亮度的单模光纤激光器，其输出波长与激光增益介质材料的吸收波长相匹配。
3.根据权利要求1所述的一种产生中红外波段的矢量超短激光脉冲的装置，其特征在于，所述激光增益介质（5）为稀土离子掺杂的倍半氧化物陶瓷，基质材料为陶瓷或立方晶系的单晶，掺杂的稀土离子为Er3+、Tm3+、Ho3+中的一种。
4.根据权利要求1所述的一种产生中红外波段的矢量超短激光脉冲的装置，其特征在于，所述环形光阑（6）在腔内的位置灵活，放置在激光器泵浦源（1）和激光增益介质（5）之间，或者放置在激光增益介质（5）之后，或者放置在光栅波导输出耦合镜（13）之前。
5.根据权利要求1所述的一种产生中红外波段的矢量超短激光脉冲的装置，其特征在于，所述锁模元件（12）为半导体可饱和吸收镜，调制深度在0.5％～3%之间，工作波段在2μm～5μm之间。
6.根据权利要求1所述的一种产生中红外波段的矢量超短激光脉冲的装置，其特征在于，所述高非线性介质（9）采用分立式结构，材料选用中红外波段高透过率、高非线性折射率的各向同性的材料。
7.根据权利要求1所述的一种产生中红外波段的矢量超短激光脉冲的装置，其特征在于，所述GTI反射镜I（8）、GTI反射镜Ⅱ（10）和GTI反射镜Ⅲ（11）的数值孔径≥0.7 NA，焦距<20mm。
8.根据权利要求1所述的一种产生中红外波段的矢量超短激光脉冲的装置，其特征在于，所述光栅波导输出耦合镜（13）为反射式圆形光栅，其在中红外波段，对于径向偏振光束反射率>95%，对于角向偏振光束反射率<70%。
9.一种基于权利要求1至8任一项所述的装置产生中红外波段的矢量超短激光脉冲的方法，其特征在于，具体步骤为：
S1、采用以激光器泵浦源（1）和激光增益介质（5）为核心元件的增益模块实现中红外对应波段的激光输出，其中激光增益介质（5）产生的热致双折射效应获得径向偏振分量增益；
S2、利用锁模元件（12）启动脉冲；
S3、利用环形光阑（6）的双折射选模机制实现矢量光束的输出和控制，其中通过调节腔长实现径向和角向偏振分量的增益选择；
S4、通过高非线性介质（9）实现对腔内非线性的管理，通过啁啾镜组实现对色散的管理；
S5、通过GTI反射镜I（8）、GTI反射镜Ⅱ（10）和GTI反射镜Ⅲ（11）在锁模元件（12）和高非线性介质（9）上实现深度聚焦，获得光斑小，长焦深的径向光束；
S6、利用光栅波导输出耦合镜（13）输出较为纯净的径向偏振光束；
S7、通过对输出激光的时域、频域和横模特性进行监测和反馈，以实现参数的最优化，最终获得中红外波段具有矢量特性的全固态飞秒激光的输出。
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