CN110492346B - 一种二阶非线性晶体的差频过程获取宽带光辐射的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种二阶非线性晶体的差频过程获取宽带光辐射的方法,属于产生宽带光辐射领域。根据所需辐射光的最短波长和最长波长分别计算非线性晶体的起始周期和终止周期;将非线性晶体的一端周期设置为起始周期,其另一端周期设置为终止周期;且沿着非线性晶体的一端到另一端,非线性晶体的极化周期变化率为正或负;将泵浦光和信号光入射到二阶非线性晶体中,通过差频过程获取光辐射;泵浦光和信号光具有相同的重复频率;泵浦光的频率等于信号光和闲频光的频率之和;本发明采用啁啾周期方法获取的准相位匹配二阶非线性晶体的增益带宽范围,可以通过极化周期范围来控制,且在不用调谐的情况下,可以基于差频过程获得带宽更宽的中红外光源。
Description
技术领域
本发明属于产生宽带光辐射领域,更具体地,涉及一种二阶非线性晶体的差频过程获取宽带光辐射的方法。
背景技术
一般把2微米-20微米的光谱区域称为中红外光谱区域。因为有大量的化学分子在中红外区域存在吸收峰,中红外区域也称为分子指纹区。中红外光源在气体检测,生物医疗,危险物品的非接触性检测,国防安全等等方面有着广泛的应用。中红外光源的获得是现在研究的一个热门课题,常见的方法包括量子级联激光器,光参量振荡器,差频产生等等。但是量子级联激光器产生的中红外光源带宽很窄,并且价格昂贵;光参量振荡器需要复杂的谐振腔结构;通过差频产生过程来获取中红外光源,既可以获得很宽的光谱带宽,又没有复杂的谐振腔结构。差频产生过程是现在最常用的获得中红外光源的方法。
差频产生(difference frequency generation,简称DFG)利用的是二阶非线性效应,该过程有两束入射激光:短波长的激光称为泵浦光,长波长的激光称为信号光,两束光在非线性晶体中由于二阶非线性效应的作用信号光会被放大,同时产生波长更长的新光束,称之为闲频光;泵浦光,信号光和闲频光满足能量守恒关系,泵浦光的频率等于信号光和闲频光的频率之和;因此,差频产生可以用于拓展激光辐射的输出波段,产生宽带的激光辐射;
差频产生没有谐振腔,没有阈值,是一种极其简单的波长转换方式。一般差频产生采用的非线性晶体是周期性极化的非线性晶体,例如:[F.C.Cruz,et al.“Mid-infraredoptical frequency combs based on difference frequency generation formolecular spectroscopy.”Optics express 23,20(2015)],但是周期性极化的非线性晶体具有非常有限的相位匹配带宽,很难获取一个高瞬时带宽的中红外光源,并且获取的中红外波段一般需要通过调谐的方式才能获得非常宽广的带宽,这种光源的使用相对复杂。
发明内容
针对现有技术的缺陷,本发明的目的在于提供一种二阶非线性晶体的差频过程获取宽带光辐射的方法,旨在解决现有的为了获取较宽带宽,采用差频产生获取的中红外波段需要调谐导致光源使用复杂的问题。
为实现上述目的,一方面,本发明提供了一种二阶非线性晶体的差频过程获取宽带光辐射的方法,包括:
(1)根据所需辐射光的带宽和中心波长,选择泵浦光和信号光带宽及中心波长;
且根据所需辐射光的最短波长和最长波长分别计算非线性晶体的起始周期和终止周期;
起始周期和终止周期具体通过公式Λ=1/(np/λp-ns/λs-ni/λi)计算;
其中Λ代表准相位匹配对应的极化周期,n代表折射率,λ代表波长,下标p,s,i分别代表泵浦光、信号光和闲频光;
(2)将非线性晶体的一端周期设置为起始周期,其另一端周期设置为终止周期;且沿着非线性晶体的一端到另一端,非线性晶体的极化周期变化率为正或负;
(3)将泵浦光和信号光入射到基于啁啾周期方法获取的准相位匹配的二阶非线性晶体中,通过调节泵浦光和信号光的相对时延,基于差频过程获取光辐射;
其中,光辐射中产生的新频率的光为闲频光;泵浦光和信号光具有相同的重复频率;泵浦光和信号光的相对时间延迟在预设范围内,且泵浦光和信号光的光斑在预设范围内重合。
优选地,泵浦光和信号光的走离小于等于二阶非线性晶体的长度。
优选地,通过时间延迟线调节泵浦光和信号光的相对时间延迟。
优选地,泵浦光和信号光的光斑尺寸相匹配。
优选地,使用双色镜将所述泵浦光和所述信号光的光斑实现空间重叠,重叠后的泵浦光和信号光采用聚焦镜聚焦。
另一方面,本发明提供了一种二阶非线性晶体,非线性晶体的一端周期为起始周期,其另一端周期为终止周期;且沿着非线性晶体的一端到另一端,非线性晶体的极化周期变化率为正或负;
其中,若起始周期大于终止周期,则非线性晶体的极化周期变化率为负;否则,非线性晶体的极化周期变化率为正;
优选地,非线性晶体为极化周期渐变的PPLN晶体。
通过本发明所构思的以上技术方案,与现有技术相比,能够取得以下有益效果:
(1)本发明与现有的差频产生过程相比,本发明采用啁啾周期方法获取的准相位匹配二阶非线性晶体的增益带宽范围可以通过极化周期范围控制,所以啁啾周期极化的二阶非线性晶体的相位匹配带宽可以根据人为需求选择;但是对于普通的二阶非线性晶体来说,相位匹配带宽是晶体本身决定的。当使用啁啾周期极化的二阶非线性晶体作为差频产生过程的二阶非线性晶体时,在不用调谐的情况下,可以获得带宽更宽的中红外光源。
(2)本发明采用差频产生过程产生宽带辐射光,其结构简单,没有谐振腔,设计成本低,易于实现小型化和实用化。
附图说明
图1是本发明提供的一种二阶非线性晶体的差频过程获取宽带中红外光源的方法结构示意图;
图2是实施例提供的线性啁啾周期性极化铌酸锂晶体的极化周期分布示意图;
图3是实施例提供的通过数值计算获取的闲频光;
标记说明:
1-掺铒锁模振荡器;2-光纤耦合器;3-第一掺铒光纤放大器;4-负色散高非线性光纤;5-掺镱纤放大器;6-第一非球面镜;7-波片;8-隔离器;9-光栅对;10-第一望远镜系统;11-双色镜;12-球面镜;13-第二掺铒光纤放大器;14-正色散高非线性光纤;15-第二非球面镜;16-时间延迟线;17-第二系统;18-线性啁啾PPLN晶体;19-氟化钙透镜;20-锗窗。
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。
一方面,本发明提供了一种二阶非线性晶体的差频过程获取宽带光辐射的方法,包括:
(1)根据所需光辐射光带宽和中心波长,选择泵浦光和信号光带宽及中心波长;
且根据所需光辐射最短波长和最长波长分别计算二阶非线性晶体的起始周期和终止周期;
起始周期和终止周期具体通过公式Λ=1/(np/λp-ns/λs-ni/λi)计算;
其中Λ代表准相位匹配对应的极化周期,n代表折射率,λ代表波长,下标p,s,i分别代表泵浦光、信号光和闲频光;
(2)将二阶非线性晶体的一端周期设置为起始周期,其另一端周期设置为终止周期;且沿着非线性晶体的一端到另一端方向,非线性晶体的极化周期变化率为正或负;
(3)将泵浦光和信号光入射到二阶非线性晶体中,通过调节泵浦光和信号光的相对时延,基于差频产生过程获取光辐射;
其中,光辐射中产生的新频率的光为闲频光;泵浦光和信号光具有相同的重复频率;泵浦光和信号光的相对时间延迟在预设范围内,且泵浦光和信号光的光斑在预设范围内重合。
优选地,泵浦光和信号光的走离小于等于二阶非线性晶体的长度。
优选地,通过时间延迟线调节泵浦光和信号光的相对时间延迟。
优选地,泵浦光和信号光的光斑尺寸相匹配。
优选地,使用双色镜将泵浦光和信号光的光斑实现空间重叠,重叠后的泵浦光和信号光采用聚焦镜聚焦。
另一方面,本发明提供了一种二阶非线性晶体,二阶非线性晶体的一端周期为起始周期,其另一端周期为终止周期;且沿着二阶非线性晶体的一端到另一端方向,二阶非线性晶体的极化周期变化率为正或负;
其中,若起始周期大于终止周期,则二阶非线性晶体的极化周期变化率为负;否则,二阶非线性晶体的极化周期变化率为正;
优选地,二阶非线性晶体为极化周期渐变的PPLN晶体。
实施例1
本发明使用线性啁啾PPLN晶体作为啁啾周期设计的准相位匹配二阶非线性晶体;来源于中心波长为1.56微米的脉冲激光器,经过光谱展宽至1.045微米,然后放大即可获得泵浦光;信号光也来源于中心波长为1.56微米的脉冲激光器,经放大并通过自相位调制效应来展宽其带宽;泵浦光和信号光经过一系列的光学元件调节之后入射到线性啁啾PPLN晶体,从而获得2.5微米-5微米的中红外光源。这种差频产生的方案结构相对简单,易于实现小型化和实用化。
如图1所示,通过基于线性啁啾PPLN的差频产生获得宽带中红外光源的系统,包括:掺铒锁模振荡器1,光纤耦合器2,第一掺铒光纤放大器3,负色散高非线性光纤4,掺镱光纤放大器5,第一非球面镜6,波片7,隔离器8,光栅对9,望远镜系统10,双色镜11,球面镜12,第二掺铒光纤放大器13,正色散高非线性光纤14,第二非球面镜15,时间延迟线16,望远镜系统17,线性啁啾PPLN晶体18,氟化钙透镜19,锗窗20。
掺铒锁模振荡器1发射的中心波长1560nm的脉冲作为整个系统的种子源,该种子源被光纤耦合器2分成两路,两路分别由第一铒光纤放大器3第二掺铒光纤放大器13放大。其中一路放大之后的光进入负色散高非线性光纤4,产生超连续谱,将超连续谱中位于1045nm处的色散波通过掺镱光纤放大器5进行放大,由光纤输出,经过第一非球面镜6准直,波片7调节偏振态,然后经过隔离器8,接着通过光栅对9压缩,得到差频产生过程的泵浦光,泵浦光经过第一望远镜系统10准直;另外一路放大之后的光进入正色散高非线性光纤14,将该光进行光谱展宽,由光纤输出,经过第二非球面镜15准直之后作为信号光,信号光经过时间延迟线16,然后第二望远镜系统17准直;准直的泵浦光和信号光通过双色镜11在空间上实现重合,重合之后的光通过球面镜12聚焦后入射到线性啁啾PPLN晶体18产生闲频光;然后通过氟化钙透镜19准直,通过锗窗20过滤掉闲频光以外的其他光,从而获得2.5微米-5微米的中红外激光。
实施例中使用同一种子源产生泵浦光和信号光保证了泵浦光和信号光具有相同的重复频率。
实施例中氟化钙透镜作为中红外准直透镜。
上面所描述的是具体的实施方案,下面结合一个数值模拟的例子加以说明。
选用的线性啁啾周期性极化铌酸锂晶体的极化周期分布如图2所示,晶体总长度为2mm。泵浦光和信号光都来自于同一个锁模激光器,重复频率为51MHz。所用泵浦光中心波长为1045nm,脉冲宽度为240fs,10dB带宽光谱范围为1026nm-1065nm;所选用信号光中心波长为1560nm,脉冲宽度为42fs,10dB带宽光谱范围为1348nm-1852nm;泵浦光和信号光的相对时延为100fs,泵浦光超前。这两束光经过一系列的光束变换之后在晶体中的光斑半径大小为30微米。泵浦光和信号光在晶体中进行差频产生过程,获得的闲频光如图3所示,闲频光10dB带宽光谱范围为2520nm-4113nm。
综上所述,本发明与现有的差频产生过程相比,本发明采用啁啾周期方法获取的准相位匹配的二阶非线性晶体的增益带宽范围可以通过极化周期范围控制,所以啁啾周期极化的二阶非线性晶体的相位匹配带宽可以根据人为需求来设计;但是对于普通的二阶非线性晶体来说,相位匹配带宽是晶体本身决定的。当使用啁啾周期极化的二阶非线性晶体作为差频产生过程的二阶非线性晶体时,在不用调谐的情况下,可以获得带宽更宽的中红外光源。
本发明采用差频产生过程产生宽带辐射光,其结构简单,没有谐振腔,设计成本低,易于实现小型化和实用化。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)
1.一种二阶非线性晶体的差频过程获取宽带光辐射的方法,其特征在于,包括:
(1)根据所需光辐射的带宽和中心波长,选择泵浦光和信号光带宽及中心波长;
且根据所需光辐射最短波长和最长波长分别计算二阶非线性晶体的起始周期和终止周期;
(2)将所述二阶非线性晶体的一端周期设置为起始周期,其另一端周期设置为终止周期;且沿着非线性晶体的一端到另一端方向,非线性晶体的极化周期变化率为正或负;
(3)将所述泵浦光和所述信号光入射到二阶非线性晶体中,通过调节所述泵浦光和所述信号光的相对时延,基于差频产生过程获取光辐射;
其中,所述泵浦光和信号光具有相同的重复频率;所述泵浦光和所述信号光的相对时间延迟在预设范围内,且所述泵浦光和所述信号光的光斑在预设范围内重合;
所述起始周期和终止周期通过公式Λ=1/(np/λp-ns/λs-ni/λi)计算;
其中Λ代表准相位匹配对应的极化周期,n代表折射率,λ代表波长,下标p,s,i分别代表泵浦光、信号光和闲频光。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述泵浦光和信号光的走离小于二阶非线性晶体的长度。
3.根据权利要求1或2所述的方法,其特征在于,通过时间延迟线调节所述泵浦光和所述信号光的相对时间延迟。
4.根据权利要求1或2所述的方法,其特征在于,使用双色镜将所述泵浦光和所述信号光的光斑实现空间重叠,重叠后的泵浦光和信号光采用聚焦镜聚焦。
5.根据权利要求4所述的方法,其特征在于,所述泵浦光和所述信号光的光斑尺寸相匹配。
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