CN111416264A - 一种差频产生中红外飞秒激光的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种差频产生中红外飞秒激光的方法及装置，属于超快激光技术领域，其基于被动同步Yb光纤与Er光纤飞秒激光差频产生中红外飞秒激光，包括步骤：将Yb光纤振荡器和Er光纤振荡器共用一单模光纤，以实现所述Yb光纤振荡器和所述Er光纤振荡器锁模后的飞秒脉冲序列同步；经放大、合并后注入至PPLN晶体中进行差频，以产生中红外飞秒激光。本发明提供的一种差频产生中红外飞秒激光的方法及装置，具有效率高，具有大功率输出的优点，而且稳定性和可靠性得到了改善，具有实现高平均功率飞秒中红外激光的优势，具有重要的应用价值和科学意义。

Description

一种差频产生中红外飞秒激光的方法及装置
技术领域
本发明涉及超快激光技术领域，特别是涉及一种差频产生中红外飞秒激光的方法及装置。
背景技术
波长范围在3～5μm的中红外激光由于处在大气窗口，对大雾、烟尘等具有较强的穿透力，在通信、环境探测、测距、激光雷达以及目标干扰等方面具有重要的应用。在这个波段的飞秒激光又由于具有高峰值功率，更有利于在大气中的传输和与物质相互作用，比如在大气中的成丝，高次谐波的产生等，所以发展中红外波段的飞秒激光脉冲具有重要的科学价值和应用前景。
目前能直接产生该波段的激光器只有掺Er的YAG晶体、氟化物晶体、化学材料等为数不多的几种激光材料，由于这些材料的光学性能不够理想、输出功率有限，因此针对该波段的激光器件多为采用常规激光泵浦的参量振荡和参量放大激光器，但由于需要近红外激光作为泵浦光源，造成参量激光复杂的结构、输出功率低、运行困难等缺点限制了其应用。
发明内容
本发明的一个目的是针对现有技术中存在的上述缺陷，提供一种差频产生中红外飞秒激光的方法，以提出一种中红外飞秒激光产生的新方法，解决当前中红外激光输出功率低，结构复杂，运行困难等缺点。
本发明的一个目的是针对现有技术中存在的上述缺陷，提供一种差频产生中红外飞秒激光的装置，以基于被动同步Yb光纤与Er光纤飞秒激光差频产生中红外飞秒激光的不同波长激光器。
特别地，本发明提供了一种差频产生中红外飞秒激光的方法，基于被动同步Yb光纤与Er光纤飞秒激光差频产生中红外飞秒激光，包括以下步骤：
将Yb光纤振荡器和Er光纤振荡器共用一单模光纤，以实现所述Yb光纤振荡器和所述Er光纤振荡器锁模后的飞秒脉冲序列同步；
经放大、合并后注入至PPLN晶体中进行差频，以产生中红外飞秒激光。
可选地，还包括步骤：
将差频产生的中红外飞秒激光注入到ZEBLAN光纤中进一步放大。
可选地，还包括步骤：
将差频产生的中红外飞秒激光经由氟化钙材料玻璃块进行压缩。
本发明还提供了一种差频产生中红外飞秒激光的装置，包括依次放置的Yb光纤飞秒振荡器、Er光纤飞秒振荡器、单模光纤、平移台、Yb光纤放大器、Er光纤放大器、第一压缩器、第二压缩器、激光合束镜片组、PPLN晶体、ZEBLAN(即采用ZEBLAN材料(zr,Ba,La,Al,Nd)为激光介质的非线性光纤激光器)光纤放大器、玻璃块压缩器；
所述Yb光纤飞秒振荡器，用于产生中心波长为1030nm的飞秒脉冲序列；
所述Er光纤飞秒振荡器，用于产生中心波长为1560nm的飞秒脉冲序列；
所述Yb光纤放大器，用于将Yb光纤飞秒振荡器输出的脉冲序列进行放大；
所述Er光纤放大器，用于将Er光纤飞秒振荡器输出的脉冲序列进行放大；
所述第一压缩器，用于将Yb光纤放大器放大后的激光进行压缩到飞秒脉冲宽度，即得到1030nm飞秒激光；
所述第二压缩器，用于将Er光纤放大器放大后的激光进行压缩到飞秒脉冲宽度，即得到1560nm飞秒激光；
所述激光合束镜片组，用于将所述1030nm飞秒激光和所述1560nm飞秒激光合束；
所述PPLN晶体，用于当所述1030nm飞秒激光和所述1560nm飞秒激光合并合束后，穿过所述PPLN晶体，以差频产生超短脉冲激光；
所述ZEBLAN光纤放大器，用于将所述超短脉冲激光进行放大；
所述玻璃块压缩器，用于将所述超短脉冲激光进行压缩以实现脉冲宽度为100fs量级的中红外激光输出。
可选地，所述激光合束镜片组包括第一1560nm反射镜、第二1560nm反射镜、第一1030nm反射镜、第一1560nm增透和1030nm高反射镜；
所述第一1560nm反射镜和第二1560nm反射镜，用于将所述1560nm飞秒激光反射到下一级；
所述第一1030nm反射镜，用于将所述1030nm飞秒激光反射到下一级；
所述第一1560nm增透和1030nm高反射镜，用于将所述1560nm飞秒激光穿过该镜片，而所述1030nm飞秒激光从该镜片前表面全反射，以将中心波长为1030nm和1560nm的两束飞秒激光合束。
可选地，所述Yb光纤飞秒振荡器，采用NPE锁模实现重复频率为40MHz的皮秒脉冲序列输出，其中心波长为1030nm；所述Er光纤飞秒振荡器，采用NPE锁模实现重复频率为40MHz的皮秒脉冲序列输出，其中心波长为1560nm。
可选地，所述Yb光纤振荡器与Er光纤振荡器共用一段单模光纤，两个振荡器的锁模激光脉冲都同时经过所述单模光纤；
所述Yb光纤振荡器的腔长固定，所述Er光纤振荡器的一端安装在所述平移台上，通过调节平移台改变所述Er光纤振荡器的腔长实现所述Yb光纤振荡器和所述Er光纤振荡器输出的锁模脉冲序列的同步。
可选地，所述第一1560nm反射镜和第二1560nm反射镜的表面镀有1560nm宽带高反膜；所述第一1030nm反射镜的表面镀有1030nm宽带高反膜；所述第一1560nm增透和1030nm高反射镜的表面镀有1030nm宽带高反膜和1560宽带高透膜。
可选地，所述ZEBLAN光纤为掺Er的ZEBLAN基底的光纤；
所述玻璃块压缩器为两块楔角玻璃块，材料为氟化钙，所述玻璃块压缩器的两端面镀有增透膜，其中一块楔角玻璃块安装在所述平移台上。
可选地，所述PPLN晶体的口径为10×1mm，长度3mm，极化间隔周期为29.52nm。
本发明提供的一种差频产生中红外飞秒激光的方法，提供了一种基于被动同步Yb光纤与Er光纤飞秒激光差频产生中红外飞秒激光的不同波长激光器的同步方案，利用Yb光纤振荡器和Er光纤振荡器通过一共用单模光纤实现被动同步后，在PPLN晶体差频产生波长为3.1μm的中红外波段高功率飞秒激光。
本发明提供的一种差频产生中红外飞秒激光的方法，基于被动同步Yb光纤与Er光纤飞秒激光差频产生中红外飞秒激光的技术方案，可以输出中心波长为3.1μm的飞秒激光，该飞秒激光光源在大气传输、光通信、污染检测等领域具有重要的应用。
本发明提供的一种差频产生中红外飞秒激光的方法，具有效率高，具有大功率输出的优点，而且稳定性和可靠性得到了改善，具有实现高平均功率飞秒中红外激光的优势，具有重要的应用价值和科学意义。
根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。
附图说明
后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：
图1为根据本发明的一种差频产生中红外飞秒激光的装置的结构示意图；
图2为根据图1所示的Er光纤振荡器产生的激光的示意图；
图3为根据图1所示的Yb光纤振荡器和Er光纤振荡器锁模输出的脉冲序列重复频率相同以实现两个振荡器输出脉冲同步的示意图；
图4为根据图1所示的差频产生的超短脉冲激光的示意图；
图5为根据图1所示的ZEBLAN光纤放大器进行放大的示意图。
具体实施方式
下面通过附图和实施方式对本发明专利做进一步说明。但本发明的保护方位并不局限于以下实例，应包含权利要求书中的全部内容。
本发明的发明人在研究中发现：差频过程与参量过程正好相反，是同时吸收两个光子合并为一个光子的过程，可以通过差频过程产生红外激光。另外，光纤激光由于光在光纤内传输，避免了外界气流的扰动和温度漂移带来的干扰，而且Yb光纤激光与Er光纤激光是非常成熟，可以实现高平均功率输出。
基于此，发明人将这两种激光通过被动同步方法实现同步锁定后，再进行差频正好可以产生中心波长为3.1μm的中红外飞秒激光。其具有效率高，相比较常规方案，由于不需要高非线性光纤的光谱展宽过程，不仅效率高，而且稳定性和可靠性得到了改善，具有实现高平均功率飞秒中红外激光的优势，具有重要的应用价值和科学意义。
图1为根据本发明的一种差频产生中红外飞秒激光的装置的结构示意图。如图1所示，本发明提供的一种差频产生中红外飞秒激光的方法，基于被动同步Yb光纤与Er光纤飞秒激光差频产生中红外飞秒激光，一般性地，可以包括以下步骤：
将Yb光纤振荡器和Er光纤振荡器共用一单模光纤，以实现所述Yb光纤振荡器和所述Er光纤振荡器锁模后的飞秒脉冲序列同步；
经放大、合并后注入至PPLN晶体中进行差频，以产生中红外飞秒激光。
具体地，还可以包括步骤：将差频产生的中红外飞秒激光注入到ZEBLAN光纤中进一步放大。
具体地，还可以包括步骤：将差频产生的中红外飞秒激光经由氟化钙材料玻璃块进行压缩。
如图1所示，本发明还提供了一种差频产生中红外飞秒激光的装置，一般性地，可以包括依次放置的Yb光纤飞秒振荡器1、Er光纤飞秒振荡器2、单模光纤3、平移台4、Yb光纤放大器5、Er光纤放大器6、第一压缩器7、第二压缩器8、激光合束镜片组(9、10、11、12)、PPLN晶体13、ZEBLAN光纤放大器14、玻璃块压缩器15。
具体地，Yb光纤飞秒振荡器1用于产生中心波长为1030nm的飞秒脉冲序列。Er光纤飞秒振荡器2用于产生中心波长为1560nm的飞秒脉冲序列。Yb光纤放大器5用于将Yb光纤飞秒振荡器1输出的脉冲序列进行放大。Er光纤放大器6用于将Er光纤飞秒振荡器2输出的脉冲序列进行放大。第一压缩器7，用于将Yb光纤放大器1放大后的激光进行压缩到飞秒脉冲宽度，即得到1030nm飞秒激光。第二压缩器8用于将Er光纤放大器2放大后的激光进行压缩到飞秒脉冲宽度，即得到1560nm飞秒激光。激光合束镜片组(9、10、11、12)用于将1030nm飞秒激光和1560nm飞秒激光合束。PPLN晶体13用于当1030nm飞秒激光和1560nm飞秒激光合并合束后，穿过PPLN晶体13，以差频产生超短脉冲激光。ZEBLAN光纤放大器14，用于将超短脉冲激光进行放大。玻璃块压缩器15，用于将超短脉冲激光进行压缩以实现脉冲宽度为100fs量级的中红外激光输出。
具体地，激光合束镜片组(9、10、11、12)包括第一1560nm反射镜9、第二1560nm反射镜10、第一1030nm反射镜11、第一1560nm增透和1030nm高反射镜12。第一1560nm反射镜9和第二1560nm反射镜10用于将1560nm飞秒激光反射到下一级。第一1030nm反射镜11用于将1030nm飞秒激光反射到下一级。第一1560nm增透和1030nm高反射镜12用于将1560nm飞秒激光穿过该镜片，而1030nm飞秒激光从该镜片前表面全反射，以将中心波长为1030nm和1560nm的两束飞秒激光合束。
Yb光纤飞秒振荡器1采用NPE锁模实现重复频率为40MHz的皮秒脉冲序列输出，其中心波长为1030nm。Er光纤飞秒振荡器2采用NPE锁模实现重复频率为40MHz的皮秒脉冲序列输出，其中心波长为1560nm。Yb光纤振荡器1与Er光纤振荡器2共用一段单模光纤3，两个振荡器的锁模激光脉冲都同时经过单模光纤3。Yb光纤振荡器1的腔长固定，Er光纤振荡器2的一端安装在平移台4上，通过调节平移台4改变Er光纤振荡器2的腔长实现Yb光纤振荡器1和Er光纤振荡器2输出的锁模脉冲序列的同步。
可选地，第一1560nm反射镜9和第二1560nm反射镜10的表面镀有1560nm宽带高反膜。第一1030nm反射镜11的表面镀有1030nm宽带高反膜。第一1560nm增透和1030nm高反射镜12的表面镀有1030nm宽带高反膜和1560宽带高透膜。
ZEBLAN光纤为掺Er的ZEBLAN基底的光纤。玻璃块压缩器15为两块楔角玻璃块，材料为氟化钙。玻璃块压缩器15的两端面镀有增透膜，其中一块楔角玻璃块安装在平移台4上。
更具体地，Yb光纤振荡器1，为一台输出中心波长为1030nm，重复频率为40MHz，平均功率为20mW，脉冲宽度为5皮秒的超短脉冲激光。
Er光纤振荡器2，为一台输出中心波长为1560nm，重复频率为40MHz，平均功率为15mW，脉冲宽度为2皮秒的超短脉冲激光。
单模光纤3，为芯径为5μm，长度100mm的单模光纤。单模光纤3是用于Yb光纤振荡器和Er光纤振荡器中的锁模激光脉冲共同经过的一段介质。
平移台4，大小为40×40mm，移动范围为12mm，精度小于1μm。
Yb光纤放大器5，为芯径大小10/125μm并掺Yb光纤，长度5米,用中心波长为976nm，功率为10W的泵浦源。
Er光纤放大器6，为芯径大小10/125μm，并掺Er光纤，长度5米，用中心波长为976nm，功率为15W的泵浦源。
第一压缩器7，为尺寸为50mm(长)×30mm(宽)×1mm(厚)的透射光栅，光栅刻线密度为1400线/mm，镀宽带从1000～1100nm的增透膜，一级衍射效率大于90％。
第二压缩器8，为尺寸为50mm(长)×30mm(宽)×1mm(厚)的透射光栅，光栅刻线密度为1400线/mm，镀宽带从1500～1600nm的增透膜，一级衍射效率大于90％。
第一1560nm激光反射镜9和第一1560nm激光反射镜10，尺寸为口径φ25mm×6mm，表面镀有对1500nm～1600nm高反的介质膜。第一1030nm激光反射镜11，尺寸为口径φ25mm×6mm，表面镀有对1000nm～1100nm高反的介质膜。第一1030nm增透和1550nm反射镜12，尺寸为口径φ25mm×6mm，表面镀有对1000nm～1100nm高透，对1500～1600nm高反的介质膜。
PPLN晶体13，口径10×1mm，长度3mm，极化间隔周期29.52nm，两端面镀1030nm、1560nm和3.1μm增透膜。
ZEBLAN光纤放大器14，芯径为30/250μm,掺Er，长度5米。采用功率为50W，中心波长为976nm泵浦光。
玻璃块压缩器15，口径10×10mm，长15mm，材料为CaF2，两端面镀3μm增透明，其中一个楔角玻璃安装在手动平移台上精确改变玻璃块插入量。
可选地，第一1560nm激光反射镜9和第一1560nm激光反射镜10，第一1030nm激光反射镜11和第一1030nm增透和1550nm反射镜12均为45°角设置。
可选地，平移台4为高精度手动平移台，用于将Er光纤端口安装在手动平移台上精确平移端口位置，从而精确改变腔长和激光重复频率。
下面结合实际使用时的具体实施例：
Yb光纤振荡器1产生脉冲宽度为5皮秒，中心波长为1030nm，重复频率为40MHz的激光脉冲。如图2所示；Er光纤振荡器产生脉冲宽度为2皮秒，中心波长为1560nm，重复频率大约为40MHz的激光。如图3所示；这两个振荡器的激光共同通过一单模光纤3，通过精确调节平移台4的位置，使得Yb光纤振荡器1和Er光纤振荡器2锁模输出的脉冲序列重复频率相同，就实现了两个振荡器输出脉冲的精确同步，同步精度小于1fs。如图4所示；从Yb光纤振荡器1输出的激光脉冲进入到Yb光纤放大器5进行进一步放大，并由1030nm压缩器7进行压缩到100fs；从Er光纤振荡器2输出的激光脉冲进入到Er光纤放大器6进行进一步放大；并由1560nm压缩器8进行压缩到100fs左右；从1560nm压缩器8输出的飞秒激光经过第一45°1560nm激光反射镜9、第二45°1560nm激光反射镜10的反射，从1030nm压缩器7输出的飞秒激光通过第一45°1030nm激光反射镜11反射，上述两个波长激光共同经过第一45°1030高反和1560nm高透激光反射镜12合束，并注入到PPLN晶体13实现差频产生波长3.1μm的激光。如图5所示；再由ZEBLAN光纤放大器14进行进一步放大，最后由玻璃块压缩器15进行压缩输出脉冲弄个宽度小于200fs,功率大于10W的中红外激光输出。
本发明提供的一种差频产生中红外飞秒激光的方法和装置，旨在提供一种基于被动同步Yb光纤与Er光纤飞秒激光差频产生中红外飞秒激光的不同波长激光器的同步方案。
本发明提供的一种差频产生中红外飞秒激光的方法和装置，旨在提供一种基于被动同步Yb光纤与Er光纤飞秒激光差频产生中红外飞秒激光的光参量放大器。
本发明提供的一种差频产生中红外飞秒激光的方法和装置，旨在提供一种基于被动同步Yb光纤与Er光纤飞秒激光差频产生中红外飞秒激光的超快光谱学。
本发明提供的一种差频产生中红外飞秒激光的方法和装置，基于被动同步Yb光纤与Er光纤飞秒激光差频产生中红外飞秒激光的技术方案，利用Yb光纤振荡器和Er光纤振荡器通过一共用单模光纤实现被动同步后，在PPLN晶体差频产生波长为3.1μm的中红外波段高功率飞秒激光。
本发明提供的一种差频产生中红外飞秒激光的方法和装置，提供了一种基于被动同步Yb光纤与Er光纤飞秒激光差频产生中红外飞秒激光的不同波长激光器的同步方案，利用Yb光纤振荡器和Er光纤振荡器通过一共用单模光纤实现被动同步后，在PPLN晶体差频产生波长为3.1μm的中红外波段高功率飞秒激光。
本发明提供的一种差频产生中红外飞秒激光的方法，基于被动同步Yb光纤与Er光纤飞秒激光差频产生中红外飞秒激光的技术方案，可以输出中心波长为3.1μm的飞秒激光，该飞秒激光光源在大气传输、光通信、污染检测等领域具有重要的应用。
本发明提供的一种差频产生中红外飞秒激光的方法，具有效率高，具有大功率输出的优点，而且稳定性和可靠性得到了改善，具有实现高平均功率飞秒中红外激光的优势，具有重要的应用价值和科学意义。
至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (10)

1.一种差频产生中红外飞秒激光的方法，其特征在于，基于被动同步Yb光纤与Er光纤飞秒激光差频产生中红外飞秒激光，包括以下步骤：
将Yb光纤振荡器和Er光纤振荡器共用一单模光纤，以实现所述Yb光纤振荡器和所述Er光纤振荡器锁模后的飞秒脉冲序列同步；
经放大、合并后注入至PPLN晶体中进行差频，以产生中红外飞秒激光。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括步骤：
将差频产生的中红外飞秒激光注入到ZEBLAN光纤中进一步放大。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括步骤：
将差频产生的中红外飞秒激光经由氟化钙材料玻璃块进行压缩。
4.一种差频产生中红外飞秒激光的装置，其特征在于，包括依次放置的Yb光纤飞秒振荡器、Er光纤飞秒振荡器、单模光纤、平移台、Yb光纤放大器、Er光纤放大器、第一压缩器、第二压缩器、激光合束镜片组、PPLN晶体、ZEBLAN光纤放大器、玻璃块压缩器；
所述Yb光纤飞秒振荡器，用于产生中心波长为1030nm的飞秒脉冲序列；
所述Er光纤飞秒振荡器，用于产生中心波长为1560nm的飞秒脉冲序列；
所述Yb光纤放大器，用于将Yb光纤飞秒振荡器输出的脉冲序列进行放大；
所述Er光纤放大器，用于将Er光纤飞秒振荡器输出的脉冲序列进行放大；
所述第一压缩器，用于将Yb光纤放大器放大后的激光进行压缩到飞秒脉冲宽度，即得到1030nm飞秒激光；
所述第二压缩器，用于将Er光纤放大器放大后的激光进行压缩到飞秒脉冲宽度，即得到1560nm飞秒激光；
所述激光合束镜片组，用于将所述1030nm飞秒激光和所述1560nm飞秒激光合束；
所述PPLN晶体，用于当所述1030nm飞秒激光和所述1560nm飞秒激光合并合束后，穿过所述PPLN晶体，以差频产生超短脉冲激光；
所述ZEBLAN光纤放大器，用于将所述超短脉冲激光进行放大；
所述玻璃块压缩器，用于将所述超短脉冲激光进行压缩以实现脉冲宽度为100fs量级的中红外激光输出。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述激光合束镜片组包括第一1560nm反射镜、第二1560nm反射镜、第一1030nm反射镜、第一1560nm增透和1030nm高反射镜；
所述第一1560nm反射镜和第二1560nm反射镜，用于将所述1560nm飞秒激光反射到下一级；
所述第一1030nm反射镜，用于将所述1030nm飞秒激光反射到下一级；
所述第一1560nm增透和1030nm高反射镜，用于将所述1560nm飞秒激光穿过该镜片，而所述1030nm飞秒激光从该镜片前表面全反射，以将中心波长为1030nm和1560nm的两束飞秒激光合束。
6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述Yb光纤飞秒振荡器，采用NPE锁模实现重复频率为40MHz的皮秒脉冲序列输出，其中心波长为1030nm；所述Er光纤飞秒振荡器，采用NPE锁模实现重复频率为40MHz的皮秒脉冲序列输出，其中心波长为1560nm。
7.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述Yb光纤振荡器与Er光纤振荡器共用一段单模光纤，两个振荡器的锁模激光脉冲都同时经过所述单模光纤；
所述Yb光纤振荡器的腔长固定，所述Er光纤振荡器的一端安装在所述平移台上，通过调节平移台改变所述Er光纤振荡器的腔长实现所述Yb光纤振荡器和所述Er光纤振荡器输出的锁模脉冲序列的同步。
8.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述第一1560nm反射镜和第二1560nm反射镜的表面镀有1560nm宽带高反膜；所述第一1030nm反射镜的表面镀有1030nm宽带高反膜；所述第一1560nm增透和1030nm高反射镜的表面镀有1030nm宽带高反膜和1560宽带高透膜。
9.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述ZEBLAN光纤为掺Er的ZEBLAN基底的光纤；
所述玻璃块压缩器为两块楔角玻璃块，材料为氟化钙，所述玻璃块压缩器的两端面镀有增透膜，其中一块楔角玻璃块安装在所述平移台上。
10.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述PPLN晶体的口径为10×1mm，长度3mm，极化间隔周期为29.52nm。
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