CN111711058A - 一种基于Mamyshev振荡器差频的紧凑型可调谐红外激光器 - Google Patents
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Abstract
一种基于Mamyshev振荡器差频的紧凑型可调谐红外激光器，包括：高功率Mamyshev振荡器和差频产生模块；高功率输出Mamyshev振荡器并设有两个输出端口，所述Mamyshev振荡器包括起振光模块、第一滤波分光模块和第二滤波分光模块；所述高功率输出Mamyshev振荡器的两路输出口；差频产生模块设有两路输入端口，分别为所述高功率输出Mamyshev振荡器的两路输出端口，通过第二合束器合为一束，第二合束器后依次紧接准直器、半波片、聚焦透镜、红外非线性晶体、聚焦透镜和滤波片，形成所述差频产生模块。发明提供的方法简单、可靠，是一种构建可调谐红外光源的理想方案。
Description
技术领域：
本发明涉及振荡器差频红外激光系统，尤其是一种基于Mamyshev振荡器差频的紧凑型可调谐红外激光器，该装置能够实现高能量、大范围波长调谐红外激光输出。
背景技术：
近年来，灵敏、快速的多气体分析光谱系统得到快速发展，主要得益于其在医疗诊断、环境和物理科学、工业以及国土安全方面的大量应用。但是，由于缺少商用的红外脉冲激光源，尤其是对应于很多化学分子吸收峰的分子“指纹”光谱区域(6-20μm)的高峰值功率激光源，一定程度上制约了气体分析光谱系统的发展。目前，非线性光学频率变换技术仍然是获得高峰值功率中红外激光源的主流技术方案，包括光参量振荡器(OPOs)和差频产生(DFG)等。光参量振荡器作为一种宽调谐相干光源，克服了固体和气体激光器输出波长的局限性，可以在一个很宽的范围内实现调谐，是产生从紫外到远红外波段可调谐激光的重要技术手段之一。然而，光参量振荡器在应用上的缺点也很明显，比如谐振腔设计所带来的结构复杂性、相对有限的振荡光谱范围以及严苛的相位匹配条件。这导致光参量振荡器的使用和维护成本较高。相反，非线性光学差频产生由于不涉及复杂的谐振腔设计，是获取宽光谱范围、低成本、便携式的可调谐中红外激光源的最常用技术手段。
差频过程属于典型的非线性光学现象，可以描述为光在介质中引起的极化响应过程和介质的辐射过程，伴随着一个高频率光子的湮灭，同时产生两个低频率的光子。在实际应用中，高频的泵浦光ωpump(ωpump-ωsignal＝ωidler)、低频的信号光ωsignal作为输入光，共同作用到非线性晶体上，产生新的更低频率的闲频光ωidler，使其获得相应的增益，从而实现拓展光谱的目的。
CN110571635A公开了一种Mamyshev型超短脉冲激光振荡器及起振方法，其中，第一泵浦激光器和第二泵浦激光器通电后，第一回路的起振辅助电路产生初始超短脉冲，初始超短脉冲通过第一光纤分束器进入第二回路，脉冲在第二回路起振后，脉冲在第二回路运行，解决了Mamyshev振荡器无法自启动的问题，实现了Mamyshev振荡器的自启动。
对于基于差频产生方法的红外激光源，为了实现覆盖分子“指纹”区域的光谱范围，需要泵浦光和信号光的光子能量接近且具有足够的调谐能力。目前，提供泵浦光和信号光的常用技术方案是：单一波长高能量激光源作为泵浦光，超连续谱光源配合可调滤波器作为信号光。该技术方案在整体结构上仍然相对复杂，无法提供便携式的应用需求。
发明内容：
为解决以上的技术问题，本发明目的上，提出一种基于Mamyshev振荡器差频的紧凑型可调谐红外激光器。该光源能够实现波长可调谐红外激光输出，且结构简单，调谐方便，具有极高的性价比，必将助力多分子分析光谱系统的发展。
本发明的技术解决方案如下：一种基于Mamyshev振荡器差频的紧凑型可调谐红外激光器，包括：高功率Mamyshev振荡器和差频产生模块。高功率输出Mamyshev振荡器并设有两个输出端口，所述Mamyshev振荡器包括起振光模块、第一滤波分光模块和第二滤波分光模块；
由脉冲种子源15、光电开关14和第三隔离器13依次连接形成所述起振光模块；泵浦源1、合束器2、增益光纤3、隔离器4、滤波器5和耦合器6依次连接形成所述第一滤波分光模块；所述耦合器6设有两个输入端口和两个输出端口，其中一个输入端连接所述滤波器5的输出端，另外一个输入端与所述起振光模块中的第三隔离器13的输出端相连；第二泵浦源7、合束器8、第二增益光纤9、第二隔离器10、第二滤波器11和第二耦合器12依次连接形成所述第二滤波分光模块，所述第二耦合器12设有一个输入端口和两个输出端口，其输入端与所述第二滤波器11的输出端相连；所述合束器8的信号输入端和所述耦合器6的其中一个输出端相连，所述合束器2的信号输入端和所述第二耦合器12的其中一个输出端相连，从而形成闭合回路，构成所述高功率输出Mamyshev振荡器，在所述起振光模块的作用下，维持脉冲运转；
所述耦合器6和所述第二耦合器12的各自的第二个输出端口作为所述高功率输出Mamyshev振荡器的两路输出口；
差频产生模块设有两路输入端口，分别为所述高功率输出Mamyshev振荡器的两路输出端口，通过第二合束器16合为一束，第二合束器16后依次紧接准直器17、半波片18、聚焦透镜19、红外非线性晶体20、聚焦透镜21和滤波片22，形成所述差频产生模块。
本发明使用高功率Mamyshev振荡器的两路输出作为泵浦光和信号光，共同作用于红外非线性晶体，利用非线性差频效应，实现可调谐红外脉冲激光输出。将高能量Mamyshev振荡器的两路输出分别作为差频产生模块的泵浦光和信号光，依托Mamyshev振荡器的脉冲生成机制，调整振荡器内两个滤波器的工作波长间隔与滤波器带宽，使振荡器输出两束高能量、窄脉宽且相干性极好的超短脉冲激光。两束激光作用于红外非线性晶体，通过非线性差频效应实现红外激光输出。此外，微调Mamyshev振荡器中的任意一个滤波器的中心波长以及滤波带宽，可对差频产生的红外激光的波长和脉宽进行灵活调节。该紧凑型红外激光器将成为光谱分析系统的理想光源。
进一步，所述的脉冲种子源15为主动或被动方式产生的脉冲光源，其工作波长在上述的第二增益光纤9的增益光谱范围内。该增益光谱范围取决于增益光纤类型，通常在几十到几百纳米。
进一步，所述的光电开关14为声光调制器或电光调制器，接通电源时处于通光状态，配合上述脉冲种子源15实现Mamyshev振荡器脉冲运转；振荡器启动后，关闭所述脉冲种子源15和光电开关14。
进一步，所述滤波器5和所述第二滤波器11的工作波长分别在第二增益光纤9和增益光纤3的增益光谱范围内，且所述滤波器5和所述第二滤波器11的工作波长不同，用于抑制连续光成份。
进一步，所述滤波器5和所述第二滤波器11的工作波长和工作带宽可通过手动或电动方式调节，足够大的波长和带宽调谐范围，确保高能量超短脉冲输出。
进一步，所述的增益光纤3和第二增益光纤9为同种稀土掺杂光纤且具有宽增益光谱宽度，所述稀土掺杂光纤包括以下光纤之一：掺铒光纤、掺铥光纤、掺钬光纤以及铥钬共掺光纤。
进一步，增益光纤3、隔离器4之间设有高非线性光纤23，第二增益光纤9、第二隔离器10之间设有第二高非线性光纤24、所所述第二高非线性光纤24可以是普通硅基单模高非线性光纤(HNLF)或者单模高非线性光子晶体光纤(HNL-PCF)，依托多种非线性光学效应，实现波长变换。
进一步，所述高功率输出Mamyshev振荡器的光路采用全保偏光纤结构或者非保偏光纤结构。
进一步，所述合束器16、所述准直器17、所述半波片18和所述聚焦透镜19的工作带宽能够覆盖所述滤波器5和所述第二滤波器11的工作区间。
进一步，所述聚焦透镜19和所述准直透镜21均为消色差双胶合透镜。
进一步，所述红外非线性晶体20选择ZnGeP2(ZGP)、AgGaSe2、GaAs、OP-GaP或者GaSe晶体，其厚度T范围为0.1-100mm。
进一步，所述准直透镜21为硒化锌(ZnSe)或硫化锌(ZnS)消色差胶合透镜。所述滤波片22为红外长通或带通滤光片。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1、本发明巧妙地采用高功率Mamyshev振荡器的两路输出作为差频产生的泵浦光和信号光。由于两束激光来源于同一个振荡器，因此具有极好的相干性，有利于提高红外激光输出效率。尤其是产生了红外激光。
2、本发明可通过调节Mamyshev振荡器中的任意一个滤波器的中心波长以及滤波带宽，有效调节差频产生的红外激光的波长和脉宽，大大提升系统的灵活性。
3、本发明所提供的技术方案不仅能够实现波长可调谐红外激光输出，而且结构简单，调谐方便，具有极高的性价比，必将助力多分子分析光谱系统的发展。
附图说明：
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1：基于Mamyshev振荡器差频的紧凑型可调谐红外激光器的结构实施例一；
图2：基于Mamyshev振荡器差频的紧凑型可调谐红外激光器的结构另一实施例；
图3：差频产生可调谐红外激光的原理图，有三种波长输出。
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。
结合图1，一种基于Mamyshev振荡器差频的紧凑型可调谐红外激光器主要包括：高功率Mamyshev振荡器和差频产生模块。
高功率输出Mamyshev振荡器设有两个输出端口，包括起振光模块、第一滤波分光模块和第二滤波分光模块；
脉冲种子源15、光电开关14和第三隔离器13依次连接形成起振光模块；泵浦源1、合束器2、增益光纤3、隔离器4、滤波器5和耦合器6依次连接形成第一滤波分光模块，其中耦合器6设有两个输入端口和两个输出端口，其中一个输入端连接滤波器5的输出端，另外一个输入端与起振光模块中的第三隔离器13的输出端相连；第二泵浦源7、合束器8、第二增益光纤9、第二隔离器10、第二滤波器11和第二耦合器12依次连接形成第二滤波分光模块，其中第二耦合器12设有一个输入端口和两个输出端口，其输入端与第二滤波器11的输出端相连；第二泵浦源参数的选择：取决于所用的增益光纤。使用掺镱和掺铒的增益光纤，泵浦源参数均为：波长-972nm、功率1-10W、连续工作；使用掺铥增益光纤，泵浦源参数为：波长-973nm、功率1-10W、连续工作。
合束器8的信号输入端和耦合器6的其中一个输出端相连，合束器2的信号输入端和第二耦合器12的其中一个输出端相连，从而形成闭合回路，构成高功率输出Mamyshev振荡器，在起振光模块的作用下，维持脉冲运转；
耦合器6和第二耦合器12的各自第二个输出端口作为高功率输出Mamyshev振荡器的两路输出口。
差频产生模块，其设有两路输入端口，分别为上述高功率输出Mamyshev振荡器的两路输出端口，通过合束器16合为一束，其后紧接准直器17、半波片18、聚焦透镜19、非线性晶体20、准直透镜21和滤波片22，形成所述差频产生模块。
结合图2，一种基于Mamyshev振荡器差频的紧凑型可调谐红外激光器主要包括：高功率Mamyshev振荡器和差频产生模块。
高功率输出Mamyshev振荡器设有两个输出端口，包括起振光模块、第一滤波分光模块和第二滤波分光模块；
脉冲种子源15、光电开关14和第三隔离器13依次连接形成起振光模块；泵浦源1、合束器2、增益光纤3、高非线性光纤23、隔离器4、滤波器5和耦合器6依次连接形成第一滤波分光模块，其中耦合器6设有两个输入端口和两个输出端口，其中一个输入端连接滤波器5的输出端，另外一个输入端与起振光模块中的第三隔离器13的输出端相连；第二泵浦源7、合束器8、第二增益光纤9、第二高非线性光纤24、第二隔离器10、第二滤波器11和第二耦合器12依次连接形成第二滤波分光模块，其中第二耦合器12设有一个输入端口和两个输出端口，其输入端与第二滤波器11的输出端相连；
合束器8的信号输入端和耦合器6的其中一个输出端相连，合束器2的信号输入端和第二耦合器12的其中一个输出端相连，从而形成闭合回路，构成高功率输出Mamyshev振荡器，在起振光模块的作用下，维持脉冲运转；
耦合器6和第二耦合器12的各自第二个输出端口作为高功率输出Mamyshev振荡器的两路输出口。
差频产生模块，其设有两路输入端口，分别为上述高功率输出Mamyshev振荡器的两路输出端口，通过合束器16合为一束，其后紧接准直器17、半波片18、聚焦透镜19、非线性晶体20、准直透镜21和滤波片22，形成所述差频产生模块。
结合图3，更为直观地给出本发明的创新之处，高能量Mamyshev振荡器的两束激光直接泵浦红外非线性晶体，通过非线性差频效应实现红外激光输出。令第一滤波分光模块输出激光为高频泵浦光(ωpump)，第二滤波分光模块输出激光为低频信号光(ωsignal)，共同经过非线性晶体后，差频产生更低频率的闲频光(ωidler)，各激光束频率满足ωpump＝ωsignal+ωidler。此外，微调Mamyshev振荡器中的第一个滤波器的中心波长以及滤波带宽，可对差频产生的红外激光的波长和脉宽进行灵活调节，实现高能量可调谐红外激光输出。增益光纤以及滤波器共同决定着最后输出红外激光的波长，该波长范围一般在7-20μm。
下面根据具体应用的场景对本实施案例进行详细说明。
在图1实施例中，脉冲种子源15为1550nm增益开关或者被动锁模脉冲源，为Mamyshev振荡器提供初始脉冲；光电开关14为声光调制器，可通过外部驱动电路控制其是否通光；第三隔离器13中心波长为1550nm，保证激光单向运转。
泵浦源1和第二泵浦源7为带尾纤输出的多模半导体激光器，其中心波长为974nm，最高输出功率10W。
合束器2和合束器8均为980/1550nm合束器；隔离器4和第二隔离器10的隔离度大于30dB；耦合器6和第二耦合器12的输出耦合比均为0.4:0.6，其中40％作为输出端；以上器件的工作波长范围均为1500-1650nm。
增益光纤3和第二增益光纤9为正色散掺铒光纤，长度为10m。
滤波器5的中心波长为1500nm，3dB光谱宽度为20nm；第二滤波器11的中心波长为1625nm，3dB光谱宽度为20nm，宽的滤波带宽用以支撑飞秒脉冲输出。
以上器件相互之前通过光纤连接，共同组成高功率Mamyshev振荡器。
合束器16为2X1器件，将高功率Mamyshev振荡器的两路输出合为一束，连接准直器17，为差频产生提供泵浦光和信号光，在工作波长1500-1650nm内，合束效率大于90％。
半波片18的有效波长范围覆盖1500-1625nm，用以优化可调谐红外脉冲输出。
聚焦透镜19为消色差双胶合透镜，增透膜为1050-1700nm。
非线性晶体20选择3mm厚GaSe薄片。
聚焦透镜21为硒化锌(ZnSe)消色差双胶合透镜。
滤光片22为锗(Ge)窗口滤波片，滤除泵浦光和信号光。
以上器件依次连接，组成差频产生模块，与高功率Mamyshev振荡器一起，共同形成高能量可调谐红外激光器。
在图2实施例中，脉冲种子源15为2000nm增益开关或者被动锁模脉冲源，为Mamyshev振荡器提供初始脉冲；光电开关14为声光调制器，可通过外部驱动电路控制其是否通光；第三隔离器13中心波长为2000nm，保证激光单向运转。
泵浦源1和第二泵浦源7为带尾纤输出的多模半导体激光器，其中心波长为793nm，最高输出功率10W。
合束器2和合束器8均为793/2000nm合束器；隔离器4和第二隔离器10的隔离度大于30dB；耦合器6和第二耦合器12的输出耦合比均为0.4:0.6，其中40％作为输出端；以上器件的工作波长范围均为1850-2300nm。
增益光纤3和第二增益光纤9为正色散掺铥光纤，长度为5m。
高非线性光纤23和第二高非线性光纤24为普通硅基单模高非线性光纤(HNLF,ofs)，进一步展宽光谱。
滤波器5的中心波长为1850nm，3dB光谱宽度为20nm；第二滤波器11的中心波长为2250nm，3dB光谱宽度为20nm，宽的滤波带宽用以支撑飞秒脉冲输出。
以上器件相互之前通过光纤连接，共同组成高功率Mamyshev振荡器。
合束器16将高功率Mamyshev振荡器的两路输出合为一束，连接准直器17，为差频产生提供泵浦光和信号光，在工作波长1850-2300nm内，合束效率大于90％。
半波片18的有效波长范围覆盖1850-2250nm，用以优化可调谐红外脉冲输出。
聚焦透镜19为红外空气间隔消色差双合透镜，增透膜为1650-3000nm。
非线性晶体20选择AgGaSe2非线性晶体。
聚焦透镜21为硒化锌(ZnSe)消色差双胶合透镜。
滤光片22为锗(Ge)窗口滤波片，滤除泵浦光和信号光。
以上器件依次连接，组成差频产生模块，与高功率Mamyshev振荡器一起，共同形成高能量可调谐红外激光器。
综上，本发明提供了一种基于Mamyshev振荡器差频的紧凑型可调谐红外激光器，利用高能量Mamyshev振荡器的两束输出直接泵浦红外非线性晶体，差频产生红外激光输出。同时，微调Mamyshev振荡器中的滤波器参数，可对红外激光的波长和脉宽进行灵活调节，实现高能量可调谐红外激光激光输出。该红外激光器系统结构简单，调谐方便，具有极高的性价比，必将助力多分子分析光谱系统的发展。
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 (10)
1.一种基于Mamyshev振荡器差频的紧凑型可调谐红外激光器，其特征在于，包括：高功率Mamyshev振荡器和差频产生模块；高功率输出Mamyshev振荡器并设有两个输出端口，所述Mamyshev振荡器包括起振光模块、第一滤波分光模块和第二滤波分光模块；由脉冲种子源、光电开关和第三隔离器依次连接形成所述起振光模块；泵浦源、合束器、增益光纤、隔离器、滤波器和耦合器依次连接形成所述第一滤波分光模块；所述耦合器设有两个输入端口和两个输出端口，其中一个输入端连接所述滤波器的输出端，另外一个输入端与所述起振光模块中的第三隔离器的输出端相连；第二泵浦源、合束器、第二增益光纤、第二隔离器、第二滤波器和第二耦合器依次连接形成所述第二滤波分光模块，所述第二耦合器设有一个输入端口和两个输出端口，其输入端与所述第二滤波器的输出端相连；所述合束器的信号输入端和所述耦合器的其中一个输出端相连，所述合束器的信号输入端和所述第二耦合器的其中一个输出端相连，从而形成闭合回路，构成所述高功率输出Mamyshev振荡器，在所述起振光模块的作用下，维持脉冲运转；
所述耦合器和所述第二耦合器的各自的第二个输出端口作为所述高功率输出Mamyshev振荡器的两路输出口；
差频产生模块设有两路输入端口，分别为所述高功率输出Mamyshev振荡器的两路输出端口，通过第二合束器合为一束，第二合束器后依次紧接准直器、半波片、聚焦透镜、红外非线性晶体、聚焦透镜和滤波片，形成所述差频产生模块。
2.根据权利要求1所述的一种基于Mamyshev振荡器差频的紧凑型可调谐红外激光器，其特征在于，所述脉冲种子源为主动或被动方式产生的脉冲光源，其工作波长在所述第二增益光纤的增益光谱范围内；所述滤波器和所述第二滤波器的工作波长分别在第二增益光纤和增益光纤的增益光谱范围内，且所述滤波器和所述第二滤波器的工作波长不同，用于抑制连续光成份。
3.根据权利要求1所述的一种基于Mamyshev振荡器差频的紧凑型可调谐红外激光器，其特征在于，所述光电开关为声光调制器或电光调制器。
根据权利要求1所述的一种基于Mamyshev振荡器差频的紧凑型可调谐红外激光器，其特征在于，所述滤波器和所述第二滤波器的工作波长和工作带宽能通过手动或电动方式调节。
4.根据权利要求1所述的一种基于Mamyshev振荡器差频的紧凑型可调谐红外激光器，其特征在于，所述的增益光纤和第二增益光纤为同种稀土掺杂光纤且具有宽增益光谱宽度，所述稀土掺杂光纤包括以下光纤之一：掺铒光纤、掺铥光纤、掺钬光纤以及铥钬共掺光纤。
5.根据权利要求1所述的一种基于Mamyshev振荡器差频的紧凑型可调谐红外激光器，其特征在于，增益光纤、隔离器之间设有高非线性光纤，第二增益光纤、第二隔离器之间设有第二高非线性光纤、所述所述第二高非线性光纤是普通硅基单模高非线性光纤(HNLF)或者单模高非线性光子晶体光纤(HNL-PCF)。
6.根据权利要求1所述的一种基于Mamyshev振荡器差频的紧凑型可调谐红外激光器，其特征在于，所述高功率输出Mamyshev振荡器的光路采用全保偏光纤结构或者非保偏光纤结构。
7.根据权利要求1所述的一种基于Mamyshev振荡器差频的紧凑型可调谐红外激光器，其特征在于，所述第二合束器、所述准直器、所述半波片和所述聚焦透镜的工作带宽能够覆盖所述滤波器和所述第二滤波器的工作区间。
8.根据权利要求1所述的一种基于Mamyshev振荡器差频的紧凑型可调谐红外激光器，其特征在于，所述聚焦透镜和所述准直透镜均为消色差双胶合透镜。
9.根据权利要求1所述的一种基于Mamyshev振荡器差频的紧凑型可调谐红外激光器，其特征在于，所述红外非线性晶体选择ZnGeP2(ZGP)、AgGaSe2、GaAs、OP-GaP或者GaSe晶体，其厚度T范围为0.1-100mm。
10.根据权利要求1所述的一种基于Mamyshev振荡器差频的紧凑型可调谐红外激光器，其特征在于，所述准直透镜为硒化锌(ZnSe)或硫化锌(ZnS)消色差胶合透镜。所述滤波片为红外长通或带通滤光片。
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