CN111712760A - 具有平坦输出光谱的超宽带中红外激光器 - Google Patents
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Abstract
本文描述了一种宽带中红外激光器，该激光器使用硒化镓(GaSe)晶体进行光学参量放大。具体地，由中红外泵和信号泵浦的光学参量放大器被配置成发射波长基本上在2500nm至14000nm之间的宽带中红外闲频光束。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求2017年12月14日提交的标题为“具有平坦光谱的超宽带中红外激光器(An Ultra-broadband Mid-infrared Laser With Flat Spectrum)”的新加坡专利申请No.10201710400R的优先权，该新加坡专利申请的全部内容通过引用明确地并入本文。
技术领域
本发明的公开涉及使用硒化镓(GaSe)晶体进行光学参量放大的宽带中红外激光器。具体地，由中红外泵和信号泵浦的光学参量放大器被配置成发射波长基本上在2500nm至14000nm之间的宽带
中红外闲频光束(idler beam)。
背景技术
大多数市售的在中红外波长内的相干激光源通常利用量子级联激光器。这是因为量子级联激光器的波长可以通过改变激光器的半导体组合和/或改变用于激光器的半导体的掺杂浓度而被容易地调谐。通过对量子级联激光器的带隙选择性地进行设计，这些激光器可以被设计成发射波长在4μm至100μm之间的光束。然而，量子级联激光器通常具有窄的光束带宽，因为其带宽受到用于激光器的半导体的增益带宽的限制。
为了解决这个问题，本领域技术人员已经利用超连续谱生成法来加宽所发射的中红外激光束的带宽。尽管由于超连续谱生成法而具有宽的光谱覆盖范围，但是所得到的光束完全是非相干的。此外，由于来自超连续谱生成法的光谱呈指数衰减，因此-10dB的光谱仅跨在2μm至5μm之间。
本领域技术人员已经使用的另一种生成相干宽带激光器的方法包括非线性转换方法，如在气体中使用光丝的四波混频或差频产生(DFG)方法。然而，在气体中使用光丝的四波混频不是非常高效的，因为它依赖于气体的非线性，而气体的非线性固有地相当低，此外，光丝处理始终会导致具有大的发散性的圆锥形光束轮廓。这限制了可使用这种激光器的应用的数量，因为大多数应用通常需要平坦且均匀的光束轮廓。
将DFG方法与非线性加宽处理相结合所需的技术通常对DFG处理之后产生的光束的脉冲能量、脉冲宽度和中心波长具有严格的要求，因为这种结合在很大程度上依赖于随后的非线性加宽处理。例如，来自DFG的光束需要具有脉冲能量大于20μJ且脉冲宽度小于150fs的脉冲，否则输出的光束的带宽可能仅在6μm至8μm之间。
在3μm至16μm之间的光谱范围内，对于不同的分子会出现清晰且独特的吸收线。该光谱范围在本领域也称为指纹范围(fingerprintrange)，这是红外光谱领域的人们特别关注的范围。因此，本领域技术人员关注的是，具有带宽足以覆盖整个指纹区域的中红外激光器。
由于具有平坦光谱的宽带中红外激光束是高度期望的，因此本领域技术人员正在努力提出提供这种激光器的系统和方法。
发明内容
通过由根据本发明的公开的实施例提供的系统和方法，解决了以上和其它问题，并且在现有技术中取得了进步。
根据本发明的公开的实施例的系统和方法的实施例的第一优势在于，输出的中红外闲频光束的带宽相当宽，通常覆盖2.5μm-14μm的光谱，并且-3dB带宽跨在3.2μm至12.7μm之间。
根据本发明的公开的实施例的系统和方法的实施例的第二优势在于，提供了具有覆盖大部分中红外范围的波长的光束组合器和分束器。
根据本发明的公开的实施例的系统和方法的实施例的第三优势在于，中红外宽带激光器非常适合用于多源红外光谱法，如多气体跟踪和具有单次测量的多生物医学介质识别，因为在测量过程中不需要切换光源或不需要进行费时的调谐或扫描。
根据本发明的第一方面，本发明包括：一种宽带中红外光学参量放大器，该放大器包括：宽带光束组合器，其被配置成将包括中红外泵浦光束和中红外信号光束的共线组合光束导向至硒化镓(GaSe)基板。GaSe基板被对准使得在入射在GaSe基板的表面上的中红外泵浦光束与GaSe基板的光轴之间形成外部相位匹配角，并且GaSe基板被旋转使得在中红外泵浦光束与GaSe基板的晶轴之间形成相位匹配方位角。放大器还包括：宽带分束器，宽带分束器被配置成将从GaSe基板接收到的组合中红外输出光束分束成宽带中红外闲频光束和中红外剩余光束。
根据本发明的第一方面的实施例，外部相位匹配角基本上在30°至32°之间，并且相位匹配方位角基本上在29°至31°之间。
根据本发明的第一方面的实施例，当外部相位匹配角基本上在30°至32°之间时，形成基本上在10.5°至12.5°之间的内部相位匹配角。
根据本发明的第一方面的实施例，外部相位匹配角约为30.6°，相位匹配方位角约为30°，并且中红外泵浦光束的波长约为2100nm。
根据本发明的第一方面的实施例，宽带光束组合器包括第一硅晶片，第一硅晶片相对于中红外泵浦光束和中红外信号光束以布鲁斯特角(Brewster’s angle)取向。
根据本发明的第一方面的实施例，宽带分束器包括第二硅晶片，第二硅晶片相对于组合中红外输出光束和宽带中红外闲频光束以布鲁斯特角取向。
根据本发明的第一方面的实施例，第一硅晶片和第二硅晶片的厚度约为300μm。
根据本发明的第一方面的实施例，GaSe基板的厚度基本上在0.1mm至2mm之间。
根据本发明的第二方面，本发明包括：一种产生宽带中红外闲频光束的方法，该方法使用被构造为中红外光学参量放大器的宽带光束组合器、硒化镓(GaSe)基板和宽带分束器，该方法包括：使用宽带光束组合器将包括中红外泵浦光束和中红外信号光束的共线组合光束导向至GaSe基板；使用GaSe基板将中红外泵浦光束和中红外信号光束混合，其中将GaSe基板对准使得在入射在GaSe基板的表面上的中红外泵浦光束与GaSe基板的光轴之间形成外部相位匹配角，并且将GaSe基板旋转使得在中红外泵浦光束与GaSe基板的晶轴之间形成相位匹配方位角；以及使用宽带分束器将从GaSe基板接收到的组合中红外输出光束分束成宽带中红外闲频光束和中红外剩余光束。
根据本发明的第一方面的实施例，外部相位匹配角基本上在30°至32°之间，并且相位匹配方位角基本上在29°至31°之间。
根据本发明的第一方面的实施例，当外部相位匹配角基本上在30°至32°之间时，形成基本上在10.5°至12.5°之间的内部相位匹配角。
根据本发明的第一方面的实施例，外部相位匹配角约为30.6°，相位匹配方位角约为30°，并且中红外泵浦光束的波长约为2100nm。
根据本发明的第一方面的实施例，宽带光束组合器包括第一硅晶片，第一硅晶片相对于中红外泵浦光束和中红外信号光束以布鲁斯特角取向。
根据本发明的第一方面的实施例，宽带分束器包括第二硅晶片，第二硅晶片相对于组合中红外输出光束和宽带中红外闲频光束以布鲁斯特角取向。
根据本发明的第一方面的实施例，第一硅晶片和第二硅晶片的厚度约为300μm。
根据本发明的第一方面的实施例，GaSe基板的厚度基本上在0.1mm至2mm之间。
附图说明
在以下详细描述中描述了根据本发明的上述优点和特征，并在以下附图中示出了这些优点和特征：
图1示出了根据本发明的实施例的宽带中红外激光器的示意图；
图2示出了在图1所示的宽带中红外激光器中使用的硒化镓晶体的放大图；
图3A示出了测量得到的由图1所示的宽带中红外激光器生成的中红外激光光谱；
图3B示出了图3A所示的测量结果的放大图；
图4示出了硒化镓参量放大器在由波长为2100nm的泵浦光束泵浦时的相位匹配曲线图；以及
图5示出了硒化镓参量放大器在由波长为1030nm的泵浦光束泵浦时的相位匹配曲线图。
具体实施方式
本发明的公开涉及一种宽带中红外光学参量放大器，其包括硒化镓(GaSe)晶体、宽带组合器以及宽带分束器。具体地，由中红外泵和信号泵浦的光学参量放大器被配置成发射波长基本上在1400nm至2500nm之间的宽带中红外闲频光。
光学参量放大(OPA)是一种常见处理，其中具有特定波长的泵浦光束与非线性材料一起使用，以在其它更长的波长处产生光学增益。在合适的非线性材料中，如在双折射晶体中，当泵浦光束包括单个波长时，在两个发射波长处发生光学增益或信号的放大。这两个发射波长传统上被称作“信号”波长和“闲频”波长。
在比泵浦光束的波长的量级长的路径长度上累积了有用的增益，并且这是在可以传播泵浦光束、信号光束和闲频光束并使它们保持同相的晶体内对于多个传播方向发生的。光学材料一般在折射率随波长变化时展现出色散。在这种材料中，波长较短的光束的传播速度通常比波长较长的光束的传播速度慢。结果，具有不同波长的这些光束在传播通过这种材料时，同相和异相地移动，并且即使泵浦光束的强度增加，也不会累积起增益。
在双折射材料中，对于特定的温度和传播方向，可以使用寻常波与非寻常波之间的折射率差来抵消在某些波长处的色散效果，并且可以在传播光束时维持相位相干性。这在本领域中被称为相位匹配。在相位匹配的条件下，如果泵浦光束足够强，则能够在信号波长和闲频波长处累积起可观的增益。
在本发明的实施例中，使用硒化镓(GaSe)晶体或基板作为光学参量放大器(OPA)中的双折射材料。选择GaSe晶体，因为它具有非常好的光学特性，如宽的传输带宽、大的非线性系数以及优异的双折射性。然而，由于GaSe晶体或基板只能沿着(001)平面被分开，因此GaSe基板可能无法被设计为实现双折射相位匹配。
图1示出根据本发明的实施例的宽带中红外激光器的示意图。具体地，图1示出了包括光束组合器105、GaSe基板110和分束器115的系统或装置100。在本发明的实施例中，GaSe基板110被设计为I型非线性晶体，使得当具有非寻常波的泵浦光束和具有寻常波的信号光束入射在基板110上时，它们在基板110中被混合。结果，从基板110发射的闲频脉冲光束将生成为寻常波。
GaSe具有非常大的非线性系数，该非线性系数为常见的非线性晶体(如β硼酸钡(BBO)晶体)的大约50倍。结果，较薄的GaSe晶体就能够实现与较厚的BBO晶体相同的放大量。使用薄的GaSe晶体以使得仅发生少量的波矢失配(wavevector mismatch)是有利的，因为少量的波矢失配也导致小的相位失配，例如，Δφ＝Δk×L，其中，Δφ、Δk和L分别是相位失配、波矢失配和晶体长度。
如图1所示，中红外波长泵浦光束120和中红外波长信号光束125在光束组合器105处被组合，并且所得到的组合光束130被共线地导向至GaSe基板110。GaSe基板110被对准，使得在入射在GaAs基板110的表面上的中红外泵浦光束120(包含在组合光束130中)与GaSe基板110的光轴Z之间形成外部相位匹配角
GaSe基板110还被旋转，使得在中红外泵浦光束120与GaSe基板110的晶轴X之间形成相位匹配方位角
在图2中分别示出了GaSe基板110关于组合光束130进行的就光轴Z和晶轴X而言的对齐和旋转。在本发明的实施例中，GaSe基板的厚度约为1mm，并且本领域技术人员将认识到的是，在不脱离本发明的情况下，可以使用厚度具有微小变化的GaSe。
在这种情况下，从GaSe基板110的另一侧发射出组合中红外输出光束140，并且该输出光束140包括宽且平坦的中红外闲频光和中红外剩余光束。然后使用分束器115将输出光束140分成中红外泵浦光束150和具有宽且平坦的光谱的中红外闲频光145。
在本发明的实施例中，从可使用商业Ti:蓝宝石激光器泵浦的商业OPA产生波长为2100nm的0.5mJ飞秒激光。作为替代方案，这样的激光也可以由Tm或Ho掺杂的氟化钇锂(YLF)激光器产生。无论使用哪种产生方法，该激光的分支都可以被分开(例如，通过在6mm厚的BaF2中使用自相位调制)，以产生波长在2500nm至3000nm之间的约2nJ的信号光束125、以及波长为2100nm的约0.3mJ的泵浦光束120。
在本发明的实施例中，泵浦光束120和信号光束125可以在光束组合器105(如厚度约为300μm的薄硅(Si)晶片)中被组合。Si晶片105相对于中红外泵浦光束120和中红外信号光束125以布鲁斯特角
取向，以允许具有p偏振的这些光束以最少的反射通过。由于Si的大折射率(约3.4)，因此Si晶片的布鲁斯特角约为78°。结果，具有s偏振的信号光束因具有掠过反射(glancing reflection)构造而具有相对大的反射率(约80％)。
已发现，根据本发明的实施例构造的薄Si晶片具有在中红外范围内的最宽带宽。这可以从下表中看到。
表1
然后将组合光束130导向至GaSe基板110的表面。在本发明的实施例中，将GaSe基板110对准，使得在入射在GaAs基板110的表面上的中红外泵浦光束120(包含在组合光束130中)与GaSe基板110的光轴Z之间形成的外部相位匹配角
约为30.6°。另外旋转GaSe基板110，使得在中红外泵浦光束120与GaSe基板110的晶轴X之间形成的相位匹配方位角
约为30°或基本上在30°与32°之间。在这样的对准下，泵浦光束120在GaSe基板中实现了11.2°的内部相位匹配角。
于是，从GaSe基板110的另一侧发射出组合中红外输出光束140，并且该输出光束140包括宽且平坦的中红外闲频光和中红外剩余光束。
GaSe晶体被设计为I型非线性晶体，使得2100nm的泵浦光束被作为非寻常波，而3000nm的信号脉冲光束被作为寻常波。入射在GaSe晶体上的泵浦光束和信号光束两者在GaSe晶体中被混合，并且所得到的7000nm的闲频脉冲光束作为寻常波产生。从动量守恒原理可以看出：
其中，n1o、n2o和n3o分别是信号光束的折射率、闲频光束的折射率和泵浦光束的折射率，并且其中，这些光束中的每一个分别被作为寻常波、寻常波和非寻常波。λ1、λ2和λ3分别包括信号光束的真空波长、闲频光束的真空波长和泵浦光束的真空波长，并且这些波长分别被赋予3000nm、70000nm和2100nm。
已发现，信号光束和闲频光束的寻常折射率为n1o＝2.734和n2o＝2.717。结果，可以从等式(1)获得2100nm泵浦的非寻常折射率并且发现其为n3e＝2.729。然后，可以从以下等式获得寻常折射率与非寻常折射率之间的所得到的关系：
其中，
和n3o分别是在2100nm处的非寻常主折射率和寻常主折射率，而θ是GaSe晶体内的在泵浦脉冲传播方向与晶轴之间的内部相位匹配角。使用塞尔梅尔等式(Sellmeire equation)可以发现，
和n30(2100nm)＝2.7439。因此，根据等式(2)，获得内部相位匹配角θ为11.2°。因此，根据等式(11.2°×nGaSe)＝(11.2×n3e)＝30.6°获得外部相位匹配角。该外部相位匹配角限定了泵浦光束的传播方向与GaSe晶体的光轴之间的最佳角度。
GaSe晶体属于六角形62m晶体类，因此，其有效非线性可以表达为：
deff＝d16cos(θ)sin(3φ)…等式(3)
其中，d16是非线性的张量，Ф是距晶轴X的方位角，如图2所示。为了使deff的值最大化，将Ф设定为30°，使得上述等式(3)中的正弦项等于1。
返回到上述实施例，在本发明的进一步的实施例中，来自GaSe晶体110的输出光束140可以在分束器115(如厚度约为300μm的薄硅(Si)晶片)中分束。Si晶片115相对于中红外输出光束140和中红外闲频光束145以布鲁斯特角
取向，以将这两条光束分束。所得到的中红外闲频光束145约为3μJ并具有跨在2.5μm至14μm之间的光谱。
在图3A中以曲线300示出所得到的中红外闲频光束的示例性光束轮廓。可以看出，曲线300具有大致高斯形状，并且跨度为2.5μm至14μm，从而覆盖分子指纹区域的大部分。曲线300示出带宽在3.2μm至12.7μm之间的-3dB的平坦光谱。在图3B中示出曲线300的放大图，该图示出了当各种波长的滤波器应用于所得到的中红外闲频光束时的光谱。
为了说明系统100相对于现有中红外激光器的优点，在OPA装置中使用各种其它非线性晶体或基板进行了比较，并且在下表2中列出结果。
表2
如上表所示，在所有常见的中红外非线性晶体之中，使用GaSe的OPA具有最宽的透明窗口。除上述之外，使用GaSe的OPA还具有大的非线性系数，以进行高效的非线性转换。此外，为了建立起非线性转换，必须在泵浦光束的频率与产生的中红外频率之间发生相位匹配。由于GaSe是双折射的，因此它能够实现所需的相位匹配。总而言之，其它中红外非线性晶体，如ZnGeP2在8μm至12μm之间的光谱窗口中的相位匹配差，CdSiP2受其9μm以上的透明窗口限制，而AgGaSe2和AgGaS2都包含不能承受高强度泵浦光束的软玻璃。GaAs本身不是双折射晶体，因此在该晶体内不会发生相位匹配。结果，发现根据本发明的实施例构造的GaSe晶体能够在现有的中红外OPA之中提供最佳结果。
从上述装置100发现，当用2100nm波长的泵浦光束泵浦GaSe晶体时，GaSe晶体具有非常平坦的相位匹配曲线。如图4所示，当使用波长为2100nm的泵浦光束时，由于相位匹配角的变化小于0.5°，因此可以实现在2μm至16μm之间的整个光谱窗口中的相位匹配。
相反，当由1030nm波长(这是YAG泵浦激光器常用的波长)的光束泵浦GaSe晶体时，GaSe晶体必须旋转约10°，以便实现横跨光谱的相位匹配。这在图5中示出。
为了完整性，下表列出了当根据本发明的实施例使用利用GaSe晶体的OPA时对于各种波长的内部和外部相位匹配角。
表3
总之，表3示出了对于波长在1900nm至2300nm之间的泵浦光束，外部相位匹配角基本上在30°至32°之间，而内部匹配角基本上在10.5°至12.5°之间。
在下表中列出了对于使用厚度为0.1mm和2mm的GaSe晶体的OPA的输出波长的范围和输出脉冲能量。
表4
| GaSe厚度 | 波长范围(μm) | 脉冲能量(μJ) |
| 0.1mm | 2-20 | 0.1 |
| 2mm | 4-12 | 10 |
表4示出，随着OPA装置中GaSe晶体厚度的增加，脉冲光束的能量等级相应地增加，结果，输出闲频光束的范围变窄。
尽管已经在附图和前面的描述中详细示出和描述了本发明，但是这种示出和描述应被认为是说明性或示例性的，而不是限制性的；本发明不限于所公开的实施例。在实践所要求保护的本发明时，本领域技术人员可以理解和实现所公开的实施例的其它变型。
可以预见的是，本领域技术人员可以并且将设计出如所附权利要求书所述的本发明的替代实施例。
Claims (16)
1.一种宽带中红外光学参量放大器，包括：
宽带光束组合器，其被配置成将包括中红外泵浦光束和中红外信号光束的共线组合光束导向至硒化镓(GaSe)基板；
所述GaSe基板被对准使得在入射在所述GaAs基板的表面上的所述中红外泵浦光束与所述GaSe基板的光轴之间形成外部相位匹配角，并且所述GaSe基板被旋转使得在所述中红外泵浦光束与所述GaSe基板的晶轴之间形成相位匹配方位角；以及
宽带分束器，其被配置成将从所述GaSe基板接收到的组合中红外输出光束分束成宽带中红外闲频光束和中红外剩余光束。
2.根据权利要求1所述的放大器，其中，所述外部相位匹配角基本上在30°至32°之间，并且所述相位匹配方位角基本上在29°至31°之间。
3.根据权利要求2所述的放大器，其中，当所述外部相位匹配角基本上在30°至32°之间时，形成基本上在10.5°至12.5°之间的内部相位匹配角。
4.根据权利要求1所述的放大器，其中，所述外部相位匹配角约为30.6°，所述相位匹配方位角约为30°，并且所述中红外泵浦光束的波长约为2100nm。
5.根据权利要求1所述的放大器，其中，所述宽带光束组合器包括第一硅晶片，所述第一硅晶片相对于所述中红外泵浦光束和所述中红外信号光束以布鲁斯特角取向。
6.根据权利要求1或5所述的放大器，其中，所述宽带分束器包括第二硅晶片，所述第二硅晶片相对于所述组合中红外输出光束和所述宽带中红外闲频光束以布鲁斯特角取向。
7.根据权利要求5或6所述的放大器，其中，所述第一硅晶片和所述第二硅晶片的厚度约为300μm。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的放大器，其中，所述GaSe基板的厚度基本上在0.1mm至2mm之间。
9.一种产生宽带中红外闲频光束的方法，所述方法使用被构造为中红外光学参量放大器的宽带光束组合器、硒化镓(GaSe)基板和宽带分束器，所述方法包括：
使用所述宽带光束组合器将包括中红外泵浦光束和中红外信号光束的共线组合光束导向至所述GaSe基板；
使用所述GaSe基板将所述中红外泵浦光束和所述中红外信号光束混合，其中将所述GaSe基板对准使得在入射在所述GaAs基板的表面上的所述中红外泵浦光束与所述GaSe基板的光轴之间形成外部相位匹配角，并且将所述GaSe基板旋转使得在所述中红外泵浦光束与所述GaSe基板的晶轴之间形成相位匹配方位角；以及
使用所述宽带分束器将从所述GaSe基板接收到的组合中红外输出光束分束成所述宽带中红外闲频光束和中红外剩余光束。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述外部相位匹配角基本上在30°至32°之间，并且所述相位匹配方位角基本上在29°至31°之间。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，当所述外部相位匹配角基本上在30°至32°之间时，形成基本上在10.5°至12.5°之间的内部相位匹配角。
12.根据权利要求9所述的方法，其中，所述外部相位匹配角约为30.6°，所述相位匹配方位角约为30°，并且所述中红外泵浦光束的波长约为2100nm。
13.根据权利要求9所述的方法，其中，所述宽带光束组合器包括第一硅晶片，所述第一硅晶片相对于所述中红外泵浦光束和所述中红外信号光束以布鲁斯特角取向。
14.根据权利要求9或13所述的方法，其中，所述宽带分束器包括第二硅晶片，所述第二硅晶片相对于所述组合中红外输出光束和所述宽带中红外闲频光束以布鲁斯特角取向。
15.根据权利要求13或14所述的方法，其中，所述第一硅晶片和所述第二硅晶片的厚度约为300μm。
16.根据权利要求9至15中任一项所述的方法，其中，所述GaSe基板的厚度基本上在0.1mm至2mm之间。
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