CN111965916A - 一种深紫外光频梳产生装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种深紫外光频梳产生装置，该深紫外光频梳产生装置包括沿光路依次设置的基频光梳光源1、2倍频晶体2、色散器件3、4倍频棱镜耦合器件4、色散补偿器5和缩束器6。本发明实施例提供的装置，可以将光频梳波段通过级联倍频方式扩展至深紫外波段，深紫外光频梳的频率变为基频光梳的四倍，线宽可变为基频的一半，理论上可使不确定度减小约一个量级，从而提高精密测量中的测量精度。
Description
技术领域
本发明涉及非线性光学变频激光技术领域，尤其是涉及一种深紫外光频梳的产生装置。
背景技术
光频梳，为具有确定梳齿间隔的光频标尺，可以在红外、可见光、紫外波段产生，在多个领域得到广泛应用。通信波段的光频梳主要应用在光通信领域，实现信息的高效传输；紫外波段的光频梳主要应用于物理、化学、天文等领域的高精度测量；红外波段光频梳在医学领域有很大应用，可以实现红外成像等。但目前尚未见200nm以下的深紫外光频梳的相关报导。
非线性频率变换是随着激光技术发展而产生的一门学科，其在现有材料的基础上，可获得更多波段范围的激光输出，自诞生以来就备受关注。基于非线性晶体的和频、倍频以及光参量振荡等激光变频技术是产生紫外、深紫外激光最有效的手段，特别是倍频，已成为激光技术研究及应用的重要方向。而KBe2BO3F(KBBF)和RbBe2BO3F(RBBF)两种非线性光学晶体是目前唯一可通过直接倍频实现短波长(紫外、深紫外)的晶体，但是宽谱倍频由于不同频谱成分对应的相位匹配角不同，导致倍频效率低。
发明内容
(一)发明目的
本发明的目的是提供一种深紫外光频梳的产生装置，通过设置色散器件，将射入其内的二倍频光按照频率分量的不同偏折不同角度以得到多种波长的二倍频光，使得宽谱中多种频率分量的二倍频光分别以不同的角度入射到所述4倍频棱镜耦合器件中，以补偿由于宽谱引起的相位失配，能够提高倍频效率，并且通过非线性变换，能够实现深紫外波段的光频梳输出，使得线宽变窄，光梳频率变大，降低了光频梳的不确定度。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种深紫外光频梳产生装置，包括沿光路依次设置的基频光梳光源、2倍频晶体、色散器件、4倍频棱镜耦合器件、色散补偿器和缩束器；所述基频光梳光源，用于出射基频光梳；所述2倍频晶体，用于将所述基频光梳进行二倍频以形成的二倍频光；所述色散器件，用于将射入其内的二倍频光按照频率分量的不同形成多种波长的二倍频光，以使多种波长的二倍频光分别以不同的角度入射到所述4倍频棱镜耦合器件中，以补偿由于宽谱引起的相位失配；所述4倍频棱镜耦合器件，用于将射入其内的不同频率分量的2倍频光进行四倍频以形成不同频率分量的宽谱的四倍频光；所述色散补偿器，用于将频率分量不同的宽谱的四倍频光进行深紫外激光脉冲压缩，以使不同频率分量的四倍频光平行射出至所述缩束器；所述缩束器，用于将所述不同频率分量的四倍频光整合成深紫外光频梳后射出。
优选的，色散器件，用于将射入其内的二倍频光按照频率分量的不同形成不同的偏折角度，且将射入其内的二倍频光，以处于二倍频光的中心波长对应的相位匹配角在所述4倍频棱镜耦合器件中传播。
优选的，所述色散器件为一块棱镜、多块棱镜级联或光栅中的一种。
优选的，所述色散补偿器为光栅、棱镜或啁啾镜的一种。
优选的，所述2倍频晶体为BBO晶体、LBO晶体、CBO晶体或CLBO晶体中的一种。
优选的，所述基频光梳光源是中心波长约为800nm的飞秒钛宝石激光。
优选的，所述4倍频棱镜耦合器件包括：依次沿光路设置的入射棱镜、四倍频晶体和出射棱镜。
优选的，入射棱镜和出射棱镜的均由SiO2晶体、Al2O3晶体、SiC晶体、LiF晶体、MgF2晶体、CdF2晶体、CaF2晶体或BaF2晶体中的一种制成。
优选的，四倍频晶体为KBBF、RBBF、NBBF、NSBBF、ABBF、ABF或CBF晶体中的一种。
优选的，所述4倍频棱镜耦合器件置于真空腔内。
根据本发明的第二方面，提供了一种深紫外光频梳的产生装置，包括沿光路依次设置的基频光梳光源、色散器件、2倍频晶体、4倍频棱镜耦合器件、色散补偿器和缩束器；所述基频光梳光源，用于出射基频光梳；所述色散器件，用于将射入其内的基频光梳按照频率分量的不同形成多种波长的基频光，以使多种波长的基频光分别以不同的角度入射到所述2倍频晶体中；所述2倍频晶体，用于将所述每种波长的基频光进行二倍频以形成的二倍频光；所述4倍频棱镜耦合器件，用于将射入其内的不同频率分量的二倍频光进行四倍频以形成不同频率分量的宽谱的四倍频光；所述色散补偿器，用于将频率分量不同的四倍频光进行深紫外激光脉冲压缩，以使不同频率分量的四倍频光平行射出至所述缩束器；所述缩束器，用于将所述不同频率分量的四倍频光整合成深紫外光频梳后射出。
(三)有益效果
本发明实施例提供的深紫外光频梳产生装置，通过设置色散器件，将射入其内的二倍频光按照频率分量的不同分散成多种波长的二倍频光，使得多种波长的二倍频光以不同的角度入射到所述4倍频棱镜耦合器件中，以补偿由于宽谱引起的相位失配，能够提高倍频效率，并且通过非线性变换，能够实现深紫外波段的光频梳输出，使得线宽变窄，光梳频率变大，降低了光频梳的不确定度，可以有效提高光频梳在精密测量中的精度。另外，本发明实施例提供的深紫外光频梳产生装置结构简单，紧凑，应用范围广泛，实用性更强。
附图说明
图1为KBBF晶体的相位匹配角曲线图；
图2为本发明第一实施例的深紫外光频梳产生装置的结构示意图；
图3为本发明第二实施例提供的4倍频棱镜耦合器件的结构示意图；
图4为本发明第三实施例的深紫外光频梳产生装置的结构示意图；
图5为本发明第四实施例的深紫外光频梳产生装置的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
在附图中示出了根据本发明实施例的装置的结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种结构的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
此外，下面所描述的本发明不同实施例中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
不确定度，是表征光梳测量精度的重要指标，在光频梳的应用中有重要意义。从原理上讲，不确定度与激光线宽成正比，与激光波长成反比。通过非线性频率变换，一般来讲，4倍频后，激光线宽可变为原来的1/2，而激光的频率约增大为原来的4倍，这样可以使得不确定度减小了近十倍，这样就能显著的减小不确定度，提高光频梳测量的精度。
因此，本发明实施例提供的基于非线性变换的深紫外光频梳的产生装置通过级联倍频的方式能够实现深紫外波段光频梳的输出，相对于常见中心波长为800nm波段光频梳，不确定度可降低一个数量级。
图1为KBBF晶体的相位匹配角曲线图，是采用SNLO软件，对倍频激光的波长和相位匹配角进行仿真得到的。
如图1所示，横坐标为倍频光的波长，纵坐标为相位匹配角，从图1中能够得知，随着倍频光的波长的增大，相位匹配角会减小。
图2为本发明第一实施例的深紫外光频梳产生装置的结构示意图。
如图2所示，该深紫外光频梳产生装置包括沿光路依次设置的基频光梳光源1、2倍频晶体2、色散器件3、4倍频棱镜耦合器件4、色散补偿器5和缩束器6。
其中，基频光梳光源1为飞秒激光，用于出射基频光梳。例如基频光梳光源1为飞秒钛宝石激光。更优选的基频光梳光源1为波长800nm的飞秒钛宝石激光。
所述2倍频晶体2，用于将基频光梳光源1出射的基频光梳进行二倍频以形成的二倍频光。
所述色散器件3，用于将射入其内的二倍频光按照频率分量的不同形成不同偏折角度，以使宽谱中多种频率分量的二倍频光以不同的角度入射到所述4倍频棱镜耦合器件4中，以补偿由于宽谱引起的相位失配。
可以理解的是，上述宽谱中多种频率分量的二倍频光以不同的角度入射到所述4倍频棱镜耦合器件4中，是指以各自的相位匹配角或近似相位匹配角的角度入射到所述4倍频棱镜耦合器件4中。
所述4倍频棱镜耦合器件4，用于将射入其内的不同频率分量的2倍频光进行四倍频以形成不同频率分量的四倍频光。
所述色散补偿器5，用于将不同频率分量的宽谱的四倍频光进行深紫外激光脉冲压缩，以使不同频率分量的四倍频光平行射出至所述缩束器6。
所述缩束器6，用于将所述不同频率分量的四倍频光整合成深紫外光频梳后射出。其中所述缩束器，可以为透镜组合。
需要说明的是，通常现有技术都是采用基频光梳以相位匹配角射入到倍频晶体中，实现非线性变换，这样倍频效率会比较高。但是如果基频光梳的频谱宽度比较宽，也就是该基频光梳覆盖的光的波长范围大，现有技术中所有的波长对应的光线都是以中心波长对应的相位匹配角射入到倍频晶体中，但是，由于每种波长对应的相位匹配角不同，这样就会造成基频光梳整体的倍频效率低。
而本实施例中，设置色散器件，通过色散器件将不同频率分量的光分开，这样能够使得不同波长的光之间不是以同一个角度射入到4倍频棱镜耦合器件4中，使得不同种波长的光以一定的偏折角射入到4倍频耦合器件4中，能够补偿宽谱引起的相位失配，进而提高倍频效率。
优选的，所述色散器件3，用于将射入其内的二倍频光按照频率分量的不同形成不同的偏折角度，将射入其内的二倍频光，以处于二倍频光的中心波长对应的相位匹配角射入到所述4倍频棱镜耦合器件4中。
在图2所示的实施例中，可以设置光束经过色散器件3后，波长由高至低的分布并射入到4倍频棱镜耦合器件4中。例如在图2中，在色散器件3和4倍频棱镜耦合器件4之间有3个分量光，分别为红光、绿光和蓝光。
结合图1，随着波长的增大，相位匹配角会降低，由于处于中心波长的二倍频光以相位匹配角射入到4倍频棱镜耦合器件4的4倍频晶体42中，可以使得在中心波长上面的波长较长的二倍频光和波长较短的二倍频光都能以近似其相应的相位匹配角入射到4倍频棱镜耦合器件4中，能够提高每一束分量光的倍频效率，显著提高光梳的倍频效率。
另外，在本实施例中，飞秒钛宝石激光器为基频光梳光源(ω)以中心波长800nm经2倍频晶体2，在2倍频晶体2的非线性作用下产生频率为2ω的二倍频光，二倍频光经过光谱角色散器件，将不同频率分量的光分开来补偿宽谱引起的相位失配，然后将倍频光引入4倍频耦合棱镜器件进行四倍频，从而产生4ω为200nm的深紫外光，深紫外光经过色散补偿器压窄脉宽再经缩束器后输出，得到深紫外光频梳。
需要注意的是，本实施例提供的深紫外光频梳产生装置，基频光依次通过2倍频和4倍频使得光梳波段为深紫外波段，相比于基频光的线宽变窄，且较基频源飞秒钛宝石光频梳的不确定度降低了一个量级。
在一个可选实施例中，所述色散器件3为一块棱镜、多块棱镜级联或光栅中的一种，只要能够将不同频率分量的光分开来即可，只要能够将不同频率分量的光分开，并射入到倍频晶体42中就能够补偿宽谱引起的相位失配。
在一个可选实施例中，所述色散补偿器5为光栅、棱镜或啁啾镜的一种。
在一个可选实施例中，所述2倍频晶体为BBO晶体、LBO晶体、CBO晶体或CLBO晶体中的一种。
在一个实施例中，4倍频棱镜耦合器件4包括依次沿光路设置的入射棱镜41、4倍频晶体42和出射棱镜43。
其中，经过色散器件3实现分量的2倍频光经过入射棱镜41的入射面射入到入射棱镜41中，在入射棱镜41中折射后，处于中心波长的2倍频光以相位匹配角射入到4倍频晶体42中，实现一次四倍频后，射入至出射棱镜43中，并经出射棱镜43射入到色散补偿器5中，经过色散补偿器5将不同频率分量的四倍频光之间平行的射出至缩束器6，通过缩束器形成深紫外光频梳后射出。
在一个可选实施例中，入射棱镜41和出射棱镜43均由SiO2晶体、Al2O3晶体、SiC晶体、LiF晶体、MgF2晶体、CdF2晶体、CaF2晶体或BaF2晶体中的一种材料制成。
在一个可选实施例中，四倍频晶体42为KBBF、RBBF、NBBF、NSBBF、ABBF或ABF晶体中的一种。
在一个优选的实施例中，4倍频棱镜耦合器件设置在真空腔中，由于深紫外光在非真空环境下容易被吸收掉，所以将4倍频棱镜耦合器件设置在真空腔中，减少深紫外光的损失。
图3是本发明第二实施例提供的4倍频棱镜耦合器件的结构示意图；
如图3所示，该4倍频棱镜耦合器件包括沿光束照射方向依次设置的入射棱镜41、4倍频晶体42以及出射棱镜42；
其中，4倍频晶体42呈平板状，入射棱镜41和出射棱镜42分别与4倍频晶体42相对的两个板面贴合；
其中入射棱镜和出射棱镜均设置有凹槽，凹槽用于容纳空气。
所述入射棱镜41的凹槽41A，设置在与4倍频晶体42接触的入射棱镜41的表面上，出射棱镜43的凹槽43A设置在与4倍频晶体42接触的出射棱镜43的表面上。
需要说明的是，由于入射棱镜和出射棱镜均设置有凹槽，射入到4倍频晶体42内的多个分量的2倍频光束均以近似其相位匹配角在4倍频晶体42中传播，并在4倍频晶体42的两个侧面间实现多程反射后并经出射棱镜42射出。
优选的，凹槽41A至少覆盖与入射棱镜41接触的4倍频晶体42的面上的光束的所有的反射点。
优选的，凹槽43A至少覆盖与出射棱镜43接触的4倍频晶体42的面上的光束的所有的反射点。
图4为本发明第三实施例的深紫外光频梳产生装置的结构示意图。
如图4所示，图4所示的实施例与第一实施例不同之处在于，色散器件不同，图4所示的实施例提供的，光谱角色散器件，用于将不同频率分量的光分开来补偿宽谱引起的相位失配，提高倍频效率。
在本实施例中，在2倍频晶体2和色散器件3之间还设置有反射镜A，在本实施例中，色散器件3为光谱角色散器件，具体为光栅。
本实施例中，基频光ω的中心波长为800nm，倍频光2ω波长为400nm，倍频光经过光栅将不同频率分量的光分开来补偿宽谱引起的相位失配，实现高倍频效率的宽谱倍频，取光栅3一级闪耀，光栅常数d＝1000线/mm，衍射角θ＝30°，经计算，可得光栅角色散率为1/dcosθ＝1.154mrad/nm，也就是对于每nm的光偏折角度是1.154mrad。进而，对于大于中心波长的分量光，每nm的偏折角度会增大1.154mrad，小于中心波长的分量光，每nm的偏折角度会减小1.154mrad。
在一个实施例中，当色散器件3为材料为SiO2的色散棱镜时，若该色散棱镜的棱镜角为60°，棱镜的角色散表达式：
其中λ为射入到色散棱镜的波长，n为棱镜材料的折射率，A为棱镜的顶角(本实施例中为60°)。当入射到色散器件棱镜内的激光的波长为400nm时，对于石英玻璃材料而言，产生的角色散为1.6×10-4rad/nm，也就是对宽谱中不同频率的入射光每nm的偏折角度是1.6×10-4rad。进而，对于大于中心波长的分量光，每nm的偏折角度会增大1.6×10-4rad，小于中心波长的分量光，每nm的偏折角度会减小1.6×10-4rad。
优选的，根据上述公式可以得知，如果一个棱镜产生的角色散不足以满足实际需求，可采用多块棱镜组合。假设一个多棱镜分光系统，共有N块棱镜，那么可以产生的总角色散为：
即N块棱镜的分光系统，角色散为N×1.6×10-4rad/nm。
因此，色散器件采用光栅3可以提供更大的角色散，且闪耀光栅一级衍射效率达到90％以上，可以对较大带宽的入射基频光进行相位补偿。
图5为本发明第四实施例的深紫外光频梳产生装置的结构示意图。
如图5所示，在图5所示的产生深紫外光频梳的装置中，包括沿光路依次设置的基频光梳光源1、色散器件3、2倍频晶体2、4倍频棱镜耦合器件4、色散补偿器5和缩束器6。
所述基频光梳光源1，用于出射基频光梳；所述色散器件3，用于将射入其内的基频光梳按照频率分量的不同形成不同的偏折角度，以使宽谱中多种频率分量的基频光以不同的角度入射到所述2倍频晶体2中。
所述2倍频晶体2，用于将所述每种波长的基频光进行二倍频以形成的二倍频光。
所述4倍频棱镜耦合器件4，用于将射入其内的不同频率分量的二倍频光进行四倍频以形成不同频率分量的四倍频光。
所述色散补偿器5，用于将频率分量不同的四倍频光进行深紫外激光脉冲压缩，以使不同频率分量的四倍频光平行射出至所述缩束器6。
所述缩束器6，用于将所述不同频率分量的四倍频光整合成深紫外光频梳后射出。
本实施例4与实施例1的区别在于：基频光梳先通过色散器件3进行色散后，形成多种波长的基频光，然后多种波长的基频光以不同的角度射入到2倍频晶体2中。在本实施例4中2倍频晶体2相当于实施例1中的4倍频棱镜耦合器件4中的入射棱镜41，即2倍频光直接射入到4倍频晶体42中，实现四倍频。其中2倍频晶体为BBO晶体、LBO晶体、CBO晶体或CLBO晶体中的一种，其中，出射耦合棱镜43为CaF2晶体，4倍频晶体42为KBBF晶体。
由于在本实施例中2倍频晶体2不仅用于实现2倍频，还用于将2倍频光射入到4倍频晶体42中，因此2倍频晶体可设置为三棱镜形状，且与直角相对的面与4倍频晶体42的供2倍频晶体入射的面贴合。
2倍频晶体2的顶角优选为θ＝48.7°。基频光直接引入2倍频晶体2并依次进行二倍频和四倍频，该结构使整个装置更加紧凑简单。
本发明实施例提供的深紫外光频梳产生装置，结构简单、紧凑，成本低，能够充分增加基频光和谐波在非线性光学晶体中的折叠次数，提高变频效率。
以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种深紫外光频梳的产生装置，其特征在于，包括沿光路依次设置的基频光梳光源(1)、2倍频晶体(2)、色散器件(3)、4倍频棱镜耦合器件(4)、色散补偿器(5)和缩束器(6)；
所述基频光梳光源(1)，用于出射基频光梳；
所述2倍频晶体(2)，用于将所述基频光梳进行二倍频，以形成二倍频光；
所述色散器件(3)，用于将射入其内的二倍频光按照频率分量的不同形成不同角度的二倍频光，以使多种波长的二倍频光分别以不同的角度入射到所述4倍频棱镜耦合器件(4)中，以补偿由于宽谱引起的相位失配；
所述4倍频棱镜耦合器件(4)，用于将射入其内的不同频率分量的2倍频光进行四倍频，以形成不同频率分量的宽谱的四倍频光；
所述色散补偿器(5)，用于将频率分量不同的宽谱的四倍频光进行脉冲压缩，以使不同频率分量的四倍频光平行射出至所述缩束器(6)；
所述缩束器(6)，用于将所述不同频率分量的四倍频光缩束成深紫外光频梳后射出。
2.如权利要求1所述的深紫外光频梳产生装置，其特征在于，所述色散器件(3)，用于将射入其内的二倍频光按照频率分量的不同形成不同的偏折角度，且将射入其内的二倍频光，以处于二倍频光的中心波长对应的相位匹配角在所述4倍频棱镜耦合器件(4)中传播。
3.如权利要求1或2所述的深紫外光频梳产生装置，其特征在于，所述色散器件(3)为一块棱镜、多块棱镜级联或光栅中的一种。
4.如权利要求1或2所述的深紫外光频梳产生装置，其特征在于，所述色散补偿器(5)为光栅、棱镜或啁啾镜的一种。
5.如权利要求1或2所述的深紫外光频梳产生装置，其特征在于，所述2倍频晶体为BBO晶体、LBO晶体、CBO晶体或CLBO晶体中的一种。
6.如权利要求1或2所述的深紫外光频梳产生装置，其特征在于，所述基频光梳光源是中心波长为800nm的飞秒钛宝石激光。
7.如权利要求1或2所述的深紫外光频梳产生装置，其特征在于，所述4倍频棱镜耦合器件(4)包括：依次沿光路设置的入射棱镜、四倍频晶体和出射棱镜。
8.如权利要求7所述的深紫外光频梳产生装置，其特征在于，所述入射棱镜和出射棱镜的均由SiO2晶体、Al2O3晶体、SiC晶体、LiF晶体、MgF2晶体、CdF2晶体、CaF2晶体或BaF2晶体中的一种制成；
所述四倍频晶体为KBBF、RBBF、NBBF、NSBBF、ABBF、ABF或CBF晶体中的一种。
9.如权利要求1所述的深紫外光频梳产生装置，其特征在于，所述4倍频棱镜耦合器件置于真空腔内。
10.一种深紫外光频梳的产生装置，其特征在于，包括沿光路依次设置的基频光梳光源(1)、色散器件(3)、2倍频晶体(2)、4倍频棱镜耦合器件(4)、色散补偿器(5)和缩束器(6)；
所述基频光梳光源(1)，用于出射基频光梳；
所述色散器件(3)，用于将射入其内的基频光梳按照频率分量的不同形成多种波长的基频光，以使多种波长的基频光分别以不同的角度入射到所述2倍频晶体(2)中；
所述2倍频晶体(2)，用于将每种波长的所述基频光进行二倍频以形成的二倍频光；
所述4倍频棱镜耦合器件(4)，用于将射入其内的不同频率分量的二倍频光进行四倍频以形成不同频率分量的宽谱的四倍频光；
所述色散补偿器(5)，用于将不同频率分量的宽谱的四倍频光进行深紫外激光脉冲压缩，以使不同频率分量的四倍频光平行射出至所述缩束器(6)；
所述缩束器(6)，用于将所述不同频率分量的四倍频光整合成深紫外光频梳后射出。
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