CN112436369B - 同步泵浦光参量振荡器光谱净化和稳定性提升的方法 - Google Patents

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Abstract

一种同步泵浦光参量振荡器光谱净化和稳定性提升的方法，利用色散补偿元件在同步泵浦光参量振荡器腔内增大净色散量，通过泵浦脉冲的时间滤波效应实现了干净平滑的窄光谱超短脉冲输出，光谱稳定性和功率稳定性得到了极大提升。本发明灵活简便，对于发展高功率的超短脉冲光参量振荡器具有重要的应用价值。

Description

同步泵浦光参量振荡器光谱净化和稳定性提升的方法
技术领域
本发明属于超快激光技术领域，涉及一种同步泵浦光参量振荡器光谱净化和稳定性提升的方法。
背景技术
高功率超快激光作为超快科学和工业应用的重要工具引起了人们的广泛关注。与锁模激光器相比，超快激光同步泵浦的光参量振荡器能够在紫外至中红外范围内产生宽带调谐的超快相干光源，因而在气体检测、空间光通信、激光医疗、激光加工、光电对抗等领域具有重要的应用价值。对于诸多应用，消除噪声波长的干扰，令光谱集中在目标波长附近并保持光谱和功率的稳定性是至关重要的。然而，当同步泵浦光参量振荡器工作在高功率状态下时，会输出宽带的不规则光谱，同时光谱和功率稳定性变差，不利于实际应用。
目前，通过在光参量振荡器腔内插入法布里-珀罗(F-P)标准具、体布拉格光栅(VBG)或衍射光栅等元件可以实现光谱窄化，从而使输出光谱集中在目标波长附近，而其它波长得到抑制。然而，当光参量振荡器的相位匹配带宽大于法布里-珀罗标准具的自由光谱范围时，可能选出多个波长在腔内同时振荡，且容易出现波长跳动。体布拉格光栅是针对固定波长设计的，无法实现波长调谐。衍射光栅具有大的插入损耗，不利于高效率工作。因此，对于高功率的同步泵浦光参量振荡器，需要一种灵活简便的方法实现光谱净化和稳定性提升。
发明内容
本发明的目的是克服高功率同步泵浦光参量振荡器输出光谱带宽大且无规则变化以及输出功率不稳定的问题，提出一种实现高功率同步泵浦光参量振荡器光谱净化和稳定性提升的方法。
本发明的技术解决方案如下：
一种同步泵浦光参量振荡器光谱净化和稳定性提升的方法，其特点在于该方法是在同步泵浦光参量振荡器的腔内插入色散补偿元件，增大腔内净色散量，使振荡脉冲仅有较窄的光谱成分处于泵浦脉冲的时间增益窗口之内获得增益从而振荡，而其它波长成分被排除在泵浦脉冲的时间增益窗口之外而得到抑制，从而起到滤波效果，实现干净平滑的窄光谱超短脉冲输出，并使光谱稳定性和功率稳定性得到提升。
所述的腔内净色散量的符号可正可负。
当泵浦源的脉冲宽度越宽时，要求插入色散补偿元件后腔内净色散量的绝对值越大。
本发明方法的机理是：
①在同步泵浦光参量振荡器中，泵浦脉冲宽度决定了时间增益窗口。当腔内净色散量较大时，仅有较窄的光谱成分处于泵浦脉冲的时间增益窗口之内获得增益从而振荡，而其它波长成分被排除在泵浦脉冲的时间增益窗口之外得到抑制，从而起到滤波效果，实现光谱净化。
②当其它波长被滤除，仅有中心波长附近的波长成分能够振荡时，原来宽带光谱成分之间的竞争消失，因此输出光谱的稳定性得到提升，进而使输出功率的稳定性得到提升。
本发明克服了高功率同步泵浦光参量振荡器输出光谱带宽大且无规则变化以及输出功率不稳定的问题，是一种实现同步泵浦光参量振荡器光谱净化和稳定性提升的灵活简便的方法，对于发展高功率的超短脉冲光参量振荡器具有重要的应用价值。
附图说明
图1是本发明同步泵浦光参量振荡器光谱净化和稳定性提升方法的实施例结构示意图。
图2是本发明实施例无色散补偿元件时闲频光输出光谱随泵浦光功率的变化。
图3是本发明实施例当泵浦光功率为55W时，无色散补偿元件时闲频光输出光谱随时间的变化。
图4是本发明实施例当泵浦光功率为55W时，腔内插入30mm长的铌酸锂晶体后闲频光输出光谱随时间的变化。
图5是本发明实施例当泵浦光功率为55W时，腔内不插入和插入30mm长的铌酸锂晶体时闲频光输出功率随时间的变化。
具体实施方式
下面通过附图和实施例进一步说明本发明，但是，应当理解为，这些实施例仅仅是用于更详细具体地说明之用，而不应理解为用于以任何形式限制本发明。
如图1所示，本发明所述的实现光谱净化和稳定性提升的同步泵浦光参量振荡器，包括泵浦源1，沿所述泵浦源1的激光输出方向依次是第一半波片2、法拉第隔离器3、第二半波片4、第一聚焦透镜5、第二聚焦透镜6、第一平凹镜7、非线性晶体8、第二平凹镜9，在第二平凹镜9的反射方向依次是色散补偿元件10、平平反射镜11，在第一平凹镜7的反射方向是输出耦合镜12。
泵浦源1，为一套基于Yb光纤的主振荡功率放大(MOPA)系统，输出激光的脉冲宽度为800fs，重复频率84.2MHz，中心波长1030nm，光谱带宽1.9nm。
第一半波片2，用于将激光的偏振方向旋转到隔离器3的传输方向。
法拉第隔离器3，用于防止激光反馈回泵浦源1。
第二半波片4，用于控制入射至非线性晶体8的激光偏振方向，从而实现最佳的相位匹配。
第一聚焦透镜5和第二聚焦透镜6，焦距分别为40mm和50mm，用于将泵浦光聚焦到非线性晶体8中。
非线性晶体8，采用2mm长的掺杂5mol％氧化镁的周期极化铌酸锂(MgO:PPLN)，极化周期为31μm，用于产生信号光和闲频光。该晶体在泵浦光和闲频光波段镀有增透膜，其中在2.0μm～2.65μm波长范围内透过率大于99.5％，在1.02μm～1.08μm波长范围内透过率大于95％。
第一平凹镜7和第二平凹镜9，曲率半径为500mm，组成谐振腔并聚焦。其在2.06μm～2.5μm波长范围内反射率大于99.5％，在1.02μm～1.04μm波长范围内透过率大于90％。
平平反射镜11，用于构成参量谐振腔的一个端镜。该平平反射镜11固定在一个一维精密平移台上，可以精密改变参量谐振腔的腔长，实现与泵浦源的腔长匹配。其在2.06μm～2.5μm波长范围内反射率大于99.5％。
输出耦合镜12，用于构成参量谐振腔的另一个端镜并输出一部分闲频光，其对2.1μm～2.6μm波长的透过率为9％。
色散补偿元件10，为30mm长的铌酸锂(LiNbO3)晶体，用于在腔内提供额外的负色散。该晶体表面镀有增透膜，在2.0μm～2.5μm波长范围内透过率大于99.5％。
当腔内不插入色散补偿元件10时，逐渐增大泵浦功率，达到参量振荡的阈值条件，并调整光参量振荡器的腔长与泵浦谐振腔的腔长匹配，使闲频光在腔内开始振荡。此时腔内色散由2mm长的MgO:PPLN晶体(非线性晶体8)提供，为-298fs2。输出的闲频光光谱随泵浦功率的变化参阅图2。可以看出，当泵浦光功率较低时，闲频光输出一个干净平滑的窄带光谱。然而当泵浦光功率超过25W时，随着泵浦光功率的继续增大，闲频光在除中心波长外的其它波长处也开始振荡，输出光谱呈现出不规则的形状。
当泵浦功率为55W时，每隔1分钟测量一次闲频光输出光谱，发现输出光谱随时间无序变化，参阅图3。
为净化闲频光输出光谱并提升其稳定性，将一个长度为30mm的LiNbO3晶体10置于腔内，用于提供额外的负色散。此时腔内净色散量达到-4768fs2。闲频光的输出光谱及其随时间的变化参阅图4。可以看出，当腔内插入LiNbO3晶体增大负色散后，原来不规则的宽带光谱变成了干净平滑的窄带光谱，且在60分钟之内，光谱形状几乎没有发生变化。
值得注意的是，当腔内引入额外的负色散后，在光谱稳定性提升的同时，功率稳定性也得到了提升。在腔内补偿色散前后，分别对闲频光的输出功率连续监测1小时，得到闲频光的输出功率随时间的变化参阅图5。可以看出，闲频光输出功率的波动峰谷(PV)值由色散补偿前的34.3％下降到色散补偿后的5.6％，功率波动下降为原来的1/6，功率稳定性得到了极大的提升。
本发明的主要思想是通过增大腔内色散量使得泵浦脉冲的时间增益窗口之内只含有较窄的光谱成分，从而对振荡脉冲起到时间滤波的作用。尽管本发明已进行了一定程度的描述，明显地，在不脱离本发明的精神和范围的条件下，可进行各个条件的适当变化，例如采用其它的非线性晶体，采用包括正色散元件在内的其它色散补偿元件等。因此可以理解，本发明不限于所述实施方案，并且任何变化在不脱离本发明技术方案的精神和范围的情况下，其均应被涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种同步泵浦光参量振荡器光谱净化和稳定性提升的方法，其特征在于该方法是在同步泵浦光参量振荡器的腔内插入色散补偿元件，增大腔内净色散量，使振荡脉冲仅有较窄的光谱成分处于泵浦脉冲的时间增益窗口之内获得增益从而振荡，而其它波长成分被排除在泵浦脉冲的时间增益窗口之外而得到抑制，从而起到滤波效果，实现干净平滑的窄光谱超短脉冲输出，并使光谱稳定性和功率稳定性得到提升；
所述同步泵浦光参量振荡器光谱净化和稳定性提升的方法基于一种同步泵浦光参量振荡器来实现，所述同步泵浦光参量振荡器包括泵浦源，沿所述泵浦源的激光输出方向依次放置第一半波片、法拉第隔离器、第二半波片、第一聚焦透镜、第二聚焦透镜、第一平凹镜、非线性晶体、第二平凹镜，在第二平凹镜的反射方向依次放置色散补偿元件、平平反射镜，在第一平凹镜的反射方向放置输出耦合镜；
其中，所述非线性晶体采用2mm长的掺杂5mol％氧化镁的周期极化铌酸锂；色散补偿元件为30mm长的铌酸锂晶体。
2.根据权利要求1所述的同步泵浦光参量振荡器光谱净化和稳定性提升的方法，其特征在于所述的腔内净色散量的符号可正可负。
3.根据权利要求1所述的同步泵浦光参量振荡器光谱净化和稳定性提升的方法，其特征在于当泵浦源的脉冲宽度越宽时，要求插入色散补偿元件后腔内净色散量的绝对值越大。
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