CN113224632A - 一种飞秒宽谱差频中红外激光器 - Google Patents
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Abstract
一种飞秒宽谱差频中红外激光器，包括种子光源模块，分离脉冲放大模块，2um宽谱产生模块和差频模块；种子光源模块；用于产生锁模脉冲的半导体激光光源作为种子光源，经输出耦合器分束后两束差频光提供信号源分别输出连接到分离脉冲放大模块和2um宽谱产生模块；分离脉冲放大模块，用于通过分离脉冲放大的方式产生高功率的飞秒脉冲激光，产生最大可达W量级的飞秒脉冲激光；2um宽谱产生模块，用于采用可调谐滤光片的方式调谐并进行放大，产生百毫瓦量级的从1700nm‑2000nm的宽谱；差频模块，用于使用非线性晶体高频和低频光在时间上和空间上重合，通过非线性晶体产生差频，从而产生中红外激光。解决了目前采用差频中红外激光器可调谐波长较短的问题，产生宽谱扩大了波长范围，使得激光器的应用范围更加的广泛。
Description
技术领域
本发明涉及激光器技术领域，具体涉及一种中红外差频产生激光器。
背景技术
中红外波段(波长为3～12μm)激光在工业、医学、通讯等方面有着重要的应用。在激光加工领域，6μm波段激光在塑料材料激光切割、焊接等应用领域有重要地位，塑料材料对从紫外到近红外的激光基本是透明的，另外，许多重要的碳氢气体及其他有毒气体分子在在3～12μm波段是都有很强的特征吸收峰。因此可以利用中红外激光来进行测量有毒气体，有机物等的分子光谱。因为中红外波段处于大气透明窗口，对于烟雾有较高的透过率，在空气中传输时受分子散射小，因此中红外脉冲激光可使用于激光测距、远程遥感、无线通讯等方面应用。本专利的激光器的输出波长为6至13μm，因此在激光切割医学，分子气体探测上都有重要的作用。
激光器产生中红外激光一般有：通过锁模激光器直接产生，通过量子级联激光器产生，基于克尔微腔直接产生，基于光参量震荡技术(Optical Parametric OscillationOPO)产生，基于光差频产生中红外技术(Difference Frequency Generation DFG)产生这几种主要的方法，每种方法各有其的优势和缺点。其中锁模激光器直接产生由于激活粒子能级结构的限制，基于锁模激光器的中红外光梳主要集中在4μm以下波段。QCL技术需要复杂的技术手段来保持梳齿间隔和载波包络偏移频率稳定。其宽带较窄，同时由于其材料生长及器件制作困难，限制了其大规模应用。克尔微腔直接产生由于材料限制，其应用波段主要在5μm以下。OPO输出波段受限主要原因是对于某个波长的泵浦光入射，通过改变泵浦光和非线性晶体之间的夹角，可实现闲频光调谐，但是当角度改变过大时，信号光或闲频光可能会冲腔内逃逸出去，则整个参量振荡过程将无法维持下去。
目前主流采用的非线性晶体一般分为周期性极化非线性晶体和普通的非线性晶体，但是周期性极化非线性晶体其成本较高，难于获得。同时非线性晶体由于其转化效率较低，因此产生的中红外激光功率较低
DFG技术由于其原理在相位锁定上具有天然优势，且结构更为简单，能够产生稳定的中红外频率梳，因而DFG技术目前被普遍用于产生中远红外光梳，也成为了当下的热点。现有的DFG技术通常使用通过高非线性光纤产生超连续谱的方式进行可调谐，但是由于产生超连续谱的质量受到光源影响比较大.，产生光谱范围受限，因此有诸多的限制和不便。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有技术不足，为了克服现有技术的不足，提供一种解决方案，利用可调谐滤波片的方式为DFG技术提供了更宽的光谱，解决了现有中红外激光器结构困难，系统复杂，带宽较窄等问题。
本发明的技术方案是，一种飞秒宽谱差频中红外激光器，包括种子光源模块，分离脉冲放大模块，2um宽谱产生模块和差频模块；种子光源模块；用于产生锁模脉冲的半导体激光光源作为种子光源，经输出耦合器分束后两束差频光提供信号源分别输出连接到分离脉冲放大模块和2um宽谱产生模块；分离脉冲放大模块，用于通过分离脉冲放大的方式产生高功率的飞秒脉冲激光，产生最大可达W量级的飞秒脉冲激光；2um宽谱产生模块，用于采用可调谐滤光片的方式调谐并进行放大，产生百毫瓦量级的从1700nm-2000nm的宽谱；
差频模块，用于使用非线性晶体高频和低频光进行差频，高频和低频光在时间上和空间上重合，通过非线性晶体产生差频，从而产生中红外激光；
所述的种子光源模块使用的是半导体可饱和吸收镜，通过环形器、波分复用器和输出功率为90mW的976nm的LD作为锁模的种子光源，然后通过5∶5的输出耦合器分别输出给分离脉冲放大模块和2um宽谱产生模块。
所述种子光源模块中，半导体可饱和吸收镜连接环形器，波分复用器连接LD环形器和输出耦合器，作为种子光源连接分离脉冲放大模块和2um宽谱产生模块。
进一步，如上所述的飞秒宽谱差频中红外激光器，所述分离脉冲放大模块包括预放大模块和主放模块。其中有预放大模块有WDM，掺铒光纤和输出功率最大为460mW的976nm的pump。主动放大模块有4块长度为8:4:2:1的BBO晶体，然后通过合束器，多模铒镱共掺光纤和输出功率最大为10W的多模LD进行放大，通过旋转镜进行返回并通过PBS进行输出。使用掺铒光纤和泵浦源进行预放，预放大后的激光通过偏振分束器PBS以及分别使用4块长度为8:4:2:1的BBO晶体，然后通过合束器；所述分离脉冲放大模块中，波分复用器连接PBS，泵浦源以及掺铒光纤，PBS连接BBO晶体和输出，BBO晶体连接合束器，合束器连接多模LD和多模铒镱共掺光纤，多模铒镱共掺光纤连接旋转镜。
所述的2um宽谱产生模块，将种子光源的光通过EDFA进行预放后通过高非线性光纤产生超连续谱，然后通过1550/2000nm的波分复用器后，先通过保偏掺铥光纤，随后通过准直器进入自制可调滤波片模块，包括光栅，透镜，狭缝然后通过金镜返回，通过改变狭缝宽度调整波长，打回波分复用器输出；所述的2um宽谱产生模块，在通过可调谐模块后通过一段色散补偿光纤，再通过掺铥光纤进行放大和脉宽压缩，最后通过准直器输出。
所述的差频模块，将2um宽谱产生模块通过延迟线然后通过二向色镜与分离脉冲放大模块进行时间与空间重合，通过透镜聚焦，打入非线性晶体中,再聚焦并通过滤光片。
有益效果：本发明采用超连续谱自差频方案获取飞秒宽谱差频中红外激光器，克服了QCL技术窄带宽，生长困难的不足。采用超连续谱自差频方案获取飞秒宽谱差频中红外激光器，克服了克尔微腔产生中红外的材料限制和应用波段的限制。采用超连续谱自差频方案获取飞秒宽谱差频中红外激光器，克服了OPO方式因为晶体角度造成闲频光逃逸所造成的带宽较小的不足；采用超连续谱自差频方案获取飞秒宽谱差频中红外激光器，克服了一般DFG方式由于采用超连续谱造成带宽较窄的问题。采用分离脉冲放大的方式能够产生较大的飞秒脉冲功率，使得最后输出中红外激光功率较大，克服了目前非线性光学DFG方式功率较低的问题。
附图说明
图1是飞秒宽谱差频中红外激光器的构成框图。
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，下面本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合附图对本发明做进一步详细说明
本发明提供的系统为一种结构较为简单、能够产生宽谱的飞秒宽谱差频中红外激光器。
如图1所示，本发明为一种新型的飞秒宽谱差频中红外激光器，包括：种子光源模块；分离脉冲放大模块；2um宽谱产生模块；差频模块；
本发明的种子光源模块1使用的是半导体可饱和吸收镜，通过环形器，波分复用器和输出功率为90mW的976nm的LD作为锁模的种子光源，输出最大功率为10mW，光谱宽度为5nm的光源。然后通过5∶5的输出耦合器分别输出给分离脉冲放大模块和2um宽谱产生模块，2um宽谱产生模块中，先通过EDFA12进行预放后通过高非线性光纤0.2米长的HNLF 13产生超连续谱，接着通过1550/2000nm的波分复用器14后，先通过保偏掺铥光纤15，随后通过准直器进入自制可调滤波片模块，滤波模块的范围从1733nm至2033nm，包括光栅16、透镜17、狭缝18然后通过金镜19返回，这其中通过改变狭缝18宽度调整波长，打回波分复用器后连接到色散补偿光纤20以及保偏掺铥光纤21对脉宽进行压缩到飞秒级别。
使用镀膜铜基底封装的直径为5mm的半导体可饱和吸收镜(SESAM，例如含一个布拉格反射镜(Bragg-mirror)生长在基底上(如GaAs晶圆)，然后可饱和吸收层做在布拉格反射镜上。)基本结构就是把反射镜与半导体可饱和吸收体结合在一起。底层一般为半导体反射镜，其上生长一层半导体可饱和吸收体薄膜，最上层可能生长一层反射镜或直接利用半导体与空气的界面作为反射镜，这样上下两个反射镜就形成了一个法布里-珀罗腔，通过改变吸收体的厚度以及两反射镜的反射率，可以调节吸收体的调制深度和反射镜的带宽。被安装在宽谱激光腔中进行模式锁定。通过可饱和吸收体的损耗机制，连续激光器中杂乱的多脉冲可以被调制成有规律的超短脉冲串。
可饱和吸收体在强光下被漂白，可以使大部分腔内能量通过可饱和吸收体到达反射镜，并再次反射回激光腔中；在弱光下，表现为吸收未饱和的特性，吸收掉所有入射光，有效的把这部分弱光从激光腔中去除掉，表现了调Q锁模的抑制作用。而且由于吸收掉了脉冲前沿部分，脉冲宽度在反射过程中会逐渐变窄。
分离脉冲放大模块先通过波分复用器3后，通过输出功率最大为460mW的中心波长为976nm的LD 2，随后进入掺铒光纤4先进行预放大到大约20mW，预放大后的激光通过PBS(光环行器和偏振光分束器PBS)5以及使用分为4块长度比为8:4:2:1的BBO晶体6，然后通过7合束器，通过多模铒镱共掺光纤9和输出功率最大为10W的多模LD8进行放大，通过准直器10输出并通过11旋转镜返回到PBS5进行输出。将2um宽谱产生模块通过延迟线22和金镜23后，进入二向色镜24将2um宽谱模块与分离脉冲放大模块进行时间与空间重合，通过透镜25聚焦，打入厚度为2cm的非线性晶体GaSe 26中,再通过透镜27聚焦并通过28滤光片最后输出。
如上所述的飞秒宽谱差频中红外激光器，所述2um宽谱产生模块包含EDFA，1550/2000nm波分复用器，高非线性光纤，保偏掺铒光纤光纤以及可调滤光片模块，包括光栅，透镜，狭缝然后通过金镜返回和色散补偿光纤以及保偏掺铥光纤组成的压缩模块。
所述2um宽谱产生模块中，种子光源连接EDFA，EDFA连接高非线性光纤，高非线性光纤连接波分复用器WDM，WDM连接掺铥光纤，然后进入及自制可调滤光片模块通过光栅，透镜，狭缝然后通过金镜返回，WDM另一端连接色散补偿光纤，再连接掺铥光纤，最后通过延迟线。
如上所述的飞秒宽谱差频中红外激光器，所述差频模块包括而二向色镜DM，透镜1，晶体，透镜2以及滤光片。
所述差频模块中，分离脉冲放大模块的光以及2um宽谱产生模块的光通过二向色镜重合，依次通过透镜1.晶体，透镜2和滤光片，滤光片连接输出。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (5)
1.一种飞秒宽谱差频中红外激光器，其特征在于，包括种子光源模块，分离脉冲放大模块，2um宽谱产生模块和差频模块；种子光源模块；用于产生锁模脉冲的半导体激光光源作为种子光源，经输出耦合器分束后两束差频光提供信号源分别输出连接到分离脉冲放大模块和2um宽谱产生模块；
分离脉冲放大模块，用于通过分离脉冲放大的方式产生高功率的飞秒脉冲激光，产生最大可达W量级的飞秒脉冲激光；2um宽谱产生模块，用于采用可调谐滤光片的方式调谐并进行放大，产生百毫瓦量级的从1700nm-2000nm的宽谱；差频模块，用于使用非线性晶体高频和低频光在时间上和空间上重合，通过非线性晶体产生差频，从而产生中红外激光。
2.根据权利要求1所述的飞秒宽谱差频中红外激光器，其特征在于，所述的种子光源模块使用的是半导体可饱和吸收镜，通过环形器、波分复用器和输出功率为90mW的976nm的LD作为锁模的种子光源，然后通过5∶5的输出耦合器分别输出给分离脉冲放大模块和2um宽谱产生模块。
3.根据权利要求1所述的一种飞秒宽谱差频中红外激光器，其特征在于，所述的分离脉冲放大模块，使用掺铒光纤和泵浦源进行预放，预放大后的激光通过偏振分束器PBS以及分别使用4块长度为8:4:2:1的BBO晶体，然后通过合束器，多模铒镱共掺光纤和输出功率最大为10W的多模LD进行放大，通过旋转镜进行返回并通过偏振分束器PBS进行输出。
4.根据权利要求1所述的一种飞秒宽谱差频中红外激光器，其特征在于，所述的2um宽谱产生模块，将种子光源的光通过EDFA进行预放后通过高非线性光纤产生超连续谱，然后通过1550/2000nm的波分复用器后，先通过保偏掺铥光纤，随后通过准直器进入自制可调滤波片模块，包括光栅，透镜，狭缝然后通过金镜返回，通过改变狭缝宽度调整波长，打回波分复用器输出；所述的2um宽谱产生模块，在通过可调谐模块后通过一段色散补偿光纤，再通过掺铥光纤进行放大和脉宽压缩，最后通过准直器输出。
5.根据权利要求1所述的一种飞秒宽谱差频中红外激光器其特征在于，所述的差频模块，将2um宽谱产生模块通过延迟线然后通过二向色镜与分离脉冲放大模块进行时间与空间重合，通过透镜聚焦，打入非线性晶体中,再聚焦并通过滤光片。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |
Application publication date: 20210806 |
|
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |