CN113794092B - 一种高能量超连续谱激光器 - Google Patents
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Abstract
本公开的高能量超连续谱激光器，包括可见光源1、半波片2、透镜组3、反射镜4和条形非线性晶体5；可见光源1发射单一波长的可见脉冲激光；半波片2为激光偏振调节器件，将入射的可见脉冲激光的偏振方向调节至垂直偏振；透镜组3缩放经半波片2调节为垂直偏振的可见脉冲激光的光束口径与所述条形非线性晶体5的口径相匹配，并透射到反射镜4；反射镜4将入射的可见脉冲激光进行反射，使可见脉冲激光垂直入射到条形非线性晶体5；条形非线性晶体5用于折线型传输垂直入射的可见脉冲激光和展宽可见脉冲激光的光谱，形成高能量超连续谱激光。极大的扩展激光的光谱范围，实现超连续谱激光输出，提高超连续谱激光的转化效率。
Description
技术领域
本发明属于激光技术领域，具体涉及一种高能量超连续谱激光器，利用激光在条形非线性晶体内折线型传输，实现可见光超连续谱激光的高能量输出。
背景技术
激光技术已在基础科学研究、临床医学、信息通讯、工业技术等众多领域得到广泛应用，是尖端领域的探索和发展的有力工具。随着激光应用领域的发展，单一波长的激光已不能满足应用需求。超连续谱激光器或白光光源，不同于单一波长的激光器，因其宽光谱性能，在光谱检测、生物医学成像、高精密光学频率测量、纳米材料检测及波分复用光通信系统等方面有着重要的应用。而在高光谱遥感和远程测距方面，则要求超连续谱激光具备高峰值功率和高单脉冲能量。可见光波段的特征谱线丰富，是高光谱遥感、生物医学应用、材料检测的常用波段。目前，比较成熟的超连续谱激光器由红外激光器作为激发光源，最短波长在400nm左右，可见波段功率占比不高。这极大限制了超连续谱激光器在可见波段的应用。因此，可见光波段的高峰值功率超连续谱激光产生技术就具有重要科学意义。
超连续谱激光产生技术是一种非线性光学技术，高效率产生宽带超连续谱激光的介质要求具有高的非线性系数和适当的色散条件。目前，常用的高效率产生超连续谱激光方案，主要有下述几种，同时也存在一些问题。
(1)利用非线性光子晶体光纤得到超连续谱激光的方案[Wanjun Bi,etal.Micro-joule level visible supercontinuum generation in seven-core photoniccrystal fiberspumped by a 515nm laser,Optics.Letters.2019,44,5041-5044]，是目前获得超连续谱激光的主流方案。通过改变光纤结构，设计光纤的零色散点，达到扩展超连续光谱范围和提高转化效率的目的。其缺点在于，由于光纤纤芯截面积大小的限制，光纤能够承载的激光峰值功率和单脉冲能量有限，从原理上不能获得较高单脉冲能量和高峰值功率的超连续谱激光，限制了其应用。
(2)利用块状非线性晶体获得超连续谱激光输出的方案[Haochuan Wang,etal.Cross-polarized,multi-octave supercontinuum generation,Optics.Letters.2017,42:2595-2598]。产生高效率的超连续谱激光需要激发激光波长在介质的零色散点附近，由于材料色散特性的限制(例如BBO晶体的零色散波长为1.4微米)，目前此类超连续谱激光能量集中在红外波段，而非可见光波段。同时利用红外激光器作为超连续谱激光的激发光源，虽然也可以覆盖可见波段，但转化率低，可见光波段功率占比低。
发明内容
本发明克服了现有技术的不足之一，提供了一种高能量超连续谱激光器，通过采用条形非线性晶体，极大的扩展激光的光谱范围，获得高单脉冲能量和高峰值功率的超连续谱激光，实现超连续谱激光输出，提高超连续谱激光的转化效率。
根据本公开的一方面，本发明提供一种高能量超连续谱激光器，所述激光器包括：可见光源1、半波片2、透镜组3、反射镜4和条形非线性晶体5；
其中，所述可见光源1，用于发射单一波长的可见脉冲激光；
所述半波片2为激光偏振调节器件，用于将入射的可见脉冲激光的偏振方向调节至垂直偏振；
所述透镜组3，用于缩放经半波片2调节为垂直偏振的可见脉冲激光的光束口径与所述条形非线性晶体5的口径相匹配，并透射到所述反射镜4；
所述反射镜4，用于将入射的可见脉冲激光进行反射，使所述可见脉冲激光垂直入射到所述条形非线性晶体5；
所述条形非线性晶体5，用于折线型传输垂直入射的可见脉冲激光和展宽可见脉冲激光的光谱，形成高能量超连续谱激光。
在一种可能的实现方式中，所述透镜组3镀制可见光增透膜，包括一个或多个凹凸透镜。
在一种可能的实现方式中，所述反射镜4镀制可见激光高反射膜。
在一种可能的实现方式中，所述条形非线性晶体5为各向同性晶体，材料为钇铝石榴石晶体非线性材料。
在一种可能的实现方式中，所述条形非线性晶体5为六面体，其中两个侧面为平行四边形或等腰梯形，其余四个表面为光学表面，所述四个光学表面与所述两个侧面垂直。
在一种可能的实现方式中，当两个侧面为平行四边形时，所述平行四边形的锐角为45°；当两个侧面为等腰梯形时，所述等腰梯形的底角为45°。
在一种可能的实现方式中，所述四个光学表面的一相对的两个光学表面为可见脉冲激光透射面，镀制为可见光增透膜；另一相对的两个光学表面为可见脉冲激光反射面，镀制可见波段宽带负色散高反射膜。
在一种可能的实现方式中，所述可见脉冲激光垂直入射到所述条形非线性晶体5的一可见脉冲激光透射面，并在两个可见脉冲激光反射面之间进行多次反射，经所述条形非线性晶体5的另一可见脉冲激光透射面透射输出。
在一种可能的实现方式中，所述条形非线性晶体5为零色散状态。
在一种可能的实现方式中，所述可见脉冲激光的脉冲宽度为飞秒到纳秒量级；波长为515nm或532nm。
本公开的高能量超连续谱激光器包括：可见光源1、半波片2、透镜组3、反射镜4和条形非线性晶体5；可见光源1发射单一波长的可见脉冲激光；半波片2为激光偏振调节器件将入射的可见脉冲激光的偏振方向调节至垂直偏振；透镜组3缩放经半波片2调节为垂直偏振的可见脉冲激光的光束口径与所述条形非线性晶体5的口径相匹配，并透射到所述反射镜4；反射镜4将入射的可见脉冲激光进行反射，使可见脉冲激光垂直入射到条形非线性晶体5；条形非线性晶体5用于折线型传输垂直入射的可见脉冲激光和展宽可见脉冲激光的光谱，形成高能量超连续谱激光。通过采用条形非线性晶体，极大的扩展激光的光谱范围，获得高单脉冲能量和高峰值功率的超连续谱激光，实现超连续谱激光输出，提高超连续谱激光的转化效率。
附图说明
附图用来提供对本申请的技术方案或现有技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分。其中，表达本申请实施例的附图与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，但并不构成对本申请技术方案的限制。
图1示出了根据本公开一实施例的高能量超连续谱激光器的原理图；
图2示出了根据本公开一实施例的条形非线性晶体的结构示意图。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达到相应技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。本申请实施例以及实施例中的各个特征，在不相冲突前提下可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
图1示出了根据本公开一实施例的高能量超连续谱激光器的原理图。
如图1所示，该激光器可以包括：可见光源1、半波片2、透镜组3、反射镜4和条形非线性晶体5。
可见光源1用于发射单一波长的可见脉冲激光。可见激光光源1可以作为激发非线性过程、产生超连续光谱的激光光源，发射单一波长的可见脉冲激光。可见脉冲激光的脉冲宽度范围可以从飞秒到纳秒量级，可见脉冲激光的波长通常为515nm或者532nm，但不限于此。相比与以往利用红外激光作为激发光源，采用可见波段激光激发超连续谱激光，能够提高可见光波段超连续谱激光的产生效率。
半波片2为激光偏振调节器件，用于将入射的可见脉冲激光的偏振方向调节至垂直偏振。例如，半波片2可以将入射非线性晶体的可见激光偏振方向调节至垂直偏振方向。
透镜组3可以用于缩放经半波片2调节为垂直偏振的可见脉冲激光的光束口径与所述条形非线性晶体5的口径相匹配，并透射到反射镜4。其中，透镜组3可以由一个或多个凹凸透镜构成，镀制可见光增透膜，作用是将入射晶体激光的光束口径缩放至与条形非线性晶体口径相匹配，保证入射激光能量密度小于非线性晶体的损伤阈值，并大于激发非线性过程的阈值。
反射镜4可以用于将入射的可见脉冲激光进行反射，使可见脉冲激光垂直入射到所述条形非线性晶体5。其中，反射镜4可以镀制为可见激光高反射膜，用是将可见激光光束按一定角度反射进入条形非线性晶体。
条形非线性晶体5可以用于折线型传输垂直入射的可见脉冲激光和展宽可见脉冲激光的光谱，形成高能量超连续谱激光。
图2示出了根据本公开一实施例的条形非线性晶体的结构示意图。
条形非线性晶体5采用钇铝石榴石晶体(Y3Al5O12，YAG)非线性材料，结构如图2所示，条形非线性晶体5为各向同性晶体。条形非线性晶体5通过采用条形非线性晶体，其通光截面积更大，能够承载的激光峰值功率和单脉冲能量更大，从而获得高单脉冲能量和高峰值功率的超连续谱激光，扩展了其应用。
在一示例中，条形非线性晶体5被制作成六面体，其中两个侧面为平行四边形或等腰梯形，其余四个表面为光学表面，四个光学表面与所述两个侧面垂直。如图2所示，条形非线性晶体5的两侧面为平行四边形，其它四个表面S1、S2、S3、S4为光学表面，四个光学表面S1、S2、S3、S4与两个侧面垂直。
当条形非线性晶体5的两个侧面为平行四边形时，平行四边形的锐角为45°；当条形非线性晶体5的两个侧面为等腰梯形时，等腰梯形的底角为45°。
在一示例中，四个光学表面的一相对的两个光学表面为可见脉冲激光透射面，镀制为可见光增透膜；另一相对的两个光学表面为可见脉冲激光反射面，镀制可见波段宽带负色散高反射膜。
在一示例中，可见脉冲激光垂直入射到条形非线性晶体5的一可见脉冲激光透射面，并在两个可见脉冲激光反射面之间进行多次反射，经所述条形非线性晶体5的另一可见脉冲激光透射面透射输出。
举例来说，如图2所示，若光学表面S1和S4为可见脉冲激光透射面，光学表面S1和S4镀制为可见光(400nm-800nm)增透膜系。则光学表面S2和S3为可见脉冲激光反射面，光学表面S2和S3镀制可见波段(400nm-800nm)宽带负色散高反射膜系。
如图2所示，当单一波长的可见脉冲激光垂直入射光学表面S1，可见脉冲激光在可见脉冲激光反射面S2和S3面之间多次反射，在条形非线性晶体5中进行折线型传输，能够增加非线性介质的光学长度，从而提高超连续谱激光的转化效率。由于该膜系可以自行设计，能够补偿条形非线性晶体5材料本身的正色散，使条形非线性晶体5整体色散维持在零色散状态。可见脉冲激光经过条形非线性晶体5时，由于晶体材料的非线性效应，能够使光谱发生展宽，产生新的波长成分。条形非线性晶体5整体接近零色散，可以极大的扩展光谱范围，形成超连续谱激光，实现超连续谱激光的高能量输出，提高超连续谱激光的产生效率，提高非线性转化效率。
本公开的高能量超连续谱激光器包括：可见光源1、半波片2、透镜组3、反射镜4和条形非线性晶体5；可见光源1发射单一波长的可见脉冲激光；半波片2为激光偏振调节器件，将入射的可见脉冲激光的偏振方向调节至垂直偏振；透镜组3缩放经半波片2调节为垂直偏振的可见脉冲激光的光束口径与所述条形非线性晶体5的口径相匹配，并透射到所述反射镜4；反射镜4将入射的可见脉冲激光进行反射，使可见脉冲激光垂直入射到条形非线性晶体5；条形非线性晶体5用于折线型传输垂直入射的可见脉冲激光和展宽可见脉冲激光的光谱，形成高能量超连续谱激光。通过采用条形非线性晶体，极大的扩展激光的光谱范围，获得高单脉冲能量和高峰值功率的超连续谱激光，实现超连续谱激光输出，提高超连续谱激光的转化效率。
虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。
Claims (10)
1.一种高能量超连续谱激光器，其特征在于，所述激光器包括：可见光源(1)、半波片(2)、透镜组(3)、反射镜(4)和条形非线性晶体(5)；
其中，所述可见光源(1)，用于发射单一波长的可见脉冲激光；
所述半波片(2)为激光偏振调节器件，用于将入射的可见脉冲激光的偏振方向调节至垂直偏振；
所述透镜组(3)，用于缩放经半波片(2)调节为垂直偏振的可见脉冲激光的光束口径与所述条形非线性晶体(5)的口径相匹配，并透射到所述反射镜(4)；
所述反射镜(4)，用于将入射的可见脉冲激光进行反射，使所述可见脉冲激光垂直入射到所述条形非线性晶体(5)；
所述条形非线性晶体(5)，用于折线型传输垂直入射的可见脉冲激光和展宽可见脉冲激光的光谱，在其两个相对的可见脉冲激光的反射面，镀制可见波段宽带负色散高反射膜，形成高能量超连续谱激光。
2.根据权利要求1所述的高能量超连续谱激光器，其特征在于，所述透镜组(3)镀制可见光增透膜，包括一个或多个凹凸透镜。
3.根据权利要求1所述的高能量超连续谱激光器，其特征在于，所述反射镜(4)镀制可见激光高反射膜。
4.根据权利要求1所述的高能量超连续谱激光器，其特征在于，所述条形非线性晶体(5)为各向同性晶体，材料为钇铝石榴石晶体非线性材料。
5.根据权利要求1所述的高能量超连续谱激光器，其特征在于，所述条形非线性晶体(5)为六面体，其中两个侧面为平行四边形或等腰梯形，其余四个表面为光学表面，四个光学表面与所述两个侧面垂直。
6.根据权利要求5所述的高能量超连续谱激光器，其特征在于，当两个侧面为平行四边形时，所述平行四边形的锐角为45°；当两个侧面为等腰梯形时，所述等腰梯形的底角为45°。
7.根据权利要求5所述的高能量超连续谱激光器，其特征在于，所述四个光学表面的一相对的两个光学表面为可见脉冲激光透射面，镀制为可见光增透膜；另一相对的两个光学表面为可见脉冲激光反射面，镀制可见波段宽带负色散高反射膜。
8.根据权利要求7所述的高能量超连续谱激光器，其特征在于，所述可见脉冲激光垂直入射到所述条形非线性晶体(5)的一可见脉冲激光透射面，并在两个可见脉冲激光反射面之间进行多次反射，经所述条形非线性晶体(5)的另一可见脉冲激光透射面透射输出。
9.根据权利要求7所述的高能量超连续谱激光器，其特征在于，所述条形非线性晶体(5)为零色散状态。
10.根据权利要求1所述的高能量超连续谱激光器，其特征在于，所述可见脉冲激光的脉冲宽度为飞秒到纳秒量级；波长为515nm或532nm。
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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 | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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