CN114204390B - 一种基于相位失配效应产生超短光脉冲的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于相位失配效应产生超短光脉冲的方法及装置，属于光参量振荡器领域。工作时，通过控制谐振腔长度使光参量振荡器输出信号光的中心波长相较于非线性晶体的相位匹配中心波长产生一定量的偏移，以此为脉冲引入与腔内色散方向相反的相移用以补偿因腔内色散所致的脉冲频率啁啾，获得低啁啾的变换极限脉冲。此外，本发明可通过选用极化周期渐变的啁啾非线性晶体，基于相位失配效应，实现宽波长调谐范围的高质量低啁啾超短激光脉冲输出。与现有技术相比，能够有效解决啁啾补偿装置结构复杂，难以在多波长下同时实现补偿的问题。
Description
技术领域
本发明属于光参量振荡器领域，更具体地，涉及一种基于相位失配效应产生超短光脉冲的方法及装置。
背景技术
光参量振荡器作为一种利用晶体或光纤中的非线性效应实现高效频率转换的光学器件，由于具有输出激光波长不受材料能级结构限制的可调谐超短脉冲输出特性，使其继锁模激光器之后，成为超快光学领域又一个极具发展潜力的实验研究平台。近年来，集中在提高光参量振荡器的波长转换效率(Opt.Express 25,3373(2017))、拓展光参量振荡器的输出光谱覆盖范围(Optica 7,426(2020))等研究方向，大量研究人员通过选取新的晶体、优化谐振腔参数等手段实现了在覆盖紫外(Conf.Lasers Electro-Optics2006Quantum Electron.Laser Sci.Conf.CLEO/QELS 2006 33,345(2006))、可见光(Opt.Lett.18,438(1993))到红外(Opt.Lett.41,4261(2016))各个波段的激光输出，使光参量振荡器在非线性光学显微成像(Opt.InfoBase Conf.Pap.14(2010))、激光频率梳(Opt.Lett.42,2722(2017))等应用领域愈发具有吸引力。
一般地，直接由谐振腔(特别是大色散系统)产生的激光脉冲的时间带宽积(脉冲频率啁啾量)往往较大，这不利于在时域获得超短脉冲的输出。为解决这一问题，目前常采用光栅(IEEE J.Quantum Electron.454(1969))、棱镜对(Opt.Lett.9,150(1984))或啁啾镜(Opt.Lett.19,201(1994))压缩的方法，利用其提供的色散实现啁啾补偿，以此获得低啁啾的超短脉冲输出。然而，这样的补偿方式却存在如下缺点：
(1)需要在光参量振荡器系统中引入光栅、棱镜对或啁啾镜，这会额外增加谐振腔损耗，降低系统输出功率，同时也增加了系统的复杂度与光路调试难度；
(2)基于光栅、棱镜对或啁啾镜的啁啾补偿系统的高阶色散一般难以控制，这意味着系统对啁啾线性度较差的大时间带宽积脉冲的补偿效果欠佳；
(3)对于波长可调谐的光参量振荡器，不同信号光中心波长处脉冲的频率啁啾量的大小不尽相同，因此对每个输出波长，都需要单独调整光栅、棱镜对或啁啾镜的位置以提供合适的啁啾补偿，这给系统的实际应用带来了困难。
因此，若能依据光参量振荡器脉冲形成的物理机制，通过合理的系统设计，使其在无需其他色散元件补偿的条件下输出接近变换极限的低啁啾高质量脉冲，就能在降低光参量振荡器系统复杂度的同时显著提高其输出脉冲质量，使其在各领域获得更加广泛的应用。
发明内容
针对现存的技术方法缺陷，本发明的目的在于提供一种基于相位失配效应产生超短光脉冲的方法及装置，旨在在大腔内净色散超短脉冲单谐振光参量振荡器系统中实现接近变换极限的低啁啾激光脉冲输出。
为实现上述目的，按照本发明的一方面，提供了一种基于相位失配效应产生超短光脉冲的方法，包括以下步骤：
依据泵浦光和所需的信号光波段确定光参量振荡器中相应的二阶非线性晶体；
如果所述二阶非线性晶体的色散量足够大，光参量振荡器的谐振腔内的色散完全由所述二阶非线性晶体提供，否则，在谐振腔中额外插入色散功能元件引入色散，使腔内色散对光参量振荡器内的脉冲形成起主导作用；
通过设置振荡信号光的波长或泵浦光注入二阶非线性晶体的方向控制光参量振荡器工作在相位失配条件下，从而实现无啁啾超短脉冲输出。
所述超短脉冲单谐振光参量振荡器的工作波长由谐振腔的长度决定。所述特定相位失配条件对应光参量振荡器输出信号光中心波长相较于非线性晶体相位匹配信号光中心波长存在偏移，且由相位失配引起的脉冲相移与腔内色散引起的脉冲相移方向相反的情况。工作时，调节谐振腔长度使输出激光的波长范围满足特定的相位失配条件，以此补偿腔内色散所致的脉冲频率啁啾，实现接近变换极限的低啁啾激光输出。
优选地，谐振腔长可调节，输出激光脉冲的中心波长在满足所述特定相位失配的条件下可调谐。
优选地，腔内色散为正常色散，且所述二阶非线性晶体是极化周期均匀的准相位匹配晶体；工作时，通过调节谐振腔长度控制输出信号光中心波长相较于二阶非线性晶体极化周期所决定的相位匹配信号光中心波长红移，以此引入相位负失配，补偿因正常色散引起的脉冲频率正啁啾，实现波长可调谐的接近变换极限的光脉冲输出。
优选地，谐振腔内色散为反常色散，且所述二阶非线性晶体是极化周期均匀的准相位匹配晶体；工作时，通过调节谐振腔长度控制输出信号光中心波长相较于二阶非线性晶体极化周期所决定的相位匹配信号光中心波长蓝移，以此引入相位正失配，补偿因反常色散引起的脉冲频率负啁啾，实现波长可调谐的接近变换极限的光脉冲输出。
优选地，谐振腔内色散为正常色散，且所述二阶非线性晶体为极化周期在空间上是渐变的啁啾准相位匹配晶体，所述二阶非线性晶体在不同空间位置处的周期长度不同；工作时，通过控制泵浦光从所述周期渐变的二阶非线性晶体的小极化周期一侧注入，以满足所述相位失配条件；调节谐振腔长度，以实现正常色散条件下，波长具有更宽调谐范围的接近变换极限的低啁啾激光输出。
优选地，谐振腔内色散为反常色散，且所述二阶非线性晶体为极化周期在空间上是渐变的啁啾准相位匹配晶体，所述二阶非线性晶体在不同空间位置处的周期长度不同；工作时，通过控制泵浦光从所述周期渐变的二阶非线性晶体的大极化周期一侧注入，以满足所述相位失配条件；调节谐振腔长度，以实现反常色散条件下，波长具有更宽调谐范围的接近变换极限的低啁啾激光输出。
本发明第二方面提供了一种基于相位失配效应产生超短光脉冲的装置，包括：泵浦激光源、泵浦聚焦镜、二阶非线性晶体、色散功能元件、谐振腔和精密位移平台，第一谐振腔镜、第二谐振腔镜、第三谐振腔镜和输出耦合镜共同构成对信号光正反馈的谐振腔，其中一面谐振腔镜被安置在精密位移平台上以实现对激光器谐振腔腔长的调谐；
由泵浦激光源产生的超短脉冲泵浦光经泵浦聚焦镜聚焦到位于谐振腔内的二阶非线性晶体的中心，所述二阶非线性晶体依据泵浦光和所需的信号光波段确定；通过合理设置谐振腔腔长或泵浦光注入二阶非线性晶体的方向控制所述装置工作在相位失配条件下，在输出耦合镜之后得到低啁啾的超短脉冲。
本发明所构思的技术方案能为超短脉冲单谐振光参量振荡器设计提供以下有益效果：
(1)本发明为在腔内色散对脉冲形成起主导作用的单谐振光参量振荡器中实现接近变换极限的低啁啾激光脉冲输出提供了可行方案。在通常的超短脉冲形成过程中，较大的色散效应的作用往往会使脉冲具有一个较大的频率啁啾，从而增大脉冲的时间带宽积，劣化输出脉冲质量。而本发明所提供的方法，通过人为地调谐谐振腔长，使实际输出的信号脉冲波长相较于晶体极化周期所对应的相位匹配波长有一定量的偏移，其所引入额外脉冲相移可抵消腔内色散效应引起的脉冲啁啾，以此在大色散的光参量振荡器中实现接近变换极限的激光脉冲输出；该方法具有系统配置简单、输出稳定性高，并且波长可大范围精确调谐的特性；
(2)本发明可在多个波长下实现低啁啾的激光脉冲调谐输出。对于非线性晶体，由于其所能支持的，满足相位匹配的增益波长有一定的谱宽范围。在这一相位匹配带宽内，满足特定相位失配条件的激光脉冲输出均具有少啁啾或无啁啾特性，从而在无需色散补偿的条件下，实现系统的高质量波长调谐；
(3)本发明中非线性晶体为准相位匹配晶体且其极化周期在空间上是渐变的，因此对不同中心波长的信号光，在同一块非线性晶体内都有与之对应的能实现相位匹配的极化周期部分为其提供增益。这将扩展相位匹配带宽范围，在满足特定相位失配的条件下，实现更大波长调谐范围的低啁啾脉冲输出。
附图说明
图1是实施例1或2中提供的一种超短脉冲单谐振光参量振荡器的结构示意图；当腔内晶体为均匀周期的准相位匹配非线性晶体时，对应实施例1；当腔内晶体为啁啾周期的准相位匹配非线性晶体时，对应实施例2；
图2是基于实施例1的参数进行的数值仿真中，信号脉冲在不同相位匹配条件下的波长调谐频谱图；
图3是基于实施例1的参数进行的数值仿真中，信号脉冲在不同相位匹配条件下的时域脉宽与变换极限脉宽的倍数关系图
图4是基于实施例2的参数进行的数值仿真中，信号脉冲在不同中心波长处的波长调谐频谱图；
图5是基于实施例2的参数进行的数值仿真中，信号脉冲在不同中心波长处的时域脉宽与变换极限脉宽的倍数关系图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明做进一步地详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供了一种基于相位失配效应产生超短光脉冲的方法，包括以下步骤：
依据泵浦光和所需的信号光波段确定光参量振荡器中相应的二阶非线性晶体；
如果所述二阶非线性晶体的色散量足够大，光参量振荡器的谐振腔内的色散完全由所述二阶非线性晶体提供，否则，在谐振腔中插入色散功能元件额外引入色散，使腔内色散对光参量振荡器内的脉冲形成起主导作用；
通过设置振荡信号光的波长或泵浦光注入二阶非线性晶体的方向控制光参量振荡器工作在相位失配条件下，从而实现无啁啾超短脉冲输出。
所述超短脉冲单谐振光参量振荡器的工作波长由谐振腔的长度决定。所述特定相位失配条件对应光参量振荡器输出信号光中心波长相较于非线性晶体相位匹配信号光中心波长存在偏移，且由相位失配引起的脉冲相移与腔内色散引起的脉冲相移方向相反的情况。工作时，调节谐振腔长度使输出激光的波长范围满足特定的相位失配条件，以此补偿腔内色散所致的脉冲频率啁啾，实现接近变换极限的低啁啾激光输出。
具体地，谐振腔长可调节，输出激光脉冲的中心波长在满足所述特定相位失配的条件下可调谐。
具体地，腔内净色散为较大的正常色散，通过引入相位负失配补偿频率啁啾，实现波长可调谐的接近变换极限的脉冲输出。
具体地，腔内净色散为较大的反常色散，通过引入相位正失配补偿频率啁啾，实现波长可调谐的接近变换极限的脉冲输出。
具体地，腔内色散为正常色散，且所述二阶非线性晶体是极化周期均匀的准相位匹配晶体；工作时，通过调节谐振腔长度控制输出信号光中心波长相较于二阶非线性晶体极化周期所决定的相位匹配信号光中心波长红移，以此引入相位负失配，补偿因正常色散引起的脉冲频率正啁啾，实现波长可调谐的接近变换极限的光脉冲输出。
具体地，谐振腔内色散为反常色散，且所述二阶非线性晶体是极化周期均匀的准相位匹配晶体；工作时，通过调节谐振腔长度控制输出信号光中心波长相较于二阶非线性晶体极化周期所决定的相位匹配信号光中心波长蓝移，以此引入相位正失配，补偿因反常色散引起的脉冲频率负啁啾，实现波长可调谐的接近变换极限的光脉冲输出。
具体地，谐振腔内色散为正常色散，且所述二阶非线性晶体为极化周期在空间上是渐变的啁啾准相位匹配晶体，所述二阶非线性晶体在不同空间位置处的周期长度不同；工作时，通过控制泵浦光从所述周期渐变的二阶非线性晶体的小极化周期一侧注入，以满足所述相位失配条件；调节谐振腔长度，以实现正常色散条件下，波长具有更宽调谐范围的接近变换极限的低啁啾激光输出。
具体地，谐振腔内色散为反常色散，且所述二阶非线性晶体为极化周期在空间上是渐变的啁啾准相位匹配晶体，所述二阶非线性晶体在不同空间位置处的周期长度不同；工作时，通过控制泵浦光从所述周期渐变的二阶非线性晶体的大极化周期一侧注入，以满足所述相位失配条件；调节谐振腔长度，以实现反常色散条件下，波长具有更宽调谐范围的接近变换极限的低啁啾激光输出。
实施例1
图1为实施例1提供的一种超短脉冲单谐振光参量振荡器的原理图。
本实施例采用透射式的同步泵浦结构。腔内谐振腔镜M1-M3被设计成对信号脉冲高反，对泵浦脉冲和闲频脉冲高透；输出耦合镜M4被设计成对信号脉冲的反射率为90％。硅窗口片用以在腔内提供较大的正常色散以提高谐振腔的稳定性并提高腔的波长调谐精度。介质反射镜M3安装在手动位移平台上用以调节谐振腔长。利用在较大正常色散条件下不同波长的信号脉冲在腔内往返时间的不同，通过改变谐振腔长的方式来满足对应波长的同步泵浦条件，以此实现系统的波长调谐。腔内用以提供增益的非线性晶体为一块极化周期固定为30.75μm，长度为1.5mm的周期性极化铌酸锂晶体，其增益带宽可覆盖1530～1630nm约100nm的信号光增益波段，以此实现一定的波长调谐范围。泵浦脉冲为基于掺钇锁模激光器的放大系统，其中心波长为1050nm，时域脉宽为300fs，平均功率为2W，重频约80MHz。
在本实施例中，通过调谐谐振腔长，使得信号光波长相比相位匹配波长红移，以此利用相位失配效应，提供脉冲负啁啾用以补偿腔内正常色散带来的脉冲啁啾，可实现接近变换极限的无啁啾脉冲输出。
为使本领域的相关技术人员更易理解本实施例输出接近变换极限脉冲的原理，在此给出相关理论分析如下：要想在大的正常色散效应的作用下获得接近变换极限脉宽的低啁啾脉冲，就需要在脉冲形成过程中引入新的负的相位失配项来抵消正常色散效应引起的频率正啁啾。光参量振荡器中存在的相位匹配过程正好为负相移的获取提供了条件。在本实施例中，晶体极化周期与谐振腔长同步条件所支持的信号脉冲波长的不一致是引起额外脉冲相移的主要原因。
光参量振荡器稳态过程中由单通参量增益引起的相移的表达式可由椭圆方程精确解的展开式近似表示：
根据上式可知，对于给定的OPO系统，由相位失配效应引起的信号光相移Δφ1的大小仅与泵浦光强I3相关，故从表达形式上看,其对信号脉冲相位的调制效果类似于交叉相位调制效应。但值得注意的是，由相位失配效应所引起的相移的方向与Δk的方向一致，是可正可负的，这与交叉相位调制效应或自相位调制效应仅能提供正的脉冲相移又有着显著不同，这为光参量振荡器在全正常色散条件下实现变换极限脉冲的输出提供了可能。
基于本实施例的实验配置所作的数值仿真模型，利用分布傅里叶算法求解耦合波方程的思路对光参量振荡器的输出特性进行模拟。脉冲所得到的信号光在不同相位失配条件(不同中心波长)下的频谱变化情况和脉冲脉宽与时间带宽积的倍数关系分别如附图2、附图3所示。其中，在负失配条件下，脉冲获得的负啁啾能显著改善光参量振荡器输出信号脉冲的时间带宽积，提升其输出性能。最终，基于本实施例，我们得到了频谱调谐范围覆盖1530～1630nm，且在1590～1630nm波段时间带宽积不超过1.2倍变换极限的少啁啾脉冲。其中在信号光1630nm处的脉冲时间带宽积仅为1.01倍变换极限。
实施例2
与实施例1类似，本实施例依然采用透射式的同步泵浦结构，且泵源、各腔镜、硅窗的特性与位置均与实施例1相同。所不同的是，本实施例中光参量振荡器谐振腔内用以提供增益的非线性晶体为一块极化周期由28-33μm渐变的总长为4mm的啁啾周期性极化铌酸锂晶体，这使得其相位匹配带宽可覆盖超过400nm的信号光增益波段，以此实现系统较宽的波长调谐范围。
在本实施例中，安装非线性晶体时，应使泵浦脉冲从非线性晶体的小周期一侧注入。因为对任一特定的晶体极化周期，其所支持的增益波长都存在一定的带宽范围，当泵浦脉冲从小周期一侧注入时，在增益波长内的较小极化周期部分将优先为信号光提供增益，以此满足类似实施例1中能产生啁啾补偿的“负失配”条件，最终在振荡器中获得宽可调谐的接近变换极限的少啁啾或无啁啾脉冲。
基于本实施例的实验配置所作的数值仿真模型，其输出信号光的频谱调谐情况如附图4所示。附图5则给出了信号脉冲在调谐过程中，由仿真模型得到的脉冲时域脉宽与变换极限脉宽的关系。结合附图4和附图5的结果可知，本实施例实现了调谐范围覆盖400nm，脉冲脉宽均不超过1.5倍变换极限的低啁啾超短脉冲输出。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于相位失配效应产生超短光脉冲的方法，其特征在于，包括以下步骤：
依据泵浦光和所需的信号光波段确定光参量振荡器中相应的二阶非线性晶体；
如果所述二阶非线性晶体的色散量足够大，光参量振荡器的谐振腔内的色散完全由所述二阶非线性晶体提供，否则，在谐振腔中额外引入色散，使腔内色散对光参量振荡器内的脉冲形成起主导作用；
通过设置振荡信号光的波长或泵浦光注入二阶非线性晶体的方向控制光参量振荡器工作在相位失配条件下，从而实现无啁啾超短脉冲输出；所述相位失配条件对应光参量振荡器输出信号光的中心波长相较于所述二阶非线性晶体相位匹配中心波长存在偏移，且由相位失配引起的脉冲相移与腔内色散引起的脉冲相移方向相反的情况。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，谐振腔内色散为正常色散，且所述二阶非线性晶体是极化周期均匀的准相位匹配晶体；工作时，通过调节谐振腔长度控制输出信号光中心波长相较于二阶非线性晶体极化周期所决定的相位匹配信号光中心波长红移，以此引入相位负失配，补偿因正常色散引起的脉冲频率正啁啾，实现波长可调谐的接近变换极限的光脉冲输出。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，谐振腔内色散为反常色散，且所述二阶非线性晶体是极化周期均匀的准相位匹配晶体；工作时，通过调节谐振腔长度控制输出信号光中心波长相较于二阶非线性晶体极化周期所决定的相位匹配信号光中心波长蓝移，以此引入相位正失配，补偿因反常色散引起的脉冲频率负啁啾，实现波长可调谐的接近变换极限的光脉冲输出。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，谐振腔内色散为正常色散，且所述二阶非线性晶体为极化周期在空间上渐变的啁啾准相位匹配晶体，所述二阶非线性晶体在不同空间位置处的周期长度不同；工作时，通过控制泵浦光从所述周期渐变的二阶非线性晶体的小极化周期一侧注入，以满足所述相位失配条件；调节谐振腔长度，以实现正常色散条件下，波长具有更宽调谐范围的接近变换极限的低啁啾激光输出。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，谐振腔内色散为反常色散，且所述二阶非线性晶体为极化周期在空间上是渐变的啁啾准相位匹配晶体，所述二阶非线性晶体在不同空间位置处的周期长度不同；工作时，通过控制泵浦光从所述周期渐变的二阶非线性晶体的大极化周期一侧注入，以满足所述相位失配条件；调节谐振腔长度，以实现反常色散条件下，波长具有更宽调谐范围的接近变换极限的低啁啾激光输出。
6.一种基于相位失配效应产生超短光脉冲的装置，其特征在于，包括：泵浦激光源、泵浦聚焦镜、二阶非线性晶体、色散功能元件、谐振腔和位移平台；第一谐振腔镜、第二谐振腔镜、第三谐振腔镜和输出耦合镜共同构成对信号光正反馈的谐振腔，位移平台用来实现对谐振腔腔长的调谐；
由泵浦激光源产生的泵浦光经泵浦聚焦镜聚焦到位于谐振腔内的二阶非线性晶体的中心，所述二阶非线性晶体依据泵浦光和所需的信号光波段确定；通过设置振荡信号光的波长或泵浦光注入二阶非线性晶体的方向控制所述装置工作在相位失配条件下，在输出耦合镜之后得到低啁啾的超短脉冲；所述相位失配条件对应光参量振荡器输出信号光的中心波长相较于所述二阶非线性晶体相位匹配中心波长存在偏移，且由相位失配引起的脉冲相移与腔内色散引起的脉冲相移方向相反的情况。
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