CN115064927A - 一种激光的非线性变频装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及强激光非线性频率转换技术领域，具体涉及一种激光的非线性变频装置，用于产生mJ量级紫外、可见、近红外波段光谱平坦的超宽带白光激光，其特征在于：包括泵浦光源、三阶非线性展宽器和倍频器，泵浦光源为中心波长为800nm的钛宝石飞秒激光器，三阶非线性展宽器采用强激光相互作用下能产生显著三阶非线性效应的熔融石英玻璃材料。本发明利用三阶非线性展宽器在强激光作用下显著的三阶非线性效应有效展宽泵浦光源，利用具备若干个宽带倒格矢带的啁啾极化非线性晶体实现高效的二阶非线性光学效应，能够产生覆盖紫外‑可见‑近红外波段的mJ量级超连续、光谱平坦白光激光。

Description

一种激光的非线性变频装置
技术领域
本发明涉及强激光非线性频率转换技术领域，特别是涉及一种激光的非线性变频装置。
背景技术
超宽带激光光源具有亮度高、功率强、频率覆盖范围广等优点，在基础科学、信息、医疗、环境检测等领域有广泛的应用价值。然而，激光光源所能获得的带宽通常非常有限。超连续谱产生技术是实现超宽带光谱激光器的一种实用方法。目前，它已广泛应用于现代科学学科的各个领域，如光学频率梳、精密频率计量、脉冲压缩、光学相干断层扫描。目前，常用的产生超连续激光的方法，是利用三阶非线性光学效应来实现泵浦激光频率范围的拓宽。超连续激光谱是利用飞秒或皮秒激光的高峰值功率泵浦脉冲和材料中的三阶非线性光学效应产生的，包括四波混频、自相位调制、受激拉曼散射等效应。但是，仅通过三阶非线性效应获得的光谱具有一定的局限性。首先，远离中心波长的光谱强度会大大降低，特别是对于覆盖一个倍频程以上带宽的超连续谱，边缘谱的强度可能只有-50dB，甚至低于中心波长，这将导致超连续谱的平坦度非常低。其次，其输出光谱展宽范围仅在可见光谱波段或在红外光谱波段，往往难以达到紫外波段的短波，这也限制了它的应用。第三，基于光纤激光器的超连续谱产生，模态面积较小，泵浦重复率大，输出的超连续光谱的脉冲能量很难达到高水平。此外，该方案中的超连续激光光源能量主要集中在泵浦光周围，而10dB的带宽通常很难超过一个倍频程。可以说，无论是在紫外-中红外范围内还是在紫外-真空紫外范围内覆盖非常宽的带宽的超连续激光虽然已经成功实现，但它仍然是一个困难和挑战。这种三阶非线性效应方案离实现具有两个倍频程带宽和高脉冲能量的紫外-可见-红外光谱范围的超连续白光激光产生的梦想还十分遥远。
另一种更流行的扩展激光光谱范围的方案是利用各种二阶非线性光学效应，包括二次谐波、和频、差频、光参量振荡和放大过程等一系列非线性频率转换过程。为利用二阶非线性频率转换技术产生所需频率的激光输出，最核心的是解决非线性过程中的相位匹配问题，然而由于非线性材料中存在色散，相位匹配通常不能得到自动满足。目前，准相位匹配技术是实现非线性频率转换的有效途径。其通过使非线性系数的非线性晶体周期、准周期、非周期或啁啾周期，可以在非线性频率转换过程中引入额外的倒格矢量，以补偿相位失配，从而实现高性能的激光频率转换和扩展。值得注意的是，啁啾周期性极化铌酸锂非线性晶体通过晶体结构的有效设计与调控可以具备一系列具有较大有效非线性系数的离散倒格矢带。这一系列离散的倒格矢带不仅可用于满足宽带准相位匹配的二次谐波转换，还可用于宽带二次和三次谐波的同时产生，甚至实现超连续高次谐波的同时产生，从而实现超宽带可见-近红外超连续白光激光的输出。但遗憾的是，这些方案的转换效率还比较低。同时，这种超宽带准相位匹配方案还允许利用二阶和三阶非线性效应的协同作用，以产生更高能量、更宽的带宽、更平坦的光谱轮廓和广泛可调的色度。然而，在以往的研究中，利用级联的二次和三次谐波来实现短波长区域的高阶谐波，相比于仅采用最低阶二次谐波产生的方案，产生的高次谐波的转换效率可能会降低。可以预见，如果能够有效地结合二阶非线性光学效应和三阶非线性光学效应，同时仅采用非线性激光晶体的二次谐波转换过程，可以更加有效地产生更宽带宽、转换效率更高的超连续激光，这样的协同作用文献上很少见报道。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种用于新能源汽车电池集中连接，节省空间，满足车载系统对电源需求的连接，结构可靠的激光的非线性变频装置。
本发明所采用的技术方案是：一种激光的非线性变频装置，用于产生mJ量级紫外、可见、近红外波段光谱平坦的超宽带白光激光，包括泵浦光源、三阶非线性展宽器和倍频器，所述泵浦光源为中心波长为800nm的钛宝石飞秒激光器，输出重复频率1kHz、平均功率大于3W、单脉冲能量3mJ以上、脉宽50fs；所述三阶非线性展宽器采用强激光相互作用下能产生显著三阶非线性效应的熔融石英玻璃材料；所述倍频器为5％MgO掺杂的啁啾周期极化铌酸锂晶体；所述5％MgO掺杂的啁啾周期极化铌酸锂晶体包括多个元胞，多个元胞在光传播方向上的长度按着光传播方向按照连续的啁啾变化而改变。
对上述方案的进一步改进为，所述三阶非线性展宽器为强激光相互作用下能产生显著三阶非线性效应的熔融石英玻璃材料、且上下表面平行且抛光。
对上述方案的进一步改进为，所述三阶非线性展宽器呈圆柱体形状。
对上述方案的进一步改进为，所述三阶非线性展宽器的直径尺寸为20～30mm，厚度尺寸为5～12mm。
对上述方案的进一步改进为，多个元胞中的每个元胞在z方向上的长度由以下公式所确定：
Λ(z)＝Λ0/[1+(DgΛ0z/2π)]
其中z表示某一个元胞所对应的z方向上的位置坐标，位置坐标为该元胞的起始处的坐标，z方向为光传播方向，其中Λ0为泵浦激光光源的中心波长所对应的倍频过程所需要的极化周期，Dg表示啁啾度。
对上述方案的进一步改进为，所述极化周期、啁啾度、非线性晶体长度L的数值组合使所述非线性激光晶体的倒格矢呈现为分布在不同位置的若干个倒格矢带。
对上述方案的进一步改进为，所述的若干个倒格矢带分别对应不同波段的宽带超连续激光参与的非线性频率转换过程，且每个倒格矢带能够有效地补偿具有连续谱分布的宽带超连续激光参与的非线性频率转换过程。
对上述方案的进一步改进为，所述的若干个倒格矢带分别对应于不同泵浦光波段的二次谐波的非线性频率转换，为这些非线性频率转换提供有效的相位补偿，激发有效的宽带范围的二次谐波非线性频率转换，实现覆盖紫外、可见、近红外波段的超连续白光光谱产生。
对上述方案的进一步改进为，所述5％MgO掺杂的啁啾周期极化铌酸锂晶体满足的准相位匹配条件要求飞秒脉冲激光垂直入射进入非线性晶体，啁啾周期极化铌酸锂晶体为z向切割，且入射光偏振方向为e偏振。
对上述方案的进一步改进为，所述5％MgO掺杂的啁啾周期极化铌酸锂晶体的长度尺寸为10～30mm，厚度尺寸为0.5～4.0mm。
本发明的有益效果是：
1.本发明的方案利用三阶非线性展宽器在强激光作用下显著的三阶非线性效应有效展宽泵浦光源，同时利用具备若干个宽带倒格矢带的啁啾极化非线性晶体实现高效的二阶非线性光学效应，能够产生覆盖紫外-可见-近红外波段的mJ量级超连续、光谱平坦白光激光。
2.本发明的晶体具有结构可控、易于制备、设计灵活的优点。
3.本发明的非线性变频装置具备器件尺寸小，光路精简，易于调谐，可移动性强，适配性广的优点。
4.本发明的非线性变频装置适用于高能量、超宽带、光谱平坦白光激光的产生，能量转换效率高，输出的激光光谱具备高脉冲能量(>1mJ)，高峰值功率，高时空相干性，光谱准直性好，光谱大范围覆盖(385-1080nm)，光谱平坦度高(3dB带宽极宽，约达700nm)和均匀性好的优点。。
附图说明
图1为本发明一个实施例中非线性变频器的原理示意图；
图2为本发明一个实施例中啁啾极化铌酸锂晶体的设计示意图；
图3为本发明实施例中啁啾周期极化铌酸锂晶体的倒格矢分布图，其中纵坐标为有效的非线性系数，横坐标为倒格矢的数值；
图4为本发明一个实施例中泵浦近红外飞秒脉冲激光的光谱分布图以及利用熔融石英玻璃材料的三阶非线性光学效应展宽后的光谱分布图；
图5为本发明一个实施例中非线性变频器利用二阶和三阶非线性效应的协同作用产生的超连续白光光谱分布图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
如图1～图5所示，提供一种激光的非线性变频装置，用于产生mJ量级超宽带、光谱平坦白光激光，其特征在于：包括泵浦光源、三阶非线性展宽器和倍频器，所述泵浦光源为中心波长为800nm的钛宝石飞秒激光器，输出重复频率1kHz、平均功率大于3W、单脉冲能量3mJ以上、脉宽50fs；所述三阶非线性展宽器采用强激光相互作用下能产生显著三阶非线性效应的熔融石英玻璃材料；所述倍频器为5％MgO掺杂的啁啾周期极化铌酸锂晶体；所述5％MgO掺杂的啁啾周期极化铌酸锂晶体包括多个元胞，多个所述元胞在光传播方向上的长度按着光传播方向按照连续的啁啾变化而改变。图1示出了本实施例中通过泵浦光源、三阶非线性展宽器和二阶非线性倍频器三个模块协同作用下，实现紫外、可见、近红外波段的可调谐、完全相干的mJ量级超连续白光激光产生的原理示意图。
本实施例中，采用啁啾非线性铌酸锂晶体作为接收展宽泵浦光的非线性频率转换并输出覆盖紫外-可见-近红外波段近700nm带宽的超宽带、超连续、光谱平坦白光激光的非线性光子晶体。啁啾非线性铌酸锂晶体是在周期非线性光子晶体的基础上，对极化周期施加合适的变化规则，即将极化周期的长度沿着光传播方向施加连续的啁啾变化。本实施例中，啁啾非线性光子晶体由一系列的元胞构成，其中各个元胞的负畴和正畴的长度同时变化使得所述一系列的元胞的长度满足啁啾变化的规则。图2示出了本实施例中的啁啾非线性光子晶体的设计示意图。
本实施例中，从实际需求出发，先选定合适的泵浦光波长所对应的倍频过程确定所需要的晶体极化周期Λ0、寻找合适的啁啾度和样品长度L。根据公式Λ(z)＝Λ0/[1+(DgΛ0z/2π)]来确定晶体每个元胞在z方向上的长度Λ(z)，其中z为对应畴结构在z方向上的起始位置坐标,Dg为啁啾度。
本实施例中，啁啾非线性铌酸锂晶体的啁啾度Dg为6μm-2，呈长方体形状，晶体极化周期为38-22μm，晶体厚度为2mm。如图3所示，具有所述结构和参数的啁啾非线性光子晶体的倒格矢分布为若干个倒格矢带，每个倒格矢带可以为具有连续谱分布的宽带超连续脉冲激光的二次谐波非线性频率转换过程提供有效的相位补偿。若干个倒格矢带可分别对应超连续脉冲激光的原始频率带宽范围，以及延伸的频率带宽范围内的超连续非线性频率转换过程。
本实施例中，泵浦光的中心波长范围为800nm(输出波长范围为750-850nm)，输出重复频率1kHz、平均功率大于3W、单脉冲能量3mJ以上、脉宽50fs的近红外飞秒脉冲激光，具有短脉宽，高能量，光斑质量良好等特点。三阶非线性展宽器为强激光作用下能够发生明显三阶非线性效应的熔融石英玻璃材料，在本实例中泵浦光源的强聚焦作用下，能够激发出强烈的三阶非线性效应，实现泵浦光源带宽的有效展宽，促使更丰富的频率成分参与到倍频器的非线性频率转换过程。图4示出了本实施例中的钛宝石飞秒脉冲激光的光谱分布图，以及经过本实例中所用的三阶非线性展宽器后的宽带超连续光谱分布图。高强度泵浦激光在所用的熔融石英玻璃材料中产生了显著的三阶非线性光学效应展宽，泵浦光源的谱宽由原本的近50nm(3dB带宽)拓展到拓展至约400-500nm(3dB带宽极宽)的水平。由此，三阶非线性展宽器的光谱展宽效应为倍频器的二阶非线性效应提供了更为丰富的频率成分，使得宽带超连续激光的产生成为可能。
图5示出了本实施例的啁啾极化铌酸锂晶体在展宽后的宽带泵浦光源的激发下的超连续白光激光输出光谱，输出激光的光谱范围可以覆盖紫外-可见至近红外波(385-1080nm)，同时光谱平坦度极高(3dB带宽极宽，约达700nm)，即利用三阶非线性展宽技术和二阶非线性频率转换便可在单块非线性晶体实现完全相干的、高脉冲能量(>1mJ)，高峰值功率，高时空相干性，光谱准直性好，光谱大范围覆盖且平坦度高(385-1080nm)，光谱平坦度高(3dB带宽极宽，约达700nm)的超宽带白光激光的产生。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种激光的非线性变频装置，用于产生mJ量级紫外、可见、近红外波段光谱平坦的超宽带白光激光，其特征在于：包括泵浦光源、三阶非线性展宽器和倍频器，所述泵浦光源为中心波长为800nm的钛宝石飞秒激光器，输出重复频率1kHz、平均功率大于3W、单脉冲能量3mJ以上、脉宽50fs；
所述三阶非线性展宽器采用强激光相互作用下能产生显著三阶非线性效应的熔融石英玻璃材料；所述倍频器为5％MgO掺杂的啁啾周期极化铌酸锂晶体；
所述5％MgO掺杂的啁啾周期极化铌酸锂晶体包括多个元胞，多个元胞在光传播方向上的长度按着光传播方向按照连续的啁啾变化而改变。
2.根据权利要求1所述的激光的非线性变频装置，其特征在于：所述三阶非线性展宽器为强激光相互作用下能产生显著三阶非线性效应的熔融石英玻璃材料、且上下表面平行且抛光。
3.根据权利要求1所述的激光的非线性变频装置，其特征在于：所述三阶非线性展宽器呈圆柱体形状。
4.根据权利要求1所述的激光的非线性变频装置，其特征在于：所述三阶非线性展宽器的直径尺寸为20～30mm，厚度尺寸为5～12mm。
5.根据权利要求1所述的激光的非线性变频装置，其特征在于：多个元胞中的每个元胞在z方向上的长度由以下公式所确定：
Λ(z)＝Λ0/[1+(DgΛ0z/2π)]
其中z表示某一个元胞所对应的z方向上的位置坐标，位置坐标为该元胞的起始处的坐标，z方向为光传播方向，其中Λ0为泵浦激光光源的中心波长所对应的倍频过程所需要的极化周期，Dg表示啁啾度。
6.根据权利要求1所述的激光的非线性变频装置，其特征在于：所述极化周期、啁啾度、非线性晶体长度L的数值组合使所述非线性激光晶体的倒格矢呈现为分布在不同位置的若干个倒格矢带。
7.根据权利要求1所述的激光的非线性变频装置，其特征在于：所述的若干个倒格矢带分别对应不同波段的宽带超连续激光参与的非线性频率转换过程，且每个倒格矢带能够有效地补偿具有连续谱分布的宽带超连续激光参与的非线性频率转换过程。
8.根据权利要求1所述的激光的非线性变频装置，其特征在于：所述的若干个倒格矢带分别对应于不同泵浦光波段的二次谐波的非线性频率转换，为这些非线性频率转换提供有效的相位补偿，激发有效的宽带范围的二次谐波非线性频率转换，实现覆盖紫外、可见、近红外波段的超连续白光光谱产生。
9.根据权利要求1所述的激光的非线性变频装置，其特征在于：所述5％MgO掺杂的啁啾周期极化铌酸锂晶体满足的准相位匹配条件要求飞秒脉冲激光垂直入射进入非线性晶体，啁啾周期极化铌酸锂晶体为z向切割，且入射光偏振方向为e偏振。
10.根据权利要求1所述的激光的非线性变频装置，其特征在于：所述5％MgO掺杂的啁啾周期极化铌酸锂晶体的长度尺寸为10～30mm，厚度尺寸为0.5～4.0mm。
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