CN115084992A - 一种同步泵浦光参量振荡器降低重复频率的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种同步泵浦光参量振荡器降低重复频率的方法，所述方法是令多个横模在同步泵浦光参量振荡器腔内振荡，通过不同横模之间的相干叠加使光斑能量在空间内周期性流动，仅使振荡光光斑的一部分输出，从而实现同步泵浦光参量振荡器重复频率的整数倍下调。本发明能够在不依赖于任何主动控制元件的前提下，解决同步泵浦光参量振荡器重复频率无法低于泵浦源重复频率的难题，为降低同步泵浦光参量振荡器的重复频率提供了一种有效的方法。

Description

一种同步泵浦光参量振荡器降低重复频率的方法
技术领域
本发明涉及超快激光技术领域，特别是涉及一种同步泵浦光参量振荡器降低重复频率的方法。
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、材料加工以及光电对抗等领域具有重要的应用价值。
同步泵浦光参量振荡器需要满足振荡脉冲与泵浦脉冲的同步条件，因此，一般情况下同步泵浦光参量振荡器的重复频率与泵浦源的重复频率相同。如果令光参量振荡器的腔长等于泵浦源腔长的M/N倍(M和N为互质的正整数)，则可以将输出脉冲的重复频率提高为泵浦源重复频率的N倍。然而，无论如何设置光参量振荡器的腔长，都无法使输出脉冲的重复频率低于泵浦源的重复频率。如果要让输出脉冲的重复频率低于泵浦源的重复频率，目前需要依赖于腔倒空技术，但腔倒空系统体积庞大，结构复杂，且在中红外波段发展尚不成熟，限制了其应用。除此之外，目前尚未有不依赖于腔倒空技术而降低同步泵浦光参量振荡器重复频率的方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种同步泵浦光参量振荡器降低重复频率的方法，能够在不依赖于任何主动控制元件的前提下，解决同步泵浦光参量振荡器重复频率无法低于泵浦源重复频率的难题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种同步泵浦光参量振荡器降低重复频率的方法，所述方法是令多个横模在同步泵浦光参量振荡器腔内振荡，通过不同横模之间的相干叠加使光斑能量在空间内周期性流动，仅使振荡光光斑的一部分输出，从而实现同步泵浦光参量振荡器重复频率的整数倍下调。
进一步的，所述方法具体包括以下步骤：
S1，根据所需波段的超短脉冲，选择泵浦光波长、振荡光波长以及相应的非线性晶体；
S2，对泵浦光光斑进行整形，使泵浦光光斑尺寸与振荡光光斑期望的最高阶模式尺寸相匹配；
S3，观察振荡光的输出光斑，如果振荡光只有一个横模，则增大泵浦光功率，直至振荡光包含至少两个横模；
S4，在光参量振荡器的输出端截取振荡光光斑的一部分，仅使振荡光光斑中光强最强的亮斑输出；
S5，微调谐振腔各镜片之间的距离，同时观察输出脉冲序列，从而获得所期望的低于泵浦源重复频率的脉冲输出。
进一步的，当腔内振荡的横模频率间隔与纵模频率间隔比值的分数部分等于M/N时，输出脉冲的重复频率降为泵浦源重复频率的1/N，其中M、N为互质的正整数。
进一步的，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设置第一半波片、法拉第隔离器、第二半波片、第一柱面透镜、第二柱面透镜、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设置平平反射镜，在第一平凹镜的反射方向依次设置输出耦合镜、狭缝，所述狭缝用于截取闲频光的中心亮斑。
进一步的，所述泵浦源输出激光的脉冲宽度为800fs，重复频率84.2MHz，中心波长1030nm。
进一步的，所述第一柱面透镜和第二柱面透镜，焦距分别为50mm和100mm，用于将泵浦光聚焦到非线性晶体中。
进一步的，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，极化周期为31μm，用于产生信号光和闲频光。
进一步的，所述第一平凹镜和第二平凹镜的曲率半径为300mm，组成谐振腔并聚焦。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的同步泵浦光参量振荡器降低重复频率的方法，令多个横模在同步泵浦光参量振荡器腔内振荡，通过不同横模之间的相干叠加使光斑能量在空间内周期性流动，仅使振荡光光斑的一部分输出即可实现同步泵浦光参量振荡器重复频率的整数倍下调，为降低同步泵浦光参量振荡器的重复频率提供了一种有效的方法。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例同步泵浦光参量振荡器的结构示意图；
图2是本发明实施例闲频光输出功率及光斑图案随泵浦光功率的变化；
图3是本发明实施例通过理论计算得到的不同横模频率间隔情况下闲频光光斑随时间的变化；
图4是本发明实施例用狭缝截取中心亮斑前后的光斑图案；
图5是本发明实施例闲频光经过狭缝后调整两个平凹镜距离时输出的不同重复频率的脉冲序列；
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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做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。
本发明的目的是提供一种同步泵浦光参量振荡器降低重复频率的方法，能够在不依赖于任何主动控制元件的前提下，解决同步泵浦光参量振荡器重复频率无法低于泵浦源重复频率的难题。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明提供的同步泵浦光参量振荡器降低重复频率的方法，所述方法是令多个横模在同步泵浦光参量振荡器腔内振荡，通过不同横模之间的相干叠加使光斑能量在空间内周期性流动，仅使振荡光光斑的一部分输出，从而实现同步泵浦光参量振荡器重复频率的整数倍下调。当腔内振荡的横模频率间隔与纵模频率间隔比值的分数部分等于M/N时，输出脉冲的重复频率降为泵浦源重复频率的1/N，其中M、N为互质的正整数。
其中，所述方法具体包括以下步骤：
S1，根据所需波段的超短脉冲，选择泵浦光波长、振荡光波长以及相应的非线性晶体；
S2，对泵浦光光斑进行整形，使泵浦光光斑尺寸与振荡光光斑期望的最高阶模式尺寸相匹配；
S3，观察振荡光的输出光斑，如果振荡光只有一个横模，则增大泵浦光功率，直至振荡光包含至少两个横模；
S4，在光参量振荡器的输出端截取振荡光光斑的一部分，仅使振荡光光斑中光强最强的亮斑输出；
S5，微调谐振腔各镜片之间的距离，同时观察输出脉冲序列，从而获得所期望的低于泵浦源重复频率的脉冲输出。
如图1所示，所述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设置第一半波片2、法拉第隔离器3、第二半波片4、第一柱面透镜5、第二柱面透镜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的反射方向设置平平反射镜10，在第一平凹镜7的反射方向依次设置输出耦合镜11、狭缝12，所述狭缝12用于截取闲频光的中心亮斑。
所述泵浦源1，为一套基于掺镱光纤的主振荡功率放大系统，输出激光的脉冲宽度为800fs，重复频率84.2MHz，中心波长1030nm。
所述第一半波片2，用于将激光的偏振方向旋转到法拉第隔离器3的传输方向。
所述法拉第隔离器3，用于防止激光反馈回泵浦源1。
所述第二半波片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。
所述第一柱面透镜5和第二柱面透镜6，焦距分别为50mm和100mm，用于将泵浦光聚焦到非线性晶体8中。
所述非线性晶体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％。
所述第一平凹镜7和第二平凹镜9，曲率半径为300mm，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％。
所述平平反射镜10，用于构成光参量振荡器的一个端镜。该平平反射镜10固定在一个一维精密平移台上，可以精密改变光参量振荡器的腔长，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％。
所述输出耦合镜11，用于构成光参量振荡器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％。
所述狭缝12，宽度约1mm，用于截取闲频光的中心亮斑。
校准谐振腔，逐渐增大泵浦功率，达到参量振荡的阈值条件，调整光参量振荡器的腔长与泵浦源的腔长精确匹配，使闲频光在腔内开始振荡。闲频光输出功率及对应的光斑图案随泵浦光功率的变化参阅图2。可以看出，当泵浦光功率较低时，闲频光为基模高斯光束，而当泵浦光功率超过16W时，闲频光呈现厄米高斯00模式(HG00模)和厄米高斯04模式(HG04模)混模的状态。
当HG00模和HG04模同时振荡时，通过理论计算得到的不同横模频率间隔情况下闲频光光斑随时间的变化参阅图3，其中ΔωT表示HG00模和HG04模的横模频率间隔，ΔωL表示相邻纵模频率间隔，a为自然数，Tc表示光参量振荡器的腔周期，其值等于泵浦脉冲序列周期。可以看出，两个横模在空间内相干叠加会导致光斑能量在空间内周期性流动。当横模频率间隔与纵模频率间隔比值的分数部分等于M/N(M、N为互质的正整数)时，光斑能量流动周期为腔周期的N倍。
当泵浦光功率为23W时，在输出耦合镜11的后方放置一个宽度约1mm的狭缝12，使闲频光中心亮斑通过狭缝。经过狭缝前后的光斑图案参阅图4。
闲频光经过狭缝后，在保持光参量振荡器腔长不变的前提下，调整第一平凹镜7和第二平凹镜9之间的距离，测得的闲频光输出脉冲序列参阅图5，其中L7,9表示第一平凹镜7和第二平凹镜9之间的距离。可以看出，输出脉冲的重复频率降为泵浦源重复频率的1/N，且调整第一平凹镜7和第二平凹镜9之间的距离能够调整重复频率的降低倍率。
本发明的主要思想是通过多个横模之间的相干叠加使光斑能量在空间内周期性流动，仅使振荡光光斑的一部分输出从而实现同步泵浦光参量振荡器重复频率的整数倍下调。
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，例如使更多数量的横模在光参量振荡器腔内振荡，采用镀膜的方法使中心亮斑从输出耦合镜输出，而光斑两侧被输出耦合镜反射回腔内等。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。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种同步泵浦光参量振荡器降低重复频率的方法，其特征在于，所述方法是令多个横模在同步泵浦光参量振荡器腔内振荡，通过不同横模之间的相干叠加使光斑能量在空间内周期性流动，仅使振荡光光斑的一部分输出，从而实现同步泵浦光参量振荡器重复频率的整数倍下调。
2.根据权利要求1所述的同步泵浦光参量振荡器降低重复频率的方法，其特征在于，所述方法具体包括以下步骤：
S1，根据所需波段的超短脉冲，选择泵浦光波长、振荡光波长以及相应的非线性晶体；
S2，对泵浦光光斑进行整形，使泵浦光光斑尺寸与振荡光光斑期望的最高阶模式尺寸相匹配；
S3，观察振荡光的输出光斑，如果振荡光只有一个横模，则增大泵浦光功率，直至振荡光包含至少两个横模；
S4，在光参量振荡器的输出端截取振荡光光斑的一部分，仅使振荡光光斑中光强最强的亮斑输出；
S5，微调谐振腔各镜片之间的距离，同时观察输出脉冲序列，从而获得所期望的低于泵浦源重复频率的脉冲输出。
3.根据权利要求1所述的同步泵浦光参量振荡器降低重复频率的方法，其特征在于，当腔内振荡的横模频率间隔与纵模频率间隔比值的分数部分等于M/N时，输出脉冲的重复频率降为泵浦源重复频率的1/N，其中M、N为互质的正整数。
4.根据权利要求1所述的同步泵浦光参量振荡器降低重复频率的方法，其特征在于，所述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设置第一半波片(2)、法拉第隔离器(3)、第二半波片(4)、第一柱面透镜(5)、第二柱面透镜(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)的反射方向设置平平反射镜(10)，在第一平凹镜(7)的反射方向依次设置输出耦合镜(11)、狭缝(12)，所述狭缝(12)用于截取闲频光的中心亮斑。
5.根据权利要求4所述的同步泵浦光参量振荡器，其特征在于，所述泵浦源(1)输出激光的脉冲宽度为800fs，重复频率84.2MHz，中心波长1030nm。
6.根据权利要求4所述的同步泵浦光参量振荡器，其特征在于，所述第一柱面透镜(5)和第二柱面透镜(6)，焦距分别为50mm和100mm，用于将泵浦光聚焦到非线性晶体(8)中。
7.根据权利要求4所述的同步泵浦光参量振荡器，其特征在于，所述非线性晶体(8)采用2mm长的掺杂5mol％氧化镁的周期极化铌酸锂，极化周期为31μm，用于产生信号光和闲频光。
8.根据权利要求4所述的同步泵浦光参量振荡器，其特征在于，所述第一平凹镜(7)和第二平凹镜(9)的曲率半径为300mm，组成谐振腔并聚焦。
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CN115621825A (zh) * 2022-09-22 2023-01-17 深圳大学 基于同步泵浦锁模技术的中红外超短脉冲固体激光器

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