CN117526072A - 双色泵浦高功率飞秒光学参量放大器装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双色泵浦高功率飞秒光学参量放大器装置，涉及激光光电子技术领域。所述装置为双色泵浦高功率飞秒光学参量放大器装置，主要包括两级OPA和参量倍频模块。本发明第一级OPA采用激光器输出基频光作为泵浦，利用近红外窄带连续光时间抖动小、强度噪声弱的优势，提升了输出信号光脉冲的稳定性；同时，第二级OPA中采用激光器输出倍频光作为泵浦，利用放大后的种子光和高功率泵浦绿光两束光注入，极大地提升了输出信号光的功率，最终获得了中心波长为650~850 nm的高功率信号光脉冲；采用双色泵浦技术，最终输出信号光脉冲与种子光脉冲之间光谱成分完全不同，可以有效实现高功率、无背景直流分量的信号光脉冲产生。
Description
技术领域
本发明涉及激光光电子技术领域，尤其涉及一种双色泵浦高功率飞秒光学参量放大器装置。
背景技术
高重频650~850 nm波段近红外光在生物分析研究和生物诊疗方面具有重要的应用，此波段的光不易被体内组织散射和吸收，穿透深度较深、成像分辨率较高，因此该波段光源的临床应用十分广泛。除此之外，高重频650~850 nm光源也常用作2μm掺Tm光纤激光器的泵浦光和无损化学成分检测。
高重频650~850 nm的飞秒激光源主要包括钛宝石激光器、光学参量振荡器（OPO）。目前，钛宝石激光器输出已经做到低强度噪声、高光束质量，但要实现稳定的锁模运转就需要复杂的腔结构，且输出脉冲重复频率受腔长限制。此外，由于晶体的热效应，激光器需要在制冷的条件下运行。因此，钛宝石激光器通常体积庞大、操作繁琐，限制了其在实际中的应用。OPO是实现宽带可调谐波长输出的有效技术手段，与钛宝石激光器不同，其增益为参量增益，不会受到增益过程热累积影响。该波段还可通过OPO技术产生，其主要技术途径为将Yb飞秒激光器输出激光进行倍频，再通过下转换实现宽带可调谐飞秒脉冲产生。但是OPO的输出波长受到腔长影响，腔长的轻微漂移都会导致中心波长的漂移，极大地减弱了光源的稳定性。
OPA由泵浦光和种子光两束光入射，两束光经过聚焦后入射到非线性晶体上，通过参量过程放大信号光。OPA的结构较为简单，不需要反馈腔结构。但近红外波段由于缺少高参量增益非线性晶体，因此需要利用高单脉冲能量飞秒激光进行弥补，这样一来，近红外OPA输出脉冲重复频率被限制在MHz及以下，如何实现高重频OPA在近红外波段备受挑战。
此外，由于光学参量放大是从种子光开始放大，所以输出脉冲的噪声特性极大地受种子光稳定性的影响。常见的种子光有白光超连续（WLC）、光学参量产生（OPG）和连续光（CW）三种。WLC、OPG、CW三种种子光的噪声强度不同，现有的采用WLC和OPG作为种子光的飞秒OPA输出的脉冲具有较大的时间抖动和强度噪声，这降低了飞秒OPA装置的输出性能。当CW-OPA种子光和参量转换信号光处于同一波段时，输出信号光的光谱中往往存在一个尖峰，对应时域上为一个直流背景噪声，极大的限制了CW-OPA输出脉冲的质量。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是如何提供一种输出信号光功率高，时间抖动小，稳定性强，无直流背景噪声脉冲输出的飞秒光学参量放大器装置。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种双色泵浦高功率飞秒光学参量放大器装置，包括：
近红外窄带连续光光源和双色飞秒泵浦激光源；
所述近红外窄带连续光光源发出近红外连续光作为第一级OPA的种子光；
扩束模块用于扩大种子光的光斑，使之与第一级OPA的泵浦光模式匹配，提高参量转换效率；
所述飞秒泵浦激光源经分束模块分为偏振状态和能量不同的第一光束和第二光束，这两束光分别作为第一级OPA的泵浦光和产生倍频绿光，作为第二级OPA的泵浦光；
介质膜反射镜包括第一介质膜反射镜、第二介质膜反射镜、第三介质膜反射镜和第四介质膜反射镜；所述第一介质膜反射镜、第二介质膜反射镜、第三介质膜反射镜，用于调整光路的走向；第四介质膜反射镜用于作为输出耦合镜；
半波片包括第一半波片、第二半波片和第三半波片；所述第一半波片和第三半波片用于改变入射光的偏振状态，实现泵浦光、信号光、闲频光的相位匹配；所述第二半波片与偏振分光棱镜组成分束模块，用于改变第一光束和第二光束的能量分配；
参量倍频模块用于将飞秒泵浦激光作用于倍频晶体，经非线性频率转换，输出倍频绿光，倍频绿光作为第二级OPA的泵浦光；
第一级OPA以及第二级OPA之前的双色镜用于泵浦光和种子光的耦合；
所述延时模块用于调节第二级OPA的泵浦光与一级OPA输出信号光的相对时延，使两束光注入到第二级OPA之前在时间上重叠；
所述第一级OPA通过非线性参量过程放大入射的种子光，作为第二级OPA的级联种子光；
所述第二级OPA，泵浦光为倍频绿光，种子光为第一级OPA放大的种子光，经非线性频率转换，输出所需波段信号光。
进一步的技术方案在于：近红外窄带连续光光源发出的种子光进入扩束系统，用于扩大种子光的光斑，使之与该路的泵浦光模式匹配，扩束系统处理后的种子光通过第一半波片，经第一半波片处理后的种子光通过第一介质膜反射镜入射到第一双色镜；
飞秒泵浦激光源出射的飞秒泵浦激光通过分束系统后，分为第一光束和第二光束，出射的第一光束为横偏光，第二光束为竖偏光；通过调整第一双色镜的俯仰和偏摆使第一光束与种子光合束，合束后的光束通过第三近红外透镜聚焦后入射到第一级OPA，发生参量转换，放大种子光，放大后的种子光通过第二介质膜反射镜入射到延迟线结构中，经由延迟线结构入射到第二双色镜；
第二光束作为倍频绿光的泵浦光，通过第三介质膜反射镜入射到第三半波片上，从第三半波片射出的第二光束经第五近红外透镜聚焦后入射到LBO晶体上，发生参量转换，产生飞秒泵浦激光的倍频绿光，倍频绿光再由第一绿光透镜准直，入射到第二双色镜上；
随后，调整第二双色镜的俯仰和偏摆，使倍频绿光与放大后的种子光在第二双色镜上合束，合束后的光束入射到第二级OPA上，发生参量转换，产生飞秒信号光，飞秒信号光经由第四介质膜反射镜输出。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明所述装置采用双色泵浦结构提高了输出信号光的功率，最终输出光谱与注入CW种子光光谱无交叠，实现无背景直流分量的高质量脉冲输出。本发明首先对CW种子光进行放大，一级OPA放大后的种子光能量高、脉宽窄；放大的种子光利用倍频绿光作为泵浦，共同入射到第二级OPA中，经过参量转换过程输出高功率、高脉冲质量信号光。
此外，本发明采用CW光作为种子光，相较于WLC和OPG种子光，CW光的时间抖动更小，强度噪声水平更低。因此，经过光学参量转换后输出的信号光脉冲强度噪声水平低，时间抖动小。
附图说明
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。
图1是本发明实施例所述装置的结构示意图；
其中：1、近红外窄带连续光光源；2、飞秒泵浦激光源；3、第一近红外透镜；4、第二近红外透镜；5、第一半波片；6、第一介质膜反射镜；7、第二半波片；8、偏振分光棱镜；9、第一双色镜；10、第三近红外透镜；11、PPLN晶体；12、第四近红外透镜；13、第二介质膜反射镜；14、第一光束收集器；15、延迟线结构；16、第三介质膜反射镜；17、第三半波片；18、第五近红外透镜；19、LBO晶体；20、第一绿光透镜；21、第二双色镜上；22、第二光束收集器；23、由第二绿光透镜；24、BBO晶体；25、第六近红外透镜；26、第四介质膜反射镜；27、第三光束收集器；28、飞秒泵浦激光；29、种子光；30、倍频绿光；31、飞秒信号光；32、第一级OPA；33、第二级OPA。
具体实施方式
下面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，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，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。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
如图1所示，本发明实施例公开了一种双色泵浦高功率飞秒光学参量放大器装置，包括：
近红外窄带连续光光源1和飞秒泵浦激光源2；
所述近红外窄带连续光光源1发出近红外连续光作为第一级OPA32的种子光29；
扩束模块用于扩大种子光29的光斑，使之与第一级OPA32的泵浦光模式匹配，提高参量转换效率；
所述飞秒泵浦激光源2经分束模块分为偏振状态和能量不同的第一光束和第二光束，这两束光分别作为第一级OPA32的泵浦光和产生第二级OPA33的泵浦绿光；
介质膜反射镜包括第一介质膜反射镜6、第二介质膜反射镜13、第三介质膜反射镜16和第四介质膜反射镜26；所述第一介质膜反射镜6、第二介质膜反射镜13、第三介质膜反射镜16，用于调整光路的走向；第四介质膜反射镜26用于作为输出耦合镜；
半波片包括第一半波片5、第二半波片7和第三半波片17；所述第一半波片5和第三半波片17用于改变入射光的偏振状态，实现泵浦光、信号光、闲频光的相位匹配；所述第二半波片7与偏振分光棱镜8组成分束模块，用于改变第一光束和第二光束的能量分配；
参量倍频模块用于将飞秒泵浦激光作用于倍频晶体，经非线性频率转换，输出倍频绿光30，倍频绿光30作为第二级OPA33的泵浦光；
第一级OPA32以及第二级OPA33之前的双色镜用于泵浦光和种子光29的耦合；
所述延时模块用于调节第二级OPA33的泵浦光与种子光29的相对时延，使两束光注入到第二级OPA33之前在时间上重叠；
所述第二级OPA33采用绿光泵浦，种子光为第一级OPA32输出的信号光脉冲，经非线性频率转换，输出所需波段激光脉冲。
详细的，如图1所示，本申请所述装置中近红外窄带连续光光源1发出的种子光29进入扩束系统，用于扩大种子光的光斑，使之与该路的泵浦光模式匹配，扩束系统处理后的种子光29通过第一半波片5，旋转第一半波片5可以改变种子光29的偏振状态。经第一半波片5处理后的种子光29过第一介质膜反射镜6入射到第一双色镜9。
飞秒泵浦激光源2出射的飞秒泵浦激光28通过第二半波片7和偏振分光棱镜8组成的分束系统后，分为第一光束和第二光束，旋转第二半波片7改变第一光束和第二光束的能量分配，出射的第一光束为横偏光，第二光束为竖偏光。通过调整第一双色镜13的俯仰和偏摆使第一光束与种子光2合束，合束后的光束通过第三近红外透镜10聚焦后入射到第一级OPA32，发生参量转换，放大种子光29，放大后的种子光29通过第二介质膜反射镜13入射到延迟线结构15中，经由延迟线结构15入射到第二双色镜21。
第二光束作为倍频绿光30的泵浦光，通过第三介质膜反射镜16入射到第三半波片17上，旋转第三半波片17改变飞秒泵浦激光28的偏振态进而控制后面绿光倍频效率。第二光束然后经第五近红外透镜18聚焦后入射到LBO晶体19上，发生参量转换，产生飞秒泵浦激光28的倍频绿光30，倍频绿光30再由第一绿光透镜20准直，入射到第二双色镜上21。
随后，调整第二双色镜21的俯仰和偏摆，使倍频绿光30与放大后的种子光29在第二双色镜21上合束，合束后的光束入射到第二级OPA 33，发生参量转换，产生飞秒信号光31，飞秒信号光31经由第四介质膜反射镜26输出。
所述飞秒泵浦激光源2的中心波长为1030nm，重复频率为50MHz。近红外窄带连续光光源1的中心波长为1306~2479nm。第二级OPA中产生的飞秒信号光31耦合进光谱仪探头中，在上位机能够看到飞秒信号光31的中心波长为650~850 nm。
进一步的，如图1所示，所述扩束系统包括第一近红外透镜3和第二近红外透镜4，所述第一近红外透镜3靠近所述近红外窄带连续光光源1设置，所述第二近红外透镜4远离所述近红外窄带连续光光源1设置，其中，所述第一近红外透镜3焦距可以为40mm，第二近红外透镜4焦距可以为75mm。所述第一级OPA 32包括第三近红外透镜10、PPLN晶体11和第四近红外透镜12；第三近红外透镜10、第四近红外透镜12的焦距可以为100mm。所述第二级OPA33包括第二绿光透镜23、BBO晶体11和第六近红外透镜25；其中，第二绿光透镜23和第六近红外透镜25的焦距为50mm。所述第五近红外透镜18焦距可以为50mm，第一绿光透镜20焦距可以为50mm。
进一步的，如图1所示，所述第一光束收集器14、第二光束收集器22、第三光束收集器27用于分别收集第一级OPA 32放大后剩余的飞秒泵浦激光28、倍频后剩余的飞秒泵浦激光28、第二级OPA 33参量转换后剩余的种子光29和倍频绿光30。本申请中，所述第一双色镜9的镀膜特性为飞秒泵浦激光28高透，种子光29高反；所述第二双色镜9的镀膜特性为倍频绿光30高反，种子光29高透。所述PPLN晶体11、LBO晶体19、BBO晶体24放置于晶体调整架之上。通过旋转晶体调整架上的丝杠改变光束入射到非线性晶体方位，确保入射光聚焦后的焦点打到晶体的中心位置。
进一步的，如图1所示，所述第一介质膜反射镜6、第二介质膜反射镜13对种子光高反；所述第三介质膜反射镜16对飞秒泵浦激光28高反；所述第四介质膜反射镜26对飞秒泵浦激光28和倍频绿光30高透，对飞秒信号光31高反。所述延迟线结构15用于控制种子光29所走的光程长短，使倍频绿光30和种子光29同时到达第二双色镜21。对于第一级OPA 32，采用的PPLN晶体11为多周期晶体，需要调整晶体架的高低，改变光束射入晶体的位置，即选择不同的周期参与参量转化过程，当入射到正确的周期时，可以明显地看到种子光29被放大。
进一步的，如图1所示，对于第二级OPA 33，倍频过程采用晶体为LBO晶体，对于LBO晶体19，将其放置在可旋转的晶体架之上，通过旋转晶体架，改变第二光束的入射角，使倍频的效率最高。参量过程采用的BBO晶体24为角度相位匹配晶体，需要调整晶体架的偏摆，改变光束射入晶体的角度。当入射角度满足相位匹配条件时，可以通过参量过程产生飞秒信号光31。
本发明采用双色泵浦结构，同时采用CW光作为种子光，使信号光在输出功率、稳定性和光束质量上都有极大地提升。
Claims (10)
1.一种双色泵浦高功率飞秒光学参量放大器装置，其特征在于包括：
近红外窄带连续光光源（1）和飞秒泵浦激光源（2）；
所述近红外窄带连续光光源（1）发出近红外连续光作为第一级OPA（32）的种子光（29）；
扩束模块用于扩大种子光（29）的光斑，使之与第一级OPA（32）的泵浦光模式匹配，提高参量转换效率；
所述飞秒泵浦激光源（2）经分束模块分为偏振状态和能量不同的第一光束和第二光束，这两束光分别作为第一级OPA（32）的泵浦光和参量倍频模块的泵浦光；
介质膜反射镜包括第一介质膜反射镜（6）、第二介质膜反射镜（13）、第三介质膜反射镜（16）和第四介质膜反射镜（26）；所述第一介质膜反射镜（6）、第二介质膜反射镜（13）、第三介质膜反射镜（16），用于调整光路的走向；第四介质膜反射镜（26）用于作为输出耦合镜；
半波片包括第一半波片（5）、第二半波片（7）和第三半波片（17）；所述第一半波片（5）和第三半波片（17）用于改变入射光的偏振状态，实现泵浦光、信号光、闲频光的相位匹配；所述第二半波片（7）与偏振分光棱镜（8）组成分束模块，用于改变第一光束和第二光束的能量分配；
参量倍频模块用于将飞秒泵浦激光作用于倍频晶体，经非线性频率转换，输出倍频绿光（30），倍频绿光（30）作为第二级OPA（33）的泵浦光；
第一级OPA（32）以及第二级OPA（33）之前的双色镜用于泵浦光和种子光（29）的耦合；
所述延时模块用于调节第二级OPA（33）的泵浦光与种子光（29）的相对时延，使两束光注入到第二级OPA（33）之前在时间上重叠；
所述第一级OPA（32）通过非线性参量过程放大入射的信号光（29），作为第二级OPA（33）的级联种子光；
所述第二级OPA（33）采用泵浦光为倍频绿光（30），与第一级OPA输出的信号光在非线性晶体（24）处发生参量转换过程，输出近红外波段信号光。
2.如权利要求1所述的双色泵浦高功率飞秒光学参量放大器装置，其特征在于：
近红外窄带连续光光源（1）发出的种子光（29）进入扩束系统，用于扩大种子光（29）的光斑，使之与该路的泵浦光模式匹配，扩束系统处理后的种子光（29）通过第一半波片（5），经第一半波片（5）处理后的种子光（29）通过第一介质膜反射镜（6）入射到第一双色镜（9）；
飞秒泵浦激光源（2）出射的飞秒泵浦激光（28）通过分束系统后，分为第一光束和第二光束，出射的第一光束为横偏光，第二光束为竖偏光；通过调整第一双色镜（13）的俯仰和偏摆使第一光束与种子光（29）合束，合束后的光束通过第三近红外透镜（10）聚焦后入射到第一级OPA（32），发生参量转换，放大种子光（29），放大后的种子光（29）通过第二介质膜反射镜（13）入射到延迟线结构（15）中，经由延迟线结构（15）入射到第二双色镜（21）；
第二光束用于产生倍频绿光（30），作为第二级OPA的泵浦光，通过第三介质膜反射镜（16）入射到第三半波片（17）上，从第三半波片（17）射出的第二光束经第五近红外透镜（18）聚焦后入射到LBO晶体（19）上，发生参量转换，产生飞秒泵浦激光（28）的倍频绿光（30），倍频绿光（30）再由第一绿光透镜（20）准直，入射到第二双色镜上（21）；
随后，调整第二双色镜（21）的俯仰和偏摆，使倍频绿光（30）与第一级OPA输出信号光（29）在第二双色镜（21）上合束，合束后的光束入射到第二级OPA（33）上，发生参量转换，产生飞秒信号光（31），飞秒信号光（31）经由第四介质膜反射镜（26）输出。
3.如权利要求2所述的双色泵浦高功率飞秒光学参量放大器装置，其特征在于：所述飞秒泵浦激光源（2）的中心波长为1030nm，重复频率为50MHz。近红外窄带连续光光源（1）的中心波长为1306~2479 nm，第二级OPA中产生的飞秒信号光（31）的中心波长为650~850 nm。
4.如权利要求2所述的双色泵浦高功率飞秒光学参量放大器装置，其特征在于：
所述扩束系统包括第一近红外透镜（3）和第二近红外透镜（4），所述第一近红外透镜（3）靠近所述近红外窄带连续光光源（1）设置，所述第二近红外透镜（4）远离所述近红外窄带连续光光源（1）设置，第一近红外透镜（3）的焦距为40mm，第二近红外透镜（4）的焦距为75mm。
5.如权利要求2所述的双色泵浦高功率飞秒光学参量放大器装置，其特征在于：所述第一级OPA （32）包括第三近红外透镜（10）、PPLN晶体（11）和第四近红外透镜（12），所述第三近红外透镜（10）和第四近红外透镜（12）位于所述PPLN晶体（11）的两侧，第三近红外透镜（10）和第四近红外透镜（12）的焦距为100mm。
6.如权利要求2所述的双色泵浦高功率飞秒光学参量放大器装置，其特征在于：所述第二级OPA （33）包括第二绿光透镜（23）、BBO晶体（11）和第六近红外透镜（25）；第二绿光透镜（23）和第六近红外透镜（25）位于所述BBO晶体（11）的两侧，第二绿光透镜（23）、第六近红外透镜（25）的焦距为50mm；所述第五近红外透镜（18）焦距为50mm，第一绿光透镜（20）焦距为50mm。
7.如权利要求2所述的双色泵浦高功率飞秒光学参量放大器装置，其特征在于：所述第一光束收集器（14）、第二光束收集器（22）、第三光束收集器（27）用于分别收集第一级OPA（32）放大后剩余的飞秒泵浦激光（28）、倍频后剩余的飞秒泵浦激光（28）以及第二级OPA（33）参量转换后剩余的种子光（29）和倍频绿光（30）。
8.如权利要求2所述的双色泵浦高功率飞秒光学参量放大器装置，其特征在于：所述第一双色镜（9）的镀膜特性为飞秒泵浦激光（28）高透，种子光（29）高反；所述第二双色镜（21）的镀膜特性为倍频绿光（30）高反，种子光（29）高透；PPLN晶体（11）、LBO晶体（19）和BBO晶体（24）放置于晶体调整架之上；通过旋转晶体调整架上的丝杠改变光束入射到非线性晶体方位，确保入射光聚焦后的焦点打到晶体的中心位置。
9.如权利要求2所述的双色泵浦高功率飞秒光学参量放大器装置，其特征在于：所述第一介质膜反射镜（6）、第二介质膜反射镜（13）对种子光高反；所述第三介质膜反射镜（16）对飞秒泵浦激光（28）高反；所述第四介质膜反射镜（26）对飞秒泵浦激光（28）和倍频绿光（30）高透，对飞秒信号光（31）高反。
10.如权利要求2所述的双色泵浦高功率飞秒光学参量放大器装置，其特征在于：所述延迟线结构（15）用于控制种子光（29）光程长短，使倍频绿光（30）和一级OPA输出信号光脉冲（29）同时到达第二双色镜（21）。
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