CN1230262A - 激光装置 - Google Patents

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Abstract

激光装置包括一个非共线光参量发生器(OPG)和一个泵波源(4)。所述OPG包括固定安装在发生器中的非线性晶体(1),其中泵波(3)和所产生的每个波(5)相对非线性晶体的光轴(2)的取向大体如下,即使得在所产生的波之一的波长对泵波的取向的调整曲线上产生拐点,从而获得宽的光谱输出。该装置具有许多应用,包括用于输入籽波的放大器,其中晶体不必旋转以便与籽波的波长匹配;或者作为可连续调整的窄带源的一部分。其他应用是光谱分析和相干X线断层术。

Description

激光装置
本发明涉及激光装置。
光参量发生器(OPG’S)已经用于产生在某一光谱范围类似激光的输出。所述OPG包括加有泵源的非线性晶体材料。所述的光谱范围由泵源的波长，所使用非线性材料的类型和相关的几何结构类型限定。OPG的输出通常谱段相当窄，由所述晶体的轴相当于泵的轴的角度所确定的波长为中心。传统上，通过改变晶体的取向或温度可以连续调整中心波长，调整工作是通过利用动量守恒定律进行的，也就是非线性光学的术语-相位匹配。通常，对于晶体的某一取向，只有窄的信号光谱范围和闲波长满足相位匹配条件，这样只能同时产生窄的信号光谱范围和闲波长。已经尝试使用颜料或振动跃迁激光系统以便获得较宽的谱段输出，但是在颜料系统中使用的颜料可能有害，需要特别注意安全，而振动跃迁系统操作复杂，而且获得的波段窄，通常小于50nm。
根据本发明的第一方面，激光装置包括一个非共线光参量发生器(OPG)；和一个泵波源；所述OPG包括固定安装在发生器中的非线性晶体；其中泵波和所产生的每个波相对非线性晶体的光轴的取向大体如下，即使得在所产生的波之一的波长对泵波的取向的调整曲线上产生拐点，从而获得宽的光谱输出。
本发明利用比传统的宽光谱装置坚固、安全和操作简单的装置产生宽谱段输出，也给出较宽的波段。
最好，所述装置进一步包括用于形成谐振腔的反射装置，至少所产生的波之一在其中谐振。泵波可以直接进入OPG或通过反射装置，但是最好，所述激光装置进一步包括一对反射镜，从而泵波与OPG耦合。
最好，所述反射镜包括一对分色镜。
最好，所述装置进一步包括泵波反射装置，从而增强泵波源的强度。
根据本发明的第二方面，一个放大器包括根据第一方面的装置和向装置中注入籽波(seed wave)的装置。
在传统的窄波段OPG放大器中，OPG中的晶体必须旋转以便与籽波的波长匹配，但是在本发明中就不需要这样，从而简化了结构。本发明还能够获得宽的增益波段和增大的光谱范围，以便于宽带放大。
根据本发明的第三方面，可连续调整的窄带源包括根据本发明第一方面的激光装置，进一步包括反射装置；其中所述反射装置包括至少一个反射镜和调整装置；而且其中所述的至少一个反射镜固定，而调整装置可动安装，以便产生可连续调整的窄波段输出。
传统上，每次调整泵源时都需要对晶体重新定向，但是本发明只需调节调整装置。
调整装置可以包括一个校准器(etalon)，但最好调整装置是色散的。可以使用任何适合的具有色散特性的元件，但是最好色散的调整装置包括一个安装有利特罗或Littman棱镜的光栅，一个利特罗棱镜或声光偏转装置。
根据本发明的第四方面，相干X线断层术源包括根据本发明的第一方面的激光装置。
本发明的装置的增大的带宽给出更短的相干长度，允许以高分辨率进行3-D成象。
根据本发明的第五方面，分析介质的光谱的系统包括根据本发明的第一方面的激光装置；该系统还包括分析装置；其中所产生的波之一与介质接触；而且分析装置分析所产生的波与基质接触之后的光谱。
下面将结合附图描述根据本发明的激光装置的例子及应用，其中
图1示出了根据本发明的激光装置；
图2示出了用于形成振荡器的根据本发明的激光装置；
图3示出了具有附加泵波耦合反射镜的根据本发明的激光装置；
图4示出了图3装置的调整曲线；
图5是根据本发明的又一激光装置；
图6示出了图5装置的调整曲线；
图7是根据本发明的具有Ⅱ型相位匹配几何结构的激光装置；
图8是图7中装置的调整曲线；
图9是根据本发明的用于产生调整的窄波段输出的激光装置；
图10示出了包括根据本发明的激光装置的光谱分析系统；
图11描述了图10的系统中的波的产生；
图12示出了又一包括根据本发明的激光装置的光谱分析系统；
图13描述了包括根据本发明的激光装置的宽波段光参量放大器(OPA)的几何结构；以及
图14描述了用于通过散射介质进行高分辨率3D成形的成象系统的本发明的激光装置。
图1描述了根据本发明的激光装置的第一个例子。该装置包括由非线性晶体1形成的光参量发生器(OPG)，其中限定了光轴2。泵波3从泵源4输入并相对光轴2以角度α从晶体1中射出。产生的波5相对光轴2以角度β从晶体1中射出。在图2a中，设置了一对反射镜6、7，它们构成产生信号波5的驻波谐振腔，此种情况下的谐振波，从而形成光参量振荡器(OPO)。或者，利用一个附加反射镜，反射镜6、7可以形成环形腔。
泵波3可以通过或围绕反射镜6、7进入晶体1，或者如图3所示通过与来自泵源4的泵波3耦合的一对反射镜8、7进入晶体1。通常，这些反射镜是分色镜，以便只有泵波被反射并且信号波通过这些反射镜。图3中示出的泵波反射镜10是可供选择的特征，该反射镜通过增倍泵波3的路径提高泵源4的强度。
泵波3入射到晶体1，产生输出信号波5和闲波(未示出)。在这些例子中，晶体1是β硼酸钡(BBO)，很容易买到，而OPG具有Ⅰ型非共线相位匹配几何结构。也可以使用其他类型的晶体，包括三硼酸锂(LBO)和周期性排列的非线性材料，例如周期性排列的铌酸锂(PIPLN)。通过改变周期排列(polling)，可以建立准相位匹配，允许使用更高的非线性系数。Ⅰ型结构是这样构成的，即泵波3的偏振方向垂直于信号波5和闲波的偏振方向。非线性晶体1按如下方式设置，即使得谐振信号波5波矢和泵波3通过晶体1，泵波波矢方向和信号波波矢方向分别与光轴2成特定的角度α、β。
在工作过程中，OPO由带Q开关的掺钕钇铝石榴石(Nd∶YAG)激光器的第三谐波(355nm)激励。激励脉冲的能量在10纳秒时间间隔内达15mJ。具体在图3的结构中，信号波的波矢方向相对光轴2的角度β=40.3°，泵波的波矢方向相对光轴的角度α=35.9°。给出的角度是近似的，条件是它们是在波长对泵波取向的曲线上出现拐点的信号波的波矢方向和泵波的波矢方向的近似角度。在这一几何结构中，离散被非共线部分补偿。然而，并不是必须补偿离散。BBO晶体以θ=40°切割，尺寸为8×4×18mm3。输入和输出面是镀单层氟化镁膜层的宽波段防反射面。对于这一晶体和泵几何结构，注意泵光束有0.6mrad固有发散角，通常的相位匹配条件Δk＜π/l表明对于长度(1)为18nm的晶体，可以在500nm至600nm的范围内观察到宽波段振荡，如图4所示，图4描述这一几何结构的调整曲线。应该注意到因为在这一结构中几乎没有离散，所以可以使用长的晶体。通过试验已经观察到与此类似的光谱范围。
图5示出了又一个例子，其中信号波的波矢方向相对光轴2成的角度β=31.5°，泵波的波矢成的角度α=35.9°。虽然这一结构与第一个例子比较具有相当大的离散角，但是它具有比较大的接收角和有效非线性系数。它的输出带宽与图3所示例子的带宽类似，如图6调整曲线所示。
图7示出了又一个例子。这一例子示出了利用BBO作为非线性晶体材料的Ⅱ型非共线OPO。Ⅱ型几何结构是这样构成的，即信号波和闲波的偏振矢量彼此垂直，同时其中一个平行于泵波的偏振矢量。这一OPO的具体结构是信号波的波矢方向相对光轴2的角度β=40.5°，泵波的波矢相对光轴的角度α=36.05°。这一结构的重要特性在于它本质上具有很宽的带宽，范围大约从900nm至1300nm，如图8所示。
在图9的例子中示出了可连续调整的窄带源。这一例子中除了用色散元件，在本例中是安装有利特罗或Littman棱镜的光栅11，代替OPO谐振腔反射镜7之一以外，使用与前面的实施例中描述的激光器类似的激光器装置。这一结构的优点是不需要改变非线性晶体1的取向，对于传统的窄带源这是一个很重要的问题。图9示出了安装一级利特罗棱镜的光栅的这样的实施例。在传统的窄带源中，必须对非线性晶体的取向和光栅的取向进行补充调整以便有效调整这样的窄带源。在本发明的激光器装置中提供适当的相位匹配几何结构，就不需要调整晶体的取向，而保持调整光栅11作为控制光谱输出波长的装置，从而消除了这种复杂性。
所述激光装置的另一个应用是在工作中作为光谱分析仪，利用所产生的波之一的空间扩散特性。该装置的工作本质要求对于在所产生的波频或者信号波或者闲波之一处的光的每个光子，在余波频率之一产生第二个光子，其中能量守恒要求ωp=ωs+ωi，其中p、s和i分别表示泵波和两个所产生的波，信号波和闲波。如果该装置的优先或增强操作建立在某一信号波频处，那么在某一相应的闲频也观察到优先或增强输出。通过透镜12将空间扩散的闲波13成象在例如CCD阵列14上，可以测量扩散波强度的任何波动。例如可以以下列不同的方式利用这一结果进行光谱分析：
(ⅰ)如果在与前面4个实施例中所描述类型类似的激光装置产生的信号波的光谱范围以内的频率的光15入射到非线性晶体1，那么在该频率将观察到优先增益，在CCD阵列14上检测到次波强度相应的增强。通过适当的数字分析，可以推断出入射波的存在、波长和强度，象宽波段光探测器和光谱分析仪一样工作。这在图10和11中进行了示意性描述。图11示出了非共线相位匹配几何结构，描述了共轴和空间扩散波的产生，其中x是可分析的带宽，而且从已经通过晶体1的入射光15产生空间扩散的闲波16。这样结构的装置可以用于远距离污染监测，例如判断和监测空气中CO2或其他有害气体的含量，或者河流或港湾中是否存在污染物，例如油污、污水或化学溢出物。
(ⅱ)材料的吸收特性可以用与图12所示意性示出的类型相似的装置进行分析。吸收样品可以放置在OPO的外面，但是在本例中样品17放置在OPO的内部。样品吸收频率在OPO的信号波光谱范围以内的光。因此这些频率被抑制，而且还在CCD阵列14检测到的扩散余波的形状上出现这一调制。这一例子的应用与图10的应用一样，但是这是指对于可以采集样品的情况，而不是远距离操作。作为一种代替的光谱分析应用，该激光装置可以用作差色吸收光检测和测距(DIAL)的宽带光源。
图13描述了使用BBO作为非线性介质的Ⅰ型光参量放大器(OPA)。该放大器包括具有光轴2的非线性晶体1和一对反射镜8、9，以及可选择的泵波反射镜10。泵源4产生泵波3，通过用宽波段或窄波段辐射沿信号波方向照射非线性晶体1引发信号波5，随后这些在由相位匹配条件限定的相位可匹配的光谱范围以内的光谱成分获得光增益，
该装置的另一应用是作为超短脉冲发生器。所述泵源选择为具有超短脉冲持续时间，而且该装置特别用于产生超短脉冲。可获得的最短脉冲持续时间由脉冲的谱宽通过不等式ΔνΔτ＜1确定。本发明的激光装置加宽了OPO的允许带宽，从而能够产生持续时间较短的脉冲。在非线性晶体中通过线性调频脉冲反转和自压缩实现脉冲压缩。
图14示出了另一个应用，其中该装置适用于作为相干X线断层术的光源24，它把大景深和高空间分辨率结合起来成象，基于与多色光源相联系的短的相干长度和低光束发散度。传统的光源不具备补偿不透明介质例如组织(tissue)遇到的散射效果所需的能量和带宽。激光装置18可以是这里所描述的类型，还包括辅助装置，其中从装置18输出的共线、同轴、多色光束19被分束器22分为两束光20和21。一束光20经过散射介质23，其中需要具备嵌入的或更远距离的物24的深度和空间分辨率，以便到达该物并反向散射。另一光束21通过一个可调整的中继光路25，然后两束光进入非线性相干检测装置26。这样可以得出物例如骨或肿瘤的象，其中散射材料的影响已经补偿，给出改进的图象。
只通过例子描述了上面的实施例，但是可以对它们进行改进而不脱离本发明的范围。例如，可以使用其他的非线性材料。一种可能的这种类型结构是使用LBO作为非线性介质的Ⅰ型非共线OPG，其中信号波矢方向在x-y平面内相对光轴成51°角；泵波波矢方向也在x-y平面内相对光轴成47.5°角。而且，通过使用具有不同的激光波长的其他泵源可以改变宽波段输出的中心波长，例如工作于380nm的Xenon Chioride(XeCl)基元激光器输出的光。在这种情况下，基于BBO的装置的信号波的波矢方向相对光轴成47.6°角，而泵波波矢相对光轴成42.5°角。

Claims (11)

1．一种激光装置，该装置包括一个非共线光参量发生器(OPG)；一个泵波源；所述OPG包括固定安装在发生器内的非线性晶体；其中泵波和所产生的每个波对非线性晶体的光轴的相对定向大体是这样的，即在所产生的波之一的波长对泵波定向的调整曲线上产生拐点，从而获得宽波段光谱输出。
2．根据权利要求1的装置，还包括用于形成谐振腔的反射装置，至少所产生的波之一在其中谐振。
3．根据权利要求1或2的装置，还包括一对反射镜，从而使泵波与OPG耦合。
4．根据权利要求3的装置，其中所述反射镜包括一对分色镜。
5．根据前面权利要求中的任何一个所述的装置，还包括泵波反射装置，从而增强泵波源的强度。
6．一种放大器，该放大器包括前面权利要求中任何一个所述的装置和用于向装置中射入籽波(seed wave)的设备。
7．一种可连续调整的窄带源，该源包括权利要求1至5中任何一个所述的装置，所述装置还包括反射装置；其中所述反射装置包括至少一个反射镜和调整装置；其中的至少一个反射镜固定，而调整装置可动安装，以便产生可连续调整的窄带输出。
8．根据权利要求7的可连续调整的窄带源，其中的调整装置是色散的。
9．根据权利要求8的可连续调整的窄带源，其中所述的色散调整装置包括一个安装有利特罗或者Littman棱镜的光栅；一个利特罗棱镜；或者一个声光偏转装置。
10．一种用于相干X线断层术的光源，包括权利要求1至5中任何一个所述的激光装置。
11．一种用于分析介质光谱的系统，该系统包括根据权利要求1至5中任何一个所述的激光装置，还包括分析装置；其中所产生的波之一与介质接触；所述的分析装置分析所产生的波与介质接触之后的光谱。
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