一种基于I类准位相匹配的光参量振荡激光器 |
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| 申请号 | CN201410590683.0 | 申请日 | 2014-10-29 | 公开(公告)号 | CN104300354A | 公开(公告)日 | 2015-01-21 |
| 申请人 | 深圳大学; | 发明人 | 钟亥哲; 李瑛; 章礼富; 文双春; 范滇元; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种基于I类准位相匹配的光参量振荡 激光器 ，包括：飞秒激光 泵 浦源；输入耦合镜；MgO:PPLN晶体；输出耦合镜；分光棱镜；其中，所述同步泵浦的飞秒激光泵浦源、输入耦合镜、MgO:PPLN晶体、输出耦合镜和分光棱镜依次放置。本发明利用晶体与 温度 间的色散关系，通过调控晶体的 工作温度 ，消除 中红外 光参量振荡激光器中 近红外 泵浦光与中红外 信号 光间的群速度失配，使光参量振荡过程能够同时满足位相匹配与群速度匹配，从而获得高功率宽 光谱 的中红外超短脉冲激光。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种基于I类准位相匹配的光参量振荡激光器，其特征在于，包括： |
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| 说明书全文 | 一种基于I类准位相匹配的光参量振荡激光器技术领域[0001] 本发明涉及激光技术领域，尤其涉及的是一种基于I类准位相匹配的光参量振荡激光器。 背景技术[0002] 同步泵浦的光参量振荡激光器（OPO）具有调谐范围宽、结构紧凑等优点，还能实现高重复率（100 MHz）的高功率超短脉冲输出。以近红外飞秒激光为泵浦源的中红外飞秒OPO，是目前获得中红外超短脉冲，特别是中红外“光频梳”的一个较为有效的方法。 [0003] 阻碍中红外飞秒OPO进一步发展的一个技术难题是如何消除光参量振荡过程中相互作用的泵浦光、信号光以及闲频光之间的群速度失配（GVM），以及由此造成的转换效率不高、增益带宽窄化等问题。GVM带来的影响主要体现在两个方面：从时间上看，在振荡放大过程中，信号光会与泵浦光逐渐走离，这将直接影响最终的转换效率；从频谱上看， GVM的存在会造成OPO的增益带宽窄化，脉冲展宽。这对获得超短脉宽的中红外飞秒激光来说是极为不利的。 [0004] 为了消除光参量过程中GVM带来的影响，现有的解决方案主要包括：采用非共线的位相匹配技术、加入色散控制器件（例如啁啾镜）、或者让OPO工作在简并状态等。但是，色散控制器件并不能解决GVM造成的增益带宽窄化的问题；采用非共线的位相匹配方式，确实能够提高参量过程的匹配带宽，但也必然会使输出激光带有难以补偿的角色散，不利于后续的使用；让OPO系统工作在简并状态能够使信号光与闲频光“天然”满足群速度匹配，但是，受限于有限的泵浦光源，只有为数不多的激光波长能够工作在这种模式。此外，还有人设计出了啁啾结构的周期极化晶体（APPLN），通过逐渐改变晶体通光方向上的极化周期，使信号光的不同频率成分都能在一定的晶体区域内满足位相匹配。但是，这种方法实际上是缩短了非线性晶体的有效长度，还给晶体的设计加工带来很大的困难。 [0005] 因此现有技术有待于进一步的改进。 发明内容[0006] 鉴于上述现有技术中的不足之处，本发明的目的在于为用户提供一种基于I类准位相匹配的光参量振荡激光器，其能够调整信号光、闲频光以及泵浦光三者间群速度关系，甚至完全消除光参量振荡过程中的群速度失配。本发明以优化光参量振荡激光器的转换效率、脉冲宽度或者阈值光强为目的，通过控制非线性晶体的工作温度，改变信号光、闲频光以及泵浦光三者间的群速度关系。 [0007] 本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：一种基于I类准位相匹配的光参量振荡激光器，其中，包括： 飞秒激光泵浦源； 输入耦合镜； MgO:PPLN晶体； 输出耦合镜； 分光棱镜； 其中，所述飞秒激光泵浦源、输入耦合镜、MgO:PPLN晶体、输出耦合镜和分光棱镜依次放置； 由所述飞秒激光泵浦源发出的脉冲激光，经过所述输入耦合镜后再进入MgO:PPLN晶体，在所述输入耦合镜和所述输出耦合镜之间形成来回光参量振荡，并从所述输出耦合镜射出混合光，所述混合光经分光棱镜分离后得到中红外超短脉冲激光。 [0008] 所述基于I类准位相匹配的光参量振荡激光器，其中，所述MgO:PPLN晶体为满足I类准位相匹配的MgO:PPLN晶体。 [0009] 所述基于I类准位相匹配的光参量振荡激光器，其中，所述MgO:PPLN晶体下方还设置有用于对所述MgO:PPLN晶体的工作温度进行调控的晶体控温炉。 [0010] 所述基于I类准位相匹配的光参量振荡激光器，其中，所述晶体控温炉的工作温度为20-220℃。 [0011] 所述基于I类准位相匹配的光参量振荡激光器，其中，所述混合光包括信号光、闲频光及残留脉冲激光。 [0012] 所述基于I类准位相匹配的光参量振荡激光器，其中，所述MgO:PPLN晶体和所述输出耦合镜之间的光路上还设置有用于消除群速度色散效应的色散补偿装置。 [0013] 所述基于I类准位相匹配的光参量振荡激光器，其中，所述飞秒激光泵浦源为近红外0.78-1.6μm的飞秒激光器。 [0014] 本发明所提供的一种基于I类准位相匹配的光参量振荡激光器，包括：飞秒激光泵浦源；输入耦合镜；MgO:PPLN晶体；输出耦合镜；分光棱镜；其中，所述同步泵浦的飞秒激光泵浦源、输入耦合镜、MgO:PPLN晶体、输出耦合镜和分光棱镜依次放置；由所述飞秒激光泵浦源发出的脉冲激光，经过所述输入耦合镜后再进入MgO:PPLN晶体，在所述输入耦合镜和所述输出耦合镜之间形成来回光参量振荡，并从所述输出耦合镜射出混合光，所述混合光经分光棱镜分离后得到中红外超短脉冲激光。本发明利用晶体与温度间的色散关系，通过调控晶体的工作温度，消除中红外光参量振荡激光器中近红外泵浦光与中红外信号光间的群速度失配，使光参量振荡过程能够同时满足位相匹配与群速度匹配，从而获得高功率宽光谱的中红外超短脉冲激光。附图说明 [0015] 图1为本发明所述基于I类准位相匹配的光参量振荡激光器及光路示意图。 [0016] 图2为本发明中所述MgO:PPLN晶体内800 nm近红外泵浦光与3.2 μm中红外信号光群速度系数随温度的变化曲线。 具体实施方式[0017] 为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。 [0018] 请参见图1，本发明所述基于I类准位相匹配的光参量振荡激光器及光路示意图。如图1所示，所述基于I类准位相匹配的光参量振荡激光器，包括：飞秒激光泵浦源1；输入耦合镜3；MgO:PPLN晶体4；输出耦合镜7；分光棱镜12；其中，所述飞秒激光泵浦源1、输入耦合镜3、MgO:PPLN晶体4、输出耦合镜7和分光棱镜12依次放置。 [0019] 具体的，采用对泵浦光透射的同步泵浦单谐振设计，以中红外3.2μm为输出激光波长，主要包括飞秒激光泵浦源、非线性介质以及光学谐振腔。其中，以800nm钛宝石飞秒激光器为飞秒激光泵浦源1；以满足I类准位相匹配的MgO:PPLN晶体4为非线性介质。谐振腔由输入耦合镜3和输出耦合镜7组成，输入耦合镜3镀以对800nm泵浦光高透过、对3.2μm高反射的介质膜；输出耦合镜7则镀以对800 nm泵浦光和1.06 μm高透过、对3.2 μm部分透过的介质膜。 [0020] 此时，由飞秒激光泵浦源1发出的近红外800 nm脉冲激光2，经过输入耦合镜3，进入MgO:PPLN晶体4，在谐振腔的输入耦合镜3和输出耦合镜7之间形成来回光参量振荡8。最后，为了将透过输出耦合镜7的3.2μm信号光10与1.06μm闲频光9，以及残留的800 nm泵浦光11分离，让其一同通过分光棱镜12，将不需要的杂散光滤除后，最终得到3.2μm的中红外超短脉冲激光13。 [0021] 较佳的，所述MgO:PPLN晶体为满足I类准位相匹配的MgO:PPLN晶体。为了利用非线性晶体的最大非线性系数（d33），周期极化晶体通常都需要满足0类的位相匹配条件（e+e-›e）。但这也给同步泵浦的光参量振荡激光器带来了严重的群速度失配（GVM）。由于非线性晶体的折射率会随温度的不同而变化，因此对在晶体中传播的激光脉冲来说，其群速度v也应该是一个与温度有关的物理量。但是，对于处于同一偏振态的两束作用光，其群速度间的差别并不能通过简单地改变非线性晶体的工作温度来消除。为此，不同于传统的中红外飞秒光参量振荡激光器，本发明采用满足I类位相匹配（o+o-›e）的准位相匹配技术，让信号光与泵浦光以正交的方式在周期极化晶体中传输（信号光为o偏振光、泵浦光为e偏振光）（如图1所示），利用晶体与温度间的色散关系，通过选择合适的工作温度，使信号光与泵浦光的群速度匹配（GVM=0），再根据当前的工作温度，设计出合适的周期极化长度，使光参量振荡激光器能够同时满足位相匹配与群速度匹配，从而获得1.05μm-6μm的中红外超短脉冲激光13。在此基础上，还可以在谐振腔内插入用于对中红外信号光的色散补偿装置6（例如锗），以提高激光器的峰值功率和转换效率。 [0022] 较佳的，如图1所示，所述MgO:PPLN晶体4下方还设置有用于对所述MgO:PPLN晶体4的工作温度进行调控的的晶体控温炉5。 [0023] 通过控制周期性极化铌酸锂晶体（MgO:PPLN）的工作温度（20℃-220℃），可以使1.05-3.5μm范围内的信号光与800nm钛宝石（Ti:sapphire）泵浦光满足群速度匹配。如图2所示，图中给出了800nm泵浦光与3.2μm中红外信号光在MgO:PPLN晶体4中的群速度系数随温度变化的变化曲线。从图中可以看出，处于同一偏振态的两种作用光，其群速度确实存在着比较大的差别，而且，这种差异并不能简单地通过改变MgO:PPLN晶体4的工作温度来消除，但是，当这两束光以正交的方式在晶体中传播的时候（信号光为o偏振光、泵浦光为e偏振光），在特定的工作温度下（T=175℃），就能使两者的群速度相等。需要指出的是，在这样的工作温度下，满足相速度匹配所需要的极化周期为62.8μm。 [0024] 具体实施时，所述飞秒激光泵浦源1不局限于为800nm钛宝石飞秒激光器，其还可以为0.78-1.6μm的其他类型的飞秒激光器。并以1.05 μm-6 μm的中红外脉冲激光为输出。 [0025] 综上所述，本发明所提供的一种基于I类准位相匹配的光参量振荡激光器，包括：飞秒激光泵浦源；输入耦合镜；MgO:PPLN晶体；输出耦合镜；分光棱镜；其中，所述同步泵浦的飞秒激光泵浦源、输入耦合镜、MgO:PPLN晶体、输出耦合镜和分光棱镜依次放置；由所述飞秒激光泵浦源发出的脉冲激光，经过所述输入耦合镜后再进入MgO:PPLN晶体，在所述输入耦合镜和所述输出耦合镜之间形成来回光参量振荡，并从所述输出耦合镜射出混合光，所述混合光经分光棱镜分离后得到中红外超短脉冲激光。本发明利用晶体与温度的色散关系，使光参量振荡过程同时满足位相匹配与群速度匹配。而且完全消除中红外光参量振荡激光器中近红外泵浦光与中红外信号光间的群速度失配，获得高功率宽光谱的中红外超短脉冲激光。 |
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