專利名稱：混合注入式飛秒激光光學(xué)參量放大器裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于激光技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種飛秒激光光學(xué)參量放大器(OPA)裝置。
背景技術(shù)：
飛秒脈沖激光提供了一種重要的科學(xué)研究手段，應(yīng)用于超快過程以及強光與物質(zhì)相互作用的研究。OPA過程是一種重要的激光能量放大和波長調(diào)諧手段。飛秒OPA裝置已經(jīng)成為一種高效、穩(wěn)定的可調(diào)諧飛秒脈沖激光源。
OPA過程發(fā)生在適當(dāng)?shù)姆蔷€性晶體中，有三種不同頻率(或波長)的激光參與，分別稱泵浦光、信號光和閑置光。OPA過程中，高光強、高頻率的泵浦光對弱光強、低頻率的信號光進(jìn)行放大，同時會產(chǎn)生并放大閑置光。
為了提升效率和穩(wěn)定性，飛秒OPA裝置通常采用多級放大結(jié)構(gòu)，并使用與泵浦光源同步的窄帶光源作為注入光。傳統(tǒng)的窄帶注入式多級飛秒OPA裝置通常采用單種波長注入的方式，也即信號光經(jīng)過兩級OPA放大，第一級OPA使用窄帶信號光作為注入源，第二級OPA使用前一級OPA新產(chǎn)生放大的飛秒信號光作為注入源(T.Wang et al.，OpticsCommunications 239(2004)397-401)。隨之而來的問題是，窄帶注入光混雜在裝置輸出的飛秒信號光中，由于它們波長相同，難以將窄帶光分離出來，使得飛秒激光脈沖的寬光譜中含有高幅度的窄帶光譜成份，從而降低了飛秒信號激光的光譜質(zhì)量，限制了飛秒OPA裝置的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種高效、穩(wěn)定、輸出激光光譜質(zhì)量優(yōu)良且結(jié)構(gòu)緊湊的飛秒激光光學(xué)參量放大器裝置。
本發(fā)明提出的飛秒激光光學(xué)參量放大器裝置，其特征在于包括兩級共線OPA，一個飛秒泵浦激光源，一個同步窄帶信號光源，四個雙色鏡和二個延遲器；所述兩級OPA包括至少一塊非線性晶體，其方位角度位于泵浦光和注入光位相匹配角度附近，從而注入光可有效地幫助飛秒信號光建立持續(xù)增益，而通過晶體的方位角度調(diào)節(jié)可調(diào)諧輸出飛秒信號光的波長；飛秒泵浦光源作為OPA的泵浦光；同步窄帶信號光源為連續(xù)激光源，或帶有時間同步裝置的長脈沖激光源，其輸出波長與OPA信號光波長相近；兩級OPA分別使用不同波長的注入光，第一級使用窄帶信號光作為注入，第二級使用前一級新產(chǎn)生放大的“干凈”的飛秒閑置光脈沖作為注入；各級OPA之前的雙色鏡用于泵浦光和注入光的耦合，第一級OPA之后的雙色鏡用于分離泵浦光和閑置光使之進(jìn)入不同的延遲器，第一級OPA之后的吸收型濾光片或雙色鏡使閑置光透射或反射進(jìn)入第二級OPA而將信號光波長吸收或透射到系統(tǒng)之外，第二級OPA之后的濾光片用于輸出飛秒信號光；所述二個延遲器由反射鏡構(gòu)成，這些反射鏡也可由裝置中的雙色鏡充當(dāng)，延遲器用于調(diào)節(jié)第二級OPA的泵浦光與注入光脈沖的時間延遲，使它們在時間上重疊。
按照裝置的應(yīng)用要求，可以對本裝置的結(jié)構(gòu)作不同調(diào)整。兩級OPA各有一塊非線性晶體，從而每級OPA的晶體方位角度可分別調(diào)節(jié)；或者兩級OPA用同一塊非線性晶體，在晶體中使用雙程OPA結(jié)構(gòu)，從而使裝置更為緊湊；或者使用上述二者的結(jié)合，也即每級OPA各包括一塊非線性晶體，在每塊晶體中可各使用雙程結(jié)構(gòu)，從而倍增放大次數(shù)，以達(dá)到更大的效率。
上述裝置中還可以包括一個分束鏡，將飛秒泵浦激光源發(fā)出的光分成兩部分，分別作為兩級OPA的泵浦光，利用分束鏡可選擇這兩部分泵浦光的能量比例，從而優(yōu)化裝置的效率。
上述裝置中還可以再包括光路上的光束縮束器或擴束器，通過它改變光束口徑和光強。
根據(jù)本發(fā)明的OPA裝置在不增加傳統(tǒng)裝置復(fù)雜性的基礎(chǔ)上，通過注入式多級放大的結(jié)構(gòu)確保了高效和穩(wěn)定的飛秒信號激光輸出；使用兩種波長激光源混合注入的方式，有效地避免了窄帶信號注入光混雜在裝置輸出激光當(dāng)中，確保了輸出激光的光譜純凈度。輸出飛秒信號光還具有良好的脈寬、帶寬和調(diào)諧性指標(biāo)。


圖1所示為根據(jù)本發(fā)明的混合注入式OPA裝置。
圖2所示為使用單塊晶體雙程OPA結(jié)構(gòu)的裝置。
圖3所示為包括泵浦光分束鏡的裝置。
圖4所示為包含四次OPA放大過程的裝置。
圖中標(biāo)號1為泵浦激光源，2為同步窄帶激光源，3為非線性晶體，4為非線性晶體，5為分束鏡，6為延遲器，7為反射鏡，8為雙色鏡，8’為雙色鏡，8”為雙色鏡，9為延遲器，9’為反射鏡，9”為反射鏡，10為雙色鏡，11為濾波片，12為濾光片，13為雙色鏡，13’為雙色鏡，13”為雙色鏡，14為飛秒泵浦光，15為飛秒泵浦光，16為窄帶信號光，17為飛秒閑置光脈沖，18為飛秒信號激光，19為飛秒閑置光，20為飛秒信號光，21為反射鏡。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖進(jìn)一步描述本發(fā)明。
圖1所示為根據(jù)本發(fā)明的混合注入式OPA裝置。該裝置包括兩級OPA，它們分別包括非線性晶體3和4。泵浦激光源1出射的飛秒激光14(15)按序通過晶體3和4，作為兩級OPA的泵浦光；同步窄帶激光源2發(fā)出的與OPA信號光相近波長的窄帶激光16作為第一級OPA的注入光。雙色鏡10使飛秒泵浦光14(15)和連續(xù)信號光16耦合，共線進(jìn)入非線性晶體3，以I類匹配的方式進(jìn)行第一級OPA過程，從而產(chǎn)生第一級放大的飛秒信號光20和飛秒閑置光17。雙色鏡13使飛秒泵浦光14(15)和飛秒閑置光17分開，分別透射和反射進(jìn)入延遲器9和6調(diào)整時間延遲；同樣有連續(xù)信號光16和飛秒信號光20通過雙色鏡13進(jìn)入延遲器，為了將它們?nèi)コ?，?gòu)成兩個反射式延遲器9和6的鏡片中，分別至少有一個鏡片是對信號光波長全透的雙色鏡，從而連續(xù)信號光16和飛秒信號光20無法通過延遲器進(jìn)入第二級OPA，保證了作為第二級OPA注入光的飛秒閑置光脈沖17是“干凈”的。雙色鏡8再將通過延遲器后時間重疊的飛秒泵浦光14(15)和“干凈”的飛秒閑置光17耦合，共線進(jìn)入晶體4，以I類匹配的方式進(jìn)行第二級OPA過程，在其中“干凈”的飛秒閑置光脈沖17充當(dāng)注入光，從而產(chǎn)生第二級放大的飛秒信號光18和飛秒閑置光19。最后濾光片12反射飛秒閑置光19和殘余的飛秒泵浦光14(15)，而使飛秒信號光18透過并輸出系統(tǒng)，使我們得到第二級放大的飛秒信號激光18。
窄帶信號光可采用適合的強度注入，較大的光強以促使飛秒信號光的增益盡快在晶體中建立，窄帶注入光太強會影響所產(chǎn)生的飛秒信號光的帶寬；窄帶信號光被阻止進(jìn)入第二級OPA，第二級OPA采用第一級OPA放大的“干凈”的飛秒閑置光脈沖作為注入源，故第二級OPA輸出放大的飛秒信號光當(dāng)中不混雜窄帶信號光的成份，這就避免了傳統(tǒng)的窄帶信號光注入式的飛秒OPA裝置所輸出飛秒信號光譜不“干凈”的問題；同時理論計算和實驗證明，第二級OPA采用飛秒閑置光代替?zhèn)鹘y(tǒng)方式所用的飛秒信號光作為注入光，其結(jié)果輸出的飛秒信號光無論是效率、穩(wěn)定性，還是波形、光譜及波長調(diào)諧性，其質(zhì)量都與傳統(tǒng)方式的無顯著區(qū)別，并且本發(fā)明裝置完全保持了傳統(tǒng)方式裝置的緊湊性。
圖2所示為使用單塊晶體雙程OPA結(jié)構(gòu)的裝置。與圖1所示的裝置相比較，本裝置采用在單塊晶體3中使用雙程OPA結(jié)構(gòu)的方式代替兩塊晶體3和4中分別進(jìn)行一次OPA的方式；光束兩次以相反的方向經(jīng)過同一塊晶體3(4)，從而在其中進(jìn)行兩次OPA，配合以更加緊湊的延遲器和雙色鏡9，6，8(13)。由于幾何結(jié)構(gòu)的限制，晶體中的雙程光路并不平行，而是在紙面內(nèi)有一個細(xì)小的夾角，為了使雙程光路的OPA同時滿足位相匹配條件，晶體的光軸限制在與紙面垂直且靠近雙程光路的平面內(nèi)。
圖3所示為包括泵浦光分束鏡的裝置，是圖1所示裝置的改進(jìn)形式。它包括一個泵浦光的分束鏡5，把泵浦光分成兩部分14和15，分別作為兩級OPA的泵浦光。窄帶信號光16通過雙色鏡10與泵浦光15耦合進(jìn)入第一級OPA晶體3，晶體3之后的濾光片11，用于吸收窄帶信號光16和第一級放大的飛秒信號光20，并透過第一級放大的飛秒閑置光17，使之進(jìn)入延遲器9。泵浦光14從分束鏡5進(jìn)入延遲器6。延遲器6和9分別由對于閑置光和泵浦光波長的反射鏡片構(gòu)成。雙色鏡8再將通過延遲器后時間重疊的飛秒泵浦光14(15)和“干凈”的飛秒閑置光17耦合，共線進(jìn)入第二級OPA晶體4。最后濾光片12反射第二級放大的飛秒閑置光19和殘余的飛秒泵浦光14(15)，而使我們需要的第二級放大的飛秒信號光18透過并輸出系統(tǒng)。本裝置可以通過選擇適當(dāng)?shù)姆质R5，調(diào)整兩級OPA的泵浦光14和15的能量比例，使裝置的輸出能量優(yōu)化。
圖4所示為包含四次OPA放大過程的裝置。它根據(jù)圖3所示裝置，增加了圖2所示裝置所采用的雙程結(jié)構(gòu)，也即在兩塊OPA晶體3和4中分別使用了雙程結(jié)構(gòu)。采取這種結(jié)構(gòu)，使得本裝置中總共進(jìn)行了四次OPA過程，比較充分地利用了晶體長度和泵浦光的能量，以獲取更優(yōu)的飛秒信號光轉(zhuǎn)化效率。實際裝置中使用的非線性晶體3和4是長度分別為6mm和8mm的LN(鈮酸鋰)晶體，同樣可用于OPA的晶體有β-BBO(硼酸鋇)，LBO(三硼酸鋰)等，也可使用周期性極化的非線性材料如PPLN(周期性鈮酸鋰)等。泵浦激光源1為鈦寶石再生放大激光器，出射的飛秒激光波長為800nm，單脈沖能量為200μJ，由反射率為40％的分束片5分為兩部分14和15，并分別經(jīng)過望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)縮束，以作為晶體3和4中的泵浦光。窄帶連續(xù)注入光16由Nd:YAG連續(xù)波激光器2輸出，波長1064nm，輸出功率可調(diào)，最大為500mW。為了確保注入到第二級OPA晶體4的飛秒閑置光脈沖17的“干凈”度，濾光片11使用鍍膜鍺片，對于閑置光波長范圍(3μm附近)增透，而對于信號光波長范圍(1μm附近)強烈吸收，從而將第一級放大的信號光20有效濾除。濾光片12用于透過并輸出第二級放大的飛秒信號光18。兩塊晶體的雙程結(jié)構(gòu)中的13’，13”是雙色鏡，反射鏡9’，9”，6’，6”構(gòu)成延遲器。反射鏡7和21用于改變光路中光束方向。晶體3和4安裝在可調(diào)鏡架上，可以通過調(diào)節(jié)晶體3和4的方位角度，來調(diào)諧輸出飛秒信號光的波長。裝置輸出得到的飛秒信號光的單脈沖能量為20μJ，相對于泵浦光的能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到10％，飛秒信號光脈寬為100fs，光譜寬度為23nm，波長可調(diào)諧的大致范圍從1010nm到1080nm；本裝置輸出得到信號光的上述脈沖參數(shù)均與使用單波長注入源的傳統(tǒng)裝置所輸出的相當(dāng)，但本裝置相比于傳統(tǒng)裝置，有效的去除了輸出的飛秒信號激光中混雜的窄帶注入光成分，其混雜的窄帶注入光成分占裝置注入連續(xù)光功率的比例小于10-8，顯著改善了飛秒信號激光的光譜質(zhì)量，使裝置具有更加優(yōu)良的應(yīng)用性能和更廣的應(yīng)用范圍。
權(quán)利要求
1.一種混合注入式飛秒激光光學(xué)參量放大器裝置，其特征在于包括兩級共線OPA，一個飛秒泵浦激光源，一個同步窄帶信號光源，四個雙色鏡和二個延遲器；所述兩級OPA包括至少一塊非線性晶體，其方位角度位于泵浦光和注入光位相匹配角度附近，從而注入光可有效地幫助飛秒信號光建立持續(xù)增益，而通過晶體的方位角度調(diào)節(jié)可調(diào)諧輸出飛秒信號光的波長；飛秒泵浦光源作為OPA的泵浦光；同步窄帶信號光源為連續(xù)激光源，或帶有時間同步裝置的長脈沖激光源，其輸出波長與OPA信號光波長相近；兩級OPA分別使用不同波長的注入光，第一級使用窄帶信號光作為注入，第二級使用前一級新產(chǎn)生放大的“干凈”的飛秒閑置光脈沖作為注入；各級OPA之前的雙色鏡用于泵浦光和注入光的耦合，第一級OPA之后的雙色鏡用于分離泵浦光和閑置光使之進(jìn)入不同的延遲器，第一級OPA之后的吸收型濾光片或雙色鏡使閑置光透射或反射進(jìn)入第二級OPA而將信號光波長吸收或透射到系統(tǒng)之外，第二級OPA之后的濾光片用于輸出飛秒信號光；所述二個延遲器由反射鏡構(gòu)成，這些反射鏡也可由裝置中的雙色鏡充當(dāng)，延遲器用于調(diào)節(jié)第二級OPA的泵浦光與注入光脈沖的時間延遲，使它們在時間上重疊；這里OPA是指激光光學(xué)參量放大器。
2.按照權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于兩級OPA各包括一塊非線性晶體，在每塊晶體中分別進(jìn)行一次OPA過程；或者兩級OPA使用同一塊非線性晶體，在晶體中使用雙程OPA結(jié)構(gòu)；或者使用上述二者的結(jié)合兩級OPA各包括一塊非線性晶體，在每塊晶體中可各使用雙程結(jié)構(gòu)。
3.按照權(quán)利要求1或2之一所述的裝置，其特征在于再包括一個分束鏡，它置于飛秒泵浦光源之后，將飛秒泵浦光源發(fā)出的光分成兩部分，分別作為兩級OPA的泵浦光。
4.按照權(quán)利要求1-3之一所述的裝置，其特征在于再包括光路上的光束縮束器或擴束器，通過它改變光束口徑和光強。
全文摘要
本發(fā)明屬于激光技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種混合注入式飛秒脈沖光學(xué)參量放大器(OPA)裝置，包括兩級共線OPA，一個飛秒泵浦激光源，一個同步窄帶信號光源，至少二個雙色鏡、一個濾光片和二個延遲器。所述兩級OPA分別使用不同波長的注入光，第一級使用窄帶信號光作為注入，第二級使用前一級新產(chǎn)生放大的“干凈”的飛秒閑置光脈沖作為注入。本飛秒OPA裝置高效、穩(wěn)定、輸出激光光譜質(zhì)量優(yōu)良且結(jié)構(gòu)緊湊；可作為理想的可調(diào)諧飛秒激光源。
文檔編號G02F1/39GK1687841SQ200510025958
公開日2005年10月26日 申請日期2005年5月19日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月19日
發(fā)明者錢列加, 羅航, 袁鵬, 朱鶴元 申請人:復(fù)旦大學(xué)