一種寬帶飛秒激光的模式選擇與功率放大的裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及模式選擇與放大技術(shù)，具體是一種寬帶飛秒激光的模式選擇與功率放大的裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]寬帶鎖模脈沖激光的出現(xiàn)給光學(xué)頻率綜合、超快光學(xué)、強(qiáng)光場(chǎng)非線性等領(lǐng)域帶來(lái)了革命性進(jìn)步，并且迅速促進(jìn)了這些領(lǐng)域的的相互融合。寬帶鎖模脈沖激光廣泛應(yīng)用在氣體污染物的監(jiān)測(cè)、人體健康的檢測(cè)、生物大分子的研究等工業(yè)與醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。極其寬廣的光譜帶寬范圍使得寬帶激光可以覆蓋幾乎所有的大氣污染成分，從而可以快速便捷的通過(guò)光譜檢測(cè)大氣的污染成分。超快的脈沖過(guò)程使得其可以在生物大分子壽命內(nèi)研究其動(dòng)力學(xué)與結(jié)構(gòu)特征。然而，在許多實(shí)際應(yīng)用中需要分離出寬帶激光的單個(gè)模式，并且由于其極寬的光譜范圍使得單個(gè)模式脈沖的功率很低需要對(duì)其進(jìn)一步放大。目前，對(duì)激光模式的選擇與功率的放大主要由以下幾種。
[0003]第一種是基于濾光片結(jié)合激光二極管對(duì)寬帶脈沖激光進(jìn)行模式選擇與功率放大。該方法的原理為使用窄帶濾光片從寬帶飛秒脈沖的數(shù)百萬(wàn)不同的模式中選擇出所需的模式，窄帶濾光片的帶寬幾乎做不到小于Inm (對(duì)應(yīng)于紅外波段的頻率范圍大約為30GHz)，然而寬帶脈沖激光兩個(gè)脈沖之間的間隔為百兆赫茲量級(jí)。使得所選出的模式最少也有幾百條，過(guò)多的模式不能滿足實(shí)際應(yīng)用中對(duì)單模式的使用，并且模式之間的競(jìng)爭(zhēng)會(huì)減弱光電二極管對(duì)其放大。
[0004]第二種是基于光柵和激光二級(jí)管對(duì)寬帶脈沖激光進(jìn)行模式選擇與功率放大。同理，對(duì)于寬帶飛秒激光的模式選取的精細(xì)程度是由光柵的分辨率決定的。目前，分辨率最好的光柵1600線/mm，對(duì)光譜的分辨率為5GHz量級(jí)。由于寬帶飛秒脈沖的模式間隔為百兆赫茲量級(jí)，這種方法只能選擇出數(shù)百條以上的模式，無(wú)法選擇出少量以及單一模式并且對(duì)其功率進(jìn)行放大。
[0005]國(guó)內(nèi)外目前采用的以上兩種方法都無(wú)法選擇出光學(xué)頻率梳的少量幾個(gè)模式或者單一的模式，主要原因?yàn)樗捎玫倪x模器件的分辨率太低所限制。由于技術(shù)手段的限制制備不出分辨率足夠高的選模器件。然而，實(shí)際的生產(chǎn)與生活中對(duì)寬帶飛秒脈沖激光的少量模式的選取與功率的放大的需求十分迫切。基于此，急需發(fā)明一種可以從寬帶飛秒脈沖激光中選擇出單模脈沖激光，并且對(duì)其功率放大的裝置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明為了解決現(xiàn)有寬帶飛秒脈沖激光的模式選擇與放大技術(shù)中無(wú)法選擇出單一的模式、不能對(duì)模式的寬度進(jìn)行改變、模式功率放大受多模影響等技術(shù)問(wèn)題，提供了一種可以改變鎖模飛秒激光脈沖模式寬度并且可以選擇出少量和單一模式并對(duì)其功率有效放大的方法與裝置。
[0007]本發(fā)明所述的一種寬帶飛秒激光的模式選擇與功率放大的裝置是采用以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:一種寬帶飛秒激光的模式選擇與功率放大的裝置，包括順次位于寬帶飛秒脈沖激光入射光路上的第一激光隔離器，第一激光隔離器后順次設(shè)有第一全反射鏡、沿著第一全反射鏡激光的出射方向順次有第二全反射鏡和F-P腔；F-P腔的出射光路上依次設(shè)有第三全反射鏡、第四全反射鏡、半波片和偏振分束棱鏡，偏振分束棱鏡的反射光路上設(shè)有光電探測(cè)器；F-P腔上設(shè)有壓電陶瓷，壓電陶瓷配有高壓電源，光電探測(cè)器信號(hào)輸出端通過(guò)鎖定電路系統(tǒng)與高壓電源的電壓控制端口相連接；偏振分束棱鏡的透射光路上依次設(shè)有第一光柵、光欄、第五全反射鏡、第六全反射鏡、激光二極管；激光二極管的出射光路上設(shè)有第二光柵；第二光柵的反射光路上依次有第七全反射鏡、第二激光隔離器、第一激光整形棱鏡與第二激光整形棱鏡。
[0008]所述F-P腔位于第二全反射鏡的反射光路上；第三全反射鏡與第四全反射鏡順次位于F-P腔出射鏡的出射光路上；第四全反射鏡與第一光柵之間還設(shè)有有半波片和偏振分束棱鏡組成的分光系統(tǒng)；第一光柵的出射光路上設(shè)有光欄；光欄與激光二極管之間有第五和第六全反射鏡組成的準(zhǔn)直系統(tǒng)；所述第二光柵位于激光二級(jí)管的出射光路上；所述第七全反射鏡位于第二光柵的反射光路上；所述第二激光隔離器、第一激光整形棱鏡與第二激光整形棱鏡順次位于第七全反射鏡的反射光路上。
[0009]第一全反射鏡與第二全反射鏡的光束準(zhǔn)直結(jié)構(gòu)用于把激光更好的耦合進(jìn)入F-P腔；第三全反射鏡與第四全反射鏡的光束準(zhǔn)直結(jié)構(gòu)用于提高第一光柵與光欄選模效率；第五全反射鏡與第六全反射鏡的光束準(zhǔn)直結(jié)構(gòu)用于把選出模式耦合進(jìn)入激光二級(jí)管，準(zhǔn)直的光路可以獲得最大的放大效率；第二光柵用于壓縮激光二級(jí)管輸出光斑的大小，獲得小光斑高功率密度的激光。
[0010]基于現(xiàn)有的寬帶激光的模式選擇與放大的優(yōu)缺點(diǎn)，本申請(qǐng)?zhí)岢鲆环N利用F-P腔對(duì)寬帶飛秒脈沖激光模式間隔展寬，對(duì)寬帶激光少量或者單一模式的選取與功率的放大的裝置。寬帶飛秒激光器輕巧、移動(dòng)便利，覆蓋光譜范圍極其廣泛(0.3-1.7Pffl)、把相隔甚遠(yuǎn)的電磁場(chǎng)譜鏈接到了一起具有高度的精確性和穩(wěn)定性。在頻率測(cè)量與光譜研究方面獲得廣泛的應(yīng)用。寬帶飛秒激光的光譜覆蓋范圍極其廣泛，具有數(shù)百萬(wàn)不同頻率模式，使得其中單一模式的脈沖功率很小，降低了其在科學(xué)研究和生產(chǎn)生活中實(shí)際應(yīng)用的前景。因此，少量或者單一脈沖的選出并對(duì)其功率放大非常重要。然而，寬帶飛秒激光器輸出的是10MHz到IGHz的等頻率間距的脈沖，普通的方法無(wú)法選擇出少量或者單一的模式，以至于無(wú)法對(duì)其功率進(jìn)行放大。
[0011]本申請(qǐng)通過(guò)第一與第二全反射鏡的配合調(diào)節(jié)可以高效耦合寬帶飛秒激光進(jìn)入F-P腔，F(xiàn)-P出射鏡后粘貼有壓電陶瓷，通過(guò)高壓電源控制壓電陶瓷的伸縮來(lái)調(diào)制F-P腔長(zhǎng)，搭建此高精度F-P，把寬帶飛秒激光的模式間隔展寬為5GHz。從而使得光柵和光欄配合可以把寬帶飛秒激光的少量或者單一模式分辨出來(lái)，再利用激光二極管的注入鎖定放大技術(shù)對(duì)其功率放大。本申請(qǐng)可以從0.3到1.1m獲得大量不同頻率的高功率激光，獲得激光的發(fā)散性、高強(qiáng)度與模式穩(wěn)定性接近理想的高質(zhì)量輸出光束。采用本技術(shù)當(dāng)與同時(shí)獲得數(shù)十臺(tái)不同頻率的高功率激光器。本技術(shù)極大的拓寬了寬帶飛秒激光的應(yīng)用范圍，使得其在科學(xué)研究與實(shí)踐研究中具有了更大的應(yīng)用前景。
[0012]進(jìn)一步地，還包括一個(gè)外殼上開(kāi)有激光入射孔和激光出射孔的腔體；所述第一激光隔離器，第一全反射鏡，第二全反射鏡，F(xiàn)-P腔，壓電陶瓷，第三全反射鏡，第四全反射鏡，半波片，偏振分束棱鏡，光電探測(cè)器，第一光柵，光欄，第五全反射鏡，第六全反射鏡，激光二級(jí)管，第二光柵，第七反射鏡，第二激光隔離器，第一激光整形棱鏡，第二激光整形棱鏡都位于腔體內(nèi)；激光出射孔位于第二激光整形棱鏡的出射光路上；壓電陶瓷由高壓BNC線與高壓電源連接，光電探測(cè)器由第二 BNC線與鎖定電路系統(tǒng)連接，鎖定電路系統(tǒng)與高壓電源由第一 BNC線連接，激光二級(jí)管與其電源控制器由第三BNC線連接。
[0013]工作時(shí)，腔體起到隔離保護(hù)的作用。各個(gè)部件可以在腔體內(nèi)將位置固定后，做成一個(gè)集約化便于攜帶的裝置，方便移動(dòng)，同時(shí)免去了組裝的復(fù)雜工序，節(jié)約了時(shí)間。
[0014]本發(fā)明所述的一種寬帶飛秒激光的模式選擇與功率放大的方法是采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:一種寬帶飛秒激光的模式選擇與功率放大的方法，包括以下步驟:(a)、寬帶飛秒脈沖激光經(jīng)過(guò)第一激光隔離器后由第一全反射鏡與第二全反射鏡準(zhǔn)直，準(zhǔn)直后的激光進(jìn)入F-P腔，通過(guò)F-P腔的激光模式間隔展寬為與F-P腔一致，出射光束由第三全反射鏡與第四全反射鏡準(zhǔn)直后由半波片與偏振分束棱鏡分光，反射部分激光由光電探測(cè)器探測(cè)后由鎖定電路系統(tǒng)獲得鎖定信號(hào)后輸入到高壓電源，由高壓電源控制壓電陶瓷的長(zhǎng)短來(lái)控制F-P腔的長(zhǎng)度，從而鎖定F-P腔；(b)、偏振分束棱鏡出射光由第一光柵與光欄選擇出少量的模式后由第五全反射鏡與第六全反射鏡準(zhǔn)直后注入到激光二級(jí)管進(jìn)行功率放大；(C)、激光二級(jí)管輸出的功率放大后的激光由第二光柵壓縮光斑大小，經(jīng)由第二激光隔離器后由第一激光整形棱鏡和第二激光整形棱鏡整形，由腔體的激光出射孔輸出高斯型的少量模式或者單模的高功率脈沖激光。
[0015]對(duì)比圖2、圖3可以看出，本方法可以把相鄰脈沖之間的模式寬度(如245MHz)的寬帶(0.3-1.6Pm)超短飛秒脈沖(小于10fs)(圖2)寬帶激光的相鄰模式展寬為4_5GHz (圖3)，并且可以從寬帶飛秒激光中選擇出很少或者單一模式的飛秒脈沖激光并且對(duì)其功率進(jìn)行放大。這種方法適用于幾乎所有不同模式寬度的寬帶超短飛秒脈沖激光。
[0016]本發(fā)明通過(guò)把寬帶飛秒脈沖激光的模式間隔展寬選擇出少量模式并對(duì)其功率進(jìn)行放大，這種基于F-P腔、光柵與激光二級(jí)管的模式展寬與放大的方法在寬帶飛秒脈沖激光的少量或單模的選擇與放大方面具有很多的優(yōu)勢(shì):脈沖模式間隔的展寬、少量或單一模式的選擇、模式功率的放大使得可以滿足具體生產(chǎn)與研究的需要。
[0017]本發(fā)明提供了一種基于F-P腔的模式展寬以及激光功率注入鎖定放大的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)易、不易受外界影響、性能穩(wěn)定精確度高的寬帶激光模式選擇與功率放大裝置及方法，該裝置以及方法基于F-P腔模式展寬以及激光功率注入鎖定放大的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，有效的解決了現(xiàn)階段只能選擇出數(shù)百條以上的模式，無(wú)法選擇出少量(通常為1-10條模式)以及單一模式并且對(duì)其功率進(jìn)行放大的問(wèn)題。整個(gè)裝置及方法具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便、易于調(diào)節(jié)、外界干擾小、穩(wěn)定性強(qiáng)、精確度極高的優(yōu)點(diǎn)。
【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1是本發(fā)明所述裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖中:1-腔體，2-激光入射孔，3-第一激光隔離器，4-第一全反射鏡，5-第二全反射鏡，6-F-P腔入射鏡，7-F-P腔出射鏡，8-壓電陶瓷，9-高壓BNC線，10-高壓電源，11 -第三全反射鏡，12-第四全反射鏡，13-半波片，14-偏振分束棱鏡，15-第一 BNC線，16-鎖定電路系統(tǒng)，17-第二 BNC線，18-光電探測(cè)器，19-第一光