本發(fā)明涉及激光技術領域，尤其涉及一種可調諧雙波長超快光參量振蕩器。

背景技術：

激光介質的能級結構和熒光發(fā)射譜線對能夠產(chǎn)生何種波長的激光起著決定性的作用。不同激光介質可以產(chǎn)生不同波長的激光，但是，大多數(shù)情況下，使用單一激光介質的激光器，通常也只能輸出一種特定波長的激光。然而，從物理、化學學科的基礎研究到醫(yī)學，甚至工業(yè)應用，越來越多的研究或者應用領域需要同時用到兩束不同波長的激光。比如廣泛應用于超快動力學過程研究的泵浦探測(pump-probe)技術，就需要用一束超快激光激發(fā)樣品，再用另一束波長不同的超快激光探測其發(fā)出的受激信號，以此確定被測樣品的狀態(tài)。此外，通過非線性差頻產(chǎn)生中紅外，甚至太赫茲(THz)波段的輻射源；基于被測氣體對不同波長的激光存在吸收差異的差分吸收式激光雷達；CARS(相干反斯托克斯喇曼散射)顯微成像技術等都需要同時使用不同波長的激光。

人們已經(jīng)在固體激光系統(tǒng)，例如鈦寶石激光器，利用分裂(self-spectrum splitting)，受激粒子的能級分裂以及布里淵散射等方法實現(xiàn)了雙波長的激光輸出。但是，基于非線性頻率轉換的光參量振蕩器(OPO)，仍是目前獲得雙波長激光最有效的途徑之一。利用二階非線性效應，OPO能夠將入射激光(稱為泵浦光)轉變?yōu)閮墒ㄩL各異的出射激光，對于單諧振的OPO，一般將在諧振腔內來回振蕩的激光稱為信號光，將與信號光共存的另一束激光稱為閑頻光。信號光、閑頻光與泵浦光之間始終滿足能量守恒。OPO天然具有雙波長激光輸出的特點，因此被廣泛用作雙波長激光器。

隨著科技的進步，人們對醫(yī)學、生物、物理等學科的研究已進入納米、原子尺度，無論是泵浦探測，還是CARS，都需要借助超短脈沖激光來獲得更高的分辨率，這對雙波長激光器的輸出脈寬以及光束質量均提出了更高的要求。但是，通常情況下，在光參量振蕩過程中，相互作用的泵浦光、信號光和閑頻光在晶體中的速度(即群速度)并不相同，一般稱之為群速度失配(GVM)。當OPO工作在超快時間尺度(例如飛秒，即10^-15秒)的時候，由于會在光參量振蕩過程中相互走離，信號光與閑頻光都會出現(xiàn)不同程度的脈沖畸變，尤其是閑頻光。泵浦光的脈寬越短，群速度失配的影響越顯著。這極大限制了飛秒OPO輸出的信號光與閑頻光的脈寬，以及光束質量。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明實施例提供了一種可調諧雙波長超快光參量振蕩器，旨在解決現(xiàn)有技術中的雙波長光參量振蕩器無法有效地產(chǎn)生脈沖波形無畸變的雙波長飛秒脈沖激光的問題。

本發(fā)明實施例提供了一種可調諧雙波長超快光參量振蕩器，包括：依次放置的脈沖激光泵浦源、輸入耦合鏡、帶扇形結構的周期性極化晶體、輸出耦合鏡及分光鏡；

所述脈沖激光泵浦源輸出的泵浦光經(jīng)過所述輸入耦合鏡進入所述帶扇形結構的周期性極化晶體，在所述帶扇形結構的周期性極化晶體中產(chǎn)生來回振蕩的信號光，以及閑頻光，并從所述輸出耦合鏡輸出混合光，所述混合光經(jīng)所述分光鏡分離后，分別得到信號光脈沖激光和閑頻光脈沖激光；

所述帶扇形結構的周期性極化晶體為滿足II類準位相匹配的周期性極化晶體，所述信號光與所述閑頻光在預置溫度下在所述帶扇形結構的周期性極化晶體中的群速度匹配，所述混合光中包含所述信號光、所述閑頻光以及殘留的所述泵浦光。

進一步地，所述可調諧雙波長超快光參量振蕩器，還包括：

晶體控溫裝置，用于調控所述帶扇形結構的周期性極化晶體的溫度。

進一步地，所述帶扇形結構的周期性極化晶體的極化周期能夠連續(xù)調諧。

進一步地，根據(jù)所述脈沖激光泵浦源輸出的泵浦光的波長及預置的調諧規(guī)則，對所述帶扇形結構的周期性極化晶體的溫度以及極化周期聯(lián)動調諧，以使調諧范圍內的任意波長的所述信號光與所述閑頻光在所述帶扇形結構的周期性極化晶體中的群速度始終匹配。

進一步地，所述可調諧雙波長超快光參量振蕩器還包括：

色散補償裝置，所述色散補償裝置設置在所述周期性極化晶體與所述輸出耦合鏡之間的光路上，用于補償所述信號光在所述周期性極化晶體內累積的群速度色散。

進一步地，所述信號光在所述輸入耦合鏡和所述輸出耦合鏡之間來回振蕩，所述輸入耦合鏡對所述信號光高反射，對所述泵浦光高透射，所述輸出耦合鏡對所述信號光部分透射，對所述泵浦光和所述閑頻光高透射。

從上述本發(fā)明實施例可知，本發(fā)明提供了一種可調諧雙波長超快光參量振蕩器，包括：依次放置的脈沖激光泵浦源、輸入耦合鏡、帶扇形結構的周期性極化晶體、色散補償裝置、輸出耦合鏡、分光鏡，以及晶體控溫裝置，相較于現(xiàn)有技術，本發(fā)明利用脈沖激光的群速度與晶體溫度之間的色散關系，通過調控周期性極化晶體的工作溫度，消除周期性極化晶體內信號光與閑頻光間的群速度失配。信號光與閑頻光的同步放大，不但可以提升光參量振蕩器的匹配帶寬，更是避免了由于時間走離造成的脈沖畸變，使光參量振蕩器能夠同時輸出兩路高質量的超短脈沖激光。

附圖說明

圖1是當脈沖激光泵浦源的波長為1064nm時，周期性極化晶體內3.5μm-2.9μm的e偏振光信號光和與之對應的1.5μm-1.7μm的o偏振閑頻光滿足群速度匹配所需工作溫度隨波長的變化曲線；

圖2是當脈沖激光泵浦源的波長為790nm時，周期性極化晶體內3.1μm-1.7μm的e偏振信號光和與之對應的1μm-1.5μm的o偏振閑頻光滿足群速度匹配所需工作溫度隨波長的變化曲線；

圖3是本發(fā)明實施例提供的可調諧雙波長超快光參量振蕩器的結構示意圖；

圖4是本發(fā)明實施例中的雙波長超快光參量振蕩器的轉換效率，以及中紅外信號光與近紅外閑頻光的光譜帶寬隨泵浦光強的變化曲線，其中,泵浦光波長為1064nm，信號光波長為3.2μm，對應的，閑頻光波長為1.59μm；

圖5是本發(fā)明實施例中的雙波長超快光參量振蕩器輸出的信號光與閑頻光的時間波形圖，其中,泵浦光波長為1064nm，信號光波長為3.2μm，對應的，閑頻光波長為1.59μm；

圖6是本發(fā)明實施例中的雙波長超快光參量振蕩器輸出的信號光與閑頻光的光譜帶寬隨信號光/閑頻光波長的變化曲線。其中,泵浦光波長為1064nm。

具體實施方式

為使得本發(fā)明實施例的發(fā)明目的、特征、優(yōu)點能夠更加的明顯和易懂，下面將結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而非全部實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

如圖1、圖2所示，圖中給出了當泵浦源的激光波長分別為1064nm和790nm的時候，周期性極化晶體內e偏振信號光和與之對應的o偏振閑頻光滿足群速度匹配所需工作溫度隨波長的變化曲線，周期性極化晶體在本實施例中選用的是8％摻雜MgO:PPLN晶體。從圖中可以看出，僅考慮以1064nm和790nm的脈沖激光器為泵浦源，就可實現(xiàn)輸出激光波長從1μm到3.5μm，近紅外到中紅外波段的全覆蓋。若再配合其它波長的泵浦源，其應用范圍可以擴展到5μm(MgO:PPLN晶體的極限透射波長)。

請參閱圖3，圖3是本發(fā)明實施例提供的可調諧雙波長超快光參量振蕩器的結構示意圖，為了便于說明，僅示出了與本發(fā)明實施例相關的部分。圖3示例的可調諧雙波長超快光參量振蕩器，主要包括：脈沖激光泵浦源101、輸入耦合鏡102、帶扇形結構的周期性極化晶體103、輸出耦合鏡104以及分光鏡105、晶體控溫裝置106以及色散補償裝置107。

脈沖激光泵浦源101可以但不限于選用1064nm飛秒脈沖激光器，將其輸出的1064nm脈沖激光作為泵浦光，該泵浦光經(jīng)輸入耦合鏡102，進入光學諧振腔，在帶扇形結構的周期性極化晶體103中產(chǎn)生在輸入耦合鏡102和輸出耦合鏡104之間來回振蕩的信號光，以及閑頻光。其中該信號光與該閑頻光在該帶扇形結構的周期性極化晶體103中的群速度相同。通過光參量放大，信號光從泵浦光中獲取能量，并從輸出耦合鏡104中輸出混合光，該混合光中包含部分信號光、閑頻光以及殘留的泵浦光。該混合光經(jīng)分光鏡105分離后，輸出兩種不同波長的超短脈沖激光，分別是信號光脈沖激光和閑頻光脈沖激光。分光鏡105可以但不限于包括：分光棱鏡、雙色鏡等可以將不同波長的混合光相互分離的光學元件。

晶體控溫裝置106，用于調控帶扇形結構的周期性極化晶體103的溫度，其包括設置于帶扇形結構的周期性極化晶體103的下方的晶體控溫爐。

帶扇形結構的周期性極化晶體103和輸出耦合鏡104之間還設置有色散補償元件107，該色散補償元件107用于消除來回振蕩的信號光在周期性極化晶體103內累積的群速度色散。

其中，帶扇形結構的周期性極化晶體103是滿足II類準位相匹配的周期性極化晶體，在本實施例中選用的是8％摻雜MgO:PPLN晶體。晶體折射率(n)會隨溫度的不同而變化，晶體內脈沖激光的群速度(v)也是與溫度有關的物理量。為了利用非線性晶體最大的非線性系數(shù)(d₃₃)，周期性極化晶體通常都需要滿足0類的準相位匹配條件(e+e->e)，要求泵浦光、信號光和閑頻光均為e偏振光。處于同一偏振態(tài)的兩種脈沖激光，其群速度存在比較大的差別，而且，這種差異并不能簡單地通過改變周期性極化晶體的工作溫度來消除。但是，當這兩束激光以正交的方式在晶體中傳播(例如，信號光為o偏振光、閑頻光為e偏振光；或者信號光為e偏振光、閑頻光為o偏振光)，它們的群速度有可能在特定溫度下相等。為了得到高質量的雙波長超短脈沖激光，信號光與閑頻光需要有相同的群速度，本實施例中的雙波長光參量振蕩器采用II類準相位匹配技術，利用脈沖激光的群速度與晶體溫度之間的色散關系，通過調控帶扇形結構的周期性極化晶體103的工作溫度，使信號光與閑頻光滿足群速度匹配(GVM＝0)，再在此溫度基礎上，設計出合適的極化周期，使OPO滿足相速度匹配，從而使OPO能夠同時滿足相速度匹配與群速度匹配。信號光與閑頻光的同步放大，不但可以提升光參量振蕩器的匹配帶寬，更是避免了由于時間走離造成的脈沖畸變，使光參量振蕩器能夠同時輸出高質量的雙波長超短脈沖激光。

群速度匹配與相速度匹配的同時實現(xiàn)，要求周期性極化晶體工作在特定的溫度，而且，該周期性極化晶體的極化周期也是特定的。對不同波長的信號光與閑頻光，其群速度匹配所需要的預置溫度，以及相速度匹配所需要的極化周期均各不相同。

為了實現(xiàn)雙波長超快光參量振蕩器的激光波長的可調諧，本發(fā)明實施例采用帶扇形結構的周期性極化晶體103，且該帶扇形結構的周期性極化晶體103滿足II類準位相匹配。帶扇形結構的周期性極化晶體103相較于常用的周期性極化晶體，能夠通過改變信號光、閑頻光與泵浦光在帶扇形結構的周期性極化晶體103中的橫向維度的位置，對其極化周期進行連續(xù)調諧。晶體控溫裝置106，用于調控帶扇形結構的周期性極化晶體103的溫度。通過對該帶扇形結構的周期性極化晶體103的工作溫度以及極化周期的聯(lián)動調諧，實現(xiàn)所述可調諧雙波長超快光參量振蕩器輸出激光波長的可調諧。對調諧范圍內的任意激光波長，信號光與所述閑頻光的群速度始終相等。

具體的，脈沖激光泵浦源101選用1064nm飛秒脈沖激光器，其輸出的1064nm脈沖激光作為泵浦光。所述扇形周期性極化晶體5選用滿足II類準位相匹配的8％摻雜MgO:PPLN晶體。其極化周期在36μm-46μm范圍內連續(xù)可調。所述可調諧雙波長超快光參量振蕩器的信號光與閑頻光正好分別處于中紅外與近紅外波段。在20℃–250℃的溫度區(qū)間內，輸出的信號光可以在2.9μm至3.5μm范圍內連續(xù)調諧，相應的，閑頻光的波長為～1.7μm至1.5μm。

采用同步泵浦單諧振設計，該1064nm泵浦脈沖激光的脈沖寬度為100fs。將信號光調諧至3.2μm的中紅外脈沖激光。泵浦光、信號光、閑頻光的波長分別為1064nm、3.2μm和1.59μm。為了使e偏振的3.2μm信號光與o偏振的1.59μm閑頻光滿足群速度匹配，需要將8％摻雜MgO:PPLN晶體的溫度控制在145℃。在這樣的工作溫度下，滿足相速度匹配所需要的極化周期為40μm。基于非線性耦合波方程組，我們對所述光參量振蕩器的運行情況進行了數(shù)值模擬。所述8％摻雜MgO:PPLN晶體的長度為2mm。如圖4所示，圖中給出了所述光參量振蕩器的轉換效率，3.2μm中紅外信號光與1.59μm近紅外閑頻光的光譜帶寬隨泵浦光強的變化曲線。隨著泵浦光強的增加，所述光參量振蕩器逐漸進入飽和區(qū)域，信號光與閑頻光的光譜帶寬也都因為“回流”，出現(xiàn)了不同程度的下降。即便如此，由于信號光與閑頻光的群速度相同，它們的光譜帶寬依然保持良好，可以支持小于50fs的傅氏變換極限的超短脈沖激光。圖5為所述光參量振蕩器的量子轉換效率為～30％的時候，輸出經(jīng)色散補償后的信號光與閑頻光的時間波形圖，如圖所示，信號光與閑頻光均未出現(xiàn)任何脈沖畸變，它們的脈沖寬度基本相同，約為50fs，對應所述光參量振蕩器輸出的兩種不同波長的超短脈沖激光。

圖6為雙波長光參量振蕩器輸出的信號光與閑頻光的光譜帶寬隨信號光/閑頻光波長的變化曲線。圖中給出的信號光與閑頻光的光譜帶寬均為當所述光參量振蕩器的量子轉換效率為～30％時的結果。在2.9μm-3.4μm的信號光調諧范圍內(對應閑頻光波長為1.63μm-1.58μm)，輸出信號光與閑頻光的光譜帶寬均保持穩(wěn)定。表現(xiàn)出優(yōu)越的針對超短脈沖激光的波長調諧能力。

本發(fā)明提供的可調諧雙波長超快光參量振蕩器，包括：依次放置的脈沖激光泵浦源、輸入耦合鏡、帶扇形結構的周期性極化晶體、色散補償裝置、輸出耦合鏡、分光鏡，以及晶體控溫裝置，相較于現(xiàn)有技術，本發(fā)明利用脈沖激光的群速度與晶體溫度之間的色散關系，通過調控周期性極化晶體的工作溫度，消除周期性極化晶體內信號光與閑頻光間的群速度失配。信號光與閑頻光的同步放大，不但可以提升光參量振蕩器的匹配帶寬，更是避免了由于時間走離造成的脈沖畸變，使光參量振蕩器能夠同時輸出兩路高質量的的超短脈沖激光。

需要說明的是，對于前述的各方法實施例，為了簡便描述，故將其都表述為一系列的動作組合，但是本領域技術人員應該知悉，本發(fā)明并不受所描述的動作順序的限制，因為依據(jù)本發(fā)明，某些步驟可以采用其它順序或者同時進行。其次，本領域技術人員也應該知悉，說明書中所描述的實施例均屬于優(yōu)選實施例，所涉及的動作和模塊并不一定都是本發(fā)明所必須的。

在上述實施例中，對各個實施例的描述都各有側重，某個實施例中沒有詳述的部分，可以參見其它實施例的相關描述。

以上為對本發(fā)明所提供的可調諧雙波長超快光參量振蕩器的描述，對于本領域的技術人員，依據(jù)本發(fā)明實施例的思想，在具體實施方式及應用范圍上均會有改變之處，綜上，本說明書內容不應理解為對本發(fā)明的限制。