一种中红外飞秒脉冲激光器

技术领域

本发明涉及固体超快激光器领域，具体涉及一种中红外飞秒脉冲激光器。

背景技术

由于缺少中红外波段的增益介质，非线性参量下转换是产生中红外，特别是4微米以上波长的飞秒脉冲的唯一方法。其中脉冲内差频无需构造信号脉冲，是一种紧凑、简便的产生中红外飞秒脉冲的技术。然而，脉冲内差频要求泵浦脉冲同时覆盖泵浦和信号脉冲的频谱范围。因此对于高功率Yb掺杂激光器，现有技术要求脉冲宽度＜30fs，这一要求还未能被相对窄带的Yb掺杂激光放大器实现。对于现有的高功率Yb掺杂激光器，必须先通过空心光纤或光子晶体光纤进行非线性压缩，以进行脉冲内差频。由于通过空心光纤进行非线性压缩耦合难度高、输出效率低，光子晶体光纤的功率承受能力有限，同时基于空心光纤和光子晶体光纤的非线性压缩均需要配合昂贵的啁啾镜进行后续的脉冲压缩。这极大的增加了中红外飞秒激光器的复杂程度，限制了脉冲能量和平均功率，增加了成本。

发明内容

本发明根据现有技术存在的问题提供一种结构简单、泵浦脉冲输出效率高、成本低的中红外飞秒脉冲激光器。

本发明采用的技术方案是：

一种中红外飞秒脉冲激光器，包括按照光路顺序方向设置的掺镱光纤振荡器、脉冲展宽器、光谱整形模块、晶体再生放大器模块、脉冲压缩器、二阶级联非线性压缩器模块和脉冲内差频模块；

掺镱光纤振荡器用于产生初始激光脉冲；

脉冲展宽器用于对初始激光脉冲进行展宽；

光谱整形模块用于对展宽后的激光脉冲进行光谱整形以及产生第一激光脉冲；

晶体再生放大器模块用于对第一激光脉冲放大；

脉冲压缩器用于对放大后的第一激光脉冲进行压缩；

压缩器模块用于对放大并线性压缩后的第一激光脉冲进行非线性压缩后产生第二激光脉冲；

脉冲内差频模块用于将第二激光脉冲通过非线性转化产生中红外波段的第三激光脉冲。

进一步的，所述光谱整形模块包括7块镀膜反射镜，镀膜反射镜分为两排相对设置，光信号依次在两排镀膜反射镜上进行反射；每块镀膜反射镜均相对于激光传输方向的垂线小于10°。

进一步的，所述晶体再生放大器模块中采用Yb：CaAlGdO

进一步的，所述晶体再生放大器模块按照光路顺序依次包括凸透镜L1、法拉第旋转器FR、半波片HWP、偏振分束器PBS；偏振分束器PBS分光后按照光路顺序依次经过普克尔盒PC、四分之一波片QWP和第一谐振腔端镜EM1，经第一谐振腔端镜EM1反射后按照光路顺序依次经过四分之一波片QWP、普克尔盒PC、偏振分束器PBS、凸透镜L2、凹透镜L3、二向色镜DM、激光晶体、二向色镜DM和第二谐振腔端镜EM2；还包括用于产生泵浦光的激光二极管LD，激光二极管LD产生的泵浦光经偏振分束器PBS后分别经凸透镜L6和凸透镜L4从激光晶体两端聚焦到激光晶体中。

进一步的，所述二阶级联非线性压缩器模块按照光路顺序依次包括凸透镜L7、凹透镜L8、BBO晶体、2块摆成布鲁斯特角的蓝宝石晶体。

进一步的，所述脉冲内差频模块按照光路顺序依次包括半波片HWP、凸透镜L9、LGS晶体、低通滤波器LPF。

进一步的，所述BBO晶体为BaB

进一步的，所述LGS晶体为LiGaS2晶体，尺寸为5×5×8mm。

进一步的，所述凸透镜L2焦距为200mm，凹透镜L3焦距为-150mm；L2和L3之间的距离为110mm。

进一步的，所述凸透镜L7的焦距为200mm，凹透镜L8的焦距为-100mm。

本发明的有益效果是：

(1)本发明采用光纤振荡器、光谱整形模块、晶体再生放大器、二阶级联非线性压缩相结合，利用光纤振荡器提供宽带种子脉冲，通过光谱整形平衡增益窄化，利用二阶级联非线性压缩提供近红外波段的非线性自压缩，产生50fs脉冲，避免了通过空心光纤或光子晶体光纤非线性压缩，解决了空心光纤或光子晶体光纤非线性压缩耦合难度高、输出效率低，光子晶体光纤的功率承受能力有限、需要昂贵的啁啾镜进行脉冲压缩的问题。

(2)本发明通过泵浦光脉冲在LGS晶体中产生自相位调制来进一步展宽泵浦光谱，产生1100～1200nm的频谱成分，提供脉冲内差频所需的光谱成分，大大简化了激光器结构、提升了泵浦脉冲的输出效率、拓展了中红外飞秒激光的波长调谐范围，降低了中红外飞秒激光器的成本。

附图说明

图1为本发明中红外飞秒激光器的结构示意图。

图2为本发明实施例中经过光谱整形模块前后的种子光谱对比示意图，A为种子脉冲光谱整形前形状，B为种子脉冲光谱整形后形状，C为滤光片对不同波长的响应。

图3为本发明实施例中经过光谱整形模块对放大带宽的影响对比示意图，A为种子脉冲未经过光谱整形模块经晶体再生放大器放大后的光谱演化图，B为种子脉冲经过光谱整形模块经过晶体再生放大器后的光谱演化图，C为不同放大趟数下的输出功率。

图4为本发明实施例中经过晶体再生放大器、脉冲压缩器后后输出的光谱图，A为通过光谱分析仪测量得到的光谱，B为通过超短脉冲测量仪得出的光谱，C为相位信息。

图5为本发明实施例中经过晶体再生放大器、脉冲压缩器后输出的脉冲形状图，A为测量得到的光谱，B为根据光谱计算出的变换极限脉冲，C为对应的相位信息。

图6为本发明实施例中经过二阶级联非线性压缩器模块后输出的光谱图，A为经二阶级联非线性压缩器模块压缩后脉冲在光谱分析仪得到的光谱，B为经二阶级联非线性压缩器模块压缩后脉冲在超短脉冲测量仪得到的光谱，C为对应的相位信息。

图7为本发明实施例中经过二阶级联非线性压缩器模块后输出的脉冲形状图，A为根据光谱计算出的变换极限脉冲，B为经二阶级联非线性压缩器模块压缩后脉冲在超短脉冲测量仪得到的脉冲轮廓，C为对应的相位信息。

图8为本发明实施例中经过晶体再生放大器模块C、二阶级联非线性压缩模块B和脉冲内差频模块A后的光谱对比图。

图9为本发明实施例中经脉冲内差频模块输出的可调谐中红外光谱。

图中：1-掺镱光纤振荡器，2-脉冲展宽器，3-光谱整形模块，4-晶体再生放大器模块，5-脉冲压缩器，6-二阶级联非线性压缩器模块，7-脉冲内差频模块。

凸透镜L1、L2、L4、L5、L6、L7，凹透镜L3、L8，法拉第旋转器FR，半波片HWP，偏振分束器PBS，普克尔盒PC，四分之一波片QWP，激光二极管LD，第一谐振腔端镜EM1，第二谐振腔端镜EM2，二向色镜DM，高反射镜HR，低通滤波器LPF，高效率传输光栅G，超短脉冲测量仪FROG。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

如图1所示，一种中红外飞秒脉冲激光器，包括按照光路顺序方向设置的掺镱光纤振荡器1、脉冲展宽器2、光谱整形模块3、晶体再生放大器模块4、脉冲压缩器5、二阶级联非线性压缩器模块6和脉冲内差频模块7；

掺镱光纤振荡器1用于产生初始激光脉冲；用到的掺镱光纤振荡器1为超宽带掺镱光纤振荡器，提供中心波长为1020～1040nm，-10dB带宽大于50nm，-3dB带宽大于30nm的种子脉冲，是一种简单的宽带种子源。匹配晶体再生放大器模块4中晶体的发射带宽(60nm)。

脉冲展宽器2用于对初始激光脉冲进行展宽；从超宽带掺镱光纤振荡器中输出的种子脉冲首先通过马丁内兹展宽器展宽到200ps，展宽器中的光栅在信号光中心波长(1020～1040nm)处的单次衍射效率大于94％，总效率大于78％。

光谱整形模块3用于对展宽后的激光脉冲进行光谱整形以及产生第一激光脉冲；光谱整形模块3包括7块镀膜反射镜，当光束入射角为0-10°时每块反射镜在信号光中心波长(1020～1040nm)处的反射率为80％，其他波长的反射率为100％，镀膜反射镜分为两排相对设置，光信号依次在两排镀膜反射镜上进行反射；每块镀膜反射镜均相对于激光传输方向的垂线小于10°。可以保证光束反射角为0-10°以达到预期整形效果。经过7次反射，整形后的信号光在中心波长(1020～1040nm)仅保留20％光。

晶体再生放大器模块4用于对第一激光脉冲放大；晶体再生放大器模块4中采用Yb：CaAlGdO

晶体再生放大器模块4按照光路顺序依次包括凸透镜L1、法拉第旋转器FR、半波片HWP、偏振分束器PBS；偏振分束器PBS分光后信号光按照光路顺序依次经过普克尔盒PC、四分之一波片QWP和第一谐振腔端镜EM1，反射后按照光路顺序依次经过四分之一波片QWP、普克尔盒PC、偏振分束器PBS、凸透镜L2、凹透镜L3、二向色镜DM、激光晶体、二向色镜DM和第二谐振腔端镜EM2；还包括用于产生泵浦光的激光二极管LD，激光二极管LD产生的泵浦光经偏振分束器PBS后分别经凸透镜L6和凸透镜L4从激光晶体两端聚焦到激光晶体中泵浦光斑直径大小为400微米。

晶体再生放大器模块4中的激光谐振腔内设计有望远镜系统，由焦距为200mm的凸透镜和焦距为-150mm的凹透镜组成，用于调整激光谐振腔内各处光斑大小。其中凸透镜和凹透镜之间的距离为110mm以达到稳定的谐振腔模式。其中在Yb：Calgo晶体中的光斑直径大小为380微米，腔内激光偏振方向垂直于地面。

脉冲压缩器5用于对放大后的第一激光脉冲进行压缩。G1和G2均为透射式光栅，单趟效率大于94％，总效率大于78％。

二阶级联非线性压缩器模块6用于对放大并线性压缩后的第一激光脉冲进行非线性压缩后产生第二激光脉冲。按照光路顺序依次包括凸透镜L7、凹透镜L8、BBO晶体、2块摆成布鲁斯特角的蓝宝石晶体。BBO晶体的尺寸为10×10×22mm，晶体通光面上抛光，镀有对信号光波长高透的介质膜。焦距为200mm凸透镜L7、焦距为-100mm的凹透镜L8组成望远镜系统，将放大器输出的光束扩大，确保BBO晶体上的入射脉冲峰值强度为100～150GW/cm

脉冲内差频模块7用于将第二激光脉冲通过非线性转化产生中红外波段的第三激光脉冲。按照光路顺序依次包括半波片HWP、凸透镜L9、LGS晶体、低通滤波器LPF。非线性晶体为LiGaS

使用时，超宽带光纤振荡器中输出的种子脉冲首先通过展宽器展宽到200ps。再生放大器中的增益与频谱相关，由于较高的增益，对光谱会有很强的增益窄化效应，通过对种子光谱进行整形来调整各频率成分之间的大小关系可以抑制增益窄化现象。光谱整形模块由镀膜反射镜组成，当光束入射角为0～10°时每块在信号光中心波长(1020～1040nm)处的反射率为80％，其他波长的反射率为100％。该整形模块包含7块相同的镀膜反射镜，其摆放角度相对于激光传输方向的垂线均小于10°，保证光束反射角为0～10°以达到预期整形效果。通过对光谱的整形，可以抑制后续放大过程中的增益窄化。为符合整形后的种子光谱的超宽带宽，我们在放大器模块中使用了宽发射带晶体Yb：Calgo，同时采用双端泵浦的方法，使放大后的脉冲压缩后脉冲宽度小于100fs。

经过光谱整形模块3，脉冲光束为垂直偏振，经偏振分束镜反射后，通过凸透镜L1使信号光束模式与腔内振荡模式匹配。后通过法拉第旋转器和半波片将垂直偏振光转化成水平偏振光，通过偏振分束镜进入激光谐振腔中，激光谐振腔的范围为从端镜EM1到EM2，从EM1开始，依次经过普克尔盒，四分之波片，偏振分束镜，望远镜系统(L1和L2)，双色镜DM，激光晶体Yb:Calgo，双色镜DM，端镜EM2。总腔长2米，信号光在腔内的偏振为垂直偏振，通过使用望远镜系统，调节腔内各处光斑的大小同时使腔内的振动模式保持稳定。脉冲在腔内往返数次放大后，通过对普克尔盒施加不同的电压，使脉冲经过四分之一波长和普克尔盒后偏振方向变为水平偏振，透射穿过偏振分束镜，此时光束传输方向与种子脉冲光束进入时相反，再通过半波片和法拉第旋转器后偏振方向依然为水平偏振，透射出偏振分束镜后进入下一级脉冲压缩器进行压缩。在泵浦端，为了抑制增益窄化采用了双端泵浦，从激光二极管LD输出的泵浦光经过透镜L5准直。后经过半波片和偏振分束镜分成两束，然后依次通过L6与L4聚焦到激光晶体中。从再生放大器中输出的放大后的脉冲通过脉冲压缩器进行脉冲压缩，压缩器中的光栅在信号光中心波长(1020～1040nm)处的单次衍射效率大于94％，总效率大于78％。

图2为本发明实施例中经过光谱整形模块前后的种子光谱对比示意图，A为种子脉冲光谱整形前形状，B为种子脉冲光谱整形后形状，C为滤光片对不同波长的响应(光谱整形模块中滤光片的光谱反射曲线)。从图2中可以看出超宽带掺镱光纤振荡器提供了中心波长为1020～1040nm，强度为80％的光谱空洞，以平衡种子脉冲放大过程中的光谱增益窄化。

图3为本发明实施例中经过光谱整形模块对放大带宽的影响对比示意图，A为种子脉冲未经过光谱整形模块放大后的光谱带宽演化图，B为种子脉冲经过光谱整形模块放大后的光谱带宽演化图，C为不同放大趟数下的输出功率。从图中可以看出经过光谱整形，放大后的光谱带宽从9nm增大到了19nm，对光谱增益窄化有明显抑制效果。C为掺镱Calgo(Yb：Calgo)晶体再生放大器模块中不同放大趟数对应的输出功率。可以看出，平均功率输出可达15W，此时对应的放大趟数为90趟，对应的吸收泵浦功率为150W，脉冲频率为43kHz。

图4为本发明实施例中经过晶体再生放大器、脉冲压缩器后输出的光谱图，A为通过光谱分析仪测量得到的光谱，B为通过超短脉冲测量仪得出的光谱，C为相位信息。可以看出放大后的频谱宽度为19nm。图5为本发明实施例中经过晶体再生放大器、脉冲压缩器后输出的脉冲形状图，A为测量得到的光谱，B为根据光谱计算出的变换极限脉冲，C为对应的相位信息。可以看出输出的脉冲宽度为95fs，是目前Yb掺杂晶体再生放大器所能输出的最短脉冲。

图6为本发明实施例中经过二阶级联非线性压缩器模块后输出的光谱图，A为经二阶级联非线性压缩器模块压缩后脉冲在光谱分析仪得到的光谱，B为经二阶级联非线性压缩器模块压缩后脉冲在超短脉冲测量仪得到的光谱，C为对应的相位信息。图7为本发明实施例中经过二阶级联非线性压缩器模块后输出的脉冲形状图，A为根据光谱计算出的变换极限脉冲，B为经二阶级联非线性压缩器模块压缩后脉冲在超短脉冲测量仪得到的脉冲轮廓，C为对应的相位信息。

压缩后的脉冲注入到BBO二阶级联非线性压缩模块中进行脉冲的进一步压缩，通过由焦距为200mm的凸透镜L8和焦距为-100mm的凹透镜L7组成的望远镜系统将放大器输出的光束扩大，确保BBO晶体上的入射脉冲峰值强度为100～150GW/cm

图8为本发明实施例中经过晶体再生放大器模块C、二阶级联非线性压缩模块B和脉冲内差频模块A后的光谱对比图。图9为本发明实施例中经脉冲内差频模块输出的可调谐中红外光谱。

经过非线性压缩后的50fs脉冲作为泵浦脉冲注入到脉冲内差频模块中，通过半波片将脉冲内差频中的泵浦脉冲分为两个相互垂直的偏振方向，设计一类相位匹配条件使得泵浦和信号脉冲具有较小的时间走离。进入晶体前通过焦距为250mm的凸透镜L9将泵浦光束聚焦。LiGaS

本发明通过超宽带光纤振荡器、光谱整形模块、晶体再生放大器和二阶级联非线性压缩器模块相结合。利用超宽带光纤振荡器提供宽带种子脉冲，采用光谱整形平衡增益窄化，利用二阶级联非线性压缩器模块压缩提供近红外波段的非线性压缩。首次在Yb掺杂放大器中产生50fs脉冲，避免了通过空心光纤或光子晶体光纤进行非线性压缩，解决了空心光纤或光子晶体光纤非线性压缩耦合难度高、输出效率低，光子晶体光纤的功率承受能力有限，需要昂贵的啁啾镜进行脉冲压缩的问题。同时，通过采用长LGS晶体，通过泵浦光脉冲在LGS晶体中产生自相位调制SPM来进一步展宽泵浦光谱。产生1100～1200nm的频谱成分，以提供脉冲内差频所需的光谱成分，大大简化了激光器结构，提升了泵浦脉冲的输出效率，拓宽了中红外飞秒激光的波长调谐范围，降低了中红外飞秒激光器的成本。