一种宽调谐中红外差频产生激光发生装置的控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种宽调谐中红外差频产生激光发生装置的控制方法，属于激光【技术领域】。所述控制方法通过增加PPLN晶体两端的温度梯度大幅度提高了中红外闲频光的QPM波长接受带宽。在保持PPLN晶体两端的温度梯度的前提下，通过调节PPLN晶体起始端、末尾端的温度实现闲频光QPM带位置的大范围平移，最终获得宽调谐的中红外激光输出。
【专利说明】一种宽调谐中红外差频产生激光发生装置的控制方法
【技术领域】
[0001]本发明公开了一种宽调谐中红外差频产生激光发生装置的控制方法，属于激光【技术领域】。
【背景技术】
[0002]3-5 μ m波段连续波可调谐中红外激光光源在痕量气体检测中具有重要的应用。迄今，基于不同激光产生机理出现了多种中红外光源，如量子级联激光器、铅盐激光器、色心激光器、参量振荡器等。其中，准相位匹配(QPM, Quasi Phase Matching)差频产生(DFG,Difference Frequency Generation)中红外光源因具有结构简单、调谐便利、线宽窄以及可室温运转等优势，已成为光谱检测应用的主流光源。对于等周期的周期极化晶体而言，中红外闲频光的准相位匹配波长接受带宽通常约为6-10nm，仅能覆盖极少量气体的特征吸收峰。为满足多组分、多吸收谱线同步的检测应用需求，如何拓宽中红外DFG光源的调谐范围受到了人们的广泛关注。近年来，人们采用多周期、扇形结构的周期极化晶体或利用晶体的温度色散特性，中红外DFG光源的调谐范围可拓展至Iym以上。然而，尽管这类方法可有效拓展DFG光源的调谐范围，但调谐过程中需结合非线性晶体极化周期或晶体温度的频繁切换以确保相位匹配条件得到满足，严重降低了激光光源的使用效率。如何在固定的晶体畴结构与温度分布条件下实现中红外DFG光源的宽调谐运转依然值得深入研究，而其关键是拓宽QPM带宽。为此，一些传统的光栅光谱的调节方法如，啁啾、相移、砌趾技术相继被应用于晶体的周期极化方案，有效拓展了中红外闲频光的QPM带宽，但于此同时，也极大地增加了工艺制备、实验控制的难度以及器件的成本。
[0003]近年来的研究结果表明，对于某些非线性周期极化晶体，如周期极化铌酸锂晶体(PPLN, Periodically Poling Lithium Niobate),还可利用其温度可控的色散特性实现对QPM带宽的有效拓展。利用这一特性，针对1060和1550nm波段的基频光源组合，本研究小组首次在中红外3.4 μ m附近将闲频光QPM带宽拓宽至约170nm。实验中采用多波长掺镱光纤激光器(YDFL, Ytterbium Doped Fiber Laser)与单波长惨辑光纤激光器(EDFL, ErbiumDoped Fiber Laser)差频获得了 14条中红外激光谱线的同步输出。然而,进一步的研究发现，PPLN晶体固有的色散使得该拓宽的闲频光QPM带只能存在于中红外3.4 μ m附近，难以对其它波长区域实现有效覆盖。本发明基于PPLN的温度色散关系将提出一种新型的宽带中红外差频产生方案。利用晶体温度渐变的控制方法有效拓展闲频光的QPM带宽，通过改变晶体两端的温度实现中红外闲频光QPM带的BW及其位置的有效调控。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的技术问题是针对上述【背景技术】的不足，提供了一种宽调谐中红外差频产生激光发生装置的控制方法。
[0005]本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案:
一种宽调谐中红外差频产生激光发生装置的控制方法，对基于PPLN晶体的宽调谐中红外差频产生激光发生装置进行温度渐变控制，实现宽调谐中红外激光谱线的输出，具体包括如下步骤:
步骤1，将PPLN晶体置于温控炉内，在温控炉起始端、末尾端贴有设定温度为T1、T2的珀尔贴温度控制器，Tl、Τ2数值不等；
步骤2，启动1060nm波段固定波长的泵浦源发生器、波段为1550nm的可调谐信号源发生器，所述泵浦源发生器产生的泵浦光、信号源发生器产生的信号光经过波分复用器、透镜、PPLN晶体获得中红外激光谱线；
步骤3，由温控炉起始端、末尾端珀尔贴温度控制器的设定温度Tl、T2确定闲频光的QPM带宽，进而由差频产生原理获得信号光的调谐范围；
步骤4，在确定的信号光调谐范围内调谐基频信号光的输出波长，获得可调谐的中红外激光输出；
步骤5，保持PPLN晶体两端的温度梯度，改变温控炉初始端、末尾端珀尔贴温度控制器的设定温度，重复步骤3至步骤4获得不同信号光调谐范围对应的可调谐的中红外激光输出。
[0006]所述一种宽调谐中红外差频产生激光发生装置的控制方法，步骤5中所述的PPLN晶体两端的温度梯度通过如下方法获得:在保持温控炉末尾端珀尔贴温度控制器的设定温度不变的前提下，调节温控炉起始端珀尔贴温度控制器的设定温度，使得温控炉起始端、末尾端珀尔贴温度控制器设定温度有差值。
[0007]所述一种宽调谐中红外差频产生激光发生装置的控制方法，步骤5中所述的PPLN晶体两端的温度梯度通过如下方法获得:在保持温控炉起始端珀尔贴温度控制器的设定温度不变的前提下，调节温控炉末尾端珀尔贴温度控制器的设定温度，使得温控炉起始端、末尾端珀尔贴温度控制器设定温度有差值。
[0008]所述一种宽调谐中红外差频产生激光发生装置的控制方法，步骤5中所述的PPLN晶体两端的温度梯度通过如下方法获得:同时调节温控炉起始端、末尾端珀尔贴温度控制器设定温度，使得温控炉起始端、末尾端珀尔贴温度控制器设定温度有差值。
[0009]本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果:
(1)大幅度提闻了中红外闲频光的QPM波长接受:带宽；
(2)实现了闲频光QPM带位置的大范围平移。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]图1为基于PPLN晶体的中红外差频产生激光发生装置的结构图。图中标号说明:DL是1060nm波段固定波长的泵浦源发生器，E⑶L是1550nm波段的可调谐信号源发生器，PC1、PC2是第一、第二偏振控制器，WDM是1060/1550nm宽带波分复用器，Ml是准直会聚系统、M2是准直透镜、M3是滤波片。
[0011]图2是信号光在不同晶体温度条件下的获得的闲频光归一化输出谱线。
[0012]图3是当晶体两端温度分别设定为30和50°C时，PPLN晶体中的差频输出谱线。
[0013]图4是晶体的初始端温度固定为30°C，当T2升高至70°C时，PPLN晶体中的差频输出谱线。
[0014]图5是当晶体末端温度T2设定为90°C时，PPLN晶体中的差频输出谱线。[0015]图6是在T17和T2分别设定为90和150°C时，PPLN晶体中的差频输出谱线。【具体实施方式】
[0016]下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明:
基于PPLN晶体的中红外差频产生激光发生装置如图1所示，包括1060nm波段固定波长的泵浦源发生器DL，波段为1550nm的可调谐信号源发生第一、第二偏振控制器PC1、PC2，1060/1550nm宽带波分复用器WDM，准直会聚系统Ml，PPLN晶体，准直透镜M2，滤波片M3。1060nm波段固定波长的泵浦源发生器DL的输出光纤，波段为1550nm的可调谐信号源发生器E⑶L的输出光纤分别经过第一、第二偏振控制器PC1、PC2与1060/1550nm宽带波分复用器WDM连接，在1060/1550nm宽带波分复用器WDM输出光路上依次设置有准直会聚系统Ml、PPLN晶体、准直透镜M2、滤波片M3，滤波片M3后接光电探测器(Detector)。1060nm波段固定波长的泵浦源发生器可选一固定波长的半导体激光器，波段为1550nm的宽调谐信号源发生器可选为一外腔可调谐半导体激光器。
[0017]一种宽调谐中红外差频产生激光发生装置的控制方法。，对基于PPLN晶体的中红外差频产生激光光源发生装置进行温度渐变控制，实现宽调谐中红外激光谱线的输出，具体包括如下步骤:
步骤1，将PPLN晶体置于导热性能良好的金属温控炉内，在温控炉起始端、末尾端贴有设定温度为Tl、T2的珀尔贴(Peltier)温度控制器，Tl、T2数值不等。
[0018]步骤2，启动1060nm波段固定波长的泵浦源发生器、波段为1550nm的可调谐信号源发生器，泵浦源发生器产生的泵浦光、信号源发生器产生的信号光经过波分复用器、透镜、PPLN晶体获得中红外激光输出。
[0019]步骤3，由温控炉起始端、末尾端珀尔贴温度控制器的设定温度T1、T2确定闲频光的QPM带宽，进而由差频产生原理获得信号光的调谐范围，温控炉起始端、末尾端珀尔贴温度控制器设定温度Tl、Τ2即为PPLN晶体初始端和末尾端的温度。
[0020]步骤4，在确定的信号光调谐范围内调谐基频信号光的输出波长，以获得可调谐的中红外激光(即为3-5 μ m波段连续的可调谐中红外激光)输出。
[0021 ] 步骤5，保持PPLN晶体两端的温度梯度，改变温控炉初始端、末尾端珀尔贴温度控制器的设定温度，重复步骤3至步骤4获得不同信号光调谐范围对应的可调谐的中红外激光输出，保持PPLN晶体温度两端温度梯度可以通过如下方法实现:
a.在保持温控炉末尾端珀尔贴温度控制器的设定温度不变的前提下，调节温控炉起始端珀尔贴温度控制器的设定温度，使得温控炉起始端、末尾端珀尔贴温度控制器设定温度有差值；
b.在保持温控炉起始端珀尔贴温度控制器的设定温度不变的前提下，调节温控炉末尾端珀尔贴温度控制器的设定温度，使得温控炉起始端、末尾端珀尔贴温度控制器设定温度
有差值；
c.同时调节温控炉起始端、末尾端珀尔贴温度控制器设定温度，使得温控炉起始端、末尾端珀尔贴温度控制器设定温度有差值。
[0022]对于波长固定为1.08 μ m的泵浦源发生器，根据PPLN晶体初始端和末尾端的温度Tl、T2计算出中红外闲频光的QPM带宽的位置和宽度，再根据差频原理获得满足相位匹配条件的信号光调谐范围。经试验:当泵浦光波长设定为1.08 μ m，Tl、T2分别设定为30和50°C时，中红外闲频光的波长区域为3.516-3.551 μ m，根据差频原理，满足相位匹配的信号光的调谐范围为1.552-1.559 μ m，也即信号光波长只要在这一区间内调谐即可获得可调谐的中红外闲频光输出。
[0023]如图2所示，为信号光在不同晶体温度条件下的获得的闲频光归一化输出谱线。在晶体温度为30°C时，中红外闲频光存在且仅存在一个QPM带位于3.557 μ m处，其对应的QPM信号光波长为1.551 μ m。在此温度条件下，闲频光的QPM Bff约为8nm。模拟结果显示，随着晶体温度的升高，该闲频光QPM带逐渐向短波长方向平移，但QPM BW几乎保持不变。当晶体温度升高至200°C时，闲频光QPM带已平移至3.28 μ m处，其对应的信号光波长为 L 61 μ m。
[0024]如图3所示，我们进一步研究了渐变温度条件下PPLN晶体中的的差频输出特性。当晶体初始段进而末尾端温度分别设定为30和50°C时，闲频光QPM带出现了显著的双峰结构，其可覆盖的波长区域为3.516-3.551 μ m。需要指出的是，在渐变式温度分布下，由于每一温度值对应晶体有效长度的减小导致了闲频光在QPM带内的相对转换效率显著降低。如图所示，在温度差为20°C时，其转换效率降低至均匀温度条件下对应值的1/5。
[0025]如图4所示，随着晶体两端温度差的增大，闲频光QPM Bff也随之显著逐渐增加，与此同时QPM带内的差频转换效率也不断降低。晶体的初始端温度固定为30°C，当T2升高至70°C时，计算获得的归一化闲频光输出谱线如图5。由于晶体两端温差已增加至40°C，闲频光QPM带呈现多峰结构，其覆盖范围扩展至3.467-3.547 μ m，相对差频转换效率约为
0.095。
[0026]尽管增加晶体两端的温度梯度可使闲频光的QPM BW显著增加，但闲频光QPM带在长波长一侧的边界始终位于波长3.55 μ m附近。其原因在于晶体初始端的温度我们固定在30°C。若改变晶体初始端的温度，则该拓宽的闲频光QPM带也可发生显著的平移。图6给出了在G和分别设定为90和150°C时，计算得到的归一化闲频光输出谱线。由图可见，此时该拓宽的闲频光QPM带已平移至3.288-3.464 μ m区域。这表明，在保持一定的温度梯度条件下，通过改变晶体初始端的温度还可实现宽带的闲频光QPM带位置的平移。
[0027]由图2至图6所示的归一化闲频光输出谱线图可知，利用本发明所述的方法控制基于PPLN晶体的中红外差频产生激光发生装置，具有以下有益效果:
(1)大幅度提闻了中红外闲频光的QPM波长接受:带宽；
(2)实现了闲频光QPM带位置的大范围平移。
[0028]上述试验只是验证本发明的一部分试验数据，在Tl、T2取其他数值时，同样可以得到上述结论。
【权利要求】
1.一种宽调谐中红外差频产生激光发生装置的控制方法，其特征在于:对基于PPLN晶体的宽调谐中红外差频产生激光光源发生装置进行温度渐变控制，实现宽调谐中红外激光谱线的输出，具体包括如下步骤: 步骤1，将PPLN晶体置于温控炉内，在温控炉起始端、末尾端贴有设定温度为T1、T2的珀尔贴温度控制器，Tl、Τ2数值不等； 步骤2，启动1060nm波段固定波长的泵浦源发生器、波段为1550nm的可调谐信号源发生器，所述泵浦源发生器产生的泵浦光、信号源发生器产生的信号光经过波分复用器、透镜、PPLN晶体获得中红外激光谱线； 步骤3，由温控炉起始端、末尾端珀尔贴温度控制器的设定温度Tl、T2确定闲频光的QPM带宽，进而由差频产生原理获得信号光的调谐范围； 步骤4，在确定的信号光调谐范围内调谐基频信号光的输出波长，获得可调谐的中红外激光输出； 步骤5，保持PPLN晶体两端的温度梯度，改变温控炉初始端、末尾端珀尔贴温度控制器的设定温度，重复步骤3至步骤4获得不同信号光调谐范围对应的可调谐的中红外激光输出。
2.根据权利要求1所述的一种宽调谐中红外差频产生激光发生装置的控制方法，其特征在于:步骤5中所述的PPLN晶体两端的温度梯度通过如下方法获得:在保持温控炉末尾端珀尔贴温度控制器的设定温度不变的前提下，调节温控炉起始端珀尔贴温度控制器的设定温度，使得温控炉起始端、末尾端珀尔贴温度控制器设定温度有差值。
3.根据权利要求1所述的一种宽调谐中红外差频产生激光发生装置的控制方法，其特征在于:步骤5中所述的PPLN晶体两端的温度梯度通过如下方法获得:在保持温控炉起始端珀尔贴温度控制器的设定温度不变的前提下，调节温控炉末尾端珀尔贴温度控制器的设定温度，使得温控炉起始端、末尾端珀尔贴温度控制器设定温度有差值。
4.根据权利要求1所述的一种宽调谐中红外差频产生激光发生装置的控制方法，其特征在于:步骤5中所述的PPLN晶体两端的温度梯度通过如下方法获得:同时调节温控炉起始端、末尾端珀尔贴温度控制器设定温度，使得温控炉起始端、末尾端珀尔贴温度控制器设定温度有差值。
【文档编号】H01S3/0941GK103825182SQ201310553740
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2013年11月11日 优先权日:2013年11月11日
【发明者】常建华, 顾久驭, 王亚炜, 尹杰 申请人:南京信息工程大学