基于色散和非线性管理光参量振荡器的脉冲压缩方法与流程

本发明涉及光参量振荡器，特别是一种基于色散和非线性管理光参量振荡器的脉冲压缩方法。

背景技术：
飞秒激光拥有持续时间短，峰值功率高等优点，其在物理、化学和生物等领域有着广泛的应用。光参量振荡器是产生中红外激光的重要手段。中红外波段超快激光在超快分子光谱学、半导体材料微加工、大气通讯、激光医疗等领域有着重要的潜在应用。光脉冲压缩是一种将长脉冲压缩为超短脉冲的技术手段。通常的脉冲压缩技术有：1.利用级联非线性进行多级脉冲压缩[钱列加，张东方，谢国强，朱鹤元，一种基于级联非线性过程的高倍速率多级脉冲压缩方法，发明专利，公开号：1972042A]。该方法只适应于高能量脉冲的压缩(脉冲能量mJ级以上)。2.基于大尺度材料的三级非线性的脉冲压缩方法[CRolland,PBCorkum,Compressionofhigh-poweropticalpulses.JOptSocAmB1988,5:641-647]。该方法光束会发生变形，并且会受到自聚焦的制约。

技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种基于色散和非线性管理光参量振荡器(OPO)的脉冲压缩方法，在光参量振荡器中通过管理腔内净色散和三阶非线性来产生宽带巨线性啁啾脉冲，再通过腔外色散补偿对宽带巨线性啁啾脉冲进行脉冲压缩以实现飞秒脉冲输出，可有效的通过长脉冲泵浦OPO来产生不同波段的超短飞秒脉冲。宽带巨线性啁啾脉冲在单谐振光参量振荡器中产生的机理是：非线性晶体的增益使光脉冲得到放大，色散控制元件使光脉冲形成线性啁啾，三阶非线性元件使光脉冲光谱展宽；当增益、色散和三阶非线性满足一定的关系时，光脉冲就能演化为宽带巨线性啁啾脉冲。本发明首次提出了在光参量振荡器中的通过管理色散和三阶非线性的技术来产生巨线性啁啾光脉冲，并通过腔外色散补偿实现脉冲压缩。该方法的主要优点是通过长脉冲泵浦OPO可产生不同波段的超短飞秒脉冲。本发明利用同步泵浦的单谐振参量振荡器，选择长脉冲作为泵浦光，只有信号光脉冲在腔内谐振。泵浦光向信号光的参量转化提供了正的增益，腔内的色散元件提供了二阶色散，三阶非线性元件提供的非线性相移展宽了信号光光谱；当色散符号和三阶非线性相移符号相同时，信号光在腔内就能形成宽带巨线性啁啾脉冲。利用本发明产生的光脉冲具有很好的线性啁啾特性，所以能用腔外二阶色散元件来补偿其线性啁啾从而实现脉冲压缩；当腔内线性啁啾脉冲光谱足够宽时就能压缩为超短飞秒脉冲。由于光参量振荡器中非线性晶体通常支持宽的位相匹配带宽，同时腔内的三阶非线性元件可实现有效的信号脉冲光谱展宽，因此通过本发明完全可以实现宽带巨线性啁啾脉冲，进而通过腔外色散补偿产生超短飞秒脉冲。本发明的具体思路是：通过设计系统参数来满足OPO腔内净色散符号与三阶非线性相移符号相同，实现宽带的巨线性啁啾脉冲产生，再通过腔外色散补偿对信号光脉冲进行压缩从而得到超短飞秒脉冲，具体包括下列步骤：①根据所需波段的超短脉冲，选择相应波段的信号光；②设置光参量谐振腔内要有较大的由自位相调制所带来的三阶非线性效应。三阶非线性可使得信号光光谱展宽，较宽的信号光光谱是得到有效脉冲压缩的前提条件。腔内的三阶非线性效应可以由三种途径来提供。(a)可以通过在谐振腔内插入三阶非线性材料(比如硒化锌晶体)来满足信号光光谱的有效展宽所需求的三阶非线性。(b)如果非线性晶体本身有很大的非线性折射率n2(大于10-19m2/W量级)，该非线性材料也可以由非线性晶体本身来代替。(c)如果信号光在非线性晶体中有位相失配的二阶光参量过程，非线性效应也可以由信号光在非线性晶体内部的级联非线性所提供。③光参量谐振腔内需要插入色散控制元件。光参量振荡器中产生宽带巨线性啁啾脉冲要求腔内有二阶色散，并且要求腔内净色散的符号与三阶非线性相移的符号相同。(a)当三阶非线性材料或者晶体本身提供的非线性相移为正时，应控制腔内净色散符号为正；相反的，如果三阶非线性材料或者晶体提供的三阶非线性相移为负时，则应控制腔内净色散符号为负。(b)当三阶非线性是由信号光在非线性晶体中的级联非线性所提供时，腔内净色散的正负要根据级联非线性相移的符号来决定。当级联非线性相移符号为正时，腔内净色散符号应为正；相反的，当级联非线性相移符号为负时，腔内净色散符号应为负。④在光参量谐振腔腔外设置色散补偿元件，该腔外色散补偿元件给信号光提供的色散与腔内净色散符号相反，所需色散量根据信号光的啁啾大小决定，对输出的信号脉冲去啁啾，从而实现脉冲压缩。与现有技术相比，本发明的有益效果是：(1)有效的通过长脉冲泵浦OPO来产生不同波段的超短飞秒脉冲，降低了OPO同步性的要求。(2)实现宽带巨线性啁啾脉冲，进而通过腔外色散补偿产生中红外周期量级的脉冲。(3)本OPO系统的稳定性好，效率高。附图说明图1是本发明方法的结构示意图。图2是本发明实施例1的泵浦光时域脉冲形状；泵浦光是无啁啾的高斯脉冲，脉宽为10ps。图3是本发明实施例1的信号光脉冲的时域脉冲形状、抛物线拟合以及瞬时频率。其中指向左边纵轴的黑实线表示信号光时域脉冲形状，黑点线表示信号光形状的抛物线拟合；指向右边纵轴的灰实线表示信号光的瞬时频率。图4是本发明实施例1的信号光的光谱。图5是本发明实施例1的信号光压缩后的时域脉冲形状。图6是本发明实施例2的信号光在OPO腔内稳定后的自相关以及Sech2拟合。图7是本发明实施例2的信号光的光谱。图8是本发明实施例2的压缩后信号光的自相关以及洛伦兹曲线拟合。具体实施方式下面结合实施例和附图用数值模拟结果对本发明做进一步说明。实施例1先参阅图1，图1是本发明方法的示意图。本发明光参量振荡器的谐振腔内有非线性晶体、色散控制元件和三阶非线性元件；非线性晶体提供增益、三阶非线性元件提供三阶非线性效应，色散控制元件使信号脉冲产生线性啁啾。腔外是色散补偿元件，使信号光去啁啾，从而实现脉冲压缩。下面结合一个数值模拟的例子做具体说明。选用的非线性为砷酸钛氧钾(KTA)。泵浦光的波长为1064nm，选择信号光的波长为3300nm，闲频光的波长为1570nm。非线性晶体KTA的长度选为1mm；非线性晶体KTA的非线性折射率系数n2＝1.7×10-19m2/W；同时，非线性晶体本身充当了三阶非线性材料。考虑到n2符号为正，它提供的非线性相移也是正的；而信号光通过1mm的KTA的色散是-480fs2。根据本发明的要求，谐振腔内的净色散也必须是正的。1mm的Ge片可提供+1427fs2的色散量，我们通过在谐振腔内插入0.55mm的Ge片，使得信号光在腔内的净色散为+305fs2；泵浦光的光强为2.46GW/cm2。参阅图2，泵浦光是无啁啾的高斯脉冲，脉宽为10ps。利用分步傅里叶算法对OPO耦合波方程进行数值模拟，得到了如下数值模拟结果：参阅图3，信号光在腔内达到稳定态后脉宽为11ps，其形状近似为抛物线形状。从图中可以看出信号光为线性啁啾脉冲。参阅图4，信号光最终的光谱带宽是8.6THz，其形状也近似为抛物线形状。泵浦光的带宽为0.044THz，可见利用本发明把窄带的泵浦光转换为宽带的线性啁啾的信号光。参阅图5，根据计算，在腔外压缩信号光脉冲所需要的色散量为-214300fs2；压缩后得到了脉宽为100fs的超短脉冲。实施例2再结合一个实验的例子做具体说明。选用的非线性晶体为周期极化的铌酸锂(PPLN)，该非线性晶体的极化周期为：Λ＝31.02μm。泵浦光的波长为1030nm脉宽为2ps无啁啾的高斯脉冲，选择信号光的波长为2180nm，闲频光的波长为1950nm。非线性晶体PPLN的长度为2mm。非线性晶体PPLN的非线性折射率系数n2＝8.5×10-20m2/W；由该非线性折射率所带来的三阶非线性效应很小，不足以有效展宽光谱，可以忽略不计。考虑到信号光在PPLN中有自身倍频以及与泵浦光的和频两种级联非线性过程，腔内的三阶非线性效应可由信号光的级联非线性来提供。信号光在PPLN中的倍频过程中的相位失配ΔkQ＜0(其中Δk＝61.8π/mm,ΔkQ＝Δk-2π/Λ＝-2.6π/mm)，该级联非线性提供给信号光的非线性相移为正。而信号光在PPLN中的和频过程中的相位失配ΔkQ＞0(其中Δk＝125.9π/mm,ΔkQ＝Δk-2π/Λ＝61.5π/mm)，该级联非线性提供给信号光的非线性相移为负。通过计算，总的级联非线性给信号光带来的相移是正的。信号光在晶体内部的色散是-85fs2/mm。在腔内插入长度为2mm的硒化锌晶体作为色散控制元件；硒化锌给信号光提供的色散是250fs2/mm。这样，硒化锌弥补了信号光在PPLN中的负色散，使得腔内的净色散是+330fs2，即腔内净色散与三阶非线性给信号光的提供的相移都是正的。参阅图6，信号光在OPO腔内达到稳定态后的脉宽为2.1ps。参阅图7，信号光最终的光谱带宽是68nm。泵浦光的带宽为0.78nm，可见利用本发明把窄带的泵浦光转换成宽带的线性啁啾的信号光。参阅图8，在腔外用锗棱镜对提供的负色散对信号光脉冲进行压缩，两棱镜的间距为14cm，所提供的色散量约为-77920fs2。压缩后得到了脉宽为208fs的超短脉冲。本发明通过管理光参量振荡器中的腔内净色散与三阶非线性，可实现用长脉冲泵浦OPO来产生不同波段的超短飞秒脉冲，具有重要的潜在应用价值。