一种白光激光光源产生装置及方法与流程

本发明涉及制造白光激光光源领域，具体是涉及一种白光激光光源产生装置及方法。

背景技术：

非线性三波混频过程包含倍频、和频与差频，在非线性过程相互作用中，相互作用的间的相位匹配至关重要。目前主要的相位匹配方法包括双折射相位匹配(birefringencephasematching,bpm)和准相位匹配(quasi-phasematching,qpm)。

白光激光光源、短波激光光源和超连续激光光源相比于普通的白光光源(如太阳光、白炽灯、白光led灯等)，具有亮度高、峰值功率强、频率覆盖范围广等优点，在科学研究、国防军事、照明、通信技术、信息技术、工业生产、生物医学、环境检测等领域有广泛的实际应用价值，获得了强烈的关注。目前白光激光光源的主要产生方式是通过飞秒激光在光子晶体光纤中的三阶非线性过程不断产生级联辐射，或者利用周期性极化晶体中的高次谐波过程来产生。

现有技术并没有解决如何在单个周期的准相位匹配过程中产生白光激光光源这一技术问题。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明的目的之一是提供了一种白光激光光源产生装置，能够在单个周期的准相位匹配过程中产生白光激光光源。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种白光激光光源产生装置，该装置包括如下组成部分：

第一泵浦激光器，用于产生第一泵浦激光；

第二泵浦激光器，用于产生第二泵浦激光；

第一泵浦激光的波长小于第二泵浦激光的波长；

激光合束器，用于将从相异入射光路方向进入到激光合束器的第一泵浦激光和第二泵浦激光合成出射光路方向相同的泵浦激光，即合束泵浦激光；

周期性极化晶体，用于将合束泵浦激光中的部分第一泵浦激光生成紫光激光，将第二泵浦激光生成绿光激光，并将紫光激光、绿光激光和合束泵浦激光中剩余的第一泵浦激光生成白光激光。

进一步，该装置还包括温控组件，用于调节周期性极化晶体的温度。

进一步优选的，该装置还包括位于第一泵浦激光器与激光合束器之间的第一偏振与聚焦模块，所述第一偏振与聚焦模块用于将第一泵浦激光器输出的第一泵浦激光传输至激光合束器。

进一步优选的，所述第一偏振与聚焦模块包括沿第一泵浦激光器的出射光路方向依次设置的第一四分之一波片、第一半波片和第一聚焦透镜。

进一步优选的，所述第二泵浦激光器为光纤激光器，该装置还包括沿第二泵浦激光器出射光路方向依次设置的单模光纤和光纤耦合头；

该装置还包括位于光纤耦合头和激光合束器之间的第二偏振与聚焦模块，所述第二偏振与聚焦模块用于将光纤耦合头输出的第二泵浦激光传输至激光合束器。

更进一步优选的，所述第二偏振与聚焦模块包括沿光纤耦合头出射光路方向依次设置的第二四分之一波片、第二半波片、第二聚焦透镜。

更进一步优选的，该装置还包括位于周期性极化晶体出射光路方向上的滤波器，所述滤波器用于滤除白光激光中掺杂的第二泵浦激光。

进一步，该装置还包括位于第一泵浦激光器出射光路方向上的第一聚焦透镜，位于第二泵浦激光器出射光路方向上的第二聚焦透镜；

所述第一聚焦透镜上涂覆有第一增透膜，所述第一增透膜用于提高第一聚焦透镜对第一泵浦激光的透过率；

所述第二聚焦透镜上涂覆有第二增透膜，所述第二增透膜用于提高第二聚焦透镜对第二泵浦激光的透过率；

所述激光合束器朝向第一泵浦激光入射光路方向的端面也涂覆有第一增透膜，用于提高激光合束器对第一泵浦激光的透过率；

所述激光合束器朝向第二泵浦激光入射光路方向的端面涂覆有反射膜，所述反射膜用于提高激光合束器将第二泵浦激光反射进周期性极化晶体的反射率。

本发明的目的之二是提供一种白光激光光源产生方法，包括如下步骤：

s1，第一泵浦激光器输出波长为760nm～800nm的第一泵浦激光；第二泵浦激光器输出波长为1000nm～1100nm的第二泵浦激光；

s2，激光合束器将步骤s1中的第一泵浦激光和第二泵浦激光均调整为同一光路方向；

s3，步骤s2中的位于同一光路方向的第一泵浦激光和第二泵浦激光进入到周期性极化晶体中，周期性极化晶体将第一泵浦激光生成波长为380nm～400nm的紫光激光，周期性极化晶体将第二泵浦激光生成波长为500nm～550nm的绿光激光；

s3，周期性极化晶体将波长为380nm～400nm的紫光激光、波长为500nm～550nm的绿光激光以及第一泵浦激光生成白光激光输出。

进一步，所述周期性极化晶体的温度为21℃～22℃，所述第一泵浦激光的波长为784nm，第二泵浦激光的波长为1063.8nm，紫光激光的波长为392nm，绿光激光的波长为531.9nm。

本发明的有益效果如下：

(1)紫光激光、绿光激光以及特定波长的泵浦激光为产生白光激光光源的必要条件。本发明的周期性极化晶体将入射的波长为760nm～800nm的泵浦激光和波长为1000nm～1100nm的泵浦激光分别同时转化为紫光激光和绿光激光，即一部分波长为760nm～800nm的泵浦激光转化为紫光激光的同时波长为1000nm～1100nm的泵浦激光必然转化为绿光激光，以满足产生白光激光光源的必要条件。

由上述分析可知，本发明是通过周期性极化晶体的单个周期准相位匹配产生白光激光光源。单周期准相位匹配使用的非线性晶体制作工艺简单，较其他方式的非线性转换过程，具有较高的转化效率。单周期指的是极化晶体在单个极化周期就可以完成操作。

(2)本发明通过单个周期的准相位匹配产生白光激光光源，可以同时提高波长为760nm～800nm的泵浦激光转化为紫光激光以及波长为1000nm～1100nm的泵浦激光转化为绿光激光二者的转化率，以在不增大用于产生两个泵浦激光的泵浦激光器功率的前提下提高紫光激光和绿光激光的数量，进而实现在较低的泵浦功率下实现较高的非线性转化率。非线性转化即波长为1000nm～1100nm的泵浦激光到绿光激光的转化，或者波长为760nm～800nm的泵浦激光到紫光激光的转化。

(3)两束不同的泵浦激光从不同的光路方向进入到周期性极化晶体中，周期性极化晶体是不能通过这两束不同光路方向的泵浦激光生成白光激光光源的，因此本发明设计了激光合束器，能够将不同光路方向的光束合成同一光路方向的光束，以满足周期性极化晶体对光路方向的要求，从而可以生成白光激光光源。

(4)本发明产生的白光激光光源能够在显微成像和照明中发挥重要作用。另外本发明通过周期性极化晶体实现单个周期的准相位匹配而产生白光激光光源，该白光激光光源相互作用的光波沿光轴传播，没有走离效应，从而提高了本发明的白光激光光源的质量。

(5)本发明将周期性极化晶体的温度设计为21℃～22℃，该温度下波长为784nm的泵浦激光转化成紫光激光的转化率以及波长为1063.8nm的泵浦激光转化成绿光激光的转化率均同时达到最大，以此在不增大用于产生泵浦激光的泵浦功率的前提下，增大了本发明产生的白光激光光源的数量。

(6)周期性极化晶体所处的环境温度不同，泵浦激光到绿光激光或紫光激光的转化率不同，而绿光激光、紫光激光、泵浦激光三者之间的比例发生变化，通过三者产生的白光激光光源的颜色将不同。

本发明将周期性极化晶体置于温控组件中，通过温控组件调节周期性极化晶体的温度，可以调整泵浦激光转化成紫光激光的转化率以及泵浦激光转化成绿光激光的转化率，进而调整绿光激光、紫光激光、泵浦激光三者之间的比例，从而可以根据需要调整白光激光光源的颜色，以扩大本发明的白光激光光源的适用范围。

(7)第一偏振与聚焦模块用于第一泵浦激光的偏振调节与控制，用于第一泵浦激光的偏振状态调节到沿周期性极化晶体的入射方向上。第二偏振与聚焦模块用于第二泵浦激光的偏振调节与控制，用于第二泵浦激光的偏振状态调节到沿周期性极化晶体的入射方向上。

附图说明

图1为本发明的装置的整体结构示意图；

图2为本发明的周期性极化晶体在不同温度下的泵浦激光转化成绿光激光或者紫光激光的转化率；

图3为本发明的周期性极化晶体在不同的极化周期将泵浦激光转化成不同波长的其它激光；

图4为本发明产生的白光激光光源。

图中标注符号的含义如下：

1-第一泵浦激光器2-第一偏振与聚焦模块21-第一四分之一波片

22-第一半波片23-第一聚焦透镜3-第二泵浦激光器31-单模光纤

32-光纤耦合头4-第二偏振与聚焦模块41-第二四分之一波片

42-第二半波片43-第二聚焦透镜5-激光合束器6-周期性极化晶体

61-温控组件

7-准直与滤波模块71-滤波器72-透镜8-白纸

具体实施方式

以下结合实施例和说明书附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

一种白光激光光源产生装置，如图1所示，该装置包括如下组成部分：

第一泵浦激光器1，用于产生第一泵浦激光；

第二泵浦激光器3，用于产生第二泵浦激光；

第一泵浦激光的波长小于第二泵浦激光的波长；

位于第一泵浦激光器1与激光合束器5之间的第一偏振与聚焦模块2，第一偏振与聚焦模块2用于将第一泵浦激光器1输出的第一泵浦激光传输至激光合束器5；

位于光纤耦合头32和激光合束器5之间的第二偏振与聚焦模块4，第二偏振与聚焦模块4用于将光纤耦合头32输出的第二泵浦激光传输至激光合束器5；

激光合束器5，用于将从相异入射光路方向进入到激光合束器5的第一泵浦激光和第二泵浦激光合成出射光路方向相同的泵浦激光，即合束泵浦激光，合束泵浦激光中的第一泵浦激光和第二泵浦激光保留各自的属性，合束泵浦激光只是让其所包含的泵浦激光的光路方向相同，以满足周期性极化晶体6对进入到其内的光路方向的要求；

周期性极化晶体6，用于将合束泵浦激光中的部分第一泵浦激光生成紫光激光，将第二泵浦激光生成绿光激光，并将紫光激光、绿光激光和合束泵浦激光中剩余的第一泵浦激光生成白光激光。下面分别对其进行介绍：

第一泵浦激光器1为钛宝石激光器，输出功率大于1.5w，频率线宽为100khz。

第一偏振与聚焦模块2包括沿第一泵浦激光器1的出射光路方向依次设置的第一四分之一波片21、第一半波片22和第一聚焦透镜23。第一聚焦透镜23上涂覆有第一增透膜，第一增透膜用于提高第一聚焦透镜23对第一泵浦激光的透过率。

第二泵浦激光器3为光纤激光器，最大输出功率为5w，该激光通过光纤准直器输出到自由空间。沿第二泵浦激光器3出射光路方向依次设置单模光纤31和光纤耦合头32。第二偏振与聚焦模块4包括沿光纤耦合头32出射光路方向依次设置的第二四分之一波片41、第二半波片42、第二聚焦透镜43。第二聚焦透镜43上涂覆有第二增透膜，第二增透膜用于提高第二聚焦透镜43对第二泵浦激光的透过率。

激光合束器5朝向第一泵浦激光入射光路方向的端面涂覆有第一增透膜，用于提高激光合束器5对第一泵浦激光的透过率。激光合束器5朝向第二泵浦激光入射光路方向的端面涂覆有反射膜，反射膜用于提高激光合束器5将第二泵浦激光反射进周期性极化晶体6的反射率。

周期性极化晶体6为ppktp晶体，该晶体在8.95微米的极化周期下可同时满足一阶0型相位匹配和3阶0型相位匹配，0型匹配的优势是可以利用晶体的最大非线性系数，转换效率高。周期性极化晶体6的横截面尺寸为1mm*2mm，长度是30mm。可以通过温控组件61调节周期性极化晶体6的温度，以此调节周期性极化晶体6对泵浦激光的转化率。温控组件61为控温炉，其最大输出电流为2a,温控范围为0～100℃,控温精度为0.001℃。

沿周期性极化晶体6出射光路方向上设置有滤波器71和透镜72，滤波器71用于滤除白光激光中掺杂的第二泵浦激光。滤波器71和透镜72构成准直与滤波模块7，准直与滤波模块7用于将滤除第二泵浦激光的白光激光光源传输至白纸8上，白纸8用于显示本发明的白光激光光源的效果。

实施例2

在实施例1的基础上，一种白光激光光源的产生方法，将周期性极化晶体6的温度设定为为21℃～22℃，包括如下步骤：

s1，第一泵浦激光器1输出波长为760nm～800nm的第一泵浦激光；第二泵浦激光器3输出波长为1000nm～1100nm的第二泵浦激光；

s2，激光合束器5将步骤s1中的第一泵浦激光和第二泵浦激光整合成所有泵浦激光从激光合束器5的出射光路方向为同一光路方向；

s3，步骤s2中的位于同一光路方向的第一泵浦激光和第二泵浦激光进入到周期性极化晶体6中，周期性极化晶体6将第一泵浦激光生成波长为380nm～400nm的紫光激光，周期性极化晶体6将第二泵浦激光生成波长为500nm～550nm的绿光激光；

s3，周期性极化晶体6将波长为380nm～400nm的紫光激光、波长为500nm～550nm的绿光激光以及第一泵浦激光生成白光激光输出。

上述步骤中，周期性极化晶体6将波长为760nm～800nm的第一泵浦激光转化成波长为380nm～400nm的紫光激光，将波长为1000nm～1100nm的第二泵浦激光转化成波长为500nm～550nm的绿光激光，均是依据下列原理：

如图3所示，周期性极化晶体6的极化周期λ为8.95um时，可同时满足一阶0型准相位匹配(图3中的3λzzz所对应的曲线)和3阶0型准相位匹配(图3中的λzzz所对应的曲线)。对于倍频过程需要满足满足能量守恒和动量守恒，能量守恒要求2ωp＝ωshg，动量守恒要求δk＝kshg-2kp+2πm/λ＝0，其中kq＝2πnq/λq(q＝p,shg)为泵浦和倍频光的波矢，m为准相位匹配的阶数，p为泵浦光，shg为倍频光，np为泵浦光的波矢，nshg为倍频光的波矢，λp为泵浦光的波长，λshg倍频光的波长。因此可以通过设计周期性极化晶体6的极化周期λ，获取周期性极化晶体6的准相位匹配类型，通过相位匹配关系可以确定满足条件的非线性转换过程，通过将ppktp晶体的色散方程代入相位匹配关系，我们可以从理论上确定满足相位匹配的非线性过程，其结果如图3所示，从图中我们可以看出在同一个极化周期下可以同时有四个有效的非线性转换过程发生，分别是1阶0型匹配、3阶0型匹配、1阶二型匹配和3阶1型匹配，在本发明实例中我们利用1阶0型匹配和3阶0型匹配来实现白光激光的产生。

实施例3

在实施例2的基础上，本实施例的周期性极化晶体6的极化周期λ为8.95um，第一泵浦激光的波长为784nm，第二泵浦激光的波长为1063.8nm，紫光激光的波长为392nm，绿光激光的波长为531.9nm。如图2所示，横坐标为周期性极化晶体6的温度，纵坐标为周期性极化晶体6将波长为784nm第一泵浦激光生成波长为392nm的紫光激光的转化率以及周期性极化晶体6将波长1063.8nm的第二泵浦激光生成波长为531.9nm的绿光激光的转化率，从图2中可以获知，同一温度下，两者的转化率相同。本实施例中，周期性极化晶体6的温度设定为21.8℃，此时两者的转化率最大。图4为采用本发明的方法产生的白光激光光源。