专利名称：混合注入式飞秒激光光学参量放大器装置的制作方法
技术领域：
本发明属于激光技术领域，具体涉及一种飞秒激光光学参量放大器(OPA)装置。
背景技术：
飞秒脉冲激光提供了一种重要的科学研究手段，应用于超快过程以及强光与物质相互作用的研究。OPA过程是一种重要的激光能量放大和波长调谐手段。飞秒OPA装置已经成为一种高效、稳定的可调谐飞秒脉冲激光源。
OPA过程发生在适当的非线性晶体中，有三种不同频率(或波长)的激光参与，分别称泵浦光、信号光和闲置光。OPA过程中，高光强、高频率的泵浦光对弱光强、低频率的信号光进行放大，同时会产生并放大闲置光。
为了提升效率和稳定性，飞秒OPA装置通常采用多级放大结构，并使用与泵浦光源同步的窄带光源作为注入光。传统的窄带注入式多级飞秒OPA装置通常采用单种波长注入的方式，也即信号光经过两级OPA放大，第一级OPA使用窄带信号光作为注入源，第二级OPA使用前一级OPA新产生放大的飞秒信号光作为注入源(T.Wang et al.，OpticsCommunications 239(2004)397-401)。随之而来的问题是，窄带注入光混杂在装置输出的飞秒信号光中，由于它们波长相同，难以将窄带光分离出来，使得飞秒激光脉冲的宽光谱中含有高幅度的窄带光谱成份，从而降低了飞秒信号激光的光谱质量，限制了飞秒OPA装置的应用。
发明内容
本发明的目的是提出一种高效、稳定、输出激光光谱质量优良且结构紧凑的飞秒激光光学参量放大器装置。
本发明提出的飞秒激光光学参量放大器装置，其特征在于包括两级共线OPA，一个飞秒泵浦激光源，一个同步窄带信号光源，四个双色镜和二个延迟器；所述两级OPA包括至少一块非线性晶体，其方位角度位于泵浦光和注入光位相匹配角度附近，从而注入光可有效地帮助飞秒信号光建立持续增益，而通过晶体的方位角度调节可调谐输出飞秒信号光的波长；飞秒泵浦光源作为OPA的泵浦光；同步窄带信号光源为连续激光源，或带有时间同步装置的长脉冲激光源，其输出波长与OPA信号光波长相近；两级OPA分别使用不同波长的注入光，第一级使用窄带信号光作为注入，第二级使用前一级新产生放大的“干净”的飞秒闲置光脉冲作为注入；各级OPA之前的双色镜用于泵浦光和注入光的耦合，第一级OPA之后的双色镜用于分离泵浦光和闲置光使之进入不同的延迟器，第一级OPA之后的吸收型滤光片或双色镜使闲置光透射或反射进入第二级OPA而将信号光波长吸收或透射到系统之外，第二级OPA之后的滤光片用于输出飞秒信号光；所述二个延迟器由反射镜构成，这些反射镜也可由装置中的双色镜充当，延迟器用于调节第二级OPA的泵浦光与注入光脉冲的时间延迟，使它们在时间上重叠。
按照装置的应用要求，可以对本装置的结构作不同调整。两级OPA各有一块非线性晶体，从而每级OPA的晶体方位角度可分别调节；或者两级OPA用同一块非线性晶体，在晶体中使用双程OPA结构，从而使装置更为紧凑；或者使用上述二者的结合，也即每级OPA各包括一块非线性晶体，在每块晶体中可各使用双程结构，从而倍增放大次数，以达到更大的效率。
上述装置中还可以包括一个分束镜，将飞秒泵浦激光源发出的光分成两部分，分别作为两级OPA的泵浦光，利用分束镜可选择这两部分泵浦光的能量比例，从而优化装置的效率。
上述装置中还可以再包括光路上的光束缩束器或扩束器，通过它改变光束口径和光强。
根据本发明的OPA装置在不增加传统装置复杂性的基础上，通过注入式多级放大的结构确保了高效和稳定的飞秒信号激光输出；使用两种波长激光源混合注入的方式，有效地避免了窄带信号注入光混杂在装置输出激光当中，确保了输出激光的光谱纯净度。输出飞秒信号光还具有良好的脉宽、带宽和调谐性指标。
图1所示为根据本发明的混合注入式OPA装置。
图2所示为使用单块晶体双程OPA结构的装置。
图3所示为包括泵浦光分束镜的装置。
图4所示为包含四次OPA放大过程的装置。
图中标号1为泵浦激光源，2为同步窄带激光源，3为非线性晶体，4为非线性晶体，5为分束镜，6为延迟器，7为反射镜，8为双色镜，8’为双色镜，8”为双色镜，9为延迟器，9’为反射镜，9”为反射镜，10为双色镜，11为滤波片，12为滤光片，13为双色镜，13’为双色镜，13”为双色镜，14为飞秒泵浦光，15为飞秒泵浦光，16为窄带信号光，17为飞秒闲置光脉冲，18为飞秒信号激光，19为飞秒闲置光，20为飞秒信号光，21为反射镜。
具体实施例方式
下面结合附图进一步描述本发明。
图1所示为根据本发明的混合注入式OPA装置。该装置包括两级OPA，它们分别包括非线性晶体3和4。泵浦激光源1出射的飞秒激光14(15)按序通过晶体3和4，作为两级OPA的泵浦光；同步窄带激光源2发出的与OPA信号光相近波长的窄带激光16作为第一级OPA的注入光。双色镜10使飞秒泵浦光14(15)和连续信号光16耦合，共线进入非线性晶体3，以I类匹配的方式进行第一级OPA过程，从而产生第一级放大的飞秒信号光20和飞秒闲置光17。双色镜13使飞秒泵浦光14(15)和飞秒闲置光17分开，分别透射和反射进入延迟器9和6调整时间延迟；同样有连续信号光16和飞秒信号光20通过双色镜13进入延迟器，为了将它们去除，构成两个反射式延迟器9和6的镜片中，分别至少有一个镜片是对信号光波长全透的双色镜，从而连续信号光16和飞秒信号光20无法通过延迟器进入第二级OPA，保证了作为第二级OPA注入光的飞秒闲置光脉冲17是“干净”的。双色镜8再将通过延迟器后时间重叠的飞秒泵浦光14(15)和“干净”的飞秒闲置光17耦合，共线进入晶体4，以I类匹配的方式进行第二级OPA过程，在其中“干净”的飞秒闲置光脉冲17充当注入光，从而产生第二级放大的飞秒信号光18和飞秒闲置光19。最后滤光片12反射飞秒闲置光19和残余的飞秒泵浦光14(15)，而使飞秒信号光18透过并输出系统，使我们得到第二级放大的飞秒信号激光18。
窄带信号光可采用适合的强度注入，较大的光强以促使飞秒信号光的增益尽快在晶体中建立，窄带注入光太强会影响所产生的飞秒信号光的带宽；窄带信号光被阻止进入第二级OPA，第二级OPA采用第一级OPA放大的“干净”的飞秒闲置光脉冲作为注入源，故第二级OPA输出放大的飞秒信号光当中不混杂窄带信号光的成份，这就避免了传统的窄带信号光注入式的飞秒OPA装置所输出飞秒信号光谱不“干净”的问题；同时理论计算和实验证明，第二级OPA采用飞秒闲置光代替传统方式所用的飞秒信号光作为注入光，其结果输出的飞秒信号光无论是效率、稳定性，还是波形、光谱及波长调谐性，其质量都与传统方式的无显著区别，并且本发明装置完全保持了传统方式装置的紧凑性。
图2所示为使用单块晶体双程OPA结构的装置。与图1所示的装置相比较，本装置采用在单块晶体3中使用双程OPA结构的方式代替两块晶体3和4中分别进行一次OPA的方式；光束两次以相反的方向经过同一块晶体3(4)，从而在其中进行两次OPA，配合以更加紧凑的延迟器和双色镜9，6，8(13)。由于几何结构的限制，晶体中的双程光路并不平行，而是在纸面内有一个细小的夹角，为了使双程光路的OPA同时满足位相匹配条件，晶体的光轴限制在与纸面垂直且靠近双程光路的平面内。
图3所示为包括泵浦光分束镜的装置，是图1所示装置的改进形式。它包括一个泵浦光的分束镜5，把泵浦光分成两部分14和15，分别作为两级OPA的泵浦光。窄带信号光16通过双色镜10与泵浦光15耦合进入第一级OPA晶体3，晶体3之后的滤光片11，用于吸收窄带信号光16和第一级放大的飞秒信号光20，并透过第一级放大的飞秒闲置光17，使之进入延迟器9。泵浦光14从分束镜5进入延迟器6。延迟器6和9分别由对于闲置光和泵浦光波长的反射镜片构成。双色镜8再将通过延迟器后时间重叠的飞秒泵浦光14(15)和“干净”的飞秒闲置光17耦合，共线进入第二级OPA晶体4。最后滤光片12反射第二级放大的飞秒闲置光19和残余的飞秒泵浦光14(15)，而使我们需要的第二级放大的飞秒信号光18透过并输出系统。本装置可以通过选择适当的分束镜5，调整两级OPA的泵浦光14和15的能量比例，使装置的输出能量优化。
图4所示为包含四次OPA放大过程的装置。它根据图3所示装置，增加了图2所示装置所采用的双程结构，也即在两块OPA晶体3和4中分别使用了双程结构。采取这种结构，使得本装置中总共进行了四次OPA过程，比较充分地利用了晶体长度和泵浦光的能量，以获取更优的飞秒信号光转化效率。实际装置中使用的非线性晶体3和4是长度分别为6mm和8mm的LN(铌酸锂)晶体，同样可用于OPA的晶体有β-BBO(硼酸钡)，LBO(三硼酸锂)等，也可使用周期性极化的非线性材料如PPLN(周期性铌酸锂)等。泵浦激光源1为钛宝石再生放大激光器，出射的飞秒激光波长为800nm，单脉冲能量为200μJ，由反射率为40％的分束片5分为两部分14和15，并分别经过望远镜系统缩束，以作为晶体3和4中的泵浦光。窄带连续注入光16由Nd:YAG连续波激光器2输出，波长1064nm，输出功率可调，最大为500mW。为了确保注入到第二级OPA晶体4的飞秒闲置光脉冲17的“干净”度，滤光片11使用镀膜锗片，对于闲置光波长范围(3μm附近)增透，而对于信号光波长范围(1μm附近)强烈吸收，从而将第一级放大的信号光20有效滤除。滤光片12用于透过并输出第二级放大的飞秒信号光18。两块晶体的双程结构中的13’，13”是双色镜，反射镜9’，9”，6’，6”构成延迟器。反射镜7和21用于改变光路中光束方向。晶体3和4安装在可调镜架上，可以通过调节晶体3和4的方位角度，来调谐输出飞秒信号光的波长。装置输出得到的飞秒信号光的单脉冲能量为20μJ，相对于泵浦光的能量转换效率达到10％，飞秒信号光脉宽为100fs，光谱宽度为23nm，波长可调谐的大致范围从1010nm到1080nm；本装置输出得到信号光的上述脉冲参数均与使用单波长注入源的传统装置所输出的相当，但本装置相比于传统装置，有效的去除了输出的飞秒信号激光中混杂的窄带注入光成分，其混杂的窄带注入光成分占装置注入连续光功率的比例小于10-8，显著改善了飞秒信号激光的光谱质量，使装置具有更加优良的应用性能和更广的应用范围。
权利要求
1.一种混合注入式飞秒激光光学参量放大器装置，其特征在于包括两级共线OPA，一个飞秒泵浦激光源，一个同步窄带信号光源，四个双色镜和二个延迟器；所述两级OPA包括至少一块非线性晶体，其方位角度位于泵浦光和注入光位相匹配角度附近，从而注入光可有效地帮助飞秒信号光建立持续增益，而通过晶体的方位角度调节可调谐输出飞秒信号光的波长；飞秒泵浦光源作为OPA的泵浦光；同步窄带信号光源为连续激光源，或带有时间同步装置的长脉冲激光源，其输出波长与OPA信号光波长相近；两级OPA分别使用不同波长的注入光，第一级使用窄带信号光作为注入，第二级使用前一级新产生放大的“干净”的飞秒闲置光脉冲作为注入；各级OPA之前的双色镜用于泵浦光和注入光的耦合，第一级OPA之后的双色镜用于分离泵浦光和闲置光使之进入不同的延迟器，第一级OPA之后的吸收型滤光片或双色镜使闲置光透射或反射进入第二级OPA而将信号光波长吸收或透射到系统之外，第二级OPA之后的滤光片用于输出飞秒信号光；所述二个延迟器由反射镜构成，这些反射镜也可由装置中的双色镜充当，延迟器用于调节第二级OPA的泵浦光与注入光脉冲的时间延迟，使它们在时间上重叠；这里OPA是指激光光学参量放大器。
2.按照权利要求1所述的装置，其特征在于两级OPA各包括一块非线性晶体，在每块晶体中分别进行一次OPA过程；或者两级OPA使用同一块非线性晶体，在晶体中使用双程OPA结构；或者使用上述二者的结合两级OPA各包括一块非线性晶体，在每块晶体中可各使用双程结构。
3.按照权利要求1或2之一所述的装置，其特征在于再包括一个分束镜，它置于飞秒泵浦光源之后，将飞秒泵浦光源发出的光分成两部分，分别作为两级OPA的泵浦光。
4.按照权利要求1-3之一所述的装置，其特征在于再包括光路上的光束缩束器或扩束器，通过它改变光束口径和光强。
全文摘要
本发明属于激光技术领域，具体为一种混合注入式飞秒脉冲光学参量放大器(OPA)装置，包括两级共线OPA，一个飞秒泵浦激光源，一个同步窄带信号光源，至少二个双色镜、一个滤光片和二个延迟器。所述两级OPA分别使用不同波长的注入光，第一级使用窄带信号光作为注入，第二级使用前一级新产生放大的“干净”的飞秒闲置光脉冲作为注入。本飞秒OPA装置高效、稳定、输出激光光谱质量优良且结构紧凑；可作为理想的可调谐飞秒激光源。
文档编号G02F1/39GK1687841SQ200510025958
公开日2005年10月26日 申请日期2005年5月19日 优先权日2005年5月19日
发明者钱列加, 罗航, 袁鹏, 朱鹤元 申请人:复旦大学