专利名称：一种飞秒光参量放大器输出波长自动调谐的升级方法
一种飞秒光参量放大器输出波长自动调谐的升级方法技术领域
本发明与飞秒激光光参量放大器的调谐方法有关，具体是一种使手动飞秒光参量放大器升级为输出波长自动调谐的方法。
背景技术：
飞秒激光在物理学、化学、生物医学、材料科学等许多科研和实践领域得到了广泛的应用。飞秒激光系统中的光参量放大器(OPA)能在一定范围内调谐系统的输出波长值，为飞秒激光的应用，尤其在激光光谱方面，提供了多样性。飞秒OPA是研究各种新材料和新器件激光光谱的重要的科学仪器。
现有技术，如公开号为CN1949072的“一种利用皮秒脉冲泵浦的飞秒光参量放大的方法”，用一级OPA放大器便可使10飞秒的脉冲获得足够高的增益；还有如，公开号为CN101820130A的一种“非共线单次啁啾脉冲光参量放大系统的调整方法”，采用该方法能够简单快速地确定非线性晶体的角度和泵浦光的传输方向；公开号为CN101211088的一种“单晶体可调谐宽带非共线飞秒光参量放大方法及装置”，提出了一种结构相对简单和成本较低的新的参量放大方法；公开号为CN1687841的一种“混合注入式飞秒激光光学参量放大器装置”，提出了一种高效、稳定且具有良好光谱纯净度的参量放大器；公开号为 CN101216654的“一种提高光参量放大器输出放大信号光脉冲和光束质量的方法”，可有效地保证高能量OPA输出信号脉冲的信噪比和光束质量。
由上述近年发表的有关飞秒OPA的部分专利可以看出，尽管飞秒OPA的关键技术已日臻成熟，并且飞秒OPA的制造已商业化，现有OPA在应用于具体科研和实践时，仍然存在着一些不尽如人意和需要改进之处。本发明即提出一项对现有OPA的改进方法，将早期的手动调谐的OPA升级为自动调谐。
一些早期飞秒激光系统中配备了手动调谐波长的0ΡΑ，而手动OPA的操作对于初学者是不易掌握的。以Coherent公司的OPA 9450为例，在调谐输出波长时，先要将光参量放大晶体的角度设置好，然后手动来回反复调谐一、二次延时调节台位置以获得最大输出信号功率。在此调谐过程中很容易失去OPA的输出信号，因为无论是一次还是二次延时调节台的位置稍有偏差(1 2微米)，0ΡΑ的输出就会大幅衰减甚至丢失。因此操作人员需要经过专门的培训和繁琐的操练才能迅速准确地调谐OPA的波长，问题的原因在于该OPA的光路复杂，元件较多，在手调波长时，很容易失去参量放大晶体内泵浦和种子激光脉冲的时间或空间重叠，从而失去了 OPA的信号输出。手动调谐OPA的复杂性制约了 OPA功能的充分发挥。如果重新购置一个自动的0ΡΑ，一方面费用太高；另一方面，自动OPA与原有系统中的其它部件存在着功率和性能的匹配问题，即自动OPA和原系统的组合不一定能使各个部件的性能都得到充分利用。发明内容
针对现有手动OPA调谐波长困难，应用时需要较长时间的操练和摸索才能掌握的问题，本发明提供一种飞秒光参量放大器输出波长自动调谐的升级方法。
本发明所提供的一种飞秒光参量放大器输出波长自动调谐的升级方法，该方法是拆除手动OPA上的OPA晶体角度调谐旋钮、一次延时调节台调谐旋钮和二次延时调节台调谐旋钮，代之以计算机控制的电动执行器(包括控制器和驱动机构两部分)，由光功率计测量OPA输出信号功率来监控调谐过程，并在Labview程序环境下，由计算机实现OPA波长的调谐控制。
在上述技术方案中，所述计算机实现OPA控制是由一多项式拟合函数调谐OPA晶体角度，由下坡单纯形算法调谐OPA —次延时调节台位置和二次延时调节台位置；所述一多项式拟合函数是基于实验数据的多项式拟合函数；所述计算机控制是在Labview程序环境下进行OPA控制。
本发明所提供的一种飞秒光参量放大器输出波长自动调谐的升级方法，在现有技术的基础上，通过用计算机控制的电动执行器取代手动OPA在OPA晶体角度、一次延时调节台和二次延时调节台处的调谐旋钮，并由光功率计测量OPA输出信号功率作为调节效果评价，在Labview程序环境下，实现了计算机OPA自动调谐。升级后的OPA大大缩短了调谐波长的时间，提高了输出波长的准确度，而且具有连续调谐波长，使调谐波长的操作变得简便快捷的特点。
图1是本发明OPA自动调谐的升级方案示意图； 图2是本发明下坡单纯形法的动作示意图；图3是本发明下坡单纯形法的算法； 图4是本发明OPA的自动调谐曲线。
具体实施方式
实施本发明所提供的一种飞秒光参量放大器输出波长自动调谐的升级方法， 是采用计算机对两级光参量放大OPA的三个关键参数进行自动调节，即光参量放大晶体角度，一次延时调节台位置，以及二次延时调节台位置。具体地说，在硬件方面，将用计算机控制的电动执行器取代原OPA的手动调节旋钮，用光功率计测量OPA输出信号的功率作为调节效果的评价指标；在软件方面，对光参量放大晶体角度的调节采用了基于实验数据的多项式拟合函数，而对一次延时调节台位置和二次延时调节台位置的调节则采用了基于下坡单纯形(downhill simplex)的算法。
本发明以Coherent公司的光参量放大器OPA 9450为例，升级方案所花费的硬件成本只有约2000美元。初步实验结果显示，升级后的OPA大大缩短了调谐波长的时间， 提高了输出波长值得准确度，能够连续调谐波长，使调谐波长的操作变得简便快捷，避免了初学者对手动OPA的繁琐学习过程。
下面对本发明的具体实施方式
作出进一步的详细说明 (一)OPA工作原理及自动调谐方案本发明提出的自动调谐方案是以Coherent公司的OPA 9450为例的，其结构如图1中的矩形线框包围的部分所示。该OPA的输入是800 nm, 50 fs的脉冲激光，其中75%的光经4过一个β -BBO晶体产生二次谐波(SHG)的400 nm的光；其余25%的光经过一个蓝宝石晶体产生连续白光。80%的连续白光经过一次延时调节台后与经由SHG BBO产生的400 nm 的光共同会聚在光参量放大(OPA)晶体内。当两束光中的脉冲在晶体内获得时间和空间的重叠时，参量放大效果得以实现，一个400 nm的光子分成一对波长更长的光子。此过程满足两个守恒原则，一是能量守恒，即一个400 nm光子的能量等于分裂成的两个新光子的能量之和，用公式表述为 1+ 丁(1)其中為和Λ是两个分裂光子的纳米波长。為为470 nm至730 nm范围的某一波长， 称为此OPA输出的信号波长；為为930 nm至MOO nm范围的某一波长，称为此OPA输出的闲频波长。由此，连续白光中的A和為波长的功率得到放大。
按照公式(1)，一个400 nm的光子可能分为的為和為有多种不同的组合，那么如何得到我们希望的OPA特定波长的输出信号呢？这涉及到光学参量放大过程需满足的另一个原则，即动量守恒，用公式表述为k:k^k2 (2)其中先和冬分别是A和Λ光子对应的波矢泌是4OO nm光子的波矢。公式(2)在此处的应用涉及到双折射晶体中非常光延与晶轴不同方向传播时折射率不同的现象。在光参量放大器中，通过调节光参量放大晶体的角度，即入射光线与晶轴之间的夹角，就能调节 OPA输出的特定波长。
图1中，连续白光与400 nm蓝光从右侧经过OPA晶体后，400 nm蓝光经过二次延时调节台，白光经过一段大致相等的延时光程，两束光返回OPA晶体，进行第二次参量放大过程。白光中的同一对為和為波长成分得到进一步增强。之后，信号和闲频光由反射镜引出0ΡΑ，成为OPA输出的特定波长光源。
由上述OPA的工作原理可以看出，必须调整三个参数以获得一个新的输出信号波长0ΡΑ晶体角度，一次延时调节台位置和二次延时调节台位置，如图1中双向箭头所示。 原始的OPA使用手动调谐的微米旋钮调整这三个参数，我们代之以计算机控制的电机驱动执行器(0DC001 Z625B，Thorlabs)，该执行器的最小步进为0. 05 μ m，大大优于手动调谐的微米旋钮。对于OPA晶体角度的调谐，通过对实验数据进行多项式拟合建立一个波长与角度的函数，用计算机根据此函数调节OPA晶体的角度。对于一、二次延时调节台位置的调谐，多项式拟合函数的方法不能满足调节精度的需要，经过实验比较，最后采取了下坡单纯形法(downhill simplex)的算法。该算法既能够满足调节精度，又不需要太多的搜索步骤， 从而节省了调谐时间。图1中OPA 9450方框以外的部分示意了计算机自动调谐OPA晶体角度，一、二次延时调节台位置的升级方案。
(二)自动调谐算法根据上述OPA工作原理及自动调谐方案可知，本发明提出的OPA自动调谐方案的关键是利用下坡单纯形法的算法以搜索一、二次延时调节台的最佳位置。
一个单纯形(simplex)是一个由N+1个点(N维)以及它们所有相互连接的线段、多边形面等组成的几何图形(W. H. Press, et al. ,"Numerical Recipes in C，” Combridge University Press，1992，408-412)。在上述OPA自动调谐方案中，我们需要同时改变两个变量一、二次延时调节台的位置，以找到OPA信号的最大输出功率。因此这是一个二维的问题，所对应的单纯形是一个三角形。下坡单纯形法是由Nelder和Mead提出的(J. A. Nelder and R. Mead, "A Simplex method for Function Minimization,，， Computer Journal, 1965，7，308-313)，该方法可通过四类动作来迅速和有效地找到一个多变量函数的最小值。两维情况下单纯形法的动作如图2所示。开始时，测量一个未知函数在某三个坐标点的数值，并定义其中的函数最大值对应的坐标点为& ,最小值对应的坐标点为h。下一步，单纯形法使用下列四类动作之一搜索最佳位置。按照图2 (A)的反射动作，下一次测量点的位置4是在最大值对应点Pil的镜像位置；按照图2 (B)的反射和延伸动作，下一次
测量点的位置A是在^的镜像方向延长线上的一点；按照图2 (C)中的收缩动作，下一次
测量点的位置Pe是在的镜像方向上的收缩位置；按照图2 (D)中的多重收缩动作，两个
具有较大数值的坐标点的收缩位置成为两个新的坐标点。这一步动作之后，我们获得了一套新的三个坐标点(图2中用实心圆点表示)，准备好开始下一次新的动作，如此继续直到满足搜索停止条件。直接应用该方法可找出一个函数的最小值的坐标位置。要找出一个函数的最大值所对应的坐标位置，只需在上述搜索过程中将测量到的函数值乘以1。本发明中搜索一、二次延时调节台位置算法的流程图如图3所示。开始时，测量在三个坐标点处OPA的输出功率，此时每个坐标点对应一对一、二次延时调节台的位置。
将输出功率取负值作为函数测量值，并确定和巧。然后，用单纯形的反射动作算出一个新位置点P*=P+a(F-f^)，其中〒是最初的三个点的平均位置Λ是一个预估的比例系数。如果测量值/(P*〉比上一步的最小测量值h还小，那么使用延伸动作得到一个新的点P**= Ρ + γ(Ρ*-Ρ),其中『是一个预估比例系数。如果新测量值/(P**)仍然比上一
步的最小测量值要小，那么用P**替换Pii点。此时如果/(P**)已符合停止条件(停止条
件为所有新位置点的输出功率的标准偏差小于一个预定值)，则程序停止；如果不符，将利用新确定的三点进行新一轮的搜索。上述过程描述了图3中流程图的左边一列，流程图的其余部分可以用类似的方式理解。(三)实验结果及讨论
升级后的OPA的自动调谐曲线如图4所示。波长调谐范围从约520 nm到630 nm，每隔4 nm调谐一次。图(A)显示了 OPA的信号输出功率随波长的变化。最大功率出现在550 nm附近，这是由于OPA的初始光路校准是在550 nm附近进行的。输出功率在550 nm长波长一侧逐渐下降，这主要是由于逐渐偏离最优光路校准所致；输出功率在550 nm短波长一侧快速下降，这主要是由于实验时使用的输出反射镜的工作范围是从阳0 nm到650 nm。图 (B)显示了一次延时调节台的位置随输出波长的变化。大约波长每移动4 nm，一次延时调节台的位置需调整5 μπι。图(C)显示了二次延时调节台的位置随波长的变化。大约波长每移动3 nm，二次延时调节台的位置需调整3 μπι。图(B)及(C)解释了为什么当一、二次延时调节台的位置偏离最佳值只有约1 μ m时，OPA的输出功率都会大幅下降。这也是用多项式拟合函数调节一、二次延时调节台位置不能达到所需精度的原因。原始OPA的手动调谐旋钮的最小刻度为10 μ m，用它调谐需要较多的耐心和经验；而计算机控制的执行器的最小步进为0.05 μ m，能够迅速而准确地调谐波长。图(D)显示了调谐到每一个新波长所使用的时间少于30秒。作为对比，用手动调谐时即使是熟练的操作人员也通常需要几分钟甚至更长时间才能校准。下面进一步说明本发明的实现方法
技术领域：
本发明提出的一种飞秒光参量放大器输出波长自动调谐的升级方法方案的实施分为硬件和软件两方面。硬件部分的方案实施包括
(1)以计算机控制的电动执行器取代原始OPA的三个手动调谐旋钮，即OPA晶体角度调谐旋钮，一次延时调节台位置旋钮，和二次延时调节台位置旋钮。采用的电动执行器为 Thorlabs公司的0DC001 Z625B,其最小步进为0. 05 μ m。(2)自动调谐波长时，用一光功率计检测OPA信号输出功率，光功率计的输出信号传给计算机用于判断调谐的效果。软件方面的方案实施包括
(1)对于OPA晶体角度的调谐，先用手动调谐的方法测量一组(5-10点)角度与输出波长的对应值，基于此组数据建立一个多项式拟合的函数，将此函数存入计算机以计算任意波长所对应的角度值。(2)对于一、二次延时调节台位置的调谐，采用基于二维下坡单纯形(图2)的算法 (图3)，用Labview程序编制一个虚拟仪表，使之具有连续调谐波长的功能。
权利要求
1.一种飞秒光参量放大器输出波长自动调谐的升级方法，其所述方法是用计算机控制的电动执行器取代原手动OPA上的OPA晶体角度、一次延时调节台位置和二次延时调节台位置调谐旋钮，由光功率计测量OPA输出信号来监控调谐效果，并在Labview程序环境下， 由计算机实现OPA波长调谐控制。
2.如权利要求1所述的方法，其所述计算机实现OPA控制是由一多项式拟合函数调谐 OPA晶体角度，由下坡单纯形算法调谐OPA —次延时调节台位置和二次延时调节台位置。
3.如权利要求2所述的方法，其所述一多项式拟合函数是基于实验数据的多项式拟合函数。
4.如权利要求3所述的方法，其所述计算机控制是在Labview程序环境下进行OPA控制。
全文摘要
一种飞秒光参量放大器输出波长自动调谐的升级方法，是用计算机控制的电动执行器取代原手动OPA上的OPA晶体角度、一次延时调节台位置和二次延时调节台位置调谐旋钮，由光功率计测量OPA输出信号来监控调谐效果，并在Labview程序环境下，由计算机实现OPA波长调谐控制。本发明升级方法所需硬件成本低，升级后的OPA可节省使用者的大量时间和精力，具有操作简便，调谐波长快捷准确的优点。该方法可用于对已有手动飞秒OPA的升级改造，也可为开发新型自动调谐OPA提供借鉴之处。
文档编号G02F1/39GK102520560SQ20111045089
公开日2012年6月27日 申请日期2011年12月30日 优先权日2011年12月30日
发明者吕永卫, 朱子鹏, 李科, 杨平 申请人:太原理工大学