专利名称：基于ppln的多波长中红外激光发生装置及其控制方法
技术领域：
本发明公开了基于PPLN的多波长中红外激光发生装置及其控制方法，属于激光技术领域。
背景技术：
中红外激光在光学传感、探测以及光谱分析等领域具有广泛的应用。研究表明，许多重要气体分子(如CH4, C2H4, CO, NH3, NOx, SOx等)在3_5微米中红外波段存在强烈的基带吸收，其吸收强度比在近红外波段高2-3个数量级。由于此类基带吸收可反映气体的本征谱学性质，具有指纹特征，因此，基于中红外激光的吸收光谱技术可实现气体种类、浓度等信息的高灵敏度探测，在环境监测领域具有极其重要的应用。基于晶体二阶非线性效应的中红外DFG (Difference Frequency Generation,差频产生)激光光源，由于其结构简单、调谐方便、室温运转和无阈值限制等优良特性，受到了广泛关注。特别是，随着晶体外加电场极化方法的提出和运用，基于QPM (Quasi Phase Matching,准相位匹配)技术的中红外DFG光源获得了飞速发展，已成为当前气体光谱检测应用的主流光源。近年来，为满足多组份气体或单组份多条特征谱线的同步检测需求，如何使DFG光源实现中红外多波长激光同步输出引起了广泛的关注。根据DFG光源的结构和原理，要实现多波长中红外激光同步输出，其关键是设计具有多峰结构的QPM调谐曲线。经多年的努力，人们已经提出了多种方法以获取多峰结构的QPM曲线，如PRS (Phase Inversion Sequence,相位反转序列)技术、ASO (Aperiodic Optical Superlattices,非周期光学超晶格)技术、
Zpi的正弦相位调制以及连续相位调制技术等。然而，这些方法主要致力于设计与优化新
型的晶体畴结构，存在制作难度大、成本高以及QPM调谐曲线形状对器件的制作误差较为敏感等问题。不仅如此，此类器件一旦晶体畴结构确定以后，QPM峰的位置(也即中红外激光波长)随之相应固定，难以大范围调谐。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提供了基于PPLN的多波长中红外激光发生装置及其控制方法。本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案:
基于PPLN的多波长中红外激光发生装置，包括:波段为1060nm的泵浦源发生器、波段为1550nm的信号源发生器、波分复用器、第一聚焦透镜、PPLN晶体、第二聚焦透镜、滤波片；其中:
所述波段为1060nm的泵浦源发生器输出光纤、波段为1550nm的信号源发生器输出光纤分别接波分复用器；
所述波分复用器输出光路上依次设置有第一聚焦透镜、PPLN晶体、第二聚焦透镜、滤波片。
所述基于PPLN的多波长中红外激光发生装置中，波段为1060nm的泵浦源发生器包括:2N个阵列设置的1060nm波段激光器、第一光纤放大器、阵列波导光栅，N为自然数，其中: 所述阵列波导光栅设置在1060nm波段激光器输出光路上； 所述第一光纤放大器设置在阵列波导光栅之后。
所述基于PPLN的多波长中红外激光发生装置中，波段为1550nm的信号源发生器包括:1550nm波段激光器、第二光纤放大器,其中: 所述第二光纤放大器设置在1550nm波段激光器之后。
所述基于PPLN的多波长中红外激光发生装置中，1060nm波段激光器为1060nm波段的LD激光器,所述1550nm波段激光器为1550nm波段的LD激光器.。
所述基于PPLN的多波长中红外激光发生装置的控制方法，将PPLN晶体平均分成N个控制段，在每一个控制段上贴有珀尔贴，温度控制器与每一个控制段连接，对PPLN晶体分段实施温度控制，实现多波长中红外激光谱线的输出，具体包括如下步骤: 步骤1，波段为1060nm的泵浦源发生器产生的泵浦光、波段为1550nm的信号源发生器输出波长固定的的信号光进入波分复用器合波后，再通过聚焦透镜进入PPLN晶体，同步输出中红外激光谱线； 步骤2，设定PPLN晶体每个控制段的温度，基于QPM原则确定泵浦光QPM峰位置； 步骤3，依据步骤2确定的泵浦光QPM峰位置，分别设置2N个1060nm波段激光器的输出波长以满足QPM条件，利用傅里叶变换红外光谱仪分析所述基于PPLN的多波长中红外激光发生装置输出的激光谱线； 步骤4，改变PPLN晶体控制段的温度，重复步骤2至步骤3，获得多波长中红外激光的调谐输出。
本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果:只需通过改变PPLN子段晶体的温度即可实现多波长激光的大范围调谐输出。根据实际应用需要灵活设置分段晶体温度以使中红外激光波长处于目标谱线位置，克服了现有方法中红外波长无法大范围调谐的劣势。
图1是本发明所述基于PPLN的多波长中红外激光发生装置的示意图。图中标号说明:1、波段为1060nm的泵浦源发生器，ll、1060nm波段激光器，12、第一光纤放大器，13、阵列波导光栅，2、波段为1550nm的信号源发生器,21、1550nm波段激光器,22、第二光纤放大器，3、波分复用器，4、第一聚焦透镜，5、PPLN晶体，6、第二聚焦透镜，7、滤波片，8、珀尔贴，9、温度控制器，10、傅里叶变换红外光谱仪。
图2是信号源发生器输出波长为1.58 μ m, PPLN晶体温度控制段均为20°C时，中红外归一化输出谱。
图3是信号源发生器输出波长为1.58 μ m, PPLN晶体温度控制段均为60°C时，中红外归一化输出谱。
图4是信号源发生器输出波长为1.58 μ m,PPLN晶体温度控制段分别为20 °G、60°C时，中红外归一化输出谱。
图5是信号源发生器输出波长为1.58 μ m,PPLN晶体温度控制段分别为20 °G、90°C时，中红外归一化输出谱。图6是信号源发生器输出波长为1.58μπι，PPLN晶体温度控制段分别为20 °c、128.3°C时，中红外归一化输出谱。图7是信号源发生器输出波长为1.60 μ m, PPLN晶体温度控制段均为20°C时，中
红外归一化输出谱。
具体实施例方式下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。如图1所示，基于PPLN的多波长中红外激光发生装置包括:波段为1060nm的泵浦源发生器1、波段为1550nm的信号源发生器2、波分复用器3、第一聚焦透镜4、PPLN晶体5、第二聚焦透镜6、滤波片7。波段为1060nm的泵浦源发生器I输出光纤、波段为1550nm的信号源发生器2输出光纤分别接波分复用器3。波分复用器3输出光路上依次设置有第一聚焦透镜4、PPLN晶体5、第二聚焦透镜6、滤波片7。波段为1060nm的泵浦源发生器I包括:2N个阵列设置的1060nm波段激光器11、第一光纤放大器12、阵列波导光栅13, N为大于I自然数。阵列波导光栅13设置在1060nm波段激光器11输出光路上，第一光纤放大器12设置在阵列波导光栅13之后。波段为1550nm的信号源发生器2包括:1550nm波段激光器21、第二光纤放大器22。第二光纤放大器22设置在1550nm波段激光器21之后。1060nm波段激光器11为1060nm波段的LD激光器，1550nm波段激光器21为1550nm波段的LD激光器。1060nm波段激光器也可是其它波段为1060nm的激光器，如EDFL(Erbium Doped Field Laser，掺铒光纤激光器)。1550nm波段激光器21也可以是其它波段为1550nm的激光器，如YDFL (Ytterbium Doped Field Laser,掺镱光纤激光器)。事实上，QPM条件不仅受到器件极化结构的影响，还与晶体的温度密切相关。本发明针对1060nm波段激光器和1550nm波段激光器提出了一种基于PPLN (PeriodicallyPoling Lithium Niobate,周期极化银酸锂)的多波长中红外激光发生装置的控制方法。选用4个掺镱光纤激光器；一个掺铒光纤激光器；尺寸为50X I X Imm(长X宽X高)，极化周期为30 μ m的PPLN晶体。将PPLN晶体5平均分成2个控制段，用Tl、T2表示PPLN晶体两个温度控制段的温度；在每一个控制段上贴有珀尔贴8，珀尔贴最大输出功率为16W，温度控制精度为±0.10C ;温度控制器9与每一个控制段连接，对PPLN晶体5分段实施温度控制，实现多波长中红外激光谱线的输出，具体包括如下步骤:
步骤1，波段1060nm泵浦源发生器I产生的泵浦光、波段为1550nm的信号源发生器2输出波长为1.58 μ m的的信号光进入波分复用器3合波后，再通过聚焦透镜进入PPLN晶体5，同步输出2个中红外激光谱线；
步骤2，设定PPLN晶体5的每个控制段的温度，基于QPM原则确定泵浦光QPM峰位置；步骤3，依据步骤2确定的泵浦光QPM峰位置，分别设置2N个1060nm波段激光器11的输出波长以满足QPM条件，利用傅里叶变换红外光谱仪10分析所述基于PPLN的多波长中红外激光发生装置输出的激光谱线；
步骤4，改变PPLN晶体5控制段的温度，重复步骤2至步骤3，获得可调谐的2N个中红外激光谱线输出。
当T1=T2=20°C时，其归一化的QPM调谐曲线如图2所示。由图2可见，该调谐曲线在中红外波段具有两个QPM峰，其位置分别处于2.95 μ m和3.83 μ m。因此，只需采用波长分别为1.029 μ m和1.098 μ m YDFL作为泵浦光即可获得双波长中红外激光输出。当晶体温度改变时，双波长位置可发生平移。如图3所示，当T1=T2=60°C，中红外双波长位置分别平移至3.03 μ m和3.75 μ m处，对应满足QPM条件的泵浦光波长分别为1.038 μ m和1.112 μ m。
图4为T1=20，T2=60°C时，中红外归一化输出谱。如图4所示，由于一个PPLN温度控制段对应两个QPM峰，因此共有输出谱中出现了 4个QPM峰，其位置分别为:2.95 μ m,3.03 μ m，3.75 μ m和3.83 μ m。各条谱线的归一化输出幅度降低为未分段时对应值的25%。当T2升至90°C时，中红外归一化输出谱如图5所示。此时，温度T2控制段对应的双QPM峰(3.03μπι 和 3.75 μ m)已分别平移至 3.1lym 和 3.67 μ m 处。
由图4和图可以看出，当晶体温度逐渐升高时，双QPM峰逐渐向中心靠拢。如图6所示，当其中一个温度控制段温度升高至128.3°C时，双QPM峰完全已经重合形成一宽带QPM峰(3.26 μ m 3.51 μ m)，其对应的泵浦光波长范围为1.064 1.089 μ m。处于该波长范围内的泵浦光均可获得有效的差频输出。
图7为信号光输出波长固定为1.60 μ m时，晶体温度设置为T1=T2=20°C时的中红外归一化输出谱线。此时双QPM的位置分别处于2.85 μ m和3.92 μ m处，中红外覆盖范围较前者有了较大提高。因此，信号光输出波长越大，中红外覆盖范围越大。
需要指出的是，若需中红外激光发生装置同步输出六条激光谱线，只需将PPLN晶体分成三个温度控制段、采用6个YDFL泵浦光即可实现。以此类推，若需中红外激光发生装置输出2N个激光谱线，只需将晶体分成N个温度控制子段，采用2N个YDFL泵浦光即可实现。控制方法不仅仅适用于以掺镱光纤激光器为泵浦源，以掺饵光纤激光器为信号源的基于PPLN的中红外发生装置，对于以其它波段为1060nm的激光器为泵浦源，以其它波段为1550nm的激光器为信号源的基于PPLN的中红外发生装置同样适用。
综上所述，本发明只需通过改变PPLN子段晶体的温度即可实现多波长激光的大范围调谐输出。利用这一特性，可根据实际应用需要灵活设置分段晶体温度以使中红外激光波长处于目标谱线位置，克服了现有方法中红外波长无法大范围调谐的劣势。
权利要求
1.基于PPLN的多波长中红外激光发生装置，其特征在于包括:波段为1060nm的泵浦源发生器(I)、波段为1550nm的信号源发生器(2)、波分复用器(3)、第一聚焦透镜(4)、PPLN晶体(5)、第二聚焦透镜(6)、滤波片(7);其中: 所述波段为1060nm的泵浦源发生器(I)输出光纤、波段为1550nm的信号源发生器(2)输出光纤分别接波分复用器(3)； 所述波分复用器(3)输出光路上依次设置有第一聚焦透镜(4)、PPLN晶体(5)、第二聚焦透镜(6)、滤波片(7)。
2.根据权利要求1所述的基于PPLN的多波长中红外激光发生装置，其特征在于:所述波段为1060nm的泵浦源发生器(I)包括:2N个阵列设置的1060nm波段激光器(11)、第一光纤放大器(12)、阵列波导光栅(13)，N为自然数，其中: 所述阵列波导光栅(13)设置在1060nm波段激光器(11)输出光路上； 所述第一光纤放大器(12)设置在阵列波导光栅(13)之后。
3.根据权利要求2所述的基于PPLN的多波长中红外激光发生装置，其特征在于:所述波段为1550nm的信号源发生器(2)包括:1550nm波段激光器(21)、第二光纤放大器(22),其中: 所述第二光纤放大器(22)设置在1550nm波段激光器(21)之后。
4.根据权利要求3所述的基于PPLN的多波长中红外激光发生装置，其特征在于:所述1060nm波段激光器(11)为1060nm波段的LD激光器，所述1550nm波段激光器(21)为1550nm波段的LD激光器.。
5.根据权利要求3或4所述的基于PPLN的多波长中红外激光发生装置的控制方法，其特征在于将PPLN晶体(5)平均分成N个控制段，在每一个控制段上贴有珀尔贴(8)，温度控制器(9)与每一个控制段连接，对PPLN晶体(5)分段实施温度控制，实现多波长中红外激光谱线的输出，具体包括如下步骤: 步骤1，波段为1060nm的泵浦源发生器(I)产生的泵浦光、波段为1550nm的信号源发生器(2)输出波长固定的的信号光进入波分复用器(3)合波后，再通过聚焦透镜进入PPLN晶体(5)，同步输出中红外激光谱线； 步骤2，设定PPLN晶体每个控制段的温度，基于QPM原则确定泵浦光QPM峰位置； 步骤3，依据步骤2确定的泵浦光QPM峰位置，分别设置2N个1060nm波段激光器(11)的输出波长以满足QPM条件，利用傅里叶变换红外光谱仪分析所述基于PPLN的多波长中红外激光发生装置输出的激光谱线； 步骤4，改变PPLN晶体控制段的温度，重复步骤2至步骤3，获得多波长中红外激光的调谐输出。
全文摘要
本发明公开了基于PPLN的多波长中红外激光发生装置及其控制方法，属于激光技术领域。所述基于PPLN的多波长中红外激光发生装置包括泵浦源发生器、信号源发生器、波分复用器、第一聚焦透镜、PPLN晶体、第二聚焦透镜、滤波片。所述控制方法通过对PPLN晶体进行分段温度控制，实现多QPM峰的产生与调控，进而根据准相位匹配原则确定基频光激光器波长，获得多波长中红外激光同步辐射。本发明只需通过改变PPLN子段晶体的温度即可实现多波长激光的大范围调谐输出；根据实际应用需要灵活设置分段晶体温度以使中红外激光波长处于目标谱线位置，克服了现有方法中红外波长无法大范围调谐的劣势。
文档编号H01S3/10GK103151692SQ20131004334
公开日2013年6月12日 申请日期2013年2月5日 优先权日2013年2月5日
发明者常建华, 杨镇博, 陆洲, 董时超 申请人:南京信息工程大学