产生无光学损伤的强白光激光的装置的制作方法

本发明涉及强激光非线性频率转换，特别是涉及一种白光飞秒激光非线性极联系统。

背景技术：

1、构建超宽带激光光源的强大动力源自于一系列诱人的应用，如大规模生物动态成像、飞秒化学、电信、传感和超快科学。其中许多应用都强烈希望开发出一种具有大脉冲能量和高峰值功率、大光谱带宽和超平坦光谱轮廓的所谓“三高”超连续白光激光器。光学超连续产生是产生超连续白光激光光源不可或缺的技术。实现超连续产生的最常用方法是利用非晶材料中的三阶光学非线性效应，如高峰值功率飞秒泵浦脉冲驱动的自相位调制效应来产生超连续光谱，其对应的功率密度应该非常高，高达几十个gw/cm2，这样才能激发显著的三阶非线性相互作用。一种流行的方法是将泵浦激光脉冲能量集中在一个微小的空间区域，如微结构光纤的纤芯，但这种方法存在一些缺陷，如模态面积小、脉冲能量低(<<1j)、亮度低、光谱轮廓平坦度差。另一种方法是使用高能量的泵浦激光光束对块状材料进行泵浦。然而，块状材料的色散很难达到理想水平，因此超连续光谱带宽的扩展远低于微结构光纤的方案。最近，通过超宽带准相位匹配方案，在单个啁啾周期性极化铌酸锂非线性晶体或级联光学模块中深入设计二阶非线性和三阶非线性协同效应，探索出了一条制造高性能超连续白光激光器的可行途径，它具有更高的能量(每个脉冲大于100j)、更宽的带宽和更平坦的光谱轮廓。然而，由于块状固体材料的光学损伤和激光破坏等限制，这些技术在容纳更强大的输入脉冲方面均面临着不可回避的挑战。

2、将超连续激光的脉冲能量提高到极高水平而不会造成光损伤的一种常用方法是将高脉冲能量飞秒激光器注入长路径充气空芯光纤。然而，由于稀有气体的非线性系数较低，这种设备在光谱带宽、光谱平坦度和脉冲能量的平衡性能方面均受到一定限制。同时，充气空芯光纤在技术上也存在一些问题，包括占地面积大、结构复杂、长期稳定性差、操作校准繁琐等。由于这些原因，要制造长寿命、高稳定性和价格实惠的超宽带超连续激光光源，自然选择似乎是使用水等液体。液体可以承受足够高的脉冲能量，有效消除固体材料中常见的光学损伤问题。然而，在这些液体介质中产生的超连续激光仍面临一些缺陷，如位于泵浦中心波长的光谱强度峰远高于边带波长的光谱强度，这使得整体输出光谱平坦度很低。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明提供一种产生无光学损伤的强白光激光的装置，包括泵浦光源、三阶非线性展宽器和二次谐波转换器。所述泵浦光源为中心波长为800nm的钛宝石飞秒脉冲激光，脉冲宽度为50fs，重复频率为1khz，单脉冲能量4mj以上，具有高峰值功率的特点；所述三阶非线性展宽器采用液体材料-蒸馏水装置，强激光作用下可以发生显著的自相位调制和受激拉曼散射效应，从而产生带宽显著展宽且平坦度较高的超连续激光，同时有效避免激光损伤和破坏；所述二次谐波转换器为5％ mgo掺杂的啁啾周期极化铌酸锂晶体，具备多个带宽足够宽且有效非线性系数高的倒格矢带，能够有效补偿0.7-1.2μm泵浦激光带宽范围的二次谐波非线性频率转换过程的相位失配量，实现超宽带二次谐波的高效转换。最终，在这个二阶和三阶非线性协同作用的非线性级联装置的驱动下，实现高脉冲能量，高峰值功率，光谱大范围覆盖且平坦度高的强白光激光的产生。该装置可以承受足够高的脉冲能量，有效消除固体材料中常见的光学损伤问题，将为创造长寿命、高稳定性且价格实惠的具有强脉冲能量、高光谱平坦度和超宽带宽的白光激光器开辟一条有效途径，可广泛应用于基础科学和高新技术的各个领域。

2、本发明所采用的技术方案是：一种产生无光学损伤的强白光激光的装置，包括泵浦光源、三阶非线性展宽器以及二次谐波转换器，所述泵浦光源为中心波长为800nm的钛宝石飞秒脉冲激光，脉冲宽度为50fs，重复频率为1khz，单脉冲能量4mj以上，具有高峰值功率的特点；

3、所述三阶非线性展宽器采用能够有效避免光学损伤和激光破坏液体材料的蒸馏水装置，脉冲可以在蒸馏水装置中发生三阶非线性自相位调制和受激拉曼散射效应，从而产生带宽显著展宽且平坦度较高的三阶非线性超连续激光；

4、所述二次谐波转换器为5％ mgo掺杂的啁啾周期极化铌酸锂晶体，其周期结构沿着光传播方向按照连续的啁啾变化的规律而改变，具备多个带宽足够宽且有效非线性系数高的倒格矢带，能够有效补偿一定带宽范围的二次谐波非线性频率转换过程的相位失配量，实现超宽带高效二次谐波产生。

5、对上述方案的进一步改进为，所述三阶非线性展宽器为通光长度为40mm长的蒸馏水装置，盛放蒸馏水的装置为熔融石英比色皿，比色皿的每个壁厚为1.5mm，比色皿被放置在一个平移台上，可以移动该平台来改变比色皿中心位置入射光束的光斑大小，通过泵浦输入能量和入射激光光斑直径的有效调节，可以实现超连续泵浦光谱输出范围和光谱平坦度的有效调制。

6、对上述方案的进一步改进为，利用水作为三阶非线性展宽器。

7、对上述方案的进一步改进为，所述二次谐波转换器由5％ mgo掺杂的啁啾周期极化铌酸锂晶体组成，晶体的周期结构由公式λ(z)＝λ0/[1+(dgλ0z/2π)]所确定，其中z表示某一个元胞所对应的z方向上的位置坐标，所述位置坐标为该元胞的起始处的坐标，所述z方向为所述光传播方向，其中λ0为泵浦激光光源的中心波长所对应的倍频过程所需要的极化周期，dg表示啁啾度。

8、对上述方案的进一步改进为，所述5％ mgo掺杂的啁啾周期极化铌酸锂晶体的极化周期为12-14μm，负畴长度为固定长度4μm，晶体总长度为20mm，厚度为1mm。

9、对上述方案的进一步改进为，所述5％ mgo掺杂的啁啾周期极化铌酸锂晶体的极化周期、啁啾度、非线性晶体长度的数值组合使非线性激光晶体的倒格矢呈现为分布在不同位置的若干个宽带倒格矢带，具备足够的准相位匹配工作带宽，能够实现覆盖0.7-1.2μm宽带泵浦激光的二次谐波的高效转换。

10、对上述方案的进一步改进为，泵浦光源为中心波长为800nm(10db带宽输出波长范围为776-832nm)，输出重复频率1khz、平单脉冲能量4mj以上、脉宽50fs的中红外飞秒脉冲激光，具有短脉宽，高能量，光斑质量良好等特点。

11、对上述方案的进一步改进为，三阶非线性展宽器采用能够有效避免光学损伤和激光破坏的液体材料-蒸馏水装置，为将钛蓝宝石飞秒激光器的泵浦能量放大到4mj提供了明确的途径。脉冲可以在这个装置中发生显著的自相位调制和受激拉曼散射效应，从而产生带宽显著展宽且平坦度较高的超连续激光。所述泵浦光源的带宽实现由初始的776-832nm拓展至478-913nm的水平(10db宽带)，促使更多频率成分能够参与到所述二次谐波转换器的倍频转换过程。

12、对上述方案的进一步改进为，三阶非线性展宽器中的蒸馏水液体材料，通光长度为40mm，盛放蒸馏水的装置为熔融石英比色皿，尺寸为40mm×30mm×30mm。比色皿的每个壁厚为1.5mm，上表面是开放的。同时，比色皿被放置在一个平移台上，可以移动该平台来改变比色皿中心位置处入射光束的光斑大小。通过泵浦输入能量和入射激光光斑直径的有效调节，可以实现超连续泵浦光谱输出范围和光谱平坦度的有效调制。

13、对上述方案的进一步改进为，二次谐波转换器由5％ mgo掺杂的啁啾周期极化铌酸锂晶体组成，晶体的周期结构由公式λ(z)＝λ0/[1+(dgλ0z/2π)]所确定，其中z表示某一个元胞所对应的z方向上的位置坐标，所述位置坐标为该元胞的起始处的坐标，所述z方向为所述光传播方向，其中λ0为泵浦激光光源的中心波长所对应的倍频过程所需要的极化周期，dg表示啁啾度。

14、对上述方案的进一步改进为，5％ mgo掺杂的啁啾周期极化铌酸锂晶体极化周期为12-14μm，负畴长度为固定长度4μm，晶体总长度为20mm，厚度为1mm。

15、对上述方案的进一步改进为，5％ mgo掺杂的啁啾周期极化铌酸锂晶体设计的极化周期、啁啾度、非线性晶体长度的数值组合使所述非线性激光晶体的倒格矢呈现为分布在不同位置的若干个宽带倒格矢带，具备足够的准相位匹配工作带宽，能够实现覆盖0.7-1.2μm泵浦激光范围的二次谐波的高效转换。

16、对上述方案的进一步改进为，产生无光学损伤的强白光激光的装置，整个非线性级联装置是脉冲能量高达4mj的钛宝石飞秒激光驱动由水和自主开发的啁啾结构铌酸锂晶体组成的简单、稳健且可扩展的非线性级联模块，其中，啁啾结构铌酸锂晶体浸润在通光长度为40mm的蒸馏水中。

17、对上述方案的进一步改进为，产生无光学损伤的强白光激光的装置，利用高峰值功率的钛宝石飞秒泵浦激光、具备显著的光谱展宽效应的三阶非线性展宽装置(水)以及支持超宽带二次谐波产生的二阶非线性频率转换装置(啁啾周期极化铌酸锂晶体)，实现泵浦激光的三阶非线性自相位调制光谱展宽过程、水的一阶和二阶受激拉曼散射效应和高效的二阶非线性频率上转换过程，这三个物理过程的协同和相互缠绕作用对实现超宽带二次谐波产生做出了重要贡献，最终实现具有高光谱平坦度(10db带宽413-907nm)和大脉冲能量(每脉冲0.6mj)的可见-近红外波段超宽带、强脉冲白光激光的产生。

18、本发明的有益效果是：

19、1.本发明的方案利用水作为三阶非线性光谱增宽介质，为高能量泵浦条件下超连续激光的产生提供了明确的途径，其可以有效避免固体材料中常见的光学损伤和激光破坏等问题。此外，水还表现出非常突出的一阶和二阶受激拉曼散射效应，在纯水和水-啁啾结构铌酸锂晶体级联模块的短波长范围内均会产生相当大的肩峰，为高能量、高稳定性、高平坦度三阶非线性超连续激光的产生提供一种经济有效的技术途径。

20、2.本发明装置利用水和自主开发的啁啾结构铌酸锂晶体组成的简单、稳健且可扩展的非线性级联结构，通过二阶和三阶非线性协同效应可以最终实现所述的单脉冲能量为0.6mj、10db带宽覆盖413-907nm的高平坦度、强脉冲白光激光的产生。

21、3.本发明的三阶非线性展宽器具有易获取、价格低廉、无光学损伤的优点。

22、4.本发明的非线性晶体具有结构可控、易于制备、设计灵活的优点。

23、5.本发明的非线性级联装置具备光路精简，易于调谐，适配性广的优点。

24、6.本发明的非线性级联装置适用于长寿命、高稳定性且价格实惠的高能量、超宽带、光谱平坦的强脉冲白光激光的产生，可有效避免光学损伤和激光破坏。