光学参量发生器制造技术

一种光学参量发生器(601)，包括：馈入光学系统(609)的种子激光器(605)，其中，该种子激光器布置成以信号波的信号频率或以空闲波的空闲频率提供种子束；馈入光学系统(609)的限定类型的泵浦激光器(603)，其中，该泵浦激光器(603)发射超短光学脉冲作为泵浦波；及布置在光学系统(609)中的限定类型的二阶非线性晶体(615)；其中，限定类型的晶体(615)与限定类型的泵浦激光器(603)被选择成使得信号波或空闲波被锁定在泵浦波的边沿。

opg

An optical parametric generator (601), including: (609) the infeed optical system (605), in which the seed laser, the seed laser is arranged in the signal frequency signal wave or wave frequency in the idle idle seed beam; feed optical system (609) defines a type of pump laser (603) among them, and the pump laser (603) emitting ultrashort optical pulse as the pump wave; and arranged in the optical system (609) of two order nonlinear crystal in the defined type (615); the limited types of crystals (615) and limited pump laser type (603) are selected such that the signal wave or idle the wave is locked at the edge of the pumping wave.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术大体上涉及光学参量发生器。
技术介绍
当前，存在几种不同的相干光源，其产生中红外范围内的输出，包括：量子级联激光器、红外二极管激光器、气体激光器(尤其是CO2和CO)以及光学参量振荡器和光学参量发生器。对于很多这样的系统而言，输出是在皮秒或纳秒范围内的相对长的脉冲形式或者连续发射形式。在该波长范围内的亚皮秒脉冲的源相对稀少，而且受限于基于同步泵浦的光学参量振荡器(OPO)(其中泵功率不需要十分高)或者光学参量发生器(OPG)(其需要以十分强大的超短脉冲激光器来泵浦)的复杂系统。诸如光学参量放大器(OPA)、光学参量振荡器(OPO)和光学参量发生器(OPG)的非线性光学装置都可以基于三波混频。这些类型的装置可以用于生成相干中红外光。在这些装置中，不同光学频率的三种波在二阶非线性材料中相互作用，这种材料是展现出与应用的光学电场的平方成比例的偏振的材料。仅各向异性材料展现出二阶非线性，例如铁电晶体。在OPO和OPA的情况下，通常将最高频率的波指定为泵浦波；将中间频率的波指定为信号波；并且将最低频率的波指定为空闲波。如果泵浦波具有角频率ωp，信号波具有角频率ωs，并且空闲波具有角频率ωi，为了节省能量，成立下列关系式：ωp＝ωs+ωi。对于能量节省而言，ωp,s,i值没有特殊限制。然而，为了使能量在这些相互作用的波之间高效地传输，必须同时满足代表动量守恒的第二条件。其由以下关系式表示：kp＝ks+ki，其中，kp,s,i是相互作用的波的波矢量，并且kp,s,i＝np,s,iωp,s,i/c，其中np,s,i分别是泵浦、信号和空闲频率的线性折射率。一般而言，由于折射率色散，np≠ns≠ni，因此动量守恒需要使用特殊的技术。存在若干这样的技术，包括双折射相位匹配，其中，波的极化和相对于双折射晶体的晶轴的传播方向被选择成实现相位匹配条件；还包括经由周期性极化的准相位匹配，其中，光学非线性的符号沿着传播方向周期性地变换，以实现生成的信号波和从沿着非线性晶体的不同区域生成的空闲波的相长干涉。在后一种情况下，非线性的符号的周期性变换创建了额外的波矢量kg＝2π/Λg，其中，Λg是光栅的周期，从而相位匹配关系式为kp＝ks+ki+kg。Λg的适当变化允许实现相位匹配。波之间的相互作用由三个可以在许多标准文本中找到的耦合波方程来描述。值得注意的是，能量守恒条件暗示：泵浦光子的消灭导致创建了频率为信号频率和空闲频率一对光子。因此，能量从泵浦波转移到信号波和空闲波，并且这意味着信号波和空闲波可以以泵浦波为代价而被放大。在某些近似估算中，信号频率和空闲频率时的增益可以由解析表达式来表示，并且同样地，可以在标准文本中找到这些解析表达式。当通过使用双折射相位匹配或准相位匹配实现相位匹配时，总增益可以被简化为：G＝1/4exp(2Γl)，其中，Γ是参量增益系数，l是通过材料的传播距离，并且Γ＝sqrt(2ωsωideff2Ip/npnsniεoc3)，其中，Ip是泵浦强度，deff是材料的有效二阶非线性；εo是自由空间介电系数(permittivityoffreespace)，并且np,s,i分别是泵浦频率、信号频率和空闲频率时的线性折射率。值得注意的是，至少当使用持续时间小于几皮秒的短光学脉冲时，在强度低于材料的光损伤阈值条件下，参量放大器的增益可以十分大(>60dB/cm)。在这方面，与常规激光介质相比，光学参量放大器可以提供大得多的增益。上述的用于增益的解析表达式假设相互作用发生在非线性晶体的连续波或相对长的脉冲之间。然而，由于脉冲变短，并且尤其是当它们变得短于约一皮秒时，必须考虑额外的因素。在均质线性材料中，小于一皮秒的短脉冲的传播速度由其群折射率(groupindex)确定，群折射率在波长为λ时由ng＝n-λdn/dλ确定，其中，n是介质在波长为λ时的线性折射率。由于折射率的色散，不同波长的群折射率也不同，这导致不同波长的脉冲以vg＝c/ng给出的不同群速度传播。群速度一般指波顶点传播的速度，其不同于组成脉冲的波前的相位速度(其由折射率n直接确定)。此外，由于群速度色散(GVD)，脉冲及时展开，其中，GVD＝-λ/cd2n/dλ2。这些参量的值可以随着波长而显著变化。通过示例，考虑基于周期性极化铌酸锂(PPLN)的参量放大器的情况。如果我们选择1.04μm的泵浦波长(其接近于常规钕或镱激光器的泵浦波长)和1.407μm的信号波长，其组合将产生4μm的空闲波。泵浦、信号和空闲波的群速度分别为c/2.21004；c/2.18242；c/2.23573，其中c是光在真空的速度，其大约为3x108m/s。如果我们考虑持续时间为100fs的脉冲的情况，则泵浦波和信号波将仅在晶体中传播1.09mm的距离之后而分离，泵浦波和空闲波在1.17mm的距离后分离。因此，至少出于共线传播的目的，3WM通常仅限于晶体的mm长度。由于有效晶体长度十分短，这意味着总增益将较小，除非使用极高的激光强度。后一种情况可以在由十分强大的短脉冲激光器(>109W)泵浦的光学参量发生器中实现，这种短脉冲激光器例如飞秒放大的钛宝石激光器。存在这种技术的若干可商购实例；然而，这些系统昂贵且复杂，并且产生了顶点值功率十分高的输出脉冲，其不适用于许多应用。如果强度保持为低或者中等，则增益下降到若干dB/cm，并且这仅足以创建所谓的同步泵浦的OPO。在这种装置中，以高重复率(通常≈50MHz)产生短脉冲的泵浦激光器泵浦包含在其自身的光学谐振器内的短放大晶体，该光学谐振器以信号频率或空闲频率(或二者)循环脉冲。脉冲周期性地返回非线性晶体，并且由同步泵浦脉冲放大，但前提是OPO谐振器的来回时间与泵浦振荡器谐振器中的来回时间精确地匹配。在这种来回匹配条件中，信号波长或空闲波长的脉冲可以在OPO腔的连续跃迁中被放大，并且信号波和空闲波中的功率从噪声中增长。由于功率增加，能量从泵浦波传输到信号波和空闲波。然而，两个谐振器(激光器和OPA)的来回时间必须精确匹配，并且相互作用的波之间的群速度色散的效应必须被最小化，这大体上意味着：由于群速度的不同，OPO晶体必须比分离脉冲所需的长度更短。一般地，在一米左右的长度上，腔长度也必须在微米级别的尺度上是相同的。然而，在力学或者温度波动的情况下维持这种长度匹配是颇具挑战性的，并且需要复杂的锁定方案来获得稳定的操作。可以通过使相互作用的波束在OPO晶体中非共线而降低群速度色散，这潜在地允许使用较长晶体；然而，波束必须足够大以维持晶体长度上的空间重叠。通过同步泵浦的OPO生成中红外的亚皮秒源涉及高度的复杂性和昂贵的硬件。然而，这些装置具有用于探测分子的振动态的科学技术上的应用，或者作为用于非线性光学的源，并且，可以获得基于该原理的商用系统。
技术实现思路
本专利技术的目的在于大体上克服或者至少改善现有布置的一个或多个缺陷。公开的布置寻求通过提供一种改进的光学参量发生器来解决上述问题。根据本专利技术的一个方面，提供了一种光学参量发生器，其包括：馈入光学系统的种子激光器，其中，该种子激光器布置成以信号波的信号频率或以空闲波的空闲频率提供种子束；馈入光学系统的限定类型的泵浦激光器，其中，该泵浦激光器发射超短本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光学参量发生器，其包括：馈入光学系统的种子激光器，其中，该种子激光器布置成以信号波的信号频率或以空闲波的空闲频率提供种子束；馈入光学系统的限定类型的泵浦激光器，其中，该泵浦激光器发射超短光学脉冲作为泵浦波；及布置在光学系统中的限定类型的二阶非线性晶体；其中，限定类型的晶体与限定类型的泵浦激光器被选择成使得信号波或空闲波被锁定在泵浦波的边沿。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.05.29 AU 20149020401.一种光学参量发生器，其包括：馈入光学系统的种子激光器，其中，该种子激光器布置成以信号波的信号频率或以空闲波的空闲频率提供种子束；馈入光学系统的限定类型的泵浦激光器，其中，该泵浦激光器发射超短光学脉冲作为泵浦波；及布置在光学系统中的限定类型的二阶非线性晶体；其中，限定类型的晶体与限定类型的泵浦激光器被选择成使得信号波或空闲波被锁定在泵浦波的边沿。2.如权利要求1所述的光学参量发生器，其中，由泵浦激光器发射的超短光学脉冲在持续时间上小于1皮秒。3.如权利要求1所述的光学参量发生器，其中，该光学参量发生器是高增益光学参量发生器。4.如权利要求3所述的光学参量发生器，其中，该光学参量发生器的增益在40-70dB/cm的范围内。5.如权利要求4所述的光学参量发生器，其中，该光学参量发生器的增益在50-60dB/cm的范围内。6.如权利要求4所述的光学参量发生器，其中，该光学参量发生器的增益在60-70dB/cm的范围内。7.如权利要求1所述的光学参量发生器，其中，限定类型的晶体选自由铌酸锂、钽酸锂组成的群组。8.如权利要求1所述的光学参量发生器，其中，限定类型的晶体选自长度在5-25mm范围内的晶体。9.如权利要求1所述的光学参量发生器，其中，限定类型的泵浦激光器选自生成的泵浦波的波长在750nm–1100nm范围内或1000nm–1050nm范围内或波长为1.06μm的泵浦激光器。10.如权利要求1所述的光学参量发生器，其中，限定类型的泵浦激光器选自活性介质为镱、掺钛蓝宝石或钕的泵浦激光器。11.如权利要求1所述的光学参量发生器，其中，信号波、空闲波和/或泵浦波的极化选择成实现双折射相位匹配。12.如权利要求1所...

【专利技术属性】
技术研发人员：B·卢瑟戴维斯，
申请(专利权)人：澳大利亚国立大学，
类型：发明
国别省市：澳大利亚;AU