一种产生宽带超连续激光的装置及装置中晶体的制作方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种利用二阶和三阶非线性光学效应协同作用来产生宽带超连续激光的装置，包括泵浦光源和非线性激光晶体，其特征在于，所述泵浦光源为近红外飞秒脉冲激光光源且所述泵浦光源所提供的飞秒脉冲激光的频率有近100nm的带宽，并且该飞秒脉冲激光具有高峰值功率的特点；所述非线性激光晶体采用铁电晶体材料制作，所述非线性激光晶体包括一系列的元胞，所述一系列元胞在光传播方向上的长度沿着光传播方向按照连续的啁啾变化的规律而改变。在所述的非线性激光晶体中，利用显著的三阶非线性光学效应能够有效将泵浦光谱的谱宽由100nm延展至近300‑500nm，并利用二阶非线性频率转换，产生能够覆盖可见至近红外波段近500nm带宽的超连续、完全相干的激光；具有结构可控、易于制备、设计灵活的优点；能量转化效率高、激光光谱宽带超连续且器件尺寸小。

A device for producing broadband supercontinuum laser and the method of making crystal in the device

【技术实现步骤摘要】
一种产生宽带超连续激光的装置及装置中晶体的制作方法
本专利技术涉及激光
，具体地说，本专利技术涉及一种利用二阶和三阶非线性光学效应协同作用产生宽带超连续激光的装置及相应的非线性激光晶体的制作方法。
技术介绍
自激光诞生以来，激光技术在国防、医疗、工业、通讯等领域具有巨大的应用价值。近几十年来，激光技术获得了巨大的发展，其早已被广泛地应用于现代科学的各个领域。但是，激光输出的频率受增益介质能级的限制，不能产生任意频率的输出。在寻找新的激光晶体材料之外，人们往往需要利用二阶非线性频率转换技术（倍频、和频、差频、参量放大等）来获得所需频率的激光。为利用二阶非线性频率转换技术产生所需频率的激光输出，最核心的是解决非线性过程中的相位匹配问题，然而由于非线性材料中存在色散，相位匹配通常不能得到自动满足。在实际应用中，人们通常利用晶体的双折射特性对晶体的色散进行补偿，从而达到相位匹配的目的。然而，双折射匹配存在走离效应、非线性系数小等局限性。同时，由于受到晶体的物理特性限制，二阶非线性频率转换过程中的晶体色散补偿仅仅只能够在很小的频率范围内进行，使得激光只能在有限的带宽内输出，使得其实际应用受到限制。为了解决这个难题，人们提出了非线性光子晶体（即非线性系数的符号具有周期性变化的人工微结构晶体材料）的概念，以此来实现准相位匹配。准相位匹配技术是通过周期性地改变晶体的自发极化方向来重新安排光波相位，从而补偿非线性过程中的相位失配，它大大增加了二阶非线性过程的灵活性和可控性，以崭新的思想方法开创了非线性频率转换技术革命性的新阶段，也大大推动了激光技术的发展。非线性光子晶体的制备需要使用铁电晶体材料，常见的有铌酸锂、钽酸锂、磷酸氧钛钾晶体等。铁电极化方向代表着非线性系数的正负符号（分别对应于正畴和负畴），铁电晶体的自发极化方向容易通过外加电场克服铁电晶体内部的矫顽场而发生倒转，施加外加电场将能够使得铁电晶体的非线性系数改变符号（例如从正到负）。当所施加的电场在空间上周期分布的时候，就能够周期性调控铁电非线性晶体内部的非线性系数的正负分布，从而构建出非线性光子晶体，进而实现准相位匹配。自准相位匹配技术的概念被提出以来，人们设计制备了多种多样的周期、准周期或非周期的非线性光子晶体来应对多元化的非线性光学频率转换的应用需求，比如说利用单块非线性光子晶体同时实现两个或者多个波长的准相位匹配。由于现有的非线性光子晶体结构无法同时对不同波长成分的多种非线性过程中的相位匹配条件进行调控，这极大的限制了宽带激光的非线性转换过程的能量利用效率，也制约了非线性光学的技术向飞秒脉冲激光等超宽带激光技术的应用拓展。对于双折射匹配技术，双折射晶体能够提供的相位匹配的带宽更为有限，一块双折射晶体只能对某个特定频率的连续激光或者窄带脉冲激光施加高效的非线性频率转换，因而无法获得宽带超连续的激光输出。另外一个方面，超短超强宽带激光脉冲在非线性光学介质中传输时也将产生普适性的三阶非线性光学相互作用（不受介质晶体原子结构对称性的限制），比如自相位调制、四波混频、受激拉曼效应等等，可有效地拓宽超短激光脉冲的频谱范围和波长范围。可以预见，如果能够有效地结合二阶非线性光学效应和三阶非线性光学效应，可以更加有效地产生更宽带宽的超连续激光，这样的协同作用文献上很少见报道。超连续激光光源具有亮度高、功率强、频率覆盖范围广等优点，在基础科学、信息、医疗、环境检测等领域有广泛的应用价值。目前，产生超连续激光的方法，是利用三阶非线性光学效应来拓宽泵浦激光频率范围。由于激发三阶非线性光学效应需要较高泵浦能量密度，因此国际上产生超连续激光光源的方法主要是利用光子晶体光纤与高功率的超短脉冲激光相互作用，利用光场局域效应提高泵浦能量密度，从而更有效地激发三阶非线性光学效应来拓宽泵浦激光的频谱范围，例如利用mJ量级的飞秒泵浦脉冲，激发充满氢气的光子晶体光纤，从而激发三阶非线性效应展宽泵浦光谱，得到超连续激光，但其输出的超连续光谱的能量仅为μJ量级。该方案仍存在转换效率不高，其光谱展宽范围仅在可见光谱波段或在红外光谱波段，仍存在展宽不够大的缺点。此外，该方案中的超连续激光光源不是完全相干的激光光源，也就是说，在特定的窄带里面辐射光是相干的激光，但是不同颜色的辐射光线之间没有良好的相干性，这就限制了该光源的应用范围。比如说，没法利用该超连续激光光源产生超短脉冲激光。
技术实现思路
根据本申请的一个方面，提供一种产生宽带超连续激光的装置，包括泵浦光源和非线性激光晶体，所述泵浦光源为近红外飞秒脉冲激光光源（近红外飞秒脉冲激光的光谱带宽约为百纳米，且该飞秒脉冲激光具有高峰值功率的特点，其峰值功率可以远远超过连续激光泵浦下的于晶体材料的光学损伤功率阈值，可到达GW/cm2的量级），所述泵浦光源照射穿过所述非线性激光晶体后产生宽带超连续激光输出，所述非线性激光晶体包括一系列元胞，所述一系列元胞在光传播方向上的长度沿着所述光传播方向按照连续的啁啾变化而改变。其中，在所述非线性激光晶体中，每个所述元胞在z方向上的长度根据公式计算确定，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，其中为所述近红外飞秒脉冲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，为啁啾度。其中，所述非线性激光晶体的长度L即为N个所述元胞长度之和，所述极化周期、所述啁啾度和所述非线性激光晶体的元胞周期数N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倒格矢带。其中，所述非线性激光晶体中的所述若干个倒格矢带分别对应于不同波段的所述宽带超连续激光参与的非线性频率转换过程，且每个所述倒格矢带有效地补偿具有连续频谱分布的所述宽带超连续激光参与的所述非线性频率转换过程。其中，所述泵浦光源中心波长为1300nm，所述非线性激光晶体能够有效拓宽所述泵浦光源的光谱，所述泵浦光源的带宽由初始的100nm拓展至近300-500nm的范围，使得更多的频率成分可以参与到所述非线性频率转换过程中来。其中，所述的若干个倒格矢带分别对应于展宽后所述泵浦光源波段的二次及三次谐波的所述非线性频率转换过程，为所述非线性频率转换过程提供有效的相位补偿，并且使得所述二次及三次谐波的波段组合后能够形成覆盖整个可见至近红外波段近500nm带宽的所述宽带超连续激光输出。由于设计的倒格矢带很宽，能够实现输出激光在很宽的频谱内调谐。由于高强度飞秒泵浦光与非线性晶体相互作用，能够激发强烈的三阶非线性效应，有效展宽泵浦光的带宽，能够为非线性频率转换提供更丰富的频率成分。再经过二阶非线性光学作用，同时激发二次和三次谐波，使得输出的激光能够覆盖可见至近红外波段，有近500nm的带宽，即可获得完全相干的宽带超连续激光。其中，所述非线性激光晶体采用铁电晶体材料制作；所述铁电晶体材料为铌酸锂晶体材料、掺镁铌酸锂晶体材料或者钽酸锂晶体材料。根据本申请的另一个方面，提供一种上述产生宽带超连续激光的装置中非线性激光晶体的制作方法，其包括以下步本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种产生宽带超连续激光的装置，包括泵浦光源，非线性激光晶体，其特征在于，所述泵浦光源为近红外飞秒脉冲激光光源，所述泵浦光源照射穿过所述非线性激光晶体后产生宽带超连续激光输出，所述非线性激光晶体包括一系列元胞，所述一系列元胞在光传播方向上的长度沿着所述光传播方向按照连续的啁啾变化而改变。/n

【技术特征摘要】
1.一种产生宽带超连续激光的装置，包括泵浦光源，非线性激光晶体，其特征在于，所述泵浦光源为近红外飞秒脉冲激光光源，所述泵浦光源照射穿过所述非线性激光晶体后产生宽带超连续激光输出，所述非线性激光晶体包括一系列元胞，所述一系列元胞在光传播方向上的长度沿着所述光传播方向按照连续的啁啾变化而改变。


2.根据权利要求1所述的产生宽带超连续激光的装置，其特征在于，所述非线性激光晶体中，每个所述元胞在z方向上的长度根据公式计算确定，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，其中为所述近红外飞秒脉冲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，为啁啾度。


3.根据权利要求2所述的产生宽带超连续激光的装置，其特征在于，所述非线性激光晶体的长度L即为所有N个所述元胞长度之和，所述极化周期、所述啁啾度和所述非线性激光晶体的元胞周期数N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倒格矢带。


4.根据权利要求3所述的产生宽带超连续激光的装置，其特征在于，所述非线性激光晶体中的所述若干个倒格矢带分别对应于不同波段的所述宽带超连续激光参与的非线性频率转换过程，且每个所述倒格矢带有效地补偿具有连续频谱分布的所述宽带超连续激光参与的所述非线性频率转换过程。


5.根据权利要求3所述的产生宽带超连续激光的装置，其特征在于，所述泵浦光源中心波长为1300nm，所述非线性激光晶体能够有效拓宽所述泵浦光源的光谱，所述泵浦光源的带宽由初始的100nm拓展至近300-500nm的范围，使得更多的频率成分可以参与到所述非线性频率转换过程中来。


6.根据权利要求5所述的产生宽带超连续激光的装置，其特征在于，所述的若干个倒格矢带分别对应于展宽后所述泵浦光源波段的二次及三次谐波的所述非线性频率转换过程，为所述非线性频率转换过程提供有效的相位补偿，并且使得所述二次及三次谐波的波段组合后能够形成覆盖...

【专利技术属性】
技术研发人员：李志远，胡晨阳，
申请(专利权)人：广东晶启激光科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44