CN111722450A - 一种中红外光学频率梳的产生方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种中红外光学频率梳的产生方法，包括以下步骤：将近红外光学频率梳作为种子源，通过自相似放大模块对近红外的激光脉冲进行非线性功率放大，在激光脉冲放大的同时通过自相位调制效应展宽光谱，将放大后的激光脉冲压缩以获得近红外激光脉冲，将近红外激光脉冲聚焦到差频模块中的中红外差频晶体上，通过差频模块产生中红外激光脉冲，中红外激光脉冲的载波包络相位频率被动稳定，中红外激光脉冲的重复频率跟随种子源的重复频率被锁定以获得中红外光学频率梳。本发明的优点是：本发明可以获得宽光谱、窄脉宽、高功率、噪声低、近零啁啾的近红外激光脉冲，光路结构和锁定系统简单。
Description
技术领域
本发明属于超快光学技术领域，具体涉及一种中红外光学频率梳的产生方法。
背景技术
很多分子基频振动在中红外波段有很强的吸收特征谱，中红外波段的光学频率梳在光谱学中是重要的研究工具，成为这几年来热门的研究方向。目前来说，直接从激光器输出中红外飞秒脉冲的技术并不成熟，更多的是以近红外光梳为基础，通过光学差频的方式把波长拓展到中红外。这种方式对近红外光梳的要求很高，一是需要宽光谱来覆盖信号光和泵浦光对应的波长，二是需要高峰值功率满足差频所需要的高非线性。常用的展宽光谱的方法是通过高非线性光纤通过自相位调制展宽光谱，或者通过负色散光纤产生拉曼孤子使波长频移到所需的光谱范围。这种结构的差频系统，需要在高非线性展宽光谱前先将信号光和泵浦光分离开，再展宽信号光或泵浦光的光谱，然后使其在时间和空间上重合并聚焦到差频晶体中。在这种中红外脉冲光产生过程中，环境对展宽光纤的影响会导致信号光或泵浦光在展宽过程中累积噪声，导致产生的中红外光梳梳齿线宽加宽。而且使信号光和泵浦光在时间和空间上重合，需要精确控制信号光和泵浦光的延时和共线，光路结构复杂且难操作。
发明内容
本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供一种中红外光学频率梳的产生方法，该方法将近红外光学频率梳作为种子源，然后采用自相似放大的方式对近红外的激光脉冲进行非线性光放大，利用自相位调制效应展宽光谱，压缩后获得近红外激光脉冲，因为光谱够宽，将高峰值功率的近红外激光脉冲聚焦到中红外晶体上，通过差频可以产生中红外激光脉冲，因为差频过程中信号光和泵浦光具有相同的载波包络相位频率，所以产生的中红外激光的载波包络相位频率被动稳定，中红外激光的重复频率跟随种子源的重复频率被锁定，从而产生中红外光学频率梳。
本发明目的实现由以下技术方案完成：
一种中红外光学频率梳的产生方法，其特征在于所述产生方法包括以下步骤：依次设置近红外光学频率梳、自相似放大模块以及差频模块；将所述近红外光学频率梳作为种子源，通过所述自相似放大模块对近红外的激光脉冲进行非线性功率放大，在所述激光脉冲放大的同时通过自相位调制效应展宽光谱，将放大后的所述激光脉冲压缩以获得近红外激光脉冲，将所述近红外激光脉冲聚焦到所述差频模块中的中红外差频晶体上，通过所述差频模块产生中红外激光脉冲，所述中红外激光脉冲的载波包络相位频率被动稳定，所述中红外激光脉冲的重复频率跟随所述种子源的重复频率被锁定以获得中红外光学频率梳。
所述近红外光学频率梳为基于固体激光器的光学频率梳、基于光纤激光器的光学频率梳、基于量子级联激光器的光学频率梳、基于单频光电光调制的光学频率梳、基于光学微腔的光学频率梳中的一种。
所述近红外光学频率梳的工作波长在近红外光波长范围内。
所述自相似放大模块包括依次设置的预放大模块、预啁啾管理模块、主放大模块以及脉冲压缩模块，所述预放大模块包括依次设置的第一隔离器、第一增益光纤、波分复用器、第一半导体激光器；预啁啾管理模块包括环形器、啁啾光纤光栅、光纤准直器；主放大模块包括依次设置的第二隔离器、第一透镜、第二增益光纤、第二透镜、二向色镜、第二半导体激光器；脉冲压缩模块包括依次设置的高低镜、光栅对、反射镜。
所述预放大模块进行光放大的方式为一级级联式光放大或多级级联式光放大。
所述预啁啾管理模块为啁啾光纤光栅、光栅对、棱栅对中的一种。
所述差频模块包括依次设置的第三透镜、中红外差频晶体、第四透镜以及滤光片。
所述差频模块中的所述中红外差频晶体为周期性极化铌酸锂、磷锗锌晶体、硒镓银晶体或硒镓锂晶体中的一种。
本发明的优点是：（1）本发明在自相似放大后可以获得宽光谱、窄脉宽、高能量、近零啁啾的近红外激光脉冲，信号光和泵浦光共线且没有延时，可以直接聚焦到非线性晶体上产生中红外激光，不需要展宽光谱，不需要控制信号光和泵浦光在空间、时间上重合，光路结构简单。（2）本发明可获得高平均功率的中红外光梳，且产生的中红外光梳的噪声低。（3）本发明适用于各种光学波段的近红外光梳。（4）本发明产生的中红外激光载波包络相位被动稳定，而中红外激光的重复频率跟随近红外光梳的重复频率，所以只需要锁定近红外光梳的重复频率，锁定系统简单。
附图说明
图1为本发明的中红外光学频率梳的产生方法的原理图；
图2为本发明的中红外光学频率梳的产生方法的实施例的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图通过实施例对本发明的特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：
如图1-2，图中各标记分别为：近红外光学频率梳1、自相似放大模块2、差频模块3、预放大模块21、预啁啾管理模块22、主放大模块23、脉冲压缩模块24、第三透镜31、中红外差频晶体32、第四透镜33、滤光片34、第一隔离器211、第一增益光纤212、波分复用器213、第一半导体激光器214、环形器221、啁啾光纤光栅222、光纤准直器223、第二隔离器231、第一透镜232、第二增益光纤233、第二透镜234、二向色镜235、第二半导体激光器236、高低镜241、光栅对242、反射镜243。
实施例：如图1-2所示，本实施例具体涉及一种中红外光学频率梳的产生方法，该产生方法主要包括以下步骤：
（1）依次设置近红外光学频率梳1、自相似放大模块2和差频模块3；其中：
近红外光学频率梳1可以是基于固体激光器、半导体激光器、光纤激光器、光学微腔或者电光调制产生的光学频率梳；
自相似放大模块2包括预放大模块21、预啁啾管理模块22、主放大模块23和脉冲压缩模块24；
预放大模块21包括依次设置的第一隔离器211、第一增益光纤212、波分复用器213、第一半导体激光器214；
预啁啾管理模块22包括环形器221、啁啾光纤光栅222、光纤准直器223；
主放大模块23包括依次设置的第二隔离器231、第一透镜232、第二增益光纤233、第二透镜234、二向色镜235、第二半导体激光器236；
脉冲压缩模块24包括依次设置的高低镜241、光栅对242、反射镜243；
差频模块3包括依次设置的第三透镜31、中红外差频晶体32、第四透镜33、滤光片34。
（2）将近红外光学频率梳1作为种子源，通过自相似放大模块2对近红外的激光脉冲进行非线性功率放大，在放大过程中通过自相位调制效应展宽光谱，将放大后的激光脉冲压缩以获得宽光谱、窄脉宽、高能量、近零啁啾的近红外激光脉冲；
具体的，重复频率锁定的近红外光学频率梳1输出功率为毫瓦量级的激光脉冲，通过预放大模块21把激光脉冲放大到百毫瓦。第一半导体激光器214提供泵浦光，由波分复用器213将泵浦光耦合到第一增益光纤212中，第一隔离器211用于隔离第一增益光纤212中的自发辐射光以免影响种子源的锁模。预防大后的激光脉冲进入预啁啾管理模块22，环形器221和啁啾光纤光栅222对激光脉冲进行色散补偿，将激光脉冲在时域上整形成近似双曲正割型，得到双曲正割型脉冲，光纤准直器223将光输出到空间光路中，再经过第二隔离器231和第一透镜232将双曲正割型脉冲耦合到一段大模场增益光纤即第二增益光纤233中，第二半导体激光器236发出的泵浦光被第二透镜234耦合到第二增益光纤233中，信号光得到放大。
（3）光谱范围足够宽可以覆盖信号光和泵浦光对应的波长，直接将高峰值功率的近红外激光脉冲聚焦到中红外晶体上，通过差频可以产生中红外激光脉冲。因为差频过程中信号光和泵浦光具有相同的载波包络相位频率，所以产生的中红外激光脉冲的载波包络相位频率被动稳定，中红外激光脉冲的重复频率跟随种子源的重复频率被锁定，从而产生中红外光学频率梳；
具体的，双曲正割型脉冲在非线性放大过程中脉冲形状保持不变，光谱向两边展宽，最终输出的光谱可以同时覆盖产生中红外所需信号光和泵浦光的波长，二向色镜235将放大后的高功率的近红外激光脉冲导入脉冲压缩模块24以补偿色散。近红外激光脉冲由高低镜241反射至光栅对242和反射镜243后可以输出一个宽光谱、窄脉宽、高能量、近零啁啾的近红外激光脉冲序列。近红外激光脉冲被第三透镜31聚焦至中红外差频晶体32内，即可产生中红外激光，由中红外波段的第四透镜33准直，通过滤光片34即可获得重复频率和载波包络相位稳定的中红外光学频率梳。
Claims (8)
1.一种中红外光学频率梳的产生方法，其特征在于所述产生方法包括以下步骤：依次设置近红外光学频率梳、自相似放大模块以及差频模块；将所述近红外光学频率梳作为种子源，通过所述自相似放大模块对近红外的激光脉冲进行非线性功率放大，在所述激光脉冲放大的同时通过自相位调制效应展宽光谱，将放大后的所述激光脉冲压缩以获得近红外激光脉冲，将所述近红外激光脉冲聚焦到所述差频模块中的中红外差频晶体上，通过所述差频模块产生中红外激光脉冲，所述中红外激光脉冲的载波包络相位频率被动稳定，所述中红外激光脉冲的重复频率跟随所述种子源的重复频率被锁定以获得中红外光学频率梳。
2.根据权利要求1所述的中红外光学频率梳的产生方法，其特征在于所述近红外光学频率梳为基于固体激光器的光学频率梳、基于光纤激光器的光学频率梳、基于量子级联激光器的光学频率梳、基于单频光电光调制的光学频率梳、基于光学微腔的光学频率梳中的一种。
3.根据权利要求1所述的中红外光学频率梳的产生方法，其特征在于所述近红外光学频率梳的工作波长在近红外光波长范围内。
4.根据权利要求1所述的中红外光学频率梳的产生方法，其特征在于所述自相似放大模块包括依次设置的预放大模块、预啁啾管理模块、主放大模块以及脉冲压缩模块，所述预放大模块包括依次设置的第一隔离器、第一增益光纤、波分复用器、第一半导体激光器；预啁啾管理模块包括环形器、啁啾光纤光栅、光纤准直器；主放大模块包括依次设置的第二隔离器、第一透镜、第二增益光纤、第二透镜、二向色镜、第二半导体激光器；脉冲压缩模块包括依次设置的高低镜、光栅对、反射镜。
5.根据权利要求4所述的中红外光学频率梳的产生方法，其特征在于所述预放大模块进行光放大的方式为一级级联式光放大或多级级联式光放大。
6.根据权利要求4所述的中红外光学频率梳的产生方法，其特征在于所述预啁啾管理模块为啁啾光纤光栅、光栅对、棱栅对中的一种。
7.根据权利要求1所述的中红外光学频率梳的产生方法，其特征在于所述差频模块包括依次设置的第三透镜、中红外差频晶体、第四透镜以及滤光片。
8.根据权利要求1所述的中红外光学频率梳的产生方法，其特征在于所述差频模块中的所述中红外差频晶体为周期性极化铌酸锂、磷锗锌晶体、硒镓银晶体或硒镓锂晶体中的一种。
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| PB01 | Publication | ||
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