基于色散和非線性管理光參量振蕩器的脈沖壓縮方法與流程

本發明涉及光參量振蕩器，特別是一種基于色散和非線性管理光參量振蕩器的脈沖壓縮方法。

背景技術：
飛秒激光擁有持續時間短，峰值功率高等優點，其在物理、化學和生物等領域有著廣泛的應用。光參量振蕩器是產生中紅外激光的重要手段。中紅外波段超快激光在超快分子光譜學、半導體材料微加工、大氣通訊、激光醫療等領域有著重要的潛在應用。光脈沖壓縮是一種將長脈沖壓縮為超短脈沖的技術手段。通常的脈沖壓縮技術有：1.利用級聯非線性進行多級脈沖壓縮[錢列加，張東方，謝國強，朱鶴元，一種基于級聯非線性過程的高倍速率多級脈沖壓縮方法，發明專利，公開號：1972042A]。該方法只適應于高能量脈沖的壓縮(脈沖能量mJ級以上)。2.基于大尺度材料的三級非線性的脈沖壓縮方法[CRolland,PBCorkum,Compressionofhigh-poweropticalpulses.JOptSocAmB1988,5:641-647]。該方法光束會發生變形，并且會受到自聚焦的制約。

技術實現要素：
本發明的目的在于提供一種基于色散和非線性管理光參量振蕩器(OPO)的脈沖壓縮方法，在光參量振蕩器中通過管理腔內凈色散和三階非線性來產生寬帶巨線性啁啾脈沖，再通過腔外色散補償對寬帶巨線性啁啾脈沖進行脈沖壓縮以實現飛秒脈沖輸出，可有效的通過長脈沖泵浦OPO來產生不同波段的超短飛秒脈沖。寬帶巨線性啁啾脈沖在單諧振光參量振蕩器中產生的機理是：非線性晶體的增益使光脈沖得到放大，色散控制元件使光脈沖形成線性啁啾，三階非線性元件使光脈沖光譜展寬；當增益、色散和三階非線性滿足一定的關系時，光脈沖就能演化為寬帶巨線性啁啾脈沖。本發明首次提出了在光參量振蕩器中的通過管理色散和三階非線性的技術來產生巨線性啁啾光脈沖，并通過腔外色散補償實現脈沖壓縮。該方法的主要優點是通過長脈沖泵浦OPO可產生不同波段的超短飛秒脈沖。本發明利用同步泵浦的單諧振參量振蕩器，選擇長脈沖作為泵浦光，只有信號光脈沖在腔內諧振。泵浦光向信號光的參量轉化提供了正的增益，腔內的色散元件提供了二階色散，三階非線性元件提供的非線性相移展寬了信號光光譜；當色散符號和三階非線性相移符號相同時，信號光在腔內就能形成寬帶巨線性啁啾脈沖。利用本發明產生的光脈沖具有很好的線性啁啾特性，所以能用腔外二階色散元件來補償其線性啁啾從而實現脈沖壓縮；當腔內線性啁啾脈沖光譜足夠寬時就能壓縮為超短飛秒脈沖。由于光參量振蕩器中非線性晶體通常支持寬的位相匹配帶寬，同時腔內的三階非線性元件可實現有效的信號脈沖光譜展寬，因此通過本發明完全可以實現寬帶巨線性啁啾脈沖，進而通過腔外色散補償產生超短飛秒脈沖。本發明的具體思路是：通過設計系統參數來滿足OPO腔內凈色散符號與三階非線性相移符號相同，實現寬帶的巨線性啁啾脈沖產生，再通過腔外色散補償對信號光脈沖進行壓縮從而得到超短飛秒脈沖，具體包括下列步驟：①根據所需波段的超短脈沖，選擇相應波段的信號光；②設置光參量諧振腔內要有較大的由自位相調制所帶來的三階非線性效應。三階非線性可使得信號光光譜展寬，較寬的信號光光譜是得到有效脈沖壓縮的前提條件。腔內的三階非線性效應可以由三種途徑來提供。(a)可以通過在諧振腔內插入三階非線性材料(比如硒化鋅晶體)來滿足信號光光譜的有效展寬所需求的三階非線性。(b)如果非線性晶體本身有很大的非線性折射率n2(大于10-19m2/W量級)，該非線性材料也可以由非線性晶體本身來代替。(c)如果信號光在非線性晶體中有位相失配的二階光參量過程，非線性效應也可以由信號光在非線性晶體內部的級聯非線性所提供。③光參量諧振腔內需要插入色散控制元件。光參量振蕩器中產生寬帶巨線性啁啾脈沖要求腔內有二階色散，并且要求腔內凈色散的符號與三階非線性相移的符號相同。(a)當三階非線性材料或者晶體本身提供的非線性相移為正時，應控制腔內凈色散符號為正；相反的，如果三階非線性材料或者晶體提供的三階非線性相移為負時，則應控制腔內凈色散符號為負。(b)當三階非線性是由信號光在非線性晶體中的級聯非線性所提供時，腔內凈色散的正負要根據級聯非線性相移的符號來決定。當級聯非線性相移符號為正時，腔內凈色散符號應為正；相反的，當級聯非線性相移符號為負時，腔內凈色散符號應為負。④在光參量諧振腔腔外設置色散補償元件，該腔外色散補償元件給信號光提供的色散與腔內凈色散符號相反，所需色散量根據信號光的啁啾大小決定，對輸出的信號脈沖去啁啾，從而實現脈沖壓縮。與現有技術相比，本發明的有益效果是：(1)有效的通過長脈沖泵浦OPO來產生不同波段的超短飛秒脈沖，降低了OPO同步性的要求。(2)實現寬帶巨線性啁啾脈沖，進而通過腔外色散補償產生中紅外周期量級的脈沖。(3)本OPO系統的穩定性好，效率高。附圖說明圖1是本發明方法的結構示意圖。圖2是本發明實施例1的泵浦光時域脈沖形狀；泵浦光是無啁啾的高斯脈沖，脈寬為10ps。圖3是本發明實施例1的信號光脈沖的時域脈沖形狀、拋物線擬合以及瞬時頻率。其中指向左邊縱軸的黑實線表示信號光時域脈沖形狀，黑點線表示信號光形狀的拋物線擬合；指向右邊縱軸的灰實線表示信號光的瞬時頻率。圖4是本發明實施例1的信號光的光譜。圖5是本發明實施例1的信號光壓縮后的時域脈沖形狀。圖6是本發明實施例2的信號光在OPO腔內穩定后的自相關以及Sech2擬合。圖7是本發明實施例2的信號光的光譜。圖8是本發明實施例2的壓縮后信號光的自相關以及洛倫茲曲線擬合。具體實施方式下面結合實施例和附圖用數值模擬結果對本發明做進一步說明。實施例1先參閱圖1，圖1是本發明方法的示意圖。本發明光參量振蕩器的諧振腔內有非線性晶體、色散控制元件和三階非線性元件；非線性晶體提供增益、三階非線性元件提供三階非線性效應，色散控制元件使信號脈沖產生線性啁啾。腔外是色散補償元件，使信號光去啁啾，從而實現脈沖壓縮。下面結合一個數值模擬的例子做具體說明。選用的非線性為砷酸鈦氧鉀(KTA)。泵浦光的波長為1064nm，選擇信號光的波長為3300nm，閑頻光的波長為1570nm。非線性晶體KTA的長度選為1mm；非線性晶體KTA的非線性折射率系數n2＝1.7×10-19m2/W；同時，非線性晶體本身充當了三階非線性材料。考慮到n2符號為正，它提供的非線性相移也是正的；而信號光通過1mm的KTA的色散是-480fs2。根據本發明的要求，諧振腔內的凈色散也必須是正的。1mm的Ge片可提供+1427fs2的色散量，我們通過在諧振腔內插入0.55mm的Ge片，使得信號光在腔內的凈色散為+305fs2；泵浦光的光強為2.46GW/cm2。參閱圖2，泵浦光是無啁啾的高斯脈沖，脈寬為10ps。利用分步傅里葉算法對OPO耦合波方程進行數值模擬，得到了如下數值模擬結果：參閱圖3，信號光在腔內達到穩定態后脈寬為11ps，其形狀近似為拋物線形狀。從圖中可以看出信號光為線性啁啾脈沖。參閱圖4，信號光最終的光譜帶寬是8.6THz，其形狀也近似為拋物線形狀。泵浦光的帶寬為0.044THz，可見利用本發明把窄帶的泵浦光轉換為寬帶的線性啁啾的信號光。參閱圖5，根據計算，在腔外壓縮信號光脈沖所需要的色散量為-214300fs2；壓縮后得到了脈寬為100fs的超短脈沖。實施例2再結合一個實驗的例子做具體說明。選用的非線性晶體為周期極化的鈮酸鋰(PPLN)，該非線性晶體的極化周期為：Λ＝31.02μm。泵浦光的波長為1030nm脈寬為2ps無啁啾的高斯脈沖，選擇信號光的波長為2180nm，閑頻光的波長為1950nm。非線性晶體PPLN的長度為2mm。非線性晶體PPLN的非線性折射率系數n2＝8.5×10-20m2/W；由該非線性折射率所帶來的三階非線性效應很小，不足以有效展寬光譜，可以忽略不計。考慮到信號光在PPLN中有自身倍頻以及與泵浦光的和頻兩種級聯非線性過程，腔內的三階非線性效應可由信號光的級聯非線性來提供。信號光在PPLN中的倍頻過程中的相位失配ΔkQ＜0(其中Δk＝61.8π/mm,ΔkQ＝Δk-2π/Λ＝-2.6π/mm)，該級聯非線性提供給信號光的非線性相移為正。而信號光在PPLN中的和頻過程中的相位失配ΔkQ＞0(其中Δk＝125.9π/mm,ΔkQ＝Δk-2π/Λ＝61.5π/mm)，該級聯非線性提供給信號光的非線性相移為負。通過計算，總的級聯非線性給信號光帶來的相移是正的。信號光在晶體內部的色散是-85fs2/mm。在腔內插入長度為2mm的硒化鋅晶體作為色散控制元件；硒化鋅給信號光提供的色散是250fs2/mm。這樣，硒化鋅彌補了信號光在PPLN中的負色散，使得腔內的凈色散是+330fs2，即腔內凈色散與三階非線性給信號光的提供的相移都是正的。參閱圖6，信號光在OPO腔內達到穩定態后的脈寬為2.1ps。參閱圖7，信號光最終的光譜帶寬是68nm。泵浦光的帶寬為0.78nm，可見利用本發明把窄帶的泵浦光轉換成寬帶的線性啁啾的信號光。參閱圖8，在腔外用鍺棱鏡對提供的負色散對信號光脈沖進行壓縮，兩棱鏡的間距為14cm，所提供的色散量約為-77920fs2。壓縮后得到了脈寬為208fs的超短脈沖。本發明通過管理光參量振蕩器中的腔內凈色散與三階非線性，可實現用長脈沖泵浦OPO來產生不同波段的超短飛秒脈沖，具有重要的潛在應用價值。