载波相位稳定的800nm超短脉冲激光产生放大装置

摘要

本发明涉及一种载波相位稳定的800nm超短脉冲激光产生放大装置，包括激光器、第一倍频晶体、第二倍频晶体、第一分束器、第二分束器、第一延时器、光谱展宽器、第一参量放大器、第二延时器、第二参量放大器、第一高反射率镜、第二高反射率镜。本装置中参与参量作用的两个波长分别是倍频光（400nm）和二分之三倍基频光（533nm），获得的1600nm载波相位稳定的闲频光再用倍频剩余的800nm激光脉冲进行参量放大，最后倍频获得800nm载波相位稳定激光脉冲。该方法具有以下优点：一，获得的载波相位稳定的激光脉冲具有高信噪比和稳定性；二，有效的利用了倍频剩余的800nm波长激光能量，提高了能量转换效率。

说明书

技术领域

本发明涉及激光应用领域，尤其涉及一种载波相位稳定的800nm超短脉冲 激光产生放大装置。

背景技术

超短脉冲激光，作为有极短的脉冲宽度（飞秒量级，10^-15s）、超宽光谱宽 度（几十纳米）的相干光源，已成为推动物理、化学、生物、医学以及材料等 学科发展的重要工具，目前已被广泛应用于国防、航空、通信、医疗等领域。

超短脉冲的载波相位是指脉冲包络与脉冲电场之间的相对相位。对于普通 飞秒激光器而言，即使其前后输出的脉冲之间形状有较高的重复性，其载波相 位往往也是不相同的，也就是说，脉冲之间的电场形式发生了改变。这在频率 域表现为频谱的偏移或抖动。而对于载波相位稳定的激光器，其输出的各个脉 冲之间不但形状相同，而且脉冲电场形式也相同。与常规激光脉冲相比，载波 相位稳定的脉冲有更高的时间相干性、更好的时间/光谱稳定性。目前载波相位 稳定激光脉冲在相干X射线、阿秒脉冲的产生、光钟和高精密光谱学等方面有 至关重要的应用。此外，由于其高时间稳定性和相干性，在材料加工、超快成 像、通信以及高精度授时等方面有潜在的重要应用。

激光载波相位稳定技术分为两种：主动反馈式和被动式。主动反馈式利用 精密的电子设备将脉冲与脉冲之间的载波相位偏移信息进行反馈，通过精确控 制腔的色散，实现激光振荡器的载波相位稳定。该方法的缺点是无法实现单次 脉冲载波相位稳定，对脉冲的重复性和相邻脉冲之间载波相位偏移的稳定性有 较高要求，而且受环境影响较大。被动式是结合光参量技术和基于自相位调制 的光谱展宽技术来获得载波相位稳定的脉冲。该方法能够直接实现激光脉冲载 波相位单次稳定而对光脉冲重复性无任何要求，受环境影响小，长期稳定性好。 一种典型的被动式载波相位稳定技术，其方法是将800nm激光脉冲先倍频到 400nm，再将该倍频光输入到介质中进行光谱展宽，获得一个倍频程的白光超 连续谱，然后将白光超连续谱中的800nm波长成分作为信号光，400nm脉冲作 为泵浦光，在参量放大器中进行差频，获得载波相位稳定的闲频光。这种方法 的缺点是光谱展宽很难达到一个倍频程，即便达到了，其基频成分的光强也非 常弱，导致最终获得的载波相位稳定的脉冲信噪比难以提高。

发明内容

为解决被动式载波相位稳定技术中光谱展宽难以达到一个倍频程的问题， 本发明提供了一种载波相位稳定的800nm超短脉冲激光产生放大装置，包括：

激光器、第一倍频晶体、第二倍频晶体、第一分束器、第二分束器、第一 延时器、光谱展宽器、第一参量放大器、第二延时器、第二参量放大器、第一 高反射率镜、第二高反射率镜；

所述激光器产生的800nm激光脉冲作为基频光经过所述第一倍频晶体进行 倍频，输出的倍频光和剩余的基频光经过所述第一分束器分开；所述剩余的基 频光经过所述第二高反射率镜反射后经过所述第二延时器进入所述第二参量放 大器作为泵浦光；所述倍频光经所述第二分束器分成两束能量大小不同的倍频 光；上述两束能量大小不同的倍频光中，能量较弱的一束倍频光经所述第一延 时器进入所述光谱展宽器获得超连续谱光源，该超连续谱光源进入所述第一参 量放大器作为信号光，能量较强的一束倍频光经所述第一高反射率镜反射后进 入所述第一参量放大器作为泵浦光；所述第一参量放大器中的泵浦光与作为信 号光的超连续谱光源中频率为二分之三倍基频光的成分相互作用，获得波长为 两倍基频光的载波相位稳定的闲频光；所述闲频光作为信号光输出到所述第二 参量放大器作为信号光进行放大；上述放大后的载波相位稳定光经过所述第二 倍频晶体进行倍频，获得基频光波长的载波相位稳定激光脉冲。

进一步地，所述第一参量放大器及第二参量放大器均采用一类相位匹配 BBO晶体，所述第一参量放大器的泵浦光路径中设置有一半波片，用于改变泵 浦光的偏振方向。

进一步地，所述激光器为钛宝石激光器。

进一步地，所述第一倍频晶体和第二倍频晶体为特殊切割角度的二阶非线 性晶体。

进一步地，所述光谱展宽器为三阶非线性介质，包括：蓝宝石、氟化钙、 充惰性气体空芯光纤或光子晶体光纤。

进一步地，所述第一高反射率镜为镀有对应所述能量较强的一束倍频光的 高反射率宽度介质膜镜，用于改变其传播方向。

进一步地，所述第二高反射率镜为镀有对应所述剩余的基频光的高反射率 宽度介质膜镜，用于改变其传播方向。

进一步地，所述第一参量放大器及第二参量放大器分别采用一类和二类相 位匹配BBO晶体，所述第一参量放大器的信号光路径中设置有一半波片，用于 改变信号光的偏振方向。

与现有技术相比，参与参量作用的两个波长分别是倍频光（400nm波长） 和二分之三倍基频光（533nm波长），获得的1600nm载波相位稳定的闲频光再 用倍频剩余的800nm激光脉冲进行参量放大，最后倍频获得800nm载波相位稳 定激光脉冲。该方法的优点有两个：第一，超连续谱光源中的533nm波长成分 比现有技术采用的800nm波长成分至少要强两个数量级以上，因此获得的载波 相位稳定的激光脉冲相比原来的方法有更好的稳定性和强度；第二，有效的利 用了倍频剩余的800nm波长激光能量，提高了能量转换效率。

附图说明

图1：本发明提供的载波相位稳定的800nm超短脉冲激光产生放大装置光 路图；

图2：实施例1提供的半波片设置于第一参量放大器泵浦光路径中的光路 图；

图3：实施例2提供的半波片设置于第一参量放大器信号光路径中的光路 图；

图4：一幅典型的超连续白光光谱；

图5：通过本发明获得的激光脉冲叠加干涉图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实 施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅 用于解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明提供的载波相位稳定的800nm超短脉冲激光产生放大 装置光路说明如下：

1）、激光器1产生的800nm波长激光脉冲经过第一倍频晶体2进行倍频， 倍频后的400nm波长倍频光和剩余的800nm波长基频光经过第一分束器3分开；

2）、所述剩余的800nm波长基频光经过第二高反射率镜9反射后经过第 二延时器10进入第二参量放大器11作为泵浦光；

3）、所述400nm波长倍频光经第二分束器4分成能量约比为9:1的两束倍 频光；

4）、上述能量约比为9:1的两束倍频光中，能量较弱的一束倍频光经第一 延时器5进入光谱展宽器6获得超连续谱光源，该超连续谱光源进入第一参量 放大器7作为信号光，能量较强的一束倍频光经第一高反射率镜8反射后进入 第一参量放大器7作为泵浦光；

5）、第一参量放大器7中的泵浦光与作为信号光的超连续谱光源中频率为 二分之三倍基频光的成分（533nm波长）相互作用，获得载波相位稳定的1600nm 波长闲频光；

6）、所述1600nm波长闲频光作为信号光输出到第二参量放大器11作为 信号光进行放大。

7）、上述放大后1600nm脉冲输入到第二倍频晶体12中进行倍频，获得 载波相位稳定800nm激光脉冲。

在第一实施例中，第一参量放大器7及第二参量放大器11采用一类相位匹 配BBO晶体（偏硼酸钡晶体），第一参量放大器7的切割角为θ=25.8°，第二 参量放大器11的切割角为θ=20°。此时，在第一参量放大器7的泵浦光路径中 加入一半波片13以改变泵浦光的偏振方向。具体地，如图2所示，半波片13 可设置在第一高反射率镜8与第一参量放大器7之间。

超短脉冲在介质中进行光谱展宽时，可以看成脉冲内各个光谱成分的四波 混频，假设脉冲沿z轴传播，新产生的频率成分可以写成

${\mathrm{dE}}_4/\mathrm{dz}~{\mathrm{iE}}_1{E}_2{E}_3^{*},---\left(1\right)$

其中E_j是电场强度，j=1,2,3表示脉冲三个光谱成分的电场，j=4表示产生的 新频率成分。于是E4的相位可以写成

由（2）式可以看出，白光超连续谱中的各个频率成分相位之差一个常数。而参 量相互作用是一个差频过程，产生的闲频光的相位与泵浦光和信号光相位之差 有关：

当参量过程发生在激光脉冲与其白光超连续谱之间时，由（2）和（3）式 可以知道，获得的闲频光载波相位为一个常数，因而其载波相位稳定的。另外， 应当注意参量放大过程中，信号光的相位是不会改变的。因此，本方案能实现 放大的载波相位稳定脉冲的产生。

激光器1为钛宝石飞秒脉冲激光器，输出脉冲中心波长为800nm。

第一倍频晶体2和第二倍频晶体12为特殊切割角度的二阶非线性晶体。

第一分束器3为镀有800nm波长高反、400nm波长高透介质膜镜。

光谱展宽器6为三阶非线性介质，如蓝宝石、氟化钙、充惰性气体空芯光 纤或光子晶体光纤。

第一参量放大器7为特殊切割角度的二阶非线性晶体。

第一延时器5放置在第一参量放大器7的信号光路径中，用于调节进入第 一参量放大器7的信号光与泵浦光的同步。

第二参量放大器11为特殊切割角度的二阶非线性晶体。

第二延时器10放置在第二参量放大器11的泵浦光路中，用于调节进入第 二参量放大器11的信号光与泵浦光的同步。

第一高反射率镜8为镀有对应800nm波长的高反射率宽度介质膜镜，用于 改变800nm波长基频光的传播方向。

第二高反射率镜9为镀有对应400nm波长的高反射率宽度介质膜镜，用于 改变400nm波长倍频光的传播方向。

本发明还提供了第二实施例。第二实施例与第一实施例的不同之处在于， 第一参量放大器7及第二参量放大器11分别采用一类和二类相位匹配BBO晶 体，第一参量放大器7的切割角为：θ=25.8°，第二参量放大器11的切割角为： θ=28.9°。此时，在第一参量放大器7的信号光路径中加入一半波片13以改变 信号光的偏振方向，具体地，如图3所示，半波片13可设置在光谱展宽器6 与第一参量放大器7之间。

超连续谱光源中各个频率成分光源之间的相位差为一个常数，而参量相互 作用的过程是一个差频过程，当参量过程发生在激光脉冲与超连续谱光源之间 时，获得的闲频光载波相位为一个常数，因而其载波相位是稳定的。另外，在 参量放大的过程中，信号光的相位是不会发生改变的，因此，本发明能实现载 波相位稳定的激光脉冲的放大。

图3是一幅典型的超连续白光光谱，泵浦条件为聚焦数值孔径D=0.015， 泵浦能量E=2μJ。图中可以看出，在533nm附近的光谱强度在10^-2量级，而长 波端一个倍频程（800nm）处的光谱强度与噪声水平接近，几乎不可见。由此 可见，背景技术中所述的用400nm光和超连续谱中的800nm成分进行差频获取 载波相位稳定闲频光的方法，其实现难度要比本方案困难的多，而且其脉冲信 噪比也将大大低于本方案。图4是通过基频-倍频干涉仪测得的通过本发明获得 的载波相位稳定的激光脉冲叠加干涉图。该干涉图由100个脉冲叠加而成，从 图中可以看出，多个脉冲叠加之后，干涉图的对比度仍然非常高，这说明激光 脉冲的载波相位是稳定的。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发 明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明 的保护范围之内。