一种中红外宽谱飞秒激光产生装置和方法

摘要

本发明公开了一种中红外宽谱飞秒激光产生装置和方法，装置包括：倍频器，用于将接收的整形后的飞秒激光光束作为基频光，产生倍频光，将包含基频光和倍频光的光束经过波片，对基频光的偏振方向进行旋转，使其与倍频光的偏振方向相同；延迟器，用于接收偏振对齐且共线的基频光和倍频光，调整基频光与倍频光的延迟，使其在时间上重合；聚焦镜，用于接收基频光与倍频光合并后共线的输出光束，将其聚焦到气体室中；气体室，用于产生中红外宽谱飞秒激光；准直镜，用于将接收的中红外宽谱飞秒激光准直为平行光后输出。本发明解决了气体扰动导致的光束稳定性问题和臭氧对光学器件的腐蚀问题。

说明书

技术领域

本发明涉及激光领域，具体涉及一种中红外宽谱飞秒激光产生装置和方法。

背景技术

中红外波段波长范围在2到20μm之间，是分子光谱学的指纹区，通过表征分子在中红外波段的吸收，可以解析分子的种类、结构等信息，对基础研究、国防军工、医疗卫生、工业环境等众多领域都具有重要应用。飞秒中红外光源结合了飞秒激光的时间分辨特性，通过与可见、紫外飞秒激光结合，广泛应用于超快时间分辨动力学测量，以解析物质分子的振动能量传递过程。目前，主流的中红外飞秒激光光谱产生方法包括光参量放大结合差频的方法，以及气体等离子体多波长非线性变换的方法。前者受限于晶体相位匹配角，激光频率范围集中，单位频率内激光能量密度较高。后者在红外波段能量密度较低，但产生的光谱范围几乎可覆盖整个中红外波段。在红外飞秒时间分辨光谱学测量中，气体等离子体多波长非线性变换的方法产生的红外光具有更加平坦的光谱曲线，通过与红外光谱仪联用，可实现更高的数据收集效率。同时，气体等离子体多波长非线性变换技术的实现原理和系统结构也比前者更加简单，对激光光源的光束质量要求也相对较低，具有良好的应用潜力。

基于气体等离子体多波长非线性变换的宽频中红外飞秒激光产生装置，主要原理如下：首先通过将基频的飞秒激光倍频，并调整其偏振方向使其与基频光相同，之后调整基频光和倍频光在空间上和时间上重合并聚焦在气体中，产生等离子体。两束光在等离子体中进行非线性频率变换，进而产生中红外飞秒激光，最后准直输出。

当飞秒激光聚焦在气体中时，焦点位置的能量密度极高，气体被电离成为等离子体并发出光和声波。目前已有的方案是直接将焦点置于空气中，但是，这一方案有两个严重的问题：(1)由于红外光的产生过程是复杂的非线性光学过程，产生的中红外光强度和光谱对焦点位置的气体状态非常敏感，空气的轻微扰动会导致输出红外光的剧烈抖动，因此采用这一方案得到的红外光稳定性很差；(2)空气中的等离子体会持续产生的臭氧，在长时间连续工作中会导致焦点周围的镜片和光机原件的快速腐蚀。这两个问题的存在，导致这一技术难以应用于红外瞬态吸收光谱学测量，阻碍了这一技术的仪器化、商品化发展进程。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种中红外宽谱飞秒激光产生装置和方法，通过使用特殊设计的气体室，并将焦点置于气体室内，解决了气体扰动导致的光束稳定性问题和臭氧对光学器件的腐蚀问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种中红外宽谱飞秒激光产生装置，包括：沿光路设置的倍频器、延迟器、聚焦镜、气体室和准直镜；

所述倍频器，用于将接收的飞秒激光光束作为基频光，产生与所述基频光的偏振方向垂直的倍频光，将包含所述基频光和所述倍频光的光束经过波片，对所述基频光的偏振方向进行旋转，使其与所述倍频光的偏振方向相同；

所述延迟器，用于接收偏振对齐且共线的所述基频光和所述倍频光，调整所述基频光与所述倍频光的延迟，使所述基频光与所述倍频光在时间上重合；

所述聚焦镜，用于接收所述基频光与所述倍频光合并后共线的输出光束，将所述输出光束聚焦到所述气体室中；

所述气体室，用于当所述基频光与所述倍频光在空间和时间上均重合时，在内部聚焦产生等离子体，经过非线性光学变换产生中红外宽谱飞秒激光；

所述准直镜，用于将接收的中红外宽谱飞秒激光准直为平行光后输出。

进一步，如上所述的中红外宽谱飞秒激光产生装置，所述波片为双波长波片，对基频光为半波片，对倍频光为全波片。

进一步，如上所述的中红外宽谱飞秒激光产生装置，所述延迟器包括：沿光路设置的二向色镜、倍频光全反射镜和位于平移台上的基频光全反射镜；

偏振对齐且共线的所述基频光和所述倍频光经过所述二向色镜后，所述倍频光被反射，反射光被所述倍频光全反射镜反射回所述二向色镜，同时，所述基频光透过所述二向色镜，被所述基频光全反射镜反射，调整所述基频光全反射镜的位置使所述基频光在所述二向色镜上与所述倍频光重合并共线，前后调整所述平移台的位置使所述基频光与所述倍频光在时间上重合，再次经过所述二向色镜时，得到所述基频光与所述倍频光合并后共线的输出光束。

进一步，如上所述的中红外宽谱飞秒激光产生装置，所述气体室包括：入射窗口、壳体和出射窗口，所述入射窗口和所述出射窗口分别与所述壳体连接，共同组成气密结构，且内部充满惰性气体。

进一步，如上所述的中红外宽谱飞秒激光产生装置，所述入射窗口采用可透过飞秒基频光与倍频光的光学玻璃，所述出射窗口采用可透过红外光的光学玻璃；

所述基频光与所述倍频光合并后共线的输出光束透过所述入射窗口后，在所述气体室内部聚焦产生等离子体，经过非线性光学变换产生中红外宽谱飞秒激光，透过所述出射窗口输出。

本发明实施例中还提供了一种中红外宽谱飞秒激光产生方法，包括以下步骤：

S100、倍频器将接收的飞秒激光光束作为基频光，产生与所述基频光的偏振方向垂直的倍频光；

S200、将包含所述基频光和所述倍频光的光束经过波片，对所述基频光的偏振方向进行旋转，使其与所述倍频光的偏振方向相同；

S300、延迟器接收偏振对齐且共线的所述基频光和所述倍频光，调整所述基频光与所述倍频光的延迟，使所述基频光与所述倍频光在时间上重合；

S400、聚焦镜接收所述基频光与所述倍频光合并后共线的输出光束，将所述输出光束聚焦到所述气体室中；

S500、所述气体室当所述基频光与所述倍频光在空间和时间上均重合时，在内部聚焦产生等离子体，经过非线性光学变换产生中红外宽谱飞秒激光；

S600、准直镜将接收的中红外宽谱飞秒激光准直为平行光后输出。

进一步，如上所述的中红外宽谱飞秒激光产生方法，所述波片为双波长波片，对基频光为半波片，对倍频光为全波片。

进一步，如上所述的中红外宽谱飞秒激光产生方法，所述延迟器包括：沿光路设置的二向色镜、倍频光全反射镜和位于平移台上的基频光全反射镜；S400包括：

偏振对齐且共线的所述基频光和所述倍频光经过所述二向色镜后，所述倍频光被反射，反射光被所述倍频光全反射镜反射回所述二向色镜，同时，所述基频光透过所述二向色镜，被所述基频光全反射镜反射，调整所述基频光全反射镜的位置使所述基频光在所述二向色镜上与所述倍频光重合并共线，前后调整所述平移台的位置使所述基频光与所述倍频光在时间上重合，再次经过所述二向色镜时，得到所述基频光与所述倍频光合并后共线的输出光束。

进一步，如上所述的中红外宽谱飞秒激光产生方法，所述气体室包括：入射窗口、壳体和出射窗口，所述入射窗口和所述出射窗口分别与所述壳体连接，共同组成气密结构，且内部充满惰性气体。

进一步，如上所述的中红外宽谱飞秒激光产生方法，所述入射窗口采用可透过飞秒基频光与倍频光的光学玻璃，所述出射窗口采用可透过红外光的光学玻璃；S600包括：

所述基频光与所述倍频光合并后共线的输出光束透过所述入射窗口后，在所述气体室内部聚焦产生等离子体，经过非线性光学变换产生中红外宽谱飞秒激光，透过所述出射窗口输出。

本发明的有益效果在于：本发明使用特殊设计并充惰性气体的密闭气体室，通过将光束焦点置于气体室内，大大提高了输出红外光的稳定性，同时解决了等离子体产生臭氧导致光学元件腐蚀的问题。

附图说明

图1为本发明实施例中提供的一种中红外宽谱飞秒激光产生装置的结构示意图；

图2为本发明实施例中提供的一种中红外宽谱飞秒激光产生方法的流程示意图。

附图中：1-光束整形器；2-倍频器；3-波片；4-二相色镜；5-倍频光全反射镜；6-基频光全反射镜；7-平移台；8-聚焦镜；9-气体室；10-反射式准直镜；11-输出镜。

具体实施方式

为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案作进一步的详细描述。

本发明实施例提供了一种中红外宽谱飞秒激光产生装置，如图1所示，该装置包括：沿光路设置的光束整形器1、倍频器2、延迟器、聚焦镜8、气体室9和准直镜10。光束整形器1，用于将飞秒激光光束整形后传输至倍频器2。倍频器2，用于将接收的整形后的飞秒激光光束作为基频光，产生与基频光的偏振方向垂直的倍频光，将包含基频光和倍频光的光束经过波片，对基频光的偏振方向进行旋转，使其与倍频光的偏振方向相同。延迟器，用于接收偏振对齐且共线的基频光和倍频光，调整基频光与倍频光的延迟，使基频光与倍频光在时间上重合。聚焦镜8，具体可以使用反射式聚焦镜，用于接收基频光与倍频光合并后共线的输出光束，将输出光束聚焦到气体室9中。气体室9，用于当基频光与倍频光在空间和时间上均重合时，在内部聚焦产生等离子体，经过非线性光学变换产生中红外宽谱飞秒激光。准直镜10，用于将接收的中红外宽谱飞秒激光准直为平行光后输出。

本发明实施例中，输入飞秒激光光束经过光束整形器1后，光束直径被调整到合适尺寸，光束直径以其可在倍频器2即倍频晶体中获得高倍频效率，同时在聚焦处获得正确的数值孔径为准。

本发明实施例中，波片3为双波长波片，对基频光为半波片，对倍频光为全波片，因此可借助其对基频光束偏振方向进行调整，同时保持倍频光束偏振方向不变。

本发明实施例中，延迟器包括：沿光路设置的二向色镜、倍频光全反射镜和位于平移台上的基频光全反射镜。偏振对齐且共线的基频光和倍频光经过二向色镜后，倍频光被反射，反射光被倍频光全反射镜反射回二向色镜，同时，基频光透过二向色镜，被基频光全反射镜反射，调整基频光全反射镜的位置使基频光在二向色镜上与倍频光重合并共线，前后调整平移台的位置使基频光与倍频光在时间上重合，再次经过二向色镜时，得到基频光与倍频光合并后共线的输出光束。

本发明实施例中，气体室为本发明核心部件，包括：入射窗口、壳体和出射窗口，入射窗口和出射窗口分别与壳体连接，共同组成气密结构，且内部充满惰性气体，以实现稳定等离子体状态和消除臭氧的目的，最终时间提高光束稳定性以及避免光学元件腐蚀的目的。基频光与倍频光合并后共线的输出光束透过入射窗口后，在气体室内部聚焦产生等离子体，经过非线性光学变换产生中红外宽谱飞秒激光，透过出射窗口输出，为了实现上述光路的传输，入射窗口采用可透过飞秒基频光与倍频光的光学玻璃，出射窗口采用可透过红外光的光学玻璃，壳体采用不锈钢，三者是一体加工制作。具体地，入射窗口可以为石英窗片，出射窗口可以为氟化钙窗片，惰性气体可以为高纯度氩气。

如图1所示，上述装置的光路传输过程如下：输入飞秒激光光束a为800nm波长的飞秒激光光束，经过光束整形器1后，光束直径被调整到合适尺寸，得到光束b即基频光。经过BBO倍频器2后，产生了波长为400nm且与基频光共线的倍频光c，这一光束与基频光束偏振方向垂直。波片3为双波长波片，对800nm基频光为半波片，同时为400nm倍频光为全波片，调整波片3使800nm基频光偏振方向旋转并与400nm倍频光偏振方向对齐，得到光束d。偏振对齐且共线的两束光经过二相色镜4后，400nm倍频光被反射，反射角度略小于90度，即光束e。反射光被倍频光全反射镜5反射回到二相色镜4，位置略微偏离二相色镜4分光位置。同时，800nm基频光透过二相色镜4，被基频光全反射镜6反射，即光束f。基频光全反射镜6被调整到使被反射的800nm基频光在二相色镜4上与400nm倍频光重合并共线。前后调整平移台7的位置使800nm基频光与400nm倍频光在时间上重合。再次经过二相色镜4时两束光重新合为一束光g，并被聚焦镜8聚焦，聚焦光束h进入气体室9，且焦点位于气体室9内部。

气体室由石英窗片、不锈钢壳体和氟化钙窗片一体加工制作而成，内部空腔内充高纯度氩气。被聚焦镜8反射的双波长激光光束h透过石英窗片后，在气体室内部聚焦并形成等离子体区域，经过非线性光学变换，光束变为含有宽谱红外光的超连续飞秒激光i，透过氟化钙窗片输出。准直镜10将光束i准直后，反射到输出镜11后输出，即光束j。

采用本发明实施例的装置，使用特殊设计并充惰性气体的密闭气体室，通过将光束焦点置于气体室内，大大提高了输出红外光的稳定性，同时解决了等离子体产生臭氧导致光学元件腐蚀的问题。

本发明实施例还提供了一种中红外宽谱飞秒激光产生方法，如图2所示，包括以下步骤：

S100、倍频器将接收的飞秒激光光束作为基频光，产生与基频光的偏振方向垂直的倍频光；

S200、将包含基频光和倍频光的光束经过波片，对基频光的偏振方向进行旋转，使其与倍频光的偏振方向相同；

S300、延迟器接收偏振对齐且共线的基频光和倍频光，调整基频光与倍频光的延迟，使基频光与倍频光在时间上重合；

S400、聚焦镜接收基频光与倍频光合并后共线的输出光束，将输出光束聚焦到气体室中；

S500、气体室当基频光与倍频光在空间和时间上均重合时，在内部聚焦产生等离子体，经过非线性光学变换产生中红外宽谱飞秒激光；

S600、准直镜将接收的中红外宽谱飞秒激光准直为平行光后输出。

采用本发明实施例的方法，使用特殊设计并充惰性气体的密闭气体室，通过将光束焦点置于气体室内，大大提高了输出红外光的稳定性，同时解决了等离子体产生臭氧导致光学元件腐蚀的问题。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。