一种中长波红外飞秒脉冲产生与放大装置
阅读说明：本技术 一种中长波红外飞秒脉冲产生与放大装置 (medium-long wave infrared femtosecond pulse generating and amplifying devices ) 是由 王向林 徐鹏 王屹山 袁浩 王娜娜 于 2019-09-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种中长波红外飞秒脉冲产生与放大装置。该装置将近红外超短脉冲激光通过双啁啾脉冲光参量放大获得微焦量级的窄带种子光,然后将窄带种子光直接注入掺钬晶体直通放大器中进行能量提升,并作为泵浦光使用；同时采用同一近红外超短脉冲的分束通过光参量转换得到的中长波宽带信号光,最终该中长波宽带信号光和泵浦光再通过光参量过程放大,从而获得放大的中长波红外飞秒脉冲,以便为阿秒脉冲产生提供可靠的驱动源。该装置具有转换效率高、同步精度高的优点,同时能够大幅提高中长波红外飞秒脉冲的脉冲能量和工作重复频率。(The invention discloses a medium-long wave infrared femtosecond pulse generating and amplifying device, which amplifies near-infrared ultrashort pulse laser by double chirp pulse optical parameters to obtain narrow-band seed light with micro-focus level, then directly injects the narrow-band seed light into a holmium-doped crystal through amplifier for energy promotion and uses the narrow-band seed light as pumping light, and simultaneously adopts the beam splitting of near-infrared ultrashort pulse to obtain medium-long wave broadband signal light through optical parameter conversion, and finally amplifies the medium-long wave broadband signal light and the pumping light through an optical parameter process to obtain amplified medium-long wave infrared femtosecond pulse so as to provide a reliable driving source for attosecond pulse generation.)
技术领域
本发明属于超短脉冲产生与放大技术领域，涉及一种中长波红外飞秒脉冲产生与放大装置。
背景技术
阿秒(1as＝10-18s)是目前人类掌握的最短时间尺度，它将人们对微观物质结构的认识从原子、分子和晶格层面推进到了原子内部电子层面。它能清晰地分辨出电子和原子核的运动时间尺度，是测量和控制电子动力学过程的重要手段。2001年，德国马普所的F.Krausz在实验室首次产生了脉宽650as的孤立阿秒脉冲。自阿秒脉冲诞生以来，如何产生更宽的超连续谱并进而压缩得到更短的阿秒脉冲，一直是阿秒科学中最核心的问题。脉冲宽度更窄、光子能量更高的阿秒脉冲可用于原子内壳层电子动力学研究，将成为揭示原子/分子物理、凝聚态物理、化学等学科中最重要的基本过程的有力工具。例如：在基础物理领域中探索原子内壳层电子作用与运动、光电场力操纵原子内电子运动。
根据阿秒产生理论，高次谐波产生的截止波长与驱动激光波长的平方成正比，即
在中长波红外飞秒脉冲所在的光波范围内，缺少宽带、高能量脉冲激光增益介质。并且，如果采用近红外的超短脉冲直接泵浦中长波红外的放大，其转换效率非常低。尤其是，因为近红外的超短脉冲的自身单脉冲能量或重频的限制，最终获得的中长波红外脉冲能量和功率较低，不能满足诸如阿秒脉冲产生这类应用的需求。
发明内容
本发明的目的在于：为了产生更高光子能量、更窄脉宽的阿秒脉冲以及中长波红外飞秒脉冲的相关应用，从而提供一种中长波红外飞秒脉冲产生与放大系统，该系统能够显著提高中长波红外脉冲能量和功率，从而为阿秒脉冲产生提供可靠的驱动源。
本发明的基本原理是：
将单脉冲能量在毫焦量级以上近红外超短脉冲激光通过双啁啾脉冲光参量放大获得微焦量级的窄带宽2.05μm种子光，然后将种子光直接注入掺钬晶体直通放大器中进行能量提升，并作为泵浦光使用。同时采用同一前级近红外超短脉冲的分束光通过光参量转换得到>2.5μm的中长波宽带信号光，该宽带信号光最终通过2.05μm的高能量脉冲泵浦光的光参量过程放大，达到中长波红外飞秒脉冲产生与放大的目的，以便为阿秒脉冲产生提供可靠的驱动源。
本发明解决其技术问题所采用的具体技术方案是：
本发明提供了一种中长波红外飞秒脉冲产生与放大装置，包括近红外超短脉冲激光光源、第一分束镜、第一反射镜、种子光产生及放大单元、掺钬激光放大单元、中长波宽带信号光产生单元、第二反射镜以及双啁啾放大单元；
近红外超短脉冲激光光源的出射光经第一分束镜后分成两路分束，一路光束经过第一反射镜进入种子光产生及放大单元后生成窄带种子光，之后窄带种子光再进入掺钬激光放大单元后成为泵浦光；另一束光路经过中长波宽带信号光产生单元生成中长波宽带信号光；
泵浦光经过第二反射镜反射后，和中长波宽带信号光共同进入双啁啾放大单元后产生能量达到毫焦量级以上的中长波红外飞秒脉冲；
所述近红外超短脉冲激光光源的工作波长为790nm或1μm，其单脉冲能量在毫焦量级以上，可达到数十乃至数百毫焦；
所述窄带种子光波长为2.05μm，其单脉冲能量大于微焦量级；
所述泵浦光波长为2.05μm，其单脉冲能量为窄带种子光的数十倍以上，可达到百毫焦量级；
所述中长波宽带信号光波长＞2.5μm，单脉冲能量仅需纳焦量级。
具体来讲，上述种子光产生及放大单元包括第二分束镜、第三反射镜、第一聚焦镜、第一光谱展宽材料、第一准直镜、第一色散元件、第一差频晶体、滤波器、第二差频晶体、第二色散元件、第三色散元件、第三分束镜、第一反射镜组、第四反射镜以及第二反射镜组；
入射光束通过第二分束镜分成两束光，其中一束光的光路上依次设有第三反射镜、第一聚焦镜、第一光谱展宽材料、第一准直镜、第一色散元件、第一差频晶体、滤波器以及第二差频晶体；
另外一束光经第三分束镜再次分成两束光，一束光依次经第二色散元件、第一反射镜组后注入第一差频晶体；
另一束光依次经第三色散元件、第四反射镜以及第二反射镜组后注入第二差频晶体，从而产生窄带种子光。
具体来讲，上述掺钬激光放大单元为单通掺钬激光放大器或双通掺钬激光放大器或多通掺钬激光放大器或单通、双通和多通的组合放大器。
具体来讲，上所述中长波宽带信号光产生单元包括第四分束镜、第五反射镜、第二聚焦镜、第二光谱展宽材料、第二准直镜、第四色散元件、第三差频晶体、第五色散元件以及第三反射镜组；
入射光束通过第四分束镜分成两束光，其中一束光的光路上依次设置第五反射镜、第二聚焦镜、第二光谱展宽材料、第二准直镜、第四色散元件以及第三差频晶体；
另一束光依次经过第五色散元件、第三反射镜组入射至第三差频晶体，从而产生中长波宽带信号光。
具体来讲，上述双啁啾放大单元包括第六色散元件、第四差频晶体、色散补偿器件、第七色散元件以及第四反射镜组；
中长波宽带信号光的光路上依次第六色散元件、第四差频晶体、色散补偿器件；
泵浦光依次经第七色散元件、第四反射镜组后入射至第四差频晶体，从而产生中长波红外飞秒脉冲。
具体来讲，上述近红外超短脉冲激光光源为固体或光纤超短脉冲激光器。
具体来讲，上述第一差频晶体、第二差频晶体、第三差频晶体均采用偏硼酸钡(BBO)或偏硼酸铋(BI BO)或周期极化铌酸锂(PPLN)材料制成，第四差频晶体采用磷锗锌晶体(ZGP)制成。
具体来讲，上述第一色散元件、第二色散元件、第三色散元件、第四色散元件、第五色散元件为块材料或光栅对或棱镜对或体布拉格光栅或啁啾镜。
具体来讲，上述第六色散元件和第七色散元件为声光可编程逻辑器件(AOPDF)。
具体来讲，上述第一光谱展宽材料采用白宝石(Al2O3)；第二光谱展宽材料采用砷酸钛氧钾(KTA)晶体或白宝石。
本发明的有益效果是：
1、本发明总体上采用光参量技术得到微焦量级以上的窄带2.05μm种子光，将其直接注入掺钬直通放大提升脉冲能量，用于泵浦中长波红外飞秒脉冲放大。该方法具有转换效率高、同步精度高的优点，同时能够大幅提高中长波红外飞秒脉冲的脉冲能量和工作重复频率，从而为阿秒脉冲产生提供可靠的驱动源，并为生物医药、强场物理、太赫兹等领域的应用提供强有力的支持。
2、本发明中2.05μm种子光的产生，采用双啁啾光参量放大技术调节色散量的途径得到窄带宽的、微焦量级的2.05μm种子光。窄光谱带宽能够很好的匹配掺钬晶体的发射谱宽；而微焦量级的脉冲能量能够直接通过掺钬直通放大，为后续放大的高精度同步提供保障。
3、本发明中掺钬晶体直通放大用于能量提升的优点：掺钬晶体上能级寿命长，可直接采用1.94μm的掺铥连续激光泵浦，转换效率高；并且掺钬晶体放大的重复频率可从kHz至MHz，可实现高重复频率。
4、本发明中采用2.05μm的脉冲激光作为中长波飞秒脉冲放大的泵浦光，相较于现有790nm或1μm波长超短脉冲，泵浦光到中长波红外的转换效率更高。
附图说明
图1为本发明的原理框图；
图2为种子光产生及放大单元的结构示意图；
图3为单通掺钬激光放大器的结构示意图；
图4为双通掺钬激光放大器的结构示意图；
图5为多通掺钬激光放大器的结构示意图；
图6为中长波宽带信号光产生单元的结构示意图；
图7为双啁啾放大单元的结构示意图。
附图标记如下：
1-近红外超短脉冲激光光源、2-第一分束镜、3-第一反射镜、4-种子光产生及放大单元、5-掺钬激光放大单元、6-中长波宽带信号光产生单元、7-第二反射镜、8-双啁啾放大单元、10-第二分束镜、11-第三反射镜、12-第一聚焦镜、13-第一光谱展宽材料、14-第一准直镜、15-第一色散元件、16-第一差频晶体、17-滤波器、18-第二差频晶体、19-第二色散元件、20-第三色散元件、21-第三分束镜、22-第一反射镜组、23-第四反射镜、24-第二反射镜组、25-第四分束镜、26-第五反射镜、27-第二聚焦镜、28-第二光谱展宽材料、29-第二准直镜、30-第四色散元件、31-第三差频晶体、32-第五色散元件、33-第三反射镜组、34-第六色散元件、35-第四差频晶体、36-色散补偿器件、37-第七色散元件、38-第四反射镜组。
01-啁啾脉冲展宽器、02-光隔离器、03-掺钬晶体、04-光纤准直器、05-泵浦源；06-啁啾脉冲压缩器、07-二向色分光镜；08-第六反射镜、09-偏振分束器、010-四分之一波片、011-0o反射镜、012-第七反射镜。
M1、M2、M3、M4、M5、M6、M7、M8、M9、M10、M11、M12、M13-反射镜。
具体实施方式
为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种中长波红外飞秒脉冲产生与放大装置作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是：附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的；其次，附图所展示的结构往往是实际结构的一部分。
本发明为了实现中红外波段的阿秒驱动源，基于近红外超短脉冲激光光源，结合双啁啾、掺钬激光放大等技术手段，实现载波包络相位稳定的中长波飞秒脉冲产生与放大。中长波飞秒脉冲产生与放大装置的基本实现原理如图1所示：包括近红外超短脉冲激光光源1、第一分束镜2、第一反射镜3、种子光产生及放大单元4、掺钬激光放大单元5、中长波宽带信号光产生单元6、第二反射镜7以及双啁啾放大单元8；
近红外超短脉冲激光光源1输出的飞秒脉冲(该脉冲波长为790nm或1μm，且单脉冲能量在毫焦量级以上)通过第一分束镜2分为两束，第一束经第一反射镜3后进入种子光产生及放大单元4得到窄带种子光(窄带种子光波长为2.05μm，其单脉冲能量大于微焦量级)，然后窄带种子光再进入掺钬激光放大单元5进行脉冲能量提升，放大后输出数毫焦乃至数百毫焦的皮秒脉冲作为后级放大的泵浦光，该泵浦光波长为2.05μm，其单脉冲能量为窄带种子光的数十倍以上；
第二束将经过中长波宽带信号光产生单元6，获得中长波红外宽带信号光，所述中长波红外宽带信号光波长＞2.5μm，其单脉冲能量仅需纳焦量级；最终，泵浦光经过第二反射镜7反射后，和中长波宽带信号光共同进入双啁啾放大单元8后放大所需的中长波红外飞秒脉冲。
基于如前对装置基本结构的描述，现对该装置中每一光学器件的具体结构及工作原理做一下详细的陈述：
近红外超短脉冲激光光源
近红外超短脉冲激光光源作为前级光源，其单脉冲能量在毫焦量级以上，其波长主要是1μm和790nm，并且在具体实施过程中近红外超短脉冲激光光源可以选择钛宝石飞秒放大器或掺镱固体皮秒/飞秒放大器或掺镱光纤皮秒/飞秒放大器或掺钕皮秒/飞秒激光器中任意一种。
种子光产生及放大单元
如图2所示，种子光产生及放大单元包括第二分束镜10、第三反射镜11、第一聚焦镜12、第一光谱展宽材料13、第一准直镜14、第一色散元件15、第一差频晶体16、长通滤波器17、第二差频晶体18、第二色散元件19、第三色散元件20、第三分束镜21、第一反射镜组22、第四反射镜23以及第二反射镜组24；
入射光束通过第二分束镜10分成两束光，其中一束光的光路上依次设有第三反射镜11、第一聚焦镜12、第一光谱展宽材料13、第一准直镜14、第一色散元件15、第一差频晶体16、长通滤波器17以及第二差频晶体18；
另外一束光经第三分束镜21再次分成两束光，一束光依次经第二色散元件19、第一反射镜组22后注入第一差频晶体16；
另一束光依次经第三色散元件20、第四反射镜23以及第二反射镜组24后注入第二差频晶体18，从而产生窄带种子光。
其工作原理是：将近红外超短脉冲激光光源输出的飞秒脉冲采用第二分束镜10再次分束，其中一束通过第一聚焦镜12聚焦到第一光谱展宽材料13(一般为白宝石片)中进行光谱展宽，获得1.29μm波长的信号光。再由第一准直镜14准直，经过第一色散元件15获得时域展宽。
另一束经过第三分束镜21再次分束，其中一束通过第三色散元件20调节脉冲宽度，利用第一反射镜组22调节延时后泵浦到第一差频晶体16(BBO晶体)，利用790nm与1.29μm脉冲在第一差频晶体16中的光参量过程获得2.05μm的脉冲激光，经长通滤波器17进入后一级BBO双啁啾光参量放大。其中另一束790nm的基频光经过第三色散元件20调节脉冲宽度，由第四反射镜23反射后，利用第二反射镜组24调节延时后泵浦第二差频晶体18，实现2.05μm种子光的放大。由此可见本发明中的种子光产生及放大单元采用双啁啾光参量放大器的原理，因此可根据实验中实际放大需求确定是单级或多级级联使用，最终使输出2.05μm波长脉冲激光的单脉冲能量达到微焦量级以上。
掺钬激光放大单元
该掺钬激光放大单元包括可以为单通掺钬激光放大器或双通掺钬激光放大器或多通掺钬激光放大器或单通、双通和多通的组合放大器中的任意一种。掺钬激光放大单元中的掺钬晶体材质为Ho:YLF晶体、Ho:YAG晶体或铥钬共掺晶体。掺钬晶体的激光辐射能级寿命约10ms，所以可采用连续激光进行泵浦就可以实现重复频率几百Hz以上的脉冲放大；并且采用1.94μm的掺铥连续激光进行同带泵浦Ho:YLF晶体，具有非常高的光转换效率。
下面分别结合附图对单通掺钬激光放大器或双通掺钬激光放大器或多通掺钬激光放大器的做一下以下简单介绍：
(1)单通掺钬激光放大器
如图3所示，单通掺钬激光放大器包括啁啾脉冲展宽器01、光隔离器02、掺钬晶体03、光纤准直器04、泵浦源05、啁啾脉冲压缩器06、二向色分光镜07以及第六反射镜08；
经前一单元(种子光产生及放大单元)产生的2.05μm的种子光输入啁啾脉冲展宽器01(一般选用啁啾体布拉格光栅)获得百皮秒的展宽量，再经过光隔离器02后进入掺钬晶体03中进行放大；最后由二向色分光镜07和第六反射镜08反射到一个啁啾脉冲压缩器06进行脉宽压缩后输出。其中，泵浦源05是掺铥连续激光器，其输出经过光纤准直器04准直，透过二向色分光镜07进入掺钬晶体03实现泵浦。
(2)双通掺钬激光放大器
如图4所示，双通掺钬激光放大器包括啁啾脉冲展宽器01、光隔离器02、偏振分束器09、掺钬晶体03、四分之一波片010、光纤准直器04、泵浦源05、啁啾脉冲压缩器06、0o反射镜011、二向色分光镜07以及第七反射镜012；
经前一单元(种子光产生及放大单元)产生的2.05μm的种子光输入啁啾脉冲展宽器01(一般选用啁啾体布拉格光栅)获得百皮秒的展宽量，再经过光隔离器02和偏振分束器09后进入掺钬晶体03中进行放大；然后，由二向色分光镜07反射经过四分之一波片010(晶轴方向与激光偏振方向成45o)到达0o反射镜011上，反射光再次经过四分之一波片010将激光的偏振方向旋转90o；此后，激光将沿反向通过二向色分光镜和掺钬晶体03再次放大；最终，由偏振分束器09反射到第七反射镜012，再反射进入啁啾脉冲压缩器06进行脉宽压缩后输出。其中，泵浦源05是掺铥连续激光器，其输出经过光纤准直器04准直，透过二向色分光镜07进入掺钬晶体03实现泵浦。
(3)多通掺钬激光放大器
如图5所示，多通掺钬激光放大器(图中为5通可根据具体参数多余或少于5通)包括啁啾脉冲展宽器01、光隔离器02、掺钬晶体03、光纤准直器04、泵浦源05、啁啾脉冲压缩器06、反射镜M1、反射镜M2、反射镜M3、反射镜M4、反射镜M5、反射镜M6、反射镜M7、反射镜M8、反射镜M9、反射镜M10、反射镜M11以及反射镜M12；
经前一单元(种子光产生及放大单元)产生的2.05μm的种子光输入啁啾脉冲展宽器01(一般选用啁啾体布拉格光栅)获得百皮秒的展宽量，再经过光隔离器02后由反射镜M6和M3反射进入掺钬晶体03中进行放大；然后依次经过反射镜M9、M7、M5、M2、M10、M8、M4、M1反射多次通过掺钬晶体03放大，最后由反射镜M11和M12反射到一个啁啾脉冲压缩器06进行脉宽压缩后输出。其中，泵浦源05是掺铥连续激光器，其输出经过光纤准直器04准直后进入掺钬晶体03实现泵浦。图中示意了5通放大结构，可根据实际放大需求，增加或减少反射镜的数量实现放大通数的增减。
中长波宽带信号光产生单元
如图6所示，中长波宽带信号光产生单元第四分束镜25、第五反射镜26、第二聚焦镜27、第二光谱展宽材料28、第二准直镜29、第四色散元件30、第三差频晶体31、第五色散元件32以及第三反射镜组33；
入射光束通过第四分束镜25分成两束光，其中一束光的光路上依次设置第五反射镜26、第二聚焦镜27、第二光谱展宽材料28、第二准直镜29、第四色散元件30以及第三差频晶体31；
另一束光依次经过第五色散元件32、第三反射镜组33入射至第三差频晶体31，从而产生中长波宽带信号光。
其工作原理是：将近红外超短脉冲激光光源输出的飞秒脉冲(该脉冲波长为800nm或1μm，且单脉冲能量在毫焦量级以上)利用第四分束镜25分为两束。其中一束激光经过第五反射镜26反射，再由第二聚焦镜27聚焦到第二光谱展宽材料28(如KTA晶体)中实现光谱扩展，然后由第二准直镜29准直后经过第四色散元件30调节脉冲包含的色散量；而另一束激光先进入第五色散元件32调节色散量，并经过第三反射镜组调节光延时。最终，两束激光在第三差频晶体31中实现时间同步和空间重合，将超宽光谱中的长波光谱成分与近红外脉冲经差频过程获得波长>2.5μm的信号光。其中第三反射镜组33为光延迟线，调节两路光的在时间上精确重合。此外，为了最终获得>2.5μm的宽光谱、窄脉宽飞秒脉冲输出，该部分的关键在于调节第四色散元件30和第五色散元件32的色散量，在第三差频晶体31中实现宽光谱的相位匹配。
研究中长波阿秒驱动源，而阿秒脉冲产生技术需要其驱动源具有尽可能窄的脉冲宽度、载波包络相位稳定的特点。中长波信号光是由前级超短脉冲放大脉冲光的展宽光谱经过差频过程产生>2.5μm闲频光，其载波包络相位是被动稳定的。
双啁啾放大单元
如图7所示，双啁啾放大单元包括第六色散元件34、第四差频晶体35、色散补偿器件36、第七色散元件37以及第四反射镜组38；
中长波宽带信号光的光路上依次第六色散元件34、第四差频晶体35、色散补偿器件36；泵浦光依次经第七色散元件37、第四反射镜组38后入射至第四差频晶体35，从而产生中长波红外飞秒脉冲。
其工作原理是：利用上述产生的>2.5μm中长波宽带信号光和2.05μm泵浦光分别经过第六色散元件34和第七色散元件37后的时域展宽光，通过在第四差频晶体35中的光参量过程放大至>2.5μm的中长波红外飞秒脉冲，时间同步可使用第四反射镜组38的调节实现。最后，采用色散补偿器件36进行色散补偿达到压缩脉冲宽度的目的。色散补偿器件36构成的压缩器可采用光栅对、棱镜对、块材料、体布拉格光栅、啁啾镜。而第四差频晶体35可采用磷锗锌(ZGP)晶体，利用前级Ho:YLF放大的2.05μm皮秒脉冲泵浦ZGP晶体，对波长>2.5μm的信号光进行宽光谱放大。在信号光进入双啁啾光参量放大之前，第六色散元件34可采用商业产品声光可编程逻辑器件(AOPDF)进行色散调节，将脉宽展宽到几个皮秒。由于AOPDF在此波段引入了负色散，所以信号光为负啁啾脉冲，在压缩阶段采用块材料硅(Si)提供正色散进行补偿；而硅材料引入的高阶色散可通过AOPDF的色散可调功能达到预补偿的目的。双啁啾光参量放大的2.05μm泵浦光可***正色散或负色散材料作为第七色散元件37对其啁啾量进行调节，从而优化>2.5μm放大脉冲的谱宽、能量。
最后所应说明的是，上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。