[发明专利]基于色散和非线性管理光参量振荡器的脉冲压缩方法

说明书

技术领域

本发明涉及光参量振荡器，特别是一种基于色散和非线性管理光参量振荡器的脉冲压缩方法。

背景技术

飞秒激光拥有持续时间短，峰值功率高等优点，其在物理、化学和生物等领域有着广泛的应用。光参量振荡器是产生中红外激光的重要手段。中红外波段超快激光在超快分子光谱学、半导体材料微加工、大气通讯、激光医疗等领域有着重要的潜在应用。

光脉冲压缩是一种将长脉冲压缩为超短脉冲的技术手段。通常的脉冲压缩技术有：1.利用级联非线性进行多级脉冲压缩[钱列加，张东方，谢国强，朱鹤元，一种基于级联非线性过程的高倍速率多级脉冲压缩方法，发明专利，公开号：1972042A]。该方法只适应于高能量脉冲的压缩(脉冲能量mJ级以上)。2.基于大尺度材料的三级非线性的脉冲压缩方法[C Rolland,P B Corkum,Compression of high-power optical pulses.J Opt Soc Am B 1988,5:641-647]。该方法光束会发生变形，并且会受到自聚焦的制约。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于色散和非线性管理光参量振荡器(OPO)的脉冲压缩方法，在光参量振荡器中通过管理腔内净色散和三阶非线性来产生宽带巨线性啁啾脉冲，再通过腔外色散补偿对宽带巨线性啁啾脉冲进行脉冲压缩以实现飞秒脉冲输出，可有效的通过长脉冲泵浦OPO来产生不同波段的超短飞秒脉冲。

宽带巨线性啁啾脉冲在单谐振光参量振荡器中产生的机理是：非线性晶体的增益使光脉冲得到放大，色散控制元件使光脉冲形成线性啁啾，三阶非线性元件使光脉冲光谱展宽；当增益、色散和三阶非线性满足一定的关系时，光脉冲就能演化为宽带巨线性啁啾脉冲。本发明首次提出了在光参量振荡器中的通过管理色散和三阶非线性的技术来产生巨线性啁啾光脉冲，并通过腔外色散补偿实现脉冲压缩。该方法的主要优点是通过长脉冲泵浦OPO可产生不同波段的超短飞秒脉冲。

本发明利用同步泵浦的单谐振参量振荡器，选择长脉冲作为泵浦光，只有信号光脉冲在腔内谐振。泵浦光向信号光的参量转化提供了正的增益，腔内的色散元件提供了二阶色散，三阶非线性元件提供的非线性相移展宽了信号光光谱；当色散符号和三阶非线性相移符号相同时，信号光在腔内就能形成宽带巨线性啁啾脉冲。利用本发明产生的光脉冲具有很好的线性啁啾特性，所以能用腔外二阶色散元件来补偿其线性啁啾从而实现脉冲压缩；当腔内线性啁啾脉冲光谱足够宽时就能压缩为超短飞秒脉冲。由于光参量振荡器中非线性晶体通常支持宽的位相匹配带宽，同时腔内的三阶非线性元件可实现有效的信号脉冲光谱展宽，因此通过本发明完全可以实现宽带巨线性啁啾脉冲，进而通过腔外色散补偿产生超短飞秒脉冲。

本发明的具体思路是：通过设计系统参数来满足OPO腔内净色散符号与三阶非线性相移符号相同，实现宽带的巨线性啁啾脉冲产生，再通过腔外色散补偿对信号光脉冲进行压缩从而得到超短飞秒脉冲，具体包括下列步骤：

①根据所需波段的超短脉冲，选择相应波段的信号光；

②设置光参量谐振腔内要有较大的由自位相调制所带来的三阶非线性效应。三阶非线性可使得信号光光谱展宽，较宽的信号光光谱是得到有效脉冲压缩的前提条件。腔内的三阶非线性效应可以由三种途径来提供。

(a)可以通过在谐振腔内插入三阶非线性材料(比如硒化锌晶体)来满足信号光光谱的有效展宽所需求的三阶非线性。

(b)如果非线性晶体本身有很大的非线性折射率n₂(大于10^-19m²/W量级)，该非线性材料也可以由非线性晶体本身来代替。

(c)如果信号光在非线性晶体中有位相失配的二阶光参量过程，非线性效应也可以由信号光在非线性晶体内部的级联非线性所提供。

③光参量谐振腔内需要插入色散控制元件。光参量振荡器中产生宽带巨线性啁啾脉冲要求腔内有二阶色散，并且要求腔内净色散的符号与三阶非线性相移的符号相同。

(a)当三阶非线性材料或者晶体本身提供的非线性相移为正时，应控制腔内净色散符号为正；相反的，如果三阶非线性材料或者晶体提供的三阶非线性相移为负时，则应控制腔内净色散符号为负。

(b)当三阶非线性是由信号光在非线性晶体中的级联非线性所提供时，腔内净色散的正负要根据级联非线性相移的符号来决定。当级联非线性相移符号为正时，腔内净色散符号应为正；相反的，当级联非线性相移符号为负时，腔内净色散符号应为负。