一种产生中红外波段的矢量超短激光脉冲的装置与方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种产生中红外波段的矢量超短激光脉冲的装置与方法，采用以高功率高亮度的泵浦源和稀土离子掺杂的倍半氧化物陶瓷为核心元件的增益模块实现中红外对应波段的激光输出，然后利用锁模元件实现脉冲激光的输出，利用环形光阑的双折射选模机制实现矢量光束的输出和控制，再通过高非线性介质实现对腔内非线性的管理，通过啁啾镜实现对色散的管理，最终利用圆形光栅作为波导输出耦合镜，获得中红外波段具有矢量特性的全固态超快激光的输出。本发明专利技术获得的中红外波段的径向偏振矢量光束，具有独特的“偏振奇点”效应；且获得的脉冲宽度在光学周期量级，在高精度激光医疗手术、超分辨率成像、量子通讯和阿秒光源等前沿领域具有广泛的应用。

A Device and Method for Generating Vector Ultrashort Laser Pulse in Mid-Infrared Band

【技术实现步骤摘要】
一种产生中红外波段的矢量超短激光脉冲的装置与方法
本专利技术涉及超快激光及矢量光束领域，具体涉及一种产生中红外波段的矢量超短激光脉冲的装置与方法。
技术介绍
2～5μm波段的中红外固体超快激光，具有强水吸收、低光子能量、高峰值功率和极高信噪比和短脉宽等特点。特别是光学周期量级的脉冲，由于其极短的时间尺度(～10-15s)、超高的峰值功率(～106W)等独特性，在高精度激光医疗手术、超分辨率成像、分子指纹谱、量子通讯和阿秒光源等前沿领域具有广泛的应用。特别是矢量超快激光，可应用于微观世界的超快动力学研究和超高功率激光放大器的种子源，极大地推进激光器的发展进程。因此光学周期量级的矢量脉冲成为研究的新热点。目前直接产生超短脉冲的方法有调Q技术和锁模技术，其中调Q技术主要用来产生纳秒量级的大能量脉冲；而产生飞秒量级的脉冲激光最常用的就是锁模方法。现有固体激光脉冲通过锁模方法很难获得周期量级的超短脉冲，原因主要有以下两点：(1)增益介质本身的带宽严格限制了中红外波段通过锁模方法获得的脉宽。根据公式Δt＝h/ΔE可知，锁模脉宽严格受限于增益介质的发射带宽和光谱形态。(2)固体激光系统的弱非线性。这是由于传统基模高斯光束的衍射极限导致的。根据自调制系数的公式δ＝(2πn2)L/λ·Aeff可知，为了获得短脉宽，需要增加非线性来展宽光谱。现有增加非线性的方法都是基于非线性转换的间接过程，主要分为三种。第一种需要高光束质量的泵浦源(通常是单模光纤激光器)增加泵浦亮度缩小腔模Aeff，增加等效相互作用长度，这种方法成本较高且效果有限；第二种是采用非常低的耦合输出镜(<0.5％)增加腔内功率密度来增强非线性，这种方法能增加的非线性很有限，且牺牲了输出功率；第三种是增加材料的非线性折射率n2，这种方法受限于材料的自身原子排列结构。综上所述，需要开发新的增加非线性的方法来展宽光谱，从而获得光学周期量级的超短脉冲。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种产生中红外波段的矢量超短激光脉冲的装置。本专利技术的另一目的是提供一种基于上述装置产生中红外波段的矢量超短激光脉冲的方法。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种产生中红外波段的矢量超短激光脉冲的装置，包括激光器泵浦源、光学耦合聚焦系统、平凹镜Ⅰ、激光增益介质、环形光阑、平凹镜Ⅱ、高非线性介质、锁模元件、啁啾镜组、光栅波导输出耦合镜，所述啁啾镜组包括GTI反射镜I，GTI反射镜Ⅱ和GTI反射镜Ⅲ；激光器泵浦源，用于输出泵浦激光；光学耦合聚焦系统，用于将泵浦源产生的泵浦激光聚焦到激光增益介质上；平凹镜Ⅰ，接收激光增益介质产生的增益激光，用于同平凹镜Ⅱ形成共焦谐振腔结构，激光增益介质，接收光学耦合聚焦系统聚焦的泵浦激光，产生热致双折射效应，并产生中红外对应波段的激光，位置在光学耦合聚焦系统的焦点处；环形光阑，具有双折射选模机制，控制激光与泵浦光的模式匹配，实现径向偏振和角向偏振矢量光束的选择性输出与能量比例控制；平凹镜Ⅱ，接收激光增益介质产生的增益激光，用于同平凹镜Ⅰ形成共焦谐振腔结构，并反射到GTI反射镜I上；GTI反射镜I，接收平凹镜Ⅱ反射的增益激光，用于同GTI反射镜Ⅱ形成共焦结构，在腔内提供负色散；高非线性介质，用于对腔内非线性进行管理，实现非线性光谱的展宽，放置于GTI反射镜I和GTI反射镜Ⅱ的焦点；GTI反射镜Ⅱ，接收透过高非线性介质的激光，用于同GTI反射镜I形成共焦结构，在腔内提供负色散，并反射到光栅波导输出耦合镜上；GTI反射镜Ⅲ，接收平凹镜Ⅰ反射的增益激光，用于在腔内提供负色散，并反射到锁模元件上；锁模元件，用于启动中红外对应波段脉冲激光，位置在GTI反射镜Ⅲ的焦点处；光栅波导输出耦合镜，用于将径向偏振光束反射到腔内继续谐振，将角向偏振光束衍射损耗掉，并输出部分径向偏振超快激光用于检测。优选的，所述激光器泵浦源为高功率高亮度的单模光纤激光器，其输出波长与激光增益介质材料的吸收波长相匹配。优选的，所述激光增益介质为稀土离子掺杂的倍半氧化物陶瓷，陶瓷基质材料为陶瓷或立方晶系的单晶，掺杂的稀土离子为Er3+、Tm3+、Ho3+中的一种。优选的，所述环形光阑在腔内的位置灵活，放置在激光器泵浦源和激光增益介质之间，或者放置在激光增益介质之后，或者放置在光栅波导输出耦合镜之前。优选的，所述锁模元件为半导体可饱和吸收镜，调制深度在0.5％～3％之间，工作波段在2μm～5μm之间。优选的，所述高非线性介质采用分立式结构，材料选用中红外波段高透过率、高非线性折射率的各向同性的材料。优选的，所述GTI反射镜I、GTI反射镜Ⅱ和GTI反射镜Ⅲ的数值孔径≥0.7NA，焦距<20mm。优选的，所述光栅波导输出耦合镜为反射式圆形光栅，其在中红外波段，对于径向偏振光束反射率>95％，对于角向偏振光束反射率<70％。本专利技术还提供一种基于上述的装置产生中红外波段的矢量超短激光脉冲的方法，具体步骤为：S1、采用以激光器泵浦源和激光增益介质为核心元件的增益模块实现中红外对应波段的激光输出，其中激光增益介质产生的热致双折射效应可获得径向偏振分量增益；S2、利用锁模元件启动脉冲；S3、利用环形光阑的双折射选模机制实现矢量光束的输出和控制，其中通过调节腔长可实现径向和角向偏振分量的增益选择；S4、通过高非线性介质实现对腔内非线性的管理，通过啁啾镜组实现对色散的管理；S5、通过GTI反射镜I、GTI反射镜Ⅱ和GTI反射镜Ⅲ在锁模元件和高非线性介质上实现深度聚焦，获得光斑小，长焦深的径向光束；S6、利用光栅波导输出耦合镜输出较为纯净的径向偏振光束；S7、通过对输出激光的时域、频域和横模特性进行监测和反馈，以实现参数的最优化，最终获得中红外波段具有矢量特性的全固态飞秒激光的输出。与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：(1)获得了中红外波段周期量级的全固态超短脉冲。在通过锁模方法获得脉冲后，通过克尔介质实现非线性的管理，基于非线性光谱展宽获得周期量级超短脉冲，突破了增益介质本身带宽对脉冲宽度的限制，可直接获得脉冲宽度为2-6个光学周期的高信噪比超短脉冲。中红外波段周期量级的全固态超短脉冲在高精度激光医疗手术，超分辨率成像，量子通讯和阿秒光源等前沿领域具有广泛的应用。(2)获得了具有超快特性的径向偏振矢量光束。首先通过环形光阑选出矢量光束，再通过啁啾镜进行色散补偿和GTI反射镜进行深聚焦，从而获得小光斑，长焦深的径向偏振矢量光束，最后通过设计光栅波导输出耦合镜对径向偏振和角向偏振光束不同的反射率，得到较为纯净的径向偏振矢量超快光束。矢量超快激光由于其长焦深、小光斑的聚焦特性，可应用于微观世界的超快动力学研究和超高功率激光放大器的种子源，极大推进激光器的发展进程。附图说明图1为本专利技术实施例1直接产生3μm波段超短激光脉冲的装置的腔形设计图；图2为本专利技术实施例1直接产生3μm波段超短激光脉冲的装置的探测装置结构示意图；图3为本专利技术装置中脉冲变化趋势示意图；图4为本专利技术实施例1中获得的径向偏振矢量光束的相机图；图5为本专利技术实施例1中获得的脉冲仿真模拟图；图6为本专利技术实施例1中获得的光谱仿真模拟图；图中1-激光器泵浦源，2-平凸镜Ⅰ，3-平凸镜Ⅱ，4-平凹镜Ⅰ，5-激光增益介质，6-环形光阑，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种产生中红外波段的矢量超短激光脉冲的装置，其特征在于，包括激光器泵浦源(1)、光学耦合聚焦系统、平凹镜Ⅰ(4)、激光增益介质(5)、环形光阑(6)、平凹镜Ⅱ(7)、高非线性介质(9)、锁模元件(12)、啁啾镜组、光栅波导输出耦合镜(13)，所述啁啾镜组包括GTI反射镜I(8)、GTI反射镜Ⅱ(10)和GTI反射镜Ⅲ(11)；激光器泵浦源(1)，用于输出泵浦激光；光学耦合聚焦系统，用于将激光器泵浦源(1)产生的泵浦激光聚焦到激光增益介质(5)上；平凹镜Ⅰ(4)，接收激光增益介质(5)产生的增益激光，用于同平凹镜Ⅱ(7)形成共焦谐振腔结构，激光增益介质(5)，接收光学耦合聚焦系统聚焦的泵浦激光，产生热致双折射效应，并产生中红外对应波段的激光，位置在光学耦合聚焦系统的焦点处；环形光阑(6)，具有双折射选模机制，控制激光与泵浦光的模式匹配，实现径向偏振和角向偏振矢量光束的选择性输出与能量比例控制；平凹镜Ⅱ(7)，接收激光增益介质(5)产生的增益激光，用于同平凹镜Ⅰ(4)形成共焦谐振腔结构，并反射到GTI反射镜I上；GTI反射镜I(8)，接收平凹镜Ⅱ(7)反射的增益激光，用于同GTI反射镜Ⅱ(10)形成共焦结构，在腔内提供负色散；高非线性介质(9)，用于对腔内非线性进行管理，实现非线性光谱的展宽，放置于GTI反射镜I(8)和GTI反射镜Ⅱ(10)的焦点；GTI反射镜Ⅱ(10)，接收透过高非线性介质(9)的激光，用于同GTI反射镜I(8)形成共焦结构，在腔内提供负色散，并反射到光栅波导输出耦合镜(13)上；GTI反射镜Ⅲ(11)，接收平凹镜Ⅰ(4)反射的增益激光，用于在腔内提供负色散，并反射到锁模元件(12)上；锁模元件(12)，用于启动中红外对应波段脉冲激光，位置在GTI反射镜Ⅲ(11)的焦点处；光栅波导输出耦合镜(13)，用于将径向偏振光束反射到腔内继续谐振，将角向偏振光束衍射损耗掉，并输出部分径向偏振超快激光用于检测。...

【技术特征摘要】
1.一种产生中红外波段的矢量超短激光脉冲的装置，其特征在于，包括激光器泵浦源(1)、光学耦合聚焦系统、平凹镜Ⅰ(4)、激光增益介质(5)、环形光阑(6)、平凹镜Ⅱ(7)、高非线性介质(9)、锁模元件(12)、啁啾镜组、光栅波导输出耦合镜(13)，所述啁啾镜组包括GTI反射镜I(8)、GTI反射镜Ⅱ(10)和GTI反射镜Ⅲ(11)；激光器泵浦源(1)，用于输出泵浦激光；光学耦合聚焦系统，用于将激光器泵浦源(1)产生的泵浦激光聚焦到激光增益介质(5)上；平凹镜Ⅰ(4)，接收激光增益介质(5)产生的增益激光，用于同平凹镜Ⅱ(7)形成共焦谐振腔结构，激光增益介质(5)，接收光学耦合聚焦系统聚焦的泵浦激光，产生热致双折射效应，并产生中红外对应波段的激光，位置在光学耦合聚焦系统的焦点处；环形光阑(6)，具有双折射选模机制，控制激光与泵浦光的模式匹配，实现径向偏振和角向偏振矢量光束的选择性输出与能量比例控制；平凹镜Ⅱ(7)，接收激光增益介质(5)产生的增益激光，用于同平凹镜Ⅰ(4)形成共焦谐振腔结构，并反射到GTI反射镜I上；GTI反射镜I(8)，接收平凹镜Ⅱ(7)反射的增益激光，用于同GTI反射镜Ⅱ(10)形成共焦结构，在腔内提供负色散；高非线性介质(9)，用于对腔内非线性进行管理，实现非线性光谱的展宽，放置于GTI反射镜I(8)和GTI反射镜Ⅱ(10)的焦点；GTI反射镜Ⅱ(10)，接收透过高非线性介质(9)的激光，用于同GTI反射镜I(8)形成共焦结构，在腔内提供负色散，并反射到光栅波导输出耦合镜(13)上；GTI反射镜Ⅲ(11)，接收平凹镜Ⅰ(4)反射的增益激光，用于在腔内提供负色散，并反射到锁模元件(12)上；锁模元件(12)，用于启动中红外对应波段脉冲激光，位置在GTI反射镜Ⅲ(11)的焦点处；光栅波导输出耦合镜(13)，用于将径向偏振光束反射到腔内继续谐振，将角向偏振光束衍射损耗掉，并输出部分径向偏振超快激光用于检测。2.根据权利要求1所述的一种产生中红外波段的矢量超短激光脉冲的装置，其特征在于，所述激光器泵浦源(1)为高功率高亮度的单模光纤激光器，其输出波长与激光增益介质材料的吸收波长相匹配。3.根据权利要求1所述的一种产生中红外波段的矢量超短激光脉冲的装置，其特征在于，所述激光增益介质(5)为稀土离子掺杂的倍半氧化物陶瓷，基质材...

【专利技术属性】
技术研发人员：周伟，王敬如，沈德元，王昊天，陈祥，朱强，邓磊，曹雪，鲜安华，
申请(专利权)人：江苏师范大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32