基于参量下转换的高重频中红外波段脉冲光源及产生方法技术

本发明专利技术涉及中红外波段脉冲光源及产生方法，具体涉及一种基于参量下转换的高重频中红外波段脉冲光源及产生方法，用于解决传统中红外波段脉冲光源采用中红外直接锁模方案，受功率低、线宽差等制约，导致整体系统体积庞大、结构复杂，以及基于近红外至中红外的跨频段波长变换的光源结构复杂、造价高昂，而且对操作人员专业性要求极高的不足之处。该基于参量下转换的高重频中红外波段脉冲光源包括泵浦激光单元、脉冲产生单元、脉冲输出单元及状态判定单元。单元。单元。

【技术实现步骤摘要】
基于参量下转换的高重频中红外波段脉冲光源及产生方法


[0001]本专利技术涉及中红外波段脉冲光源及产生方法，具体涉及一种基于参量下转换的高重频中红外波段脉冲光源及产生方法。

技术介绍

[0002]中红外波段是重要的大气窗口，并且与发动机、动力设施等热源相匹配，在光谱、遥感、通信方面有着重要应用。相较于中红外连续激光，中红外波段脉冲激光光源光谱覆盖范围宽、瞬时峰值功率高，与光电器件作用时极易致其瞬间饱和，因此更加意义非凡。
[0003]传统中红外波段脉冲激光通常由中红外波段窄线宽连续激光源(例如光参量振荡OPO光源、量子级联激光器QCL等)与泵浦非线性晶体或可饱和吸收体(SESAM、Cr:ZnS等)进行锁模产生。受器件性能与产生技术所限，目前中红外连续光源由于功率低、线宽差等制约，导致整体系统体积庞大、结构复杂。同时由于系统光路较长、器件繁多，导致耦合损耗大、重复频率(简称重频)低，中红外波段脉冲激光特别是3μm及以上波段发展缓慢，无法满足空间通信对于大频段间隔(即高重频)以及光谱探测对于大带宽范围等现实应用的需求。
[0004]相较而言，近红外波段的连续与脉冲光源技术发展十分成熟，输出功率高、调谐范围广、配套器件多，因此如果可以利用性能先进的近红外激光产生中红外波段脉冲激光，将有望解决上述限制性难题。
[0005]近红外至中红外的跨频段波长变换，虽然可采用传统的体块状晶体实现，但通常情况下转换效率低、阈值需求高，需要极大提升非线性过程产生效率，并且针对同一晶体不同波段处的折射率差异大、群速度色散易失配，上述问题导致基于近红外至中红外的跨频段波长变换的光源结构复杂、造价高昂，而且对操作人员专业性要求极高。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是解决传统中红外波段脉冲光源采用中红外直接锁模方案，受功率低、线宽差等制约，导致整体系统体积庞大、结构复杂，以及基于近红外至中红外的跨频段波长变换的光源结构复杂、造价高昂，而且对操作人员专业性要求极高的不足之处，而提供一种基于参量下转换的高重频中红外波段脉冲光源及产生方法。
[0007]为了解决上述现有技术所存在的不足之处，本专利技术提供了如下技术解决方案：
[0008]一种基于参量下转换的高重频中红外波段脉冲光源，其特殊之处在于：包括输出输入依次连接的泵浦激光单元、脉冲产生单元、脉冲输出单元及状态判定单元；
[0009]所述泵浦激光单元用于产生近红外泵浦激光脉冲；
[0010]所述脉冲产生单元用于通过二阶非线性的参量下转换过程实现近红外向中红外波段频率变换，并通过三阶非线性的级联四波混频过程实现频谱进一步展宽，进而产生中红外波段脉冲激光；
[0011]所述脉冲输出单元用于滤除中红外波段脉冲激光中的残余近红外泵浦激光脉冲后，并将中红外波段脉冲激光分束后注入至状态判定单元；
[0012]所述状态判定单元用于监测功率动态变化和输出脉冲光谱特性，为泵浦激光单元、脉冲产生单元的工作状态调控提供反馈依据。
[0013]进一步地，所述泵浦激光单元包括输出输入依次连接的近红外脉冲激光器、光纤放大器和透镜光纤；所述近红外脉冲激光器用于产生近红外泵浦激光脉冲；所述光纤放大器用于放大近红外泵浦激光脉冲的强度；所述透镜光纤用于压缩近红外泵浦激光脉冲的模场，并将其注入至脉冲产生单元。
[0014]进一步地，所述脉冲产生单元包括微环谐振腔芯片和直流电源；所述微环谐振腔芯片包括公共波导、微环谐振腔波导和金属热电极；所述公共波导的输入端口与透镜光纤的输出端连接，所述公共波导的输出端口与脉冲输出单元的输入端连接；所述直流电源的正负极连接在金属热电极上，直流电源用于改变微环谐振腔芯片的工作温度，调谐微环谐振腔芯片实际腔长。
[0015]进一步地，所述微环谐振腔芯片的制备材料为铌酸锂、砷化镓铝、氮化铝、氮化镓中的一种。
[0016]进一步地，所述脉冲输出单元包括沿光路依次设置的显微物镜、带通滤波器、分束镜与反射镜；所述显微物镜的输入端与公共波导的输出端口连接，所述分束镜用于将中红外波段脉冲激光分为第一脉冲、第二脉冲，所述第一脉冲由分束镜直接输出至状态判定单元，所述第二脉冲经过反射镜反射后输出至状态判定单元。
[0017]进一步地，所述状态判定单元包括功率计和光谱仪；所述功率计用于接收第一脉冲以监测中红外波段脉冲激光的功率动态变化；所述光谱仪用于接收第二脉冲以分析测量中红外波段脉冲激光的光谱特性。
[0018]同时，本专利技术还提供一种基于参量下转换的高重频中红外波段脉冲产生方法，其特殊之处在于，采用上述基于参量下转换的高重频中红外波段脉冲光源，包括以下步骤：
[0019]步骤1、使泵浦激光单元产生近红外泵浦激光脉冲，并调谐近红外泵浦激光脉冲的输出功率，使输出的近红外泵浦激光脉冲的强度超过脉冲产生单元发生参量下转换过程的阈值；
[0020]步骤2、调节脉冲产生单元的工作温度，使脉冲产生单元在该工作温度下发生二阶非线性的参量下转换过程实现近红外至中红外波段频率变换，并通过三阶非线性的级联四波混频过程实现频谱拓展，产生中红外波段脉冲激光；
[0021]步骤3、通过脉冲输出单元滤除中红外波段脉冲激光中的残余近红外泵浦激光脉冲后，并将中红外波段脉冲激光分为第一脉冲、第二脉冲，分别注入至状态判定单元；
[0022]步骤4、通过状态判定单元根据第一脉冲、第二脉冲分别对中红外波段脉冲激光的功率动态变化、中红外波段脉冲激光的光谱特性进行监测，根据监测结果对泵浦激光单元、脉冲产生单元进行调节，直至监测结果显示中红外波段脉冲激光满足预设要求，即可实现高重频中红外波段脉冲的产生。
[0023]进一步地，所述步骤1具体为：通过近红外脉冲激光器产生近红外泵浦激光脉冲，同时调谐光纤放大器的输出功率，使输出的近红外泵浦激光脉冲的强度经放大后超过微环谐振腔芯片发生参量下转换过程的阈值。
[0024]进一步地，所述步骤2具体为：通过调谐直流电源的输出电流或电压改变微环谐振腔芯片的工作温度，使微环谐振腔芯片在该工作温度下发生参量下转换过程实现近红外至
中红外波段频率变换，并通过三阶非线性的级联四波混频过程实现频谱拓展，进而产生中红外波段脉冲激光。
[0025]进一步地，所述步骤4具体为：
[0026]步骤4.1、通过功率计接收第一脉冲，监测中红外波段脉冲激光的功率动态变化，并调节直流电源的输出电流或电压，直至中红外波段脉冲激光的功率达到最大值后，维持直流电源的输出电流或电压不变；
[0027]步骤4.2、通过光谱仪接收第二脉冲，监测中红外波段脉冲激光的光谱特性，并调节光纤放大器的输出功率，直至光谱包络稳定且带宽达最大后，维持光纤放大器的输出功率不变。
[0028]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0029](1)本专利技术一种基于参量下转换的高重频中红外波段脉冲光源，包括泵浦激光单元、脉冲产生单元、脉冲输出单元及状态判定单元；本专利技术利用成熟的近红外脉冲激光器集成微环本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于参量下转换的高重频中红外波段脉冲光源，其特征在于：包括输出输入依次连接的泵浦激光单元、脉冲产生单元、脉冲输出单元及状态判定单元；所述泵浦激光单元用于产生近红外泵浦激光脉冲；所述脉冲产生单元用于通过二阶非线性的参量下转换过程实现近红外向中红外波段频率变换，并通过三阶非线性的级联四波混频过程实现频谱进一步展宽，进而产生中红外波段脉冲激光；所述脉冲输出单元用于滤除中红外波段脉冲激光中的残余近红外泵浦激光脉冲，并将中红外波段脉冲激光分束后注入至状态判定单元；所述状态判定单元用于监测功率动态变化和输出脉冲光谱特性，为泵浦激光单元、脉冲产生单元的工作状态调控提供反馈依据。2.根据权利要求1所述的基于参量下转换的高重频中红外波段脉冲光源，其特征在于：所述泵浦激光单元包括输出输入依次连接的近红外脉冲激光器(1)、光纤放大器(2)和透镜光纤(3)；所述近红外脉冲激光器(1)用于产生近红外泵浦激光脉冲；所述光纤放大器(2)用于放大近红外泵浦激光脉冲的强度；所述透镜光纤(3)用于压缩近红外泵浦激光脉冲的模场，并将其注入至脉冲产生单元。3.根据权利要求2所述的基于参量下转换的高重频中红外波段脉冲光源，其特征在于：所述脉冲产生单元包括微环谐振腔芯片(4)和直流电源(5)；所述微环谐振腔芯片(4)包括公共波导、微环谐振腔波导(43)和金属热电极(44)；所述公共波导的输入端口(41)与透镜光纤(3)的输出端连接，所述公共波导的输出端口(42)与脉冲输出单元的输入端连接；所述直流电源(5)的正负极连接在金属热电极(44)上，直流电源(5)用于改变微环谐振腔芯片(4)的工作温度，调谐微环谐振腔芯片(4)实际腔长。4.根据权利要求3所述的基于参量下转换的高重频中红外波段脉冲光源，其特征在于：所述微环谐振腔芯片(4)的制备材料为铌酸锂、砷化镓铝、氮化铝、氮化镓中的一种。5.根据权利要求3或4所述的基于参量下转换的高重频中红外波段脉冲光源，其特征在于：所述脉冲输出单元包括沿光路依次设置的显微物镜(6)、带通滤波器(7)、分束镜(8)与反射镜(9)；所述显微物镜(6)的输入端与公共波导的输出端口(42)连接，所述分束镜(8)用于将中红外波段脉冲激光分为第一脉冲、第二脉冲，所述第一脉冲由分束镜(8)直接输出至状态判定单元，所述第二脉冲经过反射镜(9)反射后输出至状态判定单元。6.根据权利要求5所述的基于参量下转换的高重频中红外波段脉冲光源，其特征在于：所述状态判定单元包括功率计(10)和光谱仪(11)；所述功率计(10)用于接收第一脉...

【专利技术属性】
技术研发人员：王擂然，马锴，孙启兵，石磊，张文富，赵卫，
申请(专利权)人：中国科学院西安光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：