一种基于差频产生过程的中红外光辐射产生系统及方法

摘要

本发明公开了一种基于差频产生过程的中红外光辐射产生系统及方法，包括泵浦光信号光产生模块、非线性介质模块；非线性介质模块基于差频产生过程，以及信号光和泵浦光在不同极化周期的非线性晶体中产生的不同频段闲频光的叠加作用，获得带宽展宽的中红外光辐射。本发明通过采用两个或多个级联的具有不同相位匹配中心波长的二阶非线性晶体，所产生的中红外光辐射带宽可以达到所有二阶非线性晶体的相位匹配带宽之和，瞬时带宽较宽，在不用调谐的情况下，可以直接获得高瞬时带宽的中红外光辐射。另外，该中红外光辐射产生系统结构简单，没有谐振腔，设计成本低，易于实现小型化和实用化。

权利要求

1.一种基于差频产生过程的中红外光辐射产生系统，其特征在于，包括：泵浦光信号光产生模块、非线性介质模块；

所述泵浦光信号光产生模块的输出端与所述非线性介质模块的输入端相连；

所述泵浦光信号光产生模块用于产生泵浦光和信号光，并入射到所述非线性介质模块中；

所述非线性介质模块用于基于差频产生过程，以及信号光和泵浦光在不同极化周期的非线性晶体中产生的不同频段闲频光的叠加作用，获得带宽展宽的中红外光辐射；

所述非线性介质模块包括两个或者多个级联的具有不同相位匹配中心波长的二阶非线性晶体。

2.根据权利要求1所述的中红外光辐射产生系统，其特征在于，所述两个或者多个级联的具有不同相位匹配中心波长二阶非线性晶体的一端为极化周期为最小极化周期的二阶非线性晶体，另一端为极化周期为最大极化周期的二阶非线性晶体置于级联的二阶非线性晶体，两端之间的二阶非线性晶体的极化周期处于最小极化周期和最大极化周期之间；其中，所述最大极化周期和最小极化周期分别根据所需中红外光辐射的最短波长和最长波长计算得到。

3.根据权利要求1所述的中红外光辐射产生系统，其特征在于，所述非线性介质模块产生的中红外光辐射带宽可以达到其中所有二阶非线性晶体的相位匹配带宽之和。

4.根据权利要求1所述的中红外光辐射产生系统，其特征在于，所述泵浦光和信号光在所有二阶非线性晶体内的走离小于所述非线性介质模块中二阶非线性晶体的总长度。

5.根据权利要求1所述的中红外光辐射产生系统，其特征在于，所述泵浦光和信号光具有相同的重复频率。

6.一种基于权利要求1所述的差频产生过程的中红外光辐射产生系统的中红外光辐射产生方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、使用双色镜将泵浦光和信号光重叠，并采用聚焦镜对其聚焦使其光斑较小；

S2、通过调节泵浦光和信号光的相对时延，使得泵浦光和信号光的脉冲序列重合；

S3、基于差频产生过程，以及信号光和泵浦光在不同极化周期的非线性晶体中产生的不同频段闲频光的叠加作用，获得带宽展宽的中红外光辐射；其中，所述不同极化周期的非线性晶体为两个或者多个级联的具有不同相位匹配中心波长的二阶非线性晶体。

7.根据权利要求6所述的中红外光辐射产生方法，其特征在于，通过调节泵浦光和信号光的相对时延，使得所述中红外光辐射的光谱平坦。

说明书

一种基于差频产生过程的中红外光辐射产生系统及方法

技术领域

[0001] 本发明属于中红外光辐射领域，更具体地，涉及一种基于差频产生过程的中红外光辐射产生系统及方法。

背景技术

[0002] 一般把2微米-20微米的光谱区域称为中红外光谱区域。因为有大量的化学分子在中红外区域存在吸收峰，中红外区域也称为分子指纹区。中红外光源在气体检测，生物医疗，危险物品的非接触性检测，国防安全等等方面有着广泛的应用。中红外光源的获得方式是现在研究的一个热门课题，常见的方法包括量子级联激光器，光参量振荡器，差频产生等等。但是量子级联激光器产生的中红外光源带宽很窄，并且价格昂贵；光参量振荡器需要复杂的谐振腔结构；通过差频产生过程来获取中红外光源，既可以获得很宽的光谱带宽，又没有复杂的谐振腔结构。差频产生过程是现在最常用的获得中红外光源的方法。对于同时存在多种分子的检测时，宽带的中红外光源将成为一个非常必要的工具，一个高瞬时带宽的光源会大量的减少检测时间。

[0003] 差频产生(difference frequency generation，DFG)利用的是晶体的二阶非线性效应，该过程需要两束入射激光，短波长的激光称为泵浦光，长波长的激光称为信号光。这两束光在非线性晶体中作用会放大信号光，同时产生波长更长的新光束，称之为闲频光。差频产生过程可以用于拓展激光辐射的输出波段，产生宽带的激光辐射。

[0004] 差频产生没有谐振腔，没有阈值，是一种极其简单的波长转换方式。现有的基于差频产生过程的中红外光辐射产生方法中所采用的非线性晶体是单个周期性极化的二阶非线性晶体，这种类型的晶体具有非常有限的相位匹配带宽，无法直接获得一个高瞬时带宽的中红外光辐射。现在我们广泛使用的方案是采用调谐的方法来间接的获取一个带宽足够宽的光辐射，但是将使用该方法获得的光源应用于多种分子的检测时非常耗时耗力。

[0005] 综上所述，提供一种能够直接获得高瞬时带宽的中红外光辐射的中红外光辐射产生系统及方法是亟需解决的问题。

发明内容

[0006] 针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于差频产生过程的中红外光辐射产生系统及方法，旨在解决现有技术中由于采用单个非线性晶体而导致的无法直接获得一个高瞬时带宽的中红外光辐射的问题。

[0007] 为实现上述目的，本发明一方面提供了一种基于差频产生过程的中红外光辐射产生系统，包括：泵浦光信号光产生模块、非线性介质模块；

[0008] 其中，泵浦光信号光产生模块的输出端与非线性介质模块的输入端相连；

[0009] 泵浦光信号光产生模块用于产生泵浦光和信号光，并入射到非线性介质模块中；

[0010] 非线性介质模块用于基于差频产生过程，以及信号光和泵浦光在不同极化周期的非线性晶体中产生的不同频段闲频光的叠加作用，获得带宽展宽的中红外光辐射。

[0011] 进一步优选地，非线性介质模块包括两个或者多个级联的具有不同相位匹配中心波长的二阶非线性晶体。

[0012] 进一步优选地，上述两个或者多个级联的具有不同相位匹配中心波长二阶非线性晶体的一端为极化周期为最小极化周期的二阶非线性晶体，另一端为极化周期为最大极化周期的二阶非线性晶体置于级联的二阶非线性晶体，两端之间的二阶非线性晶体的极化周期处于最小极化周期和最大极化周期之间；其中，上述最大极化周期和最小极化周期分别根据所需中红外光辐射的最短波长和最长波长计算得到。

[0013] 进一步优选的，上述非线性介质模块产生的中红外光辐射带宽可以达到其中所有二阶非线性晶体的相位匹配带宽之和。

[0014] 进一步优选地，上述泵浦光和信号光在所有二阶非线性晶体内的走离均小于非线性介质模块中二阶非线性晶体的总长度。

[0015] 进一步优选地，上述泵浦光和信号光具有相同的重复频率。

[0016] 本发明一方面提供了一种基于差频产生过程的中红外光辐射产生方法，包括以下步骤：

[0017] S1、使用双色镜将泵浦光和信号光重叠，并采用聚焦镜对其聚焦使其光斑较小；

[0018] S2、通过调节泵浦光和信号光的相对时延，使得泵浦光和信号光的脉冲序列重合；

[0019] S3、基于差频产生过程，以及信号光和泵浦光在不同极化周期的非线性晶体中产生的不同频段闲频光的叠加作用，获得带宽展宽的中红外光辐射。

[0020] 进一步优选，通过调节泵浦光和信号光的相对时延，使得上述红外光辐射的光谱平坦。

[0021] 通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

[0022] 1、本发明提供了一种基于差频产生过程的中红外光辐射产生系统，通过采用两个或者多个级联的具有不同相位匹配中心波长二阶非线性晶体，基于差频产生过程，以及信号光和泵浦光在不同极化周期的非线性晶体中产生的不同频段闲频光的叠加作用，获得带宽展宽的中红外光辐射。其所产生的中红外光辐射带宽可以达到所有二阶非线性晶体的相位匹配带宽之和，瞬时带宽较宽，在不用调谐的情况下，可以直接获得高瞬时带宽的中红外光辐射。

[0023] 2、本发明提供的基于差频产生过程的中红外光辐射产生方法，采用级联具有不同相位匹配中心波长的二阶非线性晶体得到宽带相位匹配，当合适带宽的信号光和泵浦光入射到该非线性介质模块，就可以获得高瞬时带宽的中红外光辐射，并且通过调节泵浦光和信号光的相对时延来调节红外光辐射光谱平坦程度，是一种基于差频产生得到中红外光辐射的简单有效的方法。

[0024] 3、本发明提供的基于差频产生过程的中红外光辐射产生系统结构简单，没有谐振腔，设计成本低，易于实现小型化和实用化。

附图说明

[0025] 图1是本发明所提供的一种基于差频产生过程的中红外光辐射产生系统示意图；

[0026] 图2是本发明实施例1所提供的一种基于差频产生过程的中红外光辐射产生系统示意图；

[0027] 图3是本发明实施例1所提供的二阶非线性晶体的极化周期分布图；

[0028] 图4是本发明实施例1所提供的中红外光辐射示意图；

[0029] 图5是本发明实施例1所提供的调节泵浦光和信号光的相对时延后的中红外光辐射示意图。

具体实施方式

[0030] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

[0031] 为实现上述目的，本发明一方面提供了一种基于差频产生过程的中红外光辐射产生系统，如图1所示，包括：泵浦光信号光产生模块、非线性介质模块；

[0032] 其中，泵浦光信号光产生模块的输出端与非线性介质模块的输入端相连；

[0033] 泵浦光信号光产生模块用于产生泵浦光和信号光，并入射到非线性介质模块中；

[0034] 非线性介质模块用于基于差频产生过程，以及信号光和泵浦光在不同极化周期的非线性晶体中产生的不同频段闲频光的叠加作用，获得带宽展宽的中红外光辐射。

[0035] 具体的，非线性介质模块包括两个或者多个级联的具有不同相位匹配中心波长的二阶非线性晶体。具体的，上述两个或者多个级联的具有不同相位匹配中心波长二阶非线性晶体的一端为极化周期为最小极化周期的二阶非线性晶体，另一端为极化周期为最大极化周期的二阶非线性晶体置于级联的二阶非线性晶体，两端之间的二阶非线性晶体的极化周期处于最小极化周期和最大极化周期之间；其中，上述最大极化周期和最小极化周期分别根据所需中红外光辐射的最短波长和最长波长计算得到。具体的，最大极化周期Λmax＝1/(np/λp-ns/λs-ni/λimax)，最小极化周期Λmin＝1/(np/λp-ns/λs-ni/λimin)，其中，np为泵浦光在二阶非线性晶体中的折射率，λp为泵浦光的波长，ns为信号光在二阶非线性晶体中的折射率，λs为信号光的波长，ni为中红外光辐射在二阶非线性晶体中的折射率，λimax为所需中红外光辐射的最长波长，λimin为所需中红外光辐射的最短波长。上述非线性介质模块产生的中红外光辐射带宽可以达到其中所有二阶非线性晶体的相位匹配带宽之和。上述泵浦光和信号光在二阶非线性晶体内的走离小于非线性介质模块中二阶非线性晶体的总长度。具体的，上述泵浦光和信号光具有相同的重复频率。

[0036] 本发明另一方面提供了一种基于差频产生过程的中红外光辐射产生方法，包括以下步骤：

[0037] S1、使用双色镜将泵浦光和信号光重叠，并采用聚焦镜对其聚焦使其光斑较小；

[0038] S2、通过调节泵浦光和信号光的相对时延，使得泵浦光和信号光的脉冲序列重合；

[0039] S3、基于差频产生过程，以及信号光和泵浦光在不同极化周期的非线性晶体中产生的不同频段闲频光的叠加作用，获得带宽展宽的中红外光辐射。

[0040] 为了进一步说明本发明所提供的基于差频产生过程的中红外光辐射产生系统，结合附图以及具体实施例进行详述：

[0041] 实施例1、

[0042] 本实施例中所提供的基于差频产生过程的中红外光辐射产生系统如图2所示，包括：泵浦光信号光产生模块、非线性介质模块；其中泵浦光信号光产生模块包括掺铒锁模振荡器11，光纤耦合器12，第一掺铒光纤放大器13，负色散高非线性光纤14，第二掺镱光纤放大器15，非球面镜16，波片17，隔离器18，光栅对19，望远镜系统110、掺铒光纤放大器111，正色散高非线性光纤112，非球面镜113，时间延迟线114，望远镜系统115。

[0043] 具体的，掺铒光纤振荡器11发射的中心波长为1560nm的脉冲作为整个系统的种子源。该种子源被光纤耦合器12分成两路，这两路分别由第一掺铒光纤放大器13和第二掺铒光纤放大器111放大。其中一路放大之后的光进入负色散高非线性光纤14，产生超连续谱，将超连续谱中位于1045nm处的色散波通过掺镱光纤放大器15进行放大，由光纤输出，经过非球面镜16准直，波片17调节偏振态，然后经过隔离器18，接着被光栅对19压缩，得到差频产生过程的泵浦光，泵浦光经过望远镜系统110准直，得到准直的泵浦光。另外一路放大之后的光进入正色散高非线性光纤112，将该光进行光谱展宽，由光纤输出，经过非球面镜113准直之后作为信号光，信号光经过时间延迟线114，然后经过望远镜系统115准直，得到准直的信号光。

[0044] 其中，所得泵浦光中心波长为1045nm，脉冲宽度为240fs，10dB带宽的光谱范围为1026nm-1065nm；所得信号光中心波长为1560nm，脉冲宽度为42fs，10dB带宽的光谱范围为
1348nm-1852nm；泵浦光和信号光的重复频率为51MHz。泵浦光和信号光的相对时延为
100fs，其中泵浦光超前。这两束光经过一系列的光束变换之后在二阶非线性晶体中的光斑半径大小为30微米。

[0045] 进一步的，非线性介质模块包括双色镜21，球面镜22、两个级联的二阶非线性晶体23，氟化钙透镜24，锗窗25。其中，两个级联的二阶非线性晶体23的极化周期分别为31微米和29微米，长度均为1毫米，总长度为2mm，其极化周期分布如图3所示。氟化钙透镜作为中红外准直透镜将产生的闲频光准直。

[0046] 具体的，准直的泵浦光和信号光通过双色镜21在空间上实现重合，重合之后的光通过球面镜22聚焦后入射到级联二阶非线性晶体23产生闲频光，然后通过氟化钙透镜24准直，通过锗窗25过滤掉闲频光以外的其他光，从而获得2.5-5微米的高瞬时带宽中红外光辐射。

[0047] 在本实施例中，通过将中心波长为1.56微米的种子光放大之后，经过非线性光谱展宽至1.045微米，然后放大即可获得泵浦光；通过将中心波长为1.56微米的种子光放大之后并通过自相位调制效应展宽其带宽即可获得信号光；泵浦光和信号光经过一系列的光学元件调节之后入射到级联二阶非线性晶体中，基于差频产生对泵浦光和信号光进行宽带相位匹配，从而获得2.5-5微米的高瞬时带宽中红外光辐射。这种差频产生的方案结构相对简单，易于实现小型化和实用化。另外，使用同一种子光可以保证泵浦光和信号光具有相同的重复频率。

[0048] 具体的，泵浦光和信号光在二阶非线性晶体中进行差频产生过程，基于差频产生过程，以及信号光和泵浦光在不同极化周期的非线性晶体中产生的不同频段闲频光的叠加作用，获得带宽展宽的中红外光辐射。其中，获得的闲频光如图4所示，此时闲频光10dB带宽光谱范围为2520nm-4113nm。调节泵浦光和信号光的相对时延，使得它们的相对时延为0，此时获得的闲频光如图5所示，此时闲频光10dB带宽光谱范围为2637nm-4099nm。从图4和图5中明显的看出，通过本实施例所提供的基于差频产生过程的中红外光辐射产生系统可以获得高瞬时带宽的中红外光辐射，另外，通过调节泵浦光和信号光之间的相对时延可以改变产生的闲频光的光谱强度比例分布，得到光谱平坦的中红外光辐射。上述非线性介质模块产生的中红外光辐射带宽可以达到其中所有二阶非线性晶体的相位匹配带宽之和。

[0049] 综上，本发明提供了一种基于差频产生过程的中红外光辐射产生系统，通过采用两个或者多个级联的具有不同相位匹配中心波长二阶非线性晶体，所产生的中红外光辐射带宽可以达到所有二阶非线性晶体的相位匹配带宽之和，瞬时带宽较宽，在不用调谐的情况下，可以直接获得高瞬时带宽的中红外光辐射。

[0050] 本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。