一種寬調(diào)諧中紅外差頻產(chǎn)生激光發(fā)生裝置的控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種寬調(diào)諧中紅外差頻產(chǎn)生激光發(fā)生裝置的控制方法，屬于激光【技術(shù)領(lǐng)域】。所述控制方法通過(guò)增加PPLN晶體兩端的溫度梯度大幅度提高了中紅外閑頻光的QPM波長(zhǎng)接受帶寬。在保持PPLN晶體兩端的溫度梯度的前提下，通過(guò)調(diào)節(jié)PPLN晶體起始端、末尾端的溫度實(shí)現(xiàn)閑頻光QPM帶位置的大范圍平移，最終獲得寬調(diào)諧的中紅外激光輸出。
【專利說(shuō)明】一種寬調(diào)諧中紅外差頻產(chǎn)生激光發(fā)生裝置的控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明公開(kāi)了一種寬調(diào)諧中紅外差頻產(chǎn)生激光發(fā)生裝置的控制方法，屬于激光【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]3-5 μ m波段連續(xù)波可調(diào)諧中紅外激光光源在痕量氣體檢測(cè)中具有重要的應(yīng)用。迄今，基于不同激光產(chǎn)生機(jī)理出現(xiàn)了多種中紅外光源，如量子級(jí)聯(lián)激光器、鉛鹽激光器、色心激光器、參量振蕩器等。其中，準(zhǔn)相位匹配(QPM, Quasi Phase Matching)差頻產(chǎn)生(DFG,Difference Frequency Generation)中紅外光源因具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)諧便利、線寬窄以及可室溫運(yùn)轉(zhuǎn)等優(yōu)勢(shì)，已成為光譜檢測(cè)應(yīng)用的主流光源。對(duì)于等周期的周期極化晶體而言，中紅外閑頻光的準(zhǔn)相位匹配波長(zhǎng)接受帶寬通常約為6-10nm，僅能覆蓋極少量氣體的特征吸收峰。為滿足多組分、多吸收譜線同步的檢測(cè)應(yīng)用需求，如何拓寬中紅外DFG光源的調(diào)諧范圍受到了人們的廣泛關(guān)注。近年來(lái)，人們采用多周期、扇形結(jié)構(gòu)的周期極化晶體或利用晶體的溫度色散特性，中紅外DFG光源的調(diào)諧范圍可拓展至Iym以上。然而，盡管這類方法可有效拓展DFG光源的調(diào)諧范圍，但調(diào)諧過(guò)程中需結(jié)合非線性晶體極化周期或晶體溫度的頻繁切換以確保相位匹配條件得到滿足，嚴(yán)重降低了激光光源的使用效率。如何在固定的晶體疇結(jié)構(gòu)與溫度分布條件下實(shí)現(xiàn)中紅外DFG光源的寬調(diào)諧運(yùn)轉(zhuǎn)依然值得深入研究，而其關(guān)鍵是拓寬QPM帶寬。為此，一些傳統(tǒng)的光柵光譜的調(diào)節(jié)方法如，啁啾、相移、砌趾技術(shù)相繼被應(yīng)用于晶體的周期極化方案，有效拓展了中紅外閑頻光的QPM帶寬，但于此同時(shí)，也極大地增加了工藝制備、實(shí)驗(yàn)控制的難度以及器件的成本。
[0003]近年來(lái)的研究結(jié)果表明，對(duì)于某些非線性周期極化晶體，如周期極化鈮酸鋰晶體(PPLN, Periodically Poling Lithium Niobate),還可利用其溫度可控的色散特性實(shí)現(xiàn)對(duì)QPM帶寬的有效拓展。利用這一特性，針對(duì)1060和1550nm波段的基頻光源組合，本研究小組首次在中紅外3.4 μ m附近將閑頻光QPM帶寬拓寬至約170nm。實(shí)驗(yàn)中采用多波長(zhǎng)摻鐿光纖激光器(YDFL, Ytterbium Doped Fiber Laser)與單波長(zhǎng)慘輯光纖激光器(EDFL, ErbiumDoped Fiber Laser)差頻獲得了 14條中紅外激光譜線的同步輸出。然而,進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，PPLN晶體固有的色散使得該拓寬的閑頻光QPM帶只能存在于中紅外3.4 μ m附近，難以對(duì)其它波長(zhǎng)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)有效覆蓋。本發(fā)明基于PPLN的溫度色散關(guān)系將提出一種新型的寬帶中紅外差頻產(chǎn)生方案。利用晶體溫度漸變的控制方法有效拓展閑頻光的QPM帶寬，通過(guò)改變晶體兩端的溫度實(shí)現(xiàn)中紅外閑頻光QPM帶的BW及其位置的有效調(diào)控。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)上述【背景技術(shù)】的不足，提供了一種寬調(diào)諧中紅外差頻產(chǎn)生激光發(fā)生裝置的控制方法。
[0005]本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的采用如下技術(shù)方案:
一種寬調(diào)諧中紅外差頻產(chǎn)生激光發(fā)生裝置的控制方法，對(duì)基于PPLN晶體的寬調(diào)諧中紅外差頻產(chǎn)生激光發(fā)生裝置進(jìn)行溫度漸變控制，實(shí)現(xiàn)寬調(diào)諧中紅外激光譜線的輸出，具體包括如下步驟:
步驟1，將PPLN晶體置于溫控爐內(nèi)，在溫控爐起始端、末尾端貼有設(shè)定溫度為T1、T2的珀?duì)栙N溫度控制器，Tl、Τ2數(shù)值不等；
步驟2，啟動(dòng)1060nm波段固定波長(zhǎng)的泵浦源發(fā)生器、波段為1550nm的可調(diào)諧信號(hào)源發(fā)生器，所述泵浦源發(fā)生器產(chǎn)生的泵浦光、信號(hào)源發(fā)生器產(chǎn)生的信號(hào)光經(jīng)過(guò)波分復(fù)用器、透鏡、PPLN晶體獲得中紅外激光譜線；
步驟3，由溫控爐起始端、末尾端珀?duì)栙N溫度控制器的設(shè)定溫度Tl、T2確定閑頻光的QPM帶寬，進(jìn)而由差頻產(chǎn)生原理獲得信號(hào)光的調(diào)諧范圍；
步驟4，在確定的信號(hào)光調(diào)諧范圍內(nèi)調(diào)諧基頻信號(hào)光的輸出波長(zhǎng)，獲得可調(diào)諧的中紅外激光輸出；
步驟5，保持PPLN晶體兩端的溫度梯度，改變溫控爐初始端、末尾端珀?duì)栙N溫度控制器的設(shè)定溫度，重復(fù)步驟3至步驟4獲得不同信號(hào)光調(diào)諧范圍對(duì)應(yīng)的可調(diào)諧的中紅外激光輸出。
[0006]所述一種寬調(diào)諧中紅外差頻產(chǎn)生激光發(fā)生裝置的控制方法，步驟5中所述的PPLN晶體兩端的溫度梯度通過(guò)如下方法獲得:在保持溫控爐末尾端珀?duì)栙N溫度控制器的設(shè)定溫度不變的前提下，調(diào)節(jié)溫控爐起始端珀?duì)栙N溫度控制器的設(shè)定溫度，使得溫控爐起始端、末尾端珀?duì)栙N溫度控制器設(shè)定溫度有差值。
[0007]所述一種寬調(diào)諧中紅外差頻產(chǎn)生激光發(fā)生裝置的控制方法，步驟5中所述的PPLN晶體兩端的溫度梯度通過(guò)如下方法獲得:在保持溫控爐起始端珀?duì)栙N溫度控制器的設(shè)定溫度不變的前提下，調(diào)節(jié)溫控爐末尾端珀?duì)栙N溫度控制器的設(shè)定溫度，使得溫控爐起始端、末尾端珀?duì)栙N溫度控制器設(shè)定溫度有差值。
[0008]所述一種寬調(diào)諧中紅外差頻產(chǎn)生激光發(fā)生裝置的控制方法，步驟5中所述的PPLN晶體兩端的溫度梯度通過(guò)如下方法獲得:同時(shí)調(diào)節(jié)溫控爐起始端、末尾端珀?duì)栙N溫度控制器設(shè)定溫度，使得溫控爐起始端、末尾端珀?duì)栙N溫度控制器設(shè)定溫度有差值。
[0009]本發(fā)明采用上述技術(shù)方案，具有以下有益效果:
(1)大幅度提聞了中紅外閑頻光的QPM波長(zhǎng)接受:帶寬；
(2)實(shí)現(xiàn)了閑頻光QPM帶位置的大范圍平移。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0010]圖1為基于PPLN晶體的中紅外差頻產(chǎn)生激光發(fā)生裝置的結(jié)構(gòu)圖。圖中標(biāo)號(hào)說(shuō)明:DL是1060nm波段固定波長(zhǎng)的泵浦源發(fā)生器，E⑶L是1550nm波段的可調(diào)諧信號(hào)源發(fā)生器，PC1、PC2是第一、第二偏振控制器，WDM是1060/1550nm寬帶波分復(fù)用器，Ml是準(zhǔn)直會(huì)聚系統(tǒng)、M2是準(zhǔn)直透鏡、M3是濾波片。
[0011]圖2是信號(hào)光在不同晶體溫度條件下的獲得的閑頻光歸一化輸出譜線。
[0012]圖3是當(dāng)晶體兩端溫度分別設(shè)定為30和50°C時(shí)，PPLN晶體中的差頻輸出譜線。
[0013]圖4是晶體的初始端溫度固定為30°C，當(dāng)T2升高至70°C時(shí)，PPLN晶體中的差頻輸出譜線。
[0014]圖5是當(dāng)晶體末端溫度T2設(shè)定為90°C時(shí)，PPLN晶體中的差頻輸出譜線。[0015]圖6是在T17和T2分別設(shè)定為90和150°C時(shí)，PPLN晶體中的差頻輸出譜線。【具體實(shí)施方式】
[0016]下面結(jié)合附圖對(duì)發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明:
基于PPLN晶體的中紅外差頻產(chǎn)生激光發(fā)生裝置如圖1所示，包括1060nm波段固定波長(zhǎng)的泵浦源發(fā)生器DL，波段為1550nm的可調(diào)諧信號(hào)源發(fā)生第一、第二偏振控制器PC1、PC2，1060/1550nm寬帶波分復(fù)用器WDM，準(zhǔn)直會(huì)聚系統(tǒng)Ml，PPLN晶體，準(zhǔn)直透鏡M2，濾波片M3。1060nm波段固定波長(zhǎng)的泵浦源發(fā)生器DL的輸出光纖，波段為1550nm的可調(diào)諧信號(hào)源發(fā)生器E⑶L的輸出光纖分別經(jīng)過(guò)第一、第二偏振控制器PC1、PC2與1060/1550nm寬帶波分復(fù)用器WDM連接，在1060/1550nm寬帶波分復(fù)用器WDM輸出光路上依次設(shè)置有準(zhǔn)直會(huì)聚系統(tǒng)Ml、PPLN晶體、準(zhǔn)直透鏡M2、濾波片M3，濾波片M3后接光電探測(cè)器(Detector)。1060nm波段固定波長(zhǎng)的泵浦源發(fā)生器可選一固定波長(zhǎng)的半導(dǎo)體激光器，波段為1550nm的寬調(diào)諧信號(hào)源發(fā)生器可選為一外腔可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器。
[0017]一種寬調(diào)諧中紅外差頻產(chǎn)生激光發(fā)生裝置的控制方法。，對(duì)基于PPLN晶體的中紅外差頻產(chǎn)生激光光源發(fā)生裝置進(jìn)行溫度漸變控制，實(shí)現(xiàn)寬調(diào)諧中紅外激光譜線的輸出，具體包括如下步驟:
步驟1，將PPLN晶體置于導(dǎo)熱性能良好的金屬溫控爐內(nèi)，在溫控爐起始端、末尾端貼有設(shè)定溫度為Tl、T2的珀?duì)栙N(Peltier)溫度控制器，Tl、T2數(shù)值不等。
[0018]步驟2，啟動(dòng)1060nm波段固定波長(zhǎng)的泵浦源發(fā)生器、波段為1550nm的可調(diào)諧信號(hào)源發(fā)生器，泵浦源發(fā)生器產(chǎn)生的泵浦光、信號(hào)源發(fā)生器產(chǎn)生的信號(hào)光經(jīng)過(guò)波分復(fù)用器、透鏡、PPLN晶體獲得中紅外激光輸出。
[0019]步驟3，由溫控爐起始端、末尾端珀?duì)栙N溫度控制器的設(shè)定溫度T1、T2確定閑頻光的QPM帶寬，進(jìn)而由差頻產(chǎn)生原理獲得信號(hào)光的調(diào)諧范圍，溫控爐起始端、末尾端珀?duì)栙N溫度控制器設(shè)定溫度Tl、Τ2即為PPLN晶體初始端和末尾端的溫度。
[0020]步驟4，在確定的信號(hào)光調(diào)諧范圍內(nèi)調(diào)諧基頻信號(hào)光的輸出波長(zhǎng)，以獲得可調(diào)諧的中紅外激光(即為3-5 μ m波段連續(xù)的可調(diào)諧中紅外激光)輸出。
[0021 ] 步驟5，保持PPLN晶體兩端的溫度梯度，改變溫控爐初始端、末尾端珀?duì)栙N溫度控制器的設(shè)定溫度，重復(fù)步驟3至步驟4獲得不同信號(hào)光調(diào)諧范圍對(duì)應(yīng)的可調(diào)諧的中紅外激光輸出，保持PPLN晶體溫度兩端溫度梯度可以通過(guò)如下方法實(shí)現(xiàn):
a.在保持溫控爐末尾端珀?duì)栙N溫度控制器的設(shè)定溫度不變的前提下，調(diào)節(jié)溫控爐起始端珀?duì)栙N溫度控制器的設(shè)定溫度，使得溫控爐起始端、末尾端珀?duì)栙N溫度控制器設(shè)定溫度有差值；
b.在保持溫控爐起始端珀?duì)栙N溫度控制器的設(shè)定溫度不變的前提下，調(diào)節(jié)溫控爐末尾端珀?duì)栙N溫度控制器的設(shè)定溫度，使得溫控爐起始端、末尾端珀?duì)栙N溫度控制器設(shè)定溫度
有差值；
c.同時(shí)調(diào)節(jié)溫控爐起始端、末尾端珀?duì)栙N溫度控制器設(shè)定溫度，使得溫控爐起始端、末尾端珀?duì)栙N溫度控制器設(shè)定溫度有差值。
[0022]對(duì)于波長(zhǎng)固定為1.08 μ m的泵浦源發(fā)生器，根據(jù)PPLN晶體初始端和末尾端的溫度Tl、T2計(jì)算出中紅外閑頻光的QPM帶寬的位置和寬度，再根據(jù)差頻原理獲得滿足相位匹配條件的信號(hào)光調(diào)諧范圍。經(jīng)試驗(yàn):當(dāng)泵浦光波長(zhǎng)設(shè)定為1.08 μ m，Tl、T2分別設(shè)定為30和50°C時(shí)，中紅外閑頻光的波長(zhǎng)區(qū)域?yàn)?.516-3.551 μ m，根據(jù)差頻原理，滿足相位匹配的信號(hào)光的調(diào)諧范圍為1.552-1.559 μ m，也即信號(hào)光波長(zhǎng)只要在這一區(qū)間內(nèi)調(diào)諧即可獲得可調(diào)諧的中紅外閑頻光輸出。
[0023]如圖2所示，為信號(hào)光在不同晶體溫度條件下的獲得的閑頻光歸一化輸出譜線。在晶體溫度為30°C時(shí)，中紅外閑頻光存在且僅存在一個(gè)QPM帶位于3.557 μ m處，其對(duì)應(yīng)的QPM信號(hào)光波長(zhǎng)為1.551 μ m。在此溫度條件下，閑頻光的QPM Bff約為8nm。模擬結(jié)果顯示，隨著晶體溫度的升高，該閑頻光QPM帶逐漸向短波長(zhǎng)方向平移，但QPM BW幾乎保持不變。當(dāng)晶體溫度升高至200°C時(shí)，閑頻光QPM帶已平移至3.28 μ m處，其對(duì)應(yīng)的信號(hào)光波長(zhǎng)為 L 61 μ m。
[0024]如圖3所示，我們進(jìn)一步研究了漸變溫度條件下PPLN晶體中的的差頻輸出特性。當(dāng)晶體初始段進(jìn)而末尾端溫度分別設(shè)定為30和50°C時(shí)，閑頻光QPM帶出現(xiàn)了顯著的雙峰結(jié)構(gòu)，其可覆蓋的波長(zhǎng)區(qū)域?yàn)?.516-3.551 μ m。需要指出的是，在漸變式溫度分布下，由于每一溫度值對(duì)應(yīng)晶體有效長(zhǎng)度的減小導(dǎo)致了閑頻光在QPM帶內(nèi)的相對(duì)轉(zhuǎn)換效率顯著降低。如圖所示，在溫度差為20°C時(shí)，其轉(zhuǎn)換效率降低至均勻溫度條件下對(duì)應(yīng)值的1/5。
[0025]如圖4所示，隨著晶體兩端溫度差的增大，閑頻光QPM Bff也隨之顯著逐漸增加，與此同時(shí)QPM帶內(nèi)的差頻轉(zhuǎn)換效率也不斷降低。晶體的初始端溫度固定為30°C，當(dāng)T2升高至70°C時(shí)，計(jì)算獲得的歸一化閑頻光輸出譜線如圖5。由于晶體兩端溫差已增加至40°C，閑頻光QPM帶呈現(xiàn)多峰結(jié)構(gòu)，其覆蓋范圍擴(kuò)展至3.467-3.547 μ m，相對(duì)差頻轉(zhuǎn)換效率約為
0.095。
[0026]盡管增加晶體兩端的溫度梯度可使閑頻光的QPM BW顯著增加，但閑頻光QPM帶在長(zhǎng)波長(zhǎng)一側(cè)的邊界始終位于波長(zhǎng)3.55 μ m附近。其原因在于晶體初始端的溫度我們固定在30°C。若改變晶體初始端的溫度，則該拓寬的閑頻光QPM帶也可發(fā)生顯著的平移。圖6給出了在G和分別設(shè)定為90和150°C時(shí)，計(jì)算得到的歸一化閑頻光輸出譜線。由圖可見(jiàn)，此時(shí)該拓寬的閑頻光QPM帶已平移至3.288-3.464 μ m區(qū)域。這表明，在保持一定的溫度梯度條件下，通過(guò)改變晶體初始端的溫度還可實(shí)現(xiàn)寬帶的閑頻光QPM帶位置的平移。
[0027]由圖2至圖6所示的歸一化閑頻光輸出譜線圖可知，利用本發(fā)明所述的方法控制基于PPLN晶體的中紅外差頻產(chǎn)生激光發(fā)生裝置，具有以下有益效果:
(1)大幅度提聞了中紅外閑頻光的QPM波長(zhǎng)接受:帶寬；
(2)實(shí)現(xiàn)了閑頻光QPM帶位置的大范圍平移。
[0028]上述試驗(yàn)只是驗(yàn)證本發(fā)明的一部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在Tl、T2取其他數(shù)值時(shí)，同樣可以得到上述結(jié)論。
【權(quán)利要求】
1.一種寬調(diào)諧中紅外差頻產(chǎn)生激光發(fā)生裝置的控制方法，其特征在于:對(duì)基于PPLN晶體的寬調(diào)諧中紅外差頻產(chǎn)生激光光源發(fā)生裝置進(jìn)行溫度漸變控制，實(shí)現(xiàn)寬調(diào)諧中紅外激光譜線的輸出，具體包括如下步驟: 步驟1，將PPLN晶體置于溫控爐內(nèi)，在溫控爐起始端、末尾端貼有設(shè)定溫度為T1、T2的珀?duì)栙N溫度控制器，Tl、Τ2數(shù)值不等； 步驟2，啟動(dòng)1060nm波段固定波長(zhǎng)的泵浦源發(fā)生器、波段為1550nm的可調(diào)諧信號(hào)源發(fā)生器，所述泵浦源發(fā)生器產(chǎn)生的泵浦光、信號(hào)源發(fā)生器產(chǎn)生的信號(hào)光經(jīng)過(guò)波分復(fù)用器、透鏡、PPLN晶體獲得中紅外激光譜線； 步驟3，由溫控爐起始端、末尾端珀?duì)栙N溫度控制器的設(shè)定溫度Tl、T2確定閑頻光的QPM帶寬，進(jìn)而由差頻產(chǎn)生原理獲得信號(hào)光的調(diào)諧范圍； 步驟4，在確定的信號(hào)光調(diào)諧范圍內(nèi)調(diào)諧基頻信號(hào)光的輸出波長(zhǎng)，獲得可調(diào)諧的中紅外激光輸出； 步驟5，保持PPLN晶體兩端的溫度梯度，改變溫控爐初始端、末尾端珀?duì)栙N溫度控制器的設(shè)定溫度，重復(fù)步驟3至步驟4獲得不同信號(hào)光調(diào)諧范圍對(duì)應(yīng)的可調(diào)諧的中紅外激光輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種寬調(diào)諧中紅外差頻產(chǎn)生激光發(fā)生裝置的控制方法，其特征在于:步驟5中所述的PPLN晶體兩端的溫度梯度通過(guò)如下方法獲得:在保持溫控爐末尾端珀?duì)栙N溫度控制器的設(shè)定溫度不變的前提下，調(diào)節(jié)溫控爐起始端珀?duì)栙N溫度控制器的設(shè)定溫度，使得溫控爐起始端、末尾端珀?duì)栙N溫度控制器設(shè)定溫度有差值。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種寬調(diào)諧中紅外差頻產(chǎn)生激光發(fā)生裝置的控制方法，其特征在于:步驟5中所述的PPLN晶體兩端的溫度梯度通過(guò)如下方法獲得:在保持溫控爐起始端珀?duì)栙N溫度控制器的設(shè)定溫度不變的前提下，調(diào)節(jié)溫控爐末尾端珀?duì)栙N溫度控制器的設(shè)定溫度，使得溫控爐起始端、末尾端珀?duì)栙N溫度控制器設(shè)定溫度有差值。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種寬調(diào)諧中紅外差頻產(chǎn)生激光發(fā)生裝置的控制方法，其特征在于:步驟5中所述的PPLN晶體兩端的溫度梯度通過(guò)如下方法獲得:同時(shí)調(diào)節(jié)溫控爐起始端、末尾端珀?duì)栙N溫度控制器設(shè)定溫度，使得溫控爐起始端、末尾端珀?duì)栙N溫度控制器設(shè)定溫度有差值。
【文檔編號(hào)】H01S3/0941GK103825182SQ201310553740
【公開(kāi)日】2014年5月28日 申請(qǐng)日期:2013年11月11日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月11日
【發(fā)明者】常建華, 顧久馭, 王亞煒, 尹杰 申請(qǐng)人:南京信息工程大學(xué)