[发明专利]一种产生可见至红外波段极宽带、超连续激光的装置

说明书

技术领域

本发明涉及激光技术领域，具体地说，本发明涉及一种产生可见至红外波段的极宽带、超连续激光的装置及相应的非线性激光晶体的制作方法。

背景技术

自激光产生以来，激光在工业、医疗、通讯、国防等各个领域有巨大而广泛的应用和价值，如激光加工、探测、遥感、成像、眼科手术、红外夜视成像、激光武器、受控核聚变等。在过去几十年中，激光技术获得了巨大的发展。然而，激光输出的频率收到增益介质能级的限制，并不能产生任意频率的输出。为了获得所需频率的激光，人们往往需要利用非线性频率转换技术（倍频、和频、差频、参量放大等）来拓宽激光频率。

其中，最需要解决的是非线性过程中的相位匹配问题，然而由于非线性材料中存在色散效应，相位匹配通常不能得到自动满足。在实际应用中，人们通常利用晶体的双折射特性对晶体的色散进行补偿，从而达到相位匹配的目的。然而，双折射匹配存在走离效应、非线性系数小等局限性，使得其实际应用受到限制。

为了解决这个难题，人们提出了非线性光子晶体（即非线性系数的符号具有周期性变化的人工微结构晶体材料）的概念，以此来实现准相位匹配。准相位匹配技术是通过周期性地改变晶体的自发极化方向来重新安排光波相位，从而补偿非线性过程中的相位失配，它大大增加了二阶非线性过程的灵活性和可控性，以崭新的思想方法开创了非线性频率转换技术革命性的新阶段，也大大推动了激光技术的发展。

非线性光子晶体的制备需要使用铁电晶体材料，常见的有铌酸锂、钽酸锂、磷酸氧钛钾晶体等。铁电极化方向代表着非线性系数的正负符号（分别对应于正畴和负畴），铁电晶体的自发极化方向容易通过外加电场克服铁电晶体内部的矫顽场而发生倒转，施加外加电场将能够使得铁电晶体的非线性系数改变符号（例如从正到负）。当所施加的电场在空间上周期分布的时候，就能够周期性调控铁电非线性晶体内部的非线性系数的正负分布，从而构建出非线性光子晶体，进而实现准相位匹配。

自准相位匹配技术的概念被提出以来，人们设计制备了多种多样的周期、准周期或非周期的非线性光子晶体来应对多元化的非线性光学频率转换的应用需求，比如说利用单块非线性晶体同时实现两个或者多个波长的准相位匹配。由于现有的非线性光子晶体结构无法同时对不同波长成分的多种非线性过程中的相位匹配条件进行调控，这极大的限制了宽带激光的非线性转换过程的能量利用效率，也制约了非线性光学的技术向飞秒脉冲激光等超宽带激光技术的应用拓展，无法实现可见至红外波段极宽带、超连续激光的输出。对于双折射匹配技术，双折射晶体能够提供的相位匹配的带宽更为有限的，一块双折射晶体只能对某个特定频率的连续激光或者窄带脉冲激光施加高效的非线性频率转换，因而无法获得宽带超连续的激光输出。

超连续激光光源具有亮度高、功率强、频率覆盖范围广等优点，在基础科学、信息、医疗、环境检测等领域有广泛的应用价值。目前，国际上产生超连续激光光源的方法主要是利用光子晶体光纤与高功率的超短脉冲激光相互作用，通过各种三阶非线性光学效应来拓宽泵浦激光的频率范围，然而该方案仍存在转换效率不高，其光谱展宽范围仅在可见光谱波段或在红外光谱波段，仍存在展宽不够大的确定。此外，该方案中的超连续激光光源不是完全相干的激光光源，也就是说，在特定的窄带里面辐射光是相干的激光，但是不同颜色的辐射光线之间没有良好的相干性，这就限制了该光源的应用范围。比如说，没法利用该超连续激光光源产生超短脉冲激光。

因此，当前迫切需要一种转换效率高、完全相干的、能够产生可见至红外波段的极宽带、超连续激光的解决方案。更多信息请参考发明人在《物理》2016年第45卷第3期的一篇关于该技术的综述性文章，“单块非线性晶体的高次谐波产生及超宽带超连续激光光源”。

发明内容

本发明的任务是提供一种转换效率高、完全相干的、能够产生可见至红外波段的极宽带、超连续激光的解决方案。

根据本发明的一个方面，提供了一种产生可见至红外波段极宽带、超连续激光的装置，包括泵浦光源和非线性激光晶体，其特征在于，所述泵浦光源为中红外飞秒脉冲激光光源（中红外飞秒脉冲激光的频率覆盖一个中红外波段，且该飞秒脉冲激光具有高峰值功率的特点，其峰值功率可以远远超过连续激光泵浦下的于晶体材料的光学损伤功率阈值，可到达GW/cm²的量级）；所述非线性激光晶体包括一系列的元胞，所述一系列元胞在光传播方向上的长度沿着光传播方向按照连续的啁啾变化而改变。