[发明专利]一种中红外宽谱飞秒激光产生装置和方法

说明书

本发明公开了一种中红外宽谱飞秒激光产生装置和方法，装置包括：倍频器，用于将接收的整形后的飞秒激光光束作为基频光，产生倍频光，将包含基频光和倍频光的光束经过波片，对基频光的偏振方向进行旋转，使其与倍频光的偏振方向相同；延迟器，用于接收偏振对齐且共线的基频光和倍频光，调整基频光与倍频光的延迟，使其在时间上重合；聚焦镜，用于接收基频光与倍频光合并后共线的输出光束，将其聚焦到气体室中；气体室，用于产生中红外宽谱飞秒激光；准直镜，用于将接收的中红外宽谱飞秒激光准直为平行光后输出。本发明解决了气体扰动导致的光束稳定性问题和臭氧对光学器件的腐蚀问题。

技术领域

本发明涉及激光领域，具体涉及一种中红外宽谱飞秒激光产生装置和方法。

背景技术

中红外波段波长范围在2到20μm之间，是分子光谱学的指纹区，通过表征分子在中红外波段的吸收，可以解析分子的种类、结构等信息，对基础研究、国防军工、医疗卫生、工业环境等众多领域都具有重要应用。飞秒中红外光源结合了飞秒激光的时间分辨特性，通过与可见、紫外飞秒激光结合，广泛应用于超快时间分辨动力学测量，以解析物质分子的振动能量传递过程。目前，主流的中红外飞秒激光光谱产生方法包括光参量放大结合差频的方法，以及气体等离子体多波长非线性变换的方法。前者受限于晶体相位匹配角，激光频率范围集中，单位频率内激光能量密度较高。后者在红外波段能量密度较低，但产生的光谱范围几乎可覆盖整个中红外波段。在红外飞秒时间分辨光谱学测量中，气体等离子体多波长非线性变换的方法产生的红外光具有更加平坦的光谱曲线，通过与红外光谱仪联用，可实现更高的数据收集效率。同时，气体等离子体多波长非线性变换技术的实现原理和系统结构也比前者更加简单，对激光光源的光束质量要求也相对较低，具有良好的应用潜力。

基于气体等离子体多波长非线性变换的宽频中红外飞秒激光产生装置，主要原理如下：首先通过将基频的飞秒激光倍频，并调整其偏振方向使其与基频光相同，之后调整基频光和倍频光在空间上和时间上重合并聚焦在气体中，产生等离子体。两束光在等离子体中进行非线性频率变换，进而产生中红外飞秒激光，最后准直输出。

当飞秒激光聚焦在气体中时，焦点位置的能量密度极高，气体被电离成为等离子体并发出光和声波。目前已有的方案是直接将焦点置于空气中，但是，这一方案有两个严重的问题：(1)由于红外光的产生过程是复杂的非线性光学过程，产生的中红外光强度和光谱对焦点位置的气体状态非常敏感，空气的轻微扰动会导致输出红外光的剧烈抖动，因此采用这一方案得到的红外光稳定性很差；(2)空气中的等离子体会持续产生的臭氧，在长时间连续工作中会导致焦点周围的镜片和光机原件的快速腐蚀。这两个问题的存在，导致这一技术难以应用于红外瞬态吸收光谱学测量，阻碍了这一技术的仪器化、商品化发展进程。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种中红外宽谱飞秒激光产生装置和方法，通过使用特殊设计的气体室，并将焦点置于气体室内，解决了气体扰动导致的光束稳定性问题和臭氧对光学器件的腐蚀问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种中红外宽谱飞秒激光产生装置，包括：沿光路设置的倍频器、延迟器、聚焦镜、气体室和准直镜；

所述倍频器，用于将接收的飞秒激光光束作为基频光，产生与所述基频光的偏振方向垂直的倍频光，将包含所述基频光和所述倍频光的光束经过波片，对所述基频光的偏振方向进行旋转，使其与所述倍频光的偏振方向相同；

所述延迟器，用于接收偏振对齐且共线的所述基频光和所述倍频光，调整所述基频光与所述倍频光的延迟，使所述基频光与所述倍频光在时间上重合；

所述聚焦镜，用于接收所述基频光与所述倍频光合并后共线的输出光束，将所述输出光束聚焦到所述气体室中；

所述气体室，用于当所述基频光与所述倍频光在空间和时间上均重合时，在内部聚焦产生等离子体，经过非线性光学变换产生中红外宽谱飞秒激光；