一种红外激光时谱快速调谐系统及方法

1.本发明涉及激光技术领域，特别涉及一种红外激光时谱快速调谐系统及方法。


背景技术：

2.红外波段拥有众多气体分子和生物组分的强吸收特征峰，因此在该波段开展高灵敏度气体探测或生物分子光谱学研究等具有显著优势。由于不同分子的振动谱吸收峰差异较大，固定波长激光器无法实现对多种分子振动带的分析响应，需要依靠多波长或波长可调谐激光技术进行甄别处理。其中，利用波长调谐的方式在仅使用一个红外激光器条件下能同时对多种分子谱线进行精确定位处理，可大大降低系统的复杂性和研制成本。此外，通过对激光脉冲间隔进行调节可以满足不同场景对时间响应需求，极大提高激光系统适用性。
3.基于非线性晶体的光学频率转换不涉及粒子数反转和非辐射跃迁，可以使用技术成熟的激光器在室温甚至加热条件下高效产生所需红外激光输出，是研制此类光源的有效途径，其具有峰值功率高、转换效率高、稳定性好等特点。传统波长调谐光频转换需依赖非线性晶体周期、温度或用于泵浦光波长调谐的干涉、衍射型器件，调谐速度慢，且为了获得脉冲调谐往往还需引入额外的周期性调制器件实现调q或者锁模脉冲输出，增加了系统结构复杂程度和操作难度。针对该问题，本项目提出使用光纤耦合型声光调谐滤波器(aotf)同时作为腔内滤波和主动调q器件，通过程序控制其驱动电路信号，改变滤波器透过特性，在近红外波段获取时域与光谱快速调谐脉冲激光，经功率放大和非线性光频转换后扩展到中、远红外波段，最终在较宽光谱范围，实现时域间隔与光谱快速可调的红外高能量脉冲输出。
4.本发明以光纤耦合型aotf同时作为腔内滤波和主动调q器件，其透过特性完全由程序控制，结构简单，调谐速度快。基于其搭建的激光系统将不仅推动短波红外的时谱快速调谐脉冲激光的发展，所获得的脉冲序列经功率放大也将作为非线性频率转换系统的优质泵浦源。利用时谱调谐脉冲泵浦非线性晶体，在固定温度条件下，通过改变泵浦光输出特性实现红外激光时谱调谐输出。该方法不仅可以实现对时域和光谱的同时调节，还避免了传统调谐过程依赖硬件或缓变调节单元的局限性，使得红外激光时谱特性只依赖于软件控制的泵浦光变化，操作简单方便，调谐范围广、速度快。


技术实现要素：

5.为了克服传统时谱调谐技术手段结构复杂、速度慢等问题，本发明提出一种红外激光时谱快速调谐系统及方法。即使用光纤耦合型声光调谐滤波器(aotf)同时作为腔内滤波和主动调q器件，通过程序控制其驱动电路信号，改变滤波器透过特性，在短波红外波段获取时谱快速调谐脉冲激光，经功率放大和非线性光频转换后扩展到中、远红外波段，最终在较宽光谱范围，实现时域间隔与光谱快速可调的红外高能量脉冲输出。本发明系统为全保偏结构，如图1所示，其包括半导体激光管1、波分复用器2、掺杂光纤3、隔离器4、声光可调
谐滤波器5、可编程任意波形发生电路6、耦合器7、激光功率放大器8，准直器9，透镜10，透镜11，透镜12，非线性晶体13，双色镜14。
6.半导体激光管1发射激光经波分复用器2耦合至掺杂光纤3中，掺杂光纤3另外一端和隔离器4的入射端尾纤熔接，隔离器4的输出端与声光可调谐滤波器5的尾纤熔接，声光可调谐滤波器5的驱动信号来源于可编程任意波形发生电路6，其尾纤另一端和耦合器7的尾纤熔接，使谐振腔内的一部分能量输出，另一部分能量通过耦合器与波分复用器2的信号端尾纤熔接返回到腔内，输出的激光经过激光功率放大器8提升脉冲能量后，经准直器9输出，并由透镜10聚焦耦合至非线性晶体13中，非线性晶体13位于透镜11和透镜12构建的谐振腔中，最后获得的红外激光经双色镜14与其他波段激光分离输出。
7.所述调谐激光器中，掺杂光纤3根据工作波段不同，掺杂元素为铒、镱、铥、铒镱共掺或铥钬共掺，结构为单包层或者双包层。
8.所述调谐激光器中，声光可调谐滤波器5同时作为滤波和脉冲调制器件。
9.所述调谐激光器中，可编程任意波形发生电路6可通过程序控制产生单频正弦波以及多个频率正弦波合成的复合信号，且复合信号中正弦波数量、频率以及振幅可调。
10.所述调谐激光器中，激光功率放大器8的增益波段根据工作波段不同，增益波段为1μm、1.5μm或2μm，其增益介质为光纤或者固体。
11.所述调谐激光器中，透镜10镀有覆盖工作波段的增透膜，其结构为单凸透镜、胶合透镜或透镜组。
12.所述调谐激光器中，透镜11镀有泵浦光波段的增透膜，以及镀有信号光波段的高反膜，其结构为单凹透镜、平面镜，胶合透镜或者透镜组。
13.所述调谐激光器中，透镜12镀有闲频光波段的增透膜，以及镀有信号光波段的高反膜，其结构为单凹透镜、平面镜，胶合透镜或者透镜组。
14.所述调谐激光器中，非线性晶体13镀有覆盖泵浦光、信号光和闲频光波段的增透膜，其结构为准相位匹配晶体或完全相位匹配晶体。
15.所述调谐激光器中，双色镜14镀有对闲频光波段高透过率、对泵浦和信号光波段高反射率膜，或对闲频光波段高反射率、对泵浦和信号光波段高透过率膜。
16.该一种红外激光时谱快速调谐系统及方法，通过程序控制对红外激光的时域与光谱特征进行调谐，所述的调谐方法如下：
17.1)调谐方法一：单波长调谐脉冲激光；控制可编程任意波形发生电路6产生间断的单个频率正弦波，使激光系统工作在单波长脉冲模式；该模式下每个红外脉冲的光谱只包含一个波长，且通过调节正弦波频率可实现波长的快速切换。
18.2)调谐方法二：多波长调谐脉冲激光；控制可编程任意波形发生电路6产生间断的由多个频率正弦波合成的复合包络信号，使激光系统工作在多波长脉冲模式；该模式下每个红外脉冲的光谱可包含多个波长成分，且控制正弦波数量、频率以及振幅可以对每个脉冲中的波长数量、位置以及相对强度快速调节。
19.3)调谐方法三：时域调谐脉冲激光；控制可编程任意波形发生电路6产生间断的单个或者多个频率正弦波合成的包络信号，通过调节包络信号的时间间隔，可以实现单波长或多波长模式下的红外脉冲间隔快速调谐输出。
20.综上所述，本发明提出一种产生红外脉冲激光的时域与光谱(时谱)快速调控技术
及方法。系统工作原理为：使用光纤耦合型声光调谐滤波器(aotf)同时作为腔内滤波和主动调q器件，通过程序控制其驱动电路信号，改变滤波器透过特性，在近红外波段获取时域与光谱快速调谐脉冲激光，经功率放大和非线性光频转换后扩展到中、远红外波段，最终在较宽光谱范围，实现时域间隔与光谱快速可调的红外高能量脉冲输出。
21.与现有技术手段相比，该发明的有益之处在于：
22.由于非线性频率转换的调谐机制为泵浦激光的波长和时域变化，而光频转换过程不存在能级跃迁和纵模匹配问题，调谐速度快。
23.通过程序控制对泵浦脉冲簇进行预调制，可在宽范围实现多波长快速调谐同时保持较好的功率平坦性。
24.通过程序控制aotf的透过率特性，即可改变红外时谱特性，实现单波长、多波长以及脉冲间隔快速调谐输出，系统简单，操作方便。
附图说明
25.图1为本发明系统的结构示意图，图中：1——半导体激光管、2——波分复用器、3——掺杂光纤、4——隔离器、5——声光可调谐滤波器、6——可编程任意波形发生电路、7——耦合器、8——激光功率放大器，9——准直器，10——透镜，11——透镜，12——透镜，13——非线性晶体，14——双色镜。
具体实施方式
26.本发明公布的一种红外激光时谱快速调谐系统及方法，激光器系统采用全保偏结构设计，下面结合附图详细说明本发明的实施方式。
27.所采用的主要器件描述如下：
28.1.半导体激光管1：为thorlabs公司的蝶形封装半导体激光管，型号bl976-pag900，其中心波长位于976nm，最大输出功率900mw。
29.2.波分复用器2：为光库科技生产pmwdm系列，其设计合束波长分别为980nm和1064nm，信号端与合束端的尾纤为pm980光纤。
30.3.掺杂光纤3：为nufern公司的高浓度掺镱光纤，型号为yb6/125μm，其模场直径为～7μm。
31.4.隔离器5：为光库科技生产的hpmi系列，其最高承受功率2w，隔离度35db，尾纤为pm980光纤。
32.5.声光可调谐滤波器5：为中国电子科技集团第二十六研究所的sglf80-ni-2p，其工作波段位于1μm，尾纤pm980光纤。
33.6.可编程任意波形发生电路6：为ti公司的dac5681和artix7合成板,最高采样速率1ghz，或使用高速任意波形发生器代替。
34.7.耦合器7：为光库科技生产的膜片式光纤耦合器，尾纤为pm980光纤，耦合比为20：80。
35.8.激光功率放大器8：采用两级级联主振荡功率放大结构，增益介质为双包层掺镱光纤。
36.9.准直隔离器9：采用光库科技的hpmfsi系列，最高承受平均功率100w，中心波长
隔离度》25db，输出光斑0.9mm.
37.10.透镜10：为thorlabs公司的la1608-ab凸透镜，镀有400-1100nm波段增透膜，焦距75mm，直径1英寸。
38.11.透镜11：采用平凹结构，镀有1μm和红外波段增透膜以及1.5μm反射膜，曲率半径-100mm。
39.12.透镜12：采用平凹结构，镀有1μm和红外波段增透膜以及1.5μm反射膜，曲率半径-100mm。
40.13.非线性晶体13：采用hc photon.公司的是通道周期性畴极化反转掺镁铌酸锂晶体，周期28.4-33.6μm，在1μm、1.5μm以及红外波段均镀有高透膜。
41.14.双色镜14：采用双平面双色镜，镀有闲频光波段高透膜以及短波红外高反膜，工作角度45
°
。
42.本发明通过在腔内使用光纤耦合型声光调谐滤波器(aotf)，使其同时作为滤波和主动调q器件，通过程序控制其驱动电路信号，改变滤波器透过特性，在近红外波段获取时域与光谱快速调谐脉冲激光，经功率放大和非线性光频转换后扩展到中、远红外波段，最终在较宽光谱范围，实现时域间隔与光谱快速可调的红外高能量脉冲输出。具体可实现以下三种调谐工作模式：
43.调谐方法一：单波长调谐脉冲激光；控制可编程任意波形发生电路6产生间断的单个频率正弦波，使激光系统工作在单波长脉冲模式；该模式下每个红外脉冲的光谱只包含一个波长，且通过调节正弦波频率可实现波长的快速切换。
44.调谐方法二：多波长调谐脉冲激光；控制可编程任意波形发生电路6产生间断的由多个频率正弦波合成的复合包络信号，使激光系统工作在多波长脉冲模式；该模式下每个红外脉冲的光谱可包含多个波长成分，且控制正弦波数量、频率以及振幅可以对每个脉冲中的波长数量、位置以及相对强度快速调节。
45.调谐方法三：时域调谐脉冲激光；控制可编程任意波形发生电路6产生间断的单个或者多个频率正弦波合成的包络信号，通过调节包络信号的时间间隔，可以实现单波长或多波长模式下的红外脉冲间隔快速调谐输出，预估的脉冲重复频率调节范围为10-130khz。
46.综上所述，该激光器系统可以在红外波段同时对光谱与时域特征进行调控，实现单波长、多波长以及脉冲间隔快速调谐输出。上述系统及调谐方法都是基于本发明构思下的不同工作模式，每种工作模式可针对不同的需求场景展开具体应用。