[发明专利]一种内腔标准具的角度确定、程控偏置与锁定方法及系统

说明书

本发明公开一种内腔标准具的角度确定、程控偏置与锁定方法及系统，涉及激光和非线性光学频率变换技术领域，角度确定方法包括：获取非线性晶体的实时温度；根据非线性晶体的实时温度计算标准具角度，具体包括：获取光学参量振荡器的实验参数和起始调谐温度，计算不同标准具角度下的归一化参量增益谱；将最大归一化参量增益值和对应的标准具角度写入数组；确定数组中的最大归一化参量增益值的最小值；并在最小值小于0时将最小值对应的标准具角度和非线性晶体的温度输出。本发明能够实现光学参量振荡器的宽带连续无跳模可调谐。

技术领域

本发明涉及激光和非线性光学频率变换技术领域，特别是涉及一种内腔标准具的角度确定、程控偏置与锁定方法及系统。

背景技术

光学参量振荡器(OPO)由泵浦光、非线性晶体、谐振腔组成，经由光学参量振荡过程，同时产生信号光和闲置光。理想情况下，OPO产生的两束光的频率由能量守恒条件(即泵浦光频率等于信号光频率与闲置光频率之和)和完全相位匹配条件(即泵浦光频率与其在非线性晶体中的折射率之积等于信号光和闲置光各自的频率与折射率的乘积之和)所决定。因此可以通过调控泵浦光频率、非线性晶体温度、非线性晶体角度等参数，使得满足能量守恒条件和完全相位匹配条件的信号光和闲置光频率变化，从而实现连续调谐。

宽带连续无跳模调谐的OPO在气体检测和追迹、大气污染监控、火灾早期预警、精密光谱、生物化学研究等领域有着广泛的应用。为了获得气体或者化合物溶液的指纹谱(吸收谱、拉曼散射谱等)，需要探测光源的频率可以在宽频带范围内连续无跳模调谐，同时对实际应用来说光源的调谐速度越快越好。但是由于存在额外的如自发参量放大等非线性过程，在OPO的调谐过程中会出现跳模和多模等现象，使得现有的可调谐OPO的连续无跳模调谐带宽被限制在1THz以下，且宽调谐带宽和高调谐速度无法兼得。

为了获得宽带连续无跳模可调谐OPO，目前常用的技术手段有：泵浦调谐结合温度实时反馈优化、腔长调谐结合标准具角度调节、缓慢温度调谐等。

泵浦调谐技术的原理是在非线性晶体温度不变、信号光在谐振腔内共振的条件下，通过调谐泵浦光的频率，使得非共振的闲置光频率跟随泵浦光频率变化。由于泵浦调谐技术本身只是基于能量守恒条件的调谐，因此在调谐一定频率范围之后，输出光的频率和折射率关系将偏离完全相位匹配条件，导致其调谐带宽一般在几百GHz的水平。为提高调谐带宽，常用的方法是采用实时温度反馈使得OPO始终保持在完全相位匹配条件下运转，其典型工作是：2012年，有些学者采用宽带可调谐半导体激光器作为种子源注入的光纤放大器作为泵浦源，通过采用角度固定的内腔标准具组锁定信号光频率，同时采用实时温度反馈，实现了对输出闲置光的带宽为900GHz的连续无跳模调谐。(参考文献：X.P.Hong,X.L.Shen,M.L.Gong,and F.Wang,“Broadly tunable mode-hop-free mid-infrared light sourcewith MgO:PPLN continuous-wave optical parametric oscillator,”Opt.Lett.37(23),4982-4984(2012).)。尽管采用实时温度反馈可以在一定调谐范围内克服OPO偏离完全相位匹配条件导致的跳模等问题，但该方法牺牲了调谐速度(典型的等待温度稳定的时间为30-60秒)，且无法使OPO工作在泵浦功率高于3倍阈值的条件下，因而输出光的功率受限。此外，输出光的调谐带宽受到泵浦源自身的无跳模调谐带宽的限制。