CN103299494A - 中红外和远红外的紧凑的高亮度光源 - Google Patents

中红外和远红外的紧凑的高亮度光源 Download PDF

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Abstract

本发明披露了紧凑的激光***，所述激光***包括与非线性晶体或波导结合的超快激光源。在一些实施例中，使用了产生非常短的脉冲的基于光纤的中红外源和/或基于锁模光纤激光器的中红外源。一些实施例可包括具有放大器***的红外源，所述放大器***包括Tm光纤放大器和Er光纤放大器的组合。差频发生器从Er和/或Tm放大器***接收输出，并产生包括差频的输出。紧凑的高亮度中红外光源的示例性应用包括医学应用、光谱学、测距、感测和计量学。

Description

中红外和远红外的紧凑的高亮度光源
声明
本发明是由Air Force Office Of Scientific Research授予的合同FA9550-09-1-0233在政府支持下进行的。政府对本发明具有一定的权利。
技术领域
本发明涉及中红外和远红外光谱区的紧凑的高亮度光源和示例性应用。
背景技术
高亮度中红外光源在医学、光谱学、测距、感测和计量学中有许多应用。对于大量的市场应用，所述光源需要非常强劲、具有长期稳定性、并且还包括具有高度光学集成的最少部件数。对于科学应用来说，基于光学参数的振荡器或放大器的中红外光源是公知的。不过，所述源对于商业应用效用有限，这是由于它们内在的复杂性或大光学功率要求。
最近，半导体激光器并且更具体的说是量子级联激光器已可用，其允许高度集成。然而，对低温冷却的要求一般是障碍并且对于许多应用是不允许的。
至今，还没有生产出具有高光谱密度和工作在高重复率下的大量可生产的基于光纤的中红外源。
发明内容
本发明披露了紧凑的激光***，包括与非线性晶体或波导结合的超快激光源。
基于被动锁模Tm光纤激光器工作在2000nm附近的超快激光源尤其受到关注。在一些实施例中，将Tm光纤振荡器与Tm光纤放大器结合以增大它们的脉冲能量，其中包层泵浦的实施还使得平均Tm光纤放大器功率水平可达到十W(数十W，tens of W)至数百(hundreds of)W的范围。
通过额外的频移利用非线性晶体或波导，例如硅波导、周期性极化铌酸锂（PPLN）、光学图案化的GaAs（OPGaAs）和光学图案化的GaP（OPGaP）以及周期性极化的KTP、RTA、钽酸锂、铌酸钾和周期性双晶石英可便于超快激光源到中红外的频率转换。
非周期性极化期和色散设计的波导提供Tm光纤振荡器在中红外光谱区的有效的频移。
与非线性晶体或波导中差频混合结合，可获得整个中红外至远红外光谱区域的光谱范围。
通过将工作在2000nm附近的光纤激光源与Er放大器结合可改进差频产生，能够产生1550nm和2000nm光谱区域的高功率脉冲。
中红外源可用于光学计量、LIDAR、光谱学以及医学应用例如人体组织治疗。
附图说明
图1是用于中红外和远红外光谱生成的源的一部分的示图。
图2示出了作为脉冲能量函数的光谱频移的测量结果。
图3示出了作为具有非周期性极化期的LiNbO3中所产生的波长的函数的光谱频移的计算结果。
图4是用于中红外和远红外光谱生成的源的可替换实施例的示图。
图5是用于中红外和远红外光谱生成的源的另一可替换实施例的示图。
具体实施方式
除非另有说明，“光谱范围”是在所述源的光谱密度为峰值光谱密度的10%的点之间以波长测量的差异，例如如图3中所示。
基于光纤或非线性波导的中红外光生成已披露于，例如，Fermann等人的美国专利6,885,683，发明名称为“Modular,high energy,widely-tunable ultrafastfiber source”，申请日为2000年5月23日，该专利文献在此以其全文形式被结合入本文作为引用。例如，拉曼位移和Tm放大器披露于至少图6中以及’683专利的相应正文中。中红外频率生成还披露于Imeshev等人的美国专利8,040,929中，发明名称为“Optical parametric amplification,optical parametric generation,andoptical pumping in optical fibers systems”,申请日为2005年3月25日；Fermann等人的美国专利申请12/399,435，发明名称为“Optical scanning and imaging systemsbased on dual pulse laser systems”,申请日为2009年3月6日；以及Hartl等人的美国专利申请11/546,998，发明名称为“Laser based frequency standards and theirapplications”,申请日为2006年10月13日。8,040,929、12/399,435和11/546,998申请的内容在此以其全文形式被结合入本文作为引用。紧凑的宽带中红外源的回顾还可在Islam等人的美国专利7,519,253中找到。
一般，可通过波长转换利用近红外源作为泵浦或种子来构造中红外源。如Imeshev等人的专利8,040,929中所讨论的，非线性光纤内的拉曼位移是将近红外源的输出转换到中红外区域的一种特别简单的方法。尽管光纤中的拉曼位移是已经确立的，类似于拉曼位移的波长转换方法也已在准相位匹配材料中建议，例如，K.Beckwitt等人的‘Frequency shifting with local nonlinearity management innonuniformly poled quadratic nonlinear materials’，Opt.Lett.,29,763(2004)中的周期性极化的LiNbO3。不过，降频移被认为是不可行的，除非使用宽度为至少5ps的脉冲。在准相位匹配的非线性晶体的频移的实验演示中，没有获得超出波长为1650nm的频移，如披露于F.Baronio等人的‘Spectral Shift of femtosecond pulses innonlinear quadratic PPSLT crystals’,Opt.Express,14,4774(2006)。此外，在Baronio等人的著作中，要求量级为数百nJ的非常高的脉冲能量，这非常难以从紧凑的激光器结构获得。
包括非常短的脉冲例如飞秒脉冲的基于光纤的中红外源或通过锁模光纤激光器可获得的中红外源尤其可用于中和/或远红外光谱区的紧凑的高亮度光源的实施例。
飞秒脉冲在中红外生成中具有许多优点。例如，结合超连续谱生成，飞秒脉冲与ps或ns脉冲相比允许更为有效的频率转换，因为飞秒脉冲的峰值功率对于相同的脉冲能量比ps或ns脉冲要高的多。因此，中红外频率生成可以在高脉冲重复率下进行。高脉冲重复率还可使所述源的平均功率或光谱密度最大化。通过锁模振荡器生成的飞秒脉冲的效用的另一个示例是当将所述飞秒脉冲耦合入高度非线性光纤时它们改进的光谱相干性，这在频率计量学应用中可能是重要的方面。
图1中示出了用于中红外光谱区的波长可调源的一些部件。所述源包括激光信号源或激光泵浦源（示出）和非线性波导。一般，可在单个芯片上生长几个波导并且这些波导可被设计成彼此平行，如图1所示。此外，波导可以是周期性或非周期性极化，后者由图1中的短线表示。
工作在波长区域为约2000nm的激光***可用作高亮度源的前端。激光***可包括，例如，在Tm光纤放大器中放大的锁模Tm光纤激光器输出，如披露于Imeshev等人的美国专利(申请)8,040,929，例如至少披露于图5、图7-13和‘929申请的相关正文中。不过，用于前端的其它激光源也是可行的，例如Tm/Yb或基于Ho的光纤***或者固态激光器例如锁模Cr:ZnSe激光器。另一个替换例是使用包括锁模Er光纤激光器的激光***，它通过光纤被拉曼（Raman）位移到1800-2100nm光谱范围内并随后在Tm光纤放大器中被放大。所述用于2000nm光谱区域的可调源在Imeshev等人的美国专利申请8,040,929中已有讨论。
在一个示例性实施例中，图1中的非线性晶体可包括周期性极化的LiNbO3（PPLN）晶体或PPLN波导。可包括光学子***（未示出），以便将激光源光学耦合至非线性晶体。光学子***可包括(整)体部件或集成部件的任意合适的组合，例如透镜、反射镜、光纤耦合器等等。至少一个实施例可包括全光纤耦合结构(装置)，或包含非常少的体光学元件。光隔离器（未示出）还可用于阻止非线性晶体表面的反馈进入激光源。非线性晶体还可以有防反射涂层。光学子***和/或波导还可包括由体光学器件实现的模(式)转换器、锥形单模光纤、和/或光纤接头(拼接)。模(式)转换器可用于简化光耦合，以增加进入波导的光耦合效率，并且还改进波导的输出光束的模质量。透镜或反射镜（未示出）还可被包括在波导的输出处，用于光束准直。在一些实施例中，光纤可被设置在波导的输出处，以抑制不想要的光谱输出，以便过滤谱移输出，适用于特定的应用。
非线性波导还可被设计成用于超连续谱生成，例如披露于Hartl等人的美国专利申请11/546,998，例如披露于至少图1a）-1d)和’998申请的相应正文中。一般，非线性晶体中不要求波导，尽管波导结构是有用的，因为它减少了对非线性频率生成的功率要求。当通过波导产生超连续谱时，超连续谱还可被设计成产生至具有增强的光谱密度的光谱范围的光谱转换。例如，当利用具有周期性极化或者具有一定光栅周期的图案化光栅的波导时，非线性波导可被设计成产生光谱频移（SFS）。SFS可以是正的（蓝移）或者是负的（红移）。例如为了产生红移，波导需要被设计成确保sgn(βf/Δk)=1和sgn(δν/Δk)=-1，其中βf是基波波长的群速度色散；δνn=(nsh-nf)是在二次谐波波长nsh的群折射率与在基波波长的群折射率nf之间的群折射率差。Δk=ksh-2kf-Kg(z)是二次谐波波长波矢ksh、基波波长波矢kf和光栅波矢Kg的差。非周期性光栅Kg还可以是传播距离z的函数，即，Kg(z)。
例如，当利用工作在2000nm附近的源例如锁模Tm光纤激光器时，当Δk为负时，即当光栅周期被设计成短于产生最佳倍频的光栅周期时，可在PPLN波导获得频移入红光谱区域。从2000nm到3000nm的频移以及更大范围的频移是可能的。频移还可通过利用具有增强的波导色散的波导进行优化，这在利用具有小芯区域的波导时是可行的。波导色散和频移还可利用波导内的较高阶模被最大化，其中输入和频移的输出可在相同的较高阶模中传播，或者其中输入和频移的输出在不同阶模中传播。为了使由于光折射损害或由于非线性吸收而引起的波导衰减最小化，优选使用输出波长>1700nm的泵浦源。光折射损害和非线性吸收的最小化还可用于产生来自非线性波导的高平均功率。
在自频移的实验演示中，在光栅周期为24.3μm的周期性极化波导（PPLN）中获得约为9THz的频率下移（相当于130nm的波长偏移）。PPLN波导利用反质子交换法制造。所述波导制造方法例如披露于K.Parameswaran等人的Opt.Lett.,27,179(2002)中。不过，也可以使用利用其它制造方法制成的PPLN波导，所述方法例如本领域公知的铣削或刻蚀。所述制造方法例如披露于Sasaura等人的美国专利7,110,652‘Optical waveguide and method of manufacture’和Yang等人的美国专利申请11/861,447‘Fabrication Method for Quasi-Phase MatchedWaveguides’中。
在实验演示中，激光源产生在2040nm下约2nJ脉冲能量和100fs脉冲宽度的泵浦脉冲，被耦合入波导。激光源包括锁模Tm光纤激光器，在Tm拉曼(Raman)放大器被放大，如披露于例如Imeshev等人的美国专利申请8,040,929中。图2中进一步示出了光学光谱作为波导输出处的脉冲能量的函数。种子源光谱由图2中所示的相应虚线示例，而频移的输出由表示在波导输出的脉冲能量（0.318nJ-2.1nJ）的其它线示例。在这里，2040nm对应于所述源的近似平均发射波长；激光源还具有75nm的光谱范围（如上文所述）。如图3所示，10%的点对应于2000和2075nm的波长。因此，大部分的源输出能量被包含在所述源的光谱范围内，覆盖了大致2000-2075nm的光谱范围。
在最高的功率水平，相当大部分的波导的输出被局限在平均波长为约2160nm的光谱偏移区域内。在该具体的示例中，光谱偏移区域的光谱范围为约100nm，覆盖2120-2220nm，并包含光谱偏移输出的光谱范围内的超过约50%的总输出能量。
通过在光谱偏移区域中具有增强的光谱密度，可将光谱频移与超连续谱生成区分开。这进一步在图3中示出，图3示出了当利用2040nm附近的泵浦源时（虚线），非均匀极化（例如：有时被称作非周期性极化）的铌酸锂非线性波导的输出处计算的光谱密度。从图3可见，光谱偏移输出在约2700nm的区域（实线）中。激光源的光谱范围还通过a）表示，而由与泵浦源的光谱范围相同的带宽所覆盖的光谱区域通过b)表示。
1）光谱偏移输出的平均发射波长不同于源的平均发射波长。（分别在图3中的2700nm和2040nm）。
2）在光谱带宽对应于泵浦源的光谱范围的光谱窗口中，光谱偏移输出包含波导的总输出能量的至少0.5%（图3中为10%）。
3）在由源的光谱范围覆盖的光谱区域和带宽对应于源的光谱范围的频移输出的平均输出波长附近的区域之间没有光谱重叠。（图3中的区域a和b）。
在上文的示例中，通过由源的光谱范围和源平均发射波长所限定的光谱窗口（图3上部所示的窗口a）可方便的表示光谱特征。源的光谱范围可对应于光谱带宽Δλ。具有宽度Δλ的窗口的第二波长偏移形式被居中在频移的输出光学脉冲的平均发射波长处或平均发射波长附近（图3中的窗口b）。能量分数可由光谱积分方便的确定以表征增强的光谱密度。窗口可以是矩形的，以便方便地确定所包括的范围和能量的分数(部分)。
回到图2，可以看到，降频转换量是取决于功率的。因此，可通过改变注入非线性波导的功率构造连续的波长可调源。还可通过改变波导的温度获得近连续的调节。另一可替换例是在单芯片上生长具有不同准相位匹配光栅或极化参数的若干波导（如结合图1所讨论的）并横向移动波导以便改变用于频率转换的波导参数。
与OPGaAs或OPGaP波导相结合，可期望频率转换到3000nm和3000nm以外。通过非周期性极化波导可进一步扩展光谱频移。例如，为了使极化的铌酸锂波导中的光谱频移最大化，沿传播长度增大准相位匹配周期。
此外，还可获得光谱超连续谱生成，如披露于Hartl等人的美国专利申请11/546,998，提供非常紧凑的技术平台用于中红外和远红外光谱生成。
尽管在实验演示中我们使用了非线性波导用于有效的降频转换，用非线性晶体来替换非线性波导是同样可行的，尽管用于演示光谱偏移的功率要求一般要高的多。
除了所讨论的非线性晶体或波导外，能够有效地进行频移的非线性晶体的其它示例包括：周期性极化KTP、RTA、钽酸锂、铌酸钾和周期性孪晶石英。一般，大多数周期性极化的非线性晶体可被设计用于有效的频移。
除了非线性波导实施准相位匹配光栅外，一般性非线性波导也可实施用于光谱频移。在这种情况，由光纤已知的拉曼散射也可产生光谱频移。因而，使用发射波长>1700nm的激光源以使波导内部的非线性吸收和波导损害最小化仍是有利的。所述非线性波导可例如包括非线性硅波导，不过也可实施其它的非线性材料。
因为光谱频移在向上或向下转换的光谱区域中产生具有增强的光谱密度的频移输出，其它非线性过程可与频移过程连接以便覆盖比仅通过一个非线性波导所可能的范围甚至更宽的光谱范围。例如，第二波导可被***在图2中的第一波导之后，以增强光谱向上或向下转换。所述实施例没有单独示出。
另一可替换例是实施差频混合(混频)用于增加的光谱覆盖范围。图4示出了采用频移和差频混频的一个实施例。源的输出（例如：Tm光纤激光器或任何其它近红外源，具有的输出波长>1700nm）利用光学分束器被分成两个部分，其中第一部分被耦合入第一非线性晶体以提供非线性频率转换，而第二部分沿第二光学路径被引导。可采用例如如结合图1所描述的合适的光学子***（未示出）。非线性晶体的输出和源输出的第二部分随后通过二色向分束器重新组合，并且所组合的输出被***在第二非线性晶体中用于差频生成。第二非线性晶体也可以是非线性波导，被设置成用于差频生成。为了使差频的光功率最大化，还可以实施光参数放大。用于光参数放大的光学装置基本上与图4所示的相同。不同之处在于对于光参数放大的开始，利用量级为1(几)nJ或10nJ以上的较高的脉冲能量。所述高脉冲能量可例如由Tm光纤激光器通过实施啁啾脉冲放大而获得，如例如披露于美国专利8,040,929中。
第二非线性晶体可例如由OPGaAs、OPGaP、GaAs或GaP晶体或晶体波导构造。实施用于中红外生成的其它晶体是已知的并且也可实施。例如，可以使用GaSe、AgGaSe2、AgGaS2或CdGeAs2，这里仅列举了几个示例。
降频转换以及升频转换可用于第一晶体，与差频混频(混合)结合，以进一步增加差频生成过程的光谱范围。
为了扩展差频生成的光谱范围，通过适当设计的被动锁模Tm光纤激光器尽可能地使近红外(IR)源工作在1700-2000nm的波长范围是进一步有利的。假设Tm光纤激光器工作在具有100nm带宽的1850nm的波长并降频转换到也具有100nm带宽的2500nm，差频混频可达到短至5000-6000nm的波长。通过适当地控制降频转换过程还可获得长达20μm的波长。波长范围为5μm-20μm在分子光谱学中具有很大的关注。与OPGaAs或OPGaP中的降频转换结合，通过非常简单的源可以覆盖从1800nm-20000nm的全部波长范围。
利用例如工作在波长为1850nm的锁模Tm光纤振荡器和较高阶孤子形成或与Tm光纤放大器结合的啁啾脉冲放大可构造工作在1850nm波长的Tm光纤源，而不需利用拉曼孤子形成。Tm基于光纤的啁啾脉冲放大***例如披露于Imeshev等人的美国专利申请8,040,929。实施啁啾脉冲放大具有另外的优点，即可获得非常高的平均功率，其范围在0.1-100W的范围内并且甚至更高。因此，原则上可产生平均功率在1–100W范围内的降频转换源，这对于医学应用以及大气遥感和测距具有极大的吸引力。与光参数放大结合，通过所述基于光纤的降频转换源还可产生>1nJ的脉冲能量。
通过如图5进一步示出的Tm和Er光纤放大器的组合还可便于具有大光谱范围的差频生成。这里，在前端使用包括锁模Er振荡器和光学Er放大***的Er光纤***。合适的光学子***（例如，如结合图1所述）可用于***（未示出）。Er光纤***的输出随后通过光学分束器或光纤光学耦合器分成两个部分。Er光纤***输出的一个部分被进一步频移以提供用于Tm光纤放大器***的种子脉冲。所述Er光纤***与Tm光纤放大器的组合例如披露于Imeshev等人的美国专利申请‘929中。Tm光纤放大器***的输出可被进一步调节，如‘929中所讨论的。Tm光纤放大器***的输出还可被注入光学非线性波导中，用于进一步频移。非线性波导或Tm光纤放大器的输出和Er光纤***输出的第二部分随后在非线性晶体或波导中被组合，用于差频生成。由于Tm光纤放大器的输出是波长可调的并且Er光纤***和非线性波导之间的差频可以非常大，因此可获得1500-20000nm的非常有效的光谱范围，覆盖近红外到远红外光谱学的大部分感兴趣的波长区域。
在结合图5所讨论的示例中，还可转换Tm和Er光纤***的作用。在这种情况，***的前端包括锁模Tm光纤振荡器和放大器***，Tm***输出的一部分在被注入Er光纤放大器***之前被在光纤移频器随后升频转换。Er放大器和Tm***的输出随后在非线性晶体被组合用于差频生成。还可***另一非线性波导以便在注入非线性晶体之前频移至少一部分的Tm光纤***输出，用于差频生成。
因此，基于光纤的激光***可包括Er光纤增益介质和Tm光纤增益介质及其组合，产生第一（Er）和第二（Tm）输出，具有各自的第一和第二光频。差频发生器（DFG）接收具有第一和第二光频的第一和第二输出。DFG随后产生DFG输出，所述DFG输出包括第一和第二频率的差。
因此，发明人已通过若干实施例描述了本发明。
至少一个实施例包括红外源。所述源包括产生短光学脉冲的激光***，所述光学脉冲包括大于约1700nm的第一平均发射波长和第一光谱范围。平均发射波长和光谱范围限定居中于第一平均发射波长或在第一平均发射波长附近并具有带宽Δλ的光谱窗口。所述***包括非线性晶体，所述非线性晶体包括基于结晶材料的准相位匹配光栅。光学子***将所述源光学耦合至非线性晶体，产生频移的输出脉冲。频移脉冲包括第二频移的平均发射波长。频移输出包括在居中于第二平均发射波长或其附近并具有带宽Δλ的第二波长偏移的光谱窗口内的实质能量分数(部分)。光谱窗口和偏移的光谱窗口基本上没有光谱重叠。
在至少一个实施例中，非线性晶体可包括至少一个波导。
在至少一个实施例中，实质能量分数可大于约0.5%。
在至少一个实施例中，实质能量分数可大于约5%。
在至少一个实施例中，激光***可包括Tm、Ho、Tm/Ho或Yb/Tm光纤激光器。
在至少一个实施例中，激光***可包括固态激光器。
在至少一个实施例中，激光***可包括锁模激光器。
在至少一个实施例中，非线性晶体可选自由下述构成的组：周期性极化铌酸锂、周期性极化KTP、周期性极化的石英、周期性极化的RTA、周期性极化的钽酸锂、周期性极化的铌酸钾和/或定向图案化的GaAs和GaP。
在至少一个实施例中，频率偏移输出可以是向上频率转换的(升频转换)。
在至少一个实施例中，频率偏移输出可以是向下频率转换的(降频转换)。
所述源还可包括第二非线性晶体，所述第二非线性晶体被设置成用于光谱频移，所述第二非线性晶体被设置在所述源的下游。
在至少一个实施例中，所述源可包括设置在源下游的第二非线性晶体，所述第二非线性晶体被设置成用于在激光源的输出的一部分和频移输出之间的差频生成。
在至少一个实施例中，所述源可包括设置在源下游的第二非线性晶体，所述第二非线性晶体被设置成用于在激光源的输出的一部分和频移输出之间以差频进行脉冲生成，其中在差频生成输出包括光学参数放大。
在至少一个实施例中，所述源可被设置成产生波长可调的输出，并且其中波长调节通过横向平移非线性晶体和/或加热非线性晶体来进行以便改变激光源的平均发射波长。
在至少一个实施例中，频移输出可具有的平均功率>100mW。
在至少一个实施例中，短光学脉冲可包括至少一个脉冲，所述脉冲的脉冲宽度在约10fs-100ps的范围内。
在至少一个实施例中，短光学脉冲可包括至少一个脉冲，所述脉冲的脉冲宽度在约10fs-1ps的范围内。
在至少一个实施例中，光谱窗口是具有光谱宽度Δλ的矩形窗函数。
在至少一个实施例中，光学子***可包括基本上全光纤组件(组成部分)。
至少一个实施例包括红外源。所述源包括基于光纤的激光***，所述***包括Er光纤增益介质和Tm光纤增益介质的结合，产生第一（Er）和第二（Tm）输出，具有各自的第一和第二光频。差频发生器（DFG）接收具有第一和第二光频的第一和第二输出，并产生包括其差频的DFG输出。
所述源可包括移频器，以便频移第一（Er）或第二（Tm）输出中的一个的一部分，以提供下移或上移的输出部分以便分别注入Tm光纤放大器或Er光纤放大器。
在至少一个实施例中，移频器可包括光纤。
在至少一个实施例中，基于光纤的***可包括Er光纤放大器，其中Er增益介质包括Er光纤放大器的一部分。
在至少一个实施例中，基于光纤的***可包括Er光纤振荡器，其中Er增益介质包括Er光纤振荡器的一部分。
在至少一个实施例中，基于光纤的***可包括Er光纤激光器/放大器组合，其中Er光纤增益介质包括Er光纤激光器/放大器组合的一部分。
在至少一个实施例中，基于光纤的***可包括Tm光纤放大器，其中Tm增益介质包括Tm光纤放大器的一部分。
在至少一个实施例中，基于光纤的***可包括Tm光纤振荡器，其中Tm增益介质包括Tm光纤振荡器的一部分。
所述基于光纤的***可包括Tm光纤激光器/放大器组合，其中Tm光纤增益介质包括Tm光纤激光器/放大器组合的一部分。
在至少一个实施例中，红外源包括设置在所述源的下游的第二非线性晶体，所述第二非线性晶体被设置成用于频移输出的光学参数放大。
在至少一个实施例中，光学参数放大在激光器源的输出和频移的输出的差频产生另一输出。
至少一个实施例包括红外源。所述源包括产生短光学脉冲的激光***，所述光学脉冲包括大于约1700nm的第一平均发射波长和第一光谱范围，所述平均发射波长和光谱范围限定居中于第一平均发射波长或第一平均发射波长附近并具有带宽Δλ的光谱窗口。所述源包括第一非线性晶体，所述第一非线性晶体包括基于结晶材料的准相位匹配光栅，所述第一非线性晶体产生频移输出脉冲，所述频移脉冲包括第二频移的平均发射波长。第二非线性晶体被设置在第一晶体的下游，所述第二非线性晶体被设置成在激光源的输出的一部分和通过所述第一非线性晶体产生的频移输出之间的差频产生输出。所述源还包括光学子***，以便光学耦合所述源、所述第一非线性晶体和第二非线性晶体。频移输出包括在居中于所述第二平均发射波长或第二平均发射波长附近并具有带宽Δλ的第二波长偏移的光谱窗口内的实质能量分数。光谱窗口和偏移的光谱窗口基本上没有光谱重叠。
在至少一个实施例中，第二非线性晶体被设置成用于频移输出的光学参数放大，并且差频生成包括光学参数放大。
在至少一个实施例中，第二非线性晶体由OPGaAs或OPGaP构造。
在至少一个实施例中，第二非线性晶体产生波长范围从5μm-20μm的输出。
为了总结本发明，本文描述了本发明的某些方面、优点和新颖性特征。但是，应当理解，根据任何具体的实施例并不必然可获得所有所述的优点。因此，本发明可通过实现一个或多个优点而不必然实现本文所教导或建议的其它优点的方式来体现或实施。
因此，尽管仅某些实施例在本文被具体描述，显而易见，在不背离本发明的精神和范围的情况下可对其作多种改变。此外，使用首字母的缩略词仅用于增强说明书和权利要求的可读性。应当指出，这些缩略词不旨在缩小所用术语的通用性，并且它们不应被解释为将权利要求的范围限制在本文所述的实施例中。

Claims (33)

1.一种红外源，包括：
产生短光学脉冲的激光***，所述光学脉冲包括大于约1700nm的第一平均发射波长和第一光谱范围，所述平均发射波长和所述光谱范围限定居中于所述第一平均发射波长或第一平均发射波长附近并具有带宽Δλ的光谱窗口；
非线性晶体，所述非线性晶体包括基于结晶材料的准相位匹配光栅；
光学子***，所述光学子***将所述源光学耦合至所述非线性晶体；所述非线性晶体产生频移输出脉冲，所述频移输出脉冲包括第二频移的平均发射波长，
其中所述频移输出包括在居中于所述第二平均发射波长或第二平均发射波长附近并具有带宽Δλ的第二波长偏移的光谱窗口内的实质能量分数，其中所述光谱窗口和所述偏移的光谱窗口基本上没有光谱重叠。
2.根据权利要求1所述的红外源，其中所述非线性晶体包括至少一个波导。
3.根据权利要求1所述的红外源，其中所述实质能量分数大于约0.5%。
4.根据权利要求1所述的红外源，其中所述实质能量分数大于约5%。
5.根据权利要求1所述的红外源，其中所述激光***包括Tm、Ho、Tm/Ho或Yb/Tm光纤激光器。
6.根据权利要求1所述的红外源，其中所述激光***包括固态激光器。
7.根据权利要求1所述的红外源，其中所述激光***包括锁模激光器。
8.根据权利要求1所述的红外源，其中所述非线性晶体选自包括下述的组：周期性极化铌酸锂、周期性极化KTP、周期性极化的石英、周期性极化的RTA、周期性极化的钽酸锂、周期性极化的铌酸钾和/或定向图案化的GaAs和GaP。
9.根据权利要求1所述的红外源，其中所述频移输出是升频转换的。
10.根据权利要求1所述的红外源，其中所述频移输出是降频转换的。
11.根据权利要求1所述的红外源，还包括第二非线性晶体，所述第二非线性晶体被设置成用于光谱频移，所述第二非线性晶体被设置在所述源的下游。
12.根据权利要求1所述的红外源，还包括设置在所述源下游的第二非线性晶体，所述第二非线性晶体被设置成用于在激光源的输出的一部分和所述频移输出之间的差频生成。
13.根据权利要求1所述的红外源，其中所述源被设置成产生波长可调输出，并且其中所述波长调节通过横向平移所述非线性晶体和/或加热所述非线性晶体来进行以便改变所述激光源的平均发射波长。
14.根据权利要求1所述的红外源，其中所述频移输出具有的平均功率>100mW。
15.根据权利要求1所述的红外源，其中所述短光学脉冲包括至少一个脉冲，所述至少一个脉冲具有的脉冲宽度在约10fs-100ps的范围内。
16.根据权利要求1所述的红外源，其中所述短光学脉冲包括至少一个脉冲，所述至少一个脉冲具有的脉冲宽度在约10fs-1ps的范围内。
17.根据权利要求1所述的红外源，其中所述光谱窗口是具有光谱宽度Δλ的矩形窗函数。
18.根据权利要求1所述的红外源，其中所述光学子***包括基本上全光纤组件。
19.一种红外源，包括：
基于光纤的激光***，所述激光***包括Er光纤增益介质和Tm光纤增益介质的组合，产生第一（Er）和第二（Tm）输出，具有各自的第一和第二光频；
差频发生器（DFG），所述差频发生器接收具有第一和第二光频的第一和第二输出，并产生包括其差频的DFG输出。
20.根据权利要求19所述的红外源，包括移频器，以便频移第一（Er）或第二（Tm）输出之一的一部分以提供下移或上移输出部分，以便分别注入Tm光纤放大器或Er光纤放大器。
21.根据权利要求20所述的红外源，其中所述移频器包括光纤。
22.根据权利要求19所述的红外源，其中所述基于光纤的***包括Er光纤放大器，其中所述Er增益介质包括所述Er光纤放大器的一部分。
23.根据权利要求19所述的红外源，其中所述基于光纤的***包括Er光纤振荡器，其中所述Er增益介质包括所述Er光纤振荡器的一部分。
24.根据权利要求19所述的红外源，其中所述基于光纤的***包括Er光纤激光器/放大器组合，其中所述Er光纤增益介质包括所述Er光纤激光器/放大器组合的一部分。
25.根据权利要求19所述的红外源，其中所述基于光纤的***包括Tm光纤放大器，其中所述Tm增益介质包括所述Tm光纤放大器的一部分。
26.根据权利要求19所述的红外源，其中所述基于光纤的***包括Tm光纤振荡器，其中所述Tm增益介质包括所述Tm光纤振荡器的一部分。
27.根据权利要求19所述的红外源，其中所述基于光纤的***包括Tm光纤激光器/放大器组合，其中所述Tm光纤增益介质包括所述Tm光纤激光器/放大器组合的一部分。
28.根据权利要求1所述的红外源，还包括设置在所述源的下游的第二非线性晶体，所述第二非线性晶体被设置成用于所述频移输出的光学参数放大。
29.根据权利要求28所述的红外源，其中所述光学参数放大在所述激光源的输出和所述频移输出的差频产生另一输出。
30.一种红外源，包括：
产生短光学脉冲的激光***，所述光学脉冲包括大于约1700nm的第一平均发射波长和第一光谱范围，所述平均发射波长和光谱范围限定居中于所述第一平均发射波长或所述第一平均发射波长附近并具有带宽Δλ的光谱窗口；
第一非线性晶体，所述第一非线性晶体包括基于结晶材料的准相位匹配光栅，所述第一非线性晶体产生频移输出脉冲，所述频移脉冲包括第二频移的平均发射波长；
第二非线性晶体，所述第二非线性晶体被设置在第一晶体的下游，所述第二非线性晶体被设置成用于在所述激光源的输出的一部分与通过所述第一非线性晶体产生的频移输出之间的差频产生输出；和
光学子***，所述光学子***光学耦合所述源、所述第一非线性晶体和第二非线性晶体，
其中所述频移输出包括在居中于所述第二平均发射波长或所述第二平均发射波长附近并具有带宽Δλ的第二波长偏移的光谱窗口内的实质能量分数，其中所述光谱窗口和所述偏移的光谱窗口基本上没有光谱重叠。
31.根据权利要求30所述的红外源，其中所述第二非线性晶体被设置成用于所述频移输出的光学参数放大，并且差频产生包括光学参数放大。
32.根据权利要求30所述的红外源，其中所述第二非线性晶体由OPGaAs或OPGaP构造。
33.根据权利要求30所述的红外源，其中所述第二非线性晶体产生波长范围从5μm-20μm的输出。
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