專利名稱：脈寬可調(diào)的超短脈沖壓縮裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超短脈沖激光，特別是一種脈寬可調(diào)的超短激光脈沖壓縮裝置，主要適用于微焦至百毫焦量級，中心波長800nm，線偏振或圓偏振方向的飛秒激光脈沖的時域脈沖寬度的壓縮，輸出脈沖寬度可調(diào)諧，應(yīng)用于高強(qiáng)度超快激光技術(shù)及物理研究領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在過去的幾十年中，飛秒激光的產(chǎn)生和應(yīng)用取得了長足的進(jìn)展，隨著摻鈦藍(lán)寶石(Ti:sapphire)鎖模激光器及啁啾脈沖放大(CPA)的出現(xiàn)，通過臺式設(shè)備獲得超強(qiáng)超短激光脈沖成為可能。超強(qiáng)超短激光脈沖是許多基礎(chǔ)研究中的重要工具，在激光物理研究領(lǐng)域有著不可替代的作用，比如高次諧波，等離子體通道，阿秒脈沖的產(chǎn)生等都需要高強(qiáng)度的超短激光脈沖作為光源。雖然摻鈦藍(lán)寶石激光振蕩器直接輸出的脈沖可短至5fs，但是放大系統(tǒng)中的增益窄化效應(yīng)使得放大后的脈沖寬度往往在20fs以上。而外腔壓縮技術(shù)是一種獲得更短脈沖的有效手段，到目前為止，外腔壓縮技術(shù)基本上都是基于以下原理通過非線性介質(zhì)中的自相位調(diào)制(SPM)效應(yīng)展寬光譜，然后經(jīng)過精確設(shè)計的色散延遲線補(bǔ)償頻譜中的頻率啁啾，從而達(dá)到壓縮脈沖寬度的目的。
最初人們利用單模熔融石英光纖作為光譜展寬介質(zhì)，但是由于熔融石英材料的破壞閾值較低，這種技術(shù)適用的入射脈沖能量限制在nJ量級。后來，M.Nisoli等人利用充惰性氣體的空心光纖作為非線性介質(zhì)，因?yàn)槎栊詺怏w的電離閾值較高，可用于壓縮mJ量級的激光脈沖，也已經(jīng)相當(dāng)成熟。在最近的報導(dǎo)中，人們利用這種技術(shù)已獲得4fs的周期量級超短脈沖。然而，對于實(shí)際的激光物理研究應(yīng)用，這種技術(shù)還存在局限性，首先，惰性氣體的電離閾值使得入射脈沖能量限制在mJ量級；其次，充氣空心光纖需要高壓氣體密封裝置，而且要求空心光纖不能彎曲，裝置復(fù)雜，技術(shù)難度較大。另一方面的局限性則來自于色散補(bǔ)償階段；目前實(shí)驗(yàn)中使用的色散補(bǔ)償元件主要有傳統(tǒng)的光柵對、棱鏡對，以及近些年發(fā)展起來的啁啾介質(zhì)鏡、聲光調(diào)制器(AOM)、可變形鏡和液晶光閥(SLM)。為了精確補(bǔ)償光譜中的頻率啁啾，色散延遲線需要精心設(shè)計，這使得壓縮過程比較復(fù)雜。此外，相對傳統(tǒng)元件，后幾種色散補(bǔ)償元件的相位補(bǔ)償效果要好，但是這些元件要么獲得比較困難，成本高，要么需要與相位測量儀器比如頻率分辯光學(xué)閥(Frequency-ResolvedOptical Gating，簡寫為FROG)和頻譜干涉直接重組脈沖電場儀器(Spectral Phase Interferomtry for Direct Electrical Reconstruction，簡寫為SPIDER)組成反饋回路，以達(dá)到色散補(bǔ)償?shù)哪康?。這更大大增加了系統(tǒng)的成本和難度。另外一個明顯的不足是其系統(tǒng)效率較低。以上幾個因素使得充惰性氣體空心光纖——自適應(yīng)光學(xué)色散補(bǔ)償脈沖壓縮技術(shù)還處于實(shí)驗(yàn)階段，尚不能作為超短激光光源用于實(shí)際的物理研究中。典型的光路布置參見圖1。從激光放大器1輸出的激光脈沖經(jīng)衰減器4(一般由半波片和偏振片組成)后，由薄透鏡3聚焦耦合到充惰性氣體空心光纖8中，輸出的光束經(jīng)鍍銀凹面鏡10準(zhǔn)直成平行光束，再由鍍銀平面反射鏡9和5引入到液晶光閥11中進(jìn)行相位調(diào)制，用分束片7將從液晶光閥11輸出的光束，分一小部分經(jīng)過平面反射鏡6引到位相測量儀器2(FROG或SPIDER)，進(jìn)行位相測量，測量結(jié)果反饋到液晶光閥11，組成自適應(yīng)光學(xué)反饋回路，最終輸出經(jīng)過色散補(bǔ)償后的壓縮脈沖。
塊體材料外腔壓縮是另一種吸引人的獲得超短激光脈沖的方法。這種方法的優(yōu)越性在于對入射脈沖能量基本沒有限制，適用于壓縮更高能量(百mJ量級)的激光脈沖。目前為止已有一些相關(guān)的實(shí)驗(yàn)報導(dǎo)，但其基本原理仍然是基于光譜展寬和相應(yīng)的色散補(bǔ)償。典型的光路布置與圖1類似，只是把充惰性氣體空心光纖8換為固體材料并置于透鏡焦點(diǎn)前一段距離。

發(fā)明內(nèi)容
在繼承上述塊體材料外腔壓縮技術(shù)適用于壓縮百毫焦量級激光脈沖的同時，相對于上述在先技術(shù)中所存在的不足，本發(fā)明提供一種簡單實(shí)用，脈寬可調(diào)的超短激光脈沖壓縮裝置，它利用高功率飛秒激光脈沖在固體材料中的自壓縮效應(yīng)，同時展寬光譜并壓縮時域脈沖寬度，而不需要另外精心設(shè)計色散延遲線來補(bǔ)償脈沖在非線性材料中傳輸時帶來的頻率啁啾。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種脈寬可調(diào)的超短脈沖壓縮裝置，包括一超短激光脈沖光源，沿該超短激光脈沖光源所發(fā)出的超短激光脈沖前進(jìn)方向依次是能量衰減器、聚焦透鏡、固定于光學(xué)滑軌的滑塊上的非線性固體材料和鍍銀凹面反射鏡構(gòu)成，所述的鍍銀凹面反射鏡與聚焦透鏡處于同一高度，其間距為二者焦距之和，所述的非線性固體材料置于聚焦透鏡的幾何焦點(diǎn)之后。
所述聚焦透鏡的焦距為1～2m所述聚焦透鏡和非線性固體材料之間設(shè)有多個反射鏡，以改變光路方向。
所述的能量衰減器由一個二分之一波片和一個偏振片構(gòu)成，以連續(xù)調(diào)節(jié)入射脈沖能量大小。
所述的非線性固體材料為玻璃。
所述的鍍銀凹面反射鏡之后還設(shè)有鍍銀平面反射鏡。
所述的非線性固體材料置于所述聚焦透鏡的幾何焦點(diǎn)之后5-10mm。
本發(fā)明的超短脈沖壓縮基本原理是超短激光脈沖在正色散材料中的自聚焦過程中的時空耦合會造成脈沖寬度壓縮，其決定作用體現(xiàn)在描述脈沖在非線性材料中傳輸?shù)姆蔷€性薛定諤方程的空間衍射項(xiàng)，方程如下式∂A∂z-i2k▿⊥2A+iβ22∂2A∂τ2=in2n0ω2π|A|2A]]>其中算子⊥2即表示空間衍射項(xiàng)。
與先技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下顯著的特點(diǎn)(1)利用高能量超短激光脈沖在正色散固體介質(zhì)中傳輸過程中的SPM和自聚焦效應(yīng)同時達(dá)到展寬光譜和壓縮時域脈沖寬度的目的，裝置簡單，容易搭建，操作方便。而在先技術(shù)基本上都是分展寬光譜和色散補(bǔ)償兩個步驟完成，其中為精確補(bǔ)償展寬光譜時帶來的頻率啁啾，需精確設(shè)計色散延遲線，這大大增加了實(shí)驗(yàn)成本和所需的操作技能。
(2)在確定入射脈沖能量情況下，只需移動玻璃材料在光路中的位置即可改變系統(tǒng)的壓縮因子，達(dá)到調(diào)諧出射脈沖寬度的目的。而在先技術(shù)對于確定的入射脈沖參數(shù)，出射脈沖參數(shù)亦被確定。
(3)因?yàn)闊o需另外的色散補(bǔ)償步驟，脈沖壓縮系統(tǒng)效率高達(dá)85％以上，這是在先技術(shù)無法比擬的，在先技術(shù)系統(tǒng)的壓縮效率通常在50％以下。
(4)將玻璃材料放在透鏡焦點(diǎn)之后，相對于在先技術(shù)中放在焦點(diǎn)之前，光束模式得到了很大的改善，大大減小了出射光束的空間啁啾，而在先技術(shù)中將玻璃材料放于聚焦透鏡焦點(diǎn)之前，然后為了減小出射光束的空間啁啾在透鏡焦點(diǎn)處放置針孔空間濾波器，這樣造成了很大的能量損失。
(5)對于線偏振和圓偏振入射脈沖均適用，而一些在先技術(shù)的色散補(bǔ)償元件僅適用于線偏振光。


圖1為在先的超短脈沖壓縮技術(shù)實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。
圖2為本發(fā)明的脈寬可調(diào)超短激光脈沖壓縮裝置示意圖。
圖3為本發(fā)明中將固體非線性材料放于聚焦透鏡焦點(diǎn)之后光束在非線性材料前(a)后(b)空間模式的改善對比圖。
圖4為使用本發(fā)明的脈寬可調(diào)諧高能量超短激光脈沖壓縮裝置，非線性材料放于不同位置時得到的壓縮脈沖時域形狀，頻譜及頻域相位圖形與原始激光脈沖相應(yīng)圖形比較。
圖5為使用本發(fā)明的脈寬可調(diào)諧高能量超短激光脈沖壓縮裝置，入射脈沖在圓偏振狀態(tài)下所得的壓縮脈沖時域形狀，頻譜及頻域相位圖形。
具體實(shí)施先請參閱圖2，圖2為本發(fā)明的脈寬可調(diào)超短激光脈沖壓縮裝置實(shí)施例示意圖。由圖可見，本發(fā)明脈寬可調(diào)的超短脈沖壓縮裝置的構(gòu)成，包括一超短激光脈沖光源1，沿該超短激光脈沖光源1所發(fā)出的超短激光脈沖前進(jìn)方向依次是能量衰減器2、聚焦透鏡5、固定于光學(xué)滑軌6的滑塊上的玻璃3和鍍銀凹面反射鏡4構(gòu)成，所述的鍍銀凹面反射鏡4與聚焦透鏡5處于同一高度，其間距為二者焦距之和，所述的玻璃3置于聚焦透鏡5的幾何焦點(diǎn)之后5-10mm。在所述聚焦透鏡5和非線性固體材料3之間設(shè)有兩個45°反射鏡9和10，以改變光路方向，縮小裝置的空間。在所述的鍍銀凹面反射鏡4之后還設(shè)有鍍銀平面反射鏡7，以改變光路方向。
玻璃3作為非線材料固定于光學(xué)滑軌6的滑塊上，放于透鏡的幾何焦點(diǎn)之后一段距離，可在平行于光路的方向上前后移動；鍍銀凹面反射鏡4與聚焦透鏡5同一高度，間距約為兩者焦距之和，用于準(zhǔn)直聚焦光束；光束經(jīng)過非線性材料3以后光譜會展的很寬，用鍍銀光學(xué)元件不會帶來帶寬限制。
本發(fā)明中，因?yàn)槭抢肂K7玻璃作為非線性材料3，并利用光束在材料中的自聚焦效應(yīng)壓縮脈寬，所以入射脈沖的功率需大于BK7玻璃的自聚焦閾值功率約1.8MW，也就是說本發(fā)明適用于壓縮較高能量飛秒激光脈沖。另外，聚焦透鏡5的焦距一般在1～2m，不必限定于某一確定值。為了在材料中保證足夠強(qiáng)的非線性效應(yīng)，入射脈沖強(qiáng)度一般在1011W/cm2量級，所以當(dāng)待壓縮脈沖功率較低時為了達(dá)到較大功率密度需選用焦距較短的透鏡。對于mJ量級的入射脈沖，BK7玻璃材料厚度一般選擇3mm，再大能量的脈沖可選擇稍薄的材料。玻璃材料固定于二維光學(xué)調(diào)整架上，光束與材料入射面垂直，二維調(diào)整架與一維光學(xué)滑軌連接。為了有足夠的活動范圍，滑軌長度一般在200mm左右。此外要求滑軌上的滑塊在選定位置后可固定，以避免在實(shí)驗(yàn)中帶來不確定因素。
上述脈寬可調(diào)諧超短激光脈沖壓縮裝置的具體使用步驟如下(1)首先調(diào)整超短激光脈沖光源1輸出的光束使其平行于光學(xué)平臺表面。(2)調(diào)節(jié)能量衰減器2使入射脈沖能量到所需大小。(3)將聚焦透鏡5安放在精密xz二維平移調(diào)整架上，同時鏡片架可二維角度調(diào)整，然后放置于光路中，并按傳統(tǒng)方法將透鏡入射面調(diào)整至與光束垂直。(4)沿光束方向距聚焦透鏡5一段距離放置鍍銀凹面反射鏡4，聚焦透鏡5與鍍銀凹面反射鏡4之間的間距約為兩者的焦距之和。因?yàn)楣馐诓Ａ?中有一定的自聚焦作用，所以凹面反射鏡4可稍微向遠(yuǎn)離聚焦透鏡5的方向移動一些，約2～3cm。鍍銀凹面反射鏡4需裝在五維光學(xué)精密調(diào)整架上，包括三維平動和兩維角動。聚焦光束經(jīng)鍍銀凹面反射鏡4準(zhǔn)直為平行光束。(5)為了安裝方便，BK7玻璃3作為非線性材料加工成圓片狀，可安裝在普通光學(xué)鏡架上，為了便于調(diào)整材料的位置和角度，需與xz型二維平動光學(xué)調(diào)整架組合，然后固定在光學(xué)滑軌6的滑塊上。如上所述，使滑軌6平行于光束方向固定在光學(xué)平臺上，然后調(diào)整調(diào)節(jié)光學(xué)調(diào)整架使得光束與玻璃材料的入射面垂直。(6)移動滑塊調(diào)節(jié)玻璃3的位置，相當(dāng)于改變?nèi)肷涔夤β拭芏龋夤β拭芏茸銐虼髸r，玻璃3會出現(xiàn)超連續(xù)譜產(chǎn)生，可觀察到彩色的錐形輻射環(huán)，表明激光在玻璃中產(chǎn)生了一定量的等離子體；這時將玻璃向遠(yuǎn)離移動一小段距離，約5～10mm，一般來說這個位置就是獲得最窄壓縮脈沖的最佳位置。為了避免等離子體對脈沖的影響，調(diào)節(jié)xz二維平移調(diào)整架改變光束在玻璃材料表面的入射點(diǎn)。(7)經(jīng)鍍銀凹面鏡4準(zhǔn)直后的光束再經(jīng)鍍銀平面反射鏡7改變光束方向，即可作為輸出光輸出。(9)改變玻璃材料3距離聚焦透鏡5的幾何焦點(diǎn)間距的大小，輸出脈沖的時域?qū)挾染蜁淖?，遠(yuǎn)離焦點(diǎn)的位置壓縮因子變小，即輸出脈寬變寬。此外，如果玻璃3的位置不變，而改變?nèi)肷涿}沖能量，壓縮因子也會隨之改變。
需要說明的一點(diǎn)是，因?yàn)榭諝庵写嬖趯?shí)焦點(diǎn)，所以當(dāng)脈沖能量很大(＞10mJ)時，有可能會造成焦點(diǎn)附近的空氣電離，從而影響到脈沖的時域和頻域特性，為了避免這一影響因素，此時需要將焦點(diǎn)置于真空中。然而，當(dāng)入射脈沖能量不是很大(mJ量級)時，但峰值功率大于空氣的自聚焦閾值功率時，光束在聚焦透鏡5焦點(diǎn)附近空氣中自聚焦作用也會使脈沖寬度有一定量的壓縮，而不影響脈沖包絡(luò)形狀。由于玻璃3在焦點(diǎn)之后，這樣相當(dāng)于入射到材料上的脈沖寬度比初始脈沖更窄，可獲得近2.5倍的壓縮因子。
具體實(shí)施例應(yīng)用如圖2所示的裝置，超短激光脈沖光源1為光譜物理公司生產(chǎn)的型號為Spitfire--50fs的激光放大器，輸出脈沖寬度～50fs，中心波長800nm，光譜寬度約21nm，重復(fù)頻率1kHz，M2因子約為1.3，經(jīng)能量衰減器2使得入射脈沖能量為0.2mJ。非線性材料3選用3mm厚的BK7玻璃片，固定在行程為200mm的光學(xué)精密滑軌6上，然后置于聚焦透鏡5焦點(diǎn)之后。透鏡焦距為1m，鍍銀凹面反射鏡4焦距為0.5m，距聚焦透鏡5約1.5m。對于從圖2所示的脈沖壓縮裝置中輸出的脈沖，用SPIDER可同時測量其時域形狀及頻域相位，采用光柵光譜儀測量輸出脈沖光譜。改變玻璃片3在光路中的位置可獲得不同脈寬的輸出脈沖，以下給出幾組實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在線偏振光入射條件下，當(dāng)玻璃材料3放于聚焦透鏡5幾何焦點(diǎn)后160mm處時，獲得＞0.18mJ，25fs的脈沖輸出(圖4b-b1)；材料放于聚焦透鏡5幾何焦點(diǎn)后195mm處時，獲得＞0.18mJ，31fs的脈沖輸出(圖4c-c1)。在圓偏振光入射條件下，當(dāng)玻璃材料3放于聚焦透鏡5幾何焦點(diǎn)后135mm處時，獲得＞0.18mJ，19fs的脈沖輸出，如圖5所示，壓縮因子約為2.5。無論在線偏振還是圓偏振情況下，輸出脈沖偏振態(tài)不發(fā)生改變。圖中強(qiáng)度為歸一化單位(a.u.)，τFWHM代表輸出脈沖的半極大全寬度，單位為飛秒(fs)，相位單位為弧度(rad)。
權(quán)利要求
1.一種脈寬可調(diào)的超短脈沖壓縮裝置，包括一超短激光脈沖光源(1)，沿該超短激光脈沖光源(1)所發(fā)出的超短脈沖激光前進(jìn)方向依次是能量衰減器(2)、聚焦透鏡(5)、固定于光學(xué)滑軌(6)的滑塊上的非線性固體材料(3)和鍍銀凹面反射鏡(4)構(gòu)成，所述的鍍銀凹面反射鏡(4)與聚焦透鏡(5)處于同一高度，其間距為二者焦距之和，所述的非線性固體材料(3)置于聚焦透鏡(5)的幾何焦點(diǎn)之后。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈寬可調(diào)的超短脈沖壓縮裝置，其特征是在所述聚焦透鏡(5)的焦距為1～2m
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈寬可調(diào)的超短脈沖壓縮裝置，其特征是在所述聚焦透鏡(5)和非線性固體材料(3)之間設(shè)有多個反射鏡，以改變光路方向。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈寬可調(diào)的超短脈沖壓縮裝置，其特征是在所述的能量衰減器(2)由一個二分之一波片和一個偏振片構(gòu)成，以連續(xù)調(diào)節(jié)入射脈沖能量大小。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈寬可調(diào)的超短脈沖壓縮裝置，其特征是所述的非線性固體材料(3)為玻璃。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈寬可調(diào)的超短脈沖壓縮裝置，其特征是在所述的鍍銀凹面反射鏡(4)之后還設(shè)有鍍銀平面反射鏡(7)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈寬可調(diào)的超短脈沖壓縮裝置，其特征在于所述的非線性固體材料(3)置于所述聚焦透鏡(5)的幾何焦點(diǎn)之后5-10mm。
全文摘要
一種脈寬可調(diào)的超短脈沖壓縮裝置，包括一超短激光脈沖光源，沿該超短激光脈沖光源所發(fā)出的超短脈沖激光前進(jìn)方向依次是能量衰減器、聚焦透鏡、固定于光學(xué)滑軌的滑塊上的非線性固體材料和鍍銀凹面反射鏡構(gòu)成，所述的鍍銀凹面反射鏡與聚焦透鏡處于同一高度，其間距為二者焦距之和，所述的非線性固體材料置于聚焦透鏡的幾何焦點(diǎn)之后。本發(fā)明裝置不僅可以壓縮飛秒激光脈沖的脈沖寬度，而且輸出脈寬可調(diào)諧，對線偏振和圓偏振入射激光均適用，裝置簡單，操作方便，適用范圍廣泛。
文檔編號G02B27/00GK1661453SQ20051002359
公開日2005年8月31日 申請日期2005年1月26日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月26日
發(fā)明者陳曉偉, 劉軍, 朱毅, 冷雨欣, 李儒新 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所