專利名稱：高能量飛秒激光脈沖外腔壓縮裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及高能量飛秒激光，特別是一種高能量飛秒激光脈沖外腔壓縮裝置，主要適用于微焦至百毫焦量級(jí)飛秒激光脈沖通過(guò)固體介質(zhì)進(jìn)行外腔壓縮，適用于不同波段的激光脈沖，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)：
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。雖然鈦寶石(Ti:sapphire)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)正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(guò)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(guò)色散補(bǔ)償元件補(bǔ)償頻譜中的頻率啁啾，從而達(dá)到壓縮脈沖寬度的目的。
目前為止，充惰性氣體空心光纖技術(shù)已經(jīng)成為產(chǎn)生周期量級(jí)超短脈沖較為成熟的一種脈沖壓縮技術(shù)，人們利用這種技術(shù)已獲得亞4fs的周期量級(jí)超短脈沖。然而這種技術(shù)也存在其局限性，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(jí)；其次，實(shí)驗(yàn)裝置復(fù)雜，對(duì)實(shí)驗(yàn)條件敏感，操作難度較大。最近，人們提出了一種更為簡(jiǎn)單的方法來(lái)代替空心光纖技術(shù)，即通過(guò)飛秒激光脈沖在惰性氣體中的成絲傳輸過(guò)程展寬光譜，大大降低了實(shí)驗(yàn)難度和對(duì)實(shí)驗(yàn)條件的敏感度。然而這種技術(shù)仍然存在對(duì)入射脈沖能量的局限，單絲內(nèi)脈沖能量局限在1mJ左右。
固體材料外腔壓縮技術(shù)是另一種吸引人的獲得超短脈沖的方法，即用固體材料代替空心光纖和惰性氣體作為非線性介質(zhì)展寬光譜。這種技術(shù)的優(yōu)越性在于對(duì)入射脈沖能量沒(méi)有基本的限制，適用于壓縮更高能量(至百mJ量級(jí))的激光脈沖。然而由于入射光束并非理想的高斯分布，光束經(jīng)過(guò)固體介質(zhì)后光束橫截面強(qiáng)度分布會(huì)變得不太均勻，即存在空間啁啾，以往人們是采用在透鏡焦點(diǎn)處加小孔的方法改善光束空間模式，但是這樣會(huì)帶來(lái)較大的能量損失，并且在較大能量脈沖入射時(shí)焦點(diǎn)處的小孔濾波器很容易遭到破壞。典型的光路布置參見(jiàn)圖1，從激光放大系統(tǒng)1輸出的激光脈沖經(jīng)薄透鏡2聚焦后穿過(guò)固體材料3，在空氣中形成一個(gè)焦點(diǎn)，焦點(diǎn)處放置小孔光闌4進(jìn)行空間濾波降低空間啁啾，然后光束經(jīng)鍍銀凹面鏡5準(zhǔn)直成平行光束，再由鍍銀平面反射鏡6引入色散補(bǔ)償元件7中進(jìn)行色散補(bǔ)償，壓縮后的光束用第一寬帶分束片8分一小部分到光譜儀9中測(cè)量光譜，透過(guò)的光束再用第二寬帶分束片10分一小部分光束到脈沖測(cè)量?jī)x器11測(cè)量脈沖寬度和位相。入射脈沖能量較大時(shí)會(huì)在透鏡焦點(diǎn)處擊穿空氣從而影響波面和脈沖形狀，為了避免不利影響還需將焦點(diǎn)放在真空管內(nèi)。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的在于克服上述在先技術(shù)中所存在的不足，提供一種高能量飛秒激光脈沖外腔壓縮裝置，該裝置可避免大能量脈沖入射情況下對(duì)濾波器造成的損傷，適用于較大范圍能量的飛秒激光脈沖壓縮，能量效率高，適用于不同波段入射脈沖情況，也適用于線偏振和圓偏振入射脈沖，而且簡(jiǎn)單實(shí)用。
本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案如下一種高能量飛秒激光脈沖外腔壓縮裝置，包括一激光放大系統(tǒng)，在該激光放大系統(tǒng)的輸出光路上依次為薄透鏡、脈沖壓縮單元、鍍銀凹面鏡、鍍銀平面反射鏡、色散補(bǔ)償元件、第一寬帶分束片、第二寬帶分束片，在所述的第一寬帶分束片的反射光方向是光譜儀，在第二寬帶分束片的反射光方向是脈沖測(cè)量?jī)x器，其特征在于所述的脈沖壓縮單元由固體材料和真空管構(gòu)成，所述的固體材料作為真空管的后窗片形成一體，所述的真空管的側(cè)壁有充氣口。
本實(shí)用新型的基本原理是采用小段成絲空間濾波方法的高能量飛秒激光脈沖在固體介質(zhì)中的外腔壓縮的，用薄透鏡將待壓縮光束聚焦，在聚焦透鏡幾何焦點(diǎn)附近放置一段真空管，在真空管內(nèi)充入適量惰性氣體，于是在焦點(diǎn)附近形成一小段成絲，成絲也叫自波導(dǎo)傳輸，是以下兩種物理機(jī)制的動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程，即三階非線性作用引起的自聚焦效應(yīng)與多光子電離產(chǎn)生的等離子體引起的自散焦效應(yīng)的動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程，這一小段自波導(dǎo)傳輸過(guò)程相當(dāng)于一個(gè)空間濾波器，可以大大改善光束的空間模式。空間模式改善后的光束通過(guò)一個(gè)薄的固體材料，如熔融石英玻璃或BK7玻璃，光束在材料中傳輸時(shí)的自相位調(diào)制效應(yīng)會(huì)使脈沖光譜大大展寬，然后經(jīng)過(guò)色散補(bǔ)償元件補(bǔ)償光束中的頻率啁啾即可獲得壓縮脈沖。
本實(shí)用新型的特點(diǎn)是在聚焦透鏡焦點(diǎn)附近插入一段真空管，使作為非線性介質(zhì)的固體材料以后窗片的形式放置的光路中，根據(jù)入射脈沖能量的大小在真空管內(nèi)充入適量的惰性氣體，如氬氣或氪氣，使透鏡焦點(diǎn)附近形成一小段成絲。惰性氣體不同于空氣，惰性氣體具有瞬態(tài)非線性特性和穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)，并且在真空管內(nèi)可以根據(jù)入射脈沖能量的大小方便的調(diào)節(jié)氣壓。這一小段成絲傳輸不僅可以作為空間濾波器改善光束空間模式，還有利于展寬光譜，這種惰性氣體內(nèi)小段成絲的空間濾波方式避免了大能量入射時(shí)對(duì)濾波器的損傷問(wèn)題，能量損失也非常小。
與先技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有以下顯著的特點(diǎn)(1)在惰性氣體中小段成絲的方法進(jìn)行空間濾波完全避免了大能量脈沖入射情況下對(duì)濾波器造成損傷的可能性。
(2)可根據(jù)入射脈沖能量的大小方便的調(diào)節(jié)惰性氣體氣壓來(lái)控制空間濾波效果，即適用于較大范圍能量的飛秒激光脈沖壓縮。
(3)能量損失小，能量效率在90％以上。
(4)小段的成絲傳輸過(guò)程有貢獻(xiàn)于光譜展寬，可以得到更寬的光譜。
(5)適用于不同波段入射脈沖情況。
(6)對(duì)于線偏振和圓偏振入射脈沖均適用。


圖1為在先飛秒激光脈沖采用小孔空間濾波方法在固體材料中進(jìn)行外腔壓縮裝置框圖。
圖2為本實(shí)用新型高能量飛秒激光脈沖外腔壓縮裝置框圖。
圖3采用本實(shí)用新型實(shí)施例所獲得的壓縮脈沖的時(shí)域形狀、光譜及頻域相位示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說(shuō)明，但不應(yīng)以此限制本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。先請(qǐng)參閱圖2，圖2為本實(shí)用新型高能量飛秒激光脈沖外腔壓縮裝置框圖。由圖可見(jiàn)，本實(shí)用新型高能量飛秒激光脈沖外腔壓縮裝置，包括一激光放大系統(tǒng)1，在該激光放大系統(tǒng)1的輸出光路上依次為薄透鏡2、脈沖壓縮單元、鍍銀凹面鏡5、鍍銀平面反射鏡6、色散補(bǔ)償元件7、第一寬帶分束片8和第二寬帶分束片10，在所述的第一寬帶分束片8的反射光方向是光譜儀9，在第二寬帶分束片10的反射光方向是脈沖測(cè)量?jī)x器11，其特征在于所述的脈沖壓縮單元由固體材料3和真空管12構(gòu)成，所述的固體材料3作為真空管12的后窗片形成一體，所述的真空管12的側(cè)壁有充氣口121。
激光放大系統(tǒng)1為初始脈沖光源；薄透鏡2用于聚焦光束；固體材料3為用于展寬光譜的非線性介質(zhì)，作為真空管12的后窗片放于薄透鏡2的幾何焦點(diǎn)之后一段距離(具體具體根據(jù)入射脈沖能量不同而定)；真空管12和充氣口121分別用于容納和充入惰性氣體，整個(gè)真空管12可在平行于光路的方向上前后移動(dòng)；鍍銀凹面反射鏡5與薄透鏡2同一高度，間距約為兩者焦距之和，可根據(jù)實(shí)際情況前后調(diào)整，用于準(zhǔn)直聚焦光束；鍍銀平面反射鏡6，用來(lái)改變光路方向；色散補(bǔ)償元件7用來(lái)補(bǔ)償非線性傳輸過(guò)程中帶來(lái)的頻率啁啾；第一寬帶分束片8和第二寬帶分束片10用于分出一小部分光進(jìn)入光譜測(cè)量?jī)x器9和脈沖測(cè)量?jī)x器11。注光束經(jīng)過(guò)非線性材料以后光譜會(huì)展的很寬，用鍍銀光學(xué)元件不會(huì)帶來(lái)帶寬限制。
本實(shí)用新型高能量飛秒激光脈沖外腔壓縮裝置的具體調(diào)試和使用步驟如下(1)首先調(diào)整激光放大系統(tǒng)1輸出的光束使其平行于光學(xué)平臺(tái)表面。
(2)將薄透鏡2安放在精密xz二維平移調(diào)整架上，同時(shí)鏡片架可二維角度調(diào)整，然后放置于光路中，并按傳統(tǒng)方法將薄透鏡2的入射面調(diào)整至與光束垂直。
(3)沿光束方向距薄透鏡2一段距離放置鍍銀凹面反射鏡5，薄透鏡2與鍍銀凹面反射鏡5之間的間距約為兩者的焦距之和，因?yàn)楣馐诓ＡР牧?中有一定的自聚焦作用，所以將凹面反射鏡5向遠(yuǎn)離薄透鏡2的方向移動(dòng)約2～3cm，使聚焦光束準(zhǔn)直。鍍銀凹面反射鏡5裝在五維光學(xué)精密調(diào)整架上，包括三維平動(dòng)和兩維角動(dòng)，中心高度與薄透鏡2等高。聚焦光束經(jīng)鍍銀凹面反射鏡5準(zhǔn)直為平行光束。
(4)真空管12放置與薄透鏡2和鍍銀凹面反射鏡5之間的光路中，真空管12的中心高度與薄透鏡2和鍍銀凹面反射鏡5等高，前窗片為0.5mm厚熔融石英玻璃，固體材料3為真空管12的后窗片。
(5)根據(jù)入射脈沖能量的大小移動(dòng)真空管12在光路中的位置，以調(diào)節(jié)玻璃材料3到薄透鏡2焦點(diǎn)的距離，使之放于產(chǎn)生錐形輻射之前的位置。
(6)通過(guò)真空管12的充氣口121充入適量的惰性氣體，觀察輸出光束，調(diào)節(jié)管內(nèi)氣壓使光束空間模式最好。
(7)經(jīng)鍍銀凹面反射鏡5準(zhǔn)直后的光束進(jìn)入色散補(bǔ)償元件7進(jìn)行色散補(bǔ)償，壓縮后的脈沖分別被第一寬帶分束片8和第二寬帶分束片10分出一小部分光束到光譜儀9監(jiān)測(cè)光譜和脈沖測(cè)量?jī)x器11測(cè)量脈沖寬度和相位。
本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例入射激光脈沖光源1為光譜物理公司生產(chǎn)的型號(hào)為Spitfire--50fs的激光放大器，輸出脈沖寬度～50fs，中心波長(zhǎng)800nm，光譜寬度約21nm，重復(fù)頻率1kHz，M2因子約為1.3，實(shí)驗(yàn)中在激光系統(tǒng)的振蕩器與放大器之間加入可編程聲光調(diào)制器，調(diào)制光譜并對(duì)色散進(jìn)行預(yù)補(bǔ)償，使得放大器輸出脈沖寬度從50fs降低至32fs，光譜半極大全寬度增大至～40nm，單脈沖能量約0.55mJ。透鏡2焦距為1.5m，真空管3長(zhǎng)約90cm，通過(guò)充氣口4充入氬氣500mbar，固體材料5為3mm厚熔融石英玻璃片，實(shí)驗(yàn)中固體材料在透鏡幾何焦點(diǎn)后34.5cm處，用于準(zhǔn)值的鍍銀凹面鏡6焦距為1.5m，光譜測(cè)量?jī)x器10為光柵光譜儀，脈沖測(cè)量?jī)x器12為SPIDER，可測(cè)量脈沖時(shí)域形狀和頻域相位。色散補(bǔ)償元件8為寬帶啁啾介質(zhì)鏡對(duì)。圖3是采用本實(shí)施例的惰性氣體中小段成絲空間濾波方法飛秒激光脈沖固體材料外腔壓縮所得壓縮脈沖的時(shí)域形狀、光譜和頻域相位，壓縮脈沖的時(shí)域形狀如圖3(a)所示，光譜如圖3(b)中實(shí)線所示，頻域相位如圖3(b)中點(diǎn)線所示。
權(quán)利要求1.一種高能量飛秒激光脈沖外腔壓縮裝置，包括一激光放大系統(tǒng)(1)，在該激光放大系統(tǒng)(1)的輸出光路上依次為薄透鏡(2)、脈沖壓縮單元、鍍銀凹面鏡(5)、鍍銀平面反射鏡(6)、色散補(bǔ)償元件(7)、第一寬帶分束片(8)、第二寬帶分束片(10)，在所述的第一寬帶分束片(8)的反射光方向是光譜儀(9)，在第二寬帶分束片(10)的反射光方向是脈沖測(cè)量?jī)x器(11)，其特征在于所述的脈沖壓縮單元由固體材料(3)和真空管(12)構(gòu)成，所述的固體材料(3)作為真空管(12)的后窗片形成一體，所述的真空管(12)的側(cè)壁有充氣口(121)。
專利摘要一種高能量飛秒激光脈沖外腔壓縮裝置，包括一激光放大系統(tǒng)，在該激光放大系統(tǒng)的輸出光路上依次為薄透鏡、脈沖壓縮單元、鍍銀凹面鏡、鍍銀平面反射鏡、色散補(bǔ)償元件、第一寬帶分束片、第二寬帶分束片，在所述的第一寬帶分束片的反射光方向是光譜儀，在第二寬帶分束片的反射光方向是脈沖測(cè)量?jī)x器，其特征在于所述的脈沖壓縮單元由固體材料和真空管構(gòu)成，所述的固體材料作為真空管的后窗片形成一體，所述的真空管的側(cè)壁有充氣口。本實(shí)用新型裝置可避免大能量脈沖入射情況下對(duì)濾波器造成的損傷，適用于較大范圍能量的飛秒激光脈沖壓縮，能量效率高，適用于不同波段入射脈沖情況，也適用于線偏振和圓偏振入射脈沖，而且簡(jiǎn)單實(shí)用。
文檔編號(hào)G02F1/00GK2924865SQ20062004391
公開(kāi)日2007年7月18日 申請(qǐng)日期2006年7月14日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月14日
發(fā)明者陳曉偉, 李小芳, 姜永亮, 劉軍, 葛曉春, 李儒新 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所