專利名稱：一種基于表面光場增強(qiáng)的紫外光梳產(chǎn)生方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超快激光技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種利用表面光場增強(qiáng)效應(yīng)在 非線性介質(zhì)中通過高次諧波過程產(chǎn)生紫外光學(xué)頻率梳的方法。
技術(shù)背景飛秒光學(xué)頻率梳是連接光場時間域和頻率域精密操控的橋梁。光場時域 與頻域同時精密操控為精密光譜學(xué)、超短脈沖相干控制、光鐘等重要基礎(chǔ)科 學(xué)問題的研究以及尖端高新科學(xué)技術(shù)的發(fā)展帶來重大革命性突破。然而，由 于激光光源本身的限制，目前有關(guān)飛秒光梳的研究往往局限在可見和近紅外 波段。紫外波段光場時域和頻域精密操控不僅可以拓寬精密光譜學(xué)研究的頻譜范圍，而且對一些基本物理常數(shù)的精確測量、x射線波段原子鐘、全息顯微成像、納米平板印刷術(shù)等基礎(chǔ)前沿科學(xué)研究具有非常重大的意義。紫外光學(xué)頻率梳的研究將極大地推進(jìn)精密光譜學(xué)向紫外及x射線等短波段延伸發(fā)展，提供給我們更高精度的時間頻率標(biāo)準(zhǔn)以及超高的時間空間分辨率。 利用高次諧波，人們可以有效地將波長從可見、近紅外波段拓展到紫外以及x射線波段?；诟咧貜?fù)頻率的飛秒脈沖序列的高次諧波產(chǎn)生是獲得紫外光學(xué)頻率梳的有效途徑。高次諧波的產(chǎn)生需要有較高的光強(qiáng)，通常是由基 于放大級的高能量的激光系統(tǒng)來提供泵浦光源，這樣的系統(tǒng)一般較為龐大， 運(yùn)行的成本也較高。而且非常重要的一點(diǎn)是，高能量的激光放大系統(tǒng)無法提供與振蕩器相比擬的高重復(fù)頻率的脈沖序列(幾十MHz到幾個GHz)，無法應(yīng)用 于飛秒紫外光學(xué)頻率梳的產(chǎn)生。最近，利用外腔增強(qiáng)的高次諧波產(chǎn)生方案，德國馬普量子光學(xué)所以及美 國JILA實(shí)驗室的研究人員成功地獲得了相干紫外光梳。通過控制外腔的腔長 和色散與飛秒振蕩源相匹配，使從振蕩器輸出的飛秒脈沖在外腔內(nèi)相干疊加 而得到放大，在腔內(nèi)直接產(chǎn)生高次諧波，然后利用布儒斯特片或者在其中一 片凹面鏡的中心設(shè)計一個小孔等方法將產(chǎn)生的紫外光梳耦合輸出。但這些方案存在一些不足，例如耦合效率低，高階色散的影響，頻譜寬度的限制等等。 最近，人們提出了一種基于外腔增強(qiáng)的非共線高次諧波產(chǎn)生的方案，能夠有 效地產(chǎn)生紫外光梳，并且直接將其耦合輸出，表現(xiàn)出非常高的耦合效率。但是，由于從振蕩器輸出的激光脈沖能量有限而不能直接產(chǎn)生紫外光梳。 上述基于外腔增強(qiáng)技術(shù)的方案中，利用在外腔中相干疊加來獲得足夠的單脈 沖能量，同時又保持較高的重復(fù)頻率，通過高次諧波過程以產(chǎn)生紫外光梳。 由于腔鏡鍍膜以及色散的影響，外腔增強(qiáng)所能得到最寬頻譜和最高單脈沖能 量將受到限制。同時，外腔增強(qiáng)需要復(fù)雜的光路和電路，其所能獲得增強(qiáng)因 子受到腔鏡鍍膜以及電路設(shè)計水平的限制。只有使用反射率非常高的寬帶高 反啁啾鏡，同時配有非常好的穩(wěn)腔穩(wěn)頻電路才能獲得較好的增強(qiáng)因子。外腔 的穩(wěn)定性對環(huán)境的要求也比較高，需要有一個溫度尤其是振動都非常穩(wěn)定的 實(shí)驗環(huán)境。已有的研究表明，基于光場與表面等離子體波的耦合，在共振的情況下， 我們可以很容易地在表面獲得相對于入射光幾十到幾百倍的增強(qiáng)。利用表面 增強(qiáng)效應(yīng)，人們已經(jīng)在納米波導(dǎo)、表面等離子體光子芯片、耦合器、亞波長 光學(xué)數(shù)據(jù)存儲、突破衍射極限的超分辨成像、納米光刻蝕術(shù)、以及生命科學(xué) 等領(lǐng)域開展了 一系列的研究工作。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是根據(jù)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，提供一種基于表面光場 增強(qiáng)的紫外光梳產(chǎn)生方法，該方法將表面光場增強(qiáng)與高次諧波產(chǎn)生相結(jié)合， 利用飛秒振蕩器輸出的高重復(fù)頻率的超短激光脈沖序列，直接產(chǎn)生紫外光梳， 結(jié)構(gòu)簡單穩(wěn)定。本發(fā)明目的實(shí)現(xiàn)由以下技術(shù)方案完成一種基于表面光場增強(qiáng)的紫外光梳產(chǎn)生方法，包括泵浦光源的選擇、表 面光場增強(qiáng)的獲得方式和高次諧波過程所需的非線性介質(zhì)選擇與放置，其特 征在于該方法在滿足共振條件的入射角情況下，飛秒振蕩器輸出的高重復(fù)頻 率的超短激光脈沖序列，在表面光場增強(qiáng)后，通過非線性介質(zhì)中的高次諧波 過程產(chǎn)生紫外光梳。所述的表面光場增強(qiáng)的獲得方式包括基于光柵耦合的方式，該方式以滿足共振條件的合適入射角，利用光場在光柵表面與等離子體波共振而獲得光 場增強(qiáng)。所述的表面光場增強(qiáng)的獲得方式包括基于衰減全反射耦合的方式，該方 式以滿足共振條件的合適的入射角，通過石英或玻璃棱鏡，利用光場在金屬 薄膜和空氣之間與表面等離子體波共振而獲得光場增強(qiáng)。所述金屬薄膜采用惰性金屬，其厚度40-60納米。 所述的非線性介質(zhì)是惰性氣體原子、或者惰性氣體離子、或者是惰性氣 體穩(wěn)定的團(tuán)簇。所述的氣體均勻地分布在增強(qiáng)光場的周圍、或者通過氣體噴嘴噴射到光 場所在位置。泵浦光源為可見或者紅外波段的高重復(fù)頻率飛秒激光脈沖序列。 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是可以利用飛秒振蕩器輸出的高重復(fù)頻率的超短脈沖序列，直接產(chǎn)生紫外光梳，結(jié)構(gòu)簡單、易于操作、實(shí)驗成本低、穩(wěn)定性好。


附圖1為本發(fā)明實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意圖； 附圖2為本發(fā)明實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)示意圖； 附圖3為本發(fā)明實(shí)施例3的結(jié)構(gòu)示意圖； 附圖4為本發(fā)明實(shí)施例4的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖通過實(shí)施例對本發(fā)明特征及其它相關(guān)特征作進(jìn)一步詳細(xì)說 明，以便于同行業(yè)技術(shù)人員的理解本實(shí)施例的方法，在合適入射角的情況下，飛秒振蕩器輸出的高重復(fù)頻 率的超短激光脈沖序列，在光柵或者金屬薄膜表面與表面等離子體波發(fā)生共 振耦合，而得到幾十倍到幾百倍的增強(qiáng)，通過非線性介質(zhì)中的高次諧波過程 產(chǎn)生紫外光梳。金屬薄膜通常是金、銀、銅等惰性金屬，其厚度通常為數(shù)十納米，本實(shí)施例中選擇40-60納米。泵浦光脈沖或者預(yù)先被整形，或者引入預(yù)啁啾以補(bǔ)償色散。泵浦光可以 是一束或者多束光同時泵浦，不同光束可以具有相同或者不同的波長。由于光場增強(qiáng)效應(yīng)發(fā)生在入射光場與—表面等離子體波共振的情況下，所 以要根據(jù)入射激光的頻率和耦合實(shí)際情況，選擇合適入射角以滿足共振條件。 產(chǎn)生的紫外光學(xué)頻率梳的頻率間隔與入射脈沖激光的重復(fù)頻率相一致。整個系統(tǒng)需要放置在真空室中。在下述實(shí)施例中，以從Ti:Sapphire飛秒振蕩器輸出的中心波長在800nm 的飛秒脈沖序列為例，但其它波段的實(shí)施與該波段實(shí)施方法一致。產(chǎn)生高次 諧波過程所需的非線性介質(zhì)選通常的惰性原子或者分子氣體為例。如圖l-4所示，標(biāo)號1-7分別表示從Ti:Sapphire飛秒振蕩器輸出的 中心波長在800nm的飛秒脈沖1、石英或者玻璃棱鏡2、金屬薄膜3、紫外光 梳輻射4、電極板5、電極板6、光柵7。實(shí)施例1:本實(shí)施例采用的是基于光柵耦合方式，利用整形脈沖產(chǎn)生紫外 光梳。如圖1所示，Ml、 M2、 M3為中心波長在800咖的寬帶高反鏡，Gl、 G2 為光柵對，Ll、 L2為等焦距的透鏡，SLM為空間光調(diào)制器。在本實(shí)施例中，利用由G1、 G2、 Ll、 L2和SLM組成的4f脈沖整形系統(tǒng)， 對入射飛秒脈沖1進(jìn)行脈沖整形，以實(shí)現(xiàn)對產(chǎn)生的紫外光梳4進(jìn)行優(yōu)化控制。 在合適入射角的情況下，入射飛秒脈沖1在光柵7表面與表面等離子體波共 振耦合獲得增強(qiáng)，通過非線性氣體中的高次諧波過程產(chǎn)生紫外光梳。當(dāng)然， 入射脈沖也可以不經(jīng)過整形，而直接用于紫外光梳4的產(chǎn)生，相當(dāng)于在本實(shí) 施例的基礎(chǔ)上省去脈沖整形的系統(tǒng)。實(shí)施例2:本實(shí)施例基于衰減全反射耦合方式，利用預(yù)啁啾脈沖產(chǎn)生紫外 光梳。如圖2所示，Ml為中心波長在800nm的寬帶高反鏡，Pl、 P2、 P3、 P4為 棱鏡對。本實(shí)施例中，基于衰減全反射耦合方式，在一面鍍有金屬薄膜3的石英 或者玻璃棱鏡2表面，獲得幾十到幾百倍的光場增強(qiáng)，通過非線性氣體中的 高次諧波過程產(chǎn)生紫外光梳4。由于用于光場增強(qiáng)的棱鏡為色散元件，會使得 入射飛秒脈沖在時間上展寬，降低峰值功率，不利于紫外光梳的產(chǎn)生。因此， 需要對入射脈沖1進(jìn)行色散管理，因此利用由P1、 P2、 P3、 P4組成的棱鏡對，通過調(diào)整P1、 P2和P3、 P4之間的距離控制其啁啾結(jié)構(gòu)，以補(bǔ)償色散。當(dāng)然， 還可以利用其它方法，如光柵對、啁啾鏡等色散管理系統(tǒng)補(bǔ)償色散。實(shí)施例3:本實(shí)施例基于衰減全反射耦合方式，在外加電場的情況下，利 用預(yù)啁啾脈沖產(chǎn)生紫外光梳。如圖3所示，Ml、 M2為中心在800nm的寬帶啁啾鏡，M3為中心波長在 800nm的寬帶高反鏡。本實(shí)施例與實(shí)施例2的區(qū)別在于，在本實(shí)施例中將實(shí)施例2中的系統(tǒng)放 置在一個由電極板5、電極板6構(gòu)成的外加電場之中，以增強(qiáng)控制高次諧波產(chǎn) 生，同時利用啁啾鏡進(jìn)行色散管理。當(dāng)然，這里也可以利用棱鏡對、光柵對 等色散管理系統(tǒng)對其進(jìn)行色散補(bǔ)償。外加附加電場的目的是控制、束縛高次 諧波過程中產(chǎn)生的電子的運(yùn)動過程，增強(qiáng)紫外光梳的產(chǎn)生效率。外加電場的 強(qiáng)度可以通過調(diào)節(jié)加載在電極板5、 6上的電壓進(jìn)行控制。外加電場方向可以 如圖3中所示垂直于金屬薄膜，也可以在紙面內(nèi)轉(zhuǎn)過90度而平行于金屬薄膜 表面。這里，電場也可以換成磁場，以控制優(yōu)化高次諧波的產(chǎn)生。外加電場、 磁場的方案也可以同樣應(yīng)用的到本發(fā)明提及的其它實(shí)施例中。實(shí)施例4:本實(shí)施例基于衰減全反射耦合方式，利用雙脈沖產(chǎn)生紫外光梳。如圖4所示，Ml、 M2為中心波長在800nm的寬帶半透半反鏡，M3-M10為 中心波長在800nm的寬帶高反鏡，Mll、 M12為為中心在800nm的寬帶啁啾鏡。本實(shí)施例與實(shí)施例2的區(qū)別在于，在本實(shí)施例中將實(shí)施例2中的入射脈 沖替換為兩束脈沖泵浦，并且利用啁啾鏡補(bǔ)償色散。入射飛秒脈沖經(jīng)過M1分 為兩個脈沖，其中一個脈沖相對另一個脈沖的走過的光程可以利用由M5、 M6 構(gòu)成的延時線進(jìn)行調(diào)整，兩個脈沖經(jīng)M2又合成一束，但之間具有一個可調(diào)的 相對延時。這樣，通過調(diào)整兩個脈沖之間的延時，產(chǎn)生不同的疊加光場，控 制高次諧波過程中產(chǎn)生的電子的運(yùn)動過程，優(yōu)化控制產(chǎn)生的紫外光梳。當(dāng)然， 除了兩個脈沖以外，還可以有三個或者更多的脈沖進(jìn)行疊加，控制產(chǎn)生的紫 外光梳，該實(shí)施方案也可以同樣應(yīng)用于該專利提及的其它實(shí)施例。本領(lǐng)域技術(shù)人員不難發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明并不局限于特定的表面增強(qiáng)方法，或 者特定的高次諧波產(chǎn)生介質(zhì)，任意基于光場與表面等離子體波共振耦合的增 強(qiáng)方法與氣體非線性介質(zhì)相互作用都可以通過高次諧波過程用于紫外光梳的 產(chǎn)生。
權(quán)利要求
1.一種基于表面光場增強(qiáng)的紫外光梳產(chǎn)生方法，包括泵浦光源的選擇、表面光場增強(qiáng)的獲得方式和高次諧波過程所需的非線性介質(zhì)選擇與放置，其特征在于該方法在滿足共振條件的入射角情況下，飛秒振蕩器輸出的高重復(fù)頻率的超短激光脈沖序列，在表面光場增強(qiáng)后，通過非線性介質(zhì)中的高次諧波過程產(chǎn)生紫外光梳，。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于表面光場增強(qiáng)的紫外光梳產(chǎn)生方法，其 特征在于所述的表面光場增強(qiáng)的獲得方式是基于光柵耦合的方式，該方 式以滿足共振條件的合適入射角，利用光場在光柵表面與等離子體波共 振而獲得光場增強(qiáng)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于表面光場增強(qiáng)的紫外光梳產(chǎn)生方法，其 特征在于所述的表面光場增強(qiáng)的獲得方式是基于衰減全反射耦合的方 式，該方式以滿足共振條件的合適的入射角，通過石英或玻璃棱鏡，利 用光場在金屬薄膜和空氣之間與表面等離子體波共振而獲得光場增強(qiáng)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于表面光場增強(qiáng)的紫外光梳產(chǎn)生方法，其 特征在于所述金屬薄膜采用惰性金屬，其厚度40-60納米。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種基于表面光場增強(qiáng)的紫外光梳產(chǎn)生方法，其 特征在于所述的非線性介質(zhì)是惰性氣體原子、或者惰性氣體離子、或者 是惰性氣體穩(wěn)定的團(tuán)簇。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于表面光場增強(qiáng)的紫外光梳產(chǎn)生方法，其 特征在于所述的氣體均勻地分布在增強(qiáng)光場的周圍、或者通過氣體噴嘴 噴射到光場所在位置。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于表面光場增強(qiáng)的紫外光梳產(chǎn)生方法，其 特征在于泵浦光源為可見或者紅外波段的高重復(fù)頻率飛秒激光脈沖序 歹ij。
全文摘要
本發(fā)明涉及超快激光技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種利用表面光場增強(qiáng)效應(yīng)在非線性介質(zhì)中通過高次諧波過程產(chǎn)生紫外光學(xué)頻率梳的方法，該方法包括泵浦光源的選擇、表面光場增強(qiáng)的獲得方式和高次諧波過程所需的非線性介質(zhì)選擇與放置，其特征在于該方法在滿足共振條件的入射角情況下，飛秒振蕩器輸出的高重復(fù)頻率的超短激光脈沖序列，在表面光場增強(qiáng)后，通過非線性介質(zhì)中的高次諧波過程產(chǎn)生紫外光梳，其優(yōu)點(diǎn)是可以利用飛秒振蕩器輸出的高重復(fù)頻率的超短脈沖序列，直接產(chǎn)生紫外光梳，結(jié)構(gòu)簡單、易于操作、實(shí)驗成本低、穩(wěn)定性好。
文檔編號G02F1/35GK101237113SQ20081003281
公開日2008年8月6日 申請日期2008年1月18日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月18日
發(fā)明者健 吳, 曾和平, 韓曉紅 申請人:華東師范大學(xué)