專利名稱：：一種高效率產(chǎn)生紫外飛秒脈沖激光的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于激光
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體涉及一種基于窄帶皮秒長脈沖激光與寬帶啁啾皮秒長脈沖激光在非線性晶體中和頻，高效率地產(chǎn)生紫外飛秒脈沖激光的方法。
背景技術(shù)：
：紫外飛秒脈沖激光，尤其是深紫外波段(DUV，200nm-300nm)的脈沖激光對(duì)應(yīng)著許多分子重要的電子躍遷波長，也對(duì)應(yīng)著許多分子的電離能。而且，紫外超短脈沖激光可以在飛秒時(shí)間尺度內(nèi)表征分子中原子的運(yùn)動(dòng)。因此，紫外飛秒脈沖激光在化學(xué)和生物學(xué)研究中有重要的意義。在紫外飛秒脈沖激光的產(chǎn)生方面，現(xiàn)在主要有以下兩種方案。第一種方案是通過在稀有氣體中的四波混頻可以產(chǎn)生脈寬10fs，波長在200nm的紫外超短脈沖激光。(T.Fuji,T.Horio，andT.Suzuki.Generationof12fsdeep-ultravioletpulsesbyfour-wavemixingthroughfilamentationinneongas[J]Opt.Lett2007,29:2481-2483)。但是由于三階非線性效應(yīng)的效率太低，利用稀有氣體中的四波混頻產(chǎn)生的紫外飛秒脈沖能量很低，僅局限在1(HJ。第二種方案是從鈦寶石飛秒脈沖激光出發(fā)，利用二階非線性效應(yīng)例如倍頻及和頻來產(chǎn)生紫外飛秒脈沖激光。從鈦寶石飛秒脈沖激光出發(fā)需要23個(gè)飛秒倍頻或和頻過程才能得到紫外脈沖激光。對(duì)于每一個(gè)飛秒脈沖倍頻過程，由于飛秒脈沖帶寬很寬，即使采用將飛秒脈沖角色散之后注入以使每一個(gè)頻率分量在晶體中都滿足位相匹配的方法，每一個(gè)飛秒脈沖倍頻效率也只有10-20°/。。因此，產(chǎn)生紫外飛秒脈沖激光的總效率只有~1%甚至更低。
發(fā)明內(nèi)容針對(duì)現(xiàn)有的產(chǎn)生紫外飛秒脈沖激光的技術(shù)都存在產(chǎn)生效率過低的特點(diǎn)，本發(fā)明的目的是提出一種簡便可行、高效率地產(chǎn)生紫外飛秒脈沖激光的方法。本發(fā)明提出的高效產(chǎn)生紫外飛秒脈沖的方法，從已有的激光源出發(fā)，連續(xù)采用多次窄帶皮秒長脈沖激光與寬帶啁啾皮秒長脈沖激光在非線性晶體中和頻，直到產(chǎn)生紫外波段的皮秒啁啾脈沖，然后再利用光柵壓縮得到紫外波段的飛秒脈沖。相比于寬帶倍頻，窄帶長脈沖與寬帶啁啾長脈沖和頻過程的光譜接收帶寬主要由入射的寬帶啁啾脈沖與產(chǎn)生的和頻寬帶脈沖之間的GVM(群速度失配)決定，而入射窄帶長脈沖與另外兩個(gè)脈沖之間的GVM作用可以忽略。因此，這種窄帶長脈沖與寬帶啁啾長脈沖和頻效率要高于傳統(tǒng)的寬帶倍頻效率。從已有的激光源出發(fā)，為了得到紫外波段脈沖需要進(jìn)行多個(gè)(一般為34個(gè))的二階非線性和頻過程，提高其中每一個(gè)二階非線性和頻過程的效率，產(chǎn)生紫外脈沖的總效率也會(huì)得到提高。本發(fā)明具體采用的兩個(gè)初始激光源一個(gè)為輸出脈沖中心波長1053nm，脈沖能量1.5mJ，脈沖寬度75ps的Nd:YLF再生放大器(HighQPico-Regen)，另外一個(gè)為輸出脈沖中心波長800nm，脈沖能量0.5mJ，脈沖寬度90fs的Ti:sapphire再生放大器(CoherentLibra)。這兩臺(tái)重復(fù)率都為lkHZ的再生放大器時(shí)間上能夠同步(時(shí)間抖動(dòng)小于lps)。為了使兩個(gè)和頻脈沖達(dá)到脈寬匹配以提高和頻效率，將800nrn的90fs脈沖展寬成25ps的啁啾脈沖。第一步和頻由1053nm窄帶皮秒激光源與啁啾展寬后的800nm寬帶皮秒激光源在(3-BBO晶體中相互作用，產(chǎn)生中心波長在455nm的啁啾皮秒脈沖。為了產(chǎn)生中心波長在紫外的激光脈沖，這樣的和頻過程還需要進(jìn)行多次。具體的實(shí)現(xiàn)步驟由表l所示，表中幾個(gè)和頻過程用到的晶體都是P-BBO。利用初始兩個(gè)激光源，最終可以得到中心波長在198nm的紫外脈沖激光。作為一個(gè)例子，具體測(cè)量了(3-BBO晶體中1053nm窄帶皮秒脈沖與800nm寬帶啁啾皮秒脈沖的和頻效率。圖l顯示了當(dāng)1053nm窄帶皮秒脈沖能量固定為1.4mJ時(shí)，中心波長在455nm和頻啁啾脈沖能量隨入射的800nm啁啾脈沖能量的變化情況。由圖l可以看出，產(chǎn)生的455nm和頻啁啾脈沖的最高能量可以達(dá)到360)aJ。由和頻效率的計(jì)算公式/;=(455/800)*(E455nm/E800nm)，上述窄帶長脈沖與寬帶啁啾長脈沖的和頻效率可以達(dá)到40%以上(其中E455nm和E8o"m分別為455nm和800nm的脈沖能量)。這個(gè)和頻效率相比于寬帶倍頻10%-20%的效率，確實(shí)有很大提高。采用光柵壓縮器可以將產(chǎn)生的455nm的和頻啁啾脈沖壓縮至115fs。為了測(cè)量壓縮后的455nm脈沖激光的脈寬，利用鈦寶石再生放大器輸出的800nm的飛秒脈沖與其做差頻，觀察互相關(guān)曲線。圖2顯示了800nm飛秒脈沖的自相關(guān)曲線及其光譜。圖3顯示了經(jīng)光柵壓縮后的455nm的和頻飛秒脈沖的互相關(guān)曲線及其光譜。圖l所示為其中一個(gè)和頻過程中產(chǎn)生的和頻啁啾脈沖能量變化情況。圖2所示為鈦寶石再生放大器輸出的800nm飛秒脈沖的自相關(guān)曲線及其光譜。圖3所示為光柵壓縮后的和頻飛秒脈沖的互相關(guān)曲線及其光譜。圖4所示為本發(fā)明的具體實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)圖。圖中標(biāo)號(hào)Ml、M2、M3、M4、M5、M6和M7為銀鏡，Ll為焦距為500mm的凸透鏡，L2為焦距為300mm的凸透鏡，L3為焦距為400mm的凸透鏡，GM1和GM2為屋脊鏡，Gl為光柵。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖進(jìn)一步描述本發(fā)明。圖4顯示的是中心波長為1053nm的窄帶皮秒脈沖與中心波長為800nm的寬帶啁啾皮秒脈沖在P-BBO晶體中和頻的結(jié)構(gòu)圖。這是產(chǎn)生紫外波段脈沖激光所需的幾個(gè)連續(xù)和頻過程中的第一步和頻。參與和頻的兩束激光分別來自Nd:YLF再生放大器和Ti:sapphire再生放大器。兩臺(tái)放大器輸出脈沖重復(fù)率都是lkHZ，而且輸出脈沖在時(shí)間上能夠同步(時(shí)間抖動(dòng)小于lps)。Nd:YLF再生放大器的輸出脈沖中心波長1053nm，脈沖能量1.5mJ，脈沖寬度75ps。Ti:sapphire再生放大器的輸出脈沖中心波長為800nm，脈沖能量0.5mJ，脈沖寬度90fs。將Ti:sapphire再生放大器輸出的90fs的脈沖展寬成25ps。兩束參與和頻的入射脈沖激光分別經(jīng)焦距為500mm的凸透鏡Ll和焦距為300mm的凸透鏡L2聚焦后，在晶體表面的光斑直徑都約為240pm。所用的BBO晶體的長度為0.5mm，按第一類位相匹配角9=25°切割。為了能在晶體后將產(chǎn)生的和頻光簡單分出，兩束和頻入射光束在晶體內(nèi)有很小的非共線角(3。)。在光子數(shù)匹配的情況下，產(chǎn)生的和頻脈沖激光最大能量可以達(dá)到360)aJ，和頻效率可達(dá)40%。產(chǎn)生的和頻脈沖經(jīng)焦距為400mm的凸透鏡L3準(zhǔn)直后進(jìn)入光柵壓縮系統(tǒng)。壓縮之后的出射光束的脈沖寬度經(jīng)互相關(guān)測(cè)量約為115fs。<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>權(quán)利要求1、一種產(chǎn)生紫外飛秒脈沖激光的方法，其特征在于從中心波長為1053nm的窄帶皮秒激光和中心波長為800nm的寬帶啁啾皮秒激光出發(fā)，連續(xù)采用多次窄帶皮秒長脈沖激光與寬帶啁啾皮秒長脈沖激光在非線性晶體中的和頻，產(chǎn)生紫外波段的啁啾皮秒脈沖；再經(jīng)光柵壓縮得到紫外飛秒脈沖。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于中心波長為1053nm的窄帶皮秒激光來自Nd:YLF皮秒再生放大器；中心波長為800nm的寬帶啁啾皮秒脈沖激光由Ti:sapphire飛秒再生放大器輸出的飛秒脈沖展寬得到。3、根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于用于產(chǎn)生紫外波段飛秒脈沖的兩臺(tái)初始激光源Ti:sapphire飛秒再生放大器和Nd:YLF皮秒再生放大器出射激光脈沖在時(shí)間上同步，時(shí)間抖動(dòng)小于lps。4、根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于對(duì)于每一個(gè)和頻過程，入射的窄帶長脈沖一直來自中心波長1054nm的窄帶激光源，入射的寬帶啁啾脈沖為上一步和頻過程產(chǎn)生的和頻啁啾皮秒脈沖。全文摘要本發(fā)明屬于激光
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體為一種高效率產(chǎn)生紫外飛秒脈沖激光的方法。該方法從兩個(gè)同步的再生放大器激光源出發(fā)，通過連續(xù)多個(gè)窄帶皮秒長脈沖激光與寬帶啁啾皮秒長脈沖激光在非線性晶體中的和頻，產(chǎn)生紫外波段的皮秒啁啾脈沖激光。最后經(jīng)光柵壓縮器壓縮，得到紫外飛秒脈沖激光。本發(fā)明方法相對(duì)于寬帶倍頻的效率大為提高，可適用于需要紫外波段飛秒脈沖作為激光源的系統(tǒng)。文檔編號(hào)G02F1/35GK101609242SQ20091005523公開日2009年12月23日申請(qǐng)日期2009年7月23日優(yōu)先權(quán)日2009年7月23日發(fā)明者張東方,朱鶴元,鵬袁,坤趙,鐘亥哲,錢列加申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué)