專利名稱：近單光周期激光脈沖產(chǎn)生裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超短激光脈沖，特別是一種近單光周期激光脈沖產(chǎn)生裝置。
背景技術(shù)：
超快光學(xué)領(lǐng)域的許多研究應(yīng)用需要極短的激光脈寬、較高的能量和 較好的光束質(zhì)量的激光脈沖，例如單個阿秒脈沖的產(chǎn)生，微觀世界，尤 其是生物分子水平上的動力學(xué)研究等。如何產(chǎn)生周期量級乃至單周期的 脈沖是幾十年來人們不斷努力的方向，這一技術(shù)難題的解決對強場激光 物理等領(lǐng)域有重大意義?，F(xiàn)有商品化的鈦寶石飛秒激光器輸出脈沖寬度一般在30飛秒(簡寫 為fs)以上，乃至50fs，與實驗中要達(dá)到的小于5飛秒(以800nm為中 心，單周期脈沖寬度為2.7飛秒)的目標(biāo)有一定距離。目前，周期量級 脈沖乃至近單周期脈沖(以下簡稱"極短脈沖")的基本產(chǎn)生方式有非共 線光學(xué)參量放大(OPA)方法、充惰性氣體空心光纖壓縮方法和惰性氣 體成絲壓縮方法。但是這些方法各有優(yōu)缺點，如非共線OPA方法的光譜 帶寬受到相位匹配的限制，且由于相位匹配角的不同導(dǎo)致空間啁啾會很 大；空心光纖壓縮的方法因為要盡量避免氣體電離，所以支持的能量不 能高，同時由于光是在波導(dǎo)中以泄漏模方式行進的，加上不同模式的耦 合及高階模的強烈損耗，效率不夠高，但這種方法的光譜展寬特性和空 間選模特性好；惰性氣體成絲壓縮方法雖然能支持很高的能量，而且理 論預(yù)計空間質(zhì)量也會很好，但具體實現(xiàn)時受到影響的因素很多，比如初 始脈沖的波前、光斑模式、峰值功率和氣體的擾動等，從而壓縮質(zhì)量難 以控制。這些基本方法有不同的實現(xiàn)方法，例如空心光纖使用氣壓梯度 的方法，雖然產(chǎn)生接近10毫焦的能量，但脈寬不夠短，實驗裝置也較復(fù) 雜，需要保持穩(wěn)定的氣壓梯度；使用大內(nèi)徑的空心光纖也能顯著提高出 射脈沖的能量；成絲壓縮也有自壓縮和啁啾鏡輔助壓縮。這些基本方法的不同組合又衍生出許多方法，例如，用兩級空心光纖壓縮，雖然脈寬能達(dá)到3.8飛秒，但是能量太低，只有微焦量級/不適合某些應(yīng)用；用 兩級成絲的方式，能量能提高，但脈寬還不夠短，而且光束質(zhì)量不易控 制。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點，提出 一種近單個光周期激光脈沖產(chǎn)生裝置，以獲得高的脈沖壓縮比、高的能 量輸出和好的光束質(zhì)量。本發(fā)明的技術(shù)解決方案的實質(zhì)是利用惰性氣體成絲壓縮和空心光纖 壓縮之間的互補來揚長避短，既發(fā)揮級聯(lián)壓縮得到短脈寬的優(yōu)勢，又不 以犧牲能量效率和光束質(zhì)量為代價。成絲壓縮技術(shù)有高的壓縮效率，但 光束質(zhì)量不夠理想；空心光纖壓縮效率不夠高，但光譜展寬特性和空間 整形特性很好。二者結(jié)合就可以有高的脈沖壓縮比，高的能量輸出，好 的光束質(zhì)量。本發(fā)明的具體技術(shù)解決方案是一種近單光周期激光脈沖產(chǎn)生裝置，特點是其構(gòu)成包括沿入射的 超短脈沖激光前進方向依次的第一小孔光闌、聚焦透鏡、充惰性氣體的 鋼管、第一凹面反射鏡、第一啁啾鏡組、第二小孔光闌、第二凹面反射 鏡、內(nèi)置空心光纖的充惰性氣體鋼管、第三凹面反射鏡和第二啁啾鏡組， 所述的充惰性氣體的鋼管和內(nèi)置空心光纖的充惰性氣體鋼管的兩端用具 有布儒斯特角的石英片密封。所述的第二凹面反射鏡的焦距為1.5米。本發(fā)明將惰性氣體成絲壓縮和空心光纖壓縮結(jié)合起來，以成絲壓縮 做前級，空心光纖壓縮做后級，前級利用了成絲壓縮支持高能量的優(yōu)點 對脈沖做初步的壓縮，后級利用了空心光纖光譜展寬特性好以及空間選 模特性好的優(yōu)點對脈沖做進一步的壓縮和整形。本發(fā)明的優(yōu)點歸納如下1、本發(fā)明采用級聯(lián)壓縮的方法，與單級壓縮方法相比，它將脈沖光譜展得更寬，其能支持的最短脈寬限也更短。2、 本發(fā)明的第一級使用惰性氣體成絲壓縮，在最小限度損失能量的 前提下將脈沖進行初步的壓縮。根據(jù)理論推斷，較短的脈沖進入光纖后， 光譜展寬會更加光滑更加寬，能支持更短的脈沖。這即是與單級光纖相 比的優(yōu)勢所在。3、 本發(fā)明的第二級使用空心光纖壓縮，進一步展寬了光譜，同時由 于波導(dǎo)的選模性，光束質(zhì)量也得到了優(yōu)化，克服了成絲在光斑模式上的 不足。


圖1為本發(fā)明近單個光周期激光脈沖裝置結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為初始脈沖的光譜展寬比較。 圖3為測得的脈沖自相關(guān)圖。 圖4為理論模擬的自相關(guān)圖。
具體實施方式
下面結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明作進一步說明，但不應(yīng)以此限制本 發(fā)明的保護范圍。先請參閱圖1，圖1為本發(fā)明近單個光周期激光脈沖裝置結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1是口徑可調(diào)的第一小孔光闌，6是口徑可調(diào)的第二小孔光闌。2是焦距1.5米的薄透鏡，盡可能在初始脈沖波段范圍內(nèi)增透。充惰性氣 體的鋼管3和內(nèi)置空心光纖的充惰性氣體鋼管8的長度為160厘米，內(nèi) 徑39毫米，前后由0.5毫米厚的石英片密封，其角度確保入射光以布如 斯特角入射，從而減小反射損耗。管子由兩個二維調(diào)整架支撐，確保入 射光經(jīng)軸線經(jīng)過管子。其中充惰性氣體的鋼管3內(nèi)充有氬氣。內(nèi)置空心 光纖的充惰性氣體鋼管8中放有內(nèi)徑為250微米，長度1米的石英空心 光纖，由一V形槽承載，使其軸線與管子軸線重合。內(nèi)充氖氣。第一凹 面反射鏡4和第二凹面反射鏡7是焦距1.5米的凹面反射鏡，要求反射 光譜帶寬要足夠?qū)挕?是第一啁啾組合鏡，IO是第二啁啾組合鏡，用以 補償脈沖的正色散，壓縮脈沖。第一啁啾組合鏡5由兩對啁啾鏡組成，總計補償量為-320fs2。第二啁啾組合鏡10也由兩對啁啾鏡組成，總計 補償量-180fs2。第三凹面反射鏡9是焦距75厘米的凹面鏡。 本裝置的工作原理激光器的輸出脈寬為38飛秒，使用低于小孔光闌1選擇脈沖能量 0.9毫焦做為第一級的入射，經(jīng)過透鏡2的聚焦進入充惰性氣體的鋼管3。 當(dāng)入射脈沖的峰值功率大于管子中氬氣的自聚焦功率時，就會發(fā)生成絲 效應(yīng)。成絲過程是復(fù)雜的動力學(xué)過程，空間自聚焦，等離子體形成與散 焦等。當(dāng)一束光中，自聚焦效應(yīng)和等離子散焦相平衡時，就形成了一根 絲。如果入射脈沖的能量很大，且波前相位畸變時，就會形成許多根絲， 每根絲的峰值功率相等。第一小孔光鬧1的使用就是壓制多絲的形成， 只產(chǎn)生單絲，確保光斑的空間質(zhì)量。判斷是否形成單絲除了峰值功率這 個標(biāo)準(zhǔn)外，還有亮絲的長度，本裝置形成的亮線是相應(yīng)光束瑞利長度的 好幾倍，表明發(fā)生了動力學(xué)平衡，有成絲現(xiàn)象。輸出脈沖能量大于0.8 毫焦，效率超過90%。光斑中心是白亮的超連續(xù)譜。脈沖經(jīng)第一凹面反 射鏡4準(zhǔn)直后由第一啁啾鏡5進行色散補償。因為這時的光譜很寬，所 以凹面反射鏡的反射帶寬要夠，經(jīng)過啁啾鏡補償后得到的脈沖由型號為 SPIDER脈寬測量儀測量其脈寬在20飛秒以下。初步壓縮的脈沖由第二 凹面反射鏡7聚焦耦合到所述的內(nèi)置空心光纖的充惰性氣體鋼管8的空 芯光纖中。因為空心光纖對模式EH11的損耗比其它的模都小很多，當(dāng) 焦斑恰好位于光纖入口時，由耦合模理論可知大部分能量分布在EH11 模上。同時理論計算可知當(dāng)焦斑直徑是光纖內(nèi)徑的65%時，可以得到接 近1的耦合效率。通過使用CCD測量不同焦距凹面鏡的焦斑大小及位 置，發(fā)現(xiàn)焦距1.5米的凹面鏡焦斑大小符合最佳耦合條件，所以光路按 照此參數(shù)搭建。當(dāng)脈沖在光纖中行進時，由于自相位調(diào)制效應(yīng)，光譜得 到大大展寬。同時由于波導(dǎo)的選模作用，使得EH11這個模式被選出來。 第二小孔光闌6用來濾掉成絲后中心光斑外圍的暈，同時調(diào)整焦斑大小 以達(dá)到最高的壓縮效率。光纖出射的脈沖經(jīng)過第三凹面反射鏡9的準(zhǔn)直， 由第二啁啾組合鏡10壓縮得到最終的輸出，能量為0.2毫焦，脈寬為4.7飛秒。圖2表示的是初始脈沖經(jīng)過各級的光譜展寬情況，理論計算可知最終的光譜支持最短脈寬限為3.4飛秒。圖3是測得的最終脈沖的自相 關(guān)圖，和理論模擬結(jié)果圖4對比可知這個脈沖的脈寬在4.7飛秒。由此 可知壓縮后的脈寬已經(jīng)接近脈寬限，之所以會有這種差別， 一個很大的 限制因素在于啁啾鏡對高階色散的補償不是很好。同時實驗中我們發(fā)現(xiàn) 實際展寬光譜在500納米以下，但啁啾鏡在500納米以下時反射率不高， 這就是光譜中出現(xiàn)的500納米處的截斷的原因。權(quán)利要求
1、一種近單光周期激光脈沖產(chǎn)生裝置，特征是其構(gòu)成包括沿入射的超短脈沖激光前進方向依次的第一小孔光闌(1)、聚焦透鏡(2)、充惰性氣體的鋼管(3)、第一凹面反射鏡(4)、第一啁啾鏡組(5)、第二小孔光闌(6)、第二凹面反射鏡(7)、內(nèi)置空心光纖的充惰性氣體鋼管(8)、第三凹面反射鏡(9)和第二啁啾鏡組(10)，所述的充惰性氣體的鋼管(3)和內(nèi)置空心光纖的充惰性氣體鋼管(8)的兩端用具有布儒斯特角的石英片密封。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的近單光周期激光脈沖產(chǎn)生裝置，其特征 是所述的第二凹面反射鏡(7)的焦距為1.5米。
全文摘要
一種近單光周期激光脈沖產(chǎn)生裝置，特點是其構(gòu)成包括沿入射的超短脈沖激光前進方向依次的第一小孔光闌、聚焦透鏡、充惰性氣體的鋼管、第一凹面反射鏡、第一啁啾鏡組、第二小孔光闌、第二凹面反射鏡、內(nèi)置空心光纖的充惰性氣體鋼管、第三凹面反射鏡和第二啁啾鏡組，所述的充惰性氣體的鋼管和內(nèi)置空心光纖的充惰性氣體鋼管的兩端用具有布儒斯特角的石英片密封。本發(fā)明裝置具有高的脈沖壓縮比、高的能量輸出和好的光束質(zhì)量，可獲得近單光周期激光脈沖。
文檔編號H01S3/00GK101330189SQ20081004116
公開日2008年12月24日 申請日期2008年7月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月30日
發(fā)明者冷雨欣, 徐至展, 李儒新, 李小芳, 丁 王, 陳曉偉 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所