專利名稱：雙腔共振裝置及產(chǎn)生自同步飛秒脈沖和皮秒脈沖的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于超短激光技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種雙腔共振裝置，本發(fā)明還涉及利用
該裝置產(chǎn)生自同步飛秒脈沖和皮秒脈沖的方法。
背景技術(shù)：
目前，雙波長(zhǎng)超短脈沖激光器的研制取得了顯著的進(jìn)展，已經(jīng)能夠從單腔共振結(jié) 構(gòu)和雙腔共振結(jié)構(gòu)產(chǎn)生兩列同步輸出的飛秒脈沖。但是，在超快光學(xué)及超快光譜學(xué)的研究 與應(yīng)用中，為實(shí)現(xiàn)選擇性泵浦_探測(cè)，往往需要同步輸出的飛秒和皮秒光脈沖作為光源。現(xiàn) 有的雙波長(zhǎng)飛秒脈沖激光器已不能滿足選擇性泵浦-探測(cè)的研究與應(yīng)用的需要。主要表現(xiàn) 在 1、光譜寬度的限制 選擇性泵浦_探測(cè)要求采用窄光譜的激光脈沖進(jìn)行激發(fā)或泵浦，用寬光譜的激光 脈沖進(jìn)行探測(cè)。而現(xiàn)有的雙波長(zhǎng)飛秒脈沖激光器只能夠輸出兩列寬光譜的飛秒激光脈沖， 因此無(wú)法進(jìn)行選擇性泵浦_探測(cè)。
2 、色散對(duì)脈沖特性的影響 在泵浦-探測(cè)實(shí)驗(yàn)中，樣品材料、光路中的光學(xué)元件都會(huì)對(duì)激光脈沖產(chǎn)生影響，主
要表現(xiàn)為啁啾的產(chǎn)生。當(dāng)激光脈沖寬度達(dá)到飛秒量級(jí)，這種影響尤為顯著。現(xiàn)有的雙波長(zhǎng)飛
秒脈沖激光器輸出的兩列寬光譜的飛秒激光脈沖在泵浦_探測(cè)實(shí)驗(yàn)中都產(chǎn)生顯著的啁啾，
直接影響到測(cè)量結(jié)果。 3 、脈沖調(diào)諧范圍的限制 雖然，利用單腔共振結(jié)構(gòu)已經(jīng)獲得了飛秒和皮秒脈沖的被動(dòng)同步輸出，但是，由于 單腔共振結(jié)構(gòu)中飛秒和皮秒脈沖在激光晶體中耦合程度無(wú)法有效控制，飛秒和皮秒脈沖的 調(diào)諧范圍相互制約，調(diào)諧范圍受到限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種雙腔共振裝置，解決了現(xiàn)有的共振結(jié)構(gòu)由于光譜寬度的 限制、色散對(duì)脈沖特性的影響以及脈沖調(diào)諧范圍的限制無(wú)法滿足產(chǎn)生自同步飛秒和皮秒脈 沖的問(wèn)題。 本發(fā)明的另一 目的是提供一種利用上述裝置產(chǎn)生自同步飛秒脈沖和皮秒脈沖的 方法。 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，一種雙腔共振裝置，包括依次置于同一精密導(dǎo)軌上 的聚焦透鏡、球面反射腔鏡a、鈦寶石激光晶體和球面反射腔鏡b，聚焦透鏡的入射光側(cè)設(shè) 置有分束鏡，球面反射腔鏡b的反射光側(cè)設(shè)置有輸出耦合鏡a和輸出耦合鏡b，輸出耦合鏡 b上設(shè)置有壓電傳感器a，球面反射腔鏡a的反射光側(cè)設(shè)置有兩條反射光路，一路為依次設(shè) 置的平面反射腔鏡b、聲光調(diào)制器、狹縫a、平面反射腔鏡a，另一路為依次設(shè)置的石英棱鏡 a、石英棱鏡b、狹縫b、平面反射腔鏡c，平面反射腔鏡c上設(shè)置有壓電傳感器b，球面反射腔鏡a、球面反射腔鏡b、石英棱鏡a、石英棱鏡b、平面反射腔鏡c和輸出耦合鏡b構(gòu)成飛秒激 光腔，球面反射腔鏡a、球面反射腔鏡b、平面反射腔鏡b、平面反射腔鏡a和輸出耦合鏡a構(gòu) 成皮秒激光腔。 本發(fā)明所采用的另一技術(shù)方案是，一種利用雙腔共振裝置產(chǎn)生自同步飛秒脈沖和 皮秒脈沖的方法，具體按照以下步驟實(shí)施 步驟1 :打開(kāi)氬離子激光器，將激光功率調(diào)至2-3W，入射的泵浦光束通過(guò)分束鏡分 為平行的兩束光； 步驟2 :設(shè)置聚焦透鏡和鈦寶石激光晶體表面之間的距離為99-99. 5mm，球面反射 腔鏡a和球面反射腔鏡b的間距為99. 8-100. 3mm，球面反射腔鏡a的軸線和球面反射腔鏡 b的軸線之間的夾角為16° -26° ，調(diào)整鈦寶石激光晶體表面的法線方向，使步驟l得到的 兩束平行光以布儒斯特角入射； 步驟3 :用兩個(gè)光闌確定氬離子激光器的泵浦光線，關(guān)閉氬離子激光器，用一個(gè) He-Ne激光器作準(zhǔn)直光源，使其發(fā)出的光線與步驟1中氬離子激光器發(fā)出的泵浦光束重合；
步驟4:拿掉He-Ne激光器，打開(kāi)氬離子激光器，功率調(diào)至7-8W，在平面反射腔鏡 b、平面反射腔鏡c及輸出耦合鏡a、輸出耦合鏡b表面上得到暗紅色熒光；
步驟5 :調(diào)節(jié)平面反射腔鏡b的位置及軸線方向，使步驟4得到的暗紅色熒光射在 平面反射腔鏡a的表面上，然后調(diào)節(jié)平面反射腔鏡a的位置及軸線方向，使暗紅色熒光沿著 原光路返回；調(diào)節(jié)輸出耦合鏡a的位置及軸線方向，使暗紅色熒光沿著原光路返回；進(jìn)一步 交替調(diào)節(jié)平面反射腔鏡a和輸出耦合鏡a的軸線方向，使暗紅色熒光在平面反射腔鏡a和 輸出耦合鏡a上都沿著原光路返回，在皮秒激光腔內(nèi)產(chǎn)生連續(xù)激光的輸出；繼續(xù)調(diào)節(jié)平面 反射腔鏡a和輸出耦合鏡a的軸線方向，同時(shí)調(diào)節(jié)聚焦透鏡、鈦寶石激光晶體、球面反射腔 鏡a、球面反射腔鏡b的位置和方向，使皮秒激光腔輸出功率最大；調(diào)節(jié)石英棱鏡a、石英棱 鏡b的位置及頂角方向，使步驟4得到的暗紅色熒光射在平面反射腔鏡c的表面上，然后調(diào) 節(jié)平面反射腔鏡c的位置及軸線方向，使暗紅色熒光沿著原光路返回；調(diào)節(jié)輸出耦合鏡b的 位置及軸線方向，使暗紅色的熒光沿著原光路返回；進(jìn)一步交替調(diào)節(jié)平面反射腔鏡c和輸 出耦合鏡b的軸線方向，使暗紅色熒光在平面反射腔鏡c和輸出耦合鏡b上都沿著原光路 返回，在飛秒激光腔內(nèi)產(chǎn)生連續(xù)激光的輸出，繼續(xù)調(diào)節(jié)平面反射腔鏡c和輸出耦合鏡b的軸 線方向，使飛秒激光腔輸出功率最大； 步驟6 :關(guān)閉氬離子激光器，將激光功率調(diào)為9-10W，打開(kāi)聲光調(diào)制器，將聲光調(diào)制 器的調(diào)制頻率調(diào)到78-80MHz，調(diào)節(jié)皮秒激光腔腔長(zhǎng)，達(dá)到鎖模，關(guān)閉聲光調(diào)制器，皮秒激光 腔維持在自鎖模狀態(tài)；振動(dòng)石英棱鏡b使得飛秒激光腔達(dá)到自鎖模； 步驟7 :用頻率計(jì)數(shù)器測(cè)量皮秒激光腔輸出脈沖的重復(fù)頻率以及飛秒激光腔輸出 脈沖的重復(fù)頻率，調(diào)節(jié)飛秒激光腔腔長(zhǎng)，使飛秒激光腔與皮秒激光腔輸出脈沖的重復(fù)頻率 一致； 步驟8 :沿軸向移動(dòng)聚焦透鏡、平面反射腔鏡c和輸出耦合鏡b，同時(shí)，保持飛秒激 光腔輸出脈沖的重復(fù)頻率不變，直至飛秒激光腔與皮秒激光腔輸出脈沖的光譜發(fā)生變化；
步驟9 :打開(kāi)壓電傳感器a和壓電傳感器b，調(diào)節(jié)電壓，微調(diào)平面反射腔鏡c和輸出 耦合鏡b的前后位置，使皮秒激光腔輸出脈沖的光譜展寬最大； 步驟10 :沿垂直于光傳播的方向移動(dòng)狹縫a和狹縫b，調(diào)節(jié)狹縫a和狹縫b的縫寬，使得皮秒脈沖和飛秒脈沖的波長(zhǎng)調(diào)諧； 步驟11 :沿軸向移動(dòng)聚焦透鏡、反射腔鏡c和輸出耦合鏡b，使得皮秒激光腔和飛 秒激光腔的腔長(zhǎng)精確匹配，達(dá)到皮秒脈沖和飛秒脈沖的波長(zhǎng)調(diào)諧范圍一致并同步輸出。
本發(fā)明的特點(diǎn)還在于，其中的分束鏡的上表面一半鍍有金屬膜，對(duì)450-540nm的 光半反射；上表面另一半鍍有金屬膜，對(duì)450-540nm的光全部透射；下表面鍍有金屬膜，對(duì) 450-540nm的光全部反射。 本發(fā)明的有益效果是，利用不同的色散補(bǔ)償及精確的腔長(zhǎng)匹配，采用合理的增益 分配，在雙腔共振結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生自同步輸出的飛秒和皮秒脈沖；在激光晶體表面控制飛秒和 皮秒脈沖之間相互耦合程度，拓寬了飛秒和皮秒脈沖的調(diào)諧范圍。其中，皮秒激光脈沖通過(guò) 樣品材料、光路中的光學(xué)元件后產(chǎn)生的啁啾比較小，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響較小。自同步輸出的 飛秒和皮秒脈沖非常適合于選擇性泵浦_探測(cè)實(shí)驗(yàn)的研究與應(yīng)用。


圖1是本發(fā)明雙腔共振裝置的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是本發(fā)明雙腔共振裝置中泵浦光束分束鏡的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3是利用本發(fā)明裝置產(chǎn)生的飛秒脈沖和皮秒脈沖耦合區(qū)域的示意圖； 圖4是本發(fā)明實(shí)施例1中獨(dú)立自鎖模時(shí)皮秒脈沖的二階自相關(guān)曲線； 圖5是本發(fā)明實(shí)施例1中獨(dú)立自鎖模時(shí)皮秒脈沖的光譜圖； 圖6是本發(fā)明實(shí)施例1中獨(dú)立自鎖模時(shí)飛秒脈沖的二階自相關(guān)曲線； 圖7是本發(fā)明實(shí)施例1中獨(dú)立自鎖模時(shí)飛秒脈沖的光譜圖； 圖8是本發(fā)明實(shí)施例1中交叉鎖模時(shí)皮秒脈沖的二階自相關(guān)曲線； 圖9是本發(fā)明實(shí)施例1中交叉鎖模時(shí)皮秒脈沖的光譜圖； 圖10是本發(fā)明實(shí)施例1中交叉鎖模時(shí)飛秒脈沖的二階自相關(guān)曲線； 圖11是本發(fā)明實(shí)施例1中交叉鎖模時(shí)飛秒脈沖的光譜圖； 圖12是本發(fā)明實(shí)施例1中交叉鎖模時(shí)皮秒和飛秒脈沖的交叉相關(guān)曲線； 圖13是本發(fā)明實(shí)施例1中交叉鎖模時(shí)皮秒和飛秒脈沖的總光譜圖； 圖14為本發(fā)明實(shí)施例1雙腔共振裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖中，l.分束鏡，2.聚焦透鏡，3.球面反射腔鏡a，4.鈦寶石激光晶體，5.球面反 射腔鏡b，6.輸出耦合鏡a，7.壓電傳感器a，8.輸出耦合鏡b，9.平面反射腔鏡a， 10.狹縫 a，ll.聲光調(diào)制器，12.平面反射腔鏡b，13.石英棱鏡a，14.石英棱鏡b，15.狹縫b，16.平 面反射腔鏡c， 17.壓電傳感器b。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。 本發(fā)明雙腔共振裝置的結(jié)構(gòu)，如圖1所示，包括依次置于同一精密導(dǎo)軌上的聚焦 透鏡2、球面反射腔鏡a3、鈦寶石激光晶體4和球面反射腔鏡b5，聚焦透鏡2的入射光側(cè)設(shè) 置有分束鏡1，球面反射腔鏡b5的反射光側(cè)設(shè)置有輸出耦合鏡a6和輸出耦合鏡b8，輸出耦 合鏡b8上設(shè)置有壓電傳感器a7，球面反射腔鏡a3的反射光側(cè)設(shè)置有兩條反射光路， 一路為 依次設(shè)置的平面反射腔鏡bl2、聲光調(diào)制器ll、狹縫al0、平面反射腔鏡a9，另一路為依次設(shè)
6置的石英棱鏡al3、石英棱鏡bl4、狹縫bl5、平面反射腔鏡c16，平面反射腔鏡c16上設(shè)置有 壓電傳感器b17。球面反射腔鏡a3、球面反射腔鏡b5、石英棱鏡al3、石英棱鏡bl4、平面反 射腔鏡c16和輸出耦合鏡b8構(gòu)成一個(gè)激光腔，稱為飛秒激光腔，球面反射腔鏡a3、球面反射 腔鏡b5、平面反射腔鏡bl2、平面反射腔鏡a9和輸出耦合鏡a6構(gòu)成另一個(gè)激光腔，稱為皮 秒激光腔。 分束鏡l，用于將一束激光泵浦光束分裂為平行的兩束泵浦光束；
聚焦透鏡2，用于將兩束激光泵浦光束聚焦在鈦寶石激光晶體4上；
鈦寶石激光晶體4 ，用于產(chǎn)生激光脈沖； 球面反射腔鏡a3和球面反射腔鏡b5，用于構(gòu)建穩(wěn)定的激光振蕩腔； 平面反射腔鏡a9、平面反射腔鏡bl2和平面反射腔鏡cl6，用于激光振蕩腔內(nèi)激光
的反射； 輸出耦合鏡a6和輸出耦合鏡b8，用于激光振蕩腔的耦合輸出； 狹縫a10和狹縫b 15，用于調(diào)諧激光振蕩腔內(nèi)脈沖的波長(zhǎng)； 石英棱鏡a13和石英棱鏡bl4，用于補(bǔ)償激光振蕩腔內(nèi)激光脈沖的色散； 聲光調(diào)制器ll，用于皮秒激光器鎖模的啟動(dòng)； 壓電傳感器a7和壓電傳感器bl7，用于調(diào)節(jié)激光振蕩腔的腔長(zhǎng)。 分束鏡1的結(jié)構(gòu)如圖2所示，分束鏡1正面為直徑為2英寸的圓形，厚度為4mm。
上表面一半鍍有金屬膜(AE部分)，對(duì)450-540nm的光半反射，另一半也鍍有金屬膜(ED部
分)，對(duì)450-540nm的光全部透射；下表面鍍有金屬膜(BC部分)，對(duì)450-540nm的光全部反
射。泵浦光入射角為45° ，經(jīng)分束鏡1后泵浦光被分為平行的兩束光，兩束光的功率比可以
通過(guò)改變金屬膜的反射率加以控制，兩束光之間的距離可以通過(guò)改變分束鏡1的厚度加以控制。 飛秒脈沖和皮秒脈沖耦合區(qū)域如圖3所示，兩列鎖模激光脈沖形成后，當(dāng)兩個(gè)激
光腔的長(zhǎng)度精確匹配時(shí)，兩列鎖模激光脈沖會(huì)在激光晶體內(nèi)相遇，其耦合強(qiáng)度與它們相
互作用的距離有關(guān)，改變激光晶體的位置，使它們相互作用的區(qū)域在激光晶體的表面下
0. 1-0. 5mm，就能夠控制其耦合強(qiáng)度，進(jìn)一步達(dá)到控制激光脈沖調(diào)諧范圍的目的。 本發(fā)明利用雙腔共振裝置產(chǎn)生自同步飛秒脈沖和皮秒脈沖的方法，具體按照以下
步驟實(shí)施 步驟1 :打開(kāi)氬離子激光器，將激光功率調(diào)至2-3W，入射的泵浦光束通過(guò)分束鏡1 分為平行的兩束光； 步驟2 :設(shè)置聚焦透鏡2和鈦寶石激光晶體4表面之間的距離為99-99. 5mm，球面 反射腔鏡a3和球面反射腔鏡b5的間距為99. 8-100. 3mm，球面反射腔鏡a3和球面反射腔 鏡b5的軸線之間的銳夾角在16° -26°之間，調(diào)整鈦寶石激光晶體4表面的法線方向，使 步驟1得到的兩束平行光以布儒斯特角入射； 步驟3 :用兩個(gè)光闌確定氬離子激光器的泵浦光線，關(guān)閉氬離子激光器，用一個(gè) He-Ne激光器作準(zhǔn)直光源，使其發(fā)出的光線與步驟1中氬離子激光器發(fā)出的泵浦光束重合。 氬離子激光亮度高、強(qiáng)度大，容易對(duì)眼睛造成傷害。所以，采用亮度低、強(qiáng)度低的He-Ne激光 器作準(zhǔn)直光源，使光路的調(diào)節(jié)變得相對(duì)容易一些。另外，He-Ne激光器的波長(zhǎng)與鈦寶石激光 波長(zhǎng)接近，有利于光路的調(diào)節(jié)和準(zhǔn)直；
步驟4 :拿掉He-Ne激光器，將氬離子激光器打開(kāi)，功率調(diào)至7_8W。在平面反射腔 鏡bl2、平面反射腔鏡c16以及輸出耦合鏡a6、輸出耦合鏡b8表面上得到暗紅色的熒光；
步驟5 :調(diào)節(jié)平面反射腔鏡b12的位置及軸線方向，使步驟4得到的暗紅色熒光射 在平面反射腔鏡a9的表面上，然后調(diào)節(jié)平面反射腔鏡a9的位置及軸線方向，使暗紅色熒光 沿著原光路返回。調(diào)節(jié)輸出耦合鏡a6的位置及軸線方向，使暗紅色熒光沿著原光路返回。 進(jìn)一步交替調(diào)節(jié)平面反射腔鏡a9和輸出耦合鏡a6的軸線方向，使暗紅色熒光在兩個(gè)鏡面 上都沿著原光路返回。多次調(diào)節(jié)后，就能夠在皮秒激光腔內(nèi)產(chǎn)生連續(xù)激光的輸出。繼續(xù)調(diào) 節(jié)平面反射腔鏡a9和輸出耦合鏡a6的軸線方向，同時(shí)調(diào)節(jié)聚焦透鏡2、鈦寶石激光晶體4、 球面反射腔鏡a3、球面反射腔鏡b5的位置和方向，使皮秒激光腔輸出功率最大；調(diào)節(jié)石英 棱鏡al3、石英棱鏡b14的位置及頂角方向，使步驟4得到的暗紅色熒光射在平面反射腔鏡 c16的表面上，然后調(diào)節(jié)平面反射腔鏡c16的位置及軸線方向，使暗紅色熒光沿著原光路返 回。調(diào)節(jié)輸出耦合鏡b8的位置及軸線方向，使暗紅色的熒光沿著原光路返回。進(jìn)一步交替 調(diào)節(jié)平面反射腔鏡c16和輸出耦合鏡b8的軸線方向，使暗紅色熒光在兩個(gè)鏡面上都沿著原 光路返回。多次調(diào)節(jié)后，就能夠在飛秒激光腔內(nèi)產(chǎn)生連續(xù)激光的輸出。繼續(xù)調(diào)節(jié)平面反射 腔鏡c16和輸出耦合鏡b8的軸線方向，使飛秒激光腔輸出功率最大； 步驟6 :關(guān)閉氬離子激光器，將激光功率調(diào)為9-10W。打開(kāi)聲光調(diào)制器ll，將聲光調(diào) 制器11的調(diào)制頻率調(diào)到78-80MHz，調(diào)節(jié)皮秒激光腔腔長(zhǎng)，達(dá)到鎖模，關(guān)閉聲光調(diào)制器ll，皮 秒激光腔能夠維持在自鎖模(克爾透鏡鎖模)狀態(tài)，此時(shí)，測(cè)量皮秒脈沖的自相關(guān)和光譜； 同時(shí)振動(dòng)石英棱鏡bl4使得飛秒激光腔達(dá)到自鎖模(克爾透鏡鎖模)，測(cè)量飛秒脈沖的自相 關(guān)和光譜； 步驟7 :用頻率計(jì)數(shù)器測(cè)量皮秒激光腔輸出脈沖的重復(fù)頻率以及飛秒激光腔輸出 脈沖的重復(fù)頻率。調(diào)節(jié)飛秒激光腔腔長(zhǎng)，使飛秒激光腔與皮秒激光腔輸出脈沖的重復(fù)頻率 一致； 步驟8 :沿軸向移動(dòng)聚焦透鏡2、平面反射腔鏡cl6和輸出耦合鏡b8，同時(shí)，保持飛 秒激光腔輸出脈沖的重復(fù)頻率不變，直至飛秒激光腔與皮秒激光腔輸出脈沖的光譜發(fā)生變 化； 步驟9 :打開(kāi)壓電傳感器a7和壓電傳感器bl7，調(diào)節(jié)電壓，微調(diào)平面反射腔鏡c16 和輸出耦合鏡b8的前后位置，使皮秒激光腔輸出脈沖的光譜展寬最大；再次測(cè)量皮秒脈沖 的自相關(guān)和光譜以及飛秒脈沖的自相關(guān)和光譜；測(cè)量皮秒脈沖和飛秒脈沖的交叉相關(guān)，同 時(shí)，測(cè)量皮秒脈沖和飛秒脈沖的總光譜； 步驟10 :沿垂直于光傳播的方向移動(dòng)狹縫a10和狹縫bl5，調(diào)節(jié)狹縫a10和狹縫 b15的縫寬，實(shí)現(xiàn)皮秒脈沖和飛秒脈沖的波長(zhǎng)調(diào)諧； 步驟11 :沿軸向移動(dòng)聚焦透鏡2、反射腔鏡c16和輸出耦合鏡b8，使得皮秒激光 腔和飛秒激光腔的腔長(zhǎng)精確匹配，達(dá)到皮秒脈沖和飛秒脈沖的波長(zhǎng)調(diào)諧范圍一致并同步輸 出。 本發(fā)明雙腔共振裝置及自同步產(chǎn)生飛秒和皮秒脈沖的方法的理論依據(jù)及有益效 果是 1、理論依據(jù) 交叉鎖模涉及到兩束或兩束以上的激光，每一束激光不僅受到增益和損耗、自相用，而且相互之間還存在耦合。耦合作用加強(qiáng)了自聚焦效應(yīng)，因而增 強(qiáng)了相位調(diào)制，也就是說(shuō)，產(chǎn)生了交叉相位調(diào)制。在雙波長(zhǎng)超短脈沖激光器中，兩束激光在 自相位調(diào)制、群速?gòu)浬?、增益和損耗、交叉耦合的共同作用下形成交叉鎖模，其中每一種作 用對(duì)超短脈沖的形成都至關(guān)重要。 雙波長(zhǎng)交叉鎖模飛秒激光器的經(jīng)典鎖模方程為


4a^，x—(g^2-z與)4rO,(w)+4o〖"x)o〖";c)
《 2汰 2
十/,0))(z，x)(D2(z，x)^(z，x) + (" —"0)!(z，x)
要O2(z，x)-(g"F22-/^")4j0)2(z，:0 + !冬a);(z,x)O"z，x) & 2 汰 2
+ z' 5 O, ;jc)①,O, jc)<I)2 (z， jc) + (a -力02 (z， x)
(1)
(2) 其中①(z， x)為時(shí)域中的光場(chǎng)包絡(luò)算符，A- 、， 1血、Y1 = A
!^、 |32分別是光腔中兩個(gè)光束回路中的總?cè)核購(gòu)浬ⅲ琟、 ￡2分別
為其Kerr作用系數(shù)，k為耦合系數(shù)，a為單程增益，Y為單程腔內(nèi)總損耗，g為增益帶寬，
z為以腔長(zhǎng)為單位的歸一化的長(zhǎng)度。 方程右邊的第三項(xiàng)表示交叉相位調(diào)制。如果公式(1)和(2)分別表示飛秒和皮秒 激光腔的鎖模方程，那么公式(1)中右邊的第二項(xiàng)z',^'(;力Of(z，x)表示飛秒激光腔內(nèi)的
自相位調(diào)制，右邊的第三項(xiàng)z'f^(z,"①2(z,X)0,"x)表示飛秒激光腔內(nèi)的交叉相位調(diào)制。
由于飛秒激光脈沖的光場(chǎng)幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于皮秒激光脈沖的光場(chǎng)幅度，因此，飛秒腔內(nèi)的交叉 相位調(diào)制遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于自相位調(diào)制，交叉相位調(diào)制導(dǎo)致的交叉鎖模對(duì)飛秒腔內(nèi)脈沖時(shí)域和頻域
特性的影響較小。公式(2)中右邊的第二項(xiàng)z',0^，力0^，x)表示皮秒激光腔內(nèi)的自相 位調(diào)制，右邊的第三項(xiàng)z'f?！?,"^"x沖2(z，JC)表示皮秒激光腔內(nèi)的交叉相位調(diào)制。由于
飛秒激光脈沖的光場(chǎng)幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于皮秒激光脈沖的光場(chǎng)幅度，因此，皮秒腔內(nèi)的交叉相位 調(diào)制遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于自相位調(diào)制，交叉相位調(diào)制導(dǎo)致的交叉鎖模對(duì)飛秒腔內(nèi)脈沖時(shí)域和頻域特性 的影響非常顯著。 交叉鎖模發(fā)生時(shí)，激光腔內(nèi)總的相位調(diào)制由自相位調(diào)制和交叉相位調(diào)制兩部分組 成。由于交叉相位調(diào)制導(dǎo)致的交叉鎖模對(duì)皮秒腔內(nèi)脈沖時(shí)域和頻域特性的影響非常顯著， 因此，我們?cè)谶@種情況下觀察到皮秒脈沖光譜的顯著展寬。并且，以此為依據(jù)表明飛秒和皮 秒脈沖發(fā)生交叉鎖模。
2、有益效果
9
利用不同的色散補(bǔ)償及精確的腔長(zhǎng)匹配，采用合理的增益分配，在雙腔共振結(jié)構(gòu) 中產(chǎn)生自同步輸出的飛秒脈沖和皮秒脈沖，在激光晶體表面控制飛秒脈沖和皮秒脈沖之間 相互耦合程度，拓寬了飛秒脈沖和皮秒脈沖的調(diào)諧范圍。而且，皮秒激光脈沖通過(guò)樣品材 料、光路中的光學(xué)元件后產(chǎn)生的啁啾比較小，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響較小。自同步輸出的飛秒脈 沖和皮秒脈沖非常適合于選擇性泵浦_探測(cè)實(shí)驗(yàn)的研究與應(yīng)用。
實(shí)施例1 如圖14所示，設(shè)置氬離子激光輸出功率為10W，光束直徑為3mm，以45。角入射 在分束鏡M1上。分束鏡M1上表面一半鍍有金屬膜，對(duì)450-540nm的光具有65X的反射 率，另一半也鍍有金屬膜，對(duì)450-540nm的光具有99%的透過(guò)率；下表面鍍有金屬膜，對(duì) 450-540nm的光具有99%的反射率。光束1的功率為6. 5W，光束2的功率為3. 5W，兩束光邊 緣的距離為2mm。通過(guò)焦距為100mm的透鏡L(CVI，BICX-25. 4-102. 4-UV)聚焦在鈦寶石激光 晶體棒中(EKSMA OPTICS)，鈦寶石激光晶體按布儒斯特角切割，光軸C垂直于棒軸，參雜濃 度O. 12wt^，長(zhǎng)4mm，直徑5mm。泵浦光的波矢垂直于鈦寶石激光晶體光軸C，泵浦光的電矢 量平行于光軸C，形成Ji偏振泵浦，入射角60. 4° 。腔鏡M2和M3 (CVI， LPK-12. 5-25. 9-C) 的曲率半徑是100mm，對(duì)740-860nm波長(zhǎng)的光的反射率大于99%。平面腔鏡M4至M6 (CVI， TLMB-800-0-2506M)對(duì)740-860nm波長(zhǎng)的光的反射率大于99% 。 M7和M8是透過(guò)率為3% 的平面輸出耦合鏡。Pl和P2為石英棱鏡(IB-12. 4-69. l-UV)，間距56cm。 P3和P4為壓電 傳感器(17BPC102)。 AOM為聲光調(diào)制器(12080-3-BR-TE)。聚焦透鏡L、鈦寶石激光晶體 Ti:S、反射腔鏡M4和輸出耦合鏡M7置于精密導(dǎo)軌上(GCM-72114M) 。 M2、M3、M4、M7以及石 英棱鏡Pl和P2構(gòu)成一個(gè)激光腔，稱為飛秒腔，其泵浦功率為3. 5W。 M2、M3、M5、M6、M8構(gòu)成 另一個(gè)激光腔，稱為皮秒腔，腔長(zhǎng)為1906mm，其泵浦功率為6. 5W。飛秒和皮秒光脈沖的自相 關(guān)曲線分別通過(guò)脈沖在BBO晶體中的倍頻信號(hào)來(lái)測(cè)量，交叉相關(guān)通過(guò)飛秒脈沖和皮秒脈沖 在BBO晶體中的和頻信號(hào)來(lái)測(cè)量。脈沖的光譜由光譜儀來(lái)記錄。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果
(l)獨(dú)立自鎖模 在皮秒腔內(nèi)實(shí)現(xiàn)激光鎖模。關(guān)閉聲光調(diào)制器，皮秒腔內(nèi)鎖模仍能維持，表明自鎖模 (克爾透鏡鎖模)已經(jīng)完成。測(cè)量皮秒脈沖的自相關(guān)和光譜，如圖4及圖5所示。皮秒腔內(nèi) 脈沖二階自相關(guān)曲線的半高全寬為7.31ps，脈沖光譜的中心波長(zhǎng)為786. 7nm，半高全寬為 0. 23nm，輸出功率為373mW。使飛秒激光器達(dá)到自鎖模。測(cè)量飛秒脈沖的自相關(guān)和光譜，如 圖6及圖7所示，飛秒腔內(nèi)脈沖二階自相關(guān)曲線的半高全寬為47fs，脈沖光譜的中心波長(zhǎng)為 801nm，半高全寬為34nm，輸出功率為238mW。
(2)交叉鎖模 用頻率計(jì)數(shù)器測(cè)量皮秒激光器輸出脈沖的重復(fù)頻率，結(jié)果為78696116Hz。利用精 密導(dǎo)軌調(diào)節(jié)飛秒激光腔腔長(zhǎng)，使飛秒激光器與皮秒激光器輸出脈沖的重復(fù)頻率一致。利用 精密導(dǎo)軌沿軸向移動(dòng)聚焦透鏡L、反射腔鏡M4和輸出耦合鏡M7，同時(shí)，保持飛秒激光器輸出 脈沖的重復(fù)頻率不變，直至飛秒激光器與皮秒激光器輸出脈沖的光譜發(fā)生變化。打開(kāi)壓電 傳感器P3和P4，調(diào)節(jié)電壓，微調(diào)反射腔鏡M4和輸出耦合鏡M7的前后位置，使皮秒激光器輸 出脈沖的光譜展寬最大。再次測(cè)量皮秒脈沖的自相關(guān)和光譜，如圖8及圖9所示。脈沖二 階自相關(guān)曲線的半高全寬為1. 26ps，脈沖光譜的中心波長(zhǎng)為781. 3nm，半高全寬為1. 24nm，輸出功率為319mW。同時(shí)，再次測(cè)量飛秒脈沖的自相關(guān)和光譜，如圖IO及圖ll所示。脈沖 二階自相關(guān)曲線的半高全寬為53fs，脈沖光譜的中心波長(zhǎng)為800nm，半高全寬為33nm，輸出 功率為212mW。圖8、圖9、圖10和圖11表明，兩個(gè)激光腔內(nèi)脈沖的時(shí)域和頻域特性都發(fā)生 改變。測(cè)量皮秒脈沖和飛秒脈沖的交叉相關(guān)，同時(shí)，測(cè)量皮秒脈沖和飛秒脈沖的總光譜，如 圖12、圖13所示。沿垂直于光傳播的方向移動(dòng)狹縫Sl和S2，同時(shí)，控制狹縫Sl和S2的縫 寬，能夠?qū)崿F(xiàn)激光脈沖的波長(zhǎng)調(diào)諧。當(dāng)皮秒脈沖和飛秒脈沖的耦合區(qū)域在激光晶體的表面 下0. 18mm時(shí)，同步輸出的皮秒脈沖和飛秒脈沖的調(diào)諧范圍達(dá)到最大，分別為38nm和46nm。
比較圖4、圖5、圖8和圖9，圖6、圖7、圖10和圖11，可以發(fā)現(xiàn)交叉鎖模工作模式 下脈沖特性發(fā)生了顯著變化。飛秒和皮秒腔內(nèi)脈沖的頻譜和時(shí)間寬度發(fā)生了變化。飛秒腔 內(nèi)飛秒脈沖的時(shí)間寬度略微變大，光譜寬度略微變小，而皮秒腔內(nèi)皮秒脈沖的時(shí)間寬度明 顯減小，光譜寬度顯著增加。飛秒和皮秒脈沖特性的變化起因于群速?gòu)浬?，自相位調(diào)制，交 叉相位調(diào)制和增益競(jìng)爭(zhēng)的綜合作用。交叉鎖模發(fā)生時(shí)，激光腔內(nèi)總的相位調(diào)制由自相位調(diào) 制和交叉相位調(diào)制兩部分組成。飛秒腔內(nèi)的交叉相位調(diào)制遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于自相位調(diào)制，因此交叉 相位調(diào)制導(dǎo)致的交叉鎖模對(duì)飛秒腔內(nèi)脈沖時(shí)域和頻域特性的影響較小。然而，皮秒腔內(nèi)的 交叉相位調(diào)制遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于自相位調(diào)制，因此交叉相位調(diào)制導(dǎo)致的交叉鎖模對(duì)皮秒腔內(nèi)脈沖時(shí) 域和頻域特性的影響就非常顯著。
(3)時(shí)間抖動(dòng) 時(shí)間抖動(dòng)是衡量雙波長(zhǎng)超短脈沖激光器質(zhì)量的重要指標(biāo)，當(dāng)雙脈沖分別作為泵浦 和探測(cè)光時(shí)，時(shí)間抖動(dòng)在很大程度上決定了泵浦_探測(cè)裝置的時(shí)間分辨率。我們通過(guò)測(cè)量 飛秒和皮秒脈沖的交叉相關(guān)曲線來(lái)計(jì)算飛秒和皮秒脈沖之間的時(shí)間抖動(dòng)。利用非線性光學(xué) 晶體BBO測(cè)量?jī)闪忻}沖的和頻信號(hào)，得到交叉相關(guān)曲線，然后與兩列脈沖各自的自相關(guān)曲 線進(jìn)行對(duì)比，從而計(jì)算出結(jié)果。圖12給出了兩列交叉鎖模脈沖的強(qiáng)度交叉相關(guān)曲線，圖13 為飛秒和皮秒脈沖的總光譜。 對(duì)時(shí)域內(nèi)為高斯強(qiáng)度分布的激光脈沖，時(shí)間抖動(dòng)可表示為fy-[—-(^+ "22)〗1/2 (3) 其中t是交叉相關(guān)曲線的半高全寬，、是一個(gè)脈沖的半高全寬，^是另一個(gè)脈 沖的半高全寬。假設(shè)實(shí)驗(yàn)中測(cè)量的脈沖為高斯脈沖，根據(jù)圖8、圖9、圖IO和圖ll，交叉相關(guān) 曲線的半高全寬t = 1.031ps，飛秒脈沖半高全寬、=53X0. 707 = 37. 5fs，皮秒脈沖 半高全寬t 2 = 1. 26X0. 707 = 0. 891ps。計(jì)算得到時(shí)間抖動(dòng)為t = 517fs。
1權(quán)利要求
一種雙腔共振裝置，其特征在于，包括依次置于同一精密導(dǎo)軌上的聚焦透鏡(2)、球面反射腔鏡a(3)、鈦寶石激光晶體(4)和球面反射腔鏡b(5)，聚焦透鏡(2)的入射光側(cè)設(shè)置有分束鏡(1)，球面反射腔鏡b(5)的反射光側(cè)設(shè)置有輸出耦合鏡a(6)和輸出耦合鏡b(8)，輸出耦合鏡b(8)上設(shè)置有壓電傳感器a(7)，球面反射腔鏡a(3)的反射光側(cè)設(shè)置有兩條反射光路，一路為依次設(shè)置的平面反射腔鏡b(12)、聲光調(diào)制器(11)、狹縫a(10)、平面反射腔鏡a(9)，另一路為依次設(shè)置的石英棱鏡a(13)、石英棱鏡b(14)、狹縫b(15)、平面反射腔鏡c(16)，平面反射腔鏡c(16)上設(shè)置有壓電傳感器b(17)，球面反射腔鏡a(3)、球面反射腔鏡b(5)、石英棱鏡a(13)、石英棱鏡b(14)、平面反射腔鏡c(16)和輸出耦合鏡b(8)構(gòu)成飛秒激光腔，球面反射腔鏡a(3)、球面反射腔鏡b(5)、平面反射腔鏡b(12)、平面反射腔鏡a(9)和輸出耦合鏡a(6)構(gòu)成皮秒激光腔。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的雙腔共振裝置，其特征在于，所述的分束鏡(1)的上表面一半 鍍有金屬膜，對(duì)450-540nm的光半反射；上表面另一半鍍有金屬膜，對(duì)450-540nm的光全部 透射；下表面鍍有金屬膜，對(duì)450-540nm的光全部反射。
3. —種利用權(quán)利要求1所述的雙腔共振裝置產(chǎn)生自同步飛秒脈沖和皮秒脈沖的方法， 其特征在于，采用一種雙腔共振裝置，包括依次置于同一精密導(dǎo)軌上的聚焦透鏡(2)、球面 反射腔鏡a(3)、鈦寶石激光晶體(4)和球面反射腔鏡b(5)，聚焦透鏡(2)的入射光側(cè)設(shè)置 有分束鏡(1)，球面反射腔鏡b(5)的反射光側(cè)設(shè)置有輸出耦合鏡a(6)和輸出耦合鏡b(8)， 輸出耦合鏡b(8)上設(shè)置有壓電傳感器a(7)，球面反射腔鏡a(3)的反射光側(cè)設(shè)置有兩條反 射光路， 一路為依次設(shè)置的平面反射腔鏡b (12)、聲光調(diào)制器(11)、狹縫a(10)、平面反射腔 鏡a(9)，另一路為依次設(shè)置的石英棱鏡a(13)、石英棱鏡b (14)、狹縫b (15)、平面反射腔鏡 c (16)，平面反射腔鏡c (16)上設(shè)置有壓電傳感器b (17)，球面反射腔鏡a (3)、球面反射腔鏡 b(5)、石英棱鏡a(13)、石英棱鏡b(14)、平面反射腔鏡c(16)和輸出耦合鏡b(8)構(gòu)成飛秒 激光腔，球面反射腔鏡a(3)、球面反射腔鏡b(5)、平面反射腔鏡b(12)、平面反射腔鏡a(9) 和輸出耦合鏡a(6)構(gòu)成皮秒激光腔，具體按照以下步驟實(shí)施步驟1 :打開(kāi)氬離子激光器，將激光功率調(diào)至2-3W，入射的泵浦光束通過(guò)分束鏡(1)分 為平行的兩束光；步驟2 :設(shè)置聚焦透鏡(2)和鈦寶石激光晶體(4)表面之間的距離為99-99. 5mm，球面 反射腔鏡a(3)和球面反射腔鏡b(5)的間距為99. 8-100. 3mm，球面反射腔鏡a (3)的軸線和 球面反射腔鏡b(5)的軸線之間的夾角為16。 -26° ，調(diào)整鈦寶石激光晶體(4)表面的法線 方向，使步驟1得到的兩束平行光以布儒斯特角入射；步驟3 :用兩個(gè)光闌確定氬離子激光器的泵浦光線，關(guān)閉氬離子激光器，用一個(gè)He-Ne 激光器作準(zhǔn)直光源，使其發(fā)出的光線與步驟1中氬離子激光器發(fā)出的泵浦光束重合；步驟4 :拿掉He-Ne激光器，打開(kāi)氬離子激光器，功率調(diào)至7_8W，在平面反射腔鏡 b(12)、平面反射腔鏡c(16)及輸出耦合鏡a(6)、輸出耦合鏡b(8)表面上得到暗紅色熒光；步驟5 :調(diào)節(jié)平面反射腔鏡b(12)的位置及軸線方向，使步驟4得到的暗紅色熒光射在 平面反射腔鏡a(9)的表面上，然后調(diào)節(jié)平面反射腔鏡a(9)的位置及軸線方向，使暗紅色熒 光沿著原光路返回；調(diào)節(jié)輸出耦合鏡a(6)的位置及軸線方向，使暗紅色熒光沿著原光路返 回；進(jìn)一步交替調(diào)節(jié)平面反射腔鏡a(9)和輸出耦合鏡a(6)的軸線方向，使暗紅色熒光在平面反射腔鏡a(9)和輸出耦合鏡a(6)上都沿著原光路返回，在皮秒激光腔內(nèi)產(chǎn)生連續(xù)激光 的輸出；繼續(xù)調(diào)節(jié)平面反射腔鏡a(9)和輸出耦合鏡a(6)的軸線方向，同時(shí)調(diào)節(jié)聚焦透鏡 (2)、鈦寶石激光晶體(4)、球面反射腔鏡a(3)、球面反射腔鏡b(5)的位置和方向，使皮秒激 光腔輸出功率最大；調(diào)節(jié)石英棱鏡a(13)、石英棱鏡b (14)的位置及頂角方向，使步驟4得 到的暗紅色熒光射在平面反射腔鏡c(16)的表面上，然后調(diào)節(jié)平面反射腔鏡c(16)的位置 及軸線方向，使暗紅色熒光沿著原光路返回；調(diào)節(jié)輸出耦合鏡b(8)的位置及軸線方向，使 暗紅色的熒光沿著原光路返回；進(jìn)一步交替調(diào)節(jié)平面反射腔鏡c(16)和輸出耦合鏡b(8)的 軸線方向，使暗紅色熒光在平面反射腔鏡c(16)和輸出耦合鏡b(8)上都沿著原光路返回， 在飛秒激光腔內(nèi)產(chǎn)生連續(xù)激光的輸出，繼續(xù)調(diào)節(jié)平面反射腔鏡c(16)和輸出耦合鏡b(8)的軸線方向，使飛秒激光腔輸出功率最大；步驟6 :關(guān)閉氬離子激光器，將激光功率調(diào)為9-10W，打開(kāi)聲光調(diào)制器(ll)，將聲光調(diào)制 器(11)的調(diào)制頻率調(diào)到78-80MHz，調(diào)節(jié)皮秒激光腔腔長(zhǎng)，達(dá)到鎖模，關(guān)閉聲光調(diào)制器(11)， 皮秒激光腔維持在自鎖模狀態(tài)；振動(dòng)石英棱鏡b (14)使得飛秒激光腔達(dá)到自鎖模；步驟7 :用頻率計(jì)數(shù)器測(cè)量皮秒激光腔輸出脈沖的重復(fù)頻率以及飛秒激光腔輸出脈 沖的重復(fù)頻率，調(diào)節(jié)飛秒激光腔腔長(zhǎng)，使飛秒激光腔與皮秒激光腔輸出脈沖的重復(fù)頻率一 致；步驟8 :沿軸向移動(dòng)聚焦透鏡(2)、平面反射腔鏡c(16)和輸出耦合鏡b(8)，同時(shí)，保持 飛秒激光腔輸出脈沖的重復(fù)頻率不變，直至飛秒激光腔與皮秒激光腔輸出脈沖的光譜發(fā)生 變化；步驟9:打開(kāi)壓電傳感器a(7)和壓電傳感器b(17)，調(diào)節(jié)電壓，微調(diào)平面反射腔鏡 c(16)和輸出耦合鏡b(8)的前后位置，使皮秒激光腔輸出脈沖的光譜展寬最大；步驟IO :沿垂直于光傳播的方向移動(dòng)狹縫a(10)和狹縫b(15)，調(diào)節(jié)狹縫a(10)和狹縫 b(15)的縫寬，使得皮秒脈沖和飛秒脈沖的波長(zhǎng)調(diào)諧；步驟ll :沿軸向移動(dòng)聚焦透鏡(2)、反射腔鏡c(16)和輸出耦合鏡b(8)，使得皮秒激光 腔和飛秒激光腔的腔長(zhǎng)精確匹配，達(dá)到皮秒脈沖和飛秒脈沖的波長(zhǎng)調(diào)諧范圍一致并同步輸 出。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的利用雙腔共振裝置產(chǎn)生自同步飛秒脈沖和皮秒脈沖的方法， 其特征在于，所述的分束鏡(1)的上表面一半鍍有金屬膜，對(duì)450-540nm的光半反射；上表 面另一半鍍有金屬膜，對(duì)450-540nm的光全部透射；下表面鍍有金屬膜，對(duì)450-540nm的光 全部反射。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)的一種雙腔共振裝置，包括聚焦透鏡、球面反射腔鏡a、鈦寶石激光晶體和球面反射腔鏡b，聚焦透鏡的入射光側(cè)設(shè)置有分束鏡，球面反射腔鏡b的反射光側(cè)設(shè)置有輸出耦合鏡a和輸出耦合鏡b，輸出耦合鏡b上設(shè)置有壓電傳感器a，球面反射腔鏡a的反射光側(cè)設(shè)置有兩條反射光路，一路為依次設(shè)置的平面反射腔鏡b、聲光調(diào)制器、狹縫a、平面反射腔鏡a，另一路為依次設(shè)置的石英棱鏡a、石英棱鏡b、狹縫b、平面反射腔鏡c，平面反射腔鏡c上設(shè)置有壓電傳感器b。利用不同的色散補(bǔ)償及精確的腔長(zhǎng)匹配，可產(chǎn)生自同步輸出的飛秒和皮秒脈沖。本發(fā)明裝置及方法，自同步輸出的飛秒和皮秒脈沖非常適合于選擇性泵浦-探測(cè)實(shí)驗(yàn)的研究與應(yīng)用。
文檔編號(hào)H01S3/0943GK101752778SQ200910254489
公開(kāi)日2010年6月23日 申請(qǐng)日期2009年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月24日
發(fā)明者張崇輝, 朱長(zhǎng)軍, 翟學(xué)軍, 高賓 申請(qǐng)人:西安工程大學(xué)