專利名稱：飛秒?yún)⒘考す庾詣友訒r補償方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學(xué)技術(shù)，特別是涉及產(chǎn)生飛秒?yún)⒘考す庾詣友訒r補償?shù)姆椒ê脱b置。
利用非線性光學(xué)晶體的參量效應(yīng)，開發(fā)的高效寬調(diào)諧飛秒激光器件，在被用來研究超快弛豫過程和共振選擇激發(fā)以及一系列新學(xué)科，如超快非線性光學(xué)、X激光的產(chǎn)生、激光等離子體技術(shù)的改進(jìn)、光孤子通訊以及飛秒物理學(xué)、飛秒化學(xué)和飛秒光電子學(xué)等方面有重大的應(yīng)用前景，因此成為當(dāng)今國際激光界關(guān)注的熱門課題。
飛秒光參量激光器實用化的一個問題是參量過程中泵光脈沖與參量光脈沖的同步補償問題。例如

圖1所示美國COHERENT公司的產(chǎn)品OPA-9400超快飛秒光參量放大器，該儀器采用800nm飛秒激光作為泵光(1)，它被分束鏡(4)分為兩部分，其中一束經(jīng)過非線性光學(xué)晶體BBO(20)倍頻，形成400nm泵光后入射到非線性光學(xué)晶體BBO(6)上；另一束泵光則通過SAPPHIRE(19)后成為白光(48)在經(jīng)延時調(diào)整臺(25)調(diào)整后同步入射到非線性光學(xué)晶體BBO(6)上，白光(48)作為種子光被泵光放大，產(chǎn)生參量光(46)。產(chǎn)生的參量光(46)通過雙色鏡(7)后被參量光全反鏡(17)反射再回到非線性光學(xué)晶體BBO(6)上，而剩余泵光(47)則被雙色鏡(7)反射到延時調(diào)整臺(24)上的泵光全反鏡(9)上，再被反射回非線性光學(xué)晶體BBO(6)上，為了使剩余泵光脈沖(47)與被反射回的信頻或閑頻光脈沖(46)同步，該產(chǎn)品采用了延時調(diào)整臺(24)。這種參量放大器實現(xiàn)了飛秒?yún)⒘考す獾膶捳{(diào)諧輸出，但其存在一嚴(yán)重不足由于光路中非線性光學(xué)晶體和光學(xué)元件的色散，導(dǎo)致在再生放大過程中返回到非線性光學(xué)晶體(6)的剩余泵光脈沖(47)和參量光脈沖(46)在時間上不重合。為了使二者重合一致，該產(chǎn)品采用的是手動延時機構(gòu)，手動延時機構(gòu)是由可來回移動的延時調(diào)整臺(24)和泵光全反鏡(9)組成，在參量調(diào)諧過程中，延時調(diào)整臺(24)需隨著參量光波長的變化而不斷進(jìn)行手動調(diào)整，整個過程極為費時繁瑣。
本發(fā)明的目的在于克服上述已有技術(shù)的缺點和不足，為了使再生放大過程中剩余泵光脈沖和被反射回的閑頻或信頻光脈沖在參量調(diào)諧過程中能重合，實現(xiàn)自動調(diào)諧，提高飛秒激光器的易操作性，從而提供一種高精度飛秒?yún)⒘考す庾詣友訒r補償方法及裝置，通過控制剩余泵光對光學(xué)平晶的入射角的大小來達(dá)到上述目的。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的本發(fā)明所提供的自動延時補償裝置包括圓盤(10)、鋼絲(21)、從動輪(11)、一個或多個凸輪(12)、一個或多個擺桿(13)、一塊或多塊光學(xué)平晶(8)、非線性光學(xué)晶體(6)。非線性光學(xué)晶體(6)放在圓盤(10)上，圓盤(10)與從動輪(11)通過鋼絲(21)聯(lián)動，凸輪(12)和從動輪(11)套在傳動軸(26)上，擺桿(13)一端緊靠在凸輪(12)上，另一端與放在剩余泵光光路上的光學(xué)平晶(8)相聯(lián)。
本發(fā)明的飛秒激光自動延時補償方法是將本發(fā)明所提供的自動延時補償裝置插入上述已知的飛秒?yún)⒘考す馄鞴饴分?，即在剩余泵光的光路中插入本裝置中的光學(xué)平晶，最好是以布儒斯特角放置，泵光以布儒斯特角入射到平晶上以減少損耗。光學(xué)平晶的轉(zhuǎn)動由擺桿牽動，在波長調(diào)諧過程中，只要非線性光學(xué)晶體轉(zhuǎn)動，它的轉(zhuǎn)角變化通過圓盤、鋼絲、從動輪和傳動軸帶動凸輪轉(zhuǎn)動，與凸輪相連的擺桿也隨之聯(lián)動并帶動與擺桿相連的光學(xué)平晶轉(zhuǎn)動，這樣剩余泵光通過光學(xué)平晶的光程也相應(yīng)地變化。調(diào)整本發(fā)明的機械傳動機構(gòu)的參數(shù)以調(diào)整非線性光學(xué)晶體和光學(xué)平晶間的傳動關(guān)系，就可以達(dá)到使剩余泵光與參量光達(dá)到同步的目的。另外傳動軸上可以套上多個凸輪，每個凸輪連著一根擺桿，擺桿另一端又連著一塊光學(xué)平晶，這樣可以同時補償多個光程。
由于通過光學(xué)平晶的泵光為偏振光，所以本發(fā)明將光學(xué)平晶與泵光成布儒斯特角放置，以消除菲涅耳損耗。在延時調(diào)整過程中，由于所要補償?shù)墓獬塘康母淖兞糠浅Ｐ。鈱W(xué)平晶只需做微小的轉(zhuǎn)動便可達(dá)到目的，此時它所引起的菲涅耳損耗仍然很小。
本發(fā)明的泵光包括連續(xù)激光和脈沖激光。非線性光學(xué)晶體包括鈮酸鋰LiNbO3，偏硼酸鋇BBO，三硼酸鋰LBO，磷酸二氫鉀KTP，摻氧化鎂鈮酸鋰MgO∶LiNbO3，碘酸鋰LiIO3。本發(fā)明的優(yōu)越性本發(fā)明提供的一種高精度飛秒?yún)⒘考す庾詣友訒r補償方法和裝置，使得以前在操作過程中需手動完成的調(diào)整工作可自動完成。這樣既方便了使用，又能與計算機自控技術(shù)相結(jié)合，完成人機對話功能，自動輸出所需參量激光，進(jìn)一步達(dá)到飛秒?yún)⒘考す馄鞯膶嶋H應(yīng)用。下面結(jié)合附圖及具體實施方案對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明圖1是COHERENT公司OPA-9400型秒光參量激光器的光路2是一種帶有自動延時補償裝置的高精度飛秒?yún)⒘考す馄鲗嵤┓桨?是本發(fā)明自動延時補償裝置組成示意圖。圖4是另一種帶有自動延時補償裝置的參量激光器實施方案面說明如下(1)輸入泵光光束；(2)(3)泵光；(4)分束鏡；(5)(7)(30)雙色鏡(反泵光，透參量光)；(6)非線性光學(xué)晶體；(8)(16)光學(xué)平晶；(9)(18)(27)(28)(29)(33)(49)泵光全反鏡；(10)圓盤；(11)(22)從動輪；(12)(14)凸輪；(13)(15)擺桿；(17)參量光全反鏡；(19)SAPPHIRE；(20)非線性光學(xué)晶體(倍頻用)；
(21)鋼絲；(23)(42)(50)(51)寬帶全反鏡；(24)(25)延時調(diào)整臺；(26)傳動軸；(31)非線性光學(xué)晶本(放大用)；(32)彈簧；(34)(35)雙色鏡(反參量光，透泵光)；(36)(40)(41)(43)(44)(45)透鏡；(46)參量光；(47)剩余泵光；(48)白光；實施例一按圖3做一飛秒?yún)⒘考す庾詣友訒r補償裝置，并把它放置在按圖2制作的飛秒?yún)⒘考す馄鞴饴分?，所放位置以本裝置中光學(xué)平晶(8)以布儒斯特角放置在剩余泵光(47)來回的路徑中為準(zhǔn)。本例中的自動延時補償裝置的機械傳動機構(gòu)是由圓盤(10)、一根鋼絲(21)、一個從動輪(11)、傳動軸(26)、一個凸輪(12)、一根擺桿(13)組成。
其中一根鋼絲(21)套在圓盤(10)和從動輪(11)上，在從動輪(11)中心穿過一根傳動軸(26)，傳動軸(26)上固定一凸輪(12)，凸輪(12)擺桿(13)一端相接，而擺桿另一端則安置一塊石英平晶(8)。圓盤(10)上固定有非線性光學(xué)晶體(6)，圓盤(10)的轉(zhuǎn)動可由計算機控制。泵光(2)激發(fā)非線性光學(xué)晶體偏硼酸鋇BBO(6)，產(chǎn)生參量光(46)，參量光(46)通過雙色鏡(7)照射到參量光全反鏡(17)后被反射回非線性光學(xué)晶體偏硼酸鋇BBO(6)上。透過非線性光學(xué)晶體(6)的剩余泵光(47)則被雙色鏡(7)反射，通過石英平晶(8)后到泵光全反鏡(9)按原路反射回非線性光學(xué)晶體偏硼酸鋇BBO(6)上，對參量光進(jìn)行再生放大。為使泵光脈沖(47)與參量光脈沖(46)重合，轉(zhuǎn)動石英平晶(8)來進(jìn)行調(diào)節(jié)。具體來說，就是在調(diào)諧過程中，當(dāng)圓盤(10)帶動非線性光學(xué)晶體偏硼酸鋇BBO(6)轉(zhuǎn)動的同時，通過機械聯(lián)動機構(gòu)(鋼絲(21)、從動輪(11)、傳動軸(26))帶動凸輪(12)、擺桿(13)運動，使石英平晶(8)也作出相應(yīng)轉(zhuǎn)動。
為了對參量光(46)進(jìn)行放大，另一束泵光(3)通過泵光全反鏡((18)，(27)，(28)，(29))及雙色鏡(30)后，照射到非線性光學(xué)晶體(31)上，因而在剩余泵光(47)被延時補償?shù)耐瑫r泵光(3)也應(yīng)隨之被補償，使參量輸出保持同步。于是在圖2中在泵光(3)通過的路徑上又插入一組延時機構(gòu)。這樣在參量放大過程中，達(dá)到了補償同步的目的。
未采用本發(fā)明前的泵光脈沖同參量光脈沖的同步精度為±200飛秒，采用本發(fā)明所提供的飛秒?yún)⒘考す庾詣友訒r補償技術(shù)后，同步延時精度可達(dá)±5飛秒。實施例二按圖3做成有兩個從動輪、兩個擺桿、凸輪和兩塊光學(xué)平晶的自動延時補償裝置，并把它放置在按圖2制作的飛秒?yún)⒘考す馄鞴饴分?。本發(fā)明選用的光學(xué)平晶(8)為石英平晶，并以布儒斯特角放置在圖2的參量激光器的剩余泵光(47)來回的路徑中。本發(fā)明的自動延時補償裝置的機械傳動機構(gòu)是由圓盤(10)、聯(lián)動機構(gòu)(鋼絲(21)、從動輪(11)(22)、傳動軸(26)、凸輪(12)(14)、擺桿(13)(15)組成。
其中一根鋼絲(21)套在圓盤(10)和兩個從動輪(11)(22)上，在從動輪(11)中心穿過一根傳動軸(26)，傳動軸(26)上固定凸輪(12)(14)，兩個凸輪上各連有一擺桿(13)(15)，在兩擺桿上各安置一塊石英平晶(8)(16)。圓盤(10)上固定有非線性光學(xué)晶體(6)，圓盤(10)的轉(zhuǎn)動可由計算機控制。在圖2中，泵光(1)被分束鏡(4)分為兩部分泵光(2)和泵光(3)。泵光(2)激發(fā)非線性光學(xué)晶體偏硼酸鋇BBO(6)，產(chǎn)生參量光(46)，參量光(46)通過雙色鏡(7)照射到參量光全反鏡(17)后被反射回非線性光學(xué)晶體偏硼酸鋇BBO(6)上。透過非線性光學(xué)晶體(6)的剩余泵光(47)則被雙色鏡(7)反射，通過石英平晶(8)后到泵光全反鏡(9)按原路反射回非線性光學(xué)晶體偏硼酸鋇BBO(6)上，對參量光進(jìn)行再生放大。為使泵光脈沖(47)與參量光脈沖(46)重合，轉(zhuǎn)動石英平晶(8)來進(jìn)行調(diào)節(jié)。具體來說，就是在調(diào)諧過程中，當(dāng)圓盤(10)帶動非線性光學(xué)晶體偏硼酸鋇BBO(6)轉(zhuǎn)動的同時，通過機械聯(lián)動機構(gòu)(鋼絲(21)、從動輪(11)(22)、傳動軸(26))帶動凸輪(12)、擺桿(13)運動，使石英平晶(8)也作出相應(yīng)轉(zhuǎn)動。
在圖2所示的裝置中，為了對參量光(46)進(jìn)行放大，另一束泵光(3)通過泵光全反鏡((28)，(27)，(18)，(29))及雙色鏡(30)后，照射到非線性光學(xué)晶體(31)上，因而在剩余泵光(47)被延時補償?shù)耐瑫r泵光(3)也應(yīng)隨之被補償，使二者保持同步。于是在圖2中在泵光(3)通過的路徑上又插入一組延時機構(gòu)(由石英平晶(16)，擺桿(15)，凸輪(14)構(gòu)成)。這樣在參量放大過程中，達(dá)到了補償同步的目的。
未采用本發(fā)明前的泵光脈沖同參量光脈沖的同步精度為±200飛秒。采用本發(fā)明所提供的飛秒?yún)⒘考す庾詣友訒r補償技術(shù)后，同步延時精度可達(dá)±5飛秒。實施例三按圖4構(gòu)置一臺同步泵浦飛秒光參量激光器。非線性晶體(6)采用角度調(diào)諧的三硼酸鋰晶體LBO，或偏硼酸鋇晶體BBO，或磷酸二氫鉀晶體KTP。雙色鏡(34)(35)為共焦結(jié)構(gòu)，透泵光(1)，反射參量光(46)。泵光(1)可采用CW鎖模飛秒鈦寶石激光的基頻(約800nm)或二次諧波(約400nm)。寬帶全反鏡(50)(51)和雙色鏡(34)(35)組成環(huán)形腔或駐波腔，其光程與泵光脈沖周期同步。調(diào)諧過程中非線性晶體(6)引起的色散效應(yīng)將使此同步條件失配，因此在腔光路中加入一延時補償裝置，其裝置放置位置13，光學(xué)平晶放在腔光路上為準(zhǔn)，進(jìn)行調(diào)諧，實現(xiàn)補償同步，可達(dá)到±5飛秒精度。
權(quán)利要求
1.一種飛秒?yún)⒘考す庾詣友訒r補償裝置，其特征在于包括圓盤(10)、鋼絲(21)、從動輪(11)、一個或多個凸輪(12)、一個或多個擺桿(13)、一塊或多塊光學(xué)平晶(8)、非線性光學(xué)晶體(6)，非線性光學(xué)晶體(6)放在圓盤(10)上，圓盤(10)與從動輪(11)通過鋼絲(21)聯(lián)動，凸輪(12)和從動輪(11)套在傳動軸(26)上，擺桿(13)一端緊靠在凸輪(12)上，另一端與放在剩余泵光光路上的光學(xué)平晶(8)相聯(lián)。
2.一種應(yīng)用權(quán)利要求1的裝置進(jìn)行飛秒?yún)⒘考す庾詣友訒r補償方法。在參量激發(fā)過程中，泵光(2)通過非線性光學(xué)晶體(6)產(chǎn)生參量光，其特征在于在剩余泵光(47)通過的光路上，放置一權(quán)利要求1所述的裝置，其光學(xué)平晶(8)以布儒斯特角放置，通過調(diào)節(jié)在本裝置中的非線性光學(xué)晶體(6)的轉(zhuǎn)動，參量光波長發(fā)生變化，放置在剩余泵光(47)來回路徑上的光學(xué)平晶(8)隨之同步轉(zhuǎn)動，以補償光程的變化。
3.按權(quán)利要求1所述飛秒?yún)⒘考す庾詣友訒r補償裝置，其特征在于所用光學(xué)平晶的材料為石英、冕玻璃、火石玻璃、氟化鋰、硅、氟化鈣、寶石、三硫化二砷玻璃等，光學(xué)平晶為一個或多個。
4.按權(quán)利要求1所述飛秒?yún)⒘考す庾詣友訒r補償裝置，其特征在于所述的泵光，包括連續(xù)激光和脈沖激光。
5.按權(quán)利要求1所述飛秒?yún)⒘考す庾詣友訒r補償裝置，其特征在于所用非線性光學(xué)晶體是磷酸二氫鉀KTP、鈮酸鋰LiNbO3，偏硼酸鋇BBO，三硼酸鋰LBO，三硼酸銫CsBO，、摻氧化鎂鈮酸鋰MgO2∶LiNbO3，碘酸鋰LiIO3。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種光學(xué)技術(shù),特別是涉及飛秒?yún)⒘考す庾詣友訒r補償方法及裝置。本發(fā)明的目的在于補償由光路中非線性光學(xué)晶體及光學(xué)元件的色散導(dǎo)致的泵光脈沖和參量光脈沖的不同步,即提供一種由擺桿、凸輪、機械傳動機構(gòu)、光學(xué)平晶構(gòu)成的自動延時補償裝置,在調(diào)諧過程中,隨著非線性光學(xué)晶體的轉(zhuǎn)動,光路中光學(xué)平晶也隨之同步轉(zhuǎn)動,使通過它的泵光光束的光程發(fā)生改變,這樣便達(dá)到了精密補償?shù)哪康?。本發(fā)明對光程的補嘗精度可達(dá)±5飛秒。
文檔編號H01S3/108GK1193210SQ9710063
公開日1998年9月16日 申請日期1997年3月11日 優(yōu)先權(quán)日1997年3月11日
發(fā)明者許祖彥, 朱湘安, 徐瑤, 孔羽飛, 何京良, 張恒利, 張黎, 陶世平, 徐秀俐, 侯煒 申請人:中國科學(xué)院物理研究所