一種中紅外啁啾脈沖放大裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種中紅外啁啾脈沖放大裝置，該裝置包括飛秒激光器，同步窄帶皮秒激光器，分束鏡，近紅外脈沖展寬器，非線性頻率轉(zhuǎn)換器，光參量啁啾脈沖放大器以及中紅外脈沖壓縮器，其中，以棱柵對和光柵對相配合作為脈沖展寬器和脈沖壓縮器，在避免使用中紅外脈沖展寬器的同時，消除了均以光柵對作為脈沖展寬和脈沖壓縮器時，壓縮脈沖中殘留的三階色散，特別適用于產(chǎn)生百飛秒以下的中紅外超短超強脈沖激光。
【專利說明】—種中紅外啁啾脈沖放大裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及激光【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及的是一種中紅外啁啾脈沖放大裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]超短超強激光在近十幾年里的快速發(fā)展，為人們探索微觀超快現(xiàn)象及研究強場物理提供了前所未有的實驗手段和發(fā)展機遇。中紅外波段介于近紅外波段與太赫茲(THz )波段之間，是非常重要的電磁輻射波段。典型的中紅外波長為3-5 μπι。超短超強的中紅外飛秒激光在生物組織燒蝕、大氣探測、高次諧波產(chǎn)生等前沿科學研究方面有著獨特的重要應(yīng)用；在光電對抗、先進防御等國家安全領(lǐng)域更是具有重大的應(yīng)用潛力。
[0003]啁啾脈沖放大(Chirped Pulse Amplificat1n,簡稱CPA)技術(shù)是目前產(chǎn)生高能量的超短超強飛秒(10_15秒，fs)脈沖激光最主要的技術(shù)方案。首先，由飛秒激光振蕩器提供低能量的超短脈沖種子源。通過Martinez型的光柵展寬器將超短脈沖展寬為100 ps?3ns的啁啾脈沖。然后，由單級或者多級激光放大器對啁啾脈沖的能量進行放大。最后，再利用Treacy型的光柵壓縮器，將放大后的啁啾脈沖重新壓縮回飛秒級的超短脈沖，最終實現(xiàn)超短超強脈沖激光的輸出。但是，現(xiàn)有的高功率飛秒激光器仍主要集中在近紅外波段，比如已經(jīng)商品化的800 nm鈦寶石飛秒激光器。由于中紅外能級型增益介質(zhì)的嚴重匱乏，這項技術(shù)很難直接應(yīng)用在大于3 μπι的中紅外波段。另一方面，光參量啁啾脈沖放大(OpticalParametric Chirped Pulse Amplificat1n,簡稱OPCPA)技術(shù)的出現(xiàn)正好可以突破增益介質(zhì)匱乏的限制，與常規(guī)的CPA不同，OPCPA以非線性晶體替代傳統(tǒng)激光放大器中的增益介質(zhì)，理論上，這項技術(shù)能夠用于大幅度提升任意波長超短激光脈沖的能量。
[0004]將OPCPA技術(shù)應(yīng)用于中紅外波段，仍面臨幾個重要的技術(shù)難題。其中之一就是如何保證脈沖展寬和壓縮過程中色散的精確補償。傳統(tǒng)的超短超強啁啾脈沖放大系統(tǒng)，一般都會以光柵對作為其脈沖展寬器以及壓縮器。但是，由于缺乏對中紅外光源的有效探測手段，要完成中紅外光柵展寬器以及壓縮器的精確調(diào)整是件非常困難的事情，特別是脈沖展寬器。這是因為相比于放大后的脈沖激光，中紅外種子源的能量要低得多，更增添了光路調(diào)整的難度。因此，受制于現(xiàn)有的技術(shù)條件，為了避開中紅外展寬器，人們主要還是以展寬后的近紅外啁啾脈沖作為信號光，利用0PCPA，對信號光進行放大。在這個過程中，除了放大的近紅外信號光，還能得到中紅外波段的閑頻光，更為重要的是，這時候的閑頻光“天然地”帶有跟信號光相反的時間啁啾，而且，與信號光一起得到了放大。最后，再用傳統(tǒng)的光柵壓縮器對其進行壓縮，得到超短超強的中紅外激光。
[0005]然而，上述技術(shù)方案存在著不可忽視的問題。在這個方案中，光柵展寬器與壓縮器需要工作在不用的激光波長?？墒?，針對不同波長的光柵展寬/壓縮器，它們所能提供的二階色散量與三階色散量的比值是不一樣的，波長間的差異越大，這個比值的差別也就越大，因此，如果讓光柵展寬器和壓縮器分別工作在近紅外和中紅外波段，由于近紅外與中紅外波長的高度非簡并，通過調(diào)整光柵壓縮器的光柵間距，將展寬器提供的二階色散完全補償后，還將留下難以消除的三階色散，殘留的三階色散會影響激光脈沖壓縮后所能達到的寬度，無法得到近傅里葉變換極限的脈沖激光，嚴重的還會使壓縮后的脈沖激光發(fā)生畸變。因此，這種由近紅外光柵展寬器與中紅外光柵壓縮器組成的展寬壓縮系統(tǒng)還只是應(yīng)用于較小峰值功率的高功率激光系統(tǒng)中。需要說明的是，為了獲得更高的峰值功率，不可避免的需要以高能量的長脈沖激光作泵浦源，隨著脈沖展寬壓縮倍數(shù)的增加，殘留的三階色散也就越多，對壓縮脈沖的影響也更為嚴重。
[0006]當然，通過簡單的調(diào)整光柵展寬器以及光柵壓縮器的光柵入射角，可以在一定范圍內(nèi)改變它們二階、三階色散間的比值，以減小殘留的三階色散量，但是，這個可調(diào)節(jié)的量是很小的，更為重要的是，為了得到較高的展寬以及壓縮效率，光柵通常都需要工作在近利特羅(littrow)角的入射角度，偏離這個角度，會嚴重影響光柵的衍射效率。
[0007]因此，現(xiàn)有技術(shù)有待于改進和發(fā)展。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的在于針對，基于光柵對的脈沖展寬器與壓縮器工作在不同波長的時候，展寬壓縮系統(tǒng)會使壓縮后的激光脈沖殘留大量的三階色散的缺陷，以棱柵對作為脈沖展寬器或者脈沖壓縮器，通過選擇合適的棱鏡材料并對其棱角作適當?shù)脑O(shè)計加工，消除壓縮脈沖中殘留的三階色散，以此來提供一種適用于百飛秒以下中紅外超短超強脈沖激光的中紅外啁啾脈沖放大裝置。
[0009]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
一種中紅外啁啾脈沖放大裝置，其中，所述裝置包括:飛秒激光器、近紅外脈沖展寬器、非線性頻率轉(zhuǎn)換器、同步窄帶皮秒激光器、分束鏡、光參量啁啾脈沖放大器、中紅外脈沖壓縮器；
所述近紅外脈沖展寬器對飛秒激光器輸出的飛秒激光脈沖進行脈沖展寬后，輸出到非線性頻率轉(zhuǎn)換器；
所述同步窄帶皮秒激光器產(chǎn)生的皮秒激光脈沖經(jīng)過分束鏡后，分成兩束獨立的激光脈沖信號:分別為，第一束激光脈沖信號與第二束激光脈沖信號；
所述第一束激光脈沖信號與展寬后的飛秒激光脈沖相耦合后，輸入到非線性頻率轉(zhuǎn)換器，第二束激光脈沖信號與非線性頻率轉(zhuǎn)換器輸出的中紅外激光脈沖同步進入光參量啁啾脈沖放大器進行能量放大，經(jīng)過能量放大后的中紅外激光脈沖經(jīng)過中紅外脈沖壓縮器壓縮后，形成中紅外超短激光脈沖；
所述近紅外脈沖展寬器為棱柵展寬器，所述中紅外脈沖壓縮器為光柵壓縮器，或者所述近紅外脈沖展寬器為光柵展寬器，所述中紅外脈沖壓縮器為棱柵壓縮器。
[0010]所述中紅外啁啾脈沖放大裝置，其中，所述棱柵展寬器或者棱柵壓縮器包括:相對設(shè)置的棱柵對和用于對所述棱柵對之間傳輸?shù)募す饷}沖信號的傳輸路線進行調(diào)節(jié)的屋脊鏡和反射鏡；
所述棱柵對包括棱鏡對和光柵對。
[0011]所述中紅外啁啾脈沖放大裝置，其中，所述裝置還包括放置于所述近紅外脈沖展寬器與所述非線性頻率轉(zhuǎn)換器之間的雙色鏡；
所述雙色鏡，用于將近紅外脈沖展寬器輸出的激光脈沖信號與所述第一束激光脈沖信號進行耦合。
[0012]所述中紅外啁啾脈沖放大裝置，其中，所述裝置還包括第一延時器和第二延時器；
所述第一延時器設(shè)置于所述分束鏡與所述雙色鏡之間，用于對所述第一束激光脈沖信號進行延時；
所述第二延時器設(shè)置于所述分束鏡與所述光參量啁啾脈沖放大器之間，用于對所述第二束激光脈沖信號進行延時。
[0013]所述中紅外啁啾脈沖放大裝置，其中，所述同步窄帶皮秒激光器與所述飛秒激光器輸出的脈沖激光在時間上同步。
[0014]所述中紅外啁啾脈沖放大裝置，其中，所述近紅外脈沖展寬器的工作波長與所述飛秒激光器的工作波長相同。
[0015]所述中紅外啁啾脈沖放大裝置，其中，所述飛秒激光器為近紅外鎖模激光器。
[0016]有益效果:本發(fā)明所提供的一種中紅外啁啾脈沖放大裝置，該裝置包括飛秒激光器，同步窄帶皮秒激光器，分束鏡，近紅外脈沖展寬器，非線性頻率轉(zhuǎn)換器，光參量啁啾脈沖放大器以及中紅外脈沖壓縮器，其中，以棱柵對和光柵對相配合作為脈沖展寬器和脈沖壓縮器，在避免使用中紅外脈沖展寬器的同時，消除了均以光柵對作為脈沖展寬和脈沖壓縮器時，壓縮脈沖中殘留的三階色散，特別適用于產(chǎn)生百飛秒以下的中紅外超短超強脈沖激光。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為本發(fā)明提供的一種中紅外啁啾脈沖放大裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖2為本發(fā)明提供的棱柵展寬器或者棱柵壓縮器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖3所示為針對3.2 μπι中紅外波長，基于硫化鋅(ZnS)的棱柵對(刻線密度為300線/mm)所能提供的三階色散量與二階色散量的比值隨棱柵棱角的變化曲線。

【具體實施方式】
[0020]本發(fā)明提供一種中紅外啁啾脈沖放大裝置，為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及效果更加清楚、明確，以下參照附圖并舉實施例對本發(fā)明進一步詳細說明。應(yīng)當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0021]本發(fā)明提供了一種中紅外啁啾脈沖放大裝置，如圖1所示，所述中紅外啁啾脈沖放大裝置，包括:飛秒激光器1，同步窄帶皮秒激光器4，近紅外脈沖展寬器3，非線性頻率轉(zhuǎn)換器11，光參量啁啾脈沖放大器16以及中紅外脈沖壓縮器18。
[0022]所述近紅外脈沖展寬器3對飛秒激光器I輸出的飛秒激光脈沖進行脈沖展寬后，輸出到非線性頻率轉(zhuǎn)換器11 ；
所述同步窄帶皮秒激光器4產(chǎn)生的皮秒激光脈沖經(jīng)過分束鏡6后，分成兩束獨立的激光脈沖信號:第一束激光脈沖信號與第二束激光脈沖信號；
所述第一束激光脈沖信號與展寬后的飛秒激光脈沖相耦合后，輸入到非線性頻率轉(zhuǎn)換器11，第二束激光脈沖信號與非線性頻率轉(zhuǎn)換器11輸出的中紅外激光脈沖信號同步進入光參量啁啾脈沖放大器16進行能量放大，經(jīng)過能量放大后的中紅外激光脈沖經(jīng)過中紅外脈沖壓縮器18壓縮后，形成中紅外超短激光脈沖； 所述近紅外脈沖展寬器3為棱柵展寬器，所述中紅外脈沖壓縮器18為光柵壓縮器，或者所述近紅外脈沖展寬器3為光柵展寬器，所述中紅外脈沖壓縮器18為棱柵壓縮器。
[0023]如圖2所示，為本發(fā)明提供的棱柵展寬器或者棱柵壓縮器的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖所述，所述棱柵展寬器或者棱柵壓縮器包括:相對設(shè)置的棱柵對和用于對所述棱柵對之間傳輸?shù)募す饷}沖信號的傳輸路線進行調(diào)節(jié)的屋脊鏡24和反射鏡25 ；
所述棱柵對包括棱鏡對22和光柵對23，所述棱鏡對中棱鏡的頂角為28度，所述光柵對中光柵的刻線密度為1200線/mm。
[0024]結(jié)合圖1，在具體實施例中，所述中紅外啁啾脈沖放大裝置還包括放置于所述近紅外脈沖展寬器3與所述非線性頻率轉(zhuǎn)換器11之間的雙色鏡9 ；
所述雙色鏡9，用于將近紅外脈沖展寬器3輸出的激光脈沖信號與所述第一束激光脈沖信號進行耦合。
[0025]為了使分束鏡6分出的第一束激光脈沖信號與展寬后的近紅外脈沖信號保持同步，以及使第二束激光脈沖信號與非線性頻率轉(zhuǎn)換器11中得到的中紅外脈沖信號保持同步，所述中紅外啁啾脈沖放大裝置還包括第一延時器8和第二延時器15 ；
所述第一延時器8放置于所述分束鏡6與所述雙色鏡之9間，用于對所述第一束激光脈沖信號進行延時；使延時后的所述第一束激光脈沖信號與展寬后的飛秒激光脈沖時間同止/J/ ο
[0026]所述第二延時器15放置于所述分束鏡與所述光參量啁啾脈沖放大器之間，用于對所述第二束激光脈沖信號進行延時。
[0027]所述飛秒激光器1作為非線性頻率轉(zhuǎn)換器的泵浦源，其可以是鈦寶石飛秒鎖模激光器或者其他近紅外鎖模激光器。在本實施例中，所述飛秒激光器選用的是800 nm鈦寶石飛秒激光器。
[0028]所述同步窄帶皮秒激光器4的工作波長在1 μ m-1.6 μ m之間，為皮秒級脈沖激光器。而且，同步窄帶皮秒激光器與所述飛秒激光器1在時間上精確同步。在本實施例中，同步窄帶皮秒激光器4為1064 nm的Nd:YAG皮秒激光器。
[0029]所述近紅外脈沖展寬器3的工作波長與所述飛秒激光器1相同，其可以是基于光柵對的脈沖展寬器，也可以是基于棱柵對的脈沖展寬器。在本實施例中，近紅外脈沖展寬器3是基于光柵對的脈沖展寬器。
[0030]所述紅外脈沖壓縮器18是針對中紅外波長的脈沖壓縮器，取決于上述近紅外脈沖展寬器3，如果以光柵對(或者棱柵對)作為近紅外脈沖展寬器，相應(yīng)的，就需要以棱柵對(或者光柵對)作為中紅外脈沖壓縮器。在本實施例中，中紅外脈沖壓縮器18是以3.2 ym為工作波長，基于棱柵對的脈沖壓縮器。
[0031]所述非線性頻率轉(zhuǎn)換器11，其作用是通過光學二階非線性效應(yīng)，將近紅外的啁啾脈沖信號轉(zhuǎn)換到中紅外波段上去。在本實施例中，非線性頻率轉(zhuǎn)換器11采用了基于鈮酸鋰晶體(LiNb03)的光參量混頻技術(shù)，將800 nm的近紅外啁啾脈沖轉(zhuǎn)化為?3.2 μ m的中紅外嗎嗽脈沖。
[0032]所述光參量啁啾脈沖放大器16，其作用是為中紅外啁啾脈沖提供能量放大。在本實施例中，所述光參量啁啾脈沖放大器16米用了基于銀酸鋰晶體(LiNb03)的光參量放大技術(shù)。
[0033]為了對發(fā)明所述中紅外啁啾脈沖放大裝置進行更加詳細的說明，下面對其工作的過程進行解釋:
由飛秒激光器I產(chǎn)生的飛秒激光2進入近紅外脈沖展寬器3，將其展寬至與時間同步的窄帶皮秒激光器4的輸出脈寬相當。皮秒激光5經(jīng)過分束鏡6分為兩路獨立的脈沖激光，其中只有小部分能量的皮秒激光7經(jīng)過第一延時器8調(diào)整時間延時后，利用雙色鏡9，與展寬后的近紅外皮秒啁啾脈沖10耦合在一起，以共線的方式進入第一非線性晶體11，進行非線性光參量混頻，得到帶啁啾的中紅外閑頻光。再通過濾光片12把殘余的泵浦光與信號光從帶啁啾的中紅外閑頻光13中濾除。帶有同步窄帶皮秒激光器絕大部分能量的皮秒激光14經(jīng)過第二延時器15調(diào)整時間延時后，與皮秒級中紅外啁啾脈沖時間同步，為了獲得更高的帶寬以及增益，這兩束作用光會以非共線的方式一同進入第二非線性晶體16，進行光參量啁啾脈沖放大，由于采用了非共線的匹配方式，皮秒級的中紅外啁啾脈沖會在傳輸過程中與其余兩路作用光“天然”分離。最后，放大后的皮秒級中紅外啁啾脈沖17進入到中紅外脈沖壓縮器18，將其壓縮成飛秒級的超短脈沖19，實現(xiàn)超短超強的中紅外脈沖激光輸出。
[0034]較佳的，“棱柵”是一種由色散棱鏡和光柵組合而成的光學元件。與傳統(tǒng)的光柵不同，棱柵上的刻線被刻畫在色散棱鏡的斜邊上(一般情況下，也可以將光柵與棱鏡組合在一起作為棱柵)。棱柵結(jié)合了光柵和棱鏡兩者的色散特性，依據(jù)不同的構(gòu)型(主要是選擇不同的棱鏡介質(zhì)與棱鏡頂角)，可以提供正的或者負的三階色散。對本發(fā)明來說更為重要的是，其二階與三階色散的比值也會隨之發(fā)生改變。
[0035]如圖3所示，圖中給出了基于硫化鋅(ZnS)，并以3.2 μπι典型中紅外波長為工作波長的棱柵對(刻線密度為300線/mm)所能提供的三階色散量與二階色散量的比值隨棱柵棱角的變化曲線。從圖中可以看出，棱柵的三階色散量與二階色散量的比值會隨棱鏡頂角的改變發(fā)生有序的變化，以800 nm鈦寶石飛秒激光為例，當棱柵對的頂角為28°的時候，其對應(yīng)值正好與800 nm的光柵對(刻線密度為1200線/mm)相等。因此，分別以800 nm的光柵對和3.2 μ m的棱柵對作為中紅外OPCPA系統(tǒng)的展寬器以及壓縮器，正好可以同時消除展寬壓縮系統(tǒng)中的二階與三階色散，有利于得到高峰值功率的中紅外脈沖激光。
[0036]需要說明的是，棱柵對與光柵對共同組成了本發(fā)明的展寬壓縮系統(tǒng)，棱柵對既能用作脈沖展寬器，也能用作脈沖壓縮器，與之對應(yīng)的，光柵對將分別用作脈沖壓縮器，以及脈沖展寬器，上述例子只是本發(fā)明的一種特例。為了避免壓縮后的脈沖激光最后一次通過棱柵對時可能受到的材料色散的影響，還可以選擇以光柵對作為壓縮器，以棱柵對作為展寬器。
[0037]本發(fā)明所提供的一種中紅外啁啾脈沖放大裝置，該裝置包括飛秒激光器，同步窄帶皮秒激光器，分束鏡，近紅外脈沖展寬器，非線性頻率轉(zhuǎn)換器，光參量啁啾脈沖放大器以及中紅外脈沖壓縮器，其中，以棱柵對和光柵對相配合作為脈沖展寬器和脈沖壓縮器，在避免使用中紅外脈沖展寬器的同時，消除了均以光柵對作為脈沖展寬和脈沖壓縮器時，壓縮脈沖中殘留的三階色散，特別適用于產(chǎn)生百飛秒以下的中紅外超短超強脈沖激光。
[0038]應(yīng)當理解的是，對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，可以根據(jù)上述說明加以改進或變換，而所有這些改進和變換都應(yīng)屬于本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種中紅外啁啾脈沖放大裝置，其特征在于，包括:飛秒激光器、近紅外脈沖展寬器、非線性頻率轉(zhuǎn)換器、同步窄帶皮秒激光器、分束鏡、光參量啁啾脈沖放大器、中紅外脈沖壓縮器； 所述近紅外脈沖展寬器對飛秒激光器輸出的飛秒激光脈沖進行脈沖展寬后，輸出到非線性頻率轉(zhuǎn)換器； 所述同步窄帶皮秒激光器產(chǎn)生的皮秒激光脈沖經(jīng)過分束鏡后，分成兩束獨立的激光脈沖信號，分別為:第一束激光脈沖信號與第二束激光脈沖信號；其中， 所述第一束激光脈沖信號與展寬后的飛秒激光脈沖相耦合后，輸入到非線性頻率轉(zhuǎn)換器，第二束激光脈沖信號與非線性頻率轉(zhuǎn)換器輸出的中紅外激光脈沖信號同步進入光參量啁啾脈沖放大器進行能量放大，經(jīng)過能量放大后的中紅外激光脈沖經(jīng)過中紅外脈沖壓縮器壓縮后，形成中紅外超短激光脈沖； 所述近紅外脈沖展寬器為棱柵展寬器，所述中紅外脈沖壓縮器為光柵壓縮器，或者所述近紅外脈沖展寬器為光柵展寬器，所述中紅外脈沖壓縮器為棱柵壓縮器。
2.根據(jù)如權(quán)利要求1所述中紅外啁啾脈沖放大裝置，其特征在于，所述棱柵展寬器或者棱柵壓縮器包括:相對設(shè)置的棱柵對和用于對所述棱柵對之間傳輸激光脈沖信號的傳輸路線進行調(diào)節(jié)的屋脊鏡和反射鏡； 所述棱柵對包括棱鏡對和光柵對。
3.根據(jù)如權(quán)利要求1所述中紅外啁啾脈沖放大裝置，其特征在于，還包括放置于所述近紅外脈沖展寬器與所述非線性頻率轉(zhuǎn)換器之間的雙色鏡； 所述雙色鏡，用于將近紅外脈沖展寬器輸出的激光脈沖信號與所述第一束激光脈沖信號進行耦合。
4.根據(jù)如權(quán)利要求3所述中紅外啁啾脈沖放大裝置，其特征在于，還包括第一延時器和第二延時器； 所述第一延時器設(shè)置于所述分束鏡與所述雙色鏡之間，用于對所述第一束激光脈沖信號進行延時； 所述第二延時器設(shè)置于所述分束鏡與所述光參量啁啾脈沖放大器之間，用于對所述第二束激光脈沖信號進行延時。
5.根據(jù)如權(quán)利要求4所述中紅外啁啾脈沖放大裝置，其特征在于，所述同步窄帶皮秒激光器與所述飛秒激光器輸出的脈沖激光在時間上同步。
6.根據(jù)如權(quán)利要求1所述中紅外啁啾脈沖放大裝置，其特征在于，所述近紅外脈沖展寬器的工作波長與所述飛秒激光器的工作波長相同。
7.根據(jù)如權(quán)利要求1所述中紅外啁啾脈沖放大裝置，其特征在于，所述飛秒激光器為近紅外鎖模激光器。
【文檔編號】G02F1/35GK104391416SQ201410678459
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年11月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月24日
【發(fā)明者】鐘亥哲, 李瑛 , 章禮富, 陳智聰, 范滇元 申請人:深圳大學