CN100483871C - 具有稳定频率的辐射的生成 - Google Patents
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Abstract
用于生成稳定频率线梳和/或用于超短激光脉冲序列的方法和设备，用于稳定载波相对于几周期激光脉冲的振幅包络的位置。借助于一个并且是相同的非线性晶体(4)中的差频生成和自相位调制而生成的频谱分量之间的干涉，允许检测并且稳定载波包络偏移(CEO)相位的时间演化。所描述的技术很大程度上地改善了稳定的准确性，并且具有非常小的插入损耗。
Description
本发明通常涉及飞秒激光显影、频率计量，并且更详细地，涉及飞秒激光振荡器的载波包络相位稳定。
特别地，本发明涉及一种用于生成具有稳定频率的辐射的方法和设备，即生成稳定频率线梳和/或生成具有载波包络偏失相位的受控时间演化的超短激光脉冲的方法和设备。
US 6,724,788 B1公开了一种用于生成具有稳定频率的辐射的方法和设备，其中生成具有重复频率fr的激光光脉冲，所述脉冲包括多个n个频率分量fn，且fn＝n·fr+f0，其中f0表示偏移频率，并且n＝1，...，N。所述频率分量形成了具有第一和第二不同频率部分的梳。主要光输出通过非线性光学介质生成，其中至少一个输出频率分量对应于所述第一和第二频率部分的频率差。然而，为了相位匹配，使用了分立的相对复杂的干涉仪型单元。
在过去数年中，超短脉冲光学辐射的生成和控制取得了引人注目的进展。对更短的激光脉冲的追求导致了脉冲持续时间短至约为载波场的振荡期的两倍(在λ0＝0.8μm处T0～2.6fs，掺杂钛的蓝宝石激光器的中心波长)，接近激光周期设定的极限，参见文献[1，2，3，4]。通过借助于高阶谐波生成(HHG)，将光学脉冲转换为更高频率的辐射，可以克服该极限。如果由几周期脉冲驱动，参见文献[5、6]，则该过程能够传递短于驱动激光振荡期的x射线脉冲，参见文献[7]，并且甚至可以传递短于1fs持续时间的x射线脉冲，参见文献[8]。自该过程出现的阿秒脉冲的参数敏感地取决于电场E(t)＝A(t)exp[-i(ω0t+Φ)]+C.C.的振荡配合在振幅包络中的情况，参见文献[9，10，11，12]。这由相位角度Φ确定，其被称为光脉冲的载波包络偏移(CEO)相位，参见文献[13]。
因此，本发明的目的在于提供该载波包络偏移的测量和稳定。CEO相位的稳定不仅对于具有几周期脉冲的强场实验(例如HHG)是十分重要的，而且对于频域计量也是十分重要的，参见文献[14]。
由于几周期脉冲典型地是通过锁模激光谐振器生成的，因此光脉冲作为周期性的脉冲序列发射，该脉冲序列具有脉冲-脉冲延迟时间T，即具有重复频率 自锁模激光器发射的该序列
En＝An(t)exp[-i(ω0t+Φn)]+C.C.(其中ω0是载波角频率，En是第n个脉冲的场强，并且An是第n个脉冲的场包络)中的连续脉冲的载波包络相位Φ，预期将变化ΔΦn＝(Φn+1)-Φn＝ΔΦ0+δn。该相位变化的可预测部分ΔΦ0源于激光器腔中载波频率处的有效群速度Vg和相速度Vp之间的差，并且表示在许多个脉冲上取平均的ΔΦn的平均值，ΔΦ0＝<ΔΦn>。脉冲在传播通过长度为L且折射率为n(ω)的透明材料的过程中经历的载波包络相移可以表示为
该失相长度在空气中和蓝宝石中分别是Ld～20cm和～19μm。将这些值同Ti：蓝宝石振荡器中的各个介质中的传播长度的值比较，可以断定，激光脉冲在谐振器中的往返过程中经历的载波包络失相(dephasing)等于2π的大的整数倍加上2π的有理分数(rationalfraction)。该物理相关部分由ΔΦn表示，并且被称为脉冲-脉冲或者往返载波包络偏失相移。原则上，激光器腔的长度被调节为，使往返相位变化等于2π的整数倍，并且发射序列中的所有脉冲将具有恒定的绝对相位，该绝对相位仅受到小的随机变化δn的影响。然而，由于重复频率非常高(典型地数十MHz)，因此即使是小的δn值也能够在非常短的时间间隔内迅速地积累为Φ的大的(>>2π)抖动。因此有必要测量和稳定Φn，即测量和稳定CEO相位的时间演化。
锁模脉冲序列的频谱由通过重复频率fr分隔的谱线fn组成，由此fn+1-fn＝fr(还参看图1B)。已经示出，参见文献[15]，频率线fn不是重复频率fr的整数倍，并且它们可以被表示为：fn＝n·fr+fCEO，其中fCEO＝frΔ(Φ/(2π)是CEO相位自身再生处的频率，称为CEO频率。因此，CEO相位的稳定需要CEO频率fCEO的测量和稳定。
通过使用光电二极管测量激光输出，并且使用抑制高于fr的频率的低通滤波器对其信号滤波，可以直接获得重复频率fr。由于CEO频率fCEO不表示直接可测的频率，而是表示频移，因此其确定过程是不普通的。经由不同阶的非线性频率转换过程，通过自激光梳获得的外差模，可以得到CEO频率fCEO。通过经由第q阶非线性过程的模fn，或者通过经由第p阶非线性过程的模fm(k、m和n是大的整数，由此nq＝mp)，可以生成接近给定模fk＝kfr的频率：
fqn＝qfn＝qnfr+qfCEO (2)
fpm＝pfm＝pmfr+pfCEO (3)
利用fpm对fqn采用外差法，将引起下述频率处的拍音(beat note)：
Δf＝qnfr+qfCEO-pmfr-pfCEO＝(q-p)fCEO (4)
如果频率梳是窄的，则实现导致相同谱线的两个不同的非线性频率转换路径可能要求使用一个或多个额外的锁相传送振荡器，参见文献[15]。然而，光子晶体光纤(PCF)的出现允许将额外的腔展宽到多于一个光学倍频程，参见文献[16、14]，如同结合标准的单模光纤操作的具有超过1MW峰值功率的专门设计的振荡器，参见文献[17]。这些进展开启了针对上文概念的最简单的可行实现方案的通路，即在上文的术语中，p＝1且q＝2。在该情况中测量CEO频率依赖于，利用倍频长的波长模来外差检测梳的短波长模，如果频率梳跨越了完整的光学倍频程，则这可以实现。该方法被称为“f-2f”技术。可以将CEO测量的CEO频率fCEO同稳定的射频比较，并且借助于反馈回路将该CEO频率fCEO锁到该射频，其中该反馈回路经由谐振器色散或者经由内腔能量控制往返CEO相位。
f-2f稳定技术的技术缺陷在于其难处理的复杂性以及稳定的侵入性本质。就此而言，通过相位稳定设备的脉冲既不能被重新压缩，也不能应用。结果，不能在系统的有用输出端处直接测量和稳定CEO相位的时间演化。出于该原因，大的相位误差总是呈现出约1～10ms的观察时间，参见文献[18]。
一旦将CEO频率fCEO锁定到参考频率，则对应于激光脉冲序列的频率梳由具有精确已知的和良好可控间隔的精确固定的频率线组成。该固定的频率梳对于频域计量是有价值的工具。可替换地，对于f-2f技术，如在US 6,724,788 B1中提出了，通过执行激光频谱不同频率线之间的差频生成，生成该固定频率的梳。对于两个频率分量fn＝n·fr+fCEO(或者fk＝k·fr+f0)和fm＝m·fr+fCEO(或者f1＝1·fr+f0)，结果差频fm-fn＝(m-n)·fr(或者fk-f1＝(k-1)·fr)不取决于fCEO，并且因此固有地是稳定的(m、n或者k、1分别是整数)。激光脉冲序列的CEO相位演化的稳定将需要检测基本频谱和自谱翼(wing)之间的差频生成得到的频谱之间的拍信号，参见文献[19、20]。这仅能通过在多于一个光学倍频程上延伸的频谱实现。由于该频谱不能容易地由飞秒激光振荡器直接生成，因此在上文提及的US 6,724,788 B1中提出了，在生成差频信号之前在非线性元件中展宽频谱。该解决方案带来了这样的缺陷，使得f-2f测量的特征在于：非线性光学介质之后的脉冲是不可压缩的，并且需要展宽脉冲的全部能量用于CEO频率fCEO的测量。
相对于该解决方案，现根据本发明提出了，在相同的比较短的非线性光学介质中实现频谱展宽的过程(借助于自相位调制)和差频生成的过程。在介质长度适度的情况下，可以补偿其群延迟色散。在与入射脉冲频谱良好分隔的频谱范围中检测fCEO处的拍信号。该频谱范围可以容易地同脉冲序列的频谱分隔，使其可以进一步用于实验。
这里应当提及，前面已经提出了，通过执行二阶谐波生成(相对于这里提出的差频生成)，并且在一个而且是相同的非线性介质中展宽频谱，检测fCEO处的拍信号，参见文献[21]。在根据本发明的方案中选择差频生成作为非线性转换过程是必要的，这是因为使用二阶谐波生成具有下列缺陷(如文献[21]所示)：i)需要全部的展宽输出用于测量fCEO，ii)尽管fCEO是可检测的，但是该频率处的拍信号过弱以至于不能稳定。
因此，本发明的目的在于，提供一种用于生成具有稳定频率的辐射的方法和设备，特别地，用于生成具有稳定频率线的梳和/或具有CEO相位的受控时间演化的超短激光脉冲序列的方法和设备，其中避免了现有技术的缺陷，并且其中以简单且有效的方式实现了预期的具有稳定频率的辐射生成。
而且，本发明的目的在于提供一种辐射生成技术，其中以有效的方式，使得压缩通过非线性光学介质并且由此被展宽之后的激光脉冲成为可行的。
而且，如上文所述，本发明的目的在于提供一种辐射生成技术，其中载波包络偏移(CEO)的测量和稳定是可行的。
根据本发明，这些目的和另外的目标通过如所附独立权利要求中限定的主题实现。在相关联的权利要求中限定了有利的优选实施例。
根据本发明，相比于现有技术，实现了一种非常简单的、有效的和特别准确的稳定，并且仅引起了非常小的插入损耗；上文和下文的解释给出了另外的作用和优点。
现将借助于示例，并且通过参考附图，更加详细地描述本发明。在附图中
图1A和1B示出了时域(图1A)和频域(图1B)中的激光脉冲的示意性表述；
图2示出了根据本发明优选实施例的设备的示意性框图，并且包括用于fCEO稳定的反馈回路；
图3A示出了观察频域中的载波包络偏移的方案；
图3B示出了通过非线性光学介质之后的激光光脉冲的强度(任意单位)相对于波长(以nm为单位)的关系；以及
图4示出了回路外相位噪声功率频谱密度PSD和综合CEO相位误差相对于频率的关系，其还作为观察时间的函数(频率-1)。
如上文提及的，图1A和1B示出了时域(图1A)和频域(图1B)中的激光脉冲的示意性表述。图1B中示出的激光光脉冲序列的频谱由通过重复频率fr分隔的谱线组成，由此fn+1-fn＝fr。而且，在图1B中示出了频率fCEO，该频率fCEO还可被表示为偏移频率f0，并且在图1A中还示出了CEO相移ΔΦ以及周期T及其倒数，重复频率fr。
图2示出了根据包括fCEO稳定方案的本发明设备的优选实施例的示意性框图。对于该设备的部件，存在泵浦激光器1，例如，二阶谐波的二极管泵浦Nd:YVO4激光器(例如商业上可获得的激光器Coherent，Verdi：532nm，3.85W)。将泵浦激光束1′施加到Ti：蓝宝石激光振荡器2，其中根据公知的锁模原理生成激光光束3。然后激光光束3在通过熔融硅石楔形板对W(其可用于使光束3承载的脉冲的持续时间最优化)和啁啾镜CM1和CM2、以及另外的镜5、6和7之后，耦合到非线性光学介质4中。啁啾镜CM1、CM2提供了负的群延迟色散(GDD)，如已知的，而楔形板W引入了正的GDD；因此，可以通过CM1、CM2实现GDD补偿。
非线性光学介质4可以包括周期性极化的掺杂氧化镁的铌酸锂(PP-MgO:LN)晶体，如图2中指出的，但是可替换地，还可以包括能够实现准相位匹配(QPM)(如例如US 5,787,102A中公开的)以及能够生成所描述的差频(还比较文献[23])的其他光学非线性周期性极化的晶体材料；因此，还可以使用例如，周期性极化的铌酸锂晶体、周期性极化的钽酸锂晶体、或者周期性极化的铌酸钾晶体。
非线性介质4或者晶体4的输出分别经由凹透镜耦合到延迟线8，该延迟线8包括啁啾镜CM3、CM4(具有多重反射)。在延迟线的输出8′处，获得了例如6-fs的相位稳定脉冲，即激光光脉冲序列，该激光具有跨越0.6～1.2μm的波长范围的频谱。
而且，非线性晶体4的输出光被发送到检测器和稳定单元10，该检测器和稳定单元10包括检测器11，该检测器11包括具有1400nm截止波长的长通滤波器和光电二极管PD，例如In-GaAs光电二极管。为了稳定频率，提供了反馈回路12，该反馈回路12包括：低通放大器13，例如可获得自Stanford Research System的电子放大器(型号SR560)；锁相电子装置14，例如来自MenloSystems的“lock box”；和rf(射频)参考振荡器15，例如信号发生器Marconi，2022D，其工作于1MHz。
由图2可以进一步看到，“lock box”14的电子装置的输出被施加到电光调制器EOM，以控制泵浦激光束1′的振幅，从而实现振荡器2中的自相位调制，用于使偏移频率f0＝fCEO保持恒定。(不同于该类型的控制，还可以例如，控制泵浦激光器1的功率，如本领域的技术人员公知的。)
在与现有技术比较时，根据图2的设备允许很大程度上更好地稳定CEO相位的时间演化。当激光脉冲的峰值强度以及非线性混频晶体(即光学非线性介质4)的非线性度足够大时，二阶非线性混频(二阶谐波生成或者差频生成；→fd)以及自相位调制(→fSPM)借助于非线性介质4，出现在相同的时间。如果存在这两个生成分量fd和fSPM之间的频谱重叠，则它们之间的拍信号(拍频)f0应出现在fCEO，即f0＝fCEO。如上文提及的，利用薄ZnO晶体用于频谱展宽和二阶谐波生成的现有技术的方案证实在fCEO处观察到拍信号，参见文献[21]；然而，不能实现相位稳定。在本发明的情况中，来自Ti：蓝宝石振荡器2的6-fs的3-nJ脉冲紧密地聚焦在非线性光学介质4上，具有例如周期性极化的掺杂氧化镁的铌酸锂体块晶体(PP-MgO:LN)的形式，这具有比ZnO晶体高的非线性转换效率，并且自相位调制和差频生成此两者均在晶体4中发生，并且它们的频谱在约1400nm处重叠。结果，在该1400nm的波长处观察到强的干涉拍信号，并且激光的fCEO的稳定是可行的。该相位稳定技术的最显著的特征在于，在原始的激光频谱的外部生成拍信号。这意味着用于相位稳定的脉冲可用于另外的应用。此外，所有的光束是共线的，并且不需要延迟线来调节两个非线性混合分量fd和fSPM。因此，相对于现有技术的f-2f技术，本系统对失准是不敏感的，并且可以预见到更好的锁相质量。
在图3A中解释了该方案的下面的过程：在1400nm处生成了高频和低频分量(例如，600nm和1050nm)之间的差频fd(通过混频)。同时，晶体4内部的自相位调制也在该波长处生成了光。差频的载波包络偏移频率fCEO总是0，参见文献[19、20]，而超连续频谱承载原始脉冲序列的fCEO。因此，可以在1400nm处观察到干涉拍信号。图3A中的水平箭头指出了在差频生成(DFG)过程中混合的频率线对，引出了标为“DFG信号”的频谱。标记“原始频谱”与聚焦到非线性晶体4中的脉冲的频谱相关联。该频谱由于自相位调制(SPM)而在非线性晶体4中展宽。在DFG信号展宽频谱重叠的频谱区域中，出现了具有频率fCEO的拍信号。
图3B示出了脉冲通过晶体之后的长波长边缘频谱。图3B的频谱是通过光学频谱分析仪(Ando，AQ-6315A)测量的。在图3B中，实线示出了光束3聚焦到晶体4时的频谱，而虚线示出了光束未聚焦到晶体4时的频谱。在阴影区域中观察到拍信号。当脉冲较紧密地聚焦到晶体4中时，该区域中新生成的频谱分量是清晰可见的。这主要应归于晶体4的自相位调制以及出现相位匹配处的差频混合。
图4示出了回路外相位噪声功率频谱密度PSD和综合CEO相位误差相对于频率的关系，其作为观察时间的函数(频率-1)。
在实验中，通过非线性晶体4的脉冲由延迟线8重新压缩到6fs，其是几周期脉冲，并且测得的回路外相位噪声是0.0427π rad(观察时间10μs～35分钟)，这近似五倍优于现有技术的相位稳定方法的回路外相位噪声，参见文献[18、22]。对应于约200Hz的观察时间周围的大的相位误差台阶状结构(在图4中由16指出)显著小于文献[18]中的台阶状结构。
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Claims (20)
1.一种用于生成具有稳定频率的辐射的方法，其中借助于锁模激光源(2)生成具有重复频率fr的激光光脉冲，所述激光光脉冲包括多个N频率分量fn，且fn＝n·fr+f0，其中n＝1，2，...，N，并且f0表示偏移频率，并且激光光脉冲耦合到非线性光学晶体(4)中，其特征在于，
借助于所述非线性光学晶体，执行差频生成和自相位调制，由此生成差频分量fd＝(k-1)·fr＝fk-f1＝(k·fr+f0)-(1·fr+f0)，其中k、1是整数，且fk＝k·fr+f0并且f1＝1·fr+f0，并且生成自相位调制频率分量fSPM＝fd+f0＝(k-1)·fr+f0，其中检测到借助于所述非线性光学晶体获得的频率fd和fSPM之间的拍频fCEO＝fSPM-fd＝f0，并且其中使检测到的拍频fCEO＝f0的值稳定。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过下述方式使所述拍频f0稳定，所述方式是，借助于反馈回路(12)，将所述拍频f0同参考振荡器(15)的频率比较并且将该所述拍频f0锁定在该参考振荡器(15)的频率，其中该反馈回路(12)控制用于泵浦所述锁模激光源(2)的光束(1′)的功率。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，锁模激光源(2)具有掺杂钛的蓝宝石晶体作为有源介质。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，用于差频生成和自相位调制此两者的非线性光学晶体(4)是周期性极化的掺杂氧化镁的铌酸锂晶体。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，用于差频生成和自相位调制此两者的非线性光学晶体(4)是周期性极化的铌酸锂晶体。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，用于差频生成和自相位调制此两者的非线性光学晶体(4)是周期性极化的钽酸锂晶体。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，用于差频生成和自相位调制此两者的非线性光学晶体(4)是周期性极化的铌酸钾晶体。
8.如权利要求1～7中的任何一个所述的方法，其特征在于，生成具有稳定频率线的梳。
9.如权利要求1～7中的任何一个所述的方法，其特征在于，生成具有载波包络偏失相位的受控时间演化的超短激光脉冲序列，其中在激光光脉冲穿越非线性光学晶体(4)之后，借助于色散延迟线(8)压缩所述激光光脉冲。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，色散延迟线(8)用于压缩激光光脉冲，所述色散延迟线由啁啾镜(CM3、CM4)组成。
11.一种用于生成具有稳定频率的辐射的设备，包括：锁模激光源(2)，该锁模激光源(2)发射具有重复频率fr的激光光脉冲并且包括多个N频率分量fn，且fn＝fr+f0，其中n＝1，2，...，N，并且f0表示偏移频率；和非线性光学晶体(4)，其特征在于，
非线性光学晶体(4)被配置为，产生差频生成以及自相位调制，由此生成差频分量fd＝(k-1)·fr＝fk-f1＝(k·fr+f0)-(1·fr+f0)，其中，k、1是整数，并且生成自相位调制频率分量fSPM＝(k-1)·fr+f0＝fd+f0，并且其特征进一步在于，检测装置(11)，该检测装置(11)被配置为，测量借助于所述非线性光学晶体获得的频率fd和fSPM之间的拍频fCEO＝f0＝fSPM-fd；以及其特征在于稳定装置(12、14、15)，该稳定装置(12、14、15)被配置为使检测到的拍频fCEO＝f0的值稳定。
12.如权利要求11所述的设备，其特征在于，稳定装置包括参考振荡器(15)和反馈回路(12)，用于将拍频同参考振荡器的频率比较并且将该拍频锁定在该参考振荡器的频率，并且用于控制用于泵浦所述锁模激光源(2)的光束(1′)的功率。
13.如权利要求11所述的设备，其特征在于，锁模激光源(2)包括掺杂钛的蓝宝石晶体作为有源介质。
14.如权利要求11所述的设备，其特征在于，用于差频生成和自相位调制此两者的非线性光学晶体(4)是周期性极化的掺杂氧化镁的铌酸锂晶体。
15.如权利要求11所述的设备，其特征在于，用于差频生成和自相位调制此两者的非线性光学晶体(4)是周期性极化的铌酸锂晶体。
16.如权利要求11所述的设备，其特征在于，用于差频生成和自相位调制此两者的非线性光学晶体(4)是周期性极化的钽酸锂晶体。
17.如权利要求11所述的设备，其特征在于，用于差频生成和自相位调制此两者的非线性光学晶体(4)是周期性极化的铌酸钾晶体。
18.如权利要求11～17中的任何一个所述的设备，其特征在于，生成具有稳定频率线的梳。
19.如权利要求11～17中的任何一个所述的设备，其特征在于，生成具有载波包络偏失相位的受控时间演化的超短激光脉冲序列，其中在激光光脉冲穿越非线性光学晶体(4)之后，借助于色散延迟线(8)压缩所述激光光脉冲。
20.如权利要求19所述的设备，其特征在于，配置用于压缩脉冲的色散延迟线(8)包括啁啾镜(CM3、CM4)。
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| optics clockwork with an offset-free difference-frequencycomb:accuracy of sum-and difference-frequency generation. ZIMMERMANN M ET AL.optics letters,Vol.29 No.3. 2004 * |
| role of the carrier-envelope phase in extreme nonlinear opticsin ZnO. TRITSCHLER T ET AL.proceedings of the SPIE,Vol.4992 . 2003 |
| role of the carrier-envelope phase in extreme nonlinear opticsin ZnO. TRITSCHLER T ET AL.proceedings of the SPIE,Vol.4992. 2003 * |
| self-envelop offset phase by use of difference-frequecygeneration. FUJI T ET AL.optics letters,Vol.29 No.6. 2004 |
| self-envelop offset phase by use of difference-frequecygeneration. FUJI T ET AL.optics letters,Vol.29 No.6. 2004 * |
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