CN102135696A

CN102135696A - 波长可调谐的超短激光脉冲压缩与净化装置

Info

Publication number: CN102135696A
Application number: CN 201110063638
Authority: CN
Inventors: 宋立伟; 黄延穗; 冷雨欣; 李闯; 王丁; 许毅; 李儒新; 徐至展
Original assignee: Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Priority date: 2011-03-16
Filing date: 2011-03-16
Publication date: 2011-07-27

Abstract

一种波长可调谐的超短激光脉冲压缩与净化装置，该装置沿光路前进方向依次包括：可调谐光参量放大系统、空心光纤压缩系统、二次谐波产生系统和脉冲选择系统，所述的空心光纤压缩系统，沿光路由依次的反射镜、聚焦透镜、真空管及其内的空心光纤、准直透镜和色散补偿器构成，所述的空心光纤在所述的真空管内，真空管内充惰性气体，且气体的气压是可调节的，所述的二次谐波产生系统由宽带反射镜和倍频晶体构成，所述的色散补偿器由一对石英楔板构成，所述的脉冲选择系统由平行设置的两块双色镜构成。本发明可获得波长可调的、高对比度的、光束质量好、周期量级超短激光脉冲。

Description

波长可调谐的超短激光脉冲压缩与净化装置

技术领域

本发明涉及超短脉冲激光，特别是一种波长可调谐的超短激光脉冲压缩与净化装置。

背景技术

近年来，随着飞秒激光技术的发展，脉冲激光的能量越来越高，脉宽越来越短。超强超短激光脉冲成为许多基础研究中的重要工具，在激光物理研究领域有着不可替代的作用。特别是周期量级的超短激光脉冲，在高次谐波，阿秒脉冲的产生等领域有非常重要的应用。然而，在超短激光脉冲与物质相互作用的过程中，如果激光脉冲的对比度过低，预脉冲会在主脉冲到达之前先破坏靶，从破坏整个实验。在10^21-23W/cm²乃至更高强度的激光与物质相互作用的研究中，激光脉冲的对比度要求达到10¹¹-10¹³的量级。因此，提高激光脉冲的对比度对强场物理实验有重大意义。

Jullien等人提供了一种的脉冲净化装置(Jullien，A.，X.Chen，et al.(2010).″High-fidelity front-end for high-power，high temporal quality few-cyclelasers.″Applied Physics B：Lasers and Optics：1-6.)。在此装置中，线偏振光先通过空心光纤压缩系统，对入射光的脉冲宽度进行压缩；再通过透镜聚焦到氟化钡晶体上，由于交叉偏振波产生(XPW)效应，产生与原光束偏振方向相互垂直的激光。XPW效应是三阶非线性效应，因此，能量较强的主脉冲能够把大部分能量都转化到与原偏振方向垂直的光束上，从而能够透过检偏器输出；而能量较弱的预脉冲几乎不能产生交叉偏振波，最后都不能通过检偏器。该装置脉冲净化的能力受到起偏器和检偏器消光比的限制，对比度一半只能在原来基础上提高2-4个量级。另外，由于在先装置使用的是三阶非线性效应，因此对外界的影响非常敏感。输入能量的不稳定以及装置中气流的变化都会造成输出光束的抖动和能量的剧烈变化。

发明内容

本发明为了克服上述在先技术的不足，提供了一种波长可调谐的超短激光脉冲压缩与净化装置，它的输出光波长可调谐，支持周期量级的超短激光脉冲，较少受到外界环境因素的影响，良好的光束质量，具有高对比度，对比度能在原来基础上提高10⁸以上。

本发明的技术解决方案如下：

一种波长可调谐的超短激光脉冲压缩与净化装置，特点在于该装置沿光路前进方向依次包括：可调谐光参量放大系统、空心光纤压缩系统、二次谐波产生系统和脉冲选择系统，所述的空心光纤压缩系统，沿光路由依次的反射镜、聚焦透镜、真空管及其内的空心光纤、准直透镜和色散补偿器构成，所述的空心光纤在所述的真空管内，真空管内充惰性气体，且气体的气压是可调节的，所述的二次谐波产生系统由宽带反射镜和倍频晶体构成，所述的色散补偿器由一对石英楔板构成，所述的脉冲选择系统由平行设置的两块双色镜构成。

所述的可调谐光参量放大系统，是两级光参量放大系统，或三级光参量放大系统；是共线光参量放大系统，或非共线光参量放大系统。

所述的二次谐波产生系统的倍频晶体是BBO、LBO或KTP晶体。

所述的脉冲选择系统由镀介质膜的双色镜构成，其透射波长为倍频前的激光波长，透过率超过90％；反射波长为倍频光波长，反射率超过99％。

由于非线性参量过程的存在，激光脉冲对比度得到显著提高(大于10⁴)。

所述的空心光纤压缩系统的聚焦透镜把光参量放大系统的出射光耦合到空心光纤中，通过自相位调制过程，入射激光的光谱被展宽，展宽后的光谱可以支持更短的激光脉冲，甚至周期量级的飞秒激光脉冲。然后，准直透镜对空心光纤输出的光进行准直，由一对石英楔板构成的可调色散补偿器对输出光的色散进行补偿。

通过倍频过程，将激光波长变回原波长，同时，倍频过程进一步提高了激光脉冲对比度。值得注意的是，在达到倍频效果的同时要尽量少的引入色散，倍频晶体应选择合适的厚度。

通过双色镜的选择，未倍频的长波成分被滤除，反射光路中只含有倍频得到的短波成分。

与在先技术相比，本发明具有以下显著的优点：

(1)在先技术脉冲净化的能力受到起偏器和检偏器消光比的限制，对比度只能在原来基础上提高10⁴。本发明不受器件消光比的限制，根据小脉冲判断，本发明能够把对比度在原来基础上至少提高10⁸，超过了仪器的测量极限。

(2)在先技术使用的是三阶非线性效应，而三阶非线性效应的装置对环境要求比较苛刻，极易受气流扰动、振动等因素的影响。本发明利用光参量放大过程和倍频过程组合成的级联二阶非线性效应代替三阶非线性效应，增加了系统的稳定性。

(3)由于在光参量放大后采用了空心光纤压缩系统对激光脉宽进行压缩，所以本发明支持周期量级的超短激光脉冲。

(4)由于使用的是可调谐的光参量放大系统，因此本发明能实现波长可调谐的脉冲输出。

(5)由于空心光纤能够改善光束质量，本发明能够获得良好的光束质量。

总之本发明可获得波长可调的、高对比度的、光束质量好、周期量级超短激光脉冲。

附图说明

图1为本发明波长可调谐的超短激光脉冲压缩与净化装置的光路结构示意图。

图2为本发明的入射脉冲和出射脉冲在对数坐标下的对比度曲线。

图3为本发明出射脉冲激光的光谱图

图4为傅里叶变换极限脉冲宽度。

具体实施方式

下面通过实施例和附图对本发明做进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，图1为本发明波长可调谐的超短激光脉冲压缩与净化装置的光路结构示意图。由图可见，本发明波长可调谐的超短激光脉冲压缩与净化装置，该装置的构成沿光路前进方向依次包括：可调谐光参量放大系统2、空心光纤压缩系统3、二次谐波产生系统4和脉冲选择系统5，所述的空心光纤压缩系统3，沿光路由依次的反射镜6、聚焦透镜7、真空管8及其内的空心光纤、准直透镜9和色散补偿器10构成，所述的空心光纤在所述的真空管8内，真空管内充惰性气体，且气体的气压是可调节的，所述的二次谐波产生系统4由宽带反射镜11和倍频晶体12构成，所述的色散补偿器10由一对石英楔板构成，所述的脉冲选择系统5由平行设置的两块双色镜13、14构成。

图中飞秒激光器1输出的中心波长800nm、脉宽约40fs、能量8mJ、重复频率1kHz的超短脉冲激光，超短脉冲激光首先进入可调谐光参量放大系统2，波长被调谐到所需输出光波长的两倍(例如，若最终需要输出的激光波长为800nm，则通过可调谐光参量放大系统2将激光波长调谐到1600nm；然后，可调谐光参量放大系统2输出的脉冲激光进入空心光纤脉冲压缩系统3；经过压缩后，激光进入二次谐波产生系统4，激光被倍频到需要的输出波长；二次谐波产生系统4的输出光进入脉冲选择系统5，选择出所需波段的脉冲激光。最终得到了高对比度、窄脉宽并具有较好光束质量的超短脉冲激光。

在可调谐光参量放大系统(简称为OPA系统)2中，入射光的中心波长被调谐到所需出射光波长的两倍。由于该系统可调谐出射光的波长，所以可以通过调谐该系统，实现不同中心波长的脉冲激光输出。

在空心光纤压缩系统3中，脉冲激光依次经过反射镜6、聚焦透镜7、真空管8及其内的空心光纤、准直透镜9和色散补偿器10。其中，OPA系统的输出脉冲通过聚焦透镜7耦合到空心光纤中；空心光纤放置在真空管8中，且真空管8两端为布儒斯特窗，内部充满惰性气体，通过自相位调制效应，脉冲激光的光谱得到展宽；空心光纤出射的激光经准直凹面反射镜9准直成为平行光束，然后入射到由一对石英楔板组成的色散补偿器10，进行色散补偿。

在二次谐波产生系统4中，入射光依次通过宽带反射镜11、倍频晶体12。

最后，在脉冲选择系统5中，激光脉冲依次经过双色镜13、14，只有倍频光被反射，其它成分的激光全部透过。

该波长可调谐的周期量级波长可调谐的超短激光脉冲压缩与净化装置的基本原理是：光参量放大过程是二阶非线性效应，此过程中能量转换效率与光强的平方成正比，能量强的脉冲能够得到高的非线性转换效率，能量低的脉冲转换效率非常低，能有效提高脉冲的对比度。另外，由于光参量放大系统可调谐输出激光的波长，因此该装置能够实现可调谐的脉冲输出。在光参量放大系统后面加入空心光纤压缩系统，能够有效压缩激光脉冲的脉冲宽度，并能获得良好的光束质量。在最后加入二次谐波产生系统，一方面是激光波长转换回需要的工作波长，另一方面能够进一步提高对比度，消除在空心光纤压缩系统中产生的小脉冲。最后通过脉冲选择系统提取出所需波段的激光脉冲。

本发明的具体实施例：入射光的波长为800nm，能量8mJ，脉宽40fs，重复频率1kHz。激光脉冲通过可调谐光参量放大系统后，波长被调谐到1600nm，能量为1.5mJ。空心光纤压缩系统中，真空管两端为布儒斯特窗，内有1m长空心光纤(内径400μm，氩气气压500mbar)。二次谐波产生系统中的非线性晶体为BBO晶体(厚0.3mm，I类匹配)。脉冲选择系统中的双色镜反射中心波长为800nm。入射脉冲和出射脉冲测得的对比度如图2，净化后主脉冲前面的小脉冲是由测量仪器引起的。图3为输出脉冲的光谱图，图4为傅里叶变化极限脉冲宽度，其光谱半高全宽约150nm，可支持脉宽8.6fs的周期量级的激光脉冲；出射脉冲的具有较好的光束质量，光斑强区为均匀分布的圆形。

Claims

1.一种波长可调谐的超短激光脉冲压缩与净化装置，特征在于该装置沿光路前进方向依次包括：可调谐光参量放大系统(2)、空心光纤压缩系统(3)、二次谐波产生系统(4)和脉冲选择系统(5)，所述的空心光纤压缩系统(3)，沿光路由依次的反射镜(6)、聚焦透镜(7)、真空管(8)及其内的空心光纤、准直透镜(9)和色散补偿器(10)构成，所述的空心光纤在所述的真空管(8)内，真空管内充惰性气体，且气体的气压是可调节的，所述的二次谐波产生系统(4)由宽带反射镜(11)和倍频晶体(12)构成，所述的色散补偿器(10)由一对石英楔板构成，所述的脉冲选择系统(5)由平行设置的两块双色镜(13、14)构成。

2.根据权利要求1所述的波长可调谐的波长可调谐的超短激光脉冲压缩与净化装置，其特征是在于所述的可调谐光参量放大系统(2)，是两级光参量放大系统，或三级光参量放大系统；是共线光参量放大系统，或非共线光参量放大系统。

3.根据权利要求1所述的波长可调谐的波长可调谐的超短激光脉冲压缩与净化装置，其特征是在于所述的二次谐波产生系统(4)的倍频晶体是BBO、LBO或KTP晶体。

4.根据权利要求1所述的波长可调谐的波长可调谐的超短激光脉冲压缩与净化装置，其特征是在于所述的脉冲选择系统(5)由镀介质膜的双色镜(13、14)构成，其透射波长为倍频前的激光波长，透过率超过90％；反射波长为倍频光波长，反射率超过99％。