CN113056849A - 产生超短脉冲的方法 - Google Patents

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Abstract

一种产生超短脉冲(20)的方法，其中：‑引导具有超短脉冲(14)的主光束(17)和至少一个从光束(18)穿过光栅材料(11)，光栅材料(11)上游的从光束(18)的强度低于光栅材料(11)上游的主光束(17)的强度，选择光栅材料(11)和主光束(17)的脉冲(14)，以便当主光束(17)穿过光栅材料(11)时引起克尔效应，当从光束(18)穿过光栅材料(11)时，克尔效应产生与主光束(17)的脉冲(14)有关的从光束(18)的相位调制；以及‑使用附加光学器件将从光束(18)的相位调制转换成其幅度的调制，以便在光栅材料(11)下游产生具有超短脉冲(20)的从光束(18)。

Description

产生超短脉冲的方法
本发明涉及产生超短脉冲的方法以及用于实现这些方法的设备。
背景技术
众所周知，使用依赖于具有频率漂移的脉冲的光参量啁啾脉冲放大技术(也称为OPCPA，即“Optical Parametric Chirped-Pulse Amplification”)的设备来产生超短脉冲。这些OPCPA放大器包括非线性晶体，确保强能量泵浦光束脉冲与宽光谱信号光束脉冲之间的能量传输，这些脉冲在时间上展宽并且能量很少。在被放大之前，使用脉冲展宽器，以对信号光束的超短脉冲进行在时间上展宽，以便降低其峰值功率。为了实现参量放大，泵浦光束和信号光束的脉冲必须在晶体中在时间上叠加。因此，OPCPA放大器与产生泵浦光束和信号光束的激光源的时间同步有关。光压缩器用来重新压缩信号光束的脉冲。
为了使泵浦光束和信号光束的脉冲在晶体中在时间上叠加，已知的做法是使用具有电子同步模式锁定功能的两个独立激光源，其中一个激光源是产生信号光束的超短脉冲的钛蓝宝石振荡器(TiS)。然而，由于热漂移和相位噪声的影响，电子同步会导致长时间的相位漂移。
一种选择是使两个独立激光源在光学上同步。然而，这种类型的同步实现起来很复杂，并且缺乏长期可靠性。
另一个解决方案是使用同一个激光源，具有非常宽的光谱带的TiS振荡器，允许产生泵浦光束脉冲和信号光束脉冲。然而，除了需要大量的维护之外，TiS振荡器具有相对较高的成本，并且实现起来很复杂。此外，这些振荡器需要复杂的放大配置，特别是多级和大型的放大配置，其与高灵敏度和长脉冲展宽器和压缩机有关，这导致了产生的脉冲的稳定性问题，特别是在几皮秒(ps-OPCPA)范围内操作的OPCPA放大器，其要求泵浦光束脉冲与信号光束脉冲之间非常严格的同步(<100fs)，以保证放大信号的高光谱稳定性。
OPCPA技术的另一个局限性与它的泵浦源有关，特别是它的长期可靠性。此外，ps-OPCPA放大器的效率还受到在皮秒范围内形成优化脉冲的能力降低的限制。
仍然需要进一步改进产生超短脉冲的方法，特别是增强两个独立激光源之间的时间同步。
发明内容
本发明旨在改进产生超短脉冲的方法，特别是弥补上述所有或一些缺陷。它通过产生超短脉冲的方法来实现，其中：
-具有超短脉冲的主光束和至少一个从光束被引导穿过光栅材料，选择光栅材料和主光束的脉冲，以便当主光束通过光栅材料时引起克尔效应，当从光束通过光栅材料时，克尔效应产生与主光束的脉冲有关的从光束的相位调制，并且
-使用互补光学器件将从光束的相位调制转换成其振幅的调制，以便在光栅材料的下游产生具有超短脉冲的从光束。
“超短脉冲”应理解为持续时间在5飞秒(fs)与100皮秒(ps)之间的脉冲。
根据本发明的方法的优点是提供了一种稳健的解决方案，所述解决方案显示了产生超短脉冲的长期可靠性。
本发明可以直接在已经在运行的系统中实现，而无需进行重大修改，这可以降低其实现的成本和复杂性。
光栅材料具有非线性特性。
光栅材料可以是任何矿物、有机或复合透明材料。光栅材料可以是诸如玻璃或晶体的固体、气体、液体，并且，如有必要，还可以采用波导的形式，例如，熔融石英毛细管或光纤。
光栅材料例如是SF54或SF14玻璃。
光栅材料上游的从光束可以是连续的，或者是脉冲的。优选地是脉冲的。
激光束的强度定义为每单位表面积的峰值功率。
当主光束穿过光栅材料时，主光束的强度足以引起克尔效应，并且当从光束穿过光栅材料时，该克尔效应产生与主光束的脉冲有关的从光束的相位调制。从光束的相位调制取决于用作光栅的材料及其波长的非线性。主光束的强度优选地使得B积分(B积分或B-int)的值在1与π之间，其中B-int＝(2πL/λ)*I*n2，其中，L是光栅材料的长度，λ是主光束的中心波长，I是主光束的强度，n2是光栅材料的非线性折射率。
光栅材料上游的从光束的强度可以低于光栅材料上游的主光束的强度。
例如，光栅材料上游的从光束的强度比光栅材料上游的主光束的强度低至少10倍。
光栅材料上游的从光束和主光束的脉冲可以在时间上叠加，该叠加优选地通过电子同步获得。电子同步可以通过光信号检测器和发生器来执行。
电子同步可以确保精度小于或等于500ps，更好地小于或等于100ps，甚至更好地小于或等于10ps。
主光束和从光束可以具有不同的相应的中心波长。可以任意选择这些中心波长。例如，主光束具有以800nm为中心的中心波长。例如，从光束具有以1064nm为中心的中心波长。
光栅材料上游的从光束和主光束的脉冲可以具有不同的持续时间。
脉冲的持续时间定义为在-3dB处的峰值的宽度。
光栅材料上游的从光束的脉冲的持续时间比光栅材料上游的主光束的脉冲的持续时间长。
在光栅材料下游产生的从光束的超短脉冲的持续时间可以与主光束的脉冲的持续时间相同或接近。
在光栅材料下游产生的从光束的超短脉冲的持续时间和主光束的脉冲的持续时间可以在5fs与100ps之间。
光栅材料下游产生的从光束的超短脉冲的输出参数(例如，其持续时间和其时间形式)可以是可变的。例如，有可能调整主光束的展宽，以对所产生的超短脉冲的持续时间起作用，或者有可能对主光束进行光谱滤波，以对所产生的超短脉冲的形式起作用。
当从光束穿过光栅材料时，主光束的脉冲对从光束的相位调制可以是瞬时的，或者可以用一定的延迟来执行，所述延迟小于或等于20fs、更好地小于或等于10fs、甚至更好地小于或等于5fs。该延迟可以取决于用作光栅的材料的确切性质。
当在光栅材料输入处的主光束和从光束的偏振不同时，当从光束穿过光栅材料时，克尔效应对从光束的相位调制可以伴随着对其偏振的调制，并且互补光学器件可以包括：用于调整光栅材料上游的从光束的偏振状态的装置，以及在光栅材料下游的下游偏振器，该偏振器与在光栅材料输入处的从光束的偏振交叉，以阻挡未经偏振调制的从光束的部分。
“偏振不同”应理解为在光栅材料输入处的主光束和从光束具有不同的偏振方向。
例如，在光栅材料的输入处的主光束和从光束的偏振是线性和不同的，主光束的偏振相对于从光束的偏振的绝对值相差90°。
用于调整光栅材料上游的从光束的偏振状态的装置可以包括偏振器和/或双折射板。
在变体中，互补光学器件包括干涉仪，所述干涉仪被配置成使已穿过光栅材料的至少一个从光束与来自与从光束相同源的至少一个其它光束干涉，以产生从光束的幅度调制。
所述干涉仪可以是Sagnac干涉仪，其中，从光束被分成两个光束，两个光束沿相反的方向传播通过光栅材料，并在已穿过光栅材料之后重新组合。使用Sagnac干涉仪的优点是稳定性好。
在变体中，当在光栅材料中存在主光束强度的空间梯度(特别是径向的)时，当从光束穿过光栅材料时，克尔效应对从光束的相位调制可以伴随着对其发散的调制，并且互补光学器件可以包括空间滤波器，该空间滤波器在光栅材料下游，以阻挡未经发散调制的从光束的部分。
从光束在已穿过光栅材料之后可以在激光放大器之内被放大。
在光栅材料下游产生的从光束的超短脉冲和光栅材料下游的主光束的脉冲可以在时间上叠加。该时间同步的精度可以与对光栅材料的非线性响应的延迟相当，即，与当从光束穿过光栅材料时由主光束的脉冲执行对从光束的相位调制的延迟相当。该时间同步的精度可以小于或等于20fs，更好地小于或等于10fs，甚至更好地小于或等于5fs。
光栅材料输出处的主光束的脉冲可以用作或不用作OPCPA的信号光束。
根据本发明的另一个方面，本发明的另一个主题是用于产生超短脉冲的设备，特别是用于实现如上所述的根据本发明的方法的设备，其包括：
-产生具有超短脉冲的主光束的第一激光源，
-产生至少一个从光束的至少一个第二激光源，
-放置在主光束和从光束的路径上的光栅材料，选择光栅材料和主光束的脉冲，以便当主光束穿过光栅材料时引起克尔效应，当从光束穿过光栅材料时，克尔效应产生与主光束的脉冲有关的从光束的相位调制。
所述设备可以包括互补光学器件，该互补光学器件用于将从光束的相位调制转换成其幅度的调制。
光栅材料上游的从光束的强度可以低于主光束。
第一激光源和第二激光源可以是独立的。
第一激光源可以是飞秒或皮秒类型，或者可以是OPCPA的信号光束的至少一部分。
第二激光源可以是SLM(单纵模)类型和/或触发振荡器(Q开关)类型，或者可以是增益调制源。
根据本发明的设备可以包括用于引导主光束和从光束通过光栅材料的装置。例如，所述设备包括反射镜(特别是二色性或弯曲的反射镜)、透镜和/或相位掩模。
所述设备可以包括光放大装置，该光放大装置用于放大光栅材料下游的从光束。例如，所述设备包括光纤或大型晶体放大器。
当在光栅材料输入处的主光束和从光束偏振不同时，当从光束穿过光栅材料时，克尔效应对从光束的相位调制可以伴随着对其偏振的调制，并且互补光学器件可以包括：用于调整光栅材料上游的从光束的偏振状态的装置，以及在光栅材料下游的下游偏振器，该偏振器与在光栅材料的输入处的从光束的偏振交叉，以阻挡未经偏振调制的从光束的部分。
例如，在光栅材料的输入处的主光束和从光束的偏振是线性和不同的，主光束的偏振相对于从光束的偏振的绝对值相差90°。
在变体中，互补光学器件包括干涉仪，所述干涉仪被配置成使已穿过光栅材料的至少一个从光束与来自与从光束相同源的至少一个其它光束干涉，以产生从光束的幅度调制。
如上所述，所述干涉仪可以是Sagnac干涉仪，其中，从光束被分成两个光束，两个光束沿相反的方向传播通过光栅材料，并在已穿过光栅材料之后重新组合。
在另一个变体中，当在光栅材料中存在主光束强度的空间梯度(特别是径向的)时，当从光束穿过光栅材料时，克尔效应对从光束的相位调制可以伴随着对其发散的调制，并且互补光学器件可以包括空间滤波器，该空间滤波器在光栅材料下游，以阻挡未经发散调制的从光束的部分。
根据本发明的另一个方面，本发明的又一个主题是：使用如上所述的根据本发明的设备，以在时间上同步OPCPA放大器的泵浦源和信号源，用于泵浦探测光谱学或用于生产高强度激光器。
通过阅读关于其非限制性示例性实现的以下详细描述以及研究附图，将能够更好地理解本发明，其中：
-图1示意性地表示了根据现有技术的OPCPA放大器，以及
-图2至图4示意性地表示了根据本发明的设备的示例。
图1示出了根据现有技术的OPCPA放大器的图。泵浦源5产生具有高能量脉冲的泵浦光束。信号源1产生具有低能量超短脉冲7的信号光束，所述超短脉冲7使用脉冲展宽器2进行在时间上展宽，以获得具有降低的峰值功率的展宽脉冲8。时间同步系统6使泵浦源5和信号源1同步成为可能。光参量放大器3包括非线性介质，所述非线性介质允许在泵浦光束脉冲与信号光束的展宽脉冲8之间传输能量，以便获得信号光束的放大脉冲9，理想情况下，使用压缩器4将放大脉冲重新压缩到其初始持续时间，以便获得非常高峰值功率的信号光束的脉冲10。
图2示出了根据本发明的设备的示例，其包括：在光栅材料11的上游、产生主光束17的脉冲14的第一激光源41和产生从光束18的脉冲15的第二激光源42。
作为变体，主光束17对应于由图1所示的OPCPA放大器的信号源1产生的部分或全部信号光束。
主光束17和从光束18在光栅材料11的上游线性偏振，并且它们的偏振状态(即，它们的偏振方向)彼此不同，除了主光束的偏振相对于从光束的偏振的绝对值为90°的情况除外。例如，主光束17和从光束18彼此以45°偏振，如由分别指示主光束17和从光束18的偏振状态的箭头12和13所示。
当从光束18通过光栅材料11时，从光束被主光束17的脉冲14相位调制。从光束18的相位调制导致从光束18的偏振的瞬时改变。
双折射板45放置在光栅材料11的下游，在从光束18离开光栅材料11的路径上。该双折射板45使得有可能操纵离开光栅材料11的从光束18的偏振，以便使该偏振相对于放置在双折射板45下游的偏振器立方体46定向。该偏振器立方体46使得有可能反射离开光栅材料11的从光束18的横向电偏振。元件47表示由偏振器立方体46反射的偏振状态。
在偏振器立方体46的输出处，获得超短脉冲20，所述超短脉冲20在时间上叠加在离开光栅材料11的主光束17的脉冲21上。箭头16指示在偏振器立方体46的输出处的从光束18的偏振状态。
作为变体，双折射板45和偏振器立方体46被任何元件代替，所述元件使得有可能根据轴线操纵和投射从光束18的偏振，以便抑制从光束18中偏振未被调制的部分。例如，偏振器立方体46可以被线性偏振器代替。
反射镜19被配置成将主光束17引导到光栅材料11的输入处和输出处。
例如，主光束17具有以800nm为中心的中心波长，并且在光栅材料11的上游具有持续15皮秒的脉冲14。
例如，从光束18具有以1064nm为中心的中心波长，并且在光栅材料11的上游具有持续时间比主光束17的脉冲14长的脉冲15。
图3示出了根据本发明的设备的另一个示例，其包括：在光栅材料11的上游、产生主光束17的脉冲14的第一激光源41和产生从光束18的脉冲15的第二激光源42。主光束17和从光束18在光栅材料11的上游线性偏振，并且它们的偏振状态(即，它们的偏振方向)相同。主光束17和从光束18在光栅材料11的上游平行偏振，如由分别指示主光束17和从光束18的偏振状态的箭头26和27所示。
所述装置包括Sagnac干涉仪，所述Sagnac干涉仪包括半反射板23以及反射镜M1、M2和M3，所述半反射板与其传播方向成45°角地放置在从光束18的路径上。
从光束18在输入点A处被引导朝向Sagnac干涉仪，其中半反射板23使从光束18有可能分成两个光束，一束折射光束27和另一束反射光束28。
反射镜M1、M2和M3使之有可能沿着光路径ABCDA引导折射光束27，并沿着光路径ADCBA引导反射光束28。
折射光束27和反射光束28沿相反的方向通过光栅材料11，并在通过光栅材料11之后重新组合。
在光栅材料11的输出处，获得超短脉冲30，所述超短脉冲在时间上叠加在离开光栅材料11的主光束17的脉冲31上。
反射镜19被配置成一方面引导主光束17穿过光栅材料11以产生克尔效应，另一方面，在光栅材料11的输出处引导主光束和从光束。
图4示出了根据本发明的设备的另一个示例。由第二激光源42产生的从光束18和由第一激光源41产生的主光束17被引导穿过光栅材料11。反射镜19使之有可能引导主光束17穿过光栅材料11。该反射镜19可以是二色性的。当从光束18通过光栅材料11时，从光束被主光束17相位调制。从光束18的相位调制导致从光束18的至少一部分的发散的瞬时改变。空间滤波器25放置在光栅材料11的下游，在从光束18离开光栅材料11的路径上。
空间滤波器25可以是孔，特别是具有圆形的形式的孔。孔的直径可以在5与500μm之间。
空间滤波器25被配置成阻挡未经历发散的瞬时改变的从光束18的部分。会聚透镜24放置在空间滤波器25的下游，在从光束18离开空间滤波器25的路径上。从光束18穿过透镜24的物体焦点并穿过后者离开的光线与光轴X平行。
图2至图4所示的根据本发明的设备的示例可以用作图1的时间同步系统6，以在时间上同步OPCPA放大器的泵浦源5和信号源1。
除非另有规定，否则术语“包括”应理解为其目前被接受的含义，即与“至少包括一个”同义。

Claims (20)

1.一种产生超短脉冲(20；30)的方法，其中：
引导具有超短脉冲(14)的主光束(17)和至少一个从光束(18)穿过光栅材料(11)，所述光栅材料(11)上游的从光束(18)的强度低于所述光栅材料(11)上游的主光束(17)的强度，选择所述光栅材料(11)和所述主光束(17)的脉冲(14)，以便当所述主光束(17)穿过所述光栅材料(11)时引起克尔效应，当所述从光束(18)穿过所述光栅材料(11)时，所述克尔效应产生与所述主光束(17)的脉冲(14)有关的所述从光束(18)的相位调制，以及
使用互补光学器件将所述从光束(18)的相位调制转换成其幅度的调制，以便在所述光栅材料(11)下游产生具有超短脉冲(20；30)的从光束(18)。
2.如权利要求1所述的方法，所述光栅材料(11)上游的从光束(18)是连续的或脉冲的，优选地是脉冲的。
3.如权利要求1或2所述的方法，将所述光栅材料(11)上游的从光束(18)和主光束(17)的脉冲(14)在时间上叠加，这种叠加优选地通过确保一定精度的电子同步来获得，所述精度小于或等于500ps，更好地小于或等于100ps，甚至更好地小于或等于10ps。
4.如前述权利要求中任一项所述的方法，所述主光束(17)和从光束(18)具有不同的中心波长。
5.如前述权利要求中任一项所述的方法，所述主光束(17)具有以800nm为中心的中心波长。
6.如前述权利要求中任一项所述的方法，所述从光束(18)具有以1064nm为中心的中心波长。
7.如前述权利要求中任一项所述的方法，当所述从光束(18)穿过所述光栅材料(11)时，所述主光束(17)的脉冲(14)对所述从光束(18)的相位调制是瞬时的，或者用一定的延迟来执行，所述延迟小于或等于20fs，更好地小于或等于10fs，甚至更好地小于或等于5fs。
8.如权利要求1至7中任一项所述的方法，当在所述光栅材料(11)输入处的所述主光束(17)和所述从光束(18)的偏振不同时，当所述从光束(18)穿过所述光栅材料(11)时，克尔效应对所述从光束(18)的相位调制伴随着对其偏振的调制，所述互补光学器件包括：用于调整所述光栅材料(11)上游的所述从光束(18)的偏振状态的装置，以及在所述光栅材料(11)下游的下游偏振器(46)，所述偏振器与在所述光栅材料输入处的所述从光束(18)的偏振交叉，以阻挡未经偏振调制的所述从光束(18)的部分。
9.如权利要求1至7中任一项所述的方法，所述互补光学器件包括干涉仪，所述干涉仪被配置成使已穿过所述光栅材料(11)的至少一个从光束(18)与来自与所述从光束(18)相同源的至少一个其它光束干涉，以产生所述从光束(18)的幅度调制。
10.如权利要求9所述的方法，所述干涉仪是Sagnac干涉仪，其中，所述从光束(18)被分成两个光束(27；28)，所述两个光束沿相反的方向传播通过所述光栅材料(11)，并在已穿过所述光栅材料之后重新组合。
11.如权利要求1至7中任一项所述的方法，当在所述光栅材料(11)中存在所述主光束(17)强度的空间梯度，特别是径向的梯度时，当所述从光束(18)穿过所述光栅材料(11)时，克尔效应对所述从光束(18)的相位调制伴随着对其发散的调制，所述互补光学器件包括空间滤波器(25)，所述空间滤波器在所述光栅材料(11)下游，以阻挡未经发散调制的所述从光束(18)的部分。
12.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述从光束(18)在穿过所述光栅材料(11)之后在激光放大器之内被放大。
13.如前述权利要求中任一项所述的方法，在所述光栅材料(11)下游产生的从光束(18)的超短脉冲(20；30)和所述光栅材料(11)下游的主光束(17)的脉冲(21)在时间上叠加，该时间同步的精度优选地小于或等于20fs，更好地小于或等于10fs，甚至更好地小于或等于5fs。
14.一种产生超短脉冲(20；30)的设备，特别是用于实现如前述权利要求中任一项所述的方法的设备，其包括：
第一激光源(41)，所述第一激光源产生具有超短脉冲(14)的主光束(17)，
至少一个第二激光源(42)，所述第二激光源产生至少一个从光束(18)，
光栅材料(11)，所述光栅材料放置在所述主光束(17)和所述从光束(18)的路径上，所述光栅材料(11)上游的所述从光束(18)的强度低于所述光栅材料(11)上游的所述主光束(17)的强度，选择所述光栅材料(11)和所述主光束(17)的脉冲(14)，以便当所述主光束(17)穿过所述光栅材料(11)时引起克尔效应，当所述从光束(18)穿过所述光栅材料(11)时，所述克尔效应产生与所述主光束(17)的脉冲(14)有关的所述从光束(18)的相位调制，
互补光学器件，所述互补光学器件用于将所述从光束(18)的相位调制转换成其幅度的调制。
15.如权利要求14所述的设备，所述第二激光源(42)是SLM类型。
16.如权利要求14和15中任一项所述的设备，其包括光放大装置，所述光放大装置用于放大所述光栅材料(11)下游的所述从光束(18)。
17.如权利要求14至16中任一项所述的设备，当在所述光栅材料(11)输入处的主光束(17)和从光束(18)的偏振不同时，当所述从光束(18)穿过所述光栅材料(11)时，克尔效应对所述从光束(18)的相位调制伴随着对其偏振的调制，所述互补光学器件包括：用于调整所述光栅材料(11)上游的所述从光束(18)的偏振状态的装置，以及在所述光栅材料(11)下游的下游偏振器(46)，所述下游偏振器与在所述光栅材料(11)输入处的所述从光束(18)的偏振交叉，以阻挡未经偏振调制的所述从光束(18)的部分。
18.如权利要求14至16中任一项所述的设备，所述互补光学器件包括干涉仪，所述干涉仪被配置成使已穿过所述光栅材料(11)的至少一个从光束(18)与来自与所述从光束(18)相同源的至少一个其它光束干涉，以产生所述从光束(18)的幅度调制。
19.如权利要求18所述的设备，所述互补光学器件包括Sagnac干涉仪，其中，所述从光束(18)被分成两个光束(27；28)，所述两个光束沿相反的方向传播通过所述光栅材料(11)，并在已穿过所述光栅材料之后重新组合。
20.如权利要求14至16中任一项所述的设备，当在所述光栅材料(11)中存在所述主光束(17)强度的空间梯度，特别是径向的梯度时，当所述从光束(18)穿过所述光栅材料(11)时，克尔效应对所述从光束(18)的相位调制伴随着对其发散的调制，所述互补光学器件包括空间滤波器(25)，所述空间滤波器在所述光栅材料(11)下游，以阻挡未经发散调制的所述从光束(18)的部分。
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