CN100403607C - 内腔产生高次谐波的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及超快激光技术方向，具体的讲是涉及一种内腔产生高次谐波的方法，该方法将非线性介质直接置于激光振荡器内获取高次谐波，在激光振荡器内，由于腔镜以及介质等引入的色散可以得到很好的补偿，因此能够得到周期量级的激光脉冲，从而更有利于高次谐波的产生，周期量级的激光脉冲在载波位相锁定的情况下可以得到紫外光梳，还可以用于单个阿秒脉冲的获取。

Description

内腔产生高次谐波的方法

技术领域

本发明涉及超快激光技术方向，具体的讲是涉及一种内腔产生高次谐波的方法。

背景技术

超强超短激光科学研究以超强超短激光的创新发展、超强超短激光与物质的相互作用、以及在交叉学科与相关高技术领域中的前沿基础为对象，是当前国际上现代物理学乃至现代科学中一个非常重要的科学前沿领域。在这一领域中，精密光谱学的研究取得了突破性的进展。对光场在时域-频域同时实现精密控制的技术正在开始推进到极紫外(XUV)和软X射线等超短波段，由于用极紫外光学频率梳技术测量He⁺的1s-2s跃迁的高分辨激光光谱，最终可能在X射线区域产生原子钟，而在光学频率梳技术基础上发展的新一代原子钟以高频光波而非微波辐射为基础将促使更精确的时间频率度量方法与标准，极紫外、软X射线、X射线波段等更高频率范畴的原子钟有望更大幅度的提升时间频率度量的精度。因此超短区域的光梳研究引起了世界各国的重视。

目前紫外光梳的获取依赖于高次谐波产生技术以及载波位相稳定技术。高次谐波产生的基本原理在于强激光与介质的非线性相互作用。当激光峰值功率达到约10¹⁴W/cm²时，该激光场的电场能量足以与原子的电离能相当，在这种情况下，强电场很容易使原子发生电离。一旦发生电离，自由电子的运动就会受到激光场的控制，而这些电子的动能很快就会达到初始电离能的数倍，在这一过程中电离后的自由电子经过碰撞重新与母离子结合，同时释放出高能量的光子，即我们所说的高次谐波。在获取高次谐波的基础上，对其进行载波位相锁定，即可以得到在频域上均匀分布的光梳。载波位相锁定的基本原理在于锁定频率梳上的每一个脉冲频率。频率梳上的任一脉冲频率可以用激光的重复频率f_r以及激光零频f₀的函数来表示为v_n＝nf_r+f₀，因此只要通过反馈控制锁定激光器的重复频率f_r以及激光零频f₀即可实现载波位相锁定。这一技术在目前已经得到较好的应用。因此这里我们主要讨论高次谐波的产生方法。

由于高次谐波的产生是以强激光为前提，因此现有报道中用于产生高次谐波的泵浦光都是将振荡级得到的光经过放大后得到的。目前常见的高次谐波产生系统主要有两种：一种是强激光与非线性介质直接相互作用；另外一种方法是激光在无源增强腔(简称无源腔)内与非线性介质相互作用。下面结合附图对这两种高次谐波的产生过程作一介绍：

附图1给出了第一种方法的框架图，将振荡器出来的激光耦合进放大器(再生放大、多通放大等)中，经过放大后的激光被聚焦透镜(L)聚到非线性介质上，此时激光峰值功率足够强，与介质发生作用，释放出高能量光子，即高次谐波，经过滤波片(F)滤除基波后进入探测器探测。这一结构的局限在于目前强激光系统的重复频率通常比较低，一般不高于千赫兹量级，尚难以实现高重复频率激光的放大。而在低重复频率的强激光系统中难以实现载波位相稳定，不能用于紫外光梳的获取，且其转换效率较低。

附图2给出了第二种方法的结构示意图，M1、M2、M3、M4四个镜子构成一无源腔，其自由光谱区等同于泵光(来自振荡器)的纵模间隔，从而泵光在腔内形成谐振通过前后脉冲的电场相干叠加而实现光放大，其放大倍数取决于谐振腔腔镜的镀膜，如反射率为99.9％时，放大倍数为1000倍，反射率为99.99％时，放大倍数为10000倍，因此通过改变腔镜的反射率我们就可以得到想要的激光峰值功率。非线性介质置于束腰处，此处光斑最小，光峰值功率最大，当峰值功率足够强时，便可得到高次谐波，高次谐波被插入腔内的布儒斯特片反射到探测装置上。这里由于谐振腔对色散控制的限制，因此作用在非线性介质上的激光的脉冲宽度通常都比较宽，一般为几十个飞秒，对高次谐波的获取来讲是不利的。

发明内容

本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供一种内腔产生高次谐波的方法，该方法将非线性介质直接置于激光振荡器内获取高次谐波，在激光振荡器内，由于腔镜以及介质等引入的色散可以得到很好的补偿，因此能够得到周期量级的激光脉冲，从而更有利于高次谐波的产生，周期量级的激光脉冲在载波位相锁定的情况下可以得到紫外光梳，还可以用于单个阿秒脉冲的获取。

本发明目的实现由以下技术方案完成：

一种内腔产生高次谐波的方法，包括激光振荡器、凹面镜和平面镜的选择，以及非线性介质的放置，其特征在于该方法将非线性介质直接置于激光振荡器内腔中。

所述的激光振荡器内腔中插入一个由两个相同的凹面镜组成的共焦腔，其中非线性介质置于该共焦腔的公共焦点处。

所述的激光振荡器为脉冲激光器。

所述的凹面及平面镜镀有与激光振荡器相匹配的高反膜。

所述的凹面镜的曲率半径的选择应保证焦点处的光峰值功率满足高次谐波要求。

所述的非线性介质可以是固体、液体、或者是气体。

所述的气体非线性介质通常是惰性气体原子及其离子、或者是稳定的团簇。

所述非线性介质需要置于真空室中。

本发明的优点是，结构简单，可以获取周期量级短脉冲，利于高次谐波产生，满足载波位相稳定的情况下，可以获得紫外光梳，利于获取单个阿秒脉冲。

附图说明

附图1现有技术利用激光放大器获取高次谐波的实验结构示意图；

附图2现有技术利用激光外腔获取高次谐波的实验结构示意图；

附图3本发明实施例1在激光振荡器腔内获取高次谐波的结构示意图；

附图4本发明实施例2在激光振荡器腔内获取高次谐波的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图通过实施例对本发明特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

本实施例的方法在激光振荡器内插入一个由两个相同的凹面镜组成的共焦腔，非线性介质置于该共焦腔的公共焦点处，激光在腔内形成谐振后，激光峰值功率足够强，经过非线性介质产生高次谐波。

激光振荡器可以为任意的脉冲激光器，脉宽越窄、腔内功率越大越容易产生高次谐波。

插入的凹面及平面镜镀有与该激光振荡器相匹配的高反膜，其中凹面镜的曲率半径只要能保证激光腔稳定以及焦点处的光峰值功率满足高次谐波要求即可，腔内的激光功率与输出镜的输出率成反比。

非线性介质可以是固体液体也可以是气体。主要是惰性气体原子及其离子，为提高转换效率也可以采用稳定的团簇。由于空气对高次谐波的吸收，因此非线性介质需要置于真空室中。

在下面的实施例中，以输出光中心波长为800nm的激光器为例，其他波段与该波段实施方法一致。

实施例1：

如图3所示，本方案采用的方法是，在由四片腔镜M1、M2、M3、0C以及激光增益介质T构成的四镜激光腔内加入了由M4、M5构成的共焦腔，并将非线性介质置于该共焦腔的焦点处。当腔内激光起振并锁模产生脉冲光后，腔内在非线性介质N处的激光峰值功率达到10¹⁴W/cm²时即发射出高次谐波。高次谐波经布儒斯特片B反射即可到达探测装置。

图3中标号M1、M2、M4、M5为镀有650-1000nm的宽带高反膜的凹面反射镜，其中M1与M2、M4与M5的曲率半径分别相同，本实施例中四个凹面镜的曲率半径均为100mm。M3为镀有650～1000nm的宽带高反膜的平面反射镜。0C为输出耦合镜，同样镀有650-1000nm的宽带膜。T为激光增益介质，针对不同的波段，可以选用不同的材料，本实施例中都选用了掺钛蓝宝石(Ti:S)。N为非线性介质，本实施例中采用惰性气体Xe。

实施例2：

如图4所示，本实施例与实施例1的区别在于增加了两个平面高反射镜M6、M7，激光在这两个镜子上可以多次反射，从而拉长了激光的实际腔长，降低重复频率，由于光峰值功率与重复频率成反比，因此可以获得更高的峰值功率。本实施例作用原理与实施例1相同。

本领域技术人员显然可以认识到，在这里对于激光腔的结构以及参数的选择并不局限于上述内容，只要能够保持激光腔的稳定并保证在非线性介质上的光斑足够小、光峰值功率足够大即可。另外只要对上述装置进行载波位相稳定的操作，就可以得到紫外光梳。因载波位相稳定技术已较为成熟，故在此不作赘述。

Claims (6)

1.一种内腔产生高次谐波的方法，激光振荡器内腔中含有凹面镜和平面镜，其特征在于该方法将非线性介质直接置于激光振荡器内腔中，所述非线性介质置于真空室中，所述的凹面镜的曲率半径的选择应保证焦点处的光峰值功率满足高次谐波要求。

2.根据权利要求1所述的一种内腔产生高次谐波的方法，其特征在于所述的激光振荡器内腔中插入一个由两个相同的凹面镜组成的共焦腔，其中非线性介质置于该共焦腔的公共焦点处。

3.根据权利要求1所述的一种内腔产生高次谐波的方法，其特征在于所述的激光振荡器为脉冲激光器。

4.根据权利要求1所述的一种内腔产生高次谐波的方法，其特征在于所述的凹面镜及平面镜镀有与激光振荡器相匹配的高反膜。

5.根据权利要求1所述的一种内腔产生高次谐波的方法，其特征在于所述的非线性介质是固体、液体、或者是气体。

6.根据权利要求5所述的一种内腔产生高次谐波的方法，其特征在于所述的气体非线性介质是惰性气体原子及其离子、或者是稳定的团簇。

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