CN100431228C - 一种基于级联非线性过程的高倍速率多级脉冲压缩方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于激光技术领域，具体为一种基于级联非线性过程的多级脉冲压缩方法。每一级均由一块非线性晶体以及一对光栅组成。本发明通过这种简单的方法来提高对高功率光脉冲的压缩倍数，可直接从皮秒(ps)级脉冲获得飞秒(fs)级脉冲。本级联压缩方法简单实用，压缩倍率高，输出脉冲质量好，并且它充分地利用了现有的商品化器件，经济成本低廉，具有非常广泛的应用前景。

Description

一种基于级联非线性过程的高倍速率多级脉冲压缩方法

技术领域

本发明属于激光技术领域，具体涉及一种通过提高对高功率皮秒光脉冲压缩倍数，方便地获得飞秒激光脉冲的方法。

背景技术

飞秒激光是一种以脉冲形式运转的激光，持续时间特别短，并且有非常高的瞬时功率。极大地推动了超快光物理，飞秒化学，飞秒生物和非线性光学等的研究。

目前的高功率飞秒激光器结构复杂，价格较为昂贵。因此，光脉冲压缩逐渐成为一种产生飞秒脉冲的重要技术。目前的脉冲压缩技术主要包括：(1)单模光纤压缩(J D Kafka，B HKolner，T Baer，D M Bloom，Compression of pulses from a continuous-wave mode-locked Nd：YAGlaser.Opt Lett 1984，9：505-506)。该技术主要受到高阶非线性以及光纤所能承受的损伤阈值的限制，因此只能达到nJ的脉冲能量。(2)利用充有高压纯净气体的中空毛细管的脉冲压缩技术(M Nisoli，S De Silvestri，O Svelto，Generation of high energy 10 fs pulses by a new pulsecompression technique.Appl Phys Lett 1996，68：2793-2795)。缺点在于其脉冲能量达到1mJ时会将气体电离，同时会产生严重的自聚焦效应。(3)基于大尺度材料的三阶非线性的脉冲压缩方法(C Rolland，P B Corkum，Compression ofhigh-power optical pulses.J Opt Soc Am B 1988，5：641-647)。这种方法严重地受到自聚焦的限制，并且光束还会发生形变影响输出脉冲的质量。(4)倍频压缩(Y J Wang，B Luther-Davies，Frequency-doubling pulse compressor forpicosecond high-power neodymium laser pulses.Opt Lett 1992，17：1459-1461)。它是对倍频光的压缩，无法获得短脉冲的基波脉冲激光，并且对三波的群速度要求较为严格，实验操作困难。

发明内容

针对现有的高功率光脉冲压缩的技术存在着结构复杂、压缩倍数低等问题，本发明的目的在于提供一种简便易行，可有效提高脉冲压缩倍数的方法。

本发明提出的提高脉冲压缩倍数的方法，是利用多个级联非线性过程。具体是一种通过多级的级联非线性的二阶脉冲压缩过程，来提高对高功率皮秒光脉冲压缩倍数，从而方便地获得飞秒激光脉冲。其中，每一级压缩过程，均由一块非线性BiBo晶体和一对光栅组成的色散器来实现；

使光脉冲通过BiBo晶体，调整入射光与晶体光轴的夹角，得到所需的位相的失配量，光脉冲在晶体中传播时由于级联非线性过程而感应到大量值的非线性相移；

光栅对色散器由两块光栅和两块透镜组成，按4f系统排列，通过选择光栅常数、透镜焦距以及各部分的相对位置，得到所需的色散量，补偿负值的频率啁啾，实现对脉冲的压缩，以获得较大的脉冲压缩倍数。

在前后两级压缩过程中，还使用一扩束器，该扩束器由一块凸透镜和一块凹透镜组成，选择两块透镜的焦距以及相对距离，使前一级压缩输出的基频光峰值光强衰减到与初始光场的峰值光强相同，以便两级压缩的实施。

本发明中，所述的多级的级联非线性二阶脉冲压缩过程的级数为2或3。

本发明中，选择倍频晶体长度和光栅对，使非线性相移与提供的正常色散量达到最佳配比，从而获得最优输出光质量与脉冲压缩倍数。

基于级联非线性的二阶脉冲压缩过程如图1所示，其中每一级都包括一个级联非线性过程以及一个色散补偿过程(由光栅对色散器实现)。

按照傅氏转换极限决定的时间带宽乘积，较宽的光谱(Δv)能支持更短的光脉冲(τ)。对于在时域中把皮秒脉冲压缩到飞秒量级，关键在于怎样才能得到更宽的光谱。脉冲在级联过程会感应到非线性相移(ΔΦ^nl)，导致频率啁啾，产生新的频率成分，从而展宽脉冲的光谱，这种方式产生的非线性相移量值大，并且可以避免自聚焦的影响。在每一级的压缩过程中，本发明均使光脉冲通过一块BiBO晶体(如图2中C1、C2)，调整入射光与晶体光轴的夹角，得到所需的位相失配量，光脉冲在晶体中传播时就会由于级联非线性过程感应到大量值的非线性相移，如图1中的1和4均代表了此级联过程。

位相失配时，第一类倍频产生过程中有等效于三阶非线性x⁽³⁾的二阶级联非线性效应，在此级联过程中可以使光谱得到充分展宽。在考虑到三阶非线性效应的同时，此过程中基频光与倍频光传播时相互作用的耦合波方程可以表示为：

$(\frac{\∂}{\∂z}+\frac{{\mathrm{iL}}_{\mathrm{NL}}}{{2L}_{D1}}\frac{{\∂}^2}{{\∂t}^2})E_1=i{E_1}^{*}{E}_2\exp \left(\mathrm{i\Δkz}\right)+i2\mathrm{\π}\left(n_2{I}_0\right)\×\frac{L_{\mathrm{NL}}}{\mathrm{\λ}}({\left|E_1\right|}^2+2{\left|E_2\right|}^2)E_1$

$(\frac{\∂}{\∂z}+\frac{L_{\mathrm{NL}}}{L_{\mathrm{GVM}}}\frac{\∂}{\∂t}+\frac{{\mathrm{iL}}_{\mathrm{NL}}}{2L_{D2}}\frac{{\∂}^2}{{\∂t}^2})E_2={\mathrm{iE}}_1{E}_1\exp (-\mathrm{i\Δkz})+i4\mathrm{\π}\left(n_2{I}_0\right)\×\frac{L_{\mathrm{NL}}}{\mathrm{\λ}}(2{\left|E_1\right|}^2+{\left|E_2\right|}^2)E_2$

方程中：E₁、E₂分别代表基频光与倍频光的慢变振幅包络，E₁ ^*为E₁的复共轭，并假定基频光为高斯脉冲，I₀为初始基频光的峰值光强，λ为基频光的中心波长，初始倍频光场设为E₂＝0，Δk(ω₀)＝k_2ω-2k_1ω为中心频率ω₀处的波失失配量，简记为Δk，k_1ω、k_2ω分别代表基频光与倍频光的波失，L_GVM是基频光与倍频光之间的群速度失配(GVM)长度，L_NL为非线性长度，n₂为非线性折射率系数，L_D1与L_D2分别代表在频率为ω与2ω时的色散长度，z为归一化的传播距离，t为归一化的时间。由于BiBO晶体二阶非线性系数(d_eff～3.7pm/V)较大、损伤阈值光强较高、空间走离角较小，因此选择BiBO作为倍频晶体。同时BiBO晶体在yz平面内的有效非线性系数相对较大，可以得到更大的非线性相移，则取yz平面作基于e+e→o的第一类倍频过程实现对基频光的光谱展宽。

在激光脉冲峰值附近的主要时间范围内，由于二阶级联过程感应的频率啁啾基本上是线性的，因此可以通过正常色散来补偿负值的频率啁啾，从而最终实现激光脉冲的压缩。本发明选择光栅对色散器提供正常色散(如图1中的2和5两部分)，光栅对色散器主要由两块光栅(如图2中一级压缩部分的G1、G2，二级压缩部分的G3、G4)以及两块透镜(如图2中一级压缩部分的L1、L2，二级压缩部分的L3、L4)组成，它们按4f系统排列。通过选择合适的光栅常数，透镜焦距以及各部分的相对位置，得到所需要的色散量，补偿负值的频率啁啾，实现对脉冲的压缩以获得较大的脉冲压缩倍数，其中屋脊镜(RM1、RM2)的作用是将入射和出射光线在垂直于纸面的方向分开，使色散器出射的光线不会被全反射镜挡住。

由于基频光与倍频光之间的群速度失配会造成脉冲时间上的走离，导致非线性的啁啾，这种非线性啁啾难以用正常色散来很好地补偿，脉冲就会产生小的旁瓣和脉冲本底。同时群速失配还会造成基频光在时域的不对称性以及光谱的展宽。对于较长的倍频晶体，群速失配的影响会增大，虽然可以得到更短的脉冲，但损耗也会增加，脉冲的畸变量增大。

由于群速失配的影响，级联过程会产生非线性频率啁啾，影响脉冲的有效压缩。但是当相位失配量足够大时，就可以使产生负值的非线性相移的正过程与逆过程在脉冲分开(由于群速失配)之前发生。在一般情况下脉冲压缩倍数正比于作用于初始脉冲上的非线性相移 ${\mathrm{\Δ\Φ}}^{\mathrm{nl}}\≈-\frac{{\mathrm{\Γ}}^2{L}^2}{\mathrm{\ΔkL}},$ 其中 $\mathrm{\Γ}={\mathrm{\ωd}}_{\mathrm{eff}}\left|E_0\right|/c\sqrt{n_{2\mathrm{\ω}}{n}_{\mathrm{\ω}}}$ (E₀为基频光振幅，n_ω、n_2ω为基频光与倍频光在晶体中的折射率，C为真空中的光速，L为晶体长度)。则当ΔkL越小时，非线性相移就越大。而在ΔkL较大时，虽然非线性相移相对较小，但群速度失配引起的负面影响可以得到抑制，并且基频光向倍频光的转换减少，从而降低了整个器件的插入损耗。为了得到较高的脉冲压缩倍数和较低的损耗，需要选择最优的ΔkL值来得到最佳的输出脉冲。本发明对ΔkL值的选择是通过模拟计算的结论图中来得出的，例如对于30ps的脉冲的压缩，从模拟计算图4和图5中可以看出，为得到最优的输出结果在第一级压缩中应选择ΔkL～40π，(一般为ΔkL＝40π±5)得到输出脉冲(图6(a))宽度为～2920fs，峰值光强提高到原来的～7.2倍。第二级压缩中选择ΔkL～60π，(一般为ΔkL＝60π±5)，得到输出脉冲(图6(b))宽度为～235fs，峰值光强提高～6.5倍，并且从图中可以看出在ΔkL变化不是很大的情况下，其取值对输出影响变化并不大，都可以得到比较理想的脉冲压缩效果。

在模拟计算中我们发现在选择晶体总长度相同的情况下，二级过程可比一级过程得到更大的非线性相移和更宽的光谱，脉冲压缩倍数就可以得到显著提高，同时脉冲的畸变量也会减少。所以本发明采用了两级的级联过程来进行脉冲的压缩，即在晶体总长度不变的情况下，采用分级的方法来得到更大的脉冲压缩倍数，通过如图1中所示的过程(6和7分别代表第一级与第二级的压缩过程)，从而可方便地由价格低廉的高能皮秒脉冲激光器，获得高功率的飞秒脉冲激光。

图1的两级脉冲压缩构型中，还使用了扩束器，由一块凸透镜(L5)和一块凹透镜(L6)组成(如图2)，选择合适的透镜焦距以及两透镜间的相对距离，就可以使第一级压缩输出的基频光峰值光强衰减到与初始光场的峰值光强相同，以便于两级压缩的实施和比较。

模拟计算表明本发明通过二级的脉冲压缩在理想情况下对皮秒光脉冲可以压缩～130倍，通过三级的过程可以得到～1000倍的压缩倍数。因此如果想要得到更短的光脉冲可以在选择晶体的总长度不变情况下减少每一块晶体的长度，采用多块晶体即通过增加脉冲压缩的级数来获得更高倍率的脉冲压缩。但是较多的压缩级数也会引起脉冲畸变量加大，使实验操作变得复杂，因此，一般使用二级或三级的级联压缩方法，在此过程中得到的脉冲压缩质量还是比较理想的(如图6)。

附图说明

图1基于级联非线性过程的二级脉冲压缩原理图。

图2二级脉冲压缩实验光路图。

图3所示光栅对色散器与扩束器的各元件之间距离的标注图示。

图4入射光脉冲脉宽为30ps时，总位相失配量Δk₁L对第一级压缩的影响。(a)曲线A1代表压缩后基频光脉宽，曲线B1显示了压缩光脉冲与入射光脉冲峰值光强之比；(b)曲线A2代表基频光损耗，曲线B2显示出补偿线性啁啾所需的正常色散量。其中峰值光强比为第一级压缩过程中出射光脉冲峰值光强与入射光脉冲峰值光强之比。

图5总位相失配量Δk₂L对第二级压缩的影响，(a)曲线A1代表压缩后基频光脉宽，曲线B1显示了压缩光脉冲与入射光脉冲峰值光强之比；(b)曲线A2代表基频光损耗，曲线B2显示出补偿线性啁啾所需的正常色散量。其中峰值光强比为第二级压缩过程中出射光脉冲峰值光强与入射光脉冲峰值光强之比。

图6(a)ΔkL＝40π，I₀＝30GW/cm²，L＝3cm时一级脉冲压缩的计算结果。(b)Δk₁L₁＝40π，Δk₂L₂＝60π，I₀＝30GW/cm²，L₁＝L₂＝3cm时二级脉冲压缩的计算结果。图中纵坐标分别显示了出射光脉冲峰值光强(I₁、I₂)与初始光脉冲峰值光强I₀之比。

图中标号：A为初始入射光脉冲，B为出射光脉冲，1、4均代表级联过程，3为扩束器，2、5为光栅对色散器，6、7分别代表第一级和第二级压缩过程；A为初始入射光脉冲，B为出射光脉冲，C1、C2为两块BiBO晶体，M1、M2为全反射镜，RM1、RM2为屋脊镜，G1、G2、G3、G4为光栅，L1、L2、L3、L4和L5为凸透镜，L6为凹透镜。

具体实施方式

下面结合附图进一步以模拟计算的实例描述本发明。

如图2所示，从典型的Nd：YAG锁模激光器输出的脉冲宽度为30ps、中心波长为1064nm的高斯脉冲经全反射镜M1入射到第一块长BiBO晶体上，我们是在BiBO晶体的yz平面来进行光谱展宽和脉冲压缩的，调整晶体使入射光与y轴夹角为10.69°，得到位相失配量Δk₁L～40π。光栅G1、G2(G3、34)，凸透镜L1、L2(L3、L4)以及屋脊镜RM1(RM2)构成光栅对色散器件，提供正常色散，对从晶体输出的脉冲进行压缩。调整使通过晶体后的光线与光栅G1表面法线夹角为72°。光栅G1、G2到凸透镜L1、L2表面距离d1、d3分别为200cm、172cm，凸透镜L1、L2之间的距离d2为400cm，提供的色散量～2.5×10⁷fs²。L1、L2、L3和L4为焦距为200cm的凸透镜。第一块BiBO晶体与第一组色散器构成了第一级的压缩系统，第二块BiBO晶体与第二组色散器构成了第二级的压缩系统。在一级与二级之间使用一个望远镜系统来进行扩束，凸透镜L5与凹透镜L6的之间的距离为168cm，使光强降为原来的1/7.2。同样在入射到第二块BiBO晶体时，调整使入射光与y轴夹角为10.45°，使Δk₂L为～60π。调整使通过晶体后的光线与光栅G3表面法线夹角为50°。光栅G3、G4到凸透镜L3、L4表面距离d4、d6分别为200cm、196cm，凸透镜L1、L2之间的距离d5为400cm，提供的色散量为～1.5×10⁵fs²。模拟计算结果表明经过第二块光栅后，输出脉冲脉宽为～230fs。从图6中可以看出经过两级的脉冲压缩输出脉冲的质量还是比较好的，并且得到了比较理想的脉冲压缩倍数。

图2中我们选择的各器件的参数为：A为脉宽为30ps的初始入射光脉冲，B为出射光脉冲。C1、C2为两块长3cm的BiBO晶体。M1、M2为全反射镜，RM1、RM2为屋脊镜，G1、G2为1000线/mm的光栅，G1、G2为800线/mm的光栅，L1、L2、L3和L4为焦距为200cm的凸透镜，L5为焦距为268cm的凸透镜，L6为焦距为-100cm的凹透镜。

Claims (3)

1、一种基于级联非线过程的高倍率多级脉冲压缩方法，其特征在于通过多级的级联非线性二阶脉冲压缩过程，来提高对高功率皮秒激光脉冲压缩倍数，从而获得飞秒激光；其中，每一级压缩过程，均由一块非线性BiBo晶体和光栅对色散器来实现；

使光脉冲通过BiBo晶体，调整入射光与晶体光轴的夹角，得到所需的位相的失配量，光脉冲在晶体中传播时由于级联非线性过程而感应到大量值的非线性相移；

光栅对色散器由两块光栅和两块透镜组成，按4f系统排列，通过选择光栅常数、透镜焦距以及各部分的相对位置，得到所需的色散量，补偿负值的频率啁啾，实现对脉冲的压缩，以获得较大的脉冲压缩倍数；

在前后两级压缩过程中，还使用一扩束器，该扩束器由一块凸透镜和一块凹透镜组成，选择两块透镜的焦距以及相对距离，使前一级压缩输出的基频光峰值光强衰减到与初始光场的峰值光强相同，以便两级压缩的实施。

2、根据权利要求1所述的基于级联非线过程的高倍率多级脉冲压缩方法，其特征在于所述的多级的级联非线性二阶脉冲压缩过程的级数为2或3。

3、根据权利要求1所述的基于级联非线过程的高倍率多级脉冲压缩方法，其特征在于选择倍频晶体长度和光栅对，使非线性相移与提供的正常色散量达到最佳配比，从而获得最优输出光质量与脉冲压缩倍数。

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