CN101330189A

CN101330189A - 近单光周期激光脉冲产生装置

Info

Publication number: CN101330189A
Application number: CNA2008100411639A
Authority: CN
Inventors: 王丁; 冷雨欣; 李小芳; 陈晓伟; 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: 2008-07-30
Filing date: 2008-07-30
Publication date: 2008-12-24

Abstract

一种近单光周期激光脉冲产生装置，特点是其构成包括：沿入射的超短脉冲激光前进方向依次的第一小孔光阑、聚焦透镜、充惰性气体的钢管、第一凹面反射镜、第一啁啾镜组、第二小孔光阑、第二凹面反射镜、内置空心光纤的充惰性气体钢管、第三凹面反射镜和第二啁啾镜组，所述的充惰性气体的钢管和内置空心光纤的充惰性气体钢管的两端用具有布儒斯特角的石英片密封。本发明装置具有高的脉冲压缩比、高的能量输出和好的光束质量，可获得近单光周期激光脉冲。

Description

近单光周期激光脉冲产生装置

技术领域

本发明涉及超短激光脉冲，特别是一种近单光周期激光脉冲产生装置。

背景技术

超快光学领域的许多研究应用需要极短的激光脉宽、较高的能量和较好的光束质量的激光脉冲，例如单个阿秒脉冲的产生，微观世界，尤其是生物分子水平上的动力学研究等。如何产生周期量级乃至单周期的脉冲是几十年来人们不断努力的方向，这一技术难题的解决对强场激光物理等领域有重大意义。

现有商品化的钛宝石飞秒激光器输出脉冲宽度一般在30飞秒(简写为fs)以上，乃至50fs，与实验中要达到的小于5飞秒(以800nm为中心，单周期脉冲宽度为2.7飞秒)的目标有一定距离。目前，周期量级脉冲乃至近单周期脉冲(以下简称“极短脉冲”)的基本产生方式有非共线光学参量放大(OPA)方法、充惰性气体空心光纤压缩方法和惰性气体成丝压缩方法。但是这些方法各有优缺点，如非共线OPA方法的光谱带宽受到相位匹配的限制，且由于相位匹配角的不同导致空间啁啾会很大；空心光纤压缩的方法因为要尽量避免气体电离，所以支持的能量不能高，同时由于光是在波导中以泄漏模方式行进的，加上不同模式的耦合及高阶模的强烈损耗，效率不够高，但这种方法的光谱展宽特性和空间选模特性好；惰性气体成丝压缩方法虽然能支持很高的能量，而且理论预计空间质量也会很好，但具体实现时受到影响的因素很多，比如初始脉冲的波前、光斑模式、峰值功率和气体的扰动等，从而压缩质量难以控制。这些基本方法有不同的实现方法，例如空心光纤使用气压梯度的方法，虽然产生接近10毫焦的能量，但脉宽不够短，实验装置也较复杂，需要保持稳定的气压梯度；使用大内径的空心光纤也能显著提高出射脉冲的能量；成丝压缩也有自压缩和啁啾镜辅助压缩。这些基本方法的不同组合又衍生出许多方法，例如，用两级空心光纤压缩，虽然脉宽能达到3.8飞秒，但是能量太低，只有微焦量级，不适合某些应用；用两级成丝的方式，能量能提高，但脉宽还不够短，而且光束质量不易控制。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服上述现有技术存在的缺点，提出一种近单个光周期激光脉冲产生装置，以获得高的脉冲压缩比、高的能量输出和好的光束质量。

本发明的技术解决方案的实质是利用惰性气体成丝压缩和空心光纤压缩之间的互补来扬长避短，既发挥级联压缩得到短脉宽的优势，又不以牺牲能量效率和光束质量为代价。成丝压缩技术有高的压缩效率，但光束质量不够理想；空心光纤压缩效率不够高，但光谱展宽特性和空间整形特性很好。二者结合就可以有高的脉冲压缩比，高的能量输出，好的光束质量。

本发明的具体技术解决方案是：

一种近单光周期激光脉冲产生装置，特点是其构成包括：沿入射的超短脉冲激光前进方向依次的第一小孔光阑、聚焦透镜、充惰性气体的钢管、第一凹面反射镜、第一啁啾镜组、第二小孔光阑、第二凹面反射镜、内置空心光纤的充惰性气体钢管、第三凹面反射镜和第二啁啾镜组，所述的充惰性气体的钢管和内置空心光纤的充惰性气体钢管的两端用具有布儒斯特角的石英片密封。

所述的第二凹面反射镜的焦距为1.5米。

本发明将惰性气体成丝压缩和空心光纤压缩结合起来，以成丝压缩做前级，空心光纤压缩做后级，前级利用了成丝压缩支持高能量的优点对脉冲做初步的压缩，后级利用了空心光纤光谱展宽特性好以及空间选模特性好的优点对脉冲做进一步的压缩和整形。

本发明的优点归纳如下：

1、本发明采用级联压缩的方法，与单级压缩方法相比，它将脉冲光谱展得更宽，其能支持的最短脉宽限也更短。

2、本发明的第一级使用惰性气体成丝压缩，在最小限度损失能量的前提下将脉冲进行初步的压缩。根据理论推断，较短的脉冲进入光纤后，光谱展宽会更加光滑更加宽，能支持更短的脉冲。这即是与单级光纤相比的优势所在。

3、本发明的第二级使用空心光纤压缩，进一步展宽了光谱，同时由于波导的选模性，光束质量也得到了优化，克服了成丝在光斑模式上的不足。

附图说明

图1为本发明近单个光周期激光脉冲装置结构示意图。

图2为初始脉冲的光谱展宽比较。

图3为测得的脉冲自相关图。

图4为理论模拟的自相关图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，图1为本发明近单个光周期激光脉冲装置结构示意图。图中：1是口径可调的第一小孔光阑，6是口径可调的第二小孔光阑。2是焦距1.5米的薄透镜，尽可能在初始脉冲波段范围内增透。充惰性气体的钢管3和内置空心光纤的充惰性气体钢管8的长度为160厘米，内径39毫米，前后由0.5毫米厚的石英片密封，其角度确保入射光以布如斯特角入射，从而减小反射损耗。管子由两个二维调整架支撑，确保入射光经轴线经过管子。其中充惰性气体的钢管3内充有氩气。内置空心光纤的充惰性气体钢管8中放有内径为250微米，长度1米的石英空心光纤，由一V形槽承载，使其轴线与管子轴线重合。内充氖气。第一凹面反射镜4和第二凹面反射镜7是焦距1.5米的凹面反射镜，要求反射光谱带宽要足够宽。5是第一啁啾组合镜，10是第二啁啾组合镜，用以补偿脉冲的正色散，压缩脉冲。第一啁啾组合镜5由两对啁啾镜组成，总计补偿量为-320fs²。第二啁啾组合镜10也由两对啁啾镜组成，总计补偿量-180fs²。第三凹面反射镜9是焦距75厘米的凹面镜。

本装置的工作原理：

激光器的输出脉宽为38飞秒，使用低于小孔光阑1选择脉冲能量0.9毫焦做为第一级的入射，经过透镜2的聚焦进入充惰性气体的钢管3。当入射脉冲的峰值功率大于管子中氩气的自聚焦功率时，就会发生成丝效应。成丝过程是复杂的动力学过程，空间自聚焦，等离子体形成与散焦等。当一束光中，自聚焦效应和等离子散焦相平衡时，就形成了一根丝。如果入射脉冲的能量很大，且波前相位畸变时，就会形成许多根丝，每根丝的峰值功率相等。第一小孔光阑1的使用就是压制多丝的形成，只产生单丝，确保光斑的空间质量。判断是否形成单丝除了峰值功率这个标准外，还有亮丝的长度，本装置形成的亮线是相应光束瑞利长度的好几倍，表明发生了动力学平衡，有成丝现象。输出脉冲能量大于0.8毫焦，效率超过90％。光斑中心是白亮的超连续谱。脉冲经第一凹面反射镜4准直后由第一啁啾镜5进行色散补偿。因为这时的光谱很宽，所以凹面反射镜的反射带宽要够，经过啁啾镜补偿后得到的脉冲由型号为SPIDER脉宽测量仪测量其脉宽在20飞秒以下。初步压缩的脉冲由第二凹面反射镜7聚焦耦合到所述的内置空心光纤的充惰性气体钢管8的空芯光纤中。因为空心光纤对模式EH11的损耗比其它的模都小很多，当焦斑恰好位于光纤入口时，由耦合模理论可知大部分能量分布在EH11模上。同时理论计算可知当焦斑直径是光纤内径的65％时，可以得到接近1的耦合效率。通过使用CCD测量不同焦距凹面镜的焦斑大小及位置，发现焦距1.5米的凹面镜焦斑大小符合最佳耦合条件，所以光路按照此参数搭建。当脉冲在光纤中行进时，由于自相位调制效应，光谱得到大大展宽。同时由于波导的选模作用，使得EH11这个模式被选出来。第二小孔光阑6用来滤掉成丝后中心光斑外围的晕，同时调整焦斑大小以达到最高的压缩效率。光纤出射的脉冲经过第三凹面反射镜9的准直，由第二啁啾组合镜10压缩得到最终的输出，能量为0.2毫焦，脉宽为4.7飞秒。图2表示的是初始脉冲经过各级的光谱展宽情况，理论计算可知最终的光谱支持最短脉宽限为3.4飞秒。图3是测得的最终脉冲的自相关图，和理论模拟结果图4对比可知这个脉冲的脉宽在4.7飞秒。由此可知压缩后的脉宽已经接近脉宽限，之所以会有这种差别，一个很大的限制因素在于啁啾镜对高阶色散的补偿不是很好。同时实验中我们发现实际展宽光谱在500纳米以下，但啁啾镜在500纳米以下时反射率不高，这就是光谱中出现的500纳米处的截断的原因。

Claims

1、一种近单光周期激光脉冲产生装置，特征是其构成包括：沿入射的超短脉冲激光前进方向依次的第一小孔光阑(1)、聚焦透镜(2)、充惰性气体的钢管(3)、第一凹面反射镜(4)、第一啁啾镜组(5)、第二小孔光阑(6)、第二凹面反射镜(7)、内置空心光纤的充惰性气体钢管(8)、第三凹面反射镜(9)和第二啁啾镜组(10)，所述的充惰性气体的钢管(3)和内置空心光纤的充惰性气体钢管(8)的两端用具有布儒斯特角的石英片密封。

2、根据权利要求1所述的近单光周期激光脉冲产生装置，其特征是所述的第二凹面反射镜(7)的焦距为1.5米。