CN101609242B - 一种高效率产生紫外飞秒脉冲激光的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于激光技术领域，具体为一种高效率产生紫外飞秒脉冲激光的方法。该方法从两个同步的再生放大器激光源出发，通过连续多个窄带皮秒长脉冲激光与宽带啁啾皮秒长脉冲激光在非线性晶体中的和频，产生紫外波段的皮秒啁啾脉冲激光。最后经光栅压缩器压缩，得到紫外飞秒脉冲激光。本发明方法相对于宽带倍频的效率大为提高，可适用于需要紫外波段飞秒脉冲作为激光源的系统。

Description

一种高效率产生紫外飞秒脉冲激光的方法
技术领域
本发明属于激光技术领域，具体涉及一种基于窄带皮秒长脉冲激光与宽带啁啾皮秒长脉冲激光在非线性晶体中和频，高效率地产生紫外飞秒脉冲激光的方法。
背景技术
紫外飞秒脉冲激光，尤其是深紫外波段(DUV，200nm-300nm)的脉冲激光对应着许多分子重要的电子跃迁波长，也对应着许多分子的电离能。而且，紫外超短脉冲激光可以在飞秒时间尺度内表征分子中原子的运动。因此，紫外飞秒脉冲激光在化学和生物学研究中有重要的意义。
在紫外飞秒脉冲激光的产生方面，现在主要有以下两种方案。第一种方案是通过在稀有气体中的四波混频可以产生脉宽～10fs，波长在～200nm的紫外超短脉冲激光。(T.Fuji，T.Horio，and T.Suzuki.Generation of 12 fs deep-ultraviolet pulses by four-wave mixing throughfilamentation in neon gas[J]Opt.Lett2007，29：2481-2483)。但是由于三阶非线性效应的效率太低，利用稀有气体中的四波混频产生的紫外飞秒脉冲能量很低，仅局限在～10μJ。第二种方案是从钛宝石飞秒脉冲激光出发，利用二阶非线性效应例如倍频及和频来产生紫外飞秒脉冲激光。从钛宝石飞秒脉冲激光出发需要2～3个飞秒倍频或和频过程才能得到紫外脉冲激光。对于每一个飞秒脉冲倍频过程，由于飞秒脉冲带宽很宽，即使采用将飞秒脉冲角色散之后注入以使每一个频率分量在晶体中都满足位相匹配的方法，每一个飞秒脉冲倍频效率也只有10-20％。因此，产生紫外飞秒脉冲激光的总效率只有～1％甚至更低。
发明内容
针对现有的产生紫外飞秒脉冲激光的技术都存在产生效率过低的特点，本发明的目的是提出一种简便可行、高效率地产生紫外飞秒脉冲激光的方法。
本发明提出的高效产生紫外飞秒脉冲的方法，从已有的激光源出发，连续采用多次窄带皮秒长脉冲激光与宽带啁啾皮秒长脉冲激光在非线性晶体中和频，直到产生紫外波段的皮秒啁啾脉冲，然后再利用光栅压缩得到紫外波段的飞秒脉冲。相比于宽带倍频，窄带长脉冲与宽带啁啾长脉冲和频过程的光谱接收带宽主要由入射的宽带啁啾脉冲与产生的和频宽带脉冲之间的GVM(群速度失配)决定，而入射窄带长脉冲与另外两个脉冲之间的GVM作用可以忽略。因此，这种窄带长脉冲与宽带啁啾长脉冲和频效率要高于传统的宽带倍频效率。从已有的激光源出发，为了得到紫外波段脉冲需要进行多个(一般为3～4个)的二阶非线性和频过程，提高其中每一个二阶非线性和频过程的效率，产生紫外脉冲的总效率也会得到提高。
本发明具体采用的两个初始激光源一个为输出脉冲中心波长1053nm，脉冲能量1.5mJ，脉冲宽度75ps的Nd:YLF再生放大器(High Q Pico-Regen)，另外一个为输出脉冲中心波长800nm，脉冲能量0.5mJ，脉冲宽度90fs的Ti：sapphire再生放大器(Coherent Libra)。这两台重复率都为1kHZ的再生放大器时间上能够同步(时间抖动小于1ps)。为了使两个和频脉冲达到脉宽匹配以提高和频效率，将800nm的90fs脉冲展宽成25ps的啁啾脉冲。第一步和频由1053nm窄带皮秒激光源与啁啾展宽后的800nm宽带皮秒激光源在β-BBO晶体中相互作用，产生中心波长在455nm的啁啾皮秒脉冲。为了产生中心波长在紫外的激光脉冲，这样的和频过程还需要进行多次。具体的实现步骤由表1所示，表中几个和频过程用到的晶体都是β-BBO。利用初始两个激光源，最终可以得到中心波长在198nm的紫外脉冲激光。
作为一个例子，具体测量了β-BBO晶体中1053nm窄带皮秒脉冲与800nm宽带啁啾皮秒脉冲的和频效率。图1显示了当1053nm窄带皮秒脉冲能量固定为1.4mJ时，中心波长在455nm和频啁啾脉冲能量随入射的800nm啁啾脉冲能量的变化情况。由图1可以看出，产生的455nm和频啁啾脉冲的最高能量可以达到360μJ。由和频效率的计算公式η＝(455/800)*(E455nm/E800nm)，上述窄带长脉冲与宽带啁啾长脉冲的和频效率可以达到40％以上(其中E455nm和E800nm分别为455nm和800nm的脉冲能量)。这个和频效率相比于宽带倍频10％-20％的效率，确实有很大提高。采用光栅压缩器可以将产生的455nm的和频啁啾脉冲压缩至115fs。为了测量压缩后的455nm脉冲激光的脉宽，利用钛宝石再生放大器输出的800nm的飞秒脉冲与其做差频，观察互相关曲线。图2显示了800nm飞秒脉冲的自相关曲线及其光谱。图3显示了经光栅压缩后的455nm的和频飞秒脉冲的互相关曲线及其光谱。
附图说明
图1所示为其中一个和频过程中产生的和频啁啾脉冲能量变化情况。
图2所示为钛宝石再生放大器输出的800nm飞秒脉冲的自相关曲线及其光谱。
图3所示为光栅压缩后的和频飞秒脉冲的互相关曲线及其光谱。
图4所示为本发明的具体实现的结构图。
图中标号：M1、M2、M3、M4、M5、M6和M7为银镜，L1为焦距为500mm的凸透镜，L2为焦距为300mm的凸透镜，L3为焦距为400mm的凸透镜，GM1和GM2为屋脊镜，G1为光栅。
具体实施方式
下面结合附图进一步描述本发明。
图4显示的是中心波长为1053nm的窄带皮秒脉冲与中心波长为800nm的宽带啁啾皮秒脉冲在β-BBO晶体中和频的结构图。这是产生紫外波段脉冲激光所需的几个连续和频过程中的第一步和频。参与和频的两束激光分别来自Nd:YLF再生放大器和Ti：sapphire再生放大器。两台放大器输出脉冲重复率都是1kHZ，而且输出脉冲在时间上能够同步(时间抖动小于1ps)。Nd:YLF再生放大器的输出脉冲中心波长1053nm，脉冲能量1.5mJ，脉冲宽度75ps。Ti：sapphire再生放大器的输出脉冲中心波长为800nm，脉冲能量0.5mJ，脉冲宽度90fs。将Ti：sapphire再生放大器输出的90fs的脉冲展宽成25ps。两束参与和频的入射脉冲激光分别经焦距为500mm的凸透镜L1和焦距为300mm的凸透镜L2聚焦后，在晶体表面的光斑直径都约为240μm。所用的BBO晶体的长度为0.5mm，按第一类位相匹配角
Figure G2009100552330D00031
切割。为了能在晶体后将产生的和频光简单分出，两束和频入射光束在晶体内有很小的非共线角(～3°)。在光子数匹配的情况下，产生的和频脉冲激光最大能量可以达到360μJ，和频效率可达40％。产生的和频脉冲经焦距为400mm的凸透镜L3准直后进入光栅压缩系统。压缩之后的出射光束的脉冲宽度经互相关测量约为115fs。
表1
Figure G2009100552330D00032

Claims (1)

1.一种产生紫外飞秒脉冲激光的方法，其特征在于从中心波长为1053nm的窄带皮秒激光和中心波长为800nm的宽带啁啾皮秒激光出发，连续采用多次窄带皮秒长脉冲激光与宽带啁啾皮秒长脉冲激光在非线性晶体中的和频，产生紫外波段的啁瞅皮秒脉冲；再经光栅压缩得到紫外飞秒脉冲；其中：
所述中心波长为1053nm的窄带皮秒激光来自Nd:YLF皮秒再生放大器；所述中心波长为800nm的宽带啁啾皮秒脉冲激光由Ti:sapphire飞秒再生放大器输出的飞秒脉冲展宽得到；并且，Ti:sapphire飞秒再生放大器和Nd:YLF皮秒再生放大器出射激光脉冲在时间上同步，时间抖动小于1ps；
所述连续采用多次窄带皮秒长脉冲激光与宽带啁啾皮秒长脉冲激光在非线性晶体中的和频，是指对于第一次和频以后的每一个和频过程，入射的窄带长脉冲一直来自中心波长1053nm的窄带激光源，入射的宽带啁啾脉冲为上一步和频过程产生的和频啁啾皮秒脉冲。
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