CN102013627B - 线偏振啁啾超短激光脉冲的产生技术和补偿技术 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种线偏振啁啾超短激光脉冲的产生技术和补偿技术，具体包括线偏振啁啾超短激光脉冲的产生装置、产生方法、补偿装置、补偿方法。所述线偏振啁啾超短激光脉冲产生装置包括飞秒激光器和旋光介质，飞秒激光器产生的线偏振超短激光脉冲经过旋光介质后转变为线偏振啁啾超短激光脉冲。本发明线偏振啁啾超短激光脉冲的产生技术和补偿技术可有效地改善超短激光脉冲在非线性频率转换过程中的宽带相位匹配效果，从而提高转换效率和带宽。另外该技术还可用于超短脉冲整形等领域。

Description

线偏振啁啾超短激光脉冲的产生技术和补偿技术

【技术领域】

本发明涉及超快光学技术和非线性光学技术领域，特别涉及一种线偏振啁啾超短激光脉冲的产生技术和补偿技术。

【背景技术】

超短(飞秒)激光脉冲产生于上世纪八十年代末。它的超高时间分辨特性同时意味着它的宽光谱特性。啁啾脉冲放大技术充分利用它的宽光谱特性将超短脉冲的脉冲功率推向了拍瓦(10¹⁵W)高度。宽带光谱特性使得人们可方便地利用各种光学色散元件(如棱镜或光栅)对光脉冲进行时间整形。高时间分辨率、丰富的光谱成分和超高的脉冲功率使得超短脉冲激光在强场物理、超快成像、超精密加工和超快光通信等方面得到广泛应用。然而，超短激光脉冲的宽带特性也给许多应用场合带来了不便，比如非线性频率转换过程中的宽带相位匹配问题等。

【发明内容】

本发明提出一种线偏振啁啾超短激光脉冲的产生技术，即使激光脉冲内不同光谱分量具有不同的线偏振方向。同时也给出了相应的补偿技术，即使得激光脉冲内具有不同的线偏振方向不同光谱分量重新具有同一的线偏振方向。

本发明的技术方案如下：

一种线偏振啁啾超短激光脉冲产生装置，包括飞秒激光器和旋光介质，飞秒激光器产生的线偏振超短激光脉冲经过旋光介质后转变为线偏振啁啾超短激光脉冲。

所述的线偏振啁啾超短激光脉冲产生装置，其中，所述旋光介质是自然旋光介质或磁致旋光介质。

所述的线偏振啁啾超短激光脉冲产生装置，其中，所述旋光介质是自然旋光介质和磁致旋光介质的组合。

所述的线偏振啁啾超短激光脉冲产生装置，其中，所述磁致旋光介质是外加磁场的磁致旋光晶体。

一种线偏振啁啾超短激光脉冲产生方法，采用旋光介质使飞秒激光器产生的线偏振超短激光脉冲转变为线偏振啁啾超短激光脉冲。

所述的线偏振啁啾超短激光脉冲产生方法，其中，所述旋光介质是自然旋光介质或磁致旋光介质。

所述的线偏振啁啾超短激光脉冲产生方法，其中，所述旋光介质是自然旋光介质和磁致旋光介质的组合。

所述的线偏振啁啾超短激光脉冲产生方法，其中，所述磁致旋光介质是外加磁场的磁致旋光晶体。

一种线偏振啁啾超短激光脉冲补偿装置，包括飞秒激光器、第一旋光介质、第二旋光介质，飞秒激光器产生的线偏振超短激光脉冲经过第一旋光介质后转变为线偏振啁啾超短激光脉冲，线偏振啁啾超短激光脉冲经过第二旋光介质后转变为线偏振超短激光脉冲。

所述的线偏振啁啾超短激光脉冲补偿装置，其中，第一旋光介质和第二旋光介质是两个旋向相反且厚度相同的同类自然旋光介质的异构体。

所述的线偏振啁啾超短激光脉冲补偿装置，其中，第一旋光介质和第二旋光介质是两个型号相同且外加磁场方向相反的磁致旋光介质。

一种线偏振啁啾超短激光脉冲补偿装置，包括飞秒激光器、旋光介质、反射镜，飞秒激光器产生的线偏振超短激光脉冲经过旋光介质后转变为线偏振啁啾超短激光脉冲，线偏振啁啾超短激光脉冲经过反射镜反射后再次进入旋光介质，经过旋光介质后转变为线偏振超短激光脉冲。

所述的线偏振啁啾超短激光脉冲补偿装置，其中，所述旋光介质是自然旋光介质。

一种线偏振啁啾超短激光脉冲补偿方法，采用第一旋光介质使飞秒激光器产生的线偏振超短激光脉冲转变为线偏振啁啾超短激光脉冲，采用第二旋光介质使线偏振啁啾超短激光脉冲转变为线偏振超短激光脉冲。

所述的线偏振啁啾超短激光脉冲补偿方法，其中，第一旋光介质和第二旋光介质是两个旋向相反且厚度相同的同类自然旋光介质的异构体。

所述的线偏振啁啾超短激光脉冲补偿方法，其中，第一旋光介质和第二旋光介质是两个型号相同且外加磁场方向相反的磁致旋光介质。

一种线偏振啁啾超短激光脉冲补偿方法，采用旋光介质使飞秒激光器产生的线偏振超短激光脉冲转变为线偏振啁啾超短激光脉冲，采用反射镜将线偏振啁啾超短激光脉冲反射回旋光介质，线偏振啁啾超短激光脉冲再次经过旋光介质后转变为线偏振超短激光脉冲。

所述的线偏振啁啾超短激光脉冲补偿方法，其中，所述旋光介质是自然旋光介质。

本发明的技术效果：

本发明线偏振啁啾超短激光脉冲的产生技术和补偿技术可有效地改善超短激光脉冲在非线性频率转换过程中的宽带相位匹配效果，从而提高转换效率和带宽，还可用于超短脉冲时间域整形。

【附图说明】

图1是本发明线偏振啁啾超短激光脉冲产生装置第一实施方式的示意图；

图2是本发明线偏振啁啾超短激光脉冲产生装置第二实施方式的示意图；

图3为光波通过4.5mm厚的右旋石英旋光晶体后其偏振面转过角度和波长的关系曲线图；

图4为光波通过9.59mm厚的ZF6磁光玻璃后其偏振面转过的角度和波长的关系曲线图；

图5是本发明线偏振啁啾超短激光脉冲补偿装置第一实施方式的示意图；

图6是本发明线偏振啁啾超短激光脉冲补偿装置第二实施方式的示意图；

图7是本发明线偏振啁啾超短激光脉冲补偿装置第三实施方式的示意图。

【具体实施方式】

为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1是本发明线偏振啁啾超短激光脉冲产生装置第一实施方式的示意图。第一实施方式的线偏振啁啾超短激光脉冲产生装置包括飞秒激光器和石英旋光晶体。

由图可见，飞秒激光器产生的线偏振超短激光脉冲的各个光谱分量振动方向是一致的。所述线偏振超短激光脉冲通过一切割方向垂直于光轴方向的石英旋光晶体后转变为线偏振啁啾超短激光脉冲。

所述线偏振超短激光脉冲通过石英旋光晶体后，其线偏振特性不变，但其偏振面发生偏转。其偏转的角度α可用下式表示：

α＝ηL    (1)

上式中η、L分别为旋光系数和光通过的石英旋光晶体的厚度。这里参数η有个非常重要的特性就是它的大小与光波长有关，即旋光色散特性。由于旋光色散特性，使得所述线偏振超短激光脉冲的不同光谱分量具有不同的线偏振方向。

进一步地，为了便于理解，特举例如下：假设输出脉冲宽度为50fs，中心波长为800nm，则相应的谱宽约为20nm。此时该脉冲是线偏振的，而且脉冲的各个光谱分量振动方向是一致的。让该脉冲通过一切割方向垂直于光轴的石英旋光晶体，其旋光的波长相关性可用式(2)表示：

$\mathrm{\α}\left(\mathrm{\λ}\right)=\±(\frac{9.5639}{{\mathrm{\λ}}^2-0.0127493}-\frac{2.3113}{{\mathrm{\λ}}^2-0.000974}-0.1905)---\left(2\right)$

式中波长λ的单位是μm，转角α(λ)的单位为度/mm，“+”、“-”决定于左、右旋。右旋取“+”，左旋取“-”。

图2是本发明线偏振啁啾超短激光脉冲产生装置第二实施方式的示意图，第二实施方式的线偏振啁啾超短激光脉冲产生装置包括飞秒激光器和磁致旋光晶体。磁致旋光晶体在外加磁场的作用下，使线偏振超短激光脉冲转变为线偏振啁啾超短激光脉冲。

类似式(1)，磁致旋光效应偏转角可表示为：

α＝VBL    (3)

式中V、B和L分别为维尔德常数、磁感应强度和磁致旋光晶体的厚度。而维尔德常数V也是与光波长相关的，而且满足如下关系：

$V=(-\frac{e}{2\mathrm{mc}})\mathrm{\λ}\left(\frac{\mathrm{dn}}{\mathrm{d\λ}}\right)---\left(4\right)$

式中e/m为电子的荷质比，c、λ和n分别为真空中的光速、光波长和材料的折射率。

图3为光波通过4.5mm厚的右旋石英旋光晶体后其偏振面转过角度和波长的关系曲线图。由图上可以看出，光波经过右旋石英旋光晶体后，高频分量的偏振面转过的角度比低频分量大，而且所有频率分量的偏振面转过的角度均与右旋石英旋光晶体的厚度成正比。

图4为光波通过9.59mm厚的ZF6磁光玻璃后其偏振面转过的角度和波长的关系曲线图，此时的磁感应强度为0.445T。

对于ZF6磁光玻璃，(3)式可表示为：

$V=-0.2348\mathrm{\λ}\left(\frac{\mathrm{dn}}{\mathrm{d\λ}}\right)\mathrm{BL}---\left(5\right)$

除了上述的石英旋光晶体和磁致旋光晶体，为了达到所要求的线偏振啁啾超短激光脉冲，可以将多种不同的旋光介质组合使用，也可让自然旋光介质与磁致旋光介质组合使用。

线偏振啁啾超短激光脉冲将会引起激光脉冲的时间宽度展宽。虽然有些应用场合需要它的存在，但有时是不希望它存在的，所以需要有相应的补偿技术。这里提出三种线偏振啁啾超短激光脉冲补偿装置的实施方式，分别如图5、图6和图7所示。

当用自然旋光晶体引起线偏振啁啾超短激光脉冲时，有两种方法可实现理想的补偿。其中一种补偿方法是让线偏振啁啾超短激光脉冲经过另一个与产生线偏振啁啾超短激光脉冲所用的旋光介质的旋向相反但厚度相同的同类介质，如图5所示。一般自然旋光晶体都存在外形相同的左右两种旋向的异构体。这两种旋向是镜像的，所以可以做到理想的相互补偿效果。

另外，自然旋光晶体的旋光方向与光的传输方向无关，只由介质的结构决定。例如光通过一右旋自然旋光晶体，无论光束沿正反方向传播，迎着传输方向看，光的偏振面总是朝右向旋转的。因此另一种补偿方法是让线偏振啁啾超短激光脉冲被平面镜反射，光沿原路返回就可以理想地补偿线偏振啁啾超短激光脉冲，如图6所示。

当用磁致旋光晶体引起线偏振啁啾超短激光脉冲时，那么偏振面的旋转方向与外加磁场方向有关，这时有效的补偿方法是让光通过另一个同型号但磁场方向相反的磁致旋光晶体，如图7所示。

本发明线偏振啁啾超短激光脉冲的产生技术和补偿技术可有效地改善超短激光脉冲在非线性频率转换过程中的宽带相位匹配效果，从而提高转换效率和带宽。本发明所提供的技术可用于超短脉冲整形等领域。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域的技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种线偏振啁啾超短激光脉冲产生装置，其特征在于：包括飞秒激光器和旋光介质，飞秒激光器产生的线偏振超短激光脉冲经过旋光介质后转变为线偏振啁啾超短激光脉冲；

所述旋光介质是自然旋光介质或磁致旋光介质；

所述旋光介质为自然旋光介质时，所述自然旋光介质为石英旋光晶体；所述旋光介质为磁致旋光介质时，所述磁致旋光介质为磁致旋光晶体。

2.根据权利要求1所述的线偏振啁啾超短激光脉冲产生装置，其特征在于：所述磁致旋光介质是外加磁场的磁致旋光晶体。

3.一种线偏振啁啾超短激光脉冲产生方法，其特征在于：采用旋光介质使飞秒激光器产生的线偏振超短激光脉冲转变为线偏振啁啾超短激光脉冲；

所述旋光介质是自然旋光介质或磁致旋光介质；

所述旋光介质为自然旋光介质时，所述自然旋光介质为石英旋光晶体；所述旋光介质为磁致旋光介质时，所述磁致旋光介质为磁致旋光晶体。

4.根据权利要求3所述的线偏振啁啾超短激光脉冲产生方法，其特征在于：所述磁致旋光介质是外加磁场的磁致旋光晶体。

5.一种线偏振啁啾超短激光脉冲补偿装置，其特征在于：包括飞秒激光器、第一旋光介质、第二旋光介质，飞秒激光器产生的线偏振超短激光脉冲经过第一旋光介质后转变为线偏振啁啾超短激光脉冲，线偏振啁啾超短激光脉冲经过第二旋光介质后转变为线偏振超短激光脉冲；

第一旋光介质和第二旋光介质是两个旋向相反且厚度相同的同类自然旋光介质的异构体；

所述自然旋光介质为石英旋光晶体。

6.一种线偏振啁啾超短激光脉冲补偿装置，其特征在于：包括飞秒激光器、

旋光介质、反射镜，飞秒激光器产生的线偏振超短激光脉冲经过旋光介质后转

变为线偏振啁啾超短激光脉冲，线偏振啁啾超短激光脉冲经过反射镜反射后再次进入旋光介质，经过旋光介质后转变为线偏振超短激光脉冲；

所述旋光介质是自然旋光介质；

所述自然旋光介质为石英旋光晶体。

7.一种线偏振啁啾超短激光脉冲补偿方法，其特征在于：采用第一旋光介质使飞秒激光器产生的线偏振超短激光脉冲转变为线偏振啁啾超短激光脉冲，采用第二旋光介质使线偏振啁啾超短激光脉冲转变为线偏振超短激光脉冲；

第一旋光介质和第二旋光介质是两个旋向相反且厚度相同的同类自然旋光介质的异构体；

所述自然旋光介质为石英旋光晶体。

8.一种线偏振啁啾超短激光脉冲补偿方法，其特征在于：采用旋光介质使飞秒激光器产生的线偏振超短激光脉冲转变为线偏振啁啾超短激光脉冲，采用反射镜将线偏振啁啾超短激光脉冲反射回旋光介质，线偏振啁啾超短激光脉冲再次经过旋光介质后转变为线偏振超短激光脉冲；

所述旋光介质是自然旋光介质；

所述自然旋光介质为石英旋光晶体。

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