CN102255233A - 用于紫外精密光谱连续产生的调控方法 - Google Patents

Abstract

用于紫外精密光谱连续产生的调控方法，其特点是：在使用高次谐波方法产生紫外精密光谱的过程中，通过调节单束周期量级飞秒脉冲的啁啾含量，可连续产生分立谱、连续谱、偶次谱、干涉谱这四种形式的紫外精密光谱；在选定一种形式紫外精密光谱稳定产生的基础上，引入第二束周期量级的飞秒光源，构建双色周期量级飞秒激光脉冲；通过改变第二束光源的强度、啁啾、偏振和脉冲宽度，以及通过合束片调节双色场的光线之间相对角度的改变，实现对每种形式紫外精密光谱的实时、多维调控。本发明调节方法简单、易操作；实现了多维精密调控。

Description

用于紫外精密光谱连续产生的调控方法

技术领域

本发明涉及用于紫外精密光谱连续产生的调控方法，具体的讲是调节周期量级飞秒脉冲的啁啾含量，连续产生四种形式的紫外精密光谱，并在此基础上，利用周期量级的双色场对各个形式的光谱进行实时、多维调控的方法。

背景技术

紫外光谱的波长范围介于可见光和X射线之间，在10～400nm范围内，具有其它波段光源所没有的特殊功用，例如：作为生物医学研究的探针、军事无感雷达、原子分子超短时间探针和构建超强场物理条件等等。因此，紫外光谱自光谱学创立以来一直都是研究学者们所关注的热点。目前，国内外对于紫外精密光谱的获得主要采用的是超快超强激光与气体介质发生强相互作用产生高次谐波的方法。该方法是通过电磁波激发电子隧穿电离离开原子核，电子在场中经过加速减速运动，最后回到母核并将在场中获得的能量释放出来，从而最终获得紫外波段的精密光谱。近年来，高次谐波的研究不断深入，在这一方法的研究过程中，人们逐渐了解到紫外精密光谱存在着四种频谱形式，包括：分立谱、连续谱、偶次谱、干涉谱。每一种紫外精密光谱由于其形式的不同也决定了其最终获得的时域脉宽、脉冲个数等光学属性的不同，在后期的实际应用中也将各自担任不同的角色，例如：连续谱获得的单个阿秒脉冲可以应用于需要高时间和空间分辨率的微观超快领域的研究过程；干涉谱获得的调制干涉条纹则包含了介质和驱动激光的各种信息，因此可以用来测量所产生的谐波脉冲的相位信息并且观察阿秒电子动态；偶次谱的调制信号则可以用来测量极短时间脉冲的周期，为生命医学和微观世界的科学研究提供工具。这些形式的光谱目前国际上都是通过不同的实验装置和系统分别获得的，其存在的主要缺点是，获得光谱的方法比较复杂不便于实际操作和使用。另外，由于紫外光谱本身具有强辐射性，能量转化效率低，操控难度高的特点，目前仍是超快激光科学研究的一个难点。更重要的是，我们知道，在某种技术的实际应用中都将涉及到的一个关键问题，就是必须对它进行精确的实时调节和反馈控制。但是，目前国际上还没有发现获得紫外精密光谱连续产生及其准确调节的方法。

发明内容

本发明公开了一种用于紫外精密光谱连续产生的调控方法，其目的在于克服现有技术中紫外精密光谱是通过不同的实验装置和系统分别获得，且获得光谱的方法复杂，不便于实际操作和使用等弊端。本发明采用已经同时申报发明专利的“一种实现双色激光场的啁啾参数独立调节系统”，将周期量级的飞秒光源与啁啾控制技术相结合，并通过双色场调控，实现对紫外光谱的四种形式进行精密实时控制。

所述已经同时申报发明专利的“一种实现双色激光场的啁啾参数独立调节系统”，是在飞秒激光器的脉冲压缩器入口处插入一块分束片，将光源分成两束，一束光与一套脉冲压缩器、中空光纤展宽压缩系统光路连接，另一束光经平面反射镜B后与另一套脉冲压缩器、中空光纤展宽压缩系统光路连接，然后经过反射镜延时系统、倍频晶体后，两束光通过一个合束片合为一束光，经可翻转的平面反射镜后，分别与高次谐波产生与探测装置、光谱位相干涉测量仪连接，构成双色激光场的啁啾参数独立调节系统。

用于紫外精密光谱连续产生的调控方法，其特征在于：

(A)在使用高次谐波方法产生紫外精密光谱的过程中，通过调节单束周期量级飞秒脉冲的啁啾含量，可连续产生分立谱、连续谱、偶次谱、干涉谱这四种形式的紫外精密光谱；

(B)在选定一种形式紫外精密光谱稳定产生的基础上，引入第二束周期量级的飞秒光源，构建双色周期量级飞秒激光脉冲；

(C)通过改变第二束光源的强度、啁啾、偏振和脉冲宽度，以及通过合束片调节双色场的光线之间相对角度的改变，实现对每种形式紫外精密光谱的实时、多维调控。

本发明所需的激光脉冲应为载波相位稳定的飞秒激光脉冲，载波相位的稳定性决定了后期获得的连续谱、干涉谱的稳定程度，也直接决定了对应的时域脉冲为单个阿秒脉冲还是阿秒脉冲序列。

周期量级飞秒激光脉冲的获得是通过中空光纤展宽压缩系统。中空光纤内充有惰性气体，飞秒激光与之发生强非线性作用，光谱被展宽，再通过啁啾镜对其进行脉宽压缩，从而获得周期量级的飞秒激光脉冲。该脉冲的脉冲宽度越窄，调节啁啾越容易产生不同形式的紫外精密光谱。

周期量级的飞秒激光脉冲与气体介质在高次谐波产生与探测装置内反应产生高次谐波，由于空气对高次谐波有很强的吸收作用，因此气体介质和高次谐波产生与探测装置应置于真空室中。生成的紫外精密光谱通过高次谐波产生与探测装置过滤收集，最后由紫外X射线成像，CCD记录光谱的图像信息，并实时显示出来。

双色周期量级飞秒激光脉冲是通过应用两台脉冲压缩器，使激光器的光源在进入压缩器之前便分开，分别进行压缩和进入中空光纤展宽压缩系统，从而获得两束独立的周期量级飞秒光源。这种做法，一方面避免了后期调节第一束光源的强度、啁啾时影响第二束光源的参数，另一方面也可以在后期两束光合束的过程中随时做出强度和啁啾量的调整。

两束双色周期量级飞秒光源经过合束镜片时，我们不能忽视该镜片对两束光源的能量和脉冲宽度的影响。拟采用先倍频第二束光源再使用双波长合束片的方法。这样，既高反了以基频周期量级飞秒光源，也增透了倍频周期量级飞秒光源，能量损耗达到最小，而倍频光光源的脉冲宽度也可以通过该束光源光纤系统后的啁啾镜进行预补偿，也不会影响它的脉冲宽度。

本发明的优点和积极效果：

1、本发明通过一个双色激光场的啁啾参数独立调节系统，使用单种的啁啾调节方法便可以获得四种不同形式的紫外精密光谱的连续产生，调节方法简单、易操作；

2、通过双色场调控，可在保证紫外精密光谱的四种形式有效产生的前提下，对每种形式的紫外精密光谱进行强度、光谱形式的精密和实时控制。

3、该方法对紫外精密光谱的调控参数包括两束光源各自的强度、脉冲宽度、偏振、啁啾量、相对时间延时以及空间入射角度，实现了多维精密调控。

附图说明

图1为本发明使用的双色激光场的啁啾参数独立调节系统结构示意图；

图2为本发明实施例1所获得的四种形式的紫外精密光谱图。

1.飞秒激光器中经过再生放大腔实现能量放大后的光脉冲，2.平面反射镜A，3.光栅，4.直角反射镜延时系统，5.脉冲压缩器，6.平面反射镜B，7.可调衰减片，8.中空光纤展宽压缩系统，9.高次谐波产生与探测装置，10.分束片，11.偏振片，12.反射镜延时系统，13.倍频晶体，14.合束片，15.可翻转的平面反射镜，16.光谱位相干涉测量仪。

(a)连续谱、(b)偶次谱、(c)干涉谱、(d)分立谱。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明加以详细描述。

在下面的实施例中，以输出光中心波长为800nm，脉冲宽度为40fs的激光器为例，其它波段与该波段实施方法一致。另外，在下面的实施例中，以BBO倍频晶体获得800nm光源的倍频光为例，其它获得不同波段光源的实施方法与该方法一致。

实施例1：

本发明采用已经同时申报发明专利的“一种实现双色激光场的啁啾参数独立调节系统”，结构如图1所示。是在飞秒激光器的脉冲压缩器5的入口处插入一块分束片10，将光源分成两束，一束光与一套脉冲压缩器5、中空光纤展宽压缩系统8的光路连接，另一束光经平面反射镜B6后与另一套脉冲压缩器5、中空光纤展宽压缩系统8的光路连接，然后经过反射镜延时系统12、倍频晶体13后，两束光通过一个合束片14合为一束光，经可翻转的平面反射镜15后，分别与高次谐波产生与探测装置9、光谱位相干涉测量仪16连接，构成双色激光场的啁啾参数独立调节系统。

紫外精密光谱连续产生的具体调控方法如下：

先获得周期量级的飞秒激光脉冲：由飞秒激光器中的再生放大腔引出能量放大后的光脉冲1，进入脉冲压缩器5，压缩后的激光脉冲通过可调衰减片7后，会聚到中空光纤展宽压缩系统8中，可获得脉宽近周期量级的飞秒激光(针对本实验选取脉宽范围：4～7fs)。该周期量级的光源进入高次谐波产生与探测装置9，产生紫外精密光谱，并可在探测装置上被实时显示。此时，我们通过调节光栅3与直角反射镜延时系统4之间的相对距离，可对这一脉冲内所包含的啁啾量进行调节，从而控制紫外精密光谱的四种光谱形式的产生。附图2即为使用实施例1所获得的四种形式的紫外精密光谱图。

由于本发明在分束片10和合束片14之间并联另一路完全相同的可独立调谐的啁啾飞秒激光。在这一路中也添加了一块可调衰减片7，方便激光强度的连续调节；增添了一块BBO倍频晶体13用于获得400nm的光源，其偏振状态通过偏振片11来改变。将偏振片11放置在中空光纤展宽压缩系统8之前，可以避免在周期量级光源的情况下，偏振片11对周期量级光源能量的损耗。新400nm周期量级的啁啾飞秒激光与初始的800nm啁啾飞秒激光的时域重合是通过一个延时系统12来控制的，空间重合只要在相互作用的气体介质中达到即可。通过调整合束片14的位置和角度实现两束光源在空间上光线之间夹角从零度到多角度范围的改变，从而研究双色场的夹角参数对紫外精密光谱产生的影响。

图1中给出的是两路脉冲光在进入高次谐波产生与探测装置9之前即合束的光路。由于所使用的合束片14是通过高反宽带800nm光且增透400nm光，来实现两束光的共线传播，因此，与两束光以一定的夹角入射的光路相比，400nm倍频光的脉宽会有所变化，此时也可以应用独立的脉冲压缩器调整啁啾，对该路光的脉冲宽度进行预补偿，从而使得共线和非共线两种情况下倍频光的脉宽保持相同。

从整个光路来看，挡掉400nm的这一路光源，便是800nm飞秒激光独立产生紫外精密光谱的光路。选定800nm飞秒激光独立产生的光谱形式后，再引入400nm倍频光，改变其强度、脉宽、啁啾量以及相对偏振，便可在不影响原光谱形式产生的前提下，对已产生的谐波的强度、频谱宽度实施有效的实时调控。此外，这一共线传播的双色激光场所包含的啁啾信息，可以通过翻转镜15反射到光谱位相干涉测量仪16中去，不断的加以测量确定。

我们的主要目的，就是通过对两束独立的飞秒光源的啁啾、强度、脉宽的恰当调节，实现紫外精密光谱的连续产生和多维调控。

如图2所示获得的四种形式的紫外精密光谱图，分别包含了连续谱(a)、偶次谱(b)、干涉谱(c)和分立谱(d)。这四种形式的光谱证明了啁啾对于周期量级飞秒激光脉冲产生紫外精密光谱的调节与控制能力。

Claims (1)

1.用于紫外精密光谱连续产生的调控方法，其特征在于：

(A)在使用高次谐波方法产生紫外精密光谱的过程中，通过调节单束周期量级飞秒脉冲的啁啾含量，可连续产生分立谱、连续谱、偶次谱、干涉谱这四种形式的紫外精密光谱；

(B)在选定一种形式紫外精密光谱稳定产生的基础上，引入第二束周期量级的飞秒光源，构建双色周期量级飞秒激光脉冲；

(C)通过改变第二束光源的强度、啁啾、偏振和脉冲宽度，以及通过合束片调节双色场的光线之间相对角度的改变，实现对每种形式紫外精密光谱的实时、多维调控。