CN105071209A - 一种超短脉冲激光系统压缩器调试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种超短脉冲激光系统压缩器调试方法。所述的调试方法包括如下内容：利用半透半反镜将振荡器输出的部分激光导出作为参考光，将该参考光与经过全系统的主激光导入同一个光谱仪产生干涉图案，此干涉图案中的亮纹及暗纹为谱域及空域综合等相位线，利用该等相位线的形状能够直观地判断剩余的二、三阶色散，调整压缩器平行光栅对的光栅间距及旋转角度，使等相位线变平、变宽，获得超短脉冲激光输出。利用本发明的方法可以直观、简便地对大型超短脉冲激光系统的压缩器进行调试。

Description

一种超短脉冲激光系统压缩器调试方法

技术领域

本发明涉及超短脉冲激光系统的压缩器调试方法,具体涉及一种基于谱域及空域综合等相位线的超短脉冲激光系统压缩器调试方法。

背景技术

目前获得高能、超短、超强脉冲激光的主要技术途径是啁啾脉冲放大技术，其基本工作原理是：利用展宽器（通常由棱镜、光栅等色散元件组成）将一束短脉冲激光在时域上进行展宽(由于每一时刻的瞬时频率不同，展宽后的脉冲被称为啁啾脉冲)，展宽后的激光脉冲在放大器中进行放大，提取足够的能量，最后再通过压缩器将脉宽压窄，从而获得极高的脉冲峰值功率。在通常的高能超短脉冲激光系统中展宽器会将脉冲展宽到原来的10³～10⁵倍，足够宽的脉宽使放大过程中的脉冲峰值功率不至于太高，能够有效地提高脉冲的能量而不会损坏光学元件，同时也克服或降低了激光传输过程中各种非线性效应的影响，但是，如果展宽器及系统其他元件引入的色散最终不能被压缩器较好地补偿，脉冲将不能得到有效的压缩，从而得不到所期望的高峰值功率激光输出。因此在大型超短、超强激光系统中，要获得超短脉冲激光输出, 在不引入其它色散调节手段的条件下需要对压缩器进行精细的调试以补偿全系统的色散。

目前通用的一些方法如下：1）采用条纹相机、自相关仪等方法测试脉宽，调整压缩器中的光栅间距，通过脉宽变化来判断压缩器的状态。该方法由于不能直观地反映二、三阶色散，通常很难较好地补偿剩余色散得到变换极限的脉宽。2）利用SPIDER、FROG等仪器对压缩后的脉宽及谱位相进行测试、利用测试得到的信息调试压缩器，使色散得到补偿。这种方法由于涉及非线性过程（倍频过程）需要较大能量的光才能产生信号，通常需要将振荡器的光进行放大，另外一般的SPIDER和FROG仪器的测试范围比较窄，需要采用复杂的方法高精度地控制展宽、压缩器的初装精度或对压缩器进行预调试。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种超短脉冲激光系统压缩器调试方法。

本发明的超短脉冲激光系统压缩器调试方法，包括如下内容：利用半透半反镜将振荡器输出的部分激光导出作为参考光，将该参考光与经过全系统的主激光导入同一个光谱仪产生干涉图案，此干涉图案中的亮纹及暗纹为谱域及空域综合等相位线，利用该等相位线的形状能够直观地判断剩余的二、三阶色散，调整压缩器平行光栅对的光栅间距及旋转角度，使等相位线变平、变宽，获得超短脉冲激光输出。

所述的参考光与主激光的光路长度要求为： L0=Lr+NΔc，其中L0为主激光的光路长度， Lr为参考光的光路长度， N可以为正整数、负整数及零，Δ为振荡器系列脉冲中相邻两脉冲的时间间隔，c为光速。

所述的参考光光路中的元件与主激光光路中压缩器后的附加元件的材料和厚度均相同。

利用等相位线的形状判断剩余二、三阶色散的过程为：干涉条纹为竖直方向且条纹间距疏密不均匀时表示剩余二阶色散量很大；干涉条纹为一“峰”一“谷”结构时表示二阶色散与三阶色散对脉冲的影响相当；干涉条纹中的一“峰”一“谷”结构消除后表示二阶色散得到了补偿，仅剩余三阶色散；干涉条纹为水平方向且宽度超过光谱宽度的90%时表示二、三阶色散均得到较好的补偿。

调试压缩器的过程为：通过调整压缩器中的光栅间距消除多余的二阶色散，然后通过旋转平行光栅对的角度及微调光栅间距使等相位线水平条纹区变宽，当该水平条纹区的宽度超过光谱宽度的90%时即认为二、三阶色散均已得到较好的补偿，此时可获得超短脉宽输出。

本发明直接利用振荡器的光与全系统压缩后的光进行谱域及空域干涉，利用干涉图案中的等相位线(干涉条纹)进行剩余色散的判断，调整压缩器中光栅对的偏转角度和间距，实现全系统剩余色散的补偿，从而获得极短的激光脉冲输出。该方法具有如下一些特点：1）与通常的自相关仪或SPIDER方法相比，不涉及倍频等非线性过程、可以在较低能量下进行测试和调试(可以直接利用振荡器输出的光进行调试)。2）测试、调试窗口较宽。自相关仪、SPIDER或FROG等仪器适用的工作范围通常在傅里叶变换极限条件附近(数百飞秒以下)，而该方法的适用范围从数百皮秒到数十飞秒。3）可以较直观地同时测试/调试二、三阶色散。通常的自相关仪、条纹相机等无法直观地反映不同阶次的色散量。总而言之,利用该方法可以在较大的范围内方便地对系统剩余色散进行测试和调试，获得极短的激光脉宽。

附图说明

图1 为本发明的光路排布示意图；

图2 为本发明的主激光与参考光的谱域及空域干涉图案；

图3 为本发明实施例获得的超短脉冲激光；

图中：1、2、3、4、5、6为反射镜，BS1、BS2为半透半反镜。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1 为本发明的光路排布示意图，振荡器输出数十兆赫兹重复频率的超短脉冲激光，利用展宽器将其在时域上进行展宽，然后在放大器中进行放大，提取足够的能量，最后再通过压缩器将脉宽压窄，从而获得极高的脉冲峰值功率。

本发明的核心是直接利用振荡器输出的一部分光作为参考光（由可移进移出光路的半透半反镜BS2导出），将该参考光与经过全系统的主激光导入同一个光谱仪产生干涉图案，此干涉图案中的亮纹及暗纹为谱域及空域综合等相位线，利用该等相位线的形状可以直观地判断剩余的二、三阶色散，调整压缩器平行光栅对的光栅间距及旋转角度，使等相位线变平、变宽，即可获得极短脉宽输出。

振荡器产生数十兆赫兹重复频率的脉冲序列，产生干涉的参考光脉冲与主激光脉冲可以是该序列脉冲中的同一个脉冲,也可以是该序列脉冲中的不同子脉冲，主激光与参考光光路长度需满足的条件为： L0=Lr+NΔc，其中L0为主激光的光路长度， Lr为参考光的光路长度， N可以为正整数、负整数及零，Δ为振荡器系列脉冲中相邻两脉冲的时间间隔，c为光速。这意味着参考光与主激光的光路长度可以相等、也可以不相等，可以根据实际条件的便利进行光路排布。

为了获得同时具有光谱干涉及空间干涉信息的图案，产生干涉的光斑在光谱仪前的口径需要数毫米以上，光谱仪采用带狭缝的光栅光谱仪。

为了消除附加元件自身的色散对系统色散测量的影响，参考光光路中的元件与超短脉冲激光系统压缩器后的附加元件引入的附加色散是一致的，采用相同材料、相同厚度的元件进行分光及取样可以实现这一点。

利用等相位线（干涉条纹）的形状判断剩余二、三阶色散的过程为：干涉条纹为竖直方向且间距疏密不均匀时表示剩余二阶色散量很大(图2a)；干涉条纹为一“峰”一“谷”结构时表示二阶色散与三阶色散对脉冲的影响相当（图2b）；干涉条纹中的一“峰”一“谷”结构消除后表示二阶色散得到了补偿，仅剩余三阶色散（图2c）；干涉条纹为水平方向且宽度超过光谱宽度的90%时表示二、三阶色散均得到较好的补偿（图2d））。

上述方法中依据等相位线的形状调试压缩器的过程如下：剩余二阶色散量很大时可通过调整压缩器的光栅间距使干涉图案由(图2a)变换至(图2b)再至（图2c），最后通过旋转平行光栅对的角度及微调光栅间距使等相位线水平条纹区变宽，当该水平条纹区的宽度超过光谱宽度的90%时即认为二、三阶色散均已得到较好的补偿，此时可获得极短脉宽输出。

本发明实施例中的振荡器为钛宝石飞秒振荡器，产生的超短脉冲激光重复频率为77MHz、脉宽20fs、中心波长800nm，经展宽器、放大器及压缩器后由反射镜1及半透半反镜BS1导入光栅光谱仪（（Acton SP2750,测谱精度<0.02nm）。

本实施例中在展宽器前插入半透半反镜BS2将振荡器产生的超短脉冲激光反射一部分作为参考光，该参考光经反射镜2、反射镜3、反射镜4、反射镜5、反射镜6后再经半透半反镜BS1透射，最后进入光谱仪。

反射镜4及反射镜5置于移动导轨之上，可以同时平移，不影响参考光的指向，可以调整参考光路的长度使参考光和主激光光路的长度满足条件： L0=Lr+NΔc，其中L0为主激光的光路长度， Lr为参考光的光路长度， N可以为正整数、负整数及零，Δ为振荡器系列脉冲中相邻两个脉冲的时间间隔，c为光速。

本实施例中的半透半反镜BS1与BS2的厚度均为3cm、材料为熔石英材料，因此对主激光与参考光引入的附加色散是一致的，由此可以在压缩器后得到极短的激光脉宽（几乎与振荡器输出的变换极限脉冲一致）。

图2为由光谱仪得到的主激光与参考光的谱域及空域干涉图，横坐标为光谱，纵坐标为空间位置分布，该图案既包含光谱干涉信息又包含空间干涉信息，干涉条纹是一种谱域及空域相结合的等相位线。

通过调整压缩器中平行光栅对的光栅间距及旋转角度获得了(图2d)的干涉图案，此时自相关仪测得的激光脉冲宽度为19.6fs（图3）。

Claims (5)

1.一种超短脉冲激光系统压缩器调试方法，其特征在于，所述的调试方法包括如下内容：利用半透半反镜将振荡器输出的部分激光导出作为参考光，将该参考光与经过全系统的主激光导入同一个光谱仪产生干涉图案，此干涉图案中的亮纹及暗纹为谱域及空域综合等相位线，利用该等相位线的形状能够直观地判断剩余的二、三阶色散，调整压缩器平行光栅对的光栅间距及旋转角度，使等相位线变平、变宽，获得超短脉冲激光输出。

2.根据权利要求1所述的超短脉冲激光系统压缩器调试方法，其特征在于, 所述的参考光与主激光的光路长度要求为： L0=Lr+N‧Δ‧c，其中L0为主激光的光路长度， Lr为参考光的光路长度， N可以为正整数、负整数及零，Δ为振荡器系列脉冲中相邻两脉冲的时间间隔，c为光速。

3.根据权利要求1所述的超短脉冲激光系统压缩器调试方法，其特征在于，所述的参考光光路中的元件与主激光光路中压缩器后的附加元件的材料和厚度均相同。

4.根据权利要求1所述的超短脉冲激光系统压缩器调试方法，其特征在于，利用等相位线的形状判断剩余二、三阶色散的过程为：干涉条纹为竖直方向且条纹间距疏密不均匀时表示剩余二阶色散量很大；干涉条纹为一“峰”一“谷”结构时表示二阶色散与三阶色散对脉冲的影响相当；干涉条纹中的一“峰”一“谷”结构消除后表示二阶色散得到了补偿，仅剩余三阶色散；干涉条纹为水平方向且宽度超过光谱宽度的90%时表示二、三阶色散均得到较好的补偿。

5.根据权利要求1所述的超短脉冲激光系统压缩器调试方法，其特征在于，调试压缩器的过程为：通过调整压缩器中的光栅间距消除多余的二阶色散，然后通过旋转平行光栅对的角度及微调光栅间距使等相位线水平条纹区变宽，当该水平条纹区的宽度超过光谱宽度的90%时即认为二、三阶色散均已得到较好的补偿，此时可获得超短脉宽输出。