CN105186275A - 飞秒脉冲激光的载波包络相位锁定装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种飞秒脉冲激光的载波包络相位锁定装置，包括自相位调制器，用于将飞秒放大激光器射出的第一飞秒脉冲激光光谱展宽后射出第二飞秒脉冲激光；载波包络相位调节元件，用于将所述第二飞秒脉冲激光分成第三飞秒脉冲激光和第四飞秒脉冲激光，并调节所述第三飞秒脉冲激光的载波包络相位；负色散压缩装置，用于将所述第三飞秒脉冲激光的脉宽压缩得到亚十飞秒量级的第五飞秒脉冲激光；载波包络相位测量装置，用于测量所述第四飞秒脉冲激光的载波包络相位；以及载波包络相位调节装置，其用于根据所述第四飞秒脉冲激光的载波包络相位调节所述第一飞秒脉冲激光的载波包络相位。本发明实现了精确锁定飞秒脉冲激光的载波包络相位。
Description
技术领域
本发明涉及激光光学装置，具体涉及飞秒脉冲激光光学装置。
背景技术
自从A.Braun于1996年首次观察到飞秒脉冲激光在空气中传输时形成的细丝现象(即成丝现象)之后，研究者开始研究飞秒激光驱动成丝的原理，并将其广泛用于大气的测量领域，例如用于大气污染物的测量、室内空气检测和毒气检测等。细丝形成过程中主要有两个物理机理在起作用：自聚焦效应和自散焦效应。当由介质克尔效应产生的自聚焦效应与由光束衍射和空气电离产生的等离子体所形成的自散焦效应相互平衡时就会产生成丝现象。气体成丝中包含许多复杂的线性和非线性过程,例如自相位调制、自聚焦、群延迟色散、拉曼散射、电离等。
M.Krüger于2011年发现亚十飞秒量级(10飞秒以内)的超短脉冲激光具有一个特殊意义的物理量：载波包络相位，通过改变超短脉冲激光的载波包络相位实现了对成丝电导率的控制。
为了对成丝电导率进行精确控制，目前面临的一个问题是精确锁定飞秒脉冲激光的载波包络相位。
发明内容
本发明要解决的技术问题是精确锁定飞秒脉冲激光的载波包络相位。
本发明的一个实施例提供了一种飞秒脉冲激光的载波包络相位锁定装置，包括：
自相位调制器，用于将飞秒放大激光器射出的第一飞秒脉冲激光光谱展宽后射出第二飞秒脉冲激光；
载波包络相位调节元件，用于将所述第二飞秒脉冲激光分成第三飞秒脉冲激光和第四飞秒脉冲激光，并调节所述第三飞秒脉冲激光的载波包络相位；
负色散压缩装置，用于将所述第三飞秒脉冲激光的脉宽压缩得到亚十飞秒量级的第五飞秒脉冲激光；
载波包络相位测量装置，用于测量所述第四飞秒脉冲激光的载波包络相位；以及
载波包络相位调节装置，其用于根据所述第四飞秒脉冲激光的载波包络相位调节所述第一飞秒脉冲激光的载波包络相位。
优选的，所述载波包络相位调节装置包括：
位于所述第一飞秒脉冲激光光路上的棱镜对；以及
棱镜对调节装置，用于根据所述第四飞秒脉冲激光的载波包络相位调节所述棱镜对在所述第一飞秒脉冲激光光路上的插入量。
优选的，所述载波包络相位调节元件为尖劈，用于将所述第二飞秒脉冲激光的一部分透射得到所述第三飞秒脉冲激光，且将所述第二飞秒脉冲激光的另一部分反射得到所述第四飞秒脉冲激光。
优选的，所述自相位调制器为空心光纤，所述飞秒脉冲激光的载波包络相位锁定装置包括光束准直装置，用于将所述第一飞秒脉冲激光准直地入射到所述空心光纤中。
优选的，所述光束准直装置包括：
分束镜，用于反射所述第一飞秒脉冲激光的一部分得到第六飞秒脉冲激光，且透射所述第一飞秒脉冲激光的另一部分得到第七飞秒脉冲激光；
第一凹面镜和位置敏感探测器，所述第一凹面镜用于将所述第七飞秒脉冲激光汇聚并反射到所述位置敏感探测器上。
优选的，所述光束准直装置还包括：
爬高镜，用于增加所述第一飞秒脉冲激光与水平面的高度，使得所述第一飞秒脉冲激光与所述空心光纤位于同一水平面上；以及
第一导光镜，用于将所述爬高镜射出的第一飞秒脉冲激光反射到所述分束镜上。
优选的，所述光束准直装置还包括位于所述爬高镜和第一导光镜之间的凸透镜；所述飞秒脉冲激光的载波包络相位锁定装置还包括第二凹面镜和第二导光镜，所述第二凹面镜用于将所述第三飞秒脉冲激光的光束变成平行光束并反射到所述第二导光镜上，所述第二导光镜将其接收的入射光反射到所述负色散压缩装置。
优选的，所述载波包络相位测量装置为f-2f干涉仪。
优选的，所述f-2f干涉仪包括沿直线依次排列的离轴抛物面镜、倍频晶体、滤光片、1/2波片、偏振分束器和光谱仪。
优选的，所述负色散压缩装置为啁啾压缩器。
本发明的载波包络相位锁定装置能实现精确锁定飞秒脉冲激光的载波包络相位，并且能够调节飞秒脉冲激光的载波包络相位。
附图说明
以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：
图1是本发明第一个实施例的飞秒脉冲激光的载波包络相位锁定装置的光路图。
图2是图1的飞秒脉冲激光的载波包络相位锁定装置中的光谱仪测量的载波包络相位图。
图3是本发明第二个实施例的飞秒脉冲激光的载波包络相位锁定装置的光路图。
图4是本发明第三个实施例的飞秒脉冲激光的载波包络相位锁定装置的光路图。
图5是利用图4的飞秒脉冲激光的载波包络相位锁定装置驱动空气成丝的示意图。
图6是成丝电导率随载波包络相位相对改变量变化的曲线图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图通过具体实施例对本发明进一步详细说明。
图1是本发明第一个实施例的飞秒脉冲激光的载波包络相位锁定装置的光路图。飞秒脉冲激光的载波包络相位锁定装置10包括空心光纤11、尖劈12、啁啾压缩器13、f-2f干涉仪14和载波包络相位调节装置15。
飞秒放大激光器100是一台采用钛宝石激光晶体作为增益介质的克尔透镜锁模飞秒激光器，其发射出频率1kHz、单脉冲能量0.8毫焦、光谱范围为730nm～830nm、脉宽25飞秒的飞秒脉冲激光L1。
飞秒放大激光器100发射的飞秒脉冲激光L1入射至空心光纤11中，与空心光纤11中的氖气发生自相位调制效应从而实现飞秒脉冲激光L1的扩谱。空心光纤11射出频率1kHz、单脉冲能量0.4毫焦、光谱范围为590nm～1190nm、脉宽25飞秒的飞秒脉冲激光L2。
飞秒脉冲激光L2入射至尖劈12上，尖劈12用于透射大部分飞秒脉冲激光L2得到飞秒脉冲激光L3并入射至啁啾压缩器13中，且反射少部分飞秒脉冲激光L2得到飞秒脉冲激光L4并入射至f-2f干涉仪14中。通过调节尖劈12在激光光路上的插入量从而线性改变飞秒脉冲激光L3的载波包络相位。在本实施例中，尖劈12的插入量增加46.8微米时，飞秒脉冲激光L3的载波包络相位增加π。
啁啾压缩器13包括用于提供负色散的7片啁啾镜和一片导光镜131，其中每对啁啾镜提供的负色散为-25fs2。7片啁啾镜将飞秒脉冲激光L3的脉宽压缩，经导光镜131反射后射出周期1kHz、单脉冲能量0.25毫焦、脉宽7飞秒的飞秒脉冲激光L5。
f-2f干涉仪14用于测量飞秒脉冲激光L4的载波包络相位，其包括沿直线依次布置的离轴抛物面镜141、倍频晶体142、绿光滤光片143、1/2波片144和偏振分束器145和光谱仪146。离轴抛物面镜141将飞秒脉冲激光L4聚焦后反射至倍频晶体142中，倍频晶体142产生的倍频光和基频光沿同一方向透过绿光滤光片143和1/2波片144后入射至偏振分束器145中发生干涉，光谱仪146测量干涉光从而获得飞秒脉冲激光L4的载波包络相位。
载波包络相位调节装置15包括位于飞秒脉冲激光L1光路中的棱镜对151和棱镜对调节装置152。棱镜对调节装置152根据光谱仪126所测量的载波包络相位信号，通过调节棱镜对151在飞秒脉冲激光L1光路中的插入量来改变飞秒脉冲激光L1的载波包络相位，进而对飞秒脉冲激光L2的载波包络相位进行锁定。由于飞秒脉冲激光L2在经过尖劈12和啁啾压缩器13过程中并未引入非线性过程，因此飞秒脉冲激光L5和飞秒脉冲激光L2的载波包络相位相差一个固定值，最终间接地实现锁定飞秒脉冲激光L5的载波包络相位。在一个优选的实施例中，棱镜对调节装置152是压电陶瓷微位移器，基于压电陶瓷的逆压电效应，在压电陶瓷两端施加电压引起压电陶瓷机械变形，发生变形的压电陶瓷改变棱镜对151在飞秒脉冲激光L1光路中的插入量。
图2是图1的飞秒脉冲激光的载波包络相位锁定装置中的光谱仪测量的载波包络相位图。根据图2可以看出，在0-500秒内，飞秒脉冲激光L4的载波包络相位基本上保持不变，即实现了飞秒脉冲激光L4的载波包络相位的锁定。根据上面的分析结论可知，图2验证了本发明的飞秒脉冲激光的载波包络相位锁定装置10间接地锁定飞秒脉冲激光L5的载波包络相位。
图3是本发明第二个实施例的飞秒脉冲激光的载波包络相位锁定装置的光路图。其与图1基本相同，区别在于，飞秒脉冲激光的载波包络相位锁定装置20还包括设置在棱镜对151和空心光纤11之间的光束准直装置26。光束准直装置26用于使得棱镜对151透射的飞秒脉冲激光L1准直地入射到空心光纤11中。光束准直装置26包括爬高镜261、导光镜262、分束镜263、凹面镜264和位置敏感探测器265。
爬高镜261用于增加飞秒脉冲激光L1离样品台(或工作台)的高度使其与空心光纤11位于同一水平面上，并改变飞秒脉冲激光L1的传播方向后，经导光镜262反射到分束镜263上。分束镜263是一种透射反射镜，用于反射大部分光线、且透射少部分光线。分束镜263反射的飞秒脉冲激光L6入射至空心光纤11中，且分束镜263透射的飞秒脉冲激光L7入射到凹面镜264上。凹面镜264将飞秒脉冲激光L8聚焦并反射到位置敏感探测器265上。因此基于位置敏感探测器265探测的信号强弱可以判断飞秒脉冲激光L6、L7的方向，并结合调节爬高镜261、导光镜262、分束镜263实现飞秒脉冲激光L6准直入射到空心光纤11中。
图4是本发明第三个实施例的飞秒脉冲激光的载波包络相位锁定装置的光路图。如图4所示，光束准直装置26’与图3的光束准直装置26基本相同，区别在于，其还包括位于爬高镜261和导光镜262之间的凸透镜266。由于商业化的飞秒放大激光器100发射的飞秒脉冲激光L1的光斑直径为15毫米左右，经过凸透镜266聚焦后，飞秒脉冲激光L6的光斑直径显著减小，因而能全部入射至空心光纤11中，避免激光能量浪费。飞秒脉冲激光的载波包络相位锁定装置30还包括凹面镜31和导光镜32。空心光纤11射出发散的飞秒脉冲激光L2，凹面镜31将发散的飞秒脉冲激光L3变成平行光并反射至导光镜32上。导光镜32将凹面镜31反射的激光以合适的角度反射至啁啾压缩器13中。通过导光镜32对激光的反射，可以很方便的将啁啾压缩器13固定安装在工作台的合适位置上。
图5是利用图4的飞秒脉冲激光的载波包络相位锁定装置30驱动空气成丝的示意图。如图5所示，成丝电导率测量电路200包括串联的恒压电源201、铜片对202和电阻203，以及用于测量电阻203的电压信号的示波器204。其中恒压电源201提供的电压为200伏，铜片对202的间距为10毫米，铜片厚度为0.2毫米，电阻203的阻值为50欧姆。凹面镜205将啁啾压缩器13发射出的飞秒脉冲激光L5聚焦后穿过铜片对203，铜片对203中间产生由氧气电离获得的自由电子，通过测量电阻203的电压最大值从而计算得到成丝的电导率。
图6是成丝电导率随载波包络相位相对改变量变化的曲线图。其中纵坐标是成丝电导率的相对强度(a.u.表示电导率归一化了)。通过调节尖劈12在飞秒脉冲激光L2光路上的插入量，调节载波包络相位相对改变量在0-2π过程中，成丝电导率以π为周期做周期性变化。从而说明本发明的飞秒脉冲激光的载波包络相位锁定装置30可以通过调节尖劈12的插入量来周期性改变成丝电导率。
在本发明的其他实施例中，啁啾压缩器13中可以不具有导光镜131。啁啾压缩器13中啁啾镜的数目可以多于或少于7片。
在本发明的其他实施例中，还可以采用色散棱镜或光栅对等其他负色散压缩装置代替上述实施例中的啁啾压缩器13。
本发明并不限于使用空心光纤11对飞秒脉冲激光的光谱展宽，还可以使用其他的自相位调节器用于光谱展宽。
在本发明的其他实施例中，可以采用其他能线性改变飞秒脉冲激光的载波包络相位的载波包络相位调节元件代替上述实施例中的尖劈12或棱镜对151。
在本发明的其他实施例中，还可以用一个分束镜替换光束准直装置26中的导光镜262和分束镜263，其中该分束镜用于反射大部分光束至空心光纤11中，并将少部分光束透射至凹面镜264上。
虽然本发明已经通过优选实施例进行了描述，然而本发明并非局限于这里所描述的实施例，在不脱离本发明范围的情况下还包括所作出的各种改变以及变化。
Claims (10)
1.一种飞秒脉冲激光的载波包络相位锁定装置，其特征在于，包括：
自相位调制器，用于将飞秒放大激光器射出的第一飞秒脉冲激光光谱展宽后射出第二飞秒脉冲激光；
载波包络相位调节元件，用于将所述第二飞秒脉冲激光分成第三飞秒脉冲激光和第四飞秒脉冲激光，并调节所述第三飞秒脉冲激光的载波包络相位；
负色散压缩装置，用于将所述第三飞秒脉冲激光的脉宽压缩得到亚十飞秒量级的第五飞秒脉冲激光；
载波包络相位测量装置，用于测量所述第四飞秒脉冲激光的载波包络相位；以及
载波包络相位调节装置，其用于根据所述第四飞秒脉冲激光的载波包络相位调节所述第一飞秒脉冲激光的载波包络相位。
2.根据权利要求1所述的飞秒脉冲激光的载波包络相位锁定装置，其特征在于，所述载波包络相位调节装置包括：
位于所述第一飞秒脉冲激光光路上的棱镜对；以及
棱镜对调节装置，用于根据所述第四飞秒脉冲激光的载波包络相位调节所述棱镜对在所述第一飞秒脉冲激光光路上的插入量。
3.根据权利要求1所述的飞秒脉冲激光的载波包络相位锁定装置，其特征在于，所述载波包络相位调节元件为尖劈，用于将所述第二飞秒脉冲激光的一部分透射得到所述第三飞秒脉冲激光，且将所述第二飞秒脉冲激光的另一部分反射得到所述第四飞秒脉冲激光。
4.根据权利要求1所述的飞秒脉冲激光的载波包络相位锁定装置，其特征在于，所述自相位调制器为空心光纤，所述飞秒脉冲激光的载波包络相位锁定装置包括光束准直装置，用于将所述第一飞秒脉冲激光准直地入射到所述空心光纤中。
5.根据权利要求4所述的飞秒脉冲激光的载波包络相位锁定装置，其特征在于，所述光束准直装置包括：
分束镜，用于反射所述第一飞秒脉冲激光的一部分得到第六飞秒脉冲激光，且透射所述第一飞秒脉冲激光的另一部分得到第七飞秒脉冲激光；
第一凹面镜和位置敏感探测器，所述第一凹面镜用于将所述第七飞秒脉冲激光汇聚并反射到所述位置敏感探测器上。
6.根据权利要求5所述的飞秒脉冲激光的载波包络相位锁定装置，其特征在于，所述光束准直装置还包括：
爬高镜，用于增加所述第一飞秒脉冲激光与水平面的高度，使得所述第一飞秒脉冲激光与所述空心光纤位于同一水平面上；以及
第一导光镜，用于将所述爬高镜射出的第一飞秒脉冲激光反射到所述分束镜上。
7.根据权利要求6所述的飞秒脉冲激光的载波包络相位锁定装置，其特征在于，
所述光束准直装置还包括位于所述爬高镜和第一导光镜之间的凸透镜；
所述飞秒脉冲激光的载波包络相位锁定装置还包括第二凹面镜和第二导光镜，所述第二凹面镜用于将所述第三飞秒脉冲激光的光束变成平行光束并反射到所述第二导光镜上，所述第二导光镜将其接收的入射光反射到所述负色散压缩装置。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的飞秒脉冲激光的载波包络相位锁定装置，其特征在于，所述载波包络相位测量装置为f-2f干涉仪。
9.根据权利要求8所述的飞秒脉冲激光的载波包络相位锁定装置，其特征在于，所述f-2f干涉仪包括沿直线依次排列的离轴抛物面镜、倍频晶体、滤光片、1/2波片、偏振分束器和光谱仪。
10.根据权利要求1至7中任一项所述的飞秒脉冲激光的载波包络相位锁定装置，其特征在于，所述负色散压缩装置为啁啾压缩器。
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| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |