CN105917273B

CN105917273B - 具有极高时域对比度的短光脉冲发生器

Info

Publication number: CN105917273B
Application number: CN201480065250.1A
Authority: CN
Inventors: N·福盖特
Original assignee: Fastlite SARL
Current assignee: Fastlite SARL
Priority date: 2013-11-28
Filing date: 2014-11-28
Publication date: 2020-06-16
Anticipated expiration: 2034-11-28
Also published as: US9823542B2; WO2015079181A1; CN105917273A; EP3074816B1; EP3074816A1; FR3013854A1; LT3074816T; US20170038660A1; FR3013856A1; FR3013856B1

Abstract

一种用于生成短光脉冲的系统，该短光脉冲在波长λ具有极高时域对比度，该系统包括：‑光脉冲发生器B1，发出波长基本等于λ的脉冲，‑光脉冲发生器P、B2，发出波长基本等于2＊λ/3的脉冲，‑重组设备R，用于将来自发生器的脉冲重组，‑参数放大设备A，接收所述重组设备R的输出作为输入，‑滤波器F2，从参数放大设备A的输出中提取中心位于波长基本等于2＊λ的频带，‑第二谐波发生器NL，接收所述滤波器F2的输出作为输入，‑中心位于波长基本等于λ的滤波器F3，从由第二谐波发生器NL产生的脉冲中提取第二谐波波长。

Description

具有极高时域对比度的短光脉冲发生器

技术领域

本发明涉及一种具有极高时域对比度的短光脉冲发生器。

背景技术

通常，可知脉冲激光源由光发射的时域约束表征。该约束允许在组合了非常短持续时间和非常强的瞬时功率的条件下，对于激光脉冲的给定能量，实现激光-物质相互作用。该脉冲的第一特征是其持续时间，诸如例如由发射功率为最大功率一半的两个时刻之间的时间间隔所限定的持续时间(半高度持续时间)。但是，该特征不足以定义源的恰当性质。事实上，低功率水平的存在，例如在以显著大于在半高度持续时间(例如数皮秒)的时延偏离最大时刻的时刻，最大功率的千分之一，可能极大地干扰激光-物质相互作用。以举例的方式，如果中心脉冲的前面是超出围绕固体目标的气氛的离子化限制的干扰功率水平，那么高功率密度的脉冲与固体目标的相互作用将完全被干扰。该限制可以远远低于最大功率。

因此，将使用时域对比度表征超短脉冲源。时域对比度的概念指的是在一个点的光照度(表示为W或W/cm²)最大值和在同一点但在不同时刻的照度之间的强度比率。该对比度的特征在于相对于主脉冲在不同的时延具有不同的值。例如：在3ps是10⁴和在100ps是10¹⁴。

作为能够产生损害对比度的干扰功率水平的机制的例子，可以列举：

-自发发射和放大的自发发射，存在于所有激光放大器中，

-参数荧光，存在于所有光学参数放大器中，

-主脉冲的复制脉冲，这是由所穿过的透明介质的光学表面上的反射所引起的，

-在脉冲序列中提取主脉冲时的干扰或残余脉冲，

-由放大系统、光束传输系统、介电处理(反射或防反射薄层)、或者还由在谱色散系统(例如拉丝)中使用的光学器件表面的缺陷，引起的幅度或谱相位的一些缺陷，

-非线性效应，其耦联并加重前述机制。

发明内容

本发明的目的是最小化前述影响。一旦这些影响减少至实际上可能地最小，需要向源内引入改进对比度的方法。一种可能性是使用一种或多种非线性光学效应，这些光学效应被布置为使得设备的效率在最大强度周围比远离该最大值的时间更强，这是因为这些效应根据入射信号的功率的依赖性。

本发明给出具有在光学参数放大器架构周围构建的高时域对比度的源。文献中描述了通过参数效应进行的超短激光脉冲的放大。中心光学频率为f1的“信号”脉冲在具有非线性光学性质的材料中与更高功率(“泵”脉冲)且光学频率为f的脉冲相互作用。“信号”脉冲的频率内容应当较宽，以允许产生起短脉冲，“泵”脉冲一般具有较窄谱带。在相互作用过程中，一部分“泵”脉冲能量转移到放大的“信号”脉冲。同时，第三脉冲被生成并共同放大。该第三脉冲在英文文献中由术语“闲频”(“idler”)表示，并且能量守恒关系施加在该脉冲上以获得冲心频率f2＝f-f1。

为了生成强功率的脉冲，将参数放大原理和频率偏移放大原理组合，该频率偏移放大原理包括临时扩展“信号”脉冲和“泵”脉冲以减小瞬时功率，放大的“信号”在后来被再压缩以获得短脉冲。因此，这就是所谓的频率偏移参数放大，在英文文献中由首字母缩写OPCPA(Optical Parametric Chirped Puise Amplification，光学参量啁啾脉冲放大)表示。

应当注意到，参数放大机制自身有助于改善对比度，放大仅在“泵”脉冲有效存在并且强烈的时刻发生。

在文献(Miller等人的PCT WO2005/112207A1)中已经描述了如下照明源，其将这种参数放大器与诸如第二谐波发生器或频率差发生器之类的外部非线性光学设备组合，以便于增大可覆盖的频率范围。

本发明使用这种组合，但是其目的不同，旨在改善高脉冲对比度。本发明的独特性质，尤其使其与Miller等人不同的是，设备的输出频率是固定的并且刻意地等于在“信号”信道上的输入频率。对于本领域技术人员而言清楚的是，显然耗能且复杂的该问题不再明显，并且本发明的光学功能不再是简单的次级光源的功能。

根据其原理，本发明特别地包括如下元件：

-参数放大器，其使得频率为f的“泵”与中心位于频率f1＜f的宽频带“信号”脉冲相互作用。

-滤光器，其允许从所述参数放大器的输出中提取中心位于频率f2＝f-f1的“闲频”脉冲。

-第二谐波发生器，其允许从所述“闲频”脉冲获得中心位于频率2＊(f-fi)的宽频带脉冲。

根据该原理，f1的最大值是f，这对应于“闲频”频率为零。对于中心在频率f1＝2＊f/3的“信号”，“闲频”的中心频率为f2＝f-2＊f/3＝f/3。因此，第二谐波发生器的输出的中心在频率2＊f/3＝f1。“信号”的中心频率(f1＝2＊f/3)的选择，是唯一允许借助于频率差然后是第二谐波的生成来找回原始中心频率。该选择在维持有效地分离几何形状中所涉及的信号的可能性的同时对于生成大频带的脉冲也是最优的，在该几何形状中“泵”、“信号”、“闲频”光束在同一方向上传播。“信号”和“闲频”频带的不重叠事实上准许使用分色镜。与此同时，光束之间共线相互作用几何形状允许确保良好的光束空间质量。

如果频率为f1的“信号”的源独立于频率为f的“泵”激光，那么本发明的实施要求在这两个激光源之间的复杂同步机制，以便于确保它们同时存在于参数放大器中。本发明的优选实施因此包括例如根据例如Cerullo等人描述的方法(“Ultrafast opticalparametric amplifiers”，Rev.Sci.Instrum.74，1(2003))，从“泵”脉冲生成“信号”的源。已知基于非线性光学的多种机制，用于从较窄频带和不同中心频率的强脉冲生成宽带脉冲。例如，其涉及在光纤中与玻璃的非线性相互作用，与实心晶体的非线性相互作用，或者与空心光纤内的气体的相互作用。将使用这种类型的相互作用，以从频率为f的“泵”生成包含频率2＊f/3的宽谱脉冲。谱滤波器可以从该宽谱中提取用于形成“信号”脉冲的频率，该“信号”脉冲随后由参数放大器放大。

第二种可能性是通过下列等效机制从“信号”脉冲生成“泵”源：使用非线性相互作用，以从频率为2＊f/3的“信号”生成包含频率f的宽谱脉冲。谱滤波器从该宽谱中提取用于形成“泵”脉冲的频率，该“泵”脉冲随后由激光功率放大器放大。

由Adachi等人描述(“1.5mJ，6.4fs parametric chirped-pulse amplificationsystem at 1 kHz”，Optics Letters，Vol.32，Issue 17，PP.2487-2489(2007))的第三种可能性是，使用产生脉冲的源，该脉冲具有同时覆盖了频率f和频率2＊f/3的频带。谱滤波器从该初始宽谱中提取频率间隔，该频率间隔随后由激光功率放大器放大，并且最后由第二谐波的生成而转换，以形成“泵”脉冲。第二谱滤波器从初始宽谱中提取用于形成“信号”脉冲的频率，该“信号”脉冲随后由参数放大器放大。

简言之，本发明的原理允许基于窄谱的并且频率为f的“泵”脉冲，来增大中心位于频率f1＝2＊f/3的宽谱的同步脉冲的时域对比度。由下列元素确保高时域对比度：

-参数放大原理，其仅在泵持续时间期间操作，

-围绕频率f1、随后f2＝f-f1、随后2＊f2＝f1的带通滤波器，其减少来自泵以及存在的其他颜率的干扰信号，

-第二谐波的生成，其减少除主脉冲之外的所有弱功率信号。

根据本发明，一种用于使用参数放大原理来生成短光脉冲的系统，所述短光脉冲具有极高时域对比度并频谱的中心位于波长λ，其特征在于其包括：

-第一光脉冲发生器，发出持续时间小于10皮秒、波长基本等于λ的脉冲，

-第二光脉冲发生器，发出持续时间小于10皮秒、波长基本等于2＊λ/3的脉冲，

-重组设备，用于将来自第一发生器和第二发生器的脉冲共线地重组，

-参数放大设备，接收所述重组设备的输出作为输入，

-滤波器，从参数放大设备的输出中提取中心位于波长基本等于2＊λ的频带，

-第二谐波发生器，接收在前面的所述滤波器的输出作为输入，

-中心位于基本等于λ的波长的另一个滤波器，从由所述第二谐波发生器产生的脉冲中提取第二谐波波长。

第一光脉冲发生器可以使用通过掺杂有铒离子的材料进行放大的放大装置。

根据第一实施方式，第一光脉冲发生器和第二光脉冲发生器可以是两个不同的源，该系统还包括用于使这两个源同步的装置。

根据第二实施方式，第一脉冲发生器可以包括非线性装置，用于使用由第二脉冲发生器提供的波长基本等于2＊λ/3的脉冲，发出持续时间小于10皮秒、波长基本等于λ的脉冲。

根据第三实施方式，第二脉冲发生器包括非线性装置，用于使用由第一脉冲发生器提供的波长基本等于λ的脉冲，发出持续时间小于10皮秒、波长基本等于2＊λ/3的脉冲。

根据本发明的系统还可以包括：

-设置在重组设备之前的附加的时延和相位控制设备，以便优化参数放大设备中的非线性效应；以及优选地，

-在设置在参数放大设备的输出处的滤波器内的附加的延时和相位控制设备，以便优化第二谐波发生器内的非线性效应。

本发明还涉及一种用于生成具有极高时域对比度、频谱的中心位于波长λ/2的短光脉冲的系统，其特征在于该系统使用根据本发明的用于生成具有极高时域对比度的短光脉冲、频谱的中心位于波长λ的系统以及还使用另一第二谐波发生器。

有利地，这种系统包括用于生成与通过使用掺杂钛的蓝宝石材料进行的放大兼容的波长λ/2的装置。

附图说明

下文将参考随附附图，作为非限制性实例描述根据本发明的系统的多个实施方式，在附图中：

图1a和1b是根据本发明的系统的实施例的示意图；

图2示意性地示出了在图1的系统的不同步骤获得的谱；以及

图3-1至3-7是本发明的其他不同实施方式的示意图。

具体实施方式

通过考虑图1a和1b中所示出的以下实施例，将更好地理解本发明。

如图1a中所示，根据本发明的系统1首先包括泵源P。泵源P由基于含镱离子的放大器材料的脉冲发生/放大链构成。泵源P发射频率标为f的强脉冲。在所示出的例子中，相对应的波长为1030nm。

该源的光输出由分离器BS分成分别注入到两个支路B1和B2中的光束。

支路B1的光束聚焦在允许生成至少覆盖1300-1900nm范围的超连续谱(SC)的YAG(掺钕的钇铝石榴石)晶体中。该超连续谱的输出被注入到允许选择中心在频率f1＝2＊f/3的信号的滤波器F1中。在所示出的例子中，频率f1对应于等于1545nm的波长。支路B1的光束用作“信号”信道。

支路B2的光束用作“泵”信道。

这两个光束在重组设备R中被共线地组合，并且被注入到参数放大设备A中。有利地，“信号”脉冲和“泵”脉冲在重组之前已经被时延和相位控制设备(DCDP)修改，以获得支路B1和B2的脉冲的最优时域重叠，以便优化频率偏移参数放大机制。有利地，参数放大设备A基于掺杂MgO的铌酸锂晶体，其极化被周期性反转(“周期性极化的铌酸锂”)。这种类型的设备确保1030nm、中心位于频率f的脉冲和包括在频带1300-1900nm中、中心位于频率f1的脉冲之间的相位几乎一致，从而允许在大频谱带上以及在“信号”的共线配置中的放大，该“信号”的中心位于频率f1，此处对应于波长1545nm。

中心位于3090nm的“闲频”输出被由一个或多个分光镜构成的滤波器F2选择。如此选择的输出被注入同样作为第二谐波发生器工作的MgO：PPLN类型的非线性晶体NL2中。低通型滤波器F3选择对应于第二谐波的＜2000nm谱带，其中心位于作为原始“信号”的波长的1545nm，该波长对应于频率f1。

图2示意性地示出了在系统的不同步骤获得的谱：

-谱2a是泵的谱；

-谱2b是超连续谱的谱；

-谱2c是在滤波器F1的输出获得的谱；

-谱2d是在参数放大器A的输出获得的谱；

-谱2e是在滤波器F2的输出获得的谱；

-谱2f是在第二谐波发生器NL的输出获得的谱；以及

-谱2g是在滤波器F3的输出获得的谱。

滤波器F3的输出被注入到压缩器C内，以从频率偏移脉冲获得短脉冲中的一个短脉冲。

如此生成的脉冲可以直接用作具有高对比度的超短红外脉冲。如图1B中所示意的那样，其还可以被注入到第二谐波发生设备NL2中，并且被滤波器F4过滤以获得中心大致在772nm、对应于频率为4＊f/3的脉冲，其因此可以由基于掺杂钛的蓝宝石晶体的再生放大器放大。

如此使用的本发明是改进再生放大器的对比度的技术的替代方案。本发明还允许通过参数放大和第二谐波生成的两个级的相继效应来获得极高的对比度。

有利地，本发明可以包括现有技术中可用的装置，以：

-确保支路B1和B2的脉冲之间的稳定同步性，以及这些脉冲之间的稳定相位关系，

-被动和/或主动地使脉冲的绝对相位稳定，

-确保NL2之前的最优压缩，

-调节滤波器的频谱宽度，并且因此调整脉冲的持续时间。

来自支路B1和B2的脉冲可以是在不失去普遍性的情况下来自两个同步的光源，下文称为发生器S和P。为清楚起见，将本发明的实施和应用方式概括在图3-1至3-7的示意图中：

·图3-1示出了本发明的实施，其具有两个独立的发生器P和S；

·图3-2示出了本发明的实施，其具有两个独立的发生器P和S以及第二谐波生成SH；

·图3-3示出了本发明的实施例，其中发生器S从发生器P产生；

·图3-4示出了本发明的实施例，其中发生器P从发生器S产生；

·图3-5示出了本发明的实施例，其中发生器S和P由光学、电子或机械属性的机构M同步；

·图3-6示出了本发明的实施例，其中发生器S从发生器P产生，该实施例在S和R之间以及在F2内包含时延和相位控制设备(DCDP)，以优化设备A和NL中的非线性效应；

·图3-7示出了本发明的实施例，其中发生器S从发生器P产生，该实施例包含时延和相位控制设备(DCDP)并且包含第二谐波生成设备(SH)。

当然，本发明不局限于上文描述的例子。

Claims

1.一种使用参数放大原理的短光脉冲的系统，所述短光脉冲具有关于波长λ的极高时域对比度谱，该系统包括：

-第一光脉冲发生器(S)，发出持续时间小于10皮秒、波长等于λ的脉冲，

-第二光脉冲发生器(P)，发出持续时间小于10皮秒、波长等于2＊λ/3的脉冲，

-重组设备(R)，用于将来自第一光脉冲发生器(S)和第二光脉冲发生器(P)的脉冲共线地重组，

-参数放大没备(A)，接收所述重组设备(R)的输出作为输入，

-滤波器(F2)，从参数放大设备(A)的输出中提取中心位于等于2＊λ的波长的频带，

-第二谐波发生器(NL)，接收所述滤波器(F2)的输出作为输入，

-中心位于等于λ的波长的另一滤波器(F3)，从由所述第二谐波发生器(NL)产生的脉冲中提取第二谐波波长。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，第一光脉冲发生器(S)使用通过掺杂有铒离子的材料进行的放大。

3.根据权利要求1所述的系统，其中第一光脉冲发生器(S)是从第二光脉冲发生器(P)通过非线性光学处理得到的。

4.根据权利要求1所述的系统，其中第二光脉冲发生器(P)是从第一光脉冲发生器(S)通过非线性光学处理得到的。

5.根据权利要求1所述的系统，包括使得能够对来自第一光脉冲发生器(S)和第二光脉冲发生器(P)的脉冲同步的机制。

6.根据权利要求1所述的系统，还包括：

-在重组设备(R)和第一光脉冲发生器(S)之间的附加的时延和相位控制设备，以便优化参数放大设备(A)中的非线性效应；

-在滤波器(F2)内的附加的时延和相位控制设备，以便优化第二谐波发生器(NL)中的非线性效应，第二谐波发生器(NL)接收所述滤波器(F2)的输出作为输入。

7.一种短光脉冲的系统，所述短光脉冲具有中心在波长λ/2的极高时域对比度谱，该系统使用根据权利要求1所述的具有关于波长λ的极高时域对比度谱的短光脉冲的系统，以及另一第二谐波发生器(NL)。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述波长λ/2与通过使用掺杂钛的蓝宝石材料进行的放大兼容。