CN109839785A - 一种空芯反谐振光纤的频率上转换装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种空芯反谐振光纤的频率上转换装置。该装置包括反射镜、耦合器、真空透射窗口、空芯反谐振光纤、真空管、充气和气压控制器。空芯反谐振光纤的光纤结构具有独特的色散管理能力，超短激光脉冲耦合入射至空芯反谐振光纤中，可以产生各种非线性效应。通过在空芯光纤内填充不同种类和压强的惰性气体可以实现激光脉冲的光学频率上转换的调制，进一步通过优化空芯光纤的结构能有效地实现光学频率上转换过程中的相位匹配和色散补偿，实现从紫外到X射线范围内的超宽谱带高效率转换，得到桌面大小的阿秒甚至仄秒的激光光源。本装置可替代现有的大型加速器、同步辐射及自由电子激光器等价格昂贵的光源。

Description

一种空芯反谐振光纤的频率上转换装置
技术领域
本发明属于激光技术领域，更具体地讲，涉及一种空芯反谐振光纤的频率上转换装置。
背景技术
空芯反谐振光纤具有中空结构、很小的色散以及低传输损耗等特点，能超宽带传输，同时可将光场较好地限制在中空纤芯中，甚至可以传输峰值功率为拍瓦量级的脉冲。通过微结构参数可以很方便的调节其模式色散，在空芯光纤中填充高压惰性气体还可提供额外的材料色散，激光脉冲在其中传输时因克尔效应而产生自聚焦，聚焦的高强度脉冲电离惰性气体可提供等离子体色散。填充的惰性气体和产生的等离子体共同影响光纤中的非线性效应。发明专利《一种基于空芯反谐振光纤的气体检测系统》专利申请号：CN201710953540.5在空芯反谐振光纤充入不同的待测气体，由气体产生的拉曼非线性效应，从而实现对气体的检测，并由拉曼非线性效应产生的拉曼普强度来确定气体内成分的浓度，实现环境空气的检测。
高次谐波超连续谱是高通量单阿秒脉冲获得的关键，单阿秒脉冲光源具有极高的时间分辨率，为研究原子内部的电子动力学行为提供了强有力的工具。高次谐波光源的光子能量很高，可达到百电子伏甚至更高量级。高光子能量使得该光源被广泛应用于研究物质内部的电子结构。水窗波段(2.4nm到4.3nm)的X射线在生物活细胞成像领域有着重要应用。这是因为水对该XUV波段的吸收较少，而炭对该波段的吸收较多。发明专利《一种产生水窗波段阿秒脉冲的方法》专利申请号：CN201410814248.1中用激光脉冲驱动作用惰性气体，产生高次谐波，获得水窗波段的阿秒脉冲。
发明内容
本发明提供了一种空芯反谐振光纤的频率上转换装置，超短脉冲入射至充满惰性气体的空芯反谐振光纤中产生非线性效应及相位匹配，输出高次谐波，通过对空芯反谐振光纤填充不同种类与压强的惰性气体，实现X射线至紫外的宽谱带可调输出。空芯反谐振光纤光纤芯径小、结构紧凑，体积小，可便携性强。
所述技术方案如下：
一种空芯反谐振光纤的频率上转换装置，包括第一45°反射镜，第二45°反射镜，耦合器、第一真空管、空芯反谐振光纤、充气和气压控制器、第二真空管、真空腔。超短脉冲经所述的第一45°反射镜、所述的第二45°反射镜至所述的耦合器，光束会聚入射进所述的第一真空管，耦合进所述的空芯反谐振光纤。所述的空芯反谐振光纤另一端置于所述的第二真空管内，所述的充气和气压控制器与所述的第二真空管相连接，惰性气体从所述的充气和气压控制器导入进所述的第二真空管与所述的空芯反谐振光纤，超短脉冲在所述的空芯反谐振光纤中由非线性效应及相位匹配产生高次谐波，获得可从X射线至紫外谱段的可调，输出至所述的真空腔中。
所述的耦合器由第一凸反镜与第二凸反镜组成，或由多个凸透镜组成，所述的第一凸反镜与第二凸反镜的焦距相等，焦距为50～100mm，其二者的间距可调，调节范围小于所述的第一凸反镜的焦距，达到对不同发散角的入射超短脉冲光的耦合调节。
所述的第一真空管、第二真空管为金属材质的真空管，其真空度≤10mTorr(1Torr等于1毫米水银柱压强)。
所述的空芯反谐振光纤芯芯径10～1000um，光纤的长度1mm～1m，芯内结构为空芯反谐振结构。
所述的空芯反谐振光纤完全密封置于所述的第一真空管与所述的第二真空管之间。
所述的充气和气压控制器一端为进气口，接高压气体源，另一端为出气口，与所述的第二真空管相接。
所述的真空腔外径10～100mm，内径5mm～80mm，长度0.5m～3m，一端与所述的第二真空管连接，真空度≤100mTorr。
所述的第一45°反射镜与所述的第二45°反射镜镀有与入射超短脉冲相一致的45°高反膜。
所述的耦合器与第一真空管镀有与入射超短脉冲相一致的高透膜。
本发明提供的技术方案带来的有益效果是：
本发明提供一种空芯反谐振光纤的频率上转换装置，超短脉冲耦合入射至空芯反谐振光纤后，产生非线性效应，在相位匹配下产生高次谐波，生成宽谱带，通过充入不同种类与压强的惰性气体，获得可从X射线至紫外的宽谱带可调节输出。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为光路设计图；
图中：
1-第一45°反射镜；2-第二45°反射镜；3-耦合器；31-第一凸反镜；32-第二凸反镜；4-第一真空管；5-空芯反谐振光纤；6-充气和气压控制器；7-第二真空管；8-真空腔。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
图1是以部分实际器件的大小示出了光路设计图。
本发明提供了一种空芯反谐振光纤的频率上转换装置，包括第一45°反射镜1、第二45°反射镜2、耦合器3、第一真空管4、空芯反谐振光纤5、充气和气压控制器6、第一真空管7、真空腔8。
超短脉冲经所述的第一45°反射镜1、所述的第二45°反射镜2反射至所述的耦合器3，光束会聚入射通过所述的第一真空管4，耦合进置于所述的第一真空管4内的所述的空芯反谐振光纤5的一端，所述的空芯反谐振光纤5的另一端置于所述的第二真空管7中，所述的充气和气压控制器6连接所述的第一真空管7连接起来，惰性气体氦(He)、氖(Ne)、氩(Ar)、氪(Kr)、氙(Xe)等其中的一种从所述的充气和气压控制器6导入进所述的第一真空管7与所述的空芯反谐振光纤5，超短脉冲在所述的空芯反谐振光纤5中由非线性效应及相位匹配，产生高次谐波，通过所述的充气和气压控制器6控制进气惰性气体的种类与压强，实现所述的空芯反谐振光纤5的色散及非线性频率转换的相位匹配管理，获得可从X射线至紫外宽谱范围内的可调输出，输出至所述的真空腔8中。
优选地，所述的第一45°反射镜1与所述的第二45°反射镜2左右俯仰可调节，实现超短脉冲准直入射进所述的耦合器3中。
优选地，所述的耦合器3由第一凸反镜31与第二凸反镜32组成。
优选地，所述的第一凸反镜31与第二凸反镜32的焦距相等，焦距为50～100mm，其二者的间距可调，调节范围小于所述的第一凸反镜11的焦距，达到对不同发散角的入射超短脉冲光的耦合调节。
优选地，所述的第一真空管4与所述的第二真空管7为金属材质的真空管，其真空度≤10mTorr，避免超短脉冲会聚后因空气中的气体等产生电离。
优选地，所述的空芯反谐振光纤5一端完全密封置于所述的第一真空管4中，另一端置于所述的第二真空管7中。
优选地，所述的空芯反谐振光纤5内芯芯径10～1000um，光纤的长度1mm～1m，纤芯结构为空芯反谐振结构，对频率转换获得不同的波段，根据超短脉冲的峰值功率，选择合适的芯径与长度。
优选地，所述的充气和气压控制器6一端为进气口，接高压气体源，另一端为出气口，与所述的第二真空管7相接，通过控制进气口气体流量实现出气口的气压控制，即对惰性气体的气压控制。
优选地，所述的真空腔8外径10～100mm，内径5mm～80mm，长度0.5m～3m，真空度≤100mTorr，实现X射线至紫外谱段的波导传输。
优选地，所述的第二真空管7完全密封于所述的真空腔8内。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种空芯反谐振光纤的频率上转换装置，包括第一45°反射镜(1)，第二45°反射镜(2)，耦合器(3)，第一真空管(4)，空芯反谐振光纤(5)，充气和气压控制器(6)，第二真空管(7)和真空腔(8)；其特征在于，超短脉冲经所述的第一45°反射镜(1)、所述的第二45°反射镜(2)至所述的耦合器(3)，光束会聚入射进所述的第一真空管(4)，耦合进所述的空芯反谐振光纤(5)，超短脉冲在所述的空芯反谐振光纤(5)中由非线性效应及相位匹配产生高次谐波，并由所述的充气和气压控制器(6)获得可从X射线至紫外谱段的可调，经所述的第二真空管(7)至所述的真空腔(8)中。
2.根据权利要求1所述的一种空芯反谐振光纤的频率上转换装置，其特征在于，所述耦合器(3)由第一凸透镜(31)与第二凸反镜(32)，或由多个凸透镜组成，其焦距为50～1000mm。
3.根据权利要求1所述的一种空芯反谐振光纤的频率上转换装置，其特征在于，所述的第一真空管(4)与所述的第二真空管(7)为金属材质的真空管，其真空度≤10mTorr。
4.根据权利要求1所述的所述的一种空芯反谐振光纤的频率上转换装置，其特征在于，所述的空芯反谐振光纤(5)内芯芯径10～1000um，光纤的长度1mm到1m，纤芯结构为空芯反谐振结构。
5.根据权利要求1所述的一种空芯反谐振光纤的频率上转换装置，其特征在于，所述的充气和气压控制器(6)的一端为进气口，接高压气体源，另一端为出气口，与所述的第二真空管(7)相接。
6.根据权利要求1所述的一种空芯反谐振光纤的频率上转换装置，其特征在于，所述的真空腔(8)，其真空度≤100mTorr，外径10～100mm，内径5mm～80mm，长度0.5m～3m。
7.根据权利要求1的所述的一种空芯反谐振光纤的频率上转换装置，其特征在于，所述第一45°反射镜(1)和第二45°反射镜(2)镀有与入射超短脉冲相一致的45°高反膜，所述的耦合器(3)与所述的第一真空管(4)窗口镀有与入射超短脉冲相一致的高透膜。
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