CN110785899A - 具有高时间对比度的短脉冲激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及激光系统和用于生成具有高时间对比度的激光脉冲的方法。本发明的目的是提供允许使用简单装置来将时间脉冲对比度提高多个数量级的激光系统和方法。方法将尽可能灵活应用、高效且适于大功率应用。根据本发明，这由于以下内容来实现：借助于短脉冲激光器(1)生成的脉冲激光辐射穿过频谱限制器(2)，使得激光辐射不具有超出阈值频率(G)的任何频谱分量。然后在非线性光学元件(3)中进行非线性频率转换，特别是借助于自相位调制进行的频谱展宽，使得激光辐射现在具有超出阈值频率(G)的频谱分量。最后，借助于仅在超出阈值频率(G)时能够透射的光学滤波器(4)频谱地滤波激光辐射。

Description

具有高时间对比度的短脉冲激光器
技术领域
本发明涉及激光系统和用于生成具有高时间对比度的激光脉冲的方法。
背景技术
近年来，作为具有变化用途(例如在高精度材料加工和现代科学中)的工具，已经建立生成具有脉冲持续时间在皮秒或飞秒范围内的激光脉冲的短脉冲激光器，特别是超短脉冲激光器。在这种情况下，特别是对于科学应用，除了脉冲功率、脉冲能量以及脉冲持续时间之外，在脉冲最大值周围的指定时间窗内的时间脉冲对比度，即激光脉冲期间的脉冲峰值功率与可能的前后脉冲或其他背景辐射的功率之间的比，是决定激光发射质量的重要参数。高强度短脉冲激光器的脉冲对比度的要求可能高达十个数量级。这意味着脉冲最大值时的功率应为激光脉冲外部的功率的1010倍。
在实际的激光系统中，时间对比度受到不同物理效应的负面影响。在不利的情况下，脉冲对比度可能仅为一个数量级。放大自发射(ASE)发生在每个激光器或放大器中，并且相对于脉冲(可用的)激光辐射引起在时间上实际恒定的背景辐射。由于脉冲拾取，可能发生之前或之后的次级脉冲。短脉冲激光系统通常包括高重复、模式耦合振荡器。为了设置对于相关应用期望的脉冲频率，使用脉冲拾取器(例如声光或电光调制器)。这种脉冲拾取器展示出有限的消除行为，这直接影响对比度。此外，由于CPA系统中的色散失调(“啁啾脉冲放大”)且由于非线性，产生次级脉冲。在CPA技术中，激光脉冲通过色散光学元件在时间上扩展，因此具有减小的脉冲峰值功率的扩展脉冲被放大并且随后再次借助于色散光学元件在时间上压缩。在这种情况下，例如由于扩展器-压缩器结构本身的失调，或者由于光学器件表面的公差或者由于非线性相位，导致更高阶色散项的任意失调。
从现有技术已知用于改善时间对比度的各种方法。
例如，可以在单个放大器级之间或在激光系统的输出(例如普克尔斯(Pockels)盒或声光调制器)处使用光开关或调制器，它们因此仅发送有用的信号并衰减时间背景。这些方法根据单个开关/调制器的对比度来改善对比度。对比度的增加发生在所用元件的开关速度的时间尺度上。因此，普克尔斯盒使得可以在大约1ns的时间尺度上实现高达30dB的对比度改善(受偏振器的对比度限制)。
用于亚皮秒脉冲的对比度改善的另外已知且建立的方法是所谓的交叉偏振波生成(XPW)。XPW基于简并四波混频(FWM)，并且生成与原始辐射正交偏振的新辐射。通常，BaF2晶体用作非线性介质。对比度改善实质上由用于将原始输入辐射与新生成的辐射分开的偏振元件的对比度决定，并且通常约为二到三个数量级。对比度改善的效率在15％的范围内，并且在特殊情况下，可以达到30％。缺点起因于可以使用该方法的极窄功率范围。一方面，为了高效地驱动该过程，高脉冲峰值强度是必要的，另一方面，最大强度受到晶体中的自聚焦和白光生成的限制(参看A.Jullien，O.Albert，F.Burgy，G.Hamoniaux，J.-P.Rousseau，J.-P.Chambaret，F.AugéuRochereau，G.Chériaux，J.Etchepare，N.Minkovski，S.M.Saltiel“10-10Temporal contrast for femtosecond ultra-intense lasers bycross-polarized wave generation”,Opt.Lett.30，第920页，2005年；A.Jullien，J.-P.Rousseau，B.Mercier，L.Antonucci，O.Albert，G.Chériaux，S.Kourtev，N.Minkovski以及S.S.Saltiel，“Highly-efficient nonlinear filter for femtosecond pulsecontrast enhancement and pulse shortening”，Opt.Lett.33，第2353页，2008年；US7430351B2)。
此外，可以在光纤中使用偏振态的非线性强度相关变化，以便增加时间脉冲对比度。下游的偏振器“清洁”激光脉冲。以与XPW方法中类似的方式，所述偏振器的对比度决定了可实现的对比度改善(参看D.Homoelle等人，“Pulse contrast enhancement of high-energy pulses by use of a gas-filled hollow waveguide”，Opt.Lett.27,第1646页，2002年)。
此外，由于转换效率的强度依赖性，任意非线性频率转换过程都可以用于改善时间脉冲对比度，其中，对比度改善取决于非线性程度，由此在常规系统中仅是几个数量级(参看Y.Wang等人，“Efficient conversion of picosecond laser pulses into second-harmonic frequency using group-velocity dispersion”,Phys.Rev.A 41，第5645页，1990年)。
发明内容
在这个背景下，本发明的目的是提供激光系统和方法，它们使得可以以简单的方式将时间脉冲对比度提高到几个数量级。该方法应尽可能灵活地实施，适用于高功率且高效。
本发明通过一种激光系统来实现该目的，该激光系统包括：
-短脉冲激光器；
-频谱限制器，该频谱限制器接收由短脉冲激光器发射的激光辐射，并将所述辐射转换成频谱受限的激光辐射，该频谱受限的激光辐射不包括超出阈值频率的任何频谱部分；
-非线性光学元件，该非线性光学元件接收频谱受限的激光辐射，并将所述辐射转换成不包括超出阈值频率的任何频谱部分的经频率转换的激光辐射；以及
-光学滤波器，该光学滤波器对于超出阈值频率的、经频率转换的激光辐射的频谱部分是透射的，并且对于频谱受限的激光辐射是非透射的。
此外，本发明借助于一种用于生成具有高时间对比度的激光脉冲的方法来实现目的，所述方法具有以下方法步骤：
-生成脉冲激光辐射；
-频谱地限制激光辐射，使得它不包括超出阈值频率的任何部分；
-对频谱受限的激光辐射执行非线性频率转换，使得经频率转换的激光辐射包括超出阈值频率的频谱部分；以及
-频谱滤波经频率转换的激光辐射，其中，所使用的光学滤波器仅在超出阈值频率时才透射。
换句话说，本发明的实质是对激光辐射的重复、连续频谱滤波。在第一步(频谱限制)中，抑制在超出阈值频率的频谱范围内的整个不期望的辐射背景。其后，非线性频率转换将精确地在上一步中摆脱任意背景的频谱范围内生成频谱强度。在随后的频谱滤波中，现在仅强度从先前借助于频谱限制摆脱不期望背景的频谱范围穿过。这导致激光脉冲具有非常高的时间对比度。对比度最终仅受滤波器质量的限制，即光学滤波器的频谱透射曲线与频谱限制器的频谱透射曲线的重叠(尽可能小)或光学滤波器和频谱限制器的边缘陡度。
在本发明的意义内，措辞“无频谱部分”或“对于频谱部分非透射”意指根据所得对比度，借助于频谱限制或滤波来降低相关频谱部分的强度。从而，实际上不必完全抑制相关频谱范围内的强度，即为零。
在本发明的意义内，措辞“超出阈值频率”可以是高于也可以是低于阈值频率。可以将激光辐射频谱地限制为低频(例如通过高通滤波器)，以便随后借助于非线性频率转换生成更低频率(低于阈值频率)的频谱部分，因此仅允许低于阈值频率的频率在频谱滤波期间通过。另选地，还可以将激光辐射频谱地限制为高频(例如通过低通滤波器)，以便随后借助于非线性频率转换生成更高频率(高于阈值频率)的频谱部分，因此仅允许高于阈值频率的频率在频谱滤波期间通过。
在可能的实施方式中，频谱限制器包括对于超出阈值频率的激光辐射非透射的光学带通滤波器或边缘滤波器。为了最大程度地抑制超出阈值频率的频谱部分，激光辐射可以多次通过对应的滤波器。
光学带通滤波器或边缘滤波器也适合于连接在非线性光学元件下游的光学滤波器。所述滤波器对于超出阈值频率的激光辐射是透射的。该滤波器可以例如通过光纤布拉格光栅、干涉滤波器或滤色器来实现。
在根据本发明的激光系统的优选实施方式中，为了生成大功率激光脉冲，由短脉冲激光器发射的激光辐射借助于啁啾脉冲放大(CPA)被放大，其中，如在CPA系统中常规地，激光辐射通过脉冲扩展器、光放大器以及脉冲压缩器。作为脉冲压缩器中的色散元件，CPA系统通常包括光栅或棱镜的结构，借助该结构，各种频谱部分在空间上分离并通过不同的路径。在这种情况下，有利的可以在脉冲压缩器中引起根据本发明的频谱限制，例如借助于封闭超出阈值频率的频谱部分的光束路径中的屏蔽或者借助于合适几何维数的光栅，使得删去超出阈值频率的辐射部分。由此，在该实施方式中，CPA系统的脉冲压缩器形成频谱限制器。
在另外的优选实施方式中，非线性光学元件借助于自相位调制(SPM)生成经频率转换的激光辐射。由于非线性光学介质中的克尔(Kerr)非线性，新的频谱部分产生脉冲激光辐射的频谱。在这种情况下，相对于由短脉冲激光器最初生成的激光辐射的频谱，调整阈值频率，使得新的频谱部分超出阈值频率。根据本发明，可以使用任意已知的非线性光学元件，该非线性光学元件借助于频谱展宽生成新频谱范围内的强度。在这些频谱范围内，新生成的频谱部分应尽可能具有几乎平坦或可补偿的相位。合适的非线性光学元件是例如常规的光学单模光纤或单模波导、高度非线性的光纤、光子晶体纤维、充气的微结构空芯光纤(例如Kagome光纤)、充气的毛细管或体积光学元件(诸如玻璃、YAG或蓝宝石体)。可能的非线性光学元件的这种大量选择建立了根据本发明的用于对比度改善的方法的高度灵活性。因此，所使用的短脉冲激光器可以具有在从pJ到焦耳(或更高)的范围内的脉冲能量，并且激光脉冲的脉冲持续时间可以从几飞秒延伸到超过100皮秒。
附图说明
下文中将参照附图描述本发明的实施方式，附图中：
图1示意性地示出了根据本发明的激光系统；
图2示出了具有低时间对比度的激光脉冲的时间曲线和频谱；
图3示出了在通过克尔非线性进行频率转换之后的激光脉冲的时间曲线和频谱；以及
图4示出了在频谱滤波之后具有高时间对比度的激光脉冲的时间曲线和频谱。
具体实施方式
图1示意性地示出了根据本发明的激光系统。根据本发明的方法基于借助于SPM的频谱展宽，然后是频谱滤波。在这种情况下，必要的是短脉冲激光器1在输出处包括频谱限制器2，该短脉冲激光器1的时间对比度是要改善的，该限制器引起尽可能尖锐的频谱限制，使得频谱强度超出阈值频率的辐射被尽可能完全地抑制。然后借助于SPM，在非线性光学元件3中生成超出阈值频率的新频谱部分。由光学滤波器4滤波频谱展宽的辐射，其中，选择那些在短脉冲激光器1的频谱受限辐射的频谱中，即在频谱限制器2的输出处，不具有任何强度的频谱部分。所示的结构使得可以生成具有几乎任意期望对比度的激光脉冲串。对比度改善仅由非线性频谱展宽之后的滤波器4的频谱形状(边缘陡度)决定。应注意，除了对比度改善之外，还缩短脉冲持续时间，并且使中心波长位移。两种效果都取决于由短脉冲激光器生成的激光脉冲的脉冲持续时间以及非线性展宽的幅度。
图2中的左图示出了在中心波长为1064nm的情况下的频谱限制器2的输出处的低对比度激光脉冲(任意单位的功率P，作为以ps为单位的时间的函数)。基于第一次级脉冲，脉冲对比度仅为大约10dB。右图示出了关联的频谱。由于频谱限制，频谱不包含高于阈值频率G的任何频谱部分。因此，该图未示出与实施方式中的阈值频率G相关联的、波长低于1040nm的波长的任何频谱部分。
在实施方式中，以10μm的模场直径，频谱展宽通过在非线性元件3中、通过17mm长的相互作用拉伸以100nJ的脉冲能量传播激光脉冲来实现，所述非线性元件3在实施方式中形成为石英玻璃纤维。根据本发明，如可以在图3的左图中看到的，克尔非线性不导致时间强度分布的任何变化，但是留下引起频谱展宽的相位，如图3的右图所示。波长低于1040nm(即超出阈值频率G)的频谱部分非常明显。
借助于光学滤波器4(例如借助于边缘滤波器)进行的低于阈值频率G(即高于1040nm)的波长的足够强的(高对比度)衰减将时间对比度提高几个数量级，如图4的左图所示，该图示出了光学滤波器4的输出处的时间脉冲曲线。右图示出了关联的频谱，其中，标记了被滤波器4抑制的、波长低于1040nm的频谱范围。皮秒脉冲的对比度现在多于120dB。
对比度增加的质量实质上由滤波器4的频谱形状决定。如果所述形状太陡，则背景导致时间范围；如果所述形状是“平缓的”(实际上是这种情况)，则几乎可以实现任意期望水平的时间对比度。
应注意，在实施方式中，超过35％的原始脉冲能量被保留在“清洁后的”脉冲串中，并且另外，可以观察到大约250fs至100fs的脉冲持续时间缩短。
以示例的方式，还将提及在实践中可能的根据本发明的激光系统的构造：
在一种可能的构造中，短脉冲激光器1包括基于镱或钕掺杂激光材料的放大器系统，并且生成具有较低时间对比度的1064nm的脉冲激光辐射。SPM生成1030nm的频谱部分，这些频谱部分在频谱滤波(例如原始1064nm信号衰减)后可用于用作高对比度辐射或用作另外基于镱的放大器系统的输入信号。
在另一种可能的构造中，短脉冲激光器1包括基于镱或钕掺杂激光器材料的放大器系统，并且生成具有较差时间对比度的1030nm的脉冲激光辐射。SPM生成800nm的频谱部分，这些频谱部分在频谱滤波(例如原始1030nm信号的衰减)后可用于用作高对比度辐射或用作基于钛蓝宝石的放大器系统的输入信号。

Claims (10)

1.一种激光系统，所述激光系统包括：
-短脉冲激光器(1)；
-频谱限制器(2)，所述频谱限制器接收由所述短脉冲激光器(1)发射的激光辐射，并将所述辐射转换成频谱受限的激光辐射，所述频谱受限的激光辐射不包括超出阈值频率(G)的任何频谱部分；
-非线性光学元件(3)，所述非线性光学元件接收所述频谱受限的激光辐射，并将所述辐射转换成不包括超出所述阈值频率(G)的任何频谱部分的、经频率转换的激光辐射；以及
-光学滤波器(4)，所述光学滤波器对于超出所述阈值频率(G)的、所述经频率转换的激光辐射的所述频谱部分是透射的，并且对于所述频谱受限的激光辐射是非透射的。
2.根据权利要求1所述的激光系统，其特征在于：所述短脉冲激光器(1)发射具有在从几飞秒到超过100皮秒的范围内的脉冲持续时间的激光脉冲。
3.根据权利要求1或2所述的激光系统，其特征在于：所述频谱限制器(2)包括对于超出所述阈值频率的激光辐射为非透射的光学带通滤波器或边缘滤波器。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的激光系统，其特征在于：所述光学滤波器(4)是对于超出所述阈值频率的激光辐射透射的光学带通滤波器或边缘滤波器。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的激光系统，其特征在于：通过啁啾脉冲放大(CPA)放大由所述短脉冲激光器(1)发射的所述激光辐射，其中，所述激光辐射通过脉冲扩展器、光放大器以及脉冲压缩器。
6.根据权利要求5所述的激光系统，其特征在于：所述脉冲压缩器包括至少一个衍射光栅或棱镜。
7.根据权利要求5或6所述的激光系统，其特征在于：所述频谱限制器由所述脉冲压缩器形成。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的激光系统，其特征在于：所述非线性光学元件(3)通过自相位调制生成所述经频率转换的激光辐射。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的激光系统，其特征在于：所述非线性光学元件(3)包括光学单模光纤、高度非线性光纤、光子晶体光纤、充气的微结构空芯光纤、充气的毛细管、玻璃体、YAG体或蓝宝石体。
10.一种用于生成具有高时间对比度的激光脉冲的方法，所述方法具有以下方法步骤：
-生成脉冲激光辐射；
-频谱地限制所述激光辐射，使得所述激光辐射不包括超出阈值频率的任何部分；
-对频谱受限的激光辐射执行非线性频率转换，使得经频率转换的激光辐射包括超出所述阈值频率的频谱部分；以及
-频谱地滤波所述经频率转换的激光辐射，其中，所使用的光学滤波器仅在超出所述阈值频率时才透射。
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WALTER KOECHNER: "《solid-state laser engineering 4th》", 31 December 1996 *
袁索超: "基于脉冲复制的单脉冲激光对比度测量", 《强激光与粒子束》 *

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