CN111431608A - 一种用于啁啾激光脉冲压缩的色散补偿方法 - Google Patents

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庞华锋
齐兵
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Abstract

本发明公开了一种用于啁啾激光脉冲压缩的色散补偿方法，仅利用单个相位调制器对入射的正啁啾脉冲用菲涅耳波带片结构的二元相位(0，π)进行相位调制，即可补偿正啁啾脉冲的色散，将其压缩至变换受限的脉宽。本发明提供的色散补偿方法与利用传统的光栅对等方法实现的脉冲压缩效果相同，但克服了利用光栅对压缩高能量啁啾脉冲时大面积光栅制作成本高昂，校准难度大的缺陷。

Description

一种用于啁啾激光脉冲压缩的色散补偿方法
技术领域
本发明属于超快光学中的脉冲压缩技术领域，涉及一种用于啁啾激光脉冲压缩的色散补偿方法。
背景技术
高时间分辨率的探测技术依赖于超短脉冲技术的发展，而脉冲压缩是产生超短激光脉冲的关键。脉冲压缩技术的发展带动了激光科学朝着最短脉冲的快速改革，脉冲宽度已经从纳秒，皮秒发展到现在的飞秒量级。而超快过程的研究则需要更短的超短脉冲，目前超短脉冲技术正在朝着具有几个光学周期的脉冲持续时间甚至更短的阿秒脉冲迈进。当激光脉冲在空气或其他色散介质中传输时，由于群速度色散引起的相位移动导致最初的脉冲被拓宽。为了补偿这种色散，可以利用光栅对、棱镜对或啁啾镜在频域使光谱中所有频率分量的相位均一化从而压缩脉冲。然而，对于这些方法中的大部分而言，都要让光通过材料来传输，因而损耗了光子能量，并限制了其所能压缩的带宽及压缩效率。此外，对于能量在几百甚至几千焦范围的大能量脉冲，其用来做脉冲压缩的光栅需要在真空室精确校准且面积将超过1m2，其制作工艺复杂，制作成本非常昂贵。
本发明方法针对以上缺陷，基于脉冲整形技术，提出了一种用菲涅耳波带片结构的二元相位(0，π)整形实现啁啾脉冲色散补偿的方法。利用该方法，仅需对入射啁啾激光脉冲频谱施加二元相位整形，即可引入负色散，实现色散补偿，从而将啁啾激光脉冲的脉宽压缩至变换受限的脉宽。该方法原理清晰，仅需单个相位调制器即可实现，因此所需装置简单紧凑，易于实现。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于啁啾激光脉冲压缩的色散补偿方法，解决了现有技术中存在的利用光栅对方法压缩高能量啁啾脉冲时大面积光栅制作成本高昂的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种用于啁啾激光脉冲压缩的色散补偿方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、搭建完整光路，使啁啾参数为α的正啁啾激光脉冲光束经准直器后平行入射进入相位调制光学设备，设置相位调制光学设备的相位调制函数；
步骤2、利用相位调制光学设备对入射光谱中不同频率分量进行二元相位(0，π)整形，并使得展开的入射光束频谱全部包含在相位调制光学设备中整形的区间范围内；
步骤3、整形后的光束经过准直器使其平行入射进入凸透镜，聚焦整形后的光束，让聚焦的光束入射到自相关仪中，测量压缩后的脉宽。
本发明的特点还在于：
相位调制光学设备为脉冲整形器或相位调制器。
脉冲整形器为空间光调制器SLM。
相位调制光学设备的相位调制函数为
Figure BDA0002409215360000021
其中,sgn为符号函数,Π为乘积函数,
Figure BDA0002409215360000022
相应的色散补偿函数为
Figure BDA0002409215360000031
引入的色散补偿量为-α/(1-1/4nmax)。
相位调制函数中nmax的取值为大于或等于3的正整数，对应的所需调制的二元相位总个数N取值为N＝2nmax-1。
本发明方法不依赖于啁啾脉冲的光谱形状，对具有对称性分布的脉冲形状如高斯型、双曲正割型、洛伦兹型、方型脉冲等均适用。
本发明的有益效果是：
1、本发明只与二次光谱相位有关，不依赖于啁啾脉冲的光谱形状，对具有对称性分布的脉冲形状如高斯型、双曲正割型、洛伦兹型、方型脉冲等均适用。
2、本发明提供了一种仅利用单个二元相位(0，π)调制器即可实现高能量啁啾激光脉冲压缩的色散补偿方法，并可获得傅里叶变换受限的脉冲宽度。
3、本发明克服了利用光栅对进行色散补偿时大面积光栅制作成本高，校准难度大等缺陷，是一种简单、紧凑、廉价的用于脉冲压缩的色散补偿方法。
附图说明
图1是本发明一种用于啁啾激光脉冲压缩的色散补偿方法所设计的菲涅耳二元相位整形方案图；
图2是本发明一种用于啁啾激光脉冲压缩的色散补偿方法的实施例1未压缩时高斯型正啁啾脉冲的时域脉冲和利用本发明方法对其压缩后的时域脉冲分布对比图；
图3是本发明一种用于啁啾激光脉冲压缩的色散补偿方法的实施例1利用本发明方法对高斯型正啁啾脉冲压缩的归一化结果与归一化的变换受限结果的比较。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种用于啁啾激光脉冲压缩的色散补偿方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、搭建完整光路，使啁啾参数为α的正啁啾激光脉冲光束经准直器后平行入射进入相位调制光学设备，设置相位调制光学设备的相位调制函数；
相位调制光学设备的相位调制函数为
Figure BDA0002409215360000041
其中，sgn为符号函数，Π为乘积函数，
Figure BDA0002409215360000042
相应的色散补偿函数为
Figure BDA0002409215360000043
引入的色散补偿量为-α/(1-1/4nmax)。
啁啾激光脉冲色散补偿效果取决于nmax，nmax越大，补偿效果越好，相位调制函数中nmax的取值为大于或等于3的正整数，对应的所需调制的二元相位总个数N取值为N＝2nmax-1。
相位调制光学设备为脉冲整形器、相位调制器或是能对入射脉冲进行0和π相位调制的其他光学设备，其中脉冲整形器可以选用空间光调制器(SLM)。
步骤2、根据如图1中菲涅耳二元相位整形方法，利用相位调制光学设备对入射光谱中不同频率分量进行二元相位(0，π)整形，并使得展开的入射光束频谱范围包含在相位调制光学设备中整形的区间范围内；
步骤3、整形后的光束经过准直器使其平行入射进入凸透镜，聚焦整形后的光束，让聚焦的光束入射到自相关仪中，测量压缩后的脉宽。
本发明方法的物理学原理是：
具有二次相位的正啁啾激光脉冲的电场在频域可以表示为：
E(ω)＝A(ω)exp[iα(ω-ω0)2] (a)
其中，A(ω)是光谱振幅。Ω＝ω-ω0是相对于中心角频率ω0的偏移量，α为啁啾参数，反应啁啾量的大小。方程(a)经傅里叶变换可得到时域脉冲电场为：
Figure BDA0002409215360000051
由于二次非线性频率相位因子(αω＇2)的存在，导致时域脉冲不满足变换受限条件而被展宽。为了将脉冲重新压缩回变换受限的宽度，必须补偿频率二次相位，即色散补偿。
通过对啁啾脉冲光谱施加菲涅耳波带片结构的二元相位整形的方法可以解决这一问题。具体如下：
考虑光谱带宽的积分范围，方程(b)可以重新写为：
Figure BDA0002409215360000052
其中，Δω为啁啾脉冲的光谱宽度(全宽)。具有菲涅耳波带片结构的二元相位整形方案，所整形光谱的第n个频率波带的边界值可以表示为：
Figure BDA0002409215360000053
频率波带的总数为N＝2nmax-1。根据方程(d)，可以得到一个菲涅耳二元相位整形函数FIBPS：
Figure BDA0002409215360000061
其中，sgn(x)为符号函数，即：当x>0时，sgn(x)＝1；当x<0时，sgn(x)＝-1；当x＝0时，sgn(x)＝0。Π为乘积函数。上述函数对不同的频率波带只取0或π两个相位值，且相邻的两波带间的相位差为π，即相邻波带相位相反。
通过类比菲涅耳波带片在空间的相位函数
Figure BDA0002409215360000062
可以得到菲涅耳波带片在频域的相位函数(色散补偿函数)为：
Figure BDA0002409215360000063
从方程(f)可以看到，当波带片个数nmax取足够大时，菲涅耳波带片在频域可以引入一个负的二次相位因子–α。这样，方程(b)中的二次相位就会被消除，从而实现色散补偿。将整形后的脉冲输入到自相关仪中，测量压缩后的脉宽。若压缩后的脉宽接近其变换受限脉宽，则说明输入脉冲的色散已被补偿。
实施例1
本发明一种用于啁啾激光脉冲压缩的色散补偿方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、搭建完整光路，选用中心波长814nm的钛宝石高斯型飞秒脉冲作用光源，使其发出的激光脉冲光束经准直器后平行入射进入空间光调制器(SLM)，设置空间光调制器(SLM)的相位调制函数；
步骤2、利用相位调制光学设备对入射光谱中不同频率分量进行二元相位(0，π)整形，并使得展开的入射光束频谱范围包含在相位调制光学设备中整形的区间范围内；
步骤3、整形后的光束经过准直器使其平行入射进入凸透镜，聚焦整形后的光束，让聚焦的光束入射到自相关仪中，测量压缩后的脉宽。
相位调制光学设备的相位调制函数为
Figure BDA0002409215360000071
其中，sgn为符号函数，Π为乘积函数,
Figure BDA0002409215360000072
相应的色散补偿函数为
Figure BDA0002409215360000073
引入的色散补偿量为-α/(1-1/4nmax)。
相位调制函数中nmax的取值为大于或等于3的正整数，对应的所需调制的二元相位总个数N取值为N＝2nmax-1。
选用中心波长814nm的钛宝石高斯型飞秒脉冲作用光源，其光谱宽度(半高全宽)为7nm，整形宽度(全宽)Δλ＝18.674nm(Δω＝5.315×1013rad/s)，整形范围从804.47nm到823.14nm。根据这一整形带宽，nmax＝7，nmax＝11(即N＝13，N＝21)时对应的色散补偿大小分别为α1＝30023fs2，α2＝47815fs2。
图2、3给出了利用本发明方法对高斯型正啁啾脉冲压缩的结果。图2中虚线和粗实线分别表示有啁啾时脉冲被拓宽和脉冲被压缩后的结果。可以看到正啁啾(正色散)对脉宽具有展宽的作用。啁啾参数分别为α1和α2时展宽后的脉宽(半高全宽)分别约为：11.82ps(啁啾1,nmax＝7)和18.73ps(啁啾2,nmax＝11)。粗线表示利用本发明方法压缩的结果(nmax＝11)，脉宽被压缩到很窄的宽度(～148fs)，压缩因子为12.6，压缩后的强度是未压缩时(啁啾2)的12倍。图3给出了利用本发明方法得到的归一化的压缩结果(方点线)与归一化的变换受限结果(实线)的比较，发现压缩后的脉宽和变换受限的脉宽(～148fs)一致。说明本发明的色散补偿方法是正确的。

Claims (6)

1.一种用于啁啾激光脉冲压缩的色散补偿方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1、搭建完整光路，使啁啾参数为α的正啁啾激光脉冲光束经准直器后平行入射进入相位调制光学设备，设置相位调制光学设备的相位调制函数；
步骤2、利用相位调制光学设备对入射光谱中不同频率分量进行二元相位(0，π)整形，并使得展开的入射光束频谱范围包含在相位调制光学设备中整形的区间范围内；
步骤3、整形后的光束经过准直器使其平行入射进入凸透镜，聚焦整形后的光束，让聚焦的光束入射到自相关仪中，测量压缩后的脉宽。
2.根据权利要求1所述的一种用于啁啾激光脉冲压缩的色散补偿方法，其特征在于，所述相位调制光学设备为脉冲整形器或相位调制器。
3.根据权利要求2所述的一种用于啁啾激光脉冲压缩的色散补偿方法，其特征在于，所述脉冲整形器为空间光调制器SLM。
4.根据权利要求1所述的一种用于啁啾激光脉冲压缩的色散补偿方法，其特征在于，所述相位调制光学设备的相位调制函数为
Figure RE-FDA0002520916510000011
其中，sgn为符号函数，Π为乘积函数，
Figure RE-FDA0002520916510000021
对应的色散补偿函数为
Figure RE-FDA0002520916510000022
引入的色散补偿量为-α/(1-1/4nmax)。
5.根据权利要求1所述的一种用于啁啾激光脉冲压缩的色散补偿方法，其特征在于，所述相位调制函数中nmax的取值为大于或等于3的正整数，对应的所需调制的二元相位总个数N取值为N＝2nmax-1。
6.根据权利要求1所述的一种用于啁啾激光脉冲压缩的色散补偿方法，其特征还在于，本发明方法不依赖于啁啾脉冲的光谱形状，对具有对称性分布的脉冲形状如高斯型、双曲正割型、洛伦兹型、方型脉冲均适用。
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