CN111755939B - 一种超连续谱产生装置及超连续谱产生方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超连续谱产生装置及超连续谱产生方法，装置包括依次设置的飞秒激光器、反射镜、半波片、偏振片、聚焦透镜、多片等腔长排列的介质薄片组成的介质薄片谐振腔和准直透镜；方法包括：设定和获得预置参数，计算得到介质薄片上有效光斑半径，获得空间自相似模式曲线，计算得到介质薄片谐振腔的腔长，产生超连续谱以及超连续谱的优化。与现有技术相比，通过激光器参数推导谐振系统的物理参数，避免了人工摆放介质薄片带来的不确定性，可保证获得能量转换效率高、空间自相似模式优的超连续输出；占用比充气中空光纤更小的空间，适用于多种不同激光功率、脉冲能量以及波长的入射激光。

Description

一种超连续谱产生装置及超连续谱产生方法

技术领域

本发明涉及超快光学和非线性光学技术领域，尤其是涉及一种超连续谱产生装置及超连续谱产生方法。

背景技术

超连续谱光源在超快光学和非线性光学研究中有非常重要的应用。超连续谱光源可以覆盖广泛的频谱范围，是研究气体、液体和固体材料超快光谱学的重要工具。同时，超连续谱光源作为种子光源被广泛应用于光学参量放大器等激光产品中，经过再生放大，根据需要产生可以调节波长的激光辐射。另一方面，通过对于超连续谱光源的相位纠正，可以将激光脉冲在时间上压缩成超短脉冲，从而产生极强的光场强度，这一方法被广泛应用于研究气体、液体和固体材料在强光场作用下的超快和极端非线性响应过程。

连续谱产生现阶段主要由充气中空光纤超连续谱产生装置实现，该装置包含以下部分：中空光纤一根；带有V型光纤安装槽的安装台一个；布鲁斯特角入射和出射窗口；观察窗；安装在二维运动平台上的入气和出气口及腔体。

目前现有充气中空光纤超连续谱产生装置满足0.4mJ至13mJ脉冲能量激光的超连续谱产生，实现约70％的透射效率。利用充气中空光纤超连续谱产生装置的缺点是：1)安装操作复杂，需要特殊训练人员维护；2)激光与光纤耦合稳定性差，带来输出强度，相位以及频谱宽度等参数上的不稳定性；3)光纤系统寿命有限，容易被高能量激光脉冲损坏。

基于多介质薄片的连续谱产生装置在近年来也得到了实现和应用。现有的基于多介质薄片的连续谱产生方案主要是基于实验经验选择合适的介质材料、薄片厚度以及薄片的摆放位置，以期得到最宽的光谱。同时，由于现有方法实现过程中并未使系统接近非线性谐振状态并达到合适的运行参数，传播过程中的锥形散射效应极大破坏光斑的横向空间自相似模式。因此，需要通过空间滤波实现优质的激光传播模式，滤波效率通常只有60％左右。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种超连续谱产生装置及超连续谱产生方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种超连续谱产生装置，包括依次设置的飞秒激光器、反射镜、半波片、偏振片、聚焦透镜、介质薄片谐振腔和准直透镜，所述介质薄片谐振腔由多片等腔长排列的介质薄片组成，多片介质薄片的厚度一致，所述介质薄片谐振腔的腔长由介质薄片上有效光斑半径、入射波长和空间自相似模式曲线计算得到。

所述介质薄片谐振腔的腔长L计算公式为：

其中，w为介质薄片上有效光斑半径，λ为入射脉冲激光波长，f(b)为空间自相似模式曲线中选定的非线性相位b对应的纵坐标，所述纵坐标与介质薄片上有效光斑半径的平方正相关。

所述选定的非线性相位b≤1.2rad。

所述的介质薄片上有效光斑半径通过以下公式得到：

其中，n₂为介质薄片谐振腔的介质薄片克尔系数，l_eff为介质薄片等效厚度，E₀为入射脉冲激光能量，τ_FWHM为入射脉冲激光时间域半高宽，b为选定的非线性相位。

所述的介质薄片等效厚度l_eff的计算公式为：

其中，l为介质薄片真实厚度，θ_B为布儒斯特角。

所述空间自相似模式曲线为

曲线，该曲线通过Fox-Li迭代，对于每一个选定的非线性相位b求解介质薄片谐振腔的空间自相似模式，进而对收敛解进行统计得到；

所述Fox-Li迭代的表达式为：

其中，U_i(ρ')为一片介质薄片前表面ρ'处的光场，U_i+1(ρ)为下一片介质薄片前表面ρ处的光场，U₁(ρ₀)为首片介质薄片前表面ρ₀处的光场，J₀(·)为零阶贝塞尔函数，

空间自相似模式的约束条件为：

max(|U_i(ρ')|)＝1

其中，

为一常数，收敛后由以下公式得到选定的非线性相位b对应的w²/λL：

所述介质薄片谐振腔的头位置由空间自相似模式曲线中选定的非线性相位b对应的横坐标和纵坐标确定。

所述头位置d₀的计算公式为：

β＝α_b×f(b)

其中，β为首片介质薄片距聚焦透镜焦点的距离与光束瑞利长度的比值，f(b)为空间自相似模式曲线中选定的非线性相位b对应的纵坐标。

焦点半径通过β得到，焦点半径决定首片介质薄片前表面处光场的空间相位，所述焦点半径w₀的计算公式为：

其中，w为介质薄片上有效光斑半径。

一种利用所述的超连续谱产生装置的超连续谱产生方法，该方法包括以下步骤：

步骤S1：设定选定的非线性相位b和入射脉冲激光能量E₀；

步骤S2：获得介质薄片克尔系数n₂、介质薄片等效厚度l_eff、入射脉冲激光波长λ和入射脉冲激光时间域半高宽τ_FWHM；

步骤S3：利用选定的非线性相位b、入射脉冲激光能量E₀、介质薄片克尔系数n₂、介质薄片等效厚度l_eff和入射脉冲激光时间域半高宽τ_FWHM，通过以下公式计算得到介质薄片上有效光斑半径w：

步骤S4：通过对光场进行Fox-Li递归获得空间自相似模式曲线；

步骤S5：利用空间自相似模式曲线、介质薄片上有效光斑半径w和入射脉冲激光波长λ，通过以下公式计算得到介质薄片谐振腔的腔长L：

步骤S6：根据介质薄片谐振腔的腔长L设置介质薄片谐振腔，飞秒激光器发射的脉冲激光依次通过反射镜、半波片、偏振片、聚焦透镜、介质薄片谐振腔和准直透镜产生超连续谱；

步骤S7：微调入射脉冲激光能量以及腔长L，优化超连续谱宽度以及输出激光脉冲空间模式。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)现有的多介质薄片产生方法依赖于经验选择介质薄片材料、厚度以及决定其摆放位置。而本发明所提出的方案则依据非线性光学谐振原理，通过激光器参数推导谐振系统的物理参数，而且采用周期性结构，减少了人工摆放介质薄片带来的不确定性，可保证获得效率高、空间自相似模式优的超连续输出。

(2)与基于充气中空光纤的连续谱产生装置相比具有稳定、可靠、易于安装、成本低等优点，且占用比充气中空光纤更小的空间，适用于多种不同激光功率、脉冲能量以及波长的入射激光。

(3)通过控制谐振条件下每片介质薄片上的选定的非线性相位在1.2rad以下(包括1.2rad)，可以优化输出光的空间自相似模式，在无需使用空间滤波的情况下，实现>90％高效率空间均匀的频谱展宽。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的空间自相似模式曲线示意图；

图3为本发明实施例超连续谱与基频光谱的比较示意图；

图4为本发明实施例超连续谱空间自相似模式的M²测量结果；

图5为本发明实施例超连续谱补偿后被压缩到了22fs脉冲宽度示意图；

图6为本发明光场强度U与ρ的关系曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

本实施例提供一种基于光学非线性谐振现象的高效率超连续谱产生装置，如图1所示，包括依次设置的飞秒激光器、反射镜、半波片、偏振片、聚焦透镜、介质薄片谐振腔(介质薄片组)和准直透镜。

光学非线性谐振现象通过介质薄片谐振腔实现，多片等厚度介质薄片在空间中周期性排布，在合适激光峰值强度通过时，会发生非线性谐振现象。

介质薄片谐振腔的性质主要由通过谐振时激光的介质薄片上有效光斑半径w、入射脉冲激光波长λ、介质薄片谐振腔的腔长L和入射脉冲激光在每片介质薄片上积累的选定的非线性相位b决定。本实施例超连续谱产生装置主要的创新点在于通过飞秒激光器产生的入射脉冲激光的性质计算介质薄片谐振腔的腔长L，从而使腔长L的设置有理论依据，从结果来看，本实施例连续谱产生装置可以优化激光的空间自相似模式，在无需使用空间滤波的情况下，实现>90％高效率空间均匀的频谱展宽。

下面将阐述如何通过入射脉冲激光的性质计算介质薄片谐振腔的腔长L。

假设在激光通过一片介质薄片前表面前其空间自相似模式(光场)可以用U_i(ρ')来表示，则该激光在通过该介质薄片后并在自由空间传播到下一片介质薄片前，其空间自相似模式将演化为：

其中U_i+1(ρ)为下一片介质薄片前表面ρ处的光场，ρ₀、ρ和ρ’是由

归一化的径向坐标，J₀(·)是零阶贝塞尔函数，U₁(ρ₀)为首片介质薄片前表面ρ₀处的光场。

空间自相似模式的约束条件为：

max(|U_i(ρ')|)＝1

其中，

为一常数，收敛后由以下公式得到选定的非线性相位b对应的w²/λL：

介质薄片谐振腔的一个单元是由一层厚度为l的介质薄片和其后的长度为L的自由空间组成。通过Fox-Li递归法，可以得到图2的空间自相似模式曲线示意图。从图6可以看出，b在2rad以下(包括2rad)即可行，但在实践中会选取b在1.2rad以下(包括1.2rad)，当选定的非线性相位在1.2rad以上时，谐振系统的静态空间自相似模式带有高阶空间自相似模式，会影响输出光的空间自相似模式。

第一步：在1.2rad以下(包括1.2rad)选定非线性相位b的值，如0.5rad、1rad等；选定入射脉冲激光能量E₀，本实施例E₀为240μJ，入射脉冲激光波长λ为1030nm，介质薄片采用SiO₂或Al₂O₃薄片，介质薄片克尔系数n₂也随之确定，介质薄片真实厚度l＝200μm，介质薄片等效厚度l_eff通过下式得到：

其中，θ_B为布儒斯特角。

第二步：根据以下公式得到介质薄片上有效光斑半径w：

其中，τ_FWHM为入射脉冲激光时间域半高宽，n₂为介质薄片谐振腔的介质薄片克尔系数。

第三步：根据图2的空间自相似模式曲线示意图，可得到选定的非线性相位b对应的纵坐标

的值，继而求解出介质薄片谐振腔的腔长L。

介质薄片谐振腔的腔长L为较重要的参数，除此之外，介质薄片谐振腔的头位置d₀和首片介质薄片前表面处光场的空间相位也是介质薄片谐振腔可参考的参数。

第四步：根据U_i+1(ρ)、

曲线和以下公式得到介质薄片谐振腔的头位置d₀：

β＝α_b×f(b)

其中，β为首片介质薄片距聚焦透镜焦点的距离与光束瑞利长度的比值，f(b)为空间模式曲线中非线性相位b对应的纵坐标。α_b给定参考值如表1。

表1 α_b给定参考值

b/rad	0.1	0.5	1.0	1.2
					α<sub>b</sub>	0.006	0.26	0.55	0.66

第五步：根据第四步得到的β，通过以下公式得到焦点半径w₀：

焦点半径决定首片介质薄片前表面处光场的空间相位。

这里需要注意的是介质薄片上有效光斑半径w的选择需要避免过小，使入射介质薄片的脉冲激光强度低于介质薄片材料的损伤阈值。由于谐振的物理特点，对于介质薄片的选择没有具体限制，需保证介质薄片材料对入射脉冲激光吸收造成的损失，同时高损伤阈值的材料有利于更紧聚焦光斑，从而减小装置空间尺寸。在实验验证中，针对1030nm入射光脉冲，石英(SiO₂)和Al₂O₃薄片都适用于本实施例。介质的克尔n₂是决定介质薄片真实厚度l的重要参数。至此，谐振腔的具体参数得以确认。随后，需将确定材料和厚度的介质薄片以布鲁斯特角放入聚焦后的光路，确保每片反射损失，第一片介质薄片放置在激光焦点附近，其后介质薄片以腔长L为间距放置，如图1所示。

在确定上述参数后，实际搭建过程中需要对参数进行微调，以期达到最优的超连续谱产生和出射光空间自相似模式。系统微调可以通过调节脉冲激光能量、头位置或者轻微调节谐振系统腔长L来实现。

图3显示了脉冲宽度170fs，波长1030nm，能量240μJ，通过20片厚度l＝200μm的Al₂O₃介质薄片的超连续谱。薄片间隔(腔长)L＝25.4mm，该条件对应了选定的非线性相位b≈0.5rad。如图4所示，对该超连续谱激光脉冲进行全光斑(>90％效率)的模式测量，得到M²值1.6。图5显示了该超连续谱光脉冲在合适的色散补偿后可以被压缩到22fs。

Claims (7)

1.一种超连续谱产生装置，包括依次设置的飞秒激光器、反射镜、半波片、偏振片、聚焦透镜、介质薄片谐振腔和准直透镜，其特征在于，所述介质薄片谐振腔由多片等腔长排列的介质薄片组成，多片介质薄片的厚度一致，所述介质薄片谐振腔的腔长由介质薄片上有效光斑半径、入射波长和空间自相似模式曲线计算得到；

所述介质薄片谐振腔的腔长L计算公式为：

其中，w为介质薄片上有效光斑半径，λ为入射脉冲激光波长，f(b)为空间自相似模式曲线中选定的非线性相位b对应的纵坐标，所述纵坐标与介质薄片上有效光斑半径的平方正相关；

所述的介质薄片上有效光斑半径通过以下公式得到：

其中，n₂为介质薄片谐振腔的介质薄片克尔系数，l_eff为介质薄片等效厚度，E₀为入射脉冲激光能量，τ_FWHM为入射脉冲激光时间域半高宽，b为选定的非线性相位；

所述空间自相似模式曲线为

曲线，该曲线通过Fox-Li迭代，对于每一个选定的非线性相位b求解介质薄片谐振腔的空间自相似模式，进而对收敛解进行统计得到；

所述Fox-Li迭代的表达式为：

其中，U_i(ρ')为一片介质薄片前表面ρ'处的光场，U_i+1(ρ)为下一片介质薄片前表面ρ处的光场，U₁(ρ₀)为首片介质薄片前表面ρ₀处的光场，J₀(·)为零阶贝塞尔函数，

空间自相似模式的约束条件为：

max(|U_i(ρ')|)＝1

其中，

为一常数，收敛后由以下公式得到选定的非线性相位b对应的w²/λL：

2.根据权利要求1所述的一种超连续谱产生装置，其特征在于，所述选定的非线性相位b≤1.2rad。

3.根据权利要求1所述的一种超连续谱产生装置，其特征在于，所述的介质薄片等效厚度l_eff的计算公式为：

其中，l为介质薄片真实厚度，θ_B为布儒斯特角。

4.根据权利要求1所述的一种超连续谱产生装置，其特征在于，所述介质薄片谐振腔的头位置由空间自相似模式曲线中选定的非线性相位b对应的横坐标和纵坐标确定。

5.根据权利要求4所述的一种超连续谱产生装置，其特征在于，所述头位置d₀的计算公式为：

β＝α_b×f(b)

其中，β为首片介质薄片距聚焦透镜焦点的距离与光束瑞利长度的比值，f(b)为空间自相似模式曲线中选定的非线性相位b对应的纵坐标。

6.根据权利要求5所述的一种超连续谱产生装置，其特征在于，焦点半径通过β得到，焦点半径决定首片介质薄片前表面处光场的空间相位，所述焦点半径w₀的计算公式为：

其中，w为介质薄片上有效光斑半径。

7.一种利用权利要求1-6任一所述的超连续谱产生装置的超连续谱产生方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤S1：设定选定的非线性相位b和入射脉冲激光能量E₀；

步骤S2：获得介质薄片克尔系数n₂、介质薄片等效厚度l_eff、入射脉冲激光波长λ和入射脉冲激光时间域半高宽τ_FWHM；

步骤S3：利用选定的非线性相位b、入射脉冲激光能量E₀、介质薄片克尔系数n₂、介质薄片等效厚度l_eff和入射脉冲激光时间域半高宽τ_FWHM，通过以下公式计算得到介质薄片上有效光斑半径w：

步骤S4：通过对光场进行Fox-Li递归获得空间自相似模式曲线；

步骤S5：利用空间自相似模式曲线、介质薄片上有效光斑半径w和入射脉冲激光波长λ，通过以下公式计算得到介质薄片谐振腔的腔长L：

步骤S6：根据介质薄片谐振腔的腔长L设置介质薄片谐振腔，飞秒激光器发射的脉冲激光依次通过反射镜、半波片、偏振片、聚焦透镜、介质薄片谐振腔和准直透镜产生超连续谱；

步骤S7：微调入射脉冲激光能量以及腔长L，优化超连续谱宽度以及输出激光脉冲空间模式。

Images