CN113156737B - 一种基于宽带倍频和dmd的紫外飞秒涡旋光产生装置及方法 - Google Patents

一种基于宽带倍频和dmd的紫外飞秒涡旋光产生装置及方法 Download PDF

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Abstract

一种基于宽带倍频和DMD的紫外飞秒涡旋光产生装置及方法，该装置包含三个功能模块：第一模块为衍射光栅，用于控制宽带基频飞秒激光角谱，输出具有角色散的脉冲；第二模块为频率变换模块，该模块为非线性晶体或晶体级联，实现宽带相位匹配，输出高频谐波脉冲；第三模块为DMD数字微镜阵列，用于谐波的角色散补偿和光场调制。发明装置首先通过光栅和非线性晶体的宽带倍频模块，产生宽带高次谐波脉冲，并通过DMD数字微镜阵列对宽带高次谐波进行角色散补偿和涡旋光调制，最终输出无角色散的紫外飞秒涡旋光束。

Description

一种基于宽带倍频和DMD的紫外飞秒涡旋光产生装置及方法
技术领域
本发明涉及超快飞秒激光的技术领域，具体涉及一种基于宽带倍频和DMD的紫外飞秒涡旋光产生装置及方法。
背景技术
涡旋光独特的中空环形结构及其轨道角动量性质已使得其在科学、工业和医学领域得到广泛应用。其中，许多应用都需要用到蓝光、紫外和深紫外波段的涡旋光。例如，在量子光学领域，蓝光-紫外波段的涡旋光在光量子的轨道角动量状态纠缠中占有不可或缺的地位；在一些新技术中，如手性选择性的纳米成像系统、等离子体超材料和生物医学纳米机电系统中紫外涡旋光也起到重要作用。
与红外波段的涡旋光获得方法不同，针对短波光源涡旋的产生很困难。目前，已有一些文献对超快紫外涡旋光的产生进行了相关研究。文献[Optics Letters,2013, 41(12):2715-2718]中通过两次倍频和螺旋相位板实现了超快紫外涡旋光，但所实现的带宽只有1.02nm，对应脉宽只有皮秒量级；文献[Applied Optics,2017,56(29):8075]也报道了基于倍频和螺旋相位板的紫外涡旋光产生，但实现的脉宽也只有皮秒量级。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于宽带倍频和DMD的紫外飞秒涡旋光产生装置及方法，该装置可利用倍频技术产生宽带紫外脉冲，并结合DMD对光场的调制，实现紫外飞秒涡旋光的产生。
本发明的技术解决方案如下：
一种基于宽带倍频技术和DMD的紫外飞秒涡旋光产生装置，包括三个功能模块，按光轴方向依次为衍射模块、频率变换模块、DMD器件模块，所述衍射模块为衍射光栅(1)，用于控制宽带基频飞秒激光角谱，输出具有角色散的脉冲；所述频率变换模块为单个非线性晶体或晶体级联，用于实现宽带相位匹配，输出高频谐波脉冲；所述DMD器件模块为 DMD数字微镜阵列(5)，用于谐波的角色散补偿和光场调制，产生涡旋光束。
作为优选，所述的衍射光栅(1)为宽带基频飞秒脉冲提供角色散量值，光栅产生角色散的能力由入射的基频脉冲中心波长λ、入射角θ1及光栅常数d1决定，并满足光栅方程sinθ1+sinα＝λ/d1，其中α为衍射角。
作为优选，当所述频率变换模块为单个非线性晶体时，所述的频率变换模块包括沿光轴方向依次设置的第一非线性晶体(2)、第一消色差平凸透镜(3)、第二消色差平凸透镜(4)，所述衍射光栅(1)位于第一消色差平凸透镜(3)的焦点位置，所述第一消色差平凸透镜(3)、第二消色差平凸透镜(4)均以凸面面向入射脉冲，所述DMD数字微镜阵列(5)位于第二消色差平凸透镜(4)的焦点位置。
作为优选，当所述频率变换模块为晶体级联时，所述的频率变换模块包括沿光轴方向依次设置的第一非线性晶体(2)、第一消色差平凸透镜(3)、第二消色差平凸透镜(4)、消色差平凹透镜(6)和第二非线性晶体(7)，所述衍射光栅(1)位于第一消色差平凸透镜(3)的焦点位置，所述消色差平凹透镜(6)以平面面向入射脉冲，所述DMD数字微镜阵列(5)位于消色差平凹透镜(6)的焦点位置。
作为优选，所述的DMD数字微镜阵列(5)位于入射谐波的焦点位置，其闪耀波长为入射谐波中心波长，DMD满足闪耀光栅的条件为衍射光的方向与微镜表面的镜面反射光的方向一致，DMD的闪耀角θ2满足方程：
Figure RE-GDA0003063070090000031
其中，β为谐波脉冲注入到DMD的入射角，d2为DMD的像素间距，λ/N为高次谐波波长，N＝2，3，4,分别对应二次、三次、四次谐波，m为闪耀级次。
本发明还提供了一种基于宽带倍频技术和DMD的紫外飞秒涡旋光产生方法，具体为：调节衍射光栅(1)的轴向倾角使发散的基频脉冲入射到晶体2时，脉冲的一级衍射角满足宽带相位匹配关系，并通过频率变换模块实现频率变换，产生二次或高次谐波，选择合适的DMD数字微镜阵列(5)的像素间距和衍射级次，并微调DMD数字微镜阵列(5) 的轴向夹角，实现谐波线性角色散的精确完全补偿，使二阶色散尽可能减小，继而补偿三阶色散，实现谐波的无角色散输出，通过DMD数字微镜阵列(5)的衍射作用同时实现目标谐波脉冲与其他脉冲的分离，结合DMD数字微镜阵列(5)对入射光束进行涡旋光调制，从而输出无角色散的紫外飞秒涡旋光。
本发明的技术效果如下：
本发明利用光栅的衍射作用控制入射宽带基频脉冲的角谱，并通过晶体或晶体级联频率转换模块实现宽带二倍频、三倍频或四倍频产生谐波脉冲，再利用DMD的衍射作用补偿谐波的角色散，同时对光场进行调制，产生无空间啁啾的宽带紫外飞秒涡旋光；本装置所实现的目标激光兼具紫外短波、超快和涡旋光三者的特性，在科学、工业和医学等领域都有着广泛的应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例1的结构示意图；
图2为本发明实施例2的结构示意图；
图3为808nm脉冲以不同角度入射830线光栅的一级衍射角色散系数曲线图；
图4为10mm长度BBO晶体内的808nm波段宽带倍频相位失配因子曲线图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不限定于本发明。
实施例1
如图1所示，装置包括依次沿光轴排列的衍射光栅1、第一非线性晶体2、第一消色差平凸透镜3、第二消色差平凸透镜4和DMD数字微镜阵列5，宽带飞秒基频脉冲经过衍射光栅1后产生角色散，调节衍射光栅1轴向倾角使发散的基频脉冲入射到第一非线性晶体2时，脉冲的一级衍射角满足宽带相位匹配关系并实现频率变换，产生宽带二次谐波脉冲，调节第一消色差平凸透镜3的轴向位置，使二次谐波脉冲在第一消色差平凸透镜3和第二消色差平凸透镜4之间平行传输，将DMD数字微镜阵列5放置在第二消色差平凸透镜4的焦点位置，微调DMD数字微镜阵列5的轴向倾角实现二次谐波的角色散补偿，同时DMD数字微镜阵列5对入射光场进行涡旋光调制，产生无空间啁啾的紫外飞秒涡旋光束。
上述装置中，衍射光栅1要求其闪耀波长为入射脉冲的中心波段，且最优衍射效率为一级衍射；第一非线性晶体2用于实现宽带基频脉冲的二倍频转换，其可以是所有能够实现二倍频的无机非线性晶体材料，如BBO、LBO、KDP、DKDP、KTP、YCOB，晶体以基频脉冲中心波长倍频匹配方向切割，晶体的厚度以获得较高转换效率为宜；衍射光栅1 为基频脉冲提供角色散，要求入射角不能为0°，该角色散的大小要求使得基频脉冲入射第一非线性晶体2时能够满足最大匹配带宽，针对不同波段、不同的非线性晶体以及不同的匹配类型，角色散可根据光栅方程、倍频晶体斯涅耳方程、折射方程以及相位匹配方程计算得到；第一消色差平凸透镜3和第二消色差平凸透镜4均为消色差透镜，避免脉冲经过透镜时产生色差，第一消色差平凸透镜3和第二消色差平凸透镜4均以凸面面向入射脉冲，避免产生附加的汇聚光斑“鬼点”；衍射光栅1位于第一消色差平凸透镜3的焦点位置，使二次谐波脉冲在第一消色差平凸透镜3和第二消色差平凸透镜4之间平行传输；DMD 数字微镜阵列5位于第二消色差平凸透镜4的焦点位置，通过选择合适的DMD数字微镜阵列5像素间距和衍射级次，并连续调节DMD数字微镜阵列5的轴向夹角，可实现二次谐波的无角色散输出，同时剩余基频脉冲通过DMD数字微镜阵列5的衍射作用实现与二次谐波脉冲的分离；DMD数字微镜阵列5同时对入射二次谐波进行光场调制，产生目标涡旋光束。
实施例2
如图2所示，装置包括依次沿光轴排列的衍射光栅1、第一非线性晶体2、第一消色差平凸透镜3、第二消色差平凸透镜4、消色差平凹透镜6、第二非线性晶体7和DMD数字微镜阵列5。该装置中的衍射光栅1、第一非线性晶体2、第一消色差平凸透镜3、第二消色差平凸透镜4与实施例1中的元件特征相同；消色差平凹透镜6平面面向入射脉冲，避免产生附加的汇聚光斑“鬼点”，其轴向位置可微调，使进入第二非线性晶体7的二次谐波脉冲入射角满足宽带相位匹配条件，实现三次或四次谐波的产生；DMD数字微镜阵列5位于入射高次谐波的焦点位置，闪耀波长为高次谐波中心波长，选择合适的DMD数字微镜阵列5像素间距和衍射级次，并微调DMD数字微镜阵列5的轴向夹角，实现高次谐波线性角色散的精确完全补偿，使二阶色散尽可能减小，继而补偿三阶色散，实现宽带高次谐波的无角色散输出，同时通过DMD数字微镜阵列5的衍射作用实现高次谐波脉冲与基频脉冲和二次谐波脉冲的分离；DMD数字微镜阵列5同样起到对入射高次谐波进行光场调制产生涡旋光的作用。
倍频过程宽带实现说明：在第一类o+o＝e匹配方式下，不同中心波长脉冲在不同非线性晶体中实现宽带倍频时，要求提供的前三阶角色散系数AD1、AD2、AD3不同，而通过调节激光注入到非线性晶体的入射角，可得到不同的各阶角色散系数，以匹配倍频过程所要求的角色散系数，从而实现宽带倍频。
在选择匹配第一非线性晶体2前三阶角色散系数的衍射光栅1时，其选择原则为：宽带基频脉冲经过衍射光栅1的衍射角为α＝arcsin(λ/d1-sinθ1)，衍射光的各阶角色散系数分别为
Figure RE-GDA0003063070090000061
因此在特定中心波长λ的宽带基频脉冲入射时，选择合适的光栅线密度d1，连续调节θ1可得到连续变化的α，即可得到连续变化的 AD1、AD2、AD3。
为匹配第二非线性晶体7的前三阶角色散系数，对透镜的要求为：第二消色差平凸透镜4和消色差平凹透镜6的透镜组合焦距为f＝f1*f2/(f1+f2-d)，其中f1、f2分别为第二消色差平凸透镜4和消色差平凹透镜6的焦距，d为两个透镜的光心间距，第一消色差平凸透镜3的焦距和第二消色差平凸透镜4的焦距相等，通过选择合适的第二消色差平凸透镜4和消色差平凹透镜6焦距，并连续调节两者的轴向位置，使特定中心波长的宽带二次谐波进入第二非线性晶体7时，其入射角连续变化，从而提供不同的各阶角色散系数，以满足第二非线性晶体7宽带三倍频或四倍频的各阶角色散系数要求。
宽带倍频实现带宽定量举例说明：例如购买的商品化光栅线密度为830线，中心波长 808nm的宽带基频脉冲以不同角度入射，经过该光栅后，在一级衍射方向的一阶、二阶角色散系数如图3所示；由图3可知，当入射角为4.08°时，其AD1取值5.9795×10-2，结合表1可知，该角色散值可以满足BBO晶体宽带倍频对AD1的要求；以10mm长度的BBO 晶体为例，满足808nm中心波长处的第一类o+o＝e匹配方向切割，适当调节BBO晶体的俯仰姿态，使得820nm波长处实现倍频精确相位匹配，则倍频相位失配因子如图4所示，在波长793nm～825nm波段内，相位失配因子小于π，即匹配带宽达到32nm。
表1不同中心波长的基频脉冲在不同非线性晶体中实现宽带倍频所要求的前三阶角色散系数
Figure RE-GDA0003063070090000081
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于宽带倍频和DMD的紫外飞秒涡旋光产生装置，其特征在于：包括三个功能模块，按光轴方向依次为衍射模块、频率变换模块、DMD器件模块，所述衍射模块为衍射光栅（1），用于控制宽带基频飞秒激光角谱，输出具有角色散的脉冲；所述频率变换模块为单个非线性晶体或晶体级联，用于实现宽带相位匹配，输出高频谐波脉冲；所述DMD器件模块为DMD数字微镜阵列（5），用于谐波的角色散补偿和光场调制，产生涡旋光束；
当所述频率变换模块为单个非线性晶体时，所述的频率变换模块包括沿光轴方向依次设置的第一非线性晶体（2）、第一消色差平凸透镜（3）、第二消色差平凸透镜（4），所述衍射光栅（1）位于第一消色差平凸透镜（3）的焦点位置，所述第一消色差平凸透镜（3）、第二消色差平凸透镜（4）均以凸面面向入射脉冲，所述DMD数字微镜阵列（5）位于第二消色差平凸透镜（4）的焦点位置；
当所述频率变换模块为晶体级联时，所述的频率变换模块包括沿光轴方向依次设置的第一非线性晶体（2）、第一消色差平凸透镜（3）、第二消色差平凸透镜（4）、消色差平凹透镜（6）和第二非线性晶体（7），所述衍射光栅（1）位于第一消色差平凸透镜（3）的焦点位置，所述消色差平凹透镜（6）以平面面向入射脉冲，所述DMD数字微镜阵列（5）位于消色差平凹透镜（6）的焦点位置。
2.根据权利要求1所述的一种基于宽带倍频和DMD的紫外飞秒涡旋光产生装置，其特征在于，所述的衍射光栅（1）为宽带基频飞秒脉冲提供角色散量值，光栅产生角色散的能力由入射的基频脉冲中心波长
Figure DEST_PATH_IMAGE001
、入射角
Figure 895123DEST_PATH_IMAGE002
及光栅常数
Figure DEST_PATH_IMAGE003
决定，并满足光栅方程
Figure 101677DEST_PATH_IMAGE004
，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE005
为衍射角。
3.根据权利要求1所述的一种基于宽带倍频和DMD的紫外飞秒涡旋光产生装置，其特征在于：所述的DMD数字微镜阵列（5）位于入射谐波的焦点位置，其闪耀波长为入射谐波中心波长，DMD满足闪耀光栅的条件为衍射光的方向与微镜表面的镜面反射光的方向一致，DMD的闪耀角
Figure DEST_PATH_IMAGE007
满足方程：
Figure DEST_PATH_IMAGE009
，其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE011
为谐波脉冲注入到DMD的入射角，
Figure DEST_PATH_IMAGE013
为DMD的像素间距，
Figure DEST_PATH_IMAGE015
为高次谐波波长，N=2，3，4，分别对应二次、三次、四次谐波，m为闪耀级次。
4.一种基于宽带倍频和DMD的紫外飞秒涡旋光产生方法，其特征在于：调节衍射光栅（1）的轴向倾角使发散的基频脉冲入射到第一非线性晶体（2）时，脉冲的一级衍射角满足宽带相位匹配关系，并通过频率变换模块实现频率变换，产生二次或高次谐波，选择合适的DMD数字微镜阵列（5）的像素间距和衍射级次，并微调DMD数字微镜阵列（5）的轴向夹角，实现谐波线性角色散的精确完全补偿，使二阶色散尽可能减小，继而补偿三阶色散，实现谐波的无角色散输出，通过DMD数字微镜阵列（5）的衍射作用同时实现目标谐波脉冲与其他脉冲的分离，结合DMD数字微镜阵列（5）对入射光束进行涡旋光调制，从而输出无角色散的紫外飞秒涡旋光；
当所述频率变换模块为单个非线性晶体时，所述的频率变换模块包括沿光轴方向依次设置的第一非线性晶体（2）、第一消色差平凸透镜（3）、第二消色差平凸透镜（4），所述衍射光栅（1）位于第一消色差平凸透镜（3）的焦点位置，所述第一消色差平凸透镜（3）、第二消色差平凸透镜（4）均以凸面面向入射脉冲，所述DMD数字微镜阵列（5）位于第二消色差平凸透镜（4）的焦点位置；
当所述频率变换模块为晶体级联时，所述的频率变换模块包括沿光轴方向依次设置的第一非线性晶体（2）、第一消色差平凸透镜（3）、第二消色差平凸透镜（4）、消色差平凹透镜（6）和第二非线性晶体（7），所述衍射光栅（1）位于第一消色差平凸透镜（3）的焦点位置，所述消色差平凹透镜（6）以平面面向入射脉冲，所述DMD数字微镜阵列（5）位于消色差平凹透镜（6）的焦点位置。
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