CN113939963B - 用于多频率梳生成的设备和方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
一种多频率梳源设备100，用于同时产生表示第一频率梳1的第一激光脉冲序列和表示至少一个其他频率梳2的至少一个其他激光脉冲序列，其中所述第一激光脉冲序列和所述至少一个其他激光脉冲序列中的至少两者具有不同重复频率，包括：激光谐振器装置10，所述激光谐振器装置10包括提供第一激光谐振器11的多个谐振器镜，所述多个谐振器镜包括第一端镜EM1、OC1；激光增益介质21、22，所述激光增益介质21、22被布置在所述激光谐振器装置10中；以及泵浦装置30，所述泵浦装置30被布置用于对所述激光增益介质21进行泵浦，其中所述激光谐振器装置10被构造用于通过对所述激光增益介质21进行泵浦和被动锁模来产生所述第一激光脉冲序列和所述至少一个其他激光脉冲序列，所述激光谐振器装置10的所述谐振器镜包括提供至少一个其他激光谐振器12的其他端镜EM2、OC2，所述第一激光谐振器11和所述至少一个其他激光谐振器12共用所述激光增益介质21，所述第一激光谐振器11和所述至少一个其他激光谐振器12的谐振器模相对于彼此移位，其中所述谐振器模在所述激光增益介质21中位于分离的射束路径光斑处，并且所述第一端镜和所述其他端镜EM1、EM2、OC1、OC2中的至少一者能调整，使得所述第一激光脉冲序列和所述至少一个其他激光脉冲序列中的至少一者的重复频率能独立于所述第一激光脉冲序列和所述至少一个其他激光脉冲序列中的另一者的重复频率进行设置。此外，描述了一种光谱测量方法、光谱设备和多频率梳生成方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于同时产生具有不同重复频率的至少两个激光脉冲序列的多频率梳源设备和多频率梳生成方法，例如双频率梳源设备和双频率梳生成方法。此外，本发明涉及多频率梳源设备和多频率梳生成方法例如在双梳光谱中的应用。特别地，本发明还涉及一种包括多频率梳源设备的光谱设备和采用多频率梳生成方法的光谱测量方法。
背景技术
本说明书参考下述现有技术来说明本发明的背景技术：
[1]S.Schiller，《光学快报》27(9)，766-768(2002)；
[2]A.Schliesser等人，《光学快递》13，9029(2005)；
[3]I.Coddington等人，《OPTICA》3，414–426(2016)；
[4]US 10060796 B2；
[5]US 2018/0216996 A1；
[6]T.-W.Liu等人，《应用物理学B辑》117，699–705(2014)；
[7]US 2017/310072 A1；
[8]S.M.Link等人，《光学快递》23，5521–5531(2015)；
[9]D.R.Dykaar等人，《光学快报》18，634–636(1993)；
[10]B.Lomsadze等人，《自然光子学》12，676–680(2018)；
[11]J.Brons等人，《光学快报》41，3567–3570(2016)；
[12]US 6 363 090 B1。
通常已知采用傅里叶变换光谱(FTS)在中红外(MIR)光谱区域中研究样品。FTS光谱仪包括迈克耳逊干涉仪，其具有振动镜和宽带光源，该振动镜可与延迟线一起移动；宽带光源用于发射有待在干涉仪中测量的波长光谱。将样品布置在干涉仪的两个臂中的一个臂中。在扫描延迟时，检测器的输出信号形成干涉图，对干涉图进行傅里叶变换以用于获得样品光谱。FTS光谱仪在可达到的光谱分辨率方面存在缺点，可达到的光谱分辨率强烈取决于迈克耳逊干涉仪中的延迟线、测量结果的采集时间以及实验设置的大小。特别地，这些缺点阻碍了FTS在研究例如在生物学中重要的快速非重复性过程方面的应用。
为克服FTS光谱仪的缺点，提供特别高的分辨率，一种有希望途径是基于使用所谓的频率梳源。频率梳源(有时指示为频率梳)是发射多个等间隔频率的辐射源。频域中具有相等频率间隔的多个频率对应于时域中重复频率等于频率间隔的脉冲序列，典型地是激光脉冲序列。具有稍微不同的重复频率偏移的两个频率梳可用于替代常规FTS途径中的干涉仪。这种方法通常称为“双频率梳光谱”(参看例如[1]、[2])。它允许数毫秒甚至数微秒的高采集速度，同时维持高光谱分辨率。使用这种方法的分辨率和采集时间主要取决于两个频率梳的重复频率。
然而，开发双梳激光系统存在众多挑战。第一个问题涉及需要两个频率梳之间例如在测量应用期间具有长期稳定性。迄今为止的大多数验证是基于在单独的谐振器中生成的频率梳，这意味着需要主动稳定技术来确保两个梳维持其相关性和相对于彼此的频率偏移[3]。替代地，使用复杂的后处理方法，如例如[4]中所述。此外，如[5]中所公开的，尝试提供在两个梳之间具有低抖动的两个输出的装置具有无法轻易调整的重复频率。
第二个问题在于常规双梳系统的输出功率有限。由于缺少合适的激光材料，无法在具有大量光谱特征的许多波长区域中(例如在MIR或远UV中)生成常规频率梳。这些光谱区域在原则上由非线性频率转变覆盖，但这需要高功率梳源。
泵送噪声和谐振器不稳定性对两个频率梳的长期稳定性的影响可以通过采用两个频率梳的共同泵浦源并且共享频率梳谐振器的一些光学部件来产生激光脉冲序列来降低[6]。然而，由于使用单独的谐振器和单独的增益介质，这种途径用于改进频率梳稳定性的能力很有限。
[7]和[8]中公开了使用单个泵浦源并且共用共同谐振器和共同增益介质的双频率梳。通过这种技术，共同谐振器内的腔内双折射晶体用于生成两个梳。由于不同折射率对于具有不同偏振的光来说是有效的，所以产生具有不同重复频率的激光脉冲序列，这些序列表示不同的频率梳。这种途径的主要限制在于调整频率梳的能力有限，因为重复频率只能在窄范围内改变并且它们无法独立于彼此改变。另外，腔内双折射晶体可能不与高腔内平均功率和峰值功率相容，因此不是功率可扩展的。
根据[9]，描述了单个Ti:蓝宝石激光器的双色交叉锁模飞秒操作，其中两个激光谐振器共用两个谐振器镜和作为共同增益介质的Ti:蓝宝石晶体，而激光谐振器的端镜相对彼此移位。激光谐振器被构造成使得两个独立的锁模激射模式彼此靠近，使得它们相互作用，并且激光脉冲序列以共同重复频率锁定(交叉锁模)。[9]还描述了在无交叉锁模情况下的重复频率的热漂移。因此，[9]的Ti:蓝宝石激光器无法在预定的不同重复频率下提供再现性稳定的双梳源。
不仅对稳定双梳源感兴趣，而且总体上对发射三个或更多频率梳的多梳源感兴趣，这些频率梳具有预定重复频率且频率梳中的至少两个频率梳的重复频率之间存在差异。[10]中描述了三梳光谱的示例。多梳源也是像光学相干断层扫描或多外差傅里叶变换光谱的其他干涉计量技术所感兴趣的。
薄盘激光器通常已知为具有盘状激光增益介质的固态激光器。例如[11]中描述了具有薄盘几何形状的激光增益介质。例如[12]中已经公开了仅发射单射束高功率辐射的基于薄盘几何形状的设备。
发明目的
本发明的目的是提供一种能够避免常规技术缺点的改进型多频率梳源设备和改进型多频率梳生成方法。具体地，除了例如用于光谱学应用的可调重复频率差之外，将使用几乎相同的脉冲参数创建多频率梳，其具有改进的重复性、改进的时间稳定性和/或增加的功率。此外，本发明的目的是提供一种能够避免常规技术缺点的改进型光谱设备和改进型光谱测量方法。
发明内容
这些目的对应解决途径包括多频率梳源设备、多频率梳生成方法、光谱设备和/或光谱测量方法，其包括各独立权利要求所述的特征。本发明的优选实施例和应用源于从属权利要求。
根据本发明的第一总体方面，以上目的通过一种多频率梳源设备来解决，该多频率梳源设备被构造用于同时产生表示第一频率梳的第一激光脉冲序列和表示至少一个其他频率梳的至少一个其他激光脉冲序列，其中该第一激光脉冲序列和该至少一个其他脉冲序列中的至少两者具有不同的重复频率。该多频率梳源设备包括激光谐振器(laserresonator)装置、激光增益(laser gain)介质和泵浦(pump)装置。该激光谐振器装置具有多个谐振器镜，该多个谐振器镜包括一对第一端镜，该一对第一端镜与其余谐振器镜中的至少一者一起提供第一激光谐振器。该激光增益介质被布置在该激光谐振器装置中，即，该激光谐振器装置内的任何谐振射束路径跨越该激光增益介质。该泵浦装置总体上是用于对该激光增益介质进行泵浦以使得在该激光谐振器中激发受激发射的装置。该激光谐振器装置被构造用于通过对该激光增益介质进行泵浦和被动锁模来产生该第一激光脉冲序列和该至少一个其他激光脉冲序列。
根据本发明，该激光谐振器装置的该谐振器镜包括其他端镜，特别地是至少一个其他对端镜，这些其他端镜与其余谐振器镜一起提供至少一个其他激光谐振器。该第一激光谐振器和该至少一个其他激光谐振器中的每一者包括在相关端镜之间具有射束路径的谐振腔。该激光谐振器装置包括至少两个不同激光谐振器，其具有至少一个共同谐振器镜，优选地共用所有谐振器镜，但这些不同激光谐振器的端镜除外。
此外，根据本发明，该第一激光谐振器和该至少一个其他激光谐振器被构造成使得它们共用该激光增益介质。该激光增益介质被布置在该激光谐振器装置中，即，所有激光谐振器的谐振射束路径跨越该激光增益介质。该第一激光谐振器和该至少一个其他激光谐振器的谐振器模(resonator mode)相对于彼此移位(displace)，使得谐振器模在共同激光增益介质中位于分离的射束路径光斑处，即，增益材料中的谐振器模的腔光斑并不有效重叠。在分离的射束路径光斑处提供谐振器模意味着谐振器模并不彼此耦合(相互作用)，或者谐振器模的耦合太弱以致于激光脉冲序列并不影响彼此，特别是并不相互影响它们的重复频率(可忽视的耦合)。特别地，射束路径光斑是分离的，使得在不同激光谐振器中产生的激光脉冲序列之间不存在交叉锁模。谐振器模特别地由谐振器几何形状和激光谐振器内的材料确定。谐振器模式的相互移位可以例如因为对激光谐振器装置构型的数次模拟和/或通过实际测试(包括监视所产生的频率梳)来设置。根据本发明的有利实施例，如果这些激光谐振器不仅共用该激光增益介质，而且共用克尔介质，则这些激光谐振器的谐振器模也在克尔介质中相对于彼此错位，使得不同的激光谐振器的谐振器模式之间无耦合或存在可忽视的耦合。特别优选的，对于本发明的块体增益介质实施例也是如此(参看下文)。
此外，根据本发明，该第一端镜和其他端镜中的至少一者能调整，使得该第一激光脉冲序列和该至少一个其他激光脉冲序列中的至少一者的重复频率能独立于该第一激光脉冲序列和该至少一个其他激光脉冲序列中的另一者的重复频率进行设置。因此，该多个频率梳中的至少一个可使其重复率独立于其他重复率进行调整。优选地，每个激光谐振器的至少一个端镜能调整，使得所有激光脉冲序列的重复频率可单独地调整。特别优选的，可以例如使用压电元件和控制环路主动控制一个或多个激光谐振器的端镜，以进一步稳定或调整重复频率。
根据本发明的第二总体方面，上述目的通过一种多频率梳生成方法来解决，其中同时产生表示第一频率梳的第一激光脉冲序列和表示至少一个其他频率梳的至少一个其他激光脉冲序列。该第一激光脉冲序列和该至少一个其他激光脉冲序列中的至少两个以不同的重复频率产生。该多频率梳生成方法包括以下步骤：提供具有多个谐振器镜的激光谐振器装置，该激光谐振器装置包括被布置在该激光谐振器装置中的激光增益介质并且包括第一激光谐振器的第一端镜；通过利用泵浦装置对激光增益介质进行泵浦以及被动锁模来产生该第一激光脉冲序列和该至少一个其他激光脉冲序列。
根据本发明，该激光谐振器装置的谐振器镜包括至少一个其他激光谐振器的其他端镜，其中该第一激光谐振器和该至少一个其他激光谐振器共用该激光增益介质。该第一激光谐振器和该至少一个其他激光谐振器的谐振器模式相对于彼此移位，使得它们在该激光增益介质中位于分离的射束路径光斑处。该第一端镜和其他端镜中的至少一者被调整，使得该第一激光脉冲序列和该至少一个其他激光脉冲序列中的至少一者的重复频率能独立于该第一激光脉冲序列和该至少一个其他激光脉冲序列中的另一者的重复频率进行设置。
优选地，谐振器镜中的至少两个包括能够在该激光谐振器装置内进行色散控制的啁啾镜。与在例如[9]中用于色散控制的棱镜对相比，啁啾镜具有以下特别优点。它们提供定制色散，使得可与多个频率梳一起产生具有更宽光谱的更短激光脉冲，其对于光谱应用很重要。
进一步优选的，该多频率梳生成方法通过本发明的第一总体方面的多频率梳源设备进行。
与例如[7]或[8]的双频率梳相比，发明性设置的两个或更多个激光谐振器被构建成使得它们共用除端镜之外的几乎所有光学部件。因此，这些激光谐振器之间共用并抵消掉大部分机械不稳定性和漂移，使得可保持包括但不限于频率偏移差的关键参数。彼此邻近但在增益介质中具有且可选地在克尔介质中也具有移位谐振器模的两个或更多个激光谐振器的射束路径也将共用气流中的类似波动，从而确保保持激光谐振器相对于彼此的光学特性。
这些激光谐振器具有分离的端镜，这些端镜可以通过单独的操纵独立地调整至少一个激光谐振器腔对准和腔长度。这进一步与[7]或[8]的双频率梳形成对比，并且它允许单独地调整输出辐射中取决于谐振器长度的重复频率。由于重复频率连同输出之间的重复频率差是多梳光谱的关键参数，所以这种构型允许针对特定应用对输出进行定制。
与[9]的双色源相比，该两个或更多个激光谐振器的操作通过将谐振器模分离而相互解耦，尽管共用共同增益介质。因此，可通过发明性设置以有针对性的方式调整不同的重复频率。
根据本发明的优选应用，该多频率梳源设备提供双频率梳源，即，该激光谐振器装置仅包括以不同的重复频率操作的两个激光谐振器，使得生成两个激光脉冲序列(两个频率梳)。
根据本发明的优选实施例，该激光增益介质包括薄盘激光介质。该薄盘激光介质是成形为薄盘的激光晶体。优选地，该薄盘的厚度小于激光射束直径。在优选应用下，薄盘激光介质具有在50μm至500μm范围内的厚度。提供薄盘激光介质具有以下优点：在该激光增益介质中产生大泵浦光斑大小，以及支持该激光谐振器装置直接输出的高平均功率。优选地，薄盘激光介质由Yb:YAG(掺镱钇铝石榴石)、Ho:YAG(掺钬钇铝石榴石)、Tm:YAG(掺铥钇铝石榴石)、Ti:Saphire(掺钛蓝宝石)、Cr:ZnS/ZnSe(掺铬硫化锌/硒化锌)、或变石(Alexandrite)制成。
根据本发明的替代有利实施例，激光增益介质包括块体增益介质。采用块体增益介质的优点尤其包括简单、可获得多种广泛的增益材料、价格、应用功率范围低以及容易制造。
根据本发明的另一优选实施例，如果该第一激光谐振器和该至少一个其他激光谐振器中的每一者包括用于被动锁模的独立锁模装置，则优点是该锁模装置特别适于在相应激光谐振器中产生激光脉冲序列。优选地，每个激光谐振器包括单独硬边光阑，其被布置在激光谐振器的射束路径中作为用于被动锁模的空间模式滤波器。优选地使用的锁模技术是克尔透镜锁模[11]。优选地，每个激光谐振器包含分离的克尔介质和独立的硬边光阑以结合克尔介质实现克尔透镜锁模。克尔介质是提供非线性克尔效应并且能够在利用泵浦装置对增益介质进行泵浦时开始和维持克尔透镜锁模的固体光学部件。
在替代实施例下，该第一激光谐振器和该至少一个其他激光谐振器可共用适于被动锁模的共同锁模装置，特别地是共同克尔介质。因此，所有激光谐振器的射束路径通过相同的克尔介质传输，因此优点是紧凑装置构型和几乎相同的射束路径，这意味着由空气和机械部件引起的波动几乎相同，并导致更好的相互稳定性。
当采用共同锁模装置时，激光谐振器和锁模装置优选地被构造成使得所有激光谐振器的谐振器模在锁模装置中相互移位，特别地在共同克尔介质中。有利地，使用锁模装置的不同部分进行锁模，因此降低锁模装置的损坏风险并且改进其热管理。
根据本发明的另一有利实施例，该泵浦装置包括光学泵浦源，该光学泵浦源被布置用于产生泵浦激光辐射并且使该激光增益介质放射。该第一激光谐振器和该至少一个其他激光谐振器的腔由优选地源自相同泵浦装置的泵浦光进行泵浦，使得将共用该泵浦装置的任何强度波动。优选地，在该泵浦装置与该激光增益介质之间提供单个泵浦射束路径。该光学泵浦源及其泵浦射束路径被布置用于通过单个泵浦射束使该激光增益介质放射，该单个泵浦射束在该增益介质中具有覆盖所有激光谐振器的谐振器模的激发光斑大小。优选地，使用具有较大面积的泵浦光斑以同时适应两个或更多个较小腔光斑，且腔光斑并不彼此有效重叠。这确保这些激光谐振器的泵浦光穿过几乎相同路径，同时避免两个或更多个谐振器射束之间的串扰。
在替代构型中，利用分束器将泵浦射束分裂成两个或更多个泵浦射束，它们被分离地聚焦到激光增益材料上。此变体有利地实现泵浦光斑大小与两个或更多个射束进行灵活匹配。
根据本发明的另一有利实施例，该泵浦装置包括电泵浦源，该电泵浦源被布置用于电力地对该激光增益介质进行泵浦。在本发明的此变体下，其中该激光增益介质优选地是半导体增益介质，优点是设置更紧凑。此外，被动锁模由克尔透镜或SESAM促进。
如果多频率梳源设备包括用于对该多个频率梳中的至少一个进行载波包络频率(CEO)稳定的CEO稳定装置，则特别对于多频率梳源设备的光谱应用获得进一步的优点。在优选变体下，该CEO稳定装置可适于相对CEO稳定，即，用于使该多个频率梳中的两个之间的CEO差稳定。
根据本发明的特别优选的实施例，该多频率梳源设备包括控制装置，该控制装置用于主动控制该第一端镜和其他端镜中的至少一者，优选地每个激光谐振器的至少一个端镜，以影响该第一激光脉冲序列和该至少一个其他激光脉冲序列中的两者之间的脉冲重合性，和/或进一步稳定和/或调整该第一频率梳和该至少一个其他频率梳的重复频率。该控制装置包括感测至少两个激光脉冲序列的脉冲特性的检测器布置，以及依赖于检测器布置的输出信号来设置端镜的调整装置，诸如压电作用器。有利地，该控制装置改进了频率梳对实际应用的适用性(诸如提高采集速率)。
应指出，用于主动控制端镜的控制装置是本发明的可选特征。即使没有主动控制，也可获得系统的足够时间稳定性以及两个或更多个激光谐振器之间的足够相互相干性时间。
根据本发明的另一变体，如果该第一端镜中的一个是第一输出耦合器镜，并且其他端镜中的至少一个是至少一个其他输出耦合器镜，则可促进这些激光谐振器的输出耦合的输出。相应端镜可以实施双功能，即，提供谐振器腔以及传递在腔中循环的激光脉冲的一部分。
特别优选的，不同激光谐振器的第一输出耦合器镜和至少一个其他输出耦合器镜可具有不同透射率值。因此，可在不同功率下产生频率梳，因为频率梳用于特殊检测技术(像电光采样)和/或用于后续光转变过程。例如，非线性转变装置可布置用于将该多个频率梳中的至少一个的基本辐射转变成另一光谱范围，特别地是XUV、UV和/或红外范围。
根据本发明的第三总体方面，上述目的的解决途径是组合使用根据本发明的上述第一总体方面所述的多频率梳源设备与外差检测设备，特别地使用光谱设备，该光谱设备包括：根据本发明的上述第一总体方面所述的多频率梳源设备，其被构造用于以不同重复频率产生频率梳；干涉仪装置，其被构造用于容纳样品并且用于通过将频率梳叠加来产生干涉图；以及数据采集装置，其被构造用于检测该干涉图并且用于将所检测的干涉图进行傅里叶变换以用于提供样品的光谱透射特性。
根据本发明的第四总体方面，上述目的通过一种光谱测量方法来解决，该方法包括以下步骤：利用根据本发明的上述第二总体方面所述的方法以不同重复频率产生频率梳；将频率梳耦合到干涉仪装置的干涉仪臂；将待研究样品布置在这些干涉仪臂中的一个中；检测沿着该第一干涉仪臂和该第二干涉仪臂行进的光的干涉图；以及对所检测的干涉图进行傅里叶变换以用于提供该样品的光谱透射特性。
附图说明
下面参照附图描述本发明的更多细节和优点，附图示意性地示出了：
图1：本发明的优选实施例，其采用分离的泵浦射束来对块体激光介质进行泵浦；
图2：本发明的替代实施例，其采用单个泵浦射束来对块体激光介质进行泵浦；
图3：图2的实施例扩展到生成三个频率梳的变体；
图4：本发明的另一实施例，其采用单个泵浦射束来对薄盘激光介质进行泵浦；以及
图5：图4的实施例结合频率梳外差检测的进一步细节。
具体实施方式
下面示例性地参照双频率梳源或三频率梳源描述本发明的优选实施例。应强调，本发明的实现方式不限于这些示例，而是也可能产生四个、五个或更多个(例如，多达十个)频率梳。特别参照泵浦源、激光谐振器和增益介质的构型描述实施例。系统部件的细节，如材料和几何参数的选择及系统部件的操作，没有像用于产生激光脉冲序列的常规被动锁模激光谐振器(特别是常规单个频率梳)已知的细节那样进行描述。频率梳以不同重复频率产生。绝对重复频率及其差异依赖于频率梳的应用进行选择。例如，对于红外光谱应用，重复频率差异依赖于期望的分辨率和带宽进行选择。
在附图中，循环激光脉冲的两个或更多个射束被示出为在切面中分离以简化说明。实际上，这些射束优选地在矢状面中进行空间上的分离。
图1示出了发明性多频率梳源设备100的第一实施例，其包括具有第一激光谐振器11和第二激光谐振器12的激光谐振器装置10、由块体增益介质21提供的激光增益介质、设置有分束器31的泵浦装置30、控制装置和检测器装置60。
第一激光谐振器11由平面第一端镜EM1、平面第一偏转镜M1、凹面第一聚焦镜ROC1、凹面第二聚焦镜ROC2、平面第二偏转镜M2和平面第一输出耦合器镜OC1提供。第二激光谐振器11由平面第二端镜EM2、第一偏转镜M1、第一聚焦镜ROC1、第二聚焦镜ROC2、第二偏转镜M2和平面第二输出耦合器镜OC2提供。第一偏转镜M1和第二偏转镜M2包括设计用于在激光谐振器11、12内进行色散控制的平面高反射镜或平面啁啾镜。如以上所提及，图1的设置表示示例。特别地，啁啾镜的数量和位置可改变，和/或镜EM1或EM2可用作输出耦合器。
激光谐振器11、12邻近第一端镜EM1和第二端镜EM2的每个部段包括可调整硬边光阑41，其在激光谐振器11、12内提供用于被动锁模的空间滤波器。除了端镜和输出耦合器镜以及硬边光阑之外，两个激光谐振器11、12共用相同光学部件。优选地，两个激光谐振器11、12的射束路径被布置在共同平面中。替代地，它们可布置在相对于彼此倾斜的平面中。
块体增益介质21是例如布置在第一聚焦镜ROC1和第二聚焦镜ROC2的共同焦平面中的沿着纵向射束方向长度为1至15mm(例如，9mm)的激光晶体。块体增益介质21被布置成具有相对于激光谐振器11、12的射束路径倾斜构型，优选地具有相对于两个射束路径之间的居中轴线的布儒斯特角。替代地，增益介质晶体(和/或分离的克尔介质，参看例如下面的图4)可具有抗反射涂层(AR涂层)并且可被放置成垂直于射束路径。
泵浦装置30包括例如固态二极管激光器，像InP激光器，其在激光晶体的吸收带内的泵浦波长(例如，对于Cr：ZnS激光晶体，约1650nm)下具有2W至40W、例如5W的输出功率。分束器31(其可选地组合有聚焦和/或偏转光学器件)产生两个泵浦射束4、5，它们被引导到块体增益介质21中。泵浦射束4、5相对于包含第一凹面聚焦镜ROC1和第二凹面聚焦镜ROC2的平面倾斜，因此避免被聚焦镜中断。替代地，通过适当地选择材料和波长，泵浦射束4、5可通过聚焦镜。泵浦射束4、5可在块体增益介质21中重叠，或者它们可相对于彼此移位。泵浦射束4、5被调整成使得它们覆盖块体增益介质21内第一激光谐振器11和第二激光谐振器12的谐振器模的分离位置。
检测器装置60包括例如光电二极管，其与频率计数器或用于检测由第一激光谐振器11和第二激光谐振器12产生的频率梳1、2的重复频率的其他频率测量装置(参看图5)耦接。检测器装置60与控制装置50连接，控制装置与压电作用器51耦接，以用于通过使输出耦合器镜中的一个(例如，OC2)和/或端镜中的一个(例如，EM1)平移来进行环路控制。控制装置50可提供用于其他控制和/或设置功能，例如调整硬边光阑41的位置或控制泵浦源30的操作。检测器装置60是本发明的可选特征。如果多频率梳源设备100的时间稳定性对于特定应用(例如，光谱测量)来说足够的话，则可省略检测器装置。
替代地或另外地，检测器装置60和控制装置50可被构造为CEO稳定装置，从而稳定频率梳1、2的绝对CEO或频率梳1、2的相对CEO。
在用于双频率梳生成的操作中，激光谐振器装置10产生第一激光脉冲序列和第二激光脉冲序列，它们各自通过对块体增益介质21进行泵浦和被动锁模来提供频率梳1、2中的一者。在第一激光谐振器11和第二激光谐振器12中循环的激光脉冲经由第一半透射输出耦合器镜OC1和第二半透射输出耦合器镜OC2耦合出多频率梳源设备100。
图2示出了发明性多频率梳源设备100的第二实施例，其包括具有第一激光谐振器11和第二激光谐振器12的激光谐振器装置10，并且包括块体增益介质21，其中未示出装置50、60。如以上参照图1所述，提供了这些部件并且特别是激光谐振器装置10的镜。与第一实施例相反，泵浦装置30产生单个泵浦射束6，其被聚焦到块体增益介质21中。泵浦射束6使包括两个激光谐振器11和12的分离谐振器模的块体增益介质21的一部分放射。
图3中示出了发明性多频率梳源设备100的第三实施例，其中激光谐振器装置10包括三个激光谐振器。除了第一激光谐振器11和第二激光谐振器12，第三激光谐振器13由第三端镜EM3、第一偏转镜M1、第一聚焦镜ROC1、第二聚焦镜ROC2、第二偏转镜M2和第三输出耦合器镜OC3提供。在这种情况下，三个谐振器模在具有相互位移的情况下通过块体增益介质21。端镜和/或输出耦合器镜中的至少一者可由压电致动器(未示出，参看双箭头)调整以用于设置相关激光谐振器中的重复频率。
在用于生成三个频率梳1、2和3的操作中，激光谐振器装置10产生第一激光脉冲序列、第二激光脉冲序列和第三激光脉冲序列，它们各自通过对块体增益介质21进行泵浦和被动锁模来提供频率梳1、2和3中的一者。在激光谐振器11、12和13中循环的激光脉冲经由第一半透射输出耦合器镜OC1和第二半透射输出耦合器镜OC2和OC3耦合出多频率梳源设备100。
虽然图1至图3示出了采用块体增益介质21的本发明的实施例，但图4示出了优选实施例，其中激光增益介质是薄盘激光介质22。两个激光谐振器11、12所共用的偏转镜之一(M1)由布置在载体23上的薄盘激光介质22提供。泵浦射束6优选地入射在薄盘晶体的前侧上。替代地，载体23对于泵浦射束6的波长是透明的，以用于背侧照明(如出于说明目的而在图中示出)。单个泵浦射束6(如图所示)或分离泵浦射束通过泵浦装置30产生并且被引导到薄盘激光介质22中，使得对薄盘激光介质的一部分进行泵浦，从而覆盖薄盘激光介质22内的所有谐振器模。例如，泵浦射束6的直径通过使泵浦射束6散焦来调整，例如在薄盘激光介质22上具有优选地1mm至15mm的直径，例如3mm。激光谐振器11、12相互分离的谐振器模在薄盘激光介质22上具有优选地800μm至12mm的直径、例如2.4mm。作为一个示例，分离的谐振器模具有泵浦光斑直径的约80％的直径。
被动锁模通过在第一凹面聚焦镜ROC1和第二凹面聚焦镜ROC2与邻近第一端镜EM1和第二端镜EM2的分离谐振器部段中的硬边光阑41之间提供具有克尔介质42(例如，厚度为优选地0.5mm至20mm(如1mm至3mm)的蓝宝石板，例如1mm的蓝宝石板)的锁模装置40来获得。通过此实施例，通过对薄盘激光介质22进行泵浦和被动锁模来实现双频率梳生成。如在图1中，在第一激光谐振器11和第二激光谐振器12中循环的激光脉冲经由第一半透射输出耦合器镜OC1和第二半透射输出耦合器镜OC2耦合出多频率梳源设备100，从而提供频率梳1、2。
图5示出了图4的实施例的变体，其具有多频率梳源设备100的进一步细节并且结合了用于诊断和/或控制目的的检测器装置60和用于光谱应用的干涉仪装置70。在本发明的实际应用中，干涉仪装置70可由采用频率梳的另一光学设置替代，和/或检测器装置60可省略。特别地，该设置可通过使用多于两个频率梳来扩展。图5的设置表示本发明的光谱设备200的实施例。
多频率梳源设备100(此处为双频率梳)基于由激光谐振器11和12提供的两个克尔透镜锁模(KLM)薄盘Yb:YAG振荡器进行操作。固态二极管激光器用作泵浦源(未示出)，从而在940nm下递送近似240W的平均功率。两个D形端镜EM1和EM2以及输出耦合器镜OC1、OC2用于使得能够独立地对准两个同时激射模式(激光射束)。这些射束共用腔内光学器件的其余部分，包括薄盘激光介质22上的泵浦光斑。
第一凹面聚焦镜ROC1和第二凹面聚焦镜ROC2(弯曲半径ROC-300mm)提供聚焦布置(望远镜)，其中3mm薄蓝宝石板以布儒斯特角放置在望远镜焦点中作为克尔介质42。尽管射束在空间上分离，但是可使用相同的克尔介质进行两个振荡器的锁模。一对高度色散的偏转镜M2、M3实现在激光谐振器装置10的长臂中，其具有每反射-3000fs2的GDD，从而产生每环程(round-trip)-12000fs2的总腔内色散。为了独立地对振荡器模式进行锁模，将两个硬边光阑41引入腔体中。每个光阑41具有分离的保持器，该保持器放置在X-Y平移台(未示出)上。通过平移安装在平移台(参见双箭头，平移台未示出)上的输出耦合器镜OC1、OC2中的一个，可以在当前设置中控制Δfrep。对准步骤如同在常规KLM薄盘振荡器中一样进行，其中两个激光谐振器11、12可同时锁模。开始锁模，例如借助于手动移位聚焦镜ROC1、ROC2中的一个来开始锁模。
检测器装置60包括两个光电二极管61、62，其检测频率梳1、2并且与诸如频率计数器63、64(例如，Keysight 53220A)这样的频率测量装置耦接。频率计数器63、64中的至少一者的输出信号可用于调整输出耦合器镜OC1、OC2中的至少一者。干涉仪装置70包括干涉仪71，其具有平面镜72、73和74所跨越的第一臂A1以及平面镜72、75、76和74所跨越的第二臂A2。第一频率梳1和第二频率梳2分别反射到第一干涉仪臂和第二干涉仪臂。镜74是将沿着干涉仪臂行进的光叠加并且将叠加的光引导到诸如光电二极管77这样的传感器的半反射镜。光电二极管77与包括傅里叶变换(FT)单元的数据采集装置78连接。通过数据采集装置78，收集由频率梳1、2的相互不同的重复率造成的干涉图。与常规FTIR光谱仪相反，在不对镜或延迟线进行任何机械移动的情况下产生干涉图。通过将样品7设置在干涉仪臂中并且对所收集的干涉图进行傅里叶变换，可以像在常规FTIR光谱仪中一样收集关于样品的光谱信息。
发明人已经特别地通过如下测量激光脉冲的光谱、时间稳定性和测试样品实验性地测试了图5的实施例。所得到的双频率梳输出特性，例如平均功率和每个射束中的输出光谱，非常相似。由于两个激光脉冲序列共用相同的腔内光学器件和薄盘激光介质22上的泵浦光斑，它们经历几乎相同的扰动，这改进了它们之间的相互相干性。
特别地，通过光谱分析仪(OSA)测量的两个频率梳1、2的光谱产生近乎相同的光谱形状和宽度。两个光谱的中心在1030nm处。输出激光脉冲具有299fs和305fs的持续时间。光谱之间的轻微差异可由于以下事实造成：光轴不是完全相同的，从而导致第一聚焦镜ROC1和克尔介质42上的不同入射角，并且薄盘激光介质22上的不同射束位置也可导致两个激射谐振器模之间的轻微增益差异。然而，这些差异如此之弱，以致于它们对于频率梳在例如光谱中的应用来说可忽略不计。
梳特性的时间稳定性已经通过测量两个激光谐振器11、12的重复频率(约61MHz)的时间演化及其重复频率的差异来显示。在没有任何复杂稳定技术的情况下，重复频率差的被动稳定性在60s内测量为大约0.1Hz。这个值对于涉及频率梳的大多数实验是足够的。
此外，对人工样品7的光谱测量包括自制的Fabry-Pérot标准器，其具有120GHz的自由光谱范围和12GHz的透射线的FWHM。通过图5的干涉仪装置70获得的测量光谱清晰地产生人工样品7的可见光透射Fabry-Pérot线。
图5的实施例可以实现执行分子光谱。系统的输出可以在光子晶体光纤和多通道块体单元中进行光谱加宽。然后，光谱加宽且时间压缩的脉冲可用于借助于DFG在LGS晶体中生成红外辐射。这种方法将提供CEP稳定的红外频率梳，这将大大简化设置和分析光谱测量的复杂性。
对于在本发明的不同实施例中实现本发明而言，上述说明书、附图和权利要求书中公开的本发明特征单独地、组合地或子组合地具有重要意义。
Claims (43)
1.一种多频率梳源设备(100)，被构造用于同时产生表示第一频率梳(1)的第一激光脉冲序列和表示至少一个其他频率梳(2,3)的至少一个其他激光脉冲序列，其中所述第一激光脉冲序列和所述至少一个其他脉冲序列中的至少两者具有不同的重复频率，包括：
-激光谐振器装置(10)，所述激光谐振器装置(10)包括多个谐振器镜，所述多个谐振器镜包括提供第一激光谐振器(11)的第一端镜(EM1,OC1)，
-激光增益介质(21,22)，所述激光增益介质(21,22)布置在所述激光谐振器装置(10)中，以及
-泵浦装置(30)，所述泵浦装置(30)被布置用于对所述激光增益介质(21,22)进行泵浦，其中
-所述激光谐振器装置(10)被构造用于通过对所述激光增益介质(21,22)进行泵浦和被动锁模来产生所述第一激光脉冲序列和所述至少一个其他激光脉冲序列，
其特征在于，
-所述激光谐振器装置(10)的所述谐振器镜包括提供至少一个其他激光谐振器(12,13)的其他端镜(EM2,EM3,OC2,OC3)，其中
-所述第一激光谐振器(11)和所述至少一个其他激光谐振器(12,13)共用所述激光增益介质(21,22)，
-所述第一激光谐振器(11)和所述至少一个其他激光谐振器(12,13)的谐振器模相对于彼此移位，使得所述谐振器模在共同激光增益介质(21,22)中位于分离的射束路径光斑处，并且
-所述第一端镜和所述其他端镜(EM1,EM2,EM3,OC1,OC2,OC3)中的至少一者能调整，使得所述第一激光脉冲序列和所述至少一个其他激光脉冲序列中的至少一者的重复频率能独立于所述第一激光脉冲序列和所述至少一个其他激光脉冲序列中的另一者的重复频率进行设置。
2.根据权利要求1所述的多频率梳源设备，其中
-所述激光增益介质包括薄盘激光介质(22)。
3.根据权利要求2所述的多频率梳源设备，其中
-所述薄盘激光介质(22)由Yb:YAG、Ho:YAG、Tm:YAG、Ti:蓝宝石、Cr:ZnS/ZnSe、或变石制成。
4.根据权利要求2或3所述的多频率梳源设备，其中
-所述薄盘激光介质(22)具有在50μm至500μm范围内的厚度。
5.根据权利要求1所述的多频率梳源设备，其中
-所述激光增益介质包括块体增益介质(21)。
6.根据权利要求1所述的多频率梳源设备，其中
-所述第一激光谐振器(11)和所述至少一个其他激光谐振器(12,13)中的每一者包括被布置用于被动锁模的独立锁模装置。
7.根据权利要求1所述的多频率梳源设备，其中
-所述第一激光谐振器和所述至少一个其他激光谐振器(11,12,13)共用被布置用于被动锁模的独立锁模装置。
8.根据权利要求7所述的多频率梳源设备，其中
-所述第一激光谐振器和所述至少一个其他激光谐振器(11,12,13)共用单个克尔介质作为共同锁模装置，从而提供共同克尔透镜锁模装置。
9.根据权利要求8所述的多频率梳源设备，其中
-所述共同锁模装置被布置成使得所述第一激光谐振器(11)和所述至少一个其他激光谐振器(12,13)的所述谐振器模在所述共同锁模装置中相互移位。
10.根据权利要求1所述的多频率梳源设备，其中
-所述第一激光谐振器和所述至少一个其他激光谐振器(11,12,13)中的每一者包括被构造为用于被动锁模的空间模式滤波器的独立硬边光阑。
11.根据权利要求1所述的多频率梳源设备，其中
-所述泵浦装置(30)包括光学泵浦源，所述光学泵浦源被布置用于产生泵浦激光辐射并且使所述激光增益介质(21,22)放射。
12.根据权利要求11所述的多频率梳源设备，其中
-所述光学泵浦源包括分束器(31)，所述分束器(31)被布置用于将所述泵浦激光辐射分裂成两个泵浦射束(4,5)，所述两个泵浦射束(4,5)分离地聚焦到所述激光增益介质(21,22)上。
13.根据权利要求11所述的多频率梳源设备，其中
-所述光学泵浦源被布置用于利用单个泵浦射束(6)使所述激光增益介质(21,22)放射，所述泵浦射束(6)在所述增益介质中具有覆盖所述第一激光谐振器(11)和所述至少一个其他激光谐振器(12,13)在所述增益介质中的所述谐振器模的激发光斑大小。
14.根据权利要求1所述的多频率梳源设备，其中
-所述泵浦装置(30)包括电泵浦源，所述电泵浦源被布置用于电力地对所述激光增益介质(21,22)进行泵浦。
15.根据权利要求1所述的多频率梳源设备，包括
-载波包络频率(CEO)稳定装置，所述CEO稳定装置适于对所述第一频率梳和所述至少一个其他频率梳中的至少一者进行CEO稳定。
16.根据权利要求15所述的多频率梳源设备，其中
-所述CEO稳定装置适于使所述第一频率梳和所述至少一个其他频率梳中的两者之间的CEO差稳定。
17.根据权利要求1所述的多频率梳源设备，还包括
-控制装置(50)，所述控制装置(50)被布置用于主动控制所述第一端镜和所述其他端镜(EM1,EM2,EM3,OC1,OC2,OC3)中的所述至少一者，以影响所述第一激光脉冲序列和所述至少一个其他激光脉冲序列中的两者之间的脉冲重合性，和/或进一步稳定和/或调整所述第一频率梳和所述至少一个其他频率梳的所述重复频率。
18.根据权利要求1所述的多频率梳源设备，其中
-所述第一端镜中的一个是第一输出耦合器镜(OC1)，并且所述其他端镜中的至少一个是至少一个其他输出耦合器镜(OC2,OC3)。
19.根据权利要求18所述的多频率梳源设备，其中
-所述第一输出耦合器镜(OC1)和所述至少一个其他输出耦合器镜(OC2,OC3)具有不同的透射值。
20.根据权利要求1所述的多频率梳源设备，还包括
-非线性转变装置，所述非线性转变装置适于将所述第一频率梳和所述至少一个其他频率梳中的至少一者的基本辐射转变成不同的光谱范围。
21.根据权利要求1所述的多频率梳源设备，还包括
-非线性转变装置，所述非线性转变装置适于将所述第一频率梳和所述至少一个其他频率梳中的至少一者的基本辐射转变成XUV、UV和/或红外范围。
22.根据权利要求1所述的多频率梳源设备，包括所述第一激光谐振器(11)和第二激光谐振器，并且被构造为双频率梳源。
23.一种光谱设备(200)，包括：
-根据前述权利要求中的一项所述的多频率梳源设备(100)，所述多频率梳源设备(100)被构造用于同时产生具有不同的重复频率的两个频率梳(1,2)，
-干涉仪装置(70)，所述干涉仪装置(70)包括第一干涉仪臂和第二干涉仪臂(A1,A2)并且被构造用于产生沿着所述第一干涉仪臂和所述第二干涉仪臂(A1,A2)行进的光的干涉图，其中所述干涉仪装置(70)被布置用于将所述频率梳(1,2)中的每一个对应地耦合到所述干涉仪臂(A1,A2)中的一个，并且将待研究样品(7)布置在所述干涉仪臂(A1,A2)中的一个之中，以及
-数据采集装置(78)，所述数据采集装置(78)被布置用于检测所述干涉图并且对所检测的干涉图进行傅里叶变换以用于提供所述样品(7)的光谱透射特性。
24.一种多频率梳生成方法，包括同时产生表示第一频率梳的第一激光脉冲序列和表示至少一个其他频率梳的至少一个其他激光脉冲序列，其中所述第一激光脉冲序列和所述至少一个其他激光脉冲序列中的至少两者具有不同的重复频率，所述方法包括以下步骤：
-提供激光谐振器装置(10)，所述激光谐振器装置(10)包括多个谐振器镜，所述多个谐振器镜包括提供第一激光谐振器(11)的第一端镜(EM1,OC1)，和激光增益介质(21,22)，所述激光增益介质(21,22)布置在所述激光谐振器装置(10)中，以及
-通过利用泵浦装置(30)对激光增益介质(21,22)进行泵浦并且进行被动锁模来产生所述第一激光脉冲序列和所述至少一个其他激光脉冲序列，
其特征在于，
-所述激光谐振器装置(10)的所述谐振器镜包括提供至少一个其他激光谐振器(12,13)的其他端镜(EM2,EM3,OC2,OC3)，其中所述第一激光谐振器(11)和所述至少一个其他激光谐振器(12,13)共用所述激光增益介质(21,22)，
-所述第一激光谐振器(11)和所述至少一个其他激光谐振器(12,13)的谐振器模相对于彼此移位，使得所述谐振器模在共同激光增益介质(21,22)中位于分离的射束路径光斑处，并且
-所述第一端镜和所述其他端镜(EM1,EM2,EM3,OC1,OC2,OC3)中的至少一者被调整，使得所述第一激光脉冲序列和所述至少一个其他激光脉冲序列中的至少一者的重复频率能独立于所述第一激光脉冲序列和所述至少一个其他激光脉冲序列中的另一者的重复频率进行设置。
25.根据权利要求24所述的多频率梳生成方法，其中
-所述激光增益介质包括薄盘激光介质(22)或块体增益介质。
26.根据权利要求24所述的多频率梳生成方法，其中
-被动锁模由分别布置在所述第一激光谐振器(11)和所述至少一个其他激光谐振器(12,13)中的每一者中的两个独立锁模装置引入。
27.根据权利要求24所述的多频率梳生成方法，其中
-被动锁模由所述第一激光谐振器(11)和所述至少一个其他激光谐振器(12,13)所共用的共同锁模装置引入。
28.根据权利要求27所述的多频率梳生成方法，其中
-被动锁模由提供作为所述共同锁模装置的单个克尔介质引入。
29.根据权利要求27所述的多频率梳生成方法，其中
-所述共同锁模装置被布置成使得所述第一激光谐振器(11)和所述至少一个其他激光谐振器(12,13)的所述谐振器模在所述共同锁模装置中相互移位。
30.根据权利要求24所述的多频率梳生成方法，其中
-被动锁模由分别在所述第一激光谐振器(11)和所述至少一个其他激光谐振器(12,13)中被布置为空间模式滤波器的两个独立硬边光阑支持。
31.根据权利要求24所述的多频率梳生成方法，其中
-利用所述泵浦装置(30)对所述激光增益介质(21,22)进行泵浦包括光学泵浦，所述光学泵浦包括利用光学泵浦源产生泵浦激光辐射并且使所述激光增益介质(21,22)放射。
32.根据权利要求31所述的多频率梳生成方法，其中
-所述光学泵浦源包括分束器，所述分束器将所述泵浦激光辐射分裂成两个泵浦射束，所述两个泵浦射束分离地聚焦到所述激光增益介质(21,22)上。
33.根据权利要求31所述的多频率梳生成方法，其中
-所述光学泵浦源装置利用单个泵浦射束使所述激光增益介质(21,22)放射，所述泵浦射束在所述增益介质中具有覆盖所述第一激光谐振器(11)和所述至少一个其他激光谐振器(12,13)在所述增益介质中的所述谐振器模的激发光斑大小。
34.根据权利要求24所述的多频率梳生成方法，其中
-利用所述泵浦装置(30)对所述激光增益介质(21,22)进行泵浦包括对所述激光增益介质(21,22)进行电泵浦。
35.根据权利要求24所述的多频率梳生成方法，还包括
-主动控制所述第一端镜和第二端镜中的所述至少一者以影响所述第一激光脉冲序列和所述至少一个其他激光脉冲序列中的两者之间的脉冲重合性，和/或进一步稳定和/或调整所述重复频率。
36.根据权利要求24所述的多频率梳生成方法，其中
-经由提供第一输出耦合器镜(OC1)的所述第一端镜中的一个将所述第一激光脉冲序列耦合出，以及
-经由提供至少一个其他输出耦合器镜(OC2,OC3)的所述其他端镜中的至少一个将所述至少一个其他激光脉冲序列耦合出。
37.根据权利要求36所述的多频率梳生成方法，其中
-所述第一输出耦合器镜和所述至少一个其他输出耦合器镜(EM1,EM2,EM3,OC1,OC2,OC3)具有不同的透射值，使得所述第一激光脉冲序列和所述至少一个其他激光脉冲序列在不同的平均功率下输出。
38.根据权利要求24所述的多频率梳生成方法，包括
-对所述第一频率梳(1)和所述至少一个其他频率梳(2,3)中的至少一者进行载波包络频率(CEO)稳定。
39.根据权利要求38所述的多频率梳生成方法，还包括
-使所述第一频率梳和所述至少一个其他频率梳中的两者之间的CEO差稳定。
40.根据权利要求24所述的多频率梳生成方法，还包括
-将所述第一频率梳(1)和所述至少一个其他频率梳(2,3)中的至少一者的基本辐射转变成不同的光谱范围。
41.根据权利要求24所述的多频率梳生成方法，还包括
-将所述第一频率梳(1)和所述至少一个其他频率梳(2,3)中的至少一者的基本辐射转变成XUV、UV和/或红外范围。
42.根据权利要求24所述的多频率梳生成方法，其中生成两个频率梳。
43.一种光谱测量方法，包括以下步骤：
-根据权利要求42所述的方法产生具有不同的重复频率的两个频率梳(1,2)，以及
-将所述频率梳(1,2)中的每一个对应地耦合到干涉仪装置(70)的干涉仪臂(A1,A2)中的一个，并且将待研究样品(7)放置在所述干涉仪臂(A1,A2)中的一个之中，
-检测沿着第一干涉仪臂和第二干涉仪臂(A1,A2)行进的光的干涉图，以及
-对所检测的干涉图进行傅里叶变换以用于提供所述样品(7)的光谱透射特性。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant |