CN114667483A - 载波包络相位稳定光脉冲的无压缩和单光束产生 - Google Patents
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Abstract
本发明特别针对用于从输入光脉冲产生光载波频率fi的CEP稳定光脉冲的方法和系统，输入光脉冲具有光载波频率fp和脉冲持续时间Tp。双折射介质、非非线性介质、色散光学系统、参量装置(DFG)被连续地用于实现该产生。
Description
技术领域
本发明的实施方式一般涉及用于产生载波包络相位稳定(CEP稳定)光脉冲的光学系统和方法的领域。
背景技术
脉冲激光源的特征在于光发射的时间限制。通常根据包络和载波来描述这些脉冲的电场。这些脉冲的电场是周期表示为T0＝λ0/c(光载波)的振荡场与T0(包络)的尺度上的缓慢变化函数的乘积。对于超快激光源，包络的持续时间通常为几十飞秒(1飞秒＝10-15秒)，这是通常大于近红外和中红外中的光学周期的持续时间。例如，在800nm处，光学周期为2.7飞秒。
对于某些应用，几个光学周期(以下称为几个周期脉冲)量级的脉冲持续时间是有利的。然后电场接近瞬变场，瞬变场是有利于应用(例如，诸如在气体或固体中的谐波产生)的条件。这种脉冲尤其可以有效地产生持续时间可以达到几十阿秒(1阿秒＝10-18秒)的阿秒脉冲。K.Zhao等人在“Tailoring a 67attosecond pulse through advantageousphase-mismatch(通过有利的相位失配定制67阿秒脉冲)”，Optics Letters(《光学快报》)37，3891-3893(2012)中给出了一个示例。
载波包络相位(CEP)是指包络和载波之间的相对相位。CEP的重复(shot-to-shot)稳定性对于保持从一个脉冲到另一个脉冲的电场的特性是至关重要的。这种稳定性在高谐波产生的情况下是至关重要的，如A.
等人在“Attosecond control ofelectronic processes by intensive light field(强光场对电子过程的阿秒控制)”，Nature(《自然》)421，611(2003)中所描述的。
CEP可以通过以非等群折射率和相位折射率为特征的色散元件来修改，例如体介质(玻璃、气体......)或成对的角度色散元件(光栅对、棱镜对......)。这种色散元件中光束路径的波动是超快激光系统中CEP波动或漂移的主要来源。
成丝是一种非线性光学过程，允许光束在没有衍射的情况下传播通过介质。这种自导向现象要求激光峰值功率高于称为临界功率的阈值功率，并且近似等于0.15*λ0 2/(8π*n0*n2)，其中n0和n2分别是传播介质的线性和非线性光学折射率。亚皮秒或皮秒脉冲的成丝通过自相位调制和其它级联的非线性过程使输入脉冲展宽，潜在地导致宽带频谱连续体的产生。在一些条件(单丝状态)下，成丝保持CEP重复(shot-to-shot)稳定性。在M.Bradler等人的“Femtosecond continuum generation in bulk laser host materials withsub-μJ pump pulse(具有亚μJ泵浦脉冲的体激光主体材料中的飞秒连续谱产生)”，Applied Physics B(《应用物理B》)97.3(2009)：561中给出了由亚皮秒产生的连续体的示例。
CEP的稳定需要复杂且昂贵的装置，其实现通常是复杂的。通常根据反馈机制的存在(主动)或不存在(被动)来区分所谓的被动和主动稳定方法，以稳定CEP。
作为稳定CEP的主动反馈机制的示例，S-W Huang等人的文献“High-energy pulsesynthesis with sub-cycle waveform control for strong-field physics(用于强场物理的具有子周期波形控制的高能脉冲合成)Nature Photonics(《自然光子学》)5，475-479(2011)描述了一种源概念，其包括CEP相位被主动稳定的超快脉冲发生器，用于将这些脉冲的频谱扩展到红外的装置、两个脉冲整形器、两个由两个泵浦波长非共线泵浦的光参量放大器和由基于互相关检测的测量装置控制的相位系统。
作为稳定CEP的被动反馈机制的一个示例，A.
等人在第13届International Conference on Ultrafast Phenomena(《超快现象国际会议》)，2002OSATechnical Digest Series(技术文摘系列)(Optical Society of America(《美国光学学会》)，2002)中的文献“All-optical self-stabilization of carrier-envelope phaseoffset in few-cycle pulses by optical parametric amplifiers(光参量放大器对少周期脉冲载波包络相位偏移的全光自稳定)”描述了经由二阶非线性过程(诸如差频产生(DFG))的各种被动稳定的光学方案。
文献中描述了通过DFG产生超快激光脉冲。在具有二阶非线性光学特性的材料中，载波频率为fs的第一光脉冲(下文称为“信号”脉冲)与载波频率为fp>fs的第二光脉冲(下文称为“泵浦”脉冲)相互作用。在相互作用期间，“泵浦”脉冲的能量的一部分被转移到被放大的“信号”脉冲。同时，产生第三光脉冲并共放大第三光脉冲。被称为“闲频”脉冲的该第三脉冲的载波频率等于fp-fs。“闲频”脉冲的CEP在常数内等于“泵浦”信号的CEP和“信号”脉冲的CEP之间的差。如果该差值以可重复的方式(即，从一个脉冲到另一个脉冲)是恒定的，则“闲频”脉冲的CEP随时间稳定，即使“泵浦”脉冲或“信号”脉冲都没有共享该特性。由于DFG是局部的和瞬时的过程，差频产生被限制在DFG介质上具有近似相等的光学群延迟的波长。
通过DFG的被动稳定的少周期光脉冲的产生可以被分成两类。
当“信号”波和“泵浦”波来自单个宽带光束时，第一类称为脉内DFG。在C.P.Hauri等人的“Generation of intensity,carrier-envelope phase-locked less-cycle laserpulse through filamentation(通过成丝产生强度、载波包络锁相少周期激光脉冲)”Appl.Phys.B(《应用物理学B》)79(6),673–677(2004)中给出了脉内DFG的示例。
当“信号”和“泵浦”波是沿着不同光路传播的两个光束时，即使一个光束是从另一个光束导出的，第二类也被称为脉间DFG。这种结构的共同实施方式是通过在体晶体中的成丝从“泵浦”产生“信号”光束。G.Cirmi，C.Manzoni，D.Brida，S.De Silvestri和G.Cerullo的文献“Carrier-envelope phase stable,few-optical-cycle pulses tunable fromvisible to near IR(载波包络相位稳定，从可见光到近红外可调谐的少光周期脉冲)”J.Opt.Soc.Am.B(《美国光学学会学报B》)25,B62-B69(2008)公开了图1所示的脉间DFG的示例。
原则上，由脉内DFG产生的光脉冲的CEP稳定性优于由脉间DFG产生的光脉冲的CEP稳定性，因为“泵浦”和“信号”共享也称为单光束的公共光路。然而，脉内DFG需要超宽带压缩脉冲，其难以产生和管理，尤其是在μJ-量级。作为示例，将需要超过300THz的带宽以通过DFG产生约1μm的CEP稳定脉冲。压缩这种带宽，即等于所有频率分量的光学群延迟，是需要复杂和米量级技术设置的重大的技术挑战。在Wirth，Adrian等人的文献中“Synthesizedlight transients(合成光瞬变)”Science(《科学》)334.6053(2011):195-200给出了这种设置的示例。
此外，已知的用于通过DFG间产生稳定的光脉冲的系统需要使用增加这种系统的整体尺寸的镜子。此外，分束器的存在意味着光使用不同的路径，从而导致“泵浦”和“信号”光束的相对路径长度的不稳定性，从而导致“闲频”光束的CEP的不稳定性。
因此，需要通过避免分束和脉冲压缩两者来改进从输入光脉冲产生给定光载波频率的CEP稳定光脉冲。
发明内容
根据第一方面，本发明被实现为单光束和无压缩光学系统，其用于从输入光脉冲产生光载波频率fi的载波包络相位稳定(CEP稳定)光脉冲，所述输入光脉冲具有光载波频率fp和脉冲持续时间Tp。该光学系统包括：
-双折射介质(B)，用于在输入中接收所述输入光脉冲；以及用于以每对线性偏振脉冲(PP)具有沿着第一方向和第二方向(E1，E2)的正交偏振且每对线性偏振脉冲(PP)具有近似等于或大于所述输入光脉冲的所述脉冲持续时间(Tp)的相对光学群延迟的方式来提供成对的线性偏振脉冲(PP)作为输出；
-非线性介质(NL)，用于在输入中接收所述双折射介质(B)的输出；以及用于以每对线性偏振脉冲(PP)的两个脉冲中的至少一个被频谱展宽的方式来提供成对的线性偏振脉冲(PP)作为输出；
-透明的色散光学系统(O)，用于在输入中接收所述非线性介质(NL)的输出；以及用于以在每对线性偏振脉冲(PP)的两个脉冲之间具有全部或部分时间重叠的方式来提供成对的线性偏振脉冲(PP)作为输出；
-参量装置(DFG)，用于在输入中接收所述透明的色散光学系统(O)的输出；以及用于提供沿着所述第一方向(E1)偏振的频率分量和沿着所述第二方向(E2)偏振的频率分量之间的频率差作为输出。
光学系统还可以包括：
-滤光器(F)，用于在输入中接收所述参量装置(DFG)的输出；以及用于提供对所述参量装置(DFG)的输出的所述频率差的提取作为输出；
-滤光器是二向色镜；
-波片，其用于控制所述输入光脉冲的偏振状态；
-光学器件，所述光学器件置于光学系统(O)和所述参量装置(DFG)之间，所述光学器件被适于在输入中接收所述色散光学系统(O)的输出；以及用于将所述色散光学系统(O)的输出聚焦在所述参量装置(DFG)上；
-所述双折射介质(B)具有等于或大于100μm的厚度，并且所述双折射介质包括选自方解石晶体、石英晶体、α-BBO晶体、YVO4晶体和TeO2晶体中的至少一种晶体；
-所述色散光学系统(O)包括选自玻璃窗、YAG晶体、厚透镜、方解石晶体、石英晶体、α-BBO晶体、YVO4晶体和TeO2晶体中的至少一种材料；
-所述非线性介质(NL)包括选自YAG晶体、蓝宝石晶体、氟化钙晶体、熔融石英窗中的至少一种材料；
-所述参量装置(DFG)是包括选自β-BBO、LBO、LiNbO3、LiIO3、KTA、LGS和AGS中的至少一种材料的二阶非线性晶体；
-所述参量装置(DFG)是以二阶极化率为特征的非线性晶体；
根据另一方面，本发明可以实施为用于从输入光脉冲产生光载波频率fi的载波包络相位稳定(CEP稳定)光脉冲的方法，所述输入光脉冲具有光载波频率fp和脉冲持续时间Tp。所述方法包括：
-提供具有光载波频率fp和脉冲持续时间Tp的所述输入光脉冲；
-通过双折射介质(B)从所提供的输入光脉冲产生成对的线性偏振脉冲(PP)，每对线性偏振脉冲(PP)具有沿着第一方向和第二方向(E1，E2)的正交偏振且每对线性偏振脉冲(PP)具有近似等于或大于所述输入光脉冲的所述脉冲持续时间(Tp)的相对光学群延迟；
-通过非线性介质(NL)触发每对线性偏振脉冲(PP)的两个脉冲中的至少一个的成丝，每对线性偏振脉冲(PP)的两个脉冲中的所述至少一个由于成丝被频谱展宽；
-通过色散光学系统(O)使来自所述非线性介质(NL)的输出的每对线性偏振脉冲(PP)的两个脉冲在时间上重叠(40)；以及
-通过参量装置(DFG)产生沿着所述第一方向(E1)偏振的频率分量和沿着所述第二方向(E2)偏振的频率分量之间的频率差。
该方法还可以包括
-通过滤光器提取(60)所产生的频率差；
-通过光学器件将所述光学系统(O)的输出聚焦(42)到所述参量装置(DFG)上；
-通过波片调节(12)将由所述双折射介质产生的脉冲对的两个脉冲之间的能量分配。
根据另一个方面，本发明可以被实现为光源单元，其用于从输入光脉冲产生光载波频率fi的载波包络相位稳定(CEP稳定)光脉冲。光源单元包括脉冲发生器，用于传递所述输入光脉冲，所述输入光脉冲具有光载波频率fp、脉冲持续时间Tp并且是线性偏振的，光学系统适于接收所述输入光脉冲，以及光学放大器，适于放大光学系统的输出。
现在将通过非限制性示例并且参考附图来描述体现本发明的系统、产品和方法。
附图说明
图1示出现有技术的脉间DFG方案的示例；
图2示出本发明的系统的原理的示例；
图3示出本发明的系统的另一个示例；
图4示出系统中的光脉冲的时间波形的示例；
图5示出本发明的方法的示例的示意性框图。
如果没有另外指出，在附图中类似的或功能上类似的元件已经被分配了相同的附图标记。
具体实施方式
参考图2，提出了一种用于从输入光脉冲产生光载波频率fi的载波包络相位稳定光脉冲的光学系统。载波包络相位在下文中将被称为CEP。光学系统适于从具有光载波频率fp和脉冲持续时间Tp的输入光脉冲产生CEP稳定的光脉冲。因此，光学系统适合(或适于)在输入中接收输入光脉冲并产生CEP稳定的光脉冲，CEP稳定的光脉冲作为光学系统的输出被提供。现在讨论光学系统。
系统包括双折射介质(B)。双折射是具有取决于光的偏振和传播方向的折射率的材料的光学性质。最简单类型的双折射被描述为单轴，这意味着存在控制光学各向异性的单一方向。围绕该轴(称为光轴)旋转材料不会改变其光学行为。为了简单起见，下面只考虑单轴晶体。然而，应理解，双轴晶体也可用于产生所需的光学性质。
其偏振垂直于双折射介质(B)的光轴的光由折射率no(对于“普通”)控制。其偏振方向在双折射介质(B)的光轴方向上的光经历光学指数ne(对于“非普通”)。两个偏振(即，普通偏振和非普通偏振)分别沿第一方向和第二方向(E1，E2)正交；第一方向和第二方向是正交的。普通群延迟与非普通群延迟也不同；换句话说，具有垂直于光轴的偏振的光脉冲穿过双折射介质(B)的时间与具有在光轴方向的偏振的光脉冲穿过双折射介质(B)的时间不同。该延迟在下文中被记为T。
延迟T值得注意地取决于双折射介质(B)的厚度。延迟T由以下方程式(1)给出：
T＝|ng,e-ng,o|*L/c (1)
其中ng,e代表特别的群延迟，
ng,o代表普通的群延迟，
L是介质的厚度，
c是真空中的光速。
双折射介质(B)适于将输入光脉冲分成两个线性偏振脉冲。在双折射介质(B)的输出处的两个线性偏振的脉冲是连续的并且被等于T的时间延迟分开。因此，双折射介质(B)为每个输入光脉冲产生一对正交线性偏振脉冲：一个偏振脉冲在双折射介质(B)的光轴(第一方向)的方向上垂直偏振——普通偏振脉冲，一个偏振脉冲在双折射介质(B)的光轴(第二方向)的方向上偏振——非普通偏振脉冲。该对的脉冲可以是连续的脉冲。
因此，双折射介质(B)适于从输入光脉冲提供成对的线性偏振脉冲(PP)。成对的脉冲包括沿第一方向和第二方向(E1，E2)具有正交偏振的一个普通偏振脉冲和一个非普通偏振脉冲。输入光脉冲对双折射介质(B)的遍历在成对的普通偏振脉冲和非普通偏振脉冲之间引入了相对光学群延迟。
该对的普通偏振脉冲和非普通偏振脉冲之间的延迟可以近似等于或大于输入光脉冲的脉冲持续时间(Tp)。这确保该对的脉冲在时间上不显著重叠；换句话说，电场的非普通分量和普通分量在时间上不显著重叠。
双折射介质(B)避免使用用于将输入光脉冲分成两个或多个输出脉冲的脉冲分离器。因此，系统更加紧凑，因为在至少两个脉冲之间引入延迟不需要延迟线；与图1所示的已知现有技术相反。此外，在从输入光脉冲产生至少两个脉冲中不涉及反射光学器件；与已知的系统相比，这也提高了本发明的系统的紧凑性。
在示例中，双折射介质(B)可以是方解石(CaCO3)晶体、石英板(SiO2)、α-BBO(α-BaB2O4)晶体、YVO4晶体或TeO2晶体等。
在示例中，双折射介质(B)的厚度可以等于或大于100μm。
在示例中，双折射介质(B)的厚度可以包括在1.5mm和6mm之间。
在示例中，双折射介质(B)可以从光轴以90°切割。
在示例中，双折射介质(B)可以被定向，使得输入光脉冲的偏振方向与双折射介质(B)的光轴明显地成约56°。
在一个具体示例中，双折射介质(B)是厚度在1.5mm和6mm之间、从光轴以90°切割的方解石晶体，定向为使得输入光脉冲的偏振方向明显地与双折射介质(B)的光轴成约56°，并且其中输入光脉冲的能量的约30％是普通偏振的，并且输入光脉冲的能量的约70％是非普通偏振的。在1030nm处，在双折射介质(B)的非普通偏振和普通偏振之间引入的双折射延迟T约为900飞秒。在该示例中，双折射延迟T大于输入光脉冲(P)的脉冲持续时间，电场的非普通分量和普通分量在时间上不显著重叠，并且可以被认为是独立的脉冲。
现在参考图4，其示出了在根据本发明的系统的不同点处的光脉冲的时间波形的示例。时间波形表示脉冲的强度(以W/m2表示)随时间(以飞秒表示)的变化。
发生器(P)(图4中未示出)传递短的光脉冲。输入光脉冲具有光载波频率fp和脉冲持续时间Tp。短光脉冲形成线性偏振的输入光束。
标记为1a)的时间波形表示沿着第一偏振方向(E1)的波长λp、脉冲持续时间Tp的输入光脉冲。第一偏振方向(E1)平行于双折射介质(B)的普通偏振方向。标记为1g)的时间波形表示沿着第二偏振方向(E2)的输入脉冲(P)的时间波形。(E2)平行于双折射介质(B)的非普通偏振方向。除了沿着非普通偏振方向(E2)的输入光脉冲(P)传输更多的能量之外，1g)的时间波形与1a)的时间波形相同。
标记为1b)的时间波形表示在双折射介质(B)的输出处波形1a)的输入脉冲的时间波形。普通偏振脉冲的波形在双折射介质(B)的输出处不变。不变意味着波形1b)与波形1a)大致相同：如本领域所知，由于光色散，可能发生脉冲的轻微修改。
时间波形1h)表示双折射介质(B)沿第二偏振方向(E2)的输出处的时间波形。双折射介质(B)的输入是波形1g)的脉冲。时间波形1h)相对于时间波形1b时移了群延迟T。时间波形1h)的非普通偏振脉冲在时间上与时间波形1b)的普通偏振脉冲不显著重叠：非普通偏振脉冲和普通偏振脉冲可被认为是独立的脉冲。这是可能的，因为由双折射介质(B)引起的延迟T大于输入光脉冲的脉冲持续时间Tp。
回到图2，该系统还包括非线性介质(NL)。如本领域已知，非线性介质(NL)是其中偏振密度对脉冲的电场E非线性响应的介质。
非线性介质(NL)适于在输入中接收双折射介质(B)的输出：非线性介质(NL)在输入中接收成对的线性偏振脉冲(PP)。非线性介质(NL)适合(适于)对在输入中接收的每对脉冲中的两个脉冲中的至少一个进行频谱展宽。非线性介质(NL)的光学特性允许触发普通偏振和/或非普通偏振脉冲的成丝。如本领域已知的进行成丝。
在示例中，非普通偏振脉冲(沿着第二方向(E2)偏振的脉冲)可以足够强以触发成丝，并且可以频谱展宽。当在非线性介质(NL)中传播时，普通偏振脉冲强度不足以触发成丝并且保持基本相同：普通偏振脉冲与在双折射材料(B)的输出处的脉冲基本相同。在非线性介质(NL)的输出处，由于群延迟色散，展宽的非普通偏振脉冲的一些波长可能与非普通偏振脉冲的光群延迟相同。
在示例中，非线性介质(NL)可以部分地或全部地包括选自YAG(钇铝石榴石)晶体、蓝宝石晶体、氟化钙晶体、熔融石英窗中的一种或多种材料。
在示例中，非线性介质(NL)可以包括YAG晶体并且厚度在4mm和15mm之间。
在特定示例中，非线性介质(NL)可以包括YAG晶体，其厚度在4mm和15mm之间，并且重叠波长大约在655nm。
回到图4，标记为1c)的时间波形表示在非线性介质(NL)的输入中提供的波形1b)的脉冲的时间波形。在非线性介质(NL)的输出处，普通偏振脉冲的波形保持不变。同样，不变意味着波形1c)大致与波形1b)相同：如本领域所知，由于光色散，可能发生脉冲的轻微修改。
标记为1i)的时间波形是在非线性介质(NL)的输出处沿着偏振的第二方向(E2)的时间波形。在频谱展宽和群延迟色散的组合下，1i)的时间波形被展宽。波长λs通过由非线性介质(NL)产生的频谱展宽产生。
再参考图4，非线性材料(NL)的输出作为色散光学系统(O)的输入。色散光学系统(O)适合(或适于)具有在时间上部分重叠的普通偏振脉冲和非普通偏振脉冲。第一种解决方案可以是在时间上展宽脉冲，使得它们在时间上部分重叠。第二种解决方案可以是使用类似于双折射介质(B)但取向不同的双折射晶体，以使脉冲在时间上部分重叠。应当理解，两种方案都可以组合。还应当理解，作为非线性材料(NL)的输出提供的成对的线性偏振脉冲(PP)可以在时间上完全重叠。
色散光学系统(O)可以是体色散光学系统。例如，色散光学系统不包括镜子和/或是单片构造的组件。
回到图4，标记为1d)的时间波形表示在光学系统(O)的输出处的波形1c)的脉冲的时间波形。与非线性介质(NL)的输出相比，普通偏振脉冲的波形在光学系统(O)的输出处不变。
标记为1j)的时间波形示出了沿着第二偏振方向(E2)在光学系统(O)的输出处的时间波形。与在光学系统(O)的输入中提供的时间波形1i)的群延迟色散相比，时间波形1j)被拉伸。有趣的是，沿第二方向(E2)的波长λs和沿第一方向(E1)的波长λp的群延迟相等或非常接近。
在示例中，色散光学系统(O)可以包括选自玻璃窗、YAG晶体、方解石(CaCO3)晶体、石英晶体、α-BBO(α-BaB2O4)晶体、正钒酸钇(YVO4)晶体、二氧化碲(TeO2)晶体中的至少一种材料。应当理解，可以选择具有允许在时间上展宽脉冲或使脉冲同步的光学特性的任何材料。
在示例中，色散光学系统可以是厚透镜。
在示例中，光学系统(O)可以是SF11(玻璃代码785258)玻璃窗。
在特定的示例中，光学系统(O)可以包括厚度在1mm和5mm之间的SF11玻璃窗。
回到图2，该系统还包括参量装置(DFG)，其适合(适于)接收由色散光学系统(O)提供的输出。DFG适合在沿第一方向(E1)偏振的频率分量和沿第二方向(E2)偏振的频率分量之间产生频率差。DFG执行本领域已知的频率差，其中沿第一方向(E1)偏振的脉冲用作“泵浦”脉冲，并且沿第二方向(E2)偏振的脉冲用作“信号”脉冲。
在DFG介质上的差频产生被限于具有相等光学群延迟的波长。因此，所产生的频率差是fp-fs，其中fp是正常偏振脉冲的频率，而fp是非正常偏振脉冲的频率。
在示例中，参量装置(DFG)是二阶的非线性晶体，其包含选自β-BBO(低温β-相的硼酸钡)、LBO(三硼酸锂，表示为LiB3O5)、铌酸锂(LiNbO3)、碘酸锂(LiIO3)、LGS(硫化锂镓，表示为LiGaS2)、AGS(硫化银镓，表示为AgGaS2)，KTA(砷酸钛钾)中的至少一种材料。
在示例中，参量装置(DFG)是以二阶非线性极化率为特征的非线性晶体。
在具体示例中，参量装置(DFG)是100μm厚的低温β相硼酸钡晶体，切割角度约为52.6°用于I型相位匹配。通过在约655nm处(DFG晶体的“泵浦”波)和在1030nm处(DFG晶体的“信号”波)的分量之间的差频产生，产生在约1800nm处的闲频波。
现在参考图4，标记为1e)的时间波形示出在参数装置(DFG)的输出处沿着第一方向(E1)的时间波形，包括普通偏振脉冲的时间波形加上通过差频产生而产生的具有波长λi(也称为“闲频”脉冲)的第三光脉冲(也称为“闲频”脉冲)的时间波形。
“泵浦”脉冲的CEP和“信号”脉冲的CEP之间的差是恒定脉冲到脉冲，“闲频”脉冲的CEP是被动稳定的，换句话说，可从脉冲到脉冲再现。
标记为1k)的时间波形是在参数装置(DFG)的输出处沿着第二方向(E2)的时间波形。非普通偏振脉冲的波形类似于先前在光学系统(O)的输出处获得的波形。
已经参考图2讨论了光学系统的示例。与脉间DFG方案相比，本发明是单光束(无分束)、固有相位稳定、并且不受光路波动的影响。实际上，如图1所示的现有技术的方案需要使用分束器来从输入光束产生两个光束，使用延迟线来对两个光束中的一个进行时间延迟，以及使用镜子来对两个光束进行重组来产生DFG。尽管本发明允许产生和传输具有单个路径的两个光束(包括一个延迟光束)，即，不需要镜子和/或延迟线。因此，根据本发明的系统更紧凑，更不受波束干扰。此外，CEP随着时间的推移更稳定，因为存在一个由“泵浦”和“信号”光束共享的光路。与脉内DFG方案相比，本发明不需要超宽带输入脉冲，并且不需要用于DFG级的压缩脉冲。
在图2的示例中，系统还可以包括滤光器(F)，其输入适合接收参量装置(DFG)的输出。滤光器适合提取参量装置(DFG)的输出的频率差，使得光学系统仅输出波长为λi的第三光脉冲。因此，系统的输出仅产生光载波频率为fi的CEP稳定光脉冲。
在示例中，镜子可以是二向色镜。
在特定的例子中，滤光器可以是二向色镜，其抑制在约655nm和1030nm处的波长分量。
图3是图2的具有其它光学元件的光学系统的示例。在这个示例中，该系统还包括位于光输入的脉冲发生器和双折射介质(B)之间的波片。因此，波片适合接收由发生器(P)产生的输入光脉冲。波片还适合调节在双折射介质(B)中产生的脉冲对的脉冲之间的能量比。输入光脉冲的偏振状态由波片控制，例如，能量分配在要由双折射介质产生的脉冲对的两个脉冲之间平衡。这有利地改善了在非线性介质(NL)中进行的成丝。
仍然参考图3，光学系统包括至少一个置于光学系统(O)和参量装置(DFG)之间的光学器件。“置于……之间”意味着光学器件在光学系统(O)和参量装置(DFG)之间的光(脉冲)的路径上。因此，光学器件适合输入色散光学系统(O)的输出，并且适合将色散光学系统(O)的输出聚焦在参量装置(DFG)上。聚焦光改善了由频率差的DFG的产生。在该示例中，光学器件可以是适合将入射光束聚焦在输出处的透镜。
至少一个另外的光学器件(例如透镜)可以放置在双折射介质(B)和非线性介质(NL)之间，以将双折射介质(B)的输出聚焦在非线性介质(NL)上。改进了成丝。
至少一个另外的光学器件(例如透镜)可以放置在参量装置(DFG)和滤光器(F)之间，以将参量装置(DFG)的输出聚焦在滤光器(F)上。改进了由滤光器执行的滤光。
系统的元件被放置使得由脉冲发生器产生的光连续地从一个元件传输到另一个元件。例如，在图2中，输入光脉冲被连续地传输到双折射介质(B)、非线性介质(NL)、色散光学系统(O)和参量装置(DFG)。如果系统包括滤光器，则脉冲最终传输到滤光器。例如，在图3中，输入光脉冲被连续地传输到波片、双折射介质(B)、第一可选光学器件(透镜)、非线性介质(NL)、色散光学系统(O)、第二可选光学器件(透镜)、参量装置(DFG)、第三可选光学器件(透镜)和滤光器(F)。
现在描述本发明的另一方面，其涉及一种用于从输入光脉冲产生光载波频率fi的载波包络相位稳定(CEP稳定)光脉冲的方法，输入光脉冲具有光载波频率fp和脉冲持续时间Tp。基本上，该方法执行由形成系统的连续元件或上文讨论的系统的示例所实施的操作。
上述方法允许改进CEP稳定光脉冲的产生。通过该方法产生的CEP稳定的光脉冲固有地是相位稳定的并且不受光束路径波动的影响。
该方法包括提供(10)具有光载波频率fp和脉冲持续时间Tp的输入光脉冲。输入光脉冲是线性偏振的。该提供可以由前面讨论的脉冲发生器执行。
该方法还包括从所提供的输入光脉冲产生(20)成对的线性偏振脉冲(PP)。每对线性偏振脉冲(PP)沿着第一方向和第二方向(E1，E2)具有正交偏振，每对线性偏振脉冲(PP)具有近似等于或大于输入光脉冲的脉冲持续时间(Tp)的相对光学群延迟。通过上文讨论的双折射介质(B)执行该产生。
然后，该方法还包括触发(30)每对脉冲中的两个脉冲中的至少一个脉冲的成丝，一对脉冲的两个脉冲中的至少一个脉冲由于成丝而被频谱展宽。通过前面讨论的非线性介质(NL)执行成丝。
该方法还包括使来自所述非线性介质(NL)的输出的每对脉冲中的两个脉冲在时间上重叠(40)。这是通过色散光学系统(O)实现的。
该方法还包括产生(50)沿第一方向(E1)偏振的频率分量和沿第二方向(E2)偏振的频率分量之间的频率差。参量装置(DFG)执行该产生。
该方法还可以包括提取(60)所产生的频率差。这是通过参考图2讨论的滤光器来执行的。
该方法还可以包括将双折射介质(B)的输出聚焦(42)在非线性介质(NL)上，和/或将光学系统(O)的输出聚焦在参量器件(DFG)上，和/或将参量器件(DFG)的输出聚焦在滤光器上。
该方法还可以包括调节(12)将由双折射介质产生的脉冲对的两个脉冲之间的能量分配。波片可以执行该调节。
现在描述本发明的另一方面，其涉及光源单元，光源单元用于从输入光脉冲产生光载波频率fi的载波包络相位稳定(CEP稳定)光脉冲。光源单元包括具有光载波频率fp和脉冲持续时间Tp的光脉冲的发生器、如上所述的光学系统和光放大器。在根据本发明的光学系统的输入中提供光脉冲，其又在输出中提供载波包络相位稳定(CEP稳定)的光脉冲。在光放大器的输入中提供载波包络相位稳定(CEP稳定)的光脉冲，该光放大器提供放大的载波包络相位稳定(CEP稳定)光脉冲作为输出。因此，光学放大器适合放大光学系统的输出。
在示例中，光源单元的脉冲发生器提供具有光载波频率fp、脉冲持续时间Tp的脉冲。由发生器产生的脉冲是线性偏振的。
在示例中，脉冲发生器(P)可以是来自镱激光器的拾取器，镱激光器发出具有脉冲能量约10μJ、波长为1030nm的350fs的短光脉冲。
光放大器直接放大由光学系统产生的载波包络相位稳定(CEP稳定)光脉冲，即，不需要首先将其转换为电信号，如本领域已知的那样。光放大器可以是任何类型或技术。
更一般地，虽然已经参考某些实施方式描述了本发明，但是本领域技术人员将理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行各种改变并且可以替换等同物。此外，在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行许多修改以使特定情况适应本发明的教导。因此，本发明不限于所公开的特定实施方式，而是本发明将包括落入所附权利要求范围内的所有实施方式。
Claims (15)
1.一种单光束和无压缩光学系统，其用于从输入光脉冲产生光载波频率fi的载波包络相位稳定(CEP稳定)光脉冲，所述输入光脉冲具有光载波频率fp和脉冲持续时间Tp，所述系统包括：
-双折射介质(B)
--用于在输入中接收所述输入光脉冲；以及
--用于以每对线性偏振脉冲(PP)具有沿着第一方向和第二方向(E1，E2)的正交偏振且每对线性偏振脉冲(PP)具有近似等于或大于所述输入光脉冲的所述脉冲持续时间(Tp)的相对光学群延迟的方式来提供成对的线性偏振脉冲(PP)作为输出；
-非线性介质(NL)
--用于在输入中接收所述双折射介质(B)的输出；以及
--用于以每对线性偏振脉冲(PP)的两个脉冲中的至少一个被频谱展宽的方式来提供成对的线性偏振脉冲(PP)作为输出；
-透明的色散光学系统(O)
--用于在输入中接收所述非线性介质(NL)的输出；以及
--用于以在每对线性偏振脉冲(PP)的两个脉冲之间具有全部或部分时间重叠的方式来提供成对的线性偏振脉冲(PP)作为输出；
-参量装置(DFG)
--用于在输入中接收所述透明的色散光学系统(O)的输出；以及
--用于提供沿着所述第一方向(E1)偏振的频率分量和沿着所述第二方向(E2)偏振的频率分量之间的频率差作为输出。
2.根据权利要求1所述的光学系统，还包括：
-滤光器(F)
-用于在输入中接收所述参量装置(DFG)的输出；以及
-用于提供对所述参量装置(DFG)的输出的所述频率差的提取作为输出。
3.根据权利要求2所述的光学系统，其中，所述滤光器是二向色镜。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的光学系统，还包括用于控制所述输入光脉冲的偏振状态的波片。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的光学系统，还包括光学器件，所述光学器件置于所述色散光学系统(O)和所述参量装置(DFG)之间，所述光学器件：
-用于在输入中接收所述色散光学系统(O)的输出；以及
-用于将所述色散光学系统(O)的输出聚焦在所述参量装置(DFG)上。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的光学系统，其中，所述双折射介质(B)具有等于或大于100μm的厚度，并且所述双折射介质包括选自方解石晶体、石英晶体、α-BBO晶体、YVO4晶体和TeO2晶体中的至少一种晶体。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的光学系统，其中，所述色散光学系统(O)包括选自玻璃窗、YAG晶体、厚透镜、方解石晶体、石英晶体、α-BBO晶体、YVO4晶体和TeO2晶体中的至少一种材料。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的光学系统，其中，所述非线性介质(NL)包括选自YAG晶体、蓝宝石晶体、氟化钙晶体、熔融石英窗中的至少一种材料。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的光学系统，其中，所述参量装置(DFG)是包括选自β-BBO、LBO、LiNbO3、LiIO3、KTA、LGS和AGS中的至少一种材料的二阶非线性晶体。
10.根据权利要求1至8中任一项所述的光学系统，其中，所述参量装置(DFG)是以二阶极化率为特征的非线性晶体。
11.一种用于从输入光脉冲产生光载波频率fi的载波包络相位稳定(CEP稳定)光脉冲的方法，所述输入光脉冲具有光载波频率fp和脉冲持续时间Tp，所述方法包括：
-提供(10)具有光载波频率fp和脉冲持续时间Tp的所述输入光脉冲；
-通过双折射介质(B)从所提供的输入光脉冲产生(20)成对的线性偏振脉冲(PP)，每对线性偏振脉冲(PP)具有沿着第一方向和第二方向(E1，E2)的正交偏振且每对线性偏振脉冲(PP)具有近似等于或大于所述输入光脉冲的所述脉冲持续时间(Tp)的相对光学群延迟；
-通过非线性介质(NL)触发(30)每对线性偏振脉冲(PP)的两个脉冲中的至少一个的成丝，每对线性偏振脉冲(PP)的两个脉冲中的所述至少一个由于成丝被频谱展宽；
-通过色散光学系统(O)使来自所述非线性介质(NL)的输出的每对线性偏振脉冲的两个脉冲在时间上重叠(40)；以及
-通过参量装置(DFG)产生(50)沿着所述第一方向(E1)偏振的频率分量和沿着所述第二方向(E2)偏振的频率分量之间的频率差。
12.根据权利要求11所述的方法，还包括：
-通过滤光器提取(60)所产生的频率差。
13.根据权利要求11或12中任一项所述的方法，还包括：
-通过光学器件将所述色散光学系统(O)的输出聚焦(42)到所述参量装置(DFG)上。
14.根据权利要求11至13中任一项所述的方法，还包括：
-通过波片调节(12)将由所述双折射介质产生的脉冲对的两个脉冲之间的能量分配。
15.一种光源单元，其用于从输入光脉冲产生光载波频率fi的载波包络相位稳定(CEP稳定)光脉冲，包括：
-脉冲发生器，用于传递所述输入光脉冲，所述输入光脉冲具有光载波频率fp、脉冲持续时间Tp并且是线性偏振的；
根据权利要求1至10中任一项所述的光学系统，适于接收所述输入光脉冲；
-光学放大器，适于放大所述光学系统的输出。
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