CN115173211A - 一种产生2微米少周期激光脉冲的系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种产生2微米少周期激光脉冲的系统，包括激光放大器、可见光超连续光谱产生元件、脉冲延时系统和近红外超连续光谱产生元件，其优点在于，本发明不仅可以适用不同波段2微米少周期激光脉冲的产生，而且可以实现与脉冲内差频方法相当的短脉冲，而且与基于钛蓝宝石激光器的方法相比，还降低了成本。

Description

一种产生2微米少周期激光脉冲的系统
技术领域
本发明属于超快激光领域，主要用于产生2微米少周期激光脉冲。
背景技术
超快激光脉冲在激光加工、医疗手术、以及中红外超快激光脉冲产生等领域具有重要应用。其中，具有少周期的2微米超快激光器是驱动产生水窗波段X射线源和阿秒激光脉冲的重要光源。因此，获得2微米少周期超快激光脉冲得到研究人员的极大关注。目前，在2微米光纤激光器中利用基于中空光纤的非线性脉冲压缩技术已实现单周期的超快激光脉冲。在固体激光器中，2微米少周期超快激光脉冲可利用基于充有惰性气体的多通池、激光成丝、以及非线性频率变换等技术实现。由于非线性频率变换具有更大的光谱优化自由度，常被用于产生2微米少周期超快激光脉冲。已有利用基于钛宝石激光器的内脉冲差频技术产生2微米少周期超快激光脉冲的报道。然而，钛宝石激光器高成本、低输出功率的特点阻碍了该技术的进一步发展。基于成熟的1微米超快脉冲激光技术通过差频获得2微米少周期超快激光脉冲得到快速发展。目前，利用1微米超快激光器，通过激光成丝产生的可见光超连续光谱和基频光差频已获得2.5个光周期(16fs)2微米超快激光脉冲。然而，基频光受限的带宽，限制了更窄脉宽的获得。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种利用两束超连续光谱激光脉冲差频直接获得2微米少周期超快激光脉冲，超连续激光光谱可通过透明介质中的激光成丝过程或高非线性光纤中的非线性光谱展宽过程产生。该少周期激光脉冲产生方法可以适用于不同的激光波段，该系统不仅可以实现与脉冲内差频方法相当的短脉冲，而且与基于钛蓝宝石激光器的方法相比，还降低了成本。其技术方案为，
一种产生2微米少周期激光脉冲的系统，包括激光放大器、可见光超连续光谱产生元件、脉冲延时系统和近红外超连续光谱产生元件，激光放大器发出的激光光束经过第一个分光镜后分为光束I和光束II，光束I经过可见光超连续光谱产生元件，产生可见光超连续光谱激光脉冲，光束II经过脉冲延时系统后由第一个平面镜进入近红外超连续光谱产生元件，获得近红外超连续光谱激光脉冲；可见光超连续光谱激光脉冲经过第一个色散管理元件、二向色镜后与近红外超连续光谱激光脉冲共同进入激光差频晶体，通过差频产生少周期激光脉冲，然后经第二个色散管理元件对2微米少周期激光脉冲进一步压缩，最终获得2微米少周期超快激光脉冲。
优选的，激光放大器要求激光脉冲在亚皮秒量级，脉冲能量大于数十毫焦，采用固体激光放大器或光纤激光放大器。
优选的，所述可见光超连续光谱产生元件和近红外超连续光谱激光脉冲产生元件为透明介质和高非线性光纤或空芯光纤时，利用发生在透明介质中的激光成丝过程和光纤的非线性光谱展宽过程获得可见光和近红外超连续光谱激光脉冲。
优选的，所述第一个色散管理元件与第二个色散管理元件为光栅、啁啾镜、声光可编程色散滤波器或固体透明介质的任一种，用于调节可见光超连续光谱激光脉冲和2微米激光脉冲的啁啾。
优选的，当产生的所述可见光超连续光谱激光脉冲能量较低时，需要在可见光超连续光谱产生元件后引入第一个非共线光参量放大系统对其进行放大。
优选的，2微米少周期超快激光脉冲产生步骤如下：
S1.从激光放大器中输出的激光脉冲经过第一个分光镜后分成两束，分别为光束I和光束II；
S2.其中光束I首先经过第三个分光镜将光束I再分成两束，分别为光束XI、光束XII；
S3.光束XI依次经过第一个1/2波片、第一个偏振分光棱镜、第二个1/2波片调节输入脉冲能量和偏振态，之后经过第一个聚焦透镜到可见光超连续光谱产生元件中，经过第一个滤波片获得可见光超连续脉冲，产生的可见光超连续脉冲经过第一个色散管理元件将脉冲宽度拉伸，拉伸后的脉冲经过第一个非共线光参量放大系统将脉冲能量提升；
S4.光束XII经过第三个1/2波片、第二个偏振分光棱镜、第四个1/2波片调节输入脉冲能量和偏振态，之后经过第二个聚焦透镜到倍频转换元件产生激光脉冲作为S3中第一个非共线光参量放大系统的泵浦光；
S5.光束II经过一个延迟系统后再经过第四个分光镜分成两束，分别为光束XXI和光束XXII；
S6.光束XXI经过第五个1/2波片、第三个偏振分光棱镜、第六个1/2波片调节输入脉冲能量和偏振态，之后经过第三个聚焦透镜到近红外超连续光谱产生元件中，经过第二个滤波片得到近红外超连续脉冲；
S7.产生的可见光超连续脉冲经过色镜与近红外超连续脉冲合成一束聚焦到激光差频晶体中，通过差频产生2微米少周期激光脉冲。
优选的，产生的2微米少周期激光脉冲经过一个可编程声光色散滤波器拉伸差频产生的脉冲并预补偿高阶色散，再经过一个脉冲延迟系统，之后再经过第二个非共线光参量放大系统将脉冲能量提高，再经过第二个非共线光参量放大系统放大的脉冲能量。光束XXII作为第二个非共线光参量放大系统的泵浦光。
优选的，所述倍频转换元件为LBO晶体，第一个非共线光参量放大系统为BBO晶体，第二个非共线光参量放大系统为LiNbO3晶体。
有益效果
本发明不仅可以适用不同波段少周期激光脉冲的产生，而且可以实现与脉冲内差频方法相当的短脉冲，而且与基于钛蓝宝石激光器的方法相比，还降低了成本。
附图说明
图1为本发明的原理结构图。
图2为实施列的装置示意图。
图3为经过激光成丝后形成的超连续脉冲的光谱，a为可见超连续脉冲光谱，b为红外超连续脉冲光谱。
图4中a为所述差频晶体在相位匹配角为10.7度时的相位失配图，b为DFG之后的2微米少周期激光脉冲光谱。
图5中a为2微米种子激光脉冲经过OPA之后的光谱，b为测量的自相关曲线，c为计算的自相关曲线。
图中，1-激光放大器，201-第一个分光镜，202-二向色镜，203-第三个分光镜，204-第四个分光镜，3-可见光超连续光谱产生元件，4-第一个色散管理元件，5-脉冲延时系统，52-第二个脉冲延时系统，6-近红外超连续光谱产生元件，7-激光差频晶体，8-第二个色散管理元件，901-第一个平面镜，902-第二个平面镜，903-第三个平面镜，904-第四个平面镜，10-倍频转换元件，111-第一个1/2波片，112-第三个1/2波片，113-第二个1/2波片，114-第四个1/2波片，115-第五个1/2波片，116-第六个1/2波片，121-第一个偏光分光棱镜，131-第一个聚焦透镜，132-第二个聚焦透镜，133-第个四聚焦透镜，134-第五个聚焦透镜，135-第三个聚焦透镜，136-第六个聚焦透镜，141-第一个滤波片，142-第二个滤波片，15-第一个非共线光参量放大系统，16-第二个非共线光参量放大系统，17-可编程声光色散滤波器。
具体实施方式
以下结合附图与实施列对本发明作进一步的说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
一种产生2微米少周期激光脉冲的系统，包括激光放大器1、可见光超连续光谱产生元件3、脉冲延时系统5、近红外超连续光谱产生元件6，激光放大器1发出的激光光束经过第一个分光镜201后分为光束I和光束II，光束I经过可见光超连续光谱产生元件3，产生可见光超连续光谱激光脉冲，光束II经过脉冲延时系统5后由第一个平面镜901进入近红外超连续光谱产生元件6，获得近红外超连续光谱激光脉冲；可见光超连续光谱激光脉冲经过第一个色散管理元件4、二向色镜202后与近红外超连续光谱激光脉冲共同进入激光差频晶体7，通过差频产生2微米少周期宽光谱的激光脉冲，然后经第四个平面镜904进入第二个色散管理元件8，对2微米少周期激光脉冲进一步压缩，最终获得2微米少周期超快激光脉冲。
激光放大器1要求激光脉冲在亚皮秒量级，脉冲能量大于数十毫焦，采用固体激光放大器或光纤激光放大器。
所述可见光超连续光谱产生元件3为透明介质时，利用发生在透明介质中的激光成丝过程获得可见光超连续激光光谱，所述可见光超连续光谱产生元件为高非线性光纤或空芯光纤，利用光纤的非线性光谱展宽过程获得可见光超连续激光光谱。
所述第一个色散管理元件4与第二个色散管理元件8为光栅、啁啾镜、声光可编程色散滤波器或固体透明介质的任一种，用于调节可见光超连续光谱激光脉冲和2微米激光脉冲的啁啾。图2中第一个色散管理元件4采用负色散光栅对，第二个色散管理元件8采用一个GDD为-2200fs2的1.2cm长的玻璃块。
当产生的所述可见光超连续光谱激光能量较低时，需要在可见光超连续光谱产生元件后引入第一个非共线光参量放大系统15对其进行放大，第一个非共线光参量放大系统15采用BBO晶体。
2微米超快激光脉冲产生步骤如下：
S1.从激光放大器1中输出的激光脉冲经过第一个分光镜201后分成两束，分别为光束I和光束II；
S2.其中光束I首先经过第三个分光镜203将光束I再分成两束，分别为光束XI、光束XII；
S3.光束XI依次经过第一个1/2波片111、第一个偏振分光棱镜121、第二个1/2波片113调节输入脉冲能量和偏振态，之后经过第一个聚焦透镜131到可见光超连续光谱产生元件3(YAG晶体)中，经过第四个聚焦透镜133、第一个滤波片141获取波长为750nm-850nm的可见光超连续脉冲，产生的可见光超连续脉冲经过第一个色散管理元件4将脉冲宽度拉伸至800fs，拉伸至800fs的脉冲经过第一个非共线光参量放大系统15将脉冲能量提升到7.2μJ；
S4.光束XII经过第二个平面镜902、第三个1/2波片112、第二个偏振分光棱镜122、第四个1/2波片114调节输入脉冲能量和偏振态，之后经过第二个聚焦透镜132到倍频转换元件10产生515nm的激光脉冲，该激光脉冲经过第五个聚焦透镜134后作为S3中第一个非共线光参量放大系统15的泵浦光；
S5.光束II经过一个延迟系统5后再经过第一个平面镜901、第四个分光镜204后分成两束，分别为光束XXI和光束XXII；
S6.光束XXI经过第五个1/2波片115、第三个偏振分光棱镜123、第六个1/2波片116调节输入脉冲能量和偏振态，之后经过第三个聚焦透镜135到近红外超连续光谱产生元件6中，经过第六个聚焦透镜136、第二个滤波片142滤出1100nm-1400nm的近红外超连续脉冲；光束XXII作为第二个非共线光参量放大系统16的泵浦光；
S7.产生的可见光超连续脉冲经过二向色镜202与近红外超连续脉冲合成一束聚焦到激光差频晶体7(BiBO晶体)中，通过差频产生2微米少周期激光脉冲；光束XXII进过第三个平面镜903后进入第二个非共线光参量放大系作为其泵浦光；
S8.产生的2微米少周期激光脉冲经过一个可编程声光色散滤波器17拉伸差频产生的脉冲并预补偿高阶色散，再经过第二个脉冲延迟系统52，之后再经过第二个非共线光参量放大系统将脉冲能量提高到15.1μJ，再经过一个GDD为-2200fs2的1.2cm长的玻璃块压缩放大的脉冲持续时间到14.3fs。
所述的掺镱激光放大器输出的激光脉冲最大单脉冲能量为500μJ，脉冲宽度为800fs，重复频率为10KHz，波长为1微米。
所述的第一个非共线光参量放大系统使用一个4mm长的BBO晶体，相位匹配角为23.2度，泵浦光的脉冲能量为35μJ，波长为515nm，非共线角为2度。
所述的差频过程采用Ⅰ类相位匹配角，相位匹配角为10.7度。
所述的第二个非共线光参量放大系统使用一个2mm长的LiNbO3晶体，相位匹配角为44.6度，非共线角为1度。
图3给出了所述可见光超连续脉冲和近红外超连续脉冲的光谱范围。
图4a给出了所述差频晶体在相位匹配角为10.7度时的相位失配图，b给出了DFG之后的2微米少周期激光脉冲的光谱。
图5a给出了2微米少周期激光脉冲经过OPA之后的光谱，b为测量的自相关曲线，c为计算的自相关曲线。

Claims (8)

1.一种产生2微米少周期激光脉冲的系统，特征在于，包括激光放大器、可见光超连续光谱产生元件、脉冲延时系统和近红外超连续光谱产生元件，激光放大器发出的激光光束经过第一个分光镜后分为光束I和光束II，光束I经过可见光超连续光谱产生元件，产生可见光超连续光谱激光脉冲，光束II经过脉冲延时系统后由第一个平面镜进入近红外超连续光谱产生元件，获得近红外超连续光谱激光脉冲；可见光超连续光谱激光脉冲经过第一个色散管理元件、二向色镜后与近红外超连续光谱激光脉冲共同进入激光差频晶体，通过差频产生少周期激光脉冲，然后经第二个色散管理元件对2微米少周期激光脉冲进一步压缩，最终获得2微米少周期超快激光脉冲。
2.根据权利要求1所述的一种产生2微米少周期激光脉冲的系统，特征在于，激光放大器要求激光脉冲在亚皮秒量级，脉冲能量大于数十毫焦，采用固体激光放大器或光纤激光放大器。
3.根据权利要求1所述的一种产生2微米少周期激光脉冲的系统，特征在于，所述可见光超连续光谱产生元件和近红外超连续光谱激光脉冲产生元件为透明介质和高非线性光纤或空芯光纤时，利用发生在透明介质中的激光成丝过程和光纤的非线性光谱展宽过程获得可见光和近红外超连续光谱激光脉冲。
4.根据权利要求1所述的一种产生2微米少周期激光脉冲的系统，特征在于，所述第一个色散管理元件与第二个色散管理元件为光栅、啁啾镜、声光可编程色散滤波器或固体透明介质的任一种，用于调节可见光超连续光谱激光脉冲和2微米激光脉冲的啁啾。
5.根据权利要求1所述的一种产生2微米少周期激光脉冲的系统，特征在于，当产生的所述可见光超连续光谱激光脉冲能量较低时，需要在可见光超连续光谱产生元件后引入第一个非共线光参量放大系统对其进行放大。
6.根据权利要求1所述的一种产生2微米少周期激光脉冲的系统，特征在于，2微米少周期超快激光脉冲产生步骤如下：
S1.从激光放大器中输出的激光脉冲经过第一个分光镜后分成两束，分别为光束I和光束II；
S2.其中光束I首先经过第三个分光镜将光束I再分成两束，分别为光束XI、光束XII；
S3.光束XI依次经过第一个1/2波片、第一个偏振分光棱镜、第二个1/2波片调节输入脉冲能量和偏振态，之后经过第一个聚焦透镜到可见光超连续光谱产生元件中，经过第一个滤波片获得可见光超连续脉冲，产生的可见光超连续脉冲经过第一个色散管理元件将脉冲宽度拉伸，拉伸后的脉冲经过第一个非共线光参量放大系统将脉冲能量提升；
S4.光束XII经过第三个1/2波片、第二个偏振分光棱镜、第四个1/2波片调节输入脉冲能量和偏振态，之后经过第二个聚焦透镜到倍频转换元件产生激光脉冲作为S3中第一个非共线光参量放大系统的泵浦光；
S5.光束II经过一个延迟系统后再经过第四个分光镜分成两束，分别为光束XXI和光束XXII；
S6.光束XXI经过第五个1/2波片、第三个偏振分光棱镜、第六个1/2波片调节输入脉冲能量和偏振态，之后经过第三个聚焦透镜到近红外超连续光谱产生元件中，经过第二个滤波片得到近红外超连续脉冲；
S7.产生的可见光超连续脉冲经过色镜与近红外超连续脉冲合成一束聚焦到激光差频晶体中，通过差频产生2微米少周期激光脉冲。
7.根据权利要求6所述的一种产生2微米少周期激光脉冲的系统，特征在于，产生的2微米少周期激光脉冲经过一个可编程声光色散滤波器拉伸差频产生的脉冲并预补偿高阶色散，再经过一个脉冲延迟系统，之后再经过第二个非共线光参量放大系统将脉冲能量提高，再经过第二个非共线光参量放大系统放大的脉冲能量，光束XXII作为第二个非共线光参量放大系统的泵浦光。
8.根据权利要求7所述的一种产生2微米少周期激光脉冲的系统，特征在于，所述倍频转换元件为LBO晶体，第一个非共线光参量放大系统为BBO晶体，第二个非共线光参量放大系统为LiNbO3晶体。
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