CN115616826A - 基于级联正负非线性相移调制产生周期量级脉冲的方法 - Google Patents

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袁帅
邹晓旭
侯皓严
陈嘉宁
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陈俊宇
曾和平
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Abstract

本发明涉及一种基于级联正负非线性相移调制产生周期量级脉冲的方法，负相移薄片利用级联二阶非线性过程产生光谱红移，以及正二阶相移薄片利用飞秒光丝等离子体产生光谱蓝移，由均为二阶非线性相移的正负相移薄片构成一级正负相移薄片，多级依次级联，通过调制每级相移量相等，符号相反，激光经过多级级联的正负相移薄片，将光谱展宽至100nm以上的超连续光谱，且啁啾为线性啁啾。实现了传统手段很难实现的宽带相干辐射，能实现100nm以上的光谱带宽，为实现1030nm周期量级脉冲提供了一种有效途径。

Description

基于级联正负非线性相移调制产生周期量级脉冲的方法
技术领域
本发明涉及一种阿秒脉冲产生技术，特别涉及一种基于级联正负非线性相移调制产生周期量级脉冲的方法。
背景技术
周期量级超短脉冲激光具有能量大、脉宽短、超宽光谱范围等特点，并且周期量级的激光脉冲相位稳定、频谱带宽超大，其被应用于产生阿秒脉冲(1阿秒为10的负十八次方秒)，在超快光谱学和阿秒光学领域有着重要作用，并且在产生高次谐波等过程中有大量应用。周期量级脉冲的出现能够使原子等典型量子系统在不受电离的破坏下承受超强光场辐射，激发全新的非线性过程。
周期量级的飞秒乃至阿秒脉冲产生是当前重要的研究课题。现有的压缩光脉冲的方法有：光栅对时域压缩技术、成丝时域压缩技术、二阶非线性时域压缩技术等。但是光栅对压缩方式会发生较大的衍射损耗；成丝技术中出射光束受到等离子体的影响，将不可避免的产生蓝移(输出中心波长向短波长方向移动，波长变短，中心波长频率增加)，蓝移部分最终导致无法被补偿的高阶色散量。2014年发表在Optica上的成丝压缩文章[optica,1,400(2014)]，虽然刻意降低输入能量避免了等离子体产生，但也导致无法在大能量下获得百纳米以上的光谱范围，因此脉冲宽度无法达到5fs以下。而二阶非线性时域压缩技术，由于相位失匹，能量回流过程中会产生光谱红移(输出中心波长向红光移动，波长变长、中心波长频率降低)，因此也无法实现5fs以下的超短脉冲。
发明内容
针对现在压缩光脉冲技术产生周期量级超短脉冲存在的问题，提出了一种基于级联正负非线性相移调制产生周期量级脉冲的方法，有效利用了先前技术刻意避免的部分，通过等离子体光丝产生的光谱蓝移，以及级联二阶过程中的光谱红移，让两者相互补偿，形成线性啁啾的超宽带光谱，最终可以实现周期量级激光脉冲。
本发明的技术方案为：一种基于级联正负非线性相移调制产生周期量级脉冲的方法，负相移薄片利用级联二阶非线性过程产生光谱红移，以及正二阶相移薄片利用飞秒光丝等离子体产生光谱蓝移，由均为二阶非线性相移的正负相移薄片构成一级正负相移薄片，多级依次级联，通过调制每级相移量相等，符号相反，激光经过多级级联的正负相移薄片，将光谱展宽至100nm以上的超连续光谱，且啁啾为线性啁啾。
进一步，将级联正负相移薄片放入振荡腔体中，对射入的激光进行来回振荡，获取延展的脉冲宽度。
一种基于级联正负非线性相移调制产生周期量级脉冲装置，包括光源部、腔内振荡部和级联正负二阶非线性调制部，级联正负二阶非线性调制部由多组正负相移薄片级联而成，级联正负二阶非线性调制部置于腔内振荡部内，光源部输出超短脉冲激光，脉冲宽度小于400fs，超短脉冲激光进入腔内振荡部，多组正负相移薄片级联将进入腔内振荡部的激光的光谱展宽至100nm以上的超连续光谱，且啁啾为线性啁啾，获取对应500as-10fs的周期量级近红外脉冲激光。
优选的，所述腔内振荡部包括第一凹面镜、第二凹面镜和反射镜，两个凹面镜的焦距均为5cm，第一凹面镜和第二凹面镜的凹面中心间距10cm，凹第一凹面镜和第二凹面镜不完全正对，两个凹透镜焦点延长线夹角为5度，两个凹透镜构成类共焦腔结构，激光入射第一凹面镜进入类共焦腔，反射镜在第二凹面镜下方将散射出的光束重新反射回腔内。
优选的，所述正负相移薄片由BBO晶体与对应稀土量子点掺杂的熔融石英薄片构成。
优选的，所述光源部输出为固体激光、气体激光或光纤激光。
本发明的有益效果在于：本发明基于级联正负非线性相移调制产生周期量级脉冲的方法，实现了传统手段很难实现的宽带相干辐射，能实现100nm以上的光谱带宽，为实现1030nm周期量级脉冲提供了一种有效途径。
附图说明
图1为本发明基于级联正负非线性相移调制产生周期量级脉冲装置结构示意图；
图2为本发明基于级联正负非线性相移调制产生周期量级脉冲的方法实现光路图；
图3为本发明在实验中通过本发明方法获得的超宽带光谱图。
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。
一种基于级联正负非线性相移调制产生周期量级脉冲的方法，利用级联正负二阶非线性调制手段产生脉冲宽度500as-10fs的周期量级近红外脉冲激光。其中负二阶非线性相移由负相移薄片利用级联二阶非线性过程产生，导致光谱红移；正非线性相移由正二阶相移薄片利用飞秒光丝等离子体产生，导致光谱蓝移。由于两者均为二阶非线性相移，因此可通过调制使其相移量相等，符号相反，此时对应脉冲在光谱上对称展宽至超连续谱，且此时啁啾线性。
在实际过程中，可以通过采用多块正负相移薄片组合级联的方式，将激光的光谱展宽至100nm以上的超连续光谱，且啁啾为线性啁啾。
以下结合装置的设计介绍该级联正负非线性相移调制产生周期量级脉冲。
图1为本发明实验装置结构示意图。入射脉冲由光源部100发出，在实际过程中，光源为固体、气体、光纤等激光系统，光源部输出超短脉冲激光，脉冲宽度小于400fs。超短脉冲激光进入腔内振荡部200，由腔内振荡部200的两个大尺寸凹面镜201、202汇聚光斑，加之反射镜203使光束在腔内往返多个来回。在腔内振荡部200布置的级联正负二阶非线性调制部300由多组正负相移薄片级联而成，将进入腔内振荡部200的激光的光谱展宽至100nm以上的超连续光谱，且啁啾为线性啁啾。此时对应500as-10fs的周期量级近红外脉冲激光。如图2所示，每级正负相移薄片由一片正相移薄片301和一片负相移薄片302成角度搁置构成，多级依次级联。角度可优选为布鲁斯特角入射，从而纯化输出偏振。
本案例作为本发明的一种优选实施例，负相移薄片301、303可为BBO倍频晶体，实际为厚度50微米的薄片。正相移薄片302、304可为稀土量子点掺杂的熔融石英，其有效禁带宽度在1.5倍800nm单光子能量之间，为厚度50微米的薄片。实验中级联多个BBO晶体与稀土量子点掺杂的熔融石英薄片，将其依次交替放置在一起，作为光谱展宽介质。
具体实验光路参见图2。图2所示的实施实例中，凹面镜201与凹面镜202的焦距均为5cm。凹面镜201与凹面镜202的凹面中心间距10cm。凹面镜201与凹面镜202不完全正对，两个凹透镜焦点延长线夹角为5度。由凹面镜201与凹面镜202组成的腔体，由于两凹面镜焦距为5cm，间距10cm，因此构成类共焦腔结构，腔内束腰在腔长的中点(腔长指两个凹面中心连线)。对应输入激光单脉冲能量2mJ，脉冲宽度200fs，中心波长800nm，光谱宽度50nm。入射光束从凹面镜201下方打在凹面镜201的凹面上后进入腔内中开始震荡，穿过多组正负相移薄片后，打在凹面镜202上散射出后，由凹面镜202下方的反射镜203将光束重新反射回腔内，通过由多个BBO晶体与对应稀土量子点掺杂的熔融石英薄片构成的正负相移薄片组合，回返至凹面镜201，如此往复振荡后由凹面镜202出射至反射镜203上。光将被反射镜203再次反射，返回进入腔内中重新来回振荡。经过多个来回之后，光会从入射光的上方输出。具体光路搭建过程中，因为两个凹面镜不完全正对，出射时的角度会比入射时的角度大1度左右，振荡过程中输出光束与入射光束分离，多次振荡后可将输出光导出。
由于正负相移薄片导致的光谱红移和蓝移都是二阶非线性相移，可以通过调制使其相移量相等且符号相反，形成线性啁啾的超宽带光谱，因此在通过多组级联的正负相移薄片后，最终能实现100nm以上的光谱带宽。图3为实验中通过上述技术，获得覆盖范围400nm-1000nm，中心波长1030nm的超宽带光谱。其后经过啁啾镜压缩，最终实现5fs周期量级脉冲激光，约为3个光周期。1030nm附近的掺镱激光晶体比钛宝石具有更高的热损伤。然而传统手段很难实现宽带相干辐射，本发明方法也为实现1030nm周期量级脉冲提供了一种有效途径。
传统的成丝技术中出射光束受到等离子体的影响，将不可避免的产生蓝移，蓝移部分最终导致无法被补偿的高阶色散量，因此脉冲宽度无法达到5fs以下(对于800nm光)。而二阶非线性时域压缩技术，由于相位失匹，能量回流过程中会产生光谱红移，因此也无法实现5fs以下的超短脉冲(对于800nm光)。本发明让两者相互补偿，形成线性啁啾的超宽带光谱，最终可以实现周期量级激光脉冲。
需要强调的是，虽然本发明所用元器件为当前技术的结合。但是，有效利用了先前技术刻意避免的思维方式和结构结合。无论是通过等离子体产生的光谱蓝移，还是级联二阶过程中的光谱红移，都是先前技术极力避免的。而本发明反向思维让两者相互补偿，形成线性啁啾的超宽带光谱，最终可以实现周期量级激光脉冲。对应800nm近红外光，预计可实现单光周期压缩(2.66fs)；对于200nm紫外光预计可实现660as的脉冲宽度。
如图2所示，多组正负相移薄片中的每组正负相移薄片均匀且对称的排布在凹面镜201与凹面镜202之间。在补偿过程中，首先测算入射脉冲内部包含的多阶相移，并将向移量带入材料的高阶非线性公式。例如对于利用偏硼酸钡晶体作为级联负相移薄片的情况，将实际参数带入下述公式：
Figure BDA0003871669420000051
对于上式
Figure BDA0003871669420000052
为级联二阶非线性向移数值。n1与n2分别为材料的线性与非线性折射率。E为此时腔内相移薄片所在的电场强度，c为光速，deff为实际过程中有效频率转化系数。计算过程中，令二阶非线性向移
Figure BDA0003871669420000053
等于前一过程中要补偿的相移动，带入参数，计算得到晶体长度L。L即为此时腔内相移薄片的所需长度。之后依次计算各向移薄片的各阶段相位补偿，从而确保光谱内部加入线性啁啾。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种基于级联正负非线性相移调制产生周期量级脉冲的方法，其特征在于，负相移薄片利用级联二阶非线性过程产生光谱红移，以及正二阶相移薄片利用飞秒光丝等离子体产生光谱蓝移，由均为二阶非线性相移的正负相移薄片构成一级正负相移薄片，多级依次级联，通过调制每级相移量相等，符号相反，激光经过多级级联的正负相移薄片，将光谱展宽至100nm以上的超连续光谱，且啁啾为线性啁啾。
2.根据权利要求1所述基于级联正负非线性相移调制产生周期量级脉冲的方法，其特征在于，将级联正负相移薄片放入振荡腔体中，对射入的激光进行来回振荡，获取延展的脉冲宽度。
3.一种基于级联正负非线性相移调制产生周期量级脉冲装置，其特征在于，包括光源部、腔内振荡部和级联正负二阶非线性调制部，级联正负二阶非线性调制部由多组正负相移薄片级联而成，级联正负二阶非线性调制部置于腔内振荡部内，光源部输出超短脉冲激光，脉冲宽度小于400fs，超短脉冲激光进入腔内振荡部，多组正负相移薄片级联将进入腔内振荡部的激光的光谱展宽至100nm以上的超连续光谱，且啁啾为线性啁啾，获取对应500as-10fs的周期量级近红外脉冲激光。
4.根据权利要求3所述基于级联正负非线性相移调制产生周期量级脉冲装置，其特征在于，所述腔内振荡部包括第一凹面镜、第二凹面镜和反射镜，两个凹面镜的焦距均为5cm，第一凹面镜和第二凹面镜的凹面中心间距10cm，凹第一凹面镜和第二凹面镜不完全正对，两个凹透镜焦点延长线夹角为5度，两个凹透镜构成类共焦腔结构，激光入射第一凹面镜进入类共焦腔，反射镜在第二凹面镜下方将散射出的光束重新反射回腔内。
5.根据权利要求3或4所述基于级联正负非线性相移调制产生周期量级脉冲装置，其特征在于，所述正负相移薄片由BBO晶体与对应稀土量子点掺杂的熔融石英薄片构成。
6.根据权利要求5所述基于级联正负非线性相移调制产生周期量级脉冲装置，其特征在于，所述光源部输出为固体激光、气体激光或光纤激光。
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